JPH0965247A

JPH0965247A - 映像表示装置

Info

Publication number: JPH0965247A
Application number: JP21362495A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Hisayoshi; 久芳圭一
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-08-22
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】光学系を大型・複雑化することなく、映像表
示装置と顔面の干渉を防いだ頭部装着式映像表示装置用
の光学系。【構成】２次映像表示素子１と、２次元映像表示素子
１の実像を空中に投影するリレー光学系２と、その実像
を空中に拡大投影すると共に光軸ｌ₁を屈曲させる接眼
光学系３と、この接眼光学系３を使用者の眼球４直前に
位置するように支持する支持手段とを備えた映像表示装
置において、光軸ｌ₁が観察者の左右の眼球の内側（鼻
側）方向から眼球に向かうように、リレー光学系２と接
眼光学系３とを配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像表示装置に関
し、特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持して眼球に
映像を投影する小型の頭部又は顔面装着式映像表示装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティー用、ある
いは、個人的に大画面の映像を楽しむことを目的とし
て、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部又は顔面に保持す
る映像表示装置が開発されている。

【０００３】図７に特開平５−１３４２０８号のものの
光学系の構成を示す。この光学系は、液晶表示素子等の
２次元映像表示素子１に表示された映像をリレー光学系
２で空中に投影し、凹面鏡からなる接眼光学系３により
この空中像（中間像）を拡大すると共に光軸を屈曲さ
せ、観察者の眼球４に入射させている。

【０００４】この光学系では、正パワーを持つ凹面鏡３
が光軸に対して傾いているので、偏心収差が発生する。
この偏心収差は共軸光学系では補正できないので、リレ
ー光学系２を図のように偏心させることによって補正し
ている。

【０００５】

【発明の解決しようとする課題】図５に、このような頭
部装着式の映像表示装置の光学系を模式的に示してあ
る。図中、１は２次元映像表示素子、２はリレー光学
系、３は接眼光学系、４は右眼球である。頭部装着式映
像表示装置の光学系と顔面との干渉を避けるためには、
接眼光学系３が顔面の前方方向に離れ、リレー光学系２
と２次元映像表示素子１が顔面の右あるいは右側前方方
向に離れて配置される必要がある。以下、接眼光学系３
として平面鏡、凹面鏡、楕円凹面鏡を使用した場合それ
ぞれについて、その問題点を説明する。

【０００６】接眼光学系３として平面鏡（例えば反射
型ホログラム）を使用した場合リレー光学系２、２次元映像表示素子１を顔面から離す
ためには、図５に実線で示すように、接眼光学系３の傾
きを大きくして接眼光学系３での反射角αを大きくする
必要がある。しかし、接眼光学系３で発生する収差を少
なくするために接眼光学系３の傾きを大きくすると、接
眼光学系３の内側（鼻側）と顔面が干渉しやすくなって
しまう。

【０００７】接眼光学系として凹面鏡を使用した場合映像表示素子１やリレー光学系２と顔面との干渉を避け
るためには、凹面鏡である接眼光学系３への入射光軸と
射出光軸（凹面鏡での反射光線の光軸）とのなす角度α
を大きくするか、眼球４と映像表示素子１の間の距離を
大きくする必要がある。しかし、上記の２つ方法にはそ
れぞれ以下に述べる問題点がある。

【０００８】・接眼凹面鏡の傾きを大きくすると次の不
具合が生じる。（１）凹面鏡の内側（鼻側）と顔面が干渉しやすくな
る。（２）凹面鏡で発生する収差（偏心収差）が大きくな
り、その偏心収差補正のためにリレー光学系が複雑にな
る。・眼球と映像表示素子の間の距離を大きくすると次の不
具合が生じる。（１）光学系が大型化する。すなわち、凹面鏡の構成・
配置を変更するだけでは、光学系を大型化・複雑化する
ことなく、光学系と顔面の干渉を防いだ接眼光学系を構
成することが不可能である。

【０００９】接眼光学系として楕円凹面鏡を使用した
場合この場合は、映像表示素子１やリレー光学系２と顔面と
の干渉を避けるためには、次の２つの方法がある。（１）楕円凹面鏡の２焦点間の距離を大きくする。（２）楕円凹面鏡の傾き角を大きくする（以下に述べる
他方の焦点Ｑ₂を顔面から離す）。

【００１０】しかし、上記の２つの方法にはそれぞれ以
下に述べる問題点がある。以下では、凹面鏡として楕円
鏡を使用する場合について説明するが、近似楕円等、凹
面鏡一般に関しても、以下の説明と同様のことが言え
る。

【００１１】・楕円凹面鏡の２焦点間の距離を大きくす
る場合の問題点図６において、楕円の方程式をＸ²／ａ²＋Ｙ²／ｂ²＝１，ａ＞ｂ＞０とすると、離心率ｅは、ｅ＝（ａ²−ｂ²）^1/2／ａとなる。このとき、楕円の２焦点の座標は、Ｑ₁（−ａ
ｅ，０）、Ｑ₂（ａｅ，０）、焦点Ｑ₁を通りＹ軸に平
行な直線と楕円の交点Ｐの座標は、（−ａｅ，ｂ ²／
ａ）となる。ＰＱ₂とＱ₁Ｑ₂のなす角をθとすると、ｔａｎθ＝ｂ²／｛２ａ（ａ²−ｂ²）^1/2｝となる。

【００１２】楕円の２焦点Ｑ₁、Ｑ₂間の距離（＝２ａ
ｅ＝２（ａ²−ｂ²））を大きくするにはａを大きくす
るかｂを小さくすればよい。しかし、両方共に点Ｐを点
Ｑ₁に近づけてしまい、凹面鏡が顔と干渉するか、ある
いは、眼鏡の使用が不可能となるという不具合を招く。
また、ａを大きくしたりｂを小さくしたりすると、光学
系の偏心度が大きくなる（θ小さくなる＝角度αが大き
くなる）ので、光学系の偏心収差が大きくなってしま
う。

【００１３】また、楕円の２焦点間の距離を大きくする
には、楕円の曲率半径を係数倍すればよい（楕円鏡の大
きさを係数倍する）が、発生収差も係数倍だけ大きくな
り、光学系も大型化してしまう。

【００１４】・楕円凹面鏡の傾き角を大きくする場合の
問題点凹面鏡の傾き角を大きくすると、Ｑ₂点の位置が＋Ｙ方
向に移動する。すると、接眼光学系で発生する収差（偏
心収差）も大きくなる。その偏心収差補正のために光学
系が複雑になってしまう。

【００１５】すなわち、従来のように楕円凹面鏡の構成
・配置の変更だけでは、光学系を大型・複雑化すること
なく、光学系と顔面の干渉を防いだ接眼光学系を構成す
ることが不可能である。

【００１６】本発明は従来技術の上記問題点を解決する
ためになされたものであり、その目的は、光学系を大型
・複雑化することなく、映像表示装置と顔面の干渉を防
いだ頭部装着式映像表示装置用の光学系を提供すること
である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の映像表示装置は、２次映像表示素子と、前記２次元
映像表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、
その実像を空中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる
接眼光学系と、この接眼光学系を使用者の眼球直前に位
置するように支持する支持手段とを備えた映像表示装置
において、前記光軸が観察者の左右の眼球の内側（鼻
側）方向から眼球に向かうように、前記リレー光学系と
前記接眼光学系とを配設したことを特徴とするものであ
る。

【００１８】この場合、接眼光学系は凹面反射面又は凹
面半透過反射面の何れであってもよい。さらに、接眼光
学系は以下の条件（１）を満足することが望ましい。１５（ｍｍ）＜ｆ＜４０（ｍｍ）・・・（１）ただし、ｆは前記接眼光学系の焦点距離である。

【００１９】また、接眼光学系は次の条件（２）を満足
することがより好ましい。２０°＜α＜８０° ・・・（２）ただし、αは前記接眼光学系への入射光軸と射出光軸
（反射光線）のなす角度である。

【００２０】以下、上記構成を採用する理由とその作用
については説明する。図１は本発明による頭部装着式映
像表示装置の光学系を説明するための図であるが、同図
において、１は２次元映像表示素子、２はリレー光学
系、３は接眼光学系、４は右眼球を示し、また、ｌ₀：無限遠を観察する際の視軸、ｌ₁：２次元映像表示素子１の表示中心を射出する主光
線（光軸）、ｌ₂：２次元映像表示素子１の表示領域の外側を射出す
る主光線（内側画角θ₂）、ｌ₃：２次元映像表示素子１の表示領域の内側を射出す
る主光線（内側画角θ_３）、とする。

【００２１】２次元映像表示素子１の外側（顔面から遠
い側）を発した光束は、リレー光学系２の顔面から遠い
箇所を通過して、収束・反射作用を持つ接眼光学系３で
１回反射した後、観察者の眼球の内側方向（鼻側）から
眼球４に向かう。

【００２２】したがって、接眼光学系３で反射した光軸
ｌ_１が観察者の眼球４の内側方向（鼻側）から眼球４
に向かうようにすると、リレー光学系２と２次元映像表
示素子１が顔面から離れるようになるので、頭部装着式
映像表示装置と観察者の顔面との干渉が問題とならなく
なり、このような映像表示装置のレイアウトの自由度が
増すことになる。そして、この場合、全画角（θ₂＋θ
₃）は不変にすることができる。

【００２３】接眼光学系３として凹面鏡を使用した光学
系において、光軸ｌ₁が観察者の眼球４の内側方向から
眼球に向かうようにすると、以下の効果がある。接眼光学系３で発生する偏心収差が減少する。そのた
め、リレー光学系２で補正すべき偏心収差が減少するの
で、リレー光学系２の偏心量が減少し、構成も簡単にな
る。また、リレー光学系２の偏心量の減少は、リレー光
学系２が顔面から離れる方向であるので、リレー光学系
２と顔面の干渉する可能性がより減少し、頭部装着式映
像表示装置のレイアウトの自由度が増すことになる。接眼光学系３を構成する凹面鏡は、実像の拡大作用と
光軸の屈曲作用を併せ持つので、光学系が簡略になり、
色収差も発生しない。

【００２４】また、接眼光学系３の焦点距離ｆは次の条
件（１）を満足することが望ましい。１５（ｍｍ）＜ｆ＜４０（ｍｍ）・・・（１）接眼光学系の焦点距離ｆが１５ｍｍより短いと、接眼光
学系３と顔面との干渉が問題となる。また、焦点距離ｆ
が４０ｍｍより大きいと、接眼光学系３が大型化し、顔
面からの突出量も大きくなってしまう。

【００２５】さらに、接眼光学系への入射光軸と射出光
軸（反射光線）のなす角度αは、次の条件（２）を満足
することが望ましい。２０°＜α＜８０° ・・・（２）接眼光学系３での入射光軸と射出光軸のなす角度αが８
０°より大きいと、リレー光学系２、２次元映像表示素
子１の突出量が大きくなり、頭部装着式映像表示装置と
して好ましくない。また、この角度αが２０°より小さ
いと、接眼光学系３において内側画角の光線が反射する
位置が顔面に近すぎるので、接眼光学系３と顔面の干渉
が問題となる。

【００２６】また、無限遠を観察する際の視軸ｌ₀と２
次元映像表示素子１の表示中心を射出する主光線（光
軸）ｌ₁とのなす角をδと定義すると、角度δは、次の
条件（３）を満足することが望ましい。０°＜δ＜４０° ・・・（３）この角度δが４０°を越えると、両眼視できる領域が狭
くなりすぎて好ましくない。さらに、虚像位置が眼球に
近づきすぎるため像が見難くなり好ましくない。また、
δが０°を越えて小さくなると、無限遠での観察ができ
ず、好ましくない。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
頭部装着式映像表示装置の光学系の実施例１〜２につい
て説明する。〔実施例１〕実施例１の光学系の水平断面図を図２に示
す。図２において、１は２次元映像表示素子、２はリレ
ー光学系、１０は接眼光学系を構成する凹面鏡作用を持
つ反射型ホログラム、４は右眼球を示す。この実施例に
おいては、接眼光学系として、上記のように凹面鏡作用
を持つ反射型ホログラム１０を使用しており、２次元映
像表示素子１の表示中心を射出する光軸ｌ₁が観察者の
眼球４の内側方向から眼球４に向かうように配置されて
おり、リレー光学系２及び２次元映像表示素子１が顔面
から遠ざかるので、頭部装着式映像表示装置のレイアウ
トの自由度が増している。なお、この実施例の数値デー
タは、次の実施例２の楕円凹面鏡２０を同じ作用をする
反射型ホログラム１０で置き換えただけであり、他のデ
ータは同じであるので、省略する。

【００２８】〔実施例２〕実施例２の光学系の水平断面
図を図３に示す。図３において、１は２次元映像表示素
子、２はリレー光学系、２０は接眼光学系を構成する楕
円凹面鏡、４は右眼球を示す。この実施例においては、
接眼光学系として、上記のように楕円凹面鏡２０を使用
しており、また、リレー光学系２として共軸系を用いて
おり、楕円凹面鏡２０自身を偏心させて、その偏心によ
る偏心収差を共軸リレー光学系２で補正する構成にして
いる。この実施例においても、図示のように、２次元映
像表示素子１の表示中心を射出する光軸ｌ₁が観察者の
眼球４の内側方向から眼球４に向かうように配置されて
おり、リレー光学系２や２次元映像表示素子１をさらに
遠ざけることができる。

【００２９】なお、図示のようなＸ−Ｙ座標系をとった
場合、楕円凹面鏡２０の第１焦点Ｑ₁はＸ軸上の眼球４
の瞳位置に、第２焦点Ｑ₂はリレー光学系２と接眼光学
系の間のＸ軸上に配置された開口絞りの中心位置に配置
される。また、楕円凹面鏡２０の面頂の位置（Ｘ，Ｙ）
は、（ 0 , 40.0000）の位置であり、その楕円凹面鏡２
０の回転対称な非球面形状は、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは
円錐係数、ｈはｈ²＝Ｘ²＋Ｚ²とすると、非球面式は
以下に示す通りであり、Ｙ =（ｈ²/Ｒ）／［1+｛ 1-(1+Ｋ) ( ｈ²/Ｒ²)｝^1/2］楕円凹面鏡２０のＫはＫ＝0.500000である。そして、Ｔ
を楕円凹面鏡２０とＸ軸の第１焦点Ｑ₁側の交点位置と
するとき、これらＱ₁，Ｑ₂、Ｔの位置（Ｘ，Ｙ）は次
の通りである。

【００３０】また、開口絞り、リレー光学系２、２次元映像表示素子
１までは同軸系を構成しており、その中心軸は第２焦点
Ｑ₂を通り、Ｙ軸に対して反時計回りに29.000000 °の
角度をなしている。以下の表に、リレー光学系２のレン
ズデータを示す。この表において、ｒ_iは各面Ｓ₁〜Ｓ
₇の曲率半径、ｄ_iは面間隔、ｎ_iはｄ線における屈折
率である。なお、ｄ₀は開口絞りとリレー光学系２の第
１面Ｓ₁の間の間隔、ｄ₇はリレー光学系２の第７面Ｓ
₇と２次元映像表示素子１の間の間隔である。

【００３１】

【００３２】そして、前記角度θ₂、θ₃、α、δは、
それぞれ次の通りである。 θ₂＝６°，θ₃＝６°，α＝５７．９４°，δ＝４° また、接眼光学系２０＋リレー光学系２の焦点距離は５
０．８３ｍｍであり、リレー光学系２の焦点距離は１
５．４５ｍｍであり、接眼光学系２０の焦点距離ｆは、
ｆ＝２３．０１ｍｍである。

【００３３】ところで、上記の何れかの実施例の光学系
を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持す
ることにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装
着式映像表示装置のようなポータブル型の映像表示装置
として構成することができる。このようなポータブル型
の映像表示装置の１例の全体の構成を図４に示す。表示
装置本体５０には、上記の何れかの実施例の表示装置が
左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素
子からなる２次映像表示素子が配置されている。本体５
０に左右に連続して図示のような側頭フレーム５１が設
けられ、両側の側頭フレーム５１は頭頂フレーム５２で
つながれており、また、両側の側頭フレーム５１の中間
には板バネ５３を介してリアフレーム５４が設けてあ
り、リアフレーム５４を眼鏡のツルのように観察者の両
耳の後部に当て、また、頭頂フレーム５２を観察者の頭
頂に載せることにより、表示装置本体５０を観察者の眼
前に保持できるようになっている。なお、頭頂フレーム
５２の内側には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッ
ド５５が取り付けてあり、同様にリアフレーム５４の内
側にも同様なパッドが取り付けられており、この表示装
置を頭部に装着したときに違和感を感じないようにして
ある。

【００３４】また、リアフレーム５４にはスピーカ５６
が付設されており、映像観察と共に立体音響を聞くこと
ができるようになっている。このようにスピーカ５６を
有する表示装置本体５０には、映像音声伝達コード５７
を介してボータブルビデオカセット等の再生装置５８が
接続されているので、観察者はこの再生装置５８を図示
のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像、
音響を楽しむことができるようになっている。図示の５
９は再生装置５８のスイッチ、ボリューム等の調節部で
ある。なお、頭頂フレーム５２の内部に、映像処理・音
声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。

【００３５】なお、コード５７は先端をジャックにし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
観賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の映像表示装置によると、光軸が観察者の左右の眼球の
内側（鼻側）方向から眼球に向かうように、リレー光学
系と接眼光学系とを配設したので、頭部装着式映像表示
装置として用いる場合、その顔面との干渉の可能性が減
少し、頭部装着式映像表示装置のレイアウトの自由度が
増すという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による頭部装着式映像表示装置の光学系
を説明するための図である。

【図２】実施例１の光学系の水平断面図である。

【図３】実施例２の光学系の水平断面図である。

【図４】本発明によるポータブル型の頭部装着式映像表
示装置の１例の全体の構成を示す図である。

【図５】従来技術の頭部装着式映像表示装置の問題点の
説明図である。

【図６】接眼光学系が楕円凹面鏡の場合の問題点の説明
図である。

【図７】従来の１例の頭部装着式映像表示装置の光学系
の構成を示す図である。

【符号の説明】

ｌ₀…無限遠を観察する際の視軸、ｌ₁…２次元映像表示素子の表示中心を射出する主光線
（光軸）、ｌ₂…２次元映像表示素子の表示領域の外側を射出する
主光線ｌ₃…２次元映像表示素子の表示領域の内側を射出する
主光線 θ₂…内側画角 θ₃…内側画角 α …接眼光学系への入射光軸と射出光軸（反射光線）
のなす角度 δ …無限遠を観察する際の視軸と２次元映像表示素子
の表示中心を射出する主光線（光軸）とのなす角Ｑ₁…第１焦点Ｑ₂…第２焦点Ｓ_i…リレー光学系の第ｉ面１…２次元映像表示素子２…リレー光学系３…接眼光学系４…右眼球１０…反射型ホログラム（接眼光学系）２０…楕円凹面鏡（接眼光学系）５０…表示装置本体５１…側頭フレーム５２…頭頂フレーム５３…板バネ５４…リアフレーム５５…頭頂パッド５６…スピーカ５７…映像音声伝達コード５８…再生装置５９…スイッチ、ボリューム等の調節部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次映像表示素子と、前記２次元映像表
示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、その実
像を空中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光
学系と、この接眼光学系を使用者の眼球直前に位置する
ように支持する支持手段とを備えた映像表示装置におい
て、前記光軸が観察者の左右の眼球の内側（鼻側）方向から
眼球に向かうように、前記リレー光学系と前記接眼光学
系とを配設したことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】前記接眼光学系が凹面反射面又は凹面半
透過反射面であることを特徴とする請求項１記載の映像
表示装置。
【請求項３】前記接眼光学系が以下の条件（１）を満
足することを特徴とする請求項１又は２記載の映像表示
装置。１５（ｍｍ）＜ｆ＜４０（ｍｍ）・・・（１）ただし、ｆは前記接眼光学系の焦点距離である。