JPH10170859A - 画像表示装置 - Google Patents
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- JPH10170859A JPH10170859A JP8344698A JP34469896A JPH10170859A JP H10170859 A JPH10170859 A JP H10170859A JP 8344698 A JP8344698 A JP 8344698A JP 34469896 A JP34469896 A JP 34469896A JP H10170859 A JPH10170859 A JP H10170859A
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- optical system
- divergence angle
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
- G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
- G03B21/54—Accessories
- G03B21/56—Projection screens
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 照明手段で照明する画像発生手段に表示する
画像を光学系を介して観察者に視認せしめる際、観察者
が視線を移動しても周辺画角で瞳がけられない、明るい
又はコントラストの良いHMD に好適な画像表示装置を得
ること。 【解決手段】 画像発生手段の複数の画素より構成され
る表示面に画像を表示し、照明手段により透過照明され
る該画像より射出する光束を光学系を介して観察者の瞳
に導き、該光束で形成される該画像の虚像を該観察者に
視認せしめる画像表示装置において、該虚像の形成面内
で第１の方向、該第１の方向に略直交する第２の方向を
設定して、各画素から射出する光束はその該第１の方向
と該第２の方向の発散角を各画素毎にその近傍に設けた
発散角変換手段により制御して該第１の方向と該第２の
方向とで異なる発散角の光束として該光学系に入射す
る。
画像を光学系を介して観察者に視認せしめる際、観察者
が視線を移動しても周辺画角で瞳がけられない、明るい
又はコントラストの良いHMD に好適な画像表示装置を得
ること。 【解決手段】 画像発生手段の複数の画素より構成され
る表示面に画像を表示し、照明手段により透過照明され
る該画像より射出する光束を光学系を介して観察者の瞳
に導き、該光束で形成される該画像の虚像を該観察者に
視認せしめる画像表示装置において、該虚像の形成面内
で第１の方向、該第１の方向に略直交する第２の方向を
設定して、各画素から射出する光束はその該第１の方向
と該第２の方向の発散角を各画素毎にその近傍に設けた
発散角変換手段により制御して該第１の方向と該第２の
方向とで異なる発散角の光束として該光学系に入射す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は画像表示装置に関
し、特に画像発生手段からの画像情報を含んだ光束を光
学系を介して観察者の眼に導光し、画像発生手段に表示
された画像を虚像として拡大表示するものであり、頭部
に装着して用いる所謂 Head Mounted Display ( 以後HM
D と記す）に好適なものである。
し、特に画像発生手段からの画像情報を含んだ光束を光
学系を介して観察者の眼に導光し、画像発生手段に表示
された画像を虚像として拡大表示するものであり、頭部
に装着して用いる所謂 Head Mounted Display ( 以後HM
D と記す）に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】HMD は、液晶表示素子（LCD ）やCRT 等
の画像発生手段に表示した画像から発する画像情報を有
する光束を光学系を介して、観察者の瞳に導光し、該画
像の拡大した虚像を観察者に表示する装置であり、観察
者はHMD 光学系の射出瞳と観察者の瞳位置を一致させて
観察する構成となっている。
の画像発生手段に表示した画像から発する画像情報を有
する光束を光学系を介して、観察者の瞳に導光し、該画
像の拡大した虚像を観察者に表示する装置であり、観察
者はHMD 光学系の射出瞳と観察者の瞳位置を一致させて
観察する構成となっている。
【０００３】またHMD は頭部に装着して使用するため、
小型軽量であることが望まれ、このため画像発生手段と
して小型のLCD が用いられることが多い。LCD を用いた
HMDにおいてはLCD の各画素から発散する光束はLCD 表
示面に垂直な方向から極くわずかずれた方向に射出する
光線が最もコントラストが高いという特性を持ってい
る。そこでHMD の光学系はLCD 側の入射瞳を無限遠に近
い位置に設けて、所謂入射側テレセントリック系にする
ことが好ましく、提案されている多くのHMD の光学系は
入射側テレセントリック系となっている。また小型CRT
を用いるHMD においてもHMD の入射側は通常テレセント
リック系になっていることが多い。
小型軽量であることが望まれ、このため画像発生手段と
して小型のLCD が用いられることが多い。LCD を用いた
HMDにおいてはLCD の各画素から発散する光束はLCD 表
示面に垂直な方向から極くわずかずれた方向に射出する
光線が最もコントラストが高いという特性を持ってい
る。そこでHMD の光学系はLCD 側の入射瞳を無限遠に近
い位置に設けて、所謂入射側テレセントリック系にする
ことが好ましく、提案されている多くのHMD の光学系は
入射側テレセントリック系となっている。また小型CRT
を用いるHMD においてもHMD の入射側は通常テレセント
リック系になっていることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】HMD の光学系の射出瞳
は固定しているが観察者の瞳は視線を動かすことで移動
する。このためHMD の光学系の射出瞳は観察者の瞳の移
動をカバーするように大きいことが望ましい。
は固定しているが観察者の瞳は視線を動かすことで移動
する。このためHMD の光学系の射出瞳は観察者の瞳の移
動をカバーするように大きいことが望ましい。
【０００５】図２は視線の移動により観察者の瞳が移動
する範囲についての説明図である。100 は模式的に表し
た観察者の眼球であり、視線を動かすことにより回転中
心101 を中心として回転する。１C は観察者の視線が正
面にあるときの観察者の瞳であり、瞳径はp である。
又、瞳１C は眼球の回転中心から距離r のところに位置
している。表示画角全幅をw とすると観察者が図２中、
右端に視線を移すと観察者の瞳は１R の位置まで移動
し、左端に視線を移すと観察者の瞳は１L の位置まで移
動する。
する範囲についての説明図である。100 は模式的に表し
た観察者の眼球であり、視線を動かすことにより回転中
心101 を中心として回転する。１C は観察者の視線が正
面にあるときの観察者の瞳であり、瞳径はp である。
又、瞳１C は眼球の回転中心から距離r のところに位置
している。表示画角全幅をw とすると観察者が図２中、
右端に視線を移すと観察者の瞳は１R の位置まで移動
し、左端に視線を移すと観察者の瞳は１L の位置まで移
動する。
【０００６】したがって、視線が表示画角w 中を移動す
るとき観察者の瞳が動く範囲は図中線分ABの範囲とな
り、線分ABの長さs は以下の式(1) で与えられる。
るとき観察者の瞳が動く範囲は図中線分ABの範囲とな
り、線分ABの長さs は以下の式(1) で与えられる。
【０００７】 s ＝2・{r・sin(w/2)+(p/2)・cos(w/2)} ・・・(1) HMD の光学系の射出瞳径は式(1) で与えられる長さs 以
上であることが望ましい。よって、s を射出瞳径希望値
と名づける。なお、本明細書の数式中の記号・は乗算を
表す。
上であることが望ましい。よって、s を射出瞳径希望値
と名づける。なお、本明細書の数式中の記号・は乗算を
表す。
【０００８】一般的にはHMD の水平方向の表示画角wHは
垂直方向の表示画角wVよりも大きく設定されるが、LCD
を照明する照明光は一般的にその発光面の垂線を軸とし
て略軸対称であり、水平方向の表示画角に対して十分大
きな射出瞳径を取るために何らかの手段例えば照明光束
のNAを大きくするような手段を設けた場合、垂直方向に
対しては射出瞳径が大きくなり過ぎ、LCD の照明光の利
用効率が悪くなるという問題がある。
垂直方向の表示画角wVよりも大きく設定されるが、LCD
を照明する照明光は一般的にその発光面の垂線を軸とし
て略軸対称であり、水平方向の表示画角に対して十分大
きな射出瞳径を取るために何らかの手段例えば照明光束
のNAを大きくするような手段を設けた場合、垂直方向に
対しては射出瞳径が大きくなり過ぎ、LCD の照明光の利
用効率が悪くなるという問題がある。
【０００９】一方LCD はその性質により液晶の各画素か
ら射出する光束のうち、画像のコントラストが高く画像
表示に適する光束は発散角が液晶の表示面の垂線に対し
て或る角度( α/2) 以下の光束である。この角度（全
幅）αをLCD の有効視野角と呼ぶことにする。
ら射出する光束のうち、画像のコントラストが高く画像
表示に適する光束は発散角が液晶の表示面の垂線に対し
て或る角度( α/2) 以下の光束である。この角度（全
幅）αをLCD の有効視野角と呼ぶことにする。
【００１０】図７はHMD の光学系においてLCD の有効視
野角α、LCD 表示面の大きさh 、HMD の表示画角全幅w
、光学系の射出瞳径q の関係説明図である。２は模式
的にあらわしたHMD の光学系であり、３はLCD 、１１は
HMD の光学系の射出瞳である。LCD ３からHMD の光学系
２に入射する光束がテレセントリックである（LCD ３の
表示面から該表示面に対して垂直に射出する光線が主光
線である）とする。その時HMD の光学系２の焦点距離を
f とすると以下の式(2) が成り立つ。
野角α、LCD 表示面の大きさh 、HMD の表示画角全幅w
、光学系の射出瞳径q の関係説明図である。２は模式
的にあらわしたHMD の光学系であり、３はLCD 、１１は
HMD の光学系の射出瞳である。LCD ３からHMD の光学系
２に入射する光束がテレセントリックである（LCD ３の
表示面から該表示面に対して垂直に射出する光線が主光
線である）とする。その時HMD の光学系２の焦点距離を
f とすると以下の式(2) が成り立つ。
【００１１】 f ＝h/{2・tan （w/2)} ・・・・・(2) またHMD の光学系２が表示する虚像の位置は一般的に瞳
から1mから2m程度と遠いためLCD ３の表示面上の各点か
らの光束はほぼ平行光束として光学系の射出瞳１１に達
する。図に示すようにLCD ３上の点C から射出する発散
角αの光束の紙面内の周辺光線対をR1,R2 とすると、こ
の周辺光線対は光学系２を透過後、平行光線となって射
出瞳面を通過する。この時射出瞳位置における周辺光線
対R1,R2の間隔が紙面内方向の射出瞳径q となるのであ
る。
から1mから2m程度と遠いためLCD ３の表示面上の各点か
らの光束はほぼ平行光束として光学系の射出瞳１１に達
する。図に示すようにLCD ３上の点C から射出する発散
角αの光束の紙面内の周辺光線対をR1,R2 とすると、こ
の周辺光線対は光学系２を透過後、平行光線となって射
出瞳面を通過する。この時射出瞳位置における周辺光線
対R1,R2の間隔が紙面内方向の射出瞳径q となるのであ
る。
【００１２】従ってLCD の有効視野角αとHMD の光学系
２の全系の焦点距離f 、光学系の射出瞳径q には以下の
式(3) が成り立つ。
２の全系の焦点距離f 、光学系の射出瞳径q には以下の
式(3) が成り立つ。
【００１３】 q ＝2・f・tan （α/2） ・・・・(3) 式(2) 、(3) より射出瞳径q 、HMD の表示画角全幅w 、
LCD 表示面の大きさhの関係を求めると次式のようにな
る。
LCD 表示面の大きさhの関係を求めると次式のようにな
る。
【００１４】 q ＝h・tan(α/2）/tan（w/2) ・・・・(4) 式(4) で表されるq はLCD の有効視野角α内の画像コン
トラストが高い光束によって形成される最大射出瞳径を
意味する。これを光学系の射出瞳径と名付ける。
トラストが高い光束によって形成される最大射出瞳径を
意味する。これを光学系の射出瞳径と名付ける。
【００１５】ここで眼球中心から瞳までの距離r 、瞳径
p として人の平均値r=13mm、p=2mmを式(1) に代入し、L
CD の有効視野角αとして一般的な小型LCD の有効視野
角の値α= 30°を式(4) に代入すると、 射出瞳径希望値 s ＝ 2・{13・sin(w/2)+cos(w/2)} ・・・(1)' 光学系の射出瞳径 q ＝ h・tan(15 °)/tan(w/2) ・・・・(4)' となり、式(1)'、式(4)'を比較するとHMD 光学系の射出
瞳径希望値s は表示画角全幅w が増加するに従って大き
くなり、逆にLCD の有効視野角αの光束で形成される光
学系の射出瞳径q は表示画角全幅w が増加するに従って
小さくなることがわかる。
p として人の平均値r=13mm、p=2mmを式(1) に代入し、L
CD の有効視野角αとして一般的な小型LCD の有効視野
角の値α= 30°を式(4) に代入すると、 射出瞳径希望値 s ＝ 2・{13・sin(w/2)+cos(w/2)} ・・・(1)' 光学系の射出瞳径 q ＝ h・tan(15 °)/tan(w/2) ・・・・(4)' となり、式(1)'、式(4)'を比較するとHMD 光学系の射出
瞳径希望値s は表示画角全幅w が増加するに従って大き
くなり、逆にLCD の有効視野角αの光束で形成される光
学系の射出瞳径q は表示画角全幅w が増加するに従って
小さくなることがわかる。
【００１６】したがってLCD 表示面の大きさh を固定し
て考える場合，LCD の有効視野角α内の画像コントラス
トが高い光束を用いて表示を行なおうとすると表示画角
全幅w には限界が存在することになる。
て考える場合，LCD の有効視野角α内の画像コントラス
トが高い光束を用いて表示を行なおうとすると表示画角
全幅w には限界が存在することになる。
【００１７】また式(4)'によれば光学系の射出瞳径q は
LCD 表示面の大きさh に比例するがHMD においては頭部
に装着するためにあまり大きなLCD を用いることが出来
ず、従ってHMD の表示画角w は大きく出来ないことにな
る。
LCD 表示面の大きさh に比例するがHMD においては頭部
に装着するためにあまり大きなLCD を用いることが出来
ず、従ってHMD の表示画角w は大きく出来ないことにな
る。
【００１８】一方HMD の代表的な利用方法である仮想現
実体験においては表示画角w は大きいほど好ましいこと
が知られており、表示画角w を大きく出来ないことは問
題である。
実体験においては表示画角w は大きいほど好ましいこと
が知られており、表示画角w を大きく出来ないことは問
題である。
【００１９】さらに既に述べたようにHMD の水平方向の
表示画角wHは垂直方向の表示画角wVよりも大きく設定さ
れるがLCD の有効視野角αは一般的にLCD の表示面上の
各点において立てた垂線を軸としてどの方向に対しても
略同じ角度であり、水平方向の表示画角wHに対して十分
大きな射出瞳径qHを取るために何らかの手段例えばLCD
の有効視野角を拡大するような手段を設けた場合、垂直
方向に対しては射出瞳径qVが大きくなり過ぎ、LCD の照
明光の利用効率が悪くなるという問題がある。本発明の
目的は、照明用パネル光源からの照明光束で画像発生手
段を照明して該画像発生手段に表示する画像からの光束
を光学系により観察者の瞳に導光して該画像の虚像を観
察者に視認せしめる際、該照明用パネル光源からの強度
の大きい光束又は該画像発生手段からのコントラストの
良い画像表示に適する光束を発散角変換手段により水平
方向と垂直方向とで異なる発散角の光束に変換し、この
光束によって画像表示装置の水平方向、垂直方向の表示
画角に応ずる射出瞳径希望値を満足する光学系の射出瞳
径を実現し、これによって観察者が視線を移動しても周
辺画角で瞳がけられない、明るい又はコントラストの良
いHMD に好適な画像表示装置の提供である。
表示画角wHは垂直方向の表示画角wVよりも大きく設定さ
れるがLCD の有効視野角αは一般的にLCD の表示面上の
各点において立てた垂線を軸としてどの方向に対しても
略同じ角度であり、水平方向の表示画角wHに対して十分
大きな射出瞳径qHを取るために何らかの手段例えばLCD
の有効視野角を拡大するような手段を設けた場合、垂直
方向に対しては射出瞳径qVが大きくなり過ぎ、LCD の照
明光の利用効率が悪くなるという問題がある。本発明の
目的は、照明用パネル光源からの照明光束で画像発生手
段を照明して該画像発生手段に表示する画像からの光束
を光学系により観察者の瞳に導光して該画像の虚像を観
察者に視認せしめる際、該照明用パネル光源からの強度
の大きい光束又は該画像発生手段からのコントラストの
良い画像表示に適する光束を発散角変換手段により水平
方向と垂直方向とで異なる発散角の光束に変換し、この
光束によって画像表示装置の水平方向、垂直方向の表示
画角に応ずる射出瞳径希望値を満足する光学系の射出瞳
径を実現し、これによって観察者が視線を移動しても周
辺画角で瞳がけられない、明るい又はコントラストの良
いHMD に好適な画像表示装置の提供である。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の画像表示装置
は、 （１−１） 画像発生手段の複数の画素より構成される
表示面に画像を表示し、照明手段により透過照明される
該画像より射出する光束を光学系を介して観察者の瞳に
導き、該光束で形成される該画像の虚像を該観察者に視
認せしめる画像表示装置において、該虚像の形成面内で
第１の方向、該第１の方向に略直交する第２の方向を設
定して、各画素から射出する光束はその該第１の方向と
該第２の方向の発散角を各画素毎にその近傍に設けた発
散角変換手段により制御して該第１の方向と該第２の方
向とで異なる発散角の光束として該光学系に入射するこ
と等を特徴としている。
は、 （１−１） 画像発生手段の複数の画素より構成される
表示面に画像を表示し、照明手段により透過照明される
該画像より射出する光束を光学系を介して観察者の瞳に
導き、該光束で形成される該画像の虚像を該観察者に視
認せしめる画像表示装置において、該虚像の形成面内で
第１の方向、該第１の方向に略直交する第２の方向を設
定して、各画素から射出する光束はその該第１の方向と
該第２の方向の発散角を各画素毎にその近傍に設けた発
散角変換手段により制御して該第１の方向と該第２の方
向とで異なる発散角の光束として該光学系に入射するこ
と等を特徴としている。
【００２１】特に、 （１−１−１） 前記表示面上の各点より該表示面に対
して略垂直に射出する光線が前記光学系を射出して交わ
る位置を射出瞳位置とするとき、前記第１の方向と前記
第２の方向とで異なる発散角の光束として該光学系に入
射した光束は該光学系射出後に該射出瞳位置において該
第１の方向と該第２の方向とで異なる径の射出瞳を形成
する。 （１−１−２） 前記発散角変換手段は前記照明手段と
前記画像発生手段との間にあり、該照明手段の発光面に
対して垂直に射出して前記画素の１つに向かう光束は該
発散角変換手段により所定の発散角として該画像を照明
した後、略その発散角の光束として前記光学系に入射す
る。 （１−１−３） 前記虚像の第１の方向の表示画角を
wH、該虚像の第２の方向の表示画角をwVとして、前記発
光面に対して垂直に射出して前記画素の１つに向かう光
束の該第１の方向及び該第２の方向の２つの周辺光線対
は前記発散角変換手段を介して該第１の方向と該第２の
方向とで異なる発散角の周辺光線対となって該画像を照
明し、該光学系を透過した後、該射出瞳位置において、 該第１の方向の周辺光線対は以下の距離qH： 2.4・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ≧qH≧2・{13・sin(wH/
2)} 離れており、 該第２の方向の周辺光線対は以下の距離qV： 2.4・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ≧qV≧2・{13・sin(wV/
2)} 離れている。 （１−１−４） 前記発散角変換手段は前記画像発生手
段と前記光学系の間にあり、前記画素より射出する画像
表示に適する光束はその発散角を発散角変換手段により
変換して該光学系に入射する。 （１−１−５） 前記虚像の第１の方向の表示画角を
wH、該虚像の第２の方向の表示画角をwVとして、前記画
素より射出する画像表示に適する光束の該第１の方向及
び該第２の方向の２つの周辺光線対は前記発散角変換手
段を介して該第１の方向と該第２の方向とで異なる発散
角の周辺光線対となって前記光学系を透過した後、該射
出瞳位置において、 該第１の方向の周辺光線対は以下の距離qH： 2.4・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ≧qH≧2・{13・sin(wH/
2)} 離れており、 該第２の方向の周辺光線対は以下の距離qV： 2.4・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ≧qV≧2・{13・sin(wV/
2)} 離れている。 （１−１−６） 前記発散角変換手段は前記第１の方向
と前記第２の方向とで焦点距離が異なるアナモルフィッ
ク・マイクロレンズである。 （１−１−７） 前記発散角変換手段は前記第１の方向
と前記第２の方向とで焦点距離が異なる複数のシリンド
リカル・マイクロレンズである。こと等を特徴としてい
る。
して略垂直に射出する光線が前記光学系を射出して交わ
る位置を射出瞳位置とするとき、前記第１の方向と前記
第２の方向とで異なる発散角の光束として該光学系に入
射した光束は該光学系射出後に該射出瞳位置において該
第１の方向と該第２の方向とで異なる径の射出瞳を形成
する。 （１−１−２） 前記発散角変換手段は前記照明手段と
前記画像発生手段との間にあり、該照明手段の発光面に
対して垂直に射出して前記画素の１つに向かう光束は該
発散角変換手段により所定の発散角として該画像を照明
した後、略その発散角の光束として前記光学系に入射す
る。 （１−１−３） 前記虚像の第１の方向の表示画角を
wH、該虚像の第２の方向の表示画角をwVとして、前記発
光面に対して垂直に射出して前記画素の１つに向かう光
束の該第１の方向及び該第２の方向の２つの周辺光線対
は前記発散角変換手段を介して該第１の方向と該第２の
方向とで異なる発散角の周辺光線対となって該画像を照
明し、該光学系を透過した後、該射出瞳位置において、 該第１の方向の周辺光線対は以下の距離qH： 2.4・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ≧qH≧2・{13・sin(wH/
2)} 離れており、 該第２の方向の周辺光線対は以下の距離qV： 2.4・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ≧qV≧2・{13・sin(wV/
2)} 離れている。 （１−１−４） 前記発散角変換手段は前記画像発生手
段と前記光学系の間にあり、前記画素より射出する画像
表示に適する光束はその発散角を発散角変換手段により
変換して該光学系に入射する。 （１−１−５） 前記虚像の第１の方向の表示画角を
wH、該虚像の第２の方向の表示画角をwVとして、前記画
素より射出する画像表示に適する光束の該第１の方向及
び該第２の方向の２つの周辺光線対は前記発散角変換手
段を介して該第１の方向と該第２の方向とで異なる発散
角の周辺光線対となって前記光学系を透過した後、該射
出瞳位置において、 該第１の方向の周辺光線対は以下の距離qH： 2.4・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ≧qH≧2・{13・sin(wH/
2)} 離れており、 該第２の方向の周辺光線対は以下の距離qV： 2.4・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ≧qV≧2・{13・sin(wV/
2)} 離れている。 （１−１−６） 前記発散角変換手段は前記第１の方向
と前記第２の方向とで焦点距離が異なるアナモルフィッ
ク・マイクロレンズである。 （１−１−７） 前記発散角変換手段は前記第１の方向
と前記第２の方向とで焦点距離が異なる複数のシリンド
リカル・マイクロレンズである。こと等を特徴としてい
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の要部
概略図である。図は水平方向の断面図である。本実施形
態の光学系は観察者の顔の左右対称面に対して左右対称
であり、図１では観察者の右眼に対応する部分だけを表
している。
概略図である。図は水平方向の断面図である。本実施形
態の光学系は観察者の顔の左右対称面に対して左右対称
であり、図１では観察者の右眼に対応する部分だけを表
している。
【００２３】本実施形態は画像発生手段として対角線長
0.7 インチの表示面（水平14.22mm×垂直10.66mm)、ア
スペクト比4:3 のLCD を用い、水平表示画角 wH=60°(
全幅）、垂直表示画角 wV=46.8°( 全幅）の画像表示装
置である。
0.7 インチの表示面（水平14.22mm×垂直10.66mm)、ア
スペクト比4:3 のLCD を用い、水平表示画角 wH=60°(
全幅）、垂直表示画角 wV=46.8°( 全幅）の画像表示装
置である。
【００２４】１は観察者の右眼の瞳、２はHMD を構成す
る偏心ミラーを用いた光学系、３は画像発生手段であ
り、液晶表示素子（LCD ）で構成しており、その表示面
は離散的な画素の２次元なアレイより構成されている。
４はマイクロレンズアレイであり、複数の発散角変換手
段（アナモルフィック・マイクロレンズ）を有してい
る。５は照明用パネル光源である。又、１１は光学系２
の射出瞳である。
る偏心ミラーを用いた光学系、３は画像発生手段であ
り、液晶表示素子（LCD ）で構成しており、その表示面
は離散的な画素の２次元なアレイより構成されている。
４はマイクロレンズアレイであり、複数の発散角変換手
段（アナモルフィック・マイクロレンズ）を有してい
る。５は照明用パネル光源である。又、１１は光学系２
の射出瞳である。
【００２５】図２は視線の移動により観察者の瞳が移動
する範囲についての説明図である。100 は模式的に表し
た観察者の眼球であり、視線を動かすことにより回転中
心101 を中心として回転する。１C は観察者の視線が正
面にあるときの観察者の瞳であり、瞳径はp である。
又、瞳１C は眼球の回転中心から距離r のところに位置
している。なお、眼球中心から瞳までの距離r 、瞳径p
の平均的な値はr=13mm、p=2mm である。表示画角全幅を
w とすると観察者が図２中、右端に視線を移すと観察者
の瞳は１R の位置まで移動し、左端に視線を移すと観察
者の瞳は１L の位置まで移動する。
する範囲についての説明図である。100 は模式的に表し
た観察者の眼球であり、視線を動かすことにより回転中
心101 を中心として回転する。１C は観察者の視線が正
面にあるときの観察者の瞳であり、瞳径はp である。
又、瞳１C は眼球の回転中心から距離r のところに位置
している。なお、眼球中心から瞳までの距離r 、瞳径p
の平均的な値はr=13mm、p=2mm である。表示画角全幅を
w とすると観察者が図２中、右端に視線を移すと観察者
の瞳は１R の位置まで移動し、左端に視線を移すと観察
者の瞳は１L の位置まで移動する。
【００２６】したがって、視線が表示画角w 中を移動す
るとき観察者の瞳が動く範囲は図中線分ABの範囲とな
り、線分ABの長さs は以下の式(1) で与えられる。
るとき観察者の瞳が動く範囲は図中線分ABの範囲とな
り、線分ABの長さs は以下の式(1) で与えられる。
【００２７】 s ＝2・{r・sin(w/2)+(p/2)・cos(w/2)} ・・・(1) HMD の光学系の射出瞳径は式(1) で与えられる長さs 以
上であることが望ましい。よって、s は前記のように射
出瞳径希望値と名づける。本実施形態の場合、式(1) に
水平表示画角wH、垂直表示画角wV、眼球中心から瞳まで
の距離r 、瞳径pとして人の平均値r=13mm、p=2mm を代
入すると、 sH＝ 2・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ・・・(1H)' sV＝ 2・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ・・・(1V)' から該HMD の水平方向の射出瞳径希望値sH=14.73mm、垂
直方向の射出瞳径希望値sV=12.17mmが得られる。式(1)
においてr,p を固定して考えるとHMD 光学径の射出瞳径
希望値s は表示画角全幅w が増加するに従って大きくな
る。
上であることが望ましい。よって、s は前記のように射
出瞳径希望値と名づける。本実施形態の場合、式(1) に
水平表示画角wH、垂直表示画角wV、眼球中心から瞳まで
の距離r 、瞳径pとして人の平均値r=13mm、p=2mm を代
入すると、 sH＝ 2・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ・・・(1H)' sV＝ 2・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ・・・(1V)' から該HMD の水平方向の射出瞳径希望値sH=14.73mm、垂
直方向の射出瞳径希望値sV=12.17mmが得られる。式(1)
においてr,p を固定して考えるとHMD 光学径の射出瞳径
希望値s は表示画角全幅w が増加するに従って大きくな
る。
【００２８】次に光学系２の射出瞳径を求める。図３は
実施形態１においてLCD ３上からの水平方向の発散角β
H で射出する光束、LCD ３の表示面の水平方向の大きさ
hH、HMD の水平方向の表示画角全幅wH、光学系の水平方
向の射出瞳径qHの関係説明図である。２は模式的にあら
わしたHMD の光学系であり、１１はHMD の光学系２の射
出瞳である。LCD ３からHMD の光学系２に入射する光束
はテレセントリックである。従って本実施形態において
射出瞳１１の中心位置はLCD ３上の各点から表示面に垂
直に射出する主光線が光学系２射出後に交わる点APであ
る。そして光学系２の焦点距離をf とすると以下の式(2
H)が成り立つ。
実施形態１においてLCD ３上からの水平方向の発散角β
H で射出する光束、LCD ３の表示面の水平方向の大きさ
hH、HMD の水平方向の表示画角全幅wH、光学系の水平方
向の射出瞳径qHの関係説明図である。２は模式的にあら
わしたHMD の光学系であり、１１はHMD の光学系２の射
出瞳である。LCD ３からHMD の光学系２に入射する光束
はテレセントリックである。従って本実施形態において
射出瞳１１の中心位置はLCD ３上の各点から表示面に垂
直に射出する主光線が光学系２射出後に交わる点APであ
る。そして光学系２の焦点距離をf とすると以下の式(2
H)が成り立つ。
【００２９】 f ＝hH/{2・tan(wH/2)} ・・・・・(2H) 式(2H)に基づき該HMD を構成する光学系の焦点距離はf=
12.32mm となる。
12.32mm となる。
【００３０】また光学系２が表示する虚像の位置は一般
的に観察者の瞳から1mから2m程度と遠いためLCD ３の表
示面上から水平方向の発散角βH で射出する光束はほぼ
平行光束として光学系の射出瞳１１に達する。図に示す
ようにLCD ３上の点C から射出する発散角βH の光束の
紙面内の周辺光線対をRH1,RH2 とすると、この周辺光線
対は光学系２を透過後、平行光線となって射出瞳面を通
過する。この時射出瞳位置における周辺光線対RH1,RH2
の間隔が水平方向の射出瞳径qHを形成する。従ってLCD
３の表示面における光束の発散角βH と光学系２の焦点
距離f 、光学系の水平方向の射出瞳径qHには以下の式(3
H)がなり立つ。
的に観察者の瞳から1mから2m程度と遠いためLCD ３の表
示面上から水平方向の発散角βH で射出する光束はほぼ
平行光束として光学系の射出瞳１１に達する。図に示す
ようにLCD ３上の点C から射出する発散角βH の光束の
紙面内の周辺光線対をRH1,RH2 とすると、この周辺光線
対は光学系２を透過後、平行光線となって射出瞳面を通
過する。この時射出瞳位置における周辺光線対RH1,RH2
の間隔が水平方向の射出瞳径qHを形成する。従ってLCD
３の表示面における光束の発散角βH と光学系２の焦点
距離f 、光学系の水平方向の射出瞳径qHには以下の式(3
H)がなり立つ。
【００３１】 qH＝2・f・tan （βH/2 ） ・・・・(3H) 式(2H)を式(3H)に代入すれば、 qH＝ hH・tan(βH/2)/tan(wH/2) ・・・・(4H) 式(4H)で表されるqHはLCD ３の表示面における水平方向
の発散角βH の光束によって形成される水平方向の射出
瞳径を意味する。これを光学系の水平方向の射出瞳径と
名付ける。この式からhHを固定して考えるとLCD からの
発散角βH の光束で形成される光学系の水平方向の射出
瞳径qHは表示画角全幅wHが増加するに従って小さくなる
ことがわかる。以上は水平方向について説明したが、垂
直方向についても同様な関係が演繹される。
の発散角βH の光束によって形成される水平方向の射出
瞳径を意味する。これを光学系の水平方向の射出瞳径と
名付ける。この式からhHを固定して考えるとLCD からの
発散角βH の光束で形成される光学系の水平方向の射出
瞳径qHは表示画角全幅wHが増加するに従って小さくなる
ことがわかる。以上は水平方向について説明したが、垂
直方向についても同様な関係が演繹される。
【００３２】以上の場合、光束の発散角が水平方向、垂
直方向で同じであれば水平方向の射出瞳径qHと垂直方向
の射出瞳径qVも同じ大きさとなる。即ち、本実施形態の
場合、βH ＝βV ＝30°とすれば、qH=qV=6.7mm とな
る。
直方向で同じであれば水平方向の射出瞳径qHと垂直方向
の射出瞳径qVも同じ大きさとなる。即ち、本実施形態の
場合、βH ＝βV ＝30°とすれば、qH=qV=6.7mm とな
る。
【００３３】この値は先の水平方向の射出瞳径希望値sH
=14.73mm、垂直方向の射出瞳径希望値sV=12.17mmに対し
て著しく小さい。これらの射出瞳径希望値を実現するに
はLCD ３上の各点において光束の発散角βが水平方向で
βH=61.74 °( 全幅）、垂直方向でβV=52.56 °( 全
幅）必要となる。
=14.73mm、垂直方向の射出瞳径希望値sV=12.17mmに対し
て著しく小さい。これらの射出瞳径希望値を実現するに
はLCD ３上の各点において光束の発散角βが水平方向で
βH=61.74 °( 全幅）、垂直方向でβV=52.56 °( 全
幅）必要となる。
【００３４】一般的にはHMD の水平方向の表示画角は垂
直方向の表示画角よりも大きく設定されるが、LCD を照
明する照明用パネル光源５からの照明光は一般的に発光
面の垂線に対して略軸対称であり、例えば上記のように
該垂線に対してβ/2=15 °、発散角30°の照明光束を用
いて、これに何らかの手段例えば照明光束のNAを大きく
するような手段を設けて水平方向の表示画角に対して十
分大きな射出瞳径を取らせると、垂直方向に対しては射
出瞳径が必要以上に大きくなり過ぎ、LCD の照明光の利
用効率が悪くなるという問題が発生する。
直方向の表示画角よりも大きく設定されるが、LCD を照
明する照明用パネル光源５からの照明光は一般的に発光
面の垂線に対して略軸対称であり、例えば上記のように
該垂線に対してβ/2=15 °、発散角30°の照明光束を用
いて、これに何らかの手段例えば照明光束のNAを大きく
するような手段を設けて水平方向の表示画角に対して十
分大きな射出瞳径を取らせると、垂直方向に対しては射
出瞳径が必要以上に大きくなり過ぎ、LCD の照明光の利
用効率が悪くなるという問題が発生する。
【００３５】本実施形態は照明用パネル光源５からの強
度の大きい平行光束を各画素毎に設けた発散角変換手段
によって水平方向と垂直方向で夫々異なる発散角の光束
に変換してLCD ３の画素を照明し、これによって射出瞳
希望値を満足する射出瞳を形成する。本実施形態はその
手段としてアナモルフィック・マイクロレンズを採用し
ている。
度の大きい平行光束を各画素毎に設けた発散角変換手段
によって水平方向と垂直方向で夫々異なる発散角の光束
に変換してLCD ３の画素を照明し、これによって射出瞳
希望値を満足する射出瞳を形成する。本実施形態はその
手段としてアナモルフィック・マイクロレンズを採用し
ている。
【００３６】図４は実施形態１のマイクロレンズアレイ
を構成するアナモルフィック・マイクロレンズの説明図
である。図４(A) はその水平断面の拡大図である。又、
図４(B) はその垂直断面の拡大図である。図中、６ａは
マイクロレンズアレイ４を構成するアナモルフィック・
マイクロレンズ（発散角変換手段）の１つであり、LCD
３の表示面を構成する複数の画素の１つ１つに対応して
設けている。
を構成するアナモルフィック・マイクロレンズの説明図
である。図４(A) はその水平断面の拡大図である。又、
図４(B) はその垂直断面の拡大図である。図中、６ａは
マイクロレンズアレイ４を構成するアナモルフィック・
マイクロレンズ（発散角変換手段）の１つであり、LCD
３の表示面を構成する複数の画素の１つ１つに対応して
設けている。
【００３７】一般的な照明用パネル光源５による照明光
はパネル面に垂直な方向に強度が一番強く、角度特性は
略対称である。そこで本実施形態では偏平で十分大きな
射出瞳径を得るため照明用パネル光源５とLCD ３の間に
水平断面と垂直断面とで各々異なる焦点距離を持つアナ
モルフィック・マイクロレンズ６ａから構成されるマイ
クロレンズアレイ４を入れている。
はパネル面に垂直な方向に強度が一番強く、角度特性は
略対称である。そこで本実施形態では偏平で十分大きな
射出瞳径を得るため照明用パネル光源５とLCD ３の間に
水平断面と垂直断面とで各々異なる焦点距離を持つアナ
モルフィック・マイクロレンズ６ａから構成されるマイ
クロレンズアレイ４を入れている。
【００３８】図４(A) において照明用パネル光源５とア
ナモルフィック・マイクロレンズ６ａの間隔は0.05mm、
１つのアナモルフィック・マイクロレンズ６ａを照明す
る照明光束の直径は略0.2mm である。RH1,RH2 は水平方
向の周辺光線対である。このマイクロレンズの図４(A)
の紙面内の方向（水平方向）の焦点距離はfH=0.1/tan(6
1.74°/2)= 0.1673mm に設定されている。
ナモルフィック・マイクロレンズ６ａの間隔は0.05mm、
１つのアナモルフィック・マイクロレンズ６ａを照明す
る照明光束の直径は略0.2mm である。RH1,RH2 は水平方
向の周辺光線対である。このマイクロレンズの図４(A)
の紙面内の方向（水平方向）の焦点距離はfH=0.1/tan(6
1.74°/2)= 0.1673mm に設定されている。
【００３９】図４(B) において照明用パネル光源５とア
ナモルフィック・マイクロレンズ６ａ、アナモルフィッ
ク・マイクロレンズ６ａとLCD ３の液晶面との間隔は各
々図４(A) におけるものと同一だが、このマイクロレン
ズの図２(B) の紙面内の方向（垂直方向）の焦点距離fV
=0.1/tan(52.56°/2)=0.2025mmに設定している。なお、
RV1,RV2 は垂直方向の周辺光線対である。
ナモルフィック・マイクロレンズ６ａ、アナモルフィッ
ク・マイクロレンズ６ａとLCD ３の液晶面との間隔は各
々図４(A) におけるものと同一だが、このマイクロレン
ズの図２(B) の紙面内の方向（垂直方向）の焦点距離fV
=0.1/tan(52.56°/2)=0.2025mmに設定している。なお、
RV1,RV2 は垂直方向の周辺光線対である。
【００４０】このアナモルフィック・マイクロレンズ６
ａから構成されるマイクロレンズアレイ４により照明用
パネル光源５から液晶表示面の画素に向かう強度の大き
い平行光束（発散角0 °の光束）の照明光は水平方向の
発散角61.74 °( 全幅）、垂直方向の発散角52.56 °(
全幅）の光束に変換されてLCD ３を照明し、LCD ３から
略この発散角の光束として射出し、光学系を透過した
後、光学系２の射出瞳１１として水平方向 qH=14.73mm
、垂直方向 qV=12.17mm の大きさの射出瞳を実現す
る。
ａから構成されるマイクロレンズアレイ４により照明用
パネル光源５から液晶表示面の画素に向かう強度の大き
い平行光束（発散角0 °の光束）の照明光は水平方向の
発散角61.74 °( 全幅）、垂直方向の発散角52.56 °(
全幅）の光束に変換されてLCD ３を照明し、LCD ３から
略この発散角の光束として射出し、光学系を透過した
後、光学系２の射出瞳１１として水平方向 qH=14.73mm
、垂直方向 qV=12.17mm の大きさの射出瞳を実現す
る。
【００４１】本実施形態は照明用パネル光源５とLCD ３
との間にマイクロレンズアレイ４を配置し、その構成要
素のアナモルフィック・マイクロレンズ（発散角変換手
段）６ａによって照明用パネル光源５から射出する強度
の大きい照明光束を水平方向と垂直方向で異なった発散
角度の光束に変換してLCD ３の画素を照明し、略その発
散角で該画素から射出する光束が光学系２を通過した
後、水平方向の射出瞳希望値sH、垂直方向の射出瞳希望
値sVに合致する大きさの光学系の射出瞳qH,qV を形成す
る。従って、光源の特性を反映して強度の大きい照明光
束で必要十分な大きさの射出瞳を形成しているので明る
く見易い画像表示装置を達成する。
との間にマイクロレンズアレイ４を配置し、その構成要
素のアナモルフィック・マイクロレンズ（発散角変換手
段）６ａによって照明用パネル光源５から射出する強度
の大きい照明光束を水平方向と垂直方向で異なった発散
角度の光束に変換してLCD ３の画素を照明し、略その発
散角で該画素から射出する光束が光学系２を通過した
後、水平方向の射出瞳希望値sH、垂直方向の射出瞳希望
値sVに合致する大きさの光学系の射出瞳qH,qV を形成す
る。従って、光源の特性を反映して強度の大きい照明光
束で必要十分な大きさの射出瞳を形成しているので明る
く見易い画像表示装置を達成する。
【００４２】図５は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。図は水平方向の断面図である。本実施形態の光学
系は観察者の顔の左右対称面に対して左右対称であり、
図５では観察者の右眼に対応する部分だけを表してい
る。また図１、図４と共通する部材には同一の番号を付
している。
ある。図は水平方向の断面図である。本実施形態の光学
系は観察者の顔の左右対称面に対して左右対称であり、
図５では観察者の右眼に対応する部分だけを表してい
る。また図１、図４と共通する部材には同一の番号を付
している。
【００４３】本実施形態は実施形態１と同様に画像発生
手段として対角線長0.7 インチの表示面（水平14.22mm
×垂直10.66mm)、アスペクト比4:3 のLCD を用い、水平
表示画角 wH=60°( 全幅）、垂直表示画角 wV=46.8°(
全幅）と設定している。
手段として対角線長0.7 インチの表示面（水平14.22mm
×垂直10.66mm)、アスペクト比4:3 のLCD を用い、水平
表示画角 wH=60°( 全幅）、垂直表示画角 wV=46.8°(
全幅）と設定している。
【００４４】１は観察者の右眼の瞳、２はHMD を構成す
る偏心ミラー光学系、３はLCD である。4-1 は第１のレ
ンズアレイ、4-2 は第２のレンズアレイであり、第１、
第２のレンズアレイで以てマイクロレンズアレイ４を構
成している。第１、第２のレンズアレイ4-1,4-2 は夫々
複数の発散角変換手段（シリンドリカル・マイクロレン
ズ）を有している。５は照明用パネル光源である。
る偏心ミラー光学系、３はLCD である。4-1 は第１のレ
ンズアレイ、4-2 は第２のレンズアレイであり、第１、
第２のレンズアレイで以てマイクロレンズアレイ４を構
成している。第１、第２のレンズアレイ4-1,4-2 は夫々
複数の発散角変換手段（シリンドリカル・マイクロレン
ズ）を有している。５は照明用パネル光源である。
【００４５】前記式(2) に基づき該HMD を構成する光学
系の焦点距離はf=12.32mm であり、前記式(1) により、
該HMD の水平方向の射出瞳径希望値はsH=14.73mm、垂直
方向の射出瞳径希望値はsV=12.17mmとなる。
系の焦点距離はf=12.32mm であり、前記式(1) により、
該HMD の水平方向の射出瞳径希望値はsH=14.73mm、垂直
方向の射出瞳径希望値はsV=12.17mmとなる。
【００４６】LCD は液晶の性質により各画素から射出す
る光線のうち、画像のコントラストを1:10程度の高い値
で伝える光線（この光線で構成される光束を前記のよう
に”画像表示に適する光束”と呼ぶことにする）は液晶
の表示面の垂線に対して或る角度( α/2) 以下の光線で
ある。この角度（全幅）αを前記のように”LCD の有効
視野角”と呼ぶことにする。この有効視野角αは通常30
°程度である。
る光線のうち、画像のコントラストを1:10程度の高い値
で伝える光線（この光線で構成される光束を前記のよう
に”画像表示に適する光束”と呼ぶことにする）は液晶
の表示面の垂線に対して或る角度( α/2) 以下の光線で
ある。この角度（全幅）αを前記のように”LCD の有効
視野角”と呼ぶことにする。この有効視野角αは通常30
°程度である。
【００４７】先に説明したように、有効視野角αの光束
では次式(4) で表される射出瞳径qが形成される： q ＝h・tan(α/2）/tan（w/2) ・・・・(4) hH＝14.22mm 、α＝30°、wH＝60°を代入すれば水平方
向の射出瞳径qH＝6.7mmが得られる。この値は水平方向
の射出瞳径希望値sH=14.73mmよりはるかに小さく、観察
者が瞳を少し回転すれば光学系の射出瞳を外れ、画像が
けられることになる。
では次式(4) で表される射出瞳径qが形成される： q ＝h・tan(α/2）/tan（w/2) ・・・・(4) hH＝14.22mm 、α＝30°、wH＝60°を代入すれば水平方
向の射出瞳径qH＝6.7mmが得られる。この値は水平方向
の射出瞳径希望値sH=14.73mmよりはるかに小さく、観察
者が瞳を少し回転すれば光学系の射出瞳を外れ、画像が
けられることになる。
【００４８】そして、射出瞳径希望値をLCD のコントラ
ストの良い光束で形成するにはLCDの有効視野角αが水
平方向でαH=61.74 °( 全幅）、垂直方向でαV=52.56
°(全幅）必要であるが、現在のLCD ではこの有効視野
角は得られない。
ストの良い光束で形成するにはLCDの有効視野角αが水
平方向でαH=61.74 °( 全幅）、垂直方向でαV=52.56
°(全幅）必要であるが、現在のLCD ではこの有効視野
角は得られない。
【００４９】又、式(1) 、式(4) を見ればLCD 表示面の
大きさh を固定した場合、LCD の有効視野角α内の画像
コントラストが高い光束を用いて表示を行なおうとする
と表示画角全幅w には限界が存在することになる。
大きさh を固定した場合、LCD の有効視野角α内の画像
コントラストが高い光束を用いて表示を行なおうとする
と表示画角全幅w には限界が存在することになる。
【００５０】又、式(4) によれば光学系の射出瞳径q は
LCD 表示面の大きさh に比例するがHMD においては頭部
に装着するためにあまり大きなLCD を用いることが出来
ずHMD の表示画角は大きく出来ないことになる。
LCD 表示面の大きさh に比例するがHMD においては頭部
に装着するためにあまり大きなLCD を用いることが出来
ずHMD の表示画角は大きく出来ないことになる。
【００５１】本実施形態ではLCD ３の各画素からの有効
視野角α＝30°( 全幅）の光束を各画素毎に設けた発散
角変換手段によって水平方向と垂直方向で夫々異なる発
散角の光束に変換し、これによって射出瞳径希望値を満
足する射出瞳を形成する。本実施形態はその手段として
複数のシリンドリカル・マイクロレンズを採用してい
る。
視野角α＝30°( 全幅）の光束を各画素毎に設けた発散
角変換手段によって水平方向と垂直方向で夫々異なる発
散角の光束に変換し、これによって射出瞳径希望値を満
足する射出瞳を形成する。本実施形態はその手段として
複数のシリンドリカル・マイクロレンズを採用してい
る。
【００５２】図６は実施形態２のマイクロレンズアレイ
４を構成するシリンドリカル・マイクロレンズの説明図
である。図６(A) はその水平断面の拡大図である。又、
図６(B) はその垂直断面の拡大図である。共通する部材
には同一の番号を付してある。
４を構成するシリンドリカル・マイクロレンズの説明図
である。図６(A) はその水平断面の拡大図である。又、
図６(B) はその垂直断面の拡大図である。共通する部材
には同一の番号を付してある。
【００５３】図６(A) において6-1 、6-2 は各々マイク
ロレンズ６ｂを構成する第１、第２のシリンドリカル・
マイクロレンズである。第１のシリンドリカル・マイク
ロレンズ6-1 は水平方向断面だけに屈折力を持ち、第１
のレンズアレイ4-1 の一要素を構成している。なお、R
H1,RH2 はLCD ３の１画素から射出する有効視野角30°
の光束の水平方向の周辺光線対である。
ロレンズ６ｂを構成する第１、第２のシリンドリカル・
マイクロレンズである。第１のシリンドリカル・マイク
ロレンズ6-1 は水平方向断面だけに屈折力を持ち、第１
のレンズアレイ4-1 の一要素を構成している。なお、R
H1,RH2 はLCD ３の１画素から射出する有効視野角30°
の光束の水平方向の周辺光線対である。
【００５４】第２のシリンドリカル・マイクロレンズ6-
2 は垂直方向断面だけに屈折力を持ち、第２のレンズア
レイ4-2 の一要素を構成している。なお、RV1,RV2 はLC
D ３の１画素から射出する有効視野角30°の光束の垂直
方向の周辺光線対である。
2 は垂直方向断面だけに屈折力を持ち、第２のレンズア
レイ4-2 の一要素を構成している。なお、RV1,RV2 はLC
D ３の１画素から射出する有効視野角30°の光束の垂直
方向の周辺光線対である。
【００５５】マイクロレンズ６ｂの水平方向の焦点距離
はfH=-0.2mm 、垂直方向の焦点距離はfV=-0.36mmであ
る。そして水平断面のマイクロレンズの主点とLCD ３の
表示面との間隔は0.246mm 、垂直断面のマイクロレンズ
の主点とLCD ３の表示面との間隔は0.304mm である。
はfH=-0.2mm 、垂直方向の焦点距離はfV=-0.36mmであ
る。そして水平断面のマイクロレンズの主点とLCD ３の
表示面との間隔は0.246mm 、垂直断面のマイクロレンズ
の主点とLCD ３の表示面との間隔は0.304mm である。
【００５６】この２つのシリンドリカル・マイクロレン
ズ4-1、4-2 によりLCD ３の画素からの有効視野角30°内
の画像コントラストが高い光束は水平方向61.74 °( 全
幅）、垂直方向52.56 °( 全幅）の光束に変換されてHM
D の光学系２を透過して射出瞳を形成して観察者の瞳１
に達する。この時、形成される射出瞳は水平方向の射出
瞳径14.73mm 、垂直方向の射出瞳径12.17mm となり射出
瞳希望値を十分満足させる。
ズ4-1、4-2 によりLCD ３の画素からの有効視野角30°内
の画像コントラストが高い光束は水平方向61.74 °( 全
幅）、垂直方向52.56 °( 全幅）の光束に変換されてHM
D の光学系２を透過して射出瞳を形成して観察者の瞳１
に達する。この時、形成される射出瞳は水平方向の射出
瞳径14.73mm 、垂直方向の射出瞳径12.17mm となり射出
瞳希望値を十分満足させる。
【００５７】本実施形態はLCD ３と光学系２の間でLCD
３の直後に第１、第２のシリンドリカル・マイクロレン
ズ（発散角変換手段）を構成要素とするマイクロレンズ
６ｂをLCD ３の各画素毎に備えるマイクロレンズアレイ
４を配置し、これによってLCD ３の有効視野角αの光束
を水平方向と垂直方向で異なった発散角度の光束に変換
して光学系２に入射させ、この光束が光学系２を通過し
た時、水平方向の射出瞳希望値、垂直方向の射出瞳希望
値に合致する大きさの光学系の射出瞳を形成する。従っ
て、LCD ３の特性を反映してそのコントラストの良い光
線を用いて必要且つ十分な大きさの射出瞳を形成してい
るので像のコントラストが良く見易い画像表示装置を達
成する。
３の直後に第１、第２のシリンドリカル・マイクロレン
ズ（発散角変換手段）を構成要素とするマイクロレンズ
６ｂをLCD ３の各画素毎に備えるマイクロレンズアレイ
４を配置し、これによってLCD ３の有効視野角αの光束
を水平方向と垂直方向で異なった発散角度の光束に変換
して光学系２に入射させ、この光束が光学系２を通過し
た時、水平方向の射出瞳希望値、垂直方向の射出瞳希望
値に合致する大きさの光学系の射出瞳を形成する。従っ
て、LCD ３の特性を反映してそのコントラストの良い光
線を用いて必要且つ十分な大きさの射出瞳を形成してい
るので像のコントラストが良く見易い画像表示装置を達
成する。
【００５８】なお、実施形態１、２とも照明光束又は画
像表示に適する光束を発散角変換手段によって水平方
向、垂直方向に異なる大きさの発散角の光束に変換し、
この光束によって射出瞳位置で qH＝sH＝ 2・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} qV＝sV＝ 2・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} の大きさの射出瞳を形成したが、この値からqH、qVとも
に大きくても、観察上問題はないが、照明の有効利用を
考慮して、20%以下のずれである事が好ましい。またこ
の値から小さい場合は、観察上問題が生じるが、瞳の端
に表示光束が、かかる状態ならば観察は、可能である。
このときは瞳径が、 qH＝2・{13・sin(wH/2)} qV＝2・{13・sin(wV/2)} となるときであり、瞳径は、これよりも大きいことが望
ましい。
像表示に適する光束を発散角変換手段によって水平方
向、垂直方向に異なる大きさの発散角の光束に変換し、
この光束によって射出瞳位置で qH＝sH＝ 2・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} qV＝sV＝ 2・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} の大きさの射出瞳を形成したが、この値からqH、qVとも
に大きくても、観察上問題はないが、照明の有効利用を
考慮して、20%以下のずれである事が好ましい。またこ
の値から小さい場合は、観察上問題が生じるが、瞳の端
に表示光束が、かかる状態ならば観察は、可能である。
このときは瞳径が、 qH＝2・{13・sin(wH/2)} qV＝2・{13・sin(wV/2)} となるときであり、瞳径は、これよりも大きいことが望
ましい。
【００５９】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、照明用パネ
ル光源からの照明光束で画像発生手段を照明して該画像
発生手段に表示する画像からの光束を光学系により観察
者の瞳に導光して該画像の虚像を観察者に視認せしめる
際、該照明用パネル光源からの強度の大きい光束又は該
画像発生手段からのコントラストの良い画像表示に適す
る光束を発散角変換手段により水平方向と垂直方向とで
異なる発散角の光束に変換し、この光束によって画像表
示装置の水平方向、垂直方向の表示画角に応ずる射出瞳
径希望値を満足する光学系の射出瞳径を実現し、これに
よって観察者が視線を移動しても周辺画角で瞳がけられ
ない、明るい又はコントラストの良いHMDに好適な画像
表示装置を達成する。
ル光源からの照明光束で画像発生手段を照明して該画像
発生手段に表示する画像からの光束を光学系により観察
者の瞳に導光して該画像の虚像を観察者に視認せしめる
際、該照明用パネル光源からの強度の大きい光束又は該
画像発生手段からのコントラストの良い画像表示に適す
る光束を発散角変換手段により水平方向と垂直方向とで
異なる発散角の光束に変換し、この光束によって画像表
示装置の水平方向、垂直方向の表示画角に応ずる射出瞳
径希望値を満足する光学系の射出瞳径を実現し、これに
よって観察者が視線を移動しても周辺画角で瞳がけられ
ない、明るい又はコントラストの良いHMDに好適な画像
表示装置を達成する。
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 視線の移動により観察者の瞳が移動する範囲
の説明図
の説明図
【図３】 実施形態１においてLCD からの光束の発散
角、LCD 表示面の大きさ、HMD の表示画角全幅、光学系
の射出瞳径の関係説明図
角、LCD 表示面の大きさ、HMD の表示画角全幅、光学系
の射出瞳径の関係説明図
【図４】 実施形態１のマイクロレンズアレイを構成す
るアナモルフィック・マイクロレンズの説明図
るアナモルフィック・マイクロレンズの説明図
【図５】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】 実施形態２のマイクロレンズアレイを構成す
るシリンドリカル・マイクロレンズの説明図
るシリンドリカル・マイクロレンズの説明図
【図７】 HMD の光学系においてLCD の有効視野角、LC
D 表示面の大きさ、HMD の表示画角全幅、光学系の射出
瞳径の関係説明図
D 表示面の大きさ、HMD の表示画角全幅、光学系の射出
瞳径の関係説明図
１ 観察者の瞳 ２ 光学系 ３ 画像発生手段 ４ マイクロレンズアレイ 4-1 第１のレンズアレイ 4-2 第２のレンズアレイ ５ 照明用パネル光源 ６ａ アナモルフィック・マイクロレンズ ６ｂ マイクロレンズ 6-1 第１のシリンドリカル・マイクロレンズ 6-2 第２のシリンドリカル・マイクロレンズ １１ 光学系の射出瞳 １００ 観察者の眼球 １０１ 眼球の回転中心 １C 視線が正面にあるときの観察者の瞳 １R 視線が右端にあるときの観察者の瞳 １L 視線が左端にあるときの観察者の瞳 ｐ 観察者の瞳径 α LCD の有効視野角 β 光束の発散角 ｓ 射出瞳径希望値 ｑ 強度の大きい光束又は有効視野角内の光束によって
形成される射出瞳径（光学系の射出瞳径）
形成される射出瞳径（光学系の射出瞳径）
Claims (8)
- 【請求項１】 画像発生手段の複数の画素より構成され
る表示面に画像を表示し、照明手段により透過照明され
る該画像より射出する光束を光学系を介して観察者の瞳
に導き、該光束で形成される該画像の虚像を該観察者に
視認せしめる画像表示装置において、 該虚像の形成面内で第１の方向、該第１の方向に略直交
する第２の方向を設定して、 各画素から射出する光束はその該第１の方向と該第２の
方向の発散角を各画素毎にその近傍に設けた発散角変換
手段により制御して該第１の方向と該第２の方向とで異
なる発散角の光束として該光学系に入射することを特徴
とする画像表示装置。 - 【請求項２】 前記表示面上の各点より該表示面に対し
て略垂直に射出する光線が前記光学系を射出して交わる
位置を射出瞳位置とするとき、 前記第１の方向と前記第２の方向とで異なる発散角の光
束として該光学系に入射した光束は該光学系射出後に該
射出瞳位置において該第１の方向と該第２の方向とで異
なる径の射出瞳を形成することを特徴とする請求項１の
画像表示装置。 - 【請求項３】 前記発散角変換手段は前記照明手段と前
記画像発生手段との間にあり、該照明手段の発光面に対
して垂直に射出して前記画素の１つに向かう光束は該発
散角変換手段により所定の発散角として該画像を照明し
た後、略その発散角の光束として前記光学系に入射する
ことを特徴とする請求項１又は２の画像表示装置。 - 【請求項４】 前記虚像の第１の方向の表示画角をwH、
該虚像の第２の方向の表示画角をwVとして、 前記発光面に対して垂直に射出して前記画素の１つに向
かう光束の該第１の方向及び該第２の方向の２つの周辺
光線対は前記発散角変換手段を介して該第１の方向と該
第２の方向とで異なる発散角の周辺光線対となって該画
像を照明し、該光学系を透過した後、該射出瞳位置にお
いて、 該第１の方向の周辺光線対は以下の距離qH： 2.4・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ≧qH≧2・{13・sin(wH/
2)} 離れており、 該第２の方向の周辺光線対は以下の距離qV： 2.4・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ≧qV≧2・{13・sin(wV/
2)} 離れていることを特徴とする請求項３の画像表示装置。 - 【請求項５】 前記発散角変換手段は前記画像発生手段
と前記光学系の間にあり、前記画素より射出する画像表
示に適する光束はその発散角を発散角変換手段により変
換して該光学系に入射することを特徴とする請求項１又
は２の画像表示装置。 - 【請求項６】 前記虚像の第１の方向の表示画角をwH、
該虚像の第２の方向の表示画角をwVとして、 前記画素より射出する画像表示に適する光束の該第１の
方向及び該第２の方向の２つの周辺光線対は前記発散角
変換手段を介して該第１の方向と該第２の方向とで異な
る発散角の周辺光線対となって前記光学系を透過した
後、該射出瞳位置において、 該第１の方向の周辺光線対は以下の距離qH： 2.4・{13・sin(wH/2)+cos(wH/2)} ≧qH≧2・{13・sin(wH/
2)} 離れており、 該第２の方向の周辺光線対は以下の距離qV： 2.4・{13・sin(wV/2)+cos(wV/2)} ≧qV≧2・{13・sin(wV/
2)} 離れていることを特徴とする請求項５の画像表示装置。 - 【請求項７】 前記発散角変換手段は前記第１の方向と
前記第２の方向とで焦点距離が異なるアナモルフィック
・マイクロレンズであることを特徴とする請求項１〜６
のいずれか１項に記載の画像表示装置。 - 【請求項８】 前記発散角変換手段は前記第１の方向と
前記第２の方向とで焦点距離が異なる複数のシリンドリ
カル・マイクロレンズであることを特徴とする請求項１
〜６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8344698A JPH10170859A (ja) | 1996-12-09 | 1996-12-09 | 画像表示装置 |
| US08/979,329 US6490086B2 (en) | 1996-12-09 | 1997-11-26 | Image display apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8344698A JPH10170859A (ja) | 1996-12-09 | 1996-12-09 | 画像表示装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10170859A true JPH10170859A (ja) | 1998-06-26 |
Family
ID=18371295
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8344698A Withdrawn JPH10170859A (ja) | 1996-12-09 | 1996-12-09 | 画像表示装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6490086B2 (ja) |
| JP (1) | JPH10170859A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2639623A2 (en) | 2012-03-14 | 2013-09-18 | Sony Corporation | Image display device and image generating device |
| JP2014500518A (ja) * | 2010-10-21 | 2014-01-09 | ロッキード マーティン コーポレーション | 一つ以上の反射光学表面を使用する頭取付けディスプレイ装置 |
| WO2014109115A1 (ja) | 2013-01-10 | 2014-07-17 | ソニー株式会社 | 画像表示装置、画像生成装置及び透過型空間光変調装置 |
| JP2016191946A (ja) * | 2016-07-13 | 2016-11-10 | セイコーエプソン株式会社 | 虚像表示装置 |
| JP2017062507A (ja) * | 2016-12-20 | 2017-03-30 | セイコーエプソン株式会社 | 虚像表示装置 |
| JP2018060224A (ja) * | 2017-12-18 | 2018-04-12 | セイコーエプソン株式会社 | 虚像表示装置 |
| JP2018060155A (ja) * | 2016-09-28 | 2018-04-12 | セイコーエプソン株式会社 | 画像表示装置 |
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| US7970279B2 (en) * | 2002-11-05 | 2011-06-28 | Lightfleet Corporation | N-way serial-channel interconnect |
| WO2004042965A2 (en) * | 2002-11-05 | 2004-05-21 | Lightfleet Corporation | Optical fan-out and broadcast interconnect |
| JP4766841B2 (ja) * | 2003-09-08 | 2011-09-07 | 株式会社オートネットワーク技術研究所 | 車両に搭載されるカメラ装置及び車両周辺監視装置 |
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| WO2008097648A1 (en) * | 2007-02-07 | 2008-08-14 | Lightfleet Corporation | Fabric generated monotonically increasing identifier |
| US8848808B2 (en) | 2007-03-01 | 2014-09-30 | Lightfleet Corporation | Time domain symbols |
| US20100166430A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | Steve Alten | Broadcast optical interconnect using a MEMS mirror |
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| KR102751192B1 (ko) | 2020-03-02 | 2025-01-10 | 삼성전자주식회사 | 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치 |
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| GB9403925D0 (en) * | 1994-03-01 | 1994-04-20 | Virtuality Entertainment Ltd | Optical system |
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-
1996
- 1996-12-09 JP JP8344698A patent/JPH10170859A/ja not_active Withdrawn
-
1997
- 1997-11-26 US US08/979,329 patent/US6490086B2/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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|---|---|
| US6490086B2 (en) | 2002-12-03 |
| US20020001127A1 (en) | 2002-01-03 |
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