WO2018216176A1 - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a display device that displays image information or the like as a virtual image in front of the user's eyes, and more particularly to a head-mounted display device that is used by the user wearing the head.
  • HMD helmet-mounted display
  • the HMD projects the image displayed on a display device such as a cathode ray tube (CRT) or liquid crystal display (LCD) onto the visor (shield) provided on the helmet worn by the operator on the head and reflects it back to the operator.
  • a display image with a virtual image is formed in front of the driver's eyes.
  • helmets for aircraft usually have a spherical visor shape.
  • the spherical shape is the easiest to process when making a visor with high dimensional accuracy, that is, distortion as small as possible, and the spherical shape ensures high strength against large external forces due to acceleration. This is presumed to be due to reasons such as being easy. Therefore, in an aircraft HMD, an optical system is configured to reflect display light in a spherical visor.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an optical system including a visor in a conventional HMD, in which (a) is a schematic longitudinal sectional view and (b) is a schematic transverse sectional view.
  • the spherical visor 100 having a circular cross-sectional shape covers the user H's head, and slides up and down on a helmet (not shown) whose front side of the user H is open. It is installed as possible.
  • the inner surface of the visor 100 facing the user H is a reflecting surface 100a.
  • the reflecting surface 100a is formed with a coating layer that reflects part of the display light and transmits part of the light coming from the outside. ing.
  • Display light emitted from the image display unit 101 that forms a display image is projected onto a predetermined area of the reflecting surface 100 a of the visor 100 by the projection optical system 102. Then, the reflected light reaches the eyes EL and ER of the user H. Further, part of light from the outside world that has passed through the visor 100 also reaches the eyes EL and ER of the user H. As a result, a virtual image based on the display image is formed in front of the eyes of the user H so as to be superimposed on the scene of the outside world (see Patent Document 1).
  • the projection optical system 102 normally collimates the display light emitted from the image display unit 110 and projects it onto the reflection surface of the visor 100.
  • the optical axis of the luminous flux of the display light is indicated by a one-dot chain line.
  • the reflective surface 100 a of the visor 100 having a circular cross-section is circular with respect to an axis (Z axis) extending horizontally in front of the line of sight of the user H.
  • the upper side of each is arranged in a state inclined to the outside.
  • the generation of astigmatism is unavoidable, and the display light passing through a position deviating from the optical axis, that is, the farther from the center of the display image, the greater the influence of aberration and the image becomes blurred.
  • the aberration increases when the field of view of the display image is expanded, there is a problem that it is difficult to expand the field of view of the display image in the HMD having such a conventional configuration.
  • Patent Document 2 discloses an HMD that displays a virtual image by projecting a display image onto the inner surface (reflection surface) of a shield of a motorcycle helmet.
  • the shape of the shield must be the same as that of a conventional motorcycle helmet (aspherical shape whose vertical curvature is extremely small compared to the horizontal curvature, that is, the curvature is gentle).
  • virtual image display is enabled by devising the configuration of the optical system that irradiates the shield with display light.
  • it is difficult to expand the field of view, and it is disadvantageous for reducing the size and weight.
  • an HMD for an aircraft often displays information that is extremely important for a user to operate, and thus high visibility is required for a display image with a wide field of view. It is difficult for the above-described conventional HMD to meet such a demand.
  • the present invention has been made to solve these problems, and its main purpose is to reduce astigmatism in a head-mounted display device that projects a display image on a visor placed in front of the user's eyes.
  • the present invention made to solve the above problems includes a helmet that a user wears on the head, and a curved visor that is attached to the helmet and bulges outwardly and is placed in front of the user's eyes.
  • a display unit that forms a display image, and a projection optical system that projects display light including the display image by the display unit as information onto a reflection working surface of the visor, and is an external scene viewed through the visor
  • the center position between the left and right eyes of the user facing the front in the horizontal direction is the origin O
  • the axis looking forward from the origin O as viewed from the user is the Z axis
  • the direction perpendicular to the Z axis is upward from the user Is defined as the Y axis
  • the axis orthogonal to both the Z axis and the Y axis is defined as the X axis
  • An axis formed by the Z ′ axis and a plane including the optical axis of the outgoing light beam traveling toward the eye is defined as the Y ′ axis, and an axis orthogonal to both the Y ′ axis and the Z ′ axis is defined as the X ′ axis.
  • the shape of the reflective working surface of the visor is characterized in that the curvature in the Y′-Z ′ plane is an aspherical shape smaller than the curvature in the X′-Z ′ plane shadow plane.
  • the shape of the reflective working surface of the visor is such that the curvature in the Y′-Z ′ plane is X′-Z corresponding to the difference in optical power due to the difference in the incident angle of the display light with respect to the reflective working surface. 'It is good to have an aspherical shape smaller than the curvature in the plane.
  • the reflective action surface of the visor is spherical, whereas in the head-mounted display device according to the present invention, the reflective action surface of the visor is in the Y′-Z ′ plane.
  • the aspherical shape has a smaller curvature than the curvature in the X′-Z ′ plane shadow.
  • the shape of the visor needs to be the same as that of a commercially available helmet. For this reason, it is not necessary to make the curvature in the vertical direction extremely smaller than the curvature in the horizontal direction, so that the difference in optical power between the vertical direction and the horizontal direction on the reflecting surface is small.
  • the Y′-Z ′ plane on the reflecting surface so as to cancel out a relatively small difference in optical power due to a difference in incident angle of display light.
  • the curvature in the inner and X′-Z ′ planes can be adjusted respectively.
  • the optical power in the vertical direction and the horizontal direction in the optical path until the display light reaches the user's eyes can be roughly aligned, and the astigmatism that occurs when the reflecting surface is spherical. Aberration can be reduced.
  • an intermediate image is formed inside the projection optical system or on the optical path between the projection optical system and the reflecting surface in both the vertical direction and the horizontal direction.
  • the light that has been squeezed once hits the reflection action surface and is reflected to reach the user's eyes. Therefore, it is possible to realize a wide observation field in both the vertical direction and the horizontal direction.
  • the luminous flux of the display light is narrowed in the optical path between the projection optical system or between the projection optical system and the reflecting surface, the user's head and face inside the helmet worn by the user It is easy to avoid interference with the light beam.
  • positioning of the optical component which comprises a projection optical system becomes large, there also exists an advantage that the optical design of a display part or a projection optical system becomes easy.
  • the reflective action surface of the visor can be formed in various shapes as long as it is aspherical.
  • the reflective action surface of the visor has a free-form surface shape, and has a configuration that is plane-symmetric with respect to the Y ′ axis corresponding to both eyes of the user, can do.
  • the reflective action surface of the visor may have an aspherical shape that is rotationally symmetric with respect to a vertex located on the ZY plane. .
  • the reflective action surface of the visor is a toroidal having different curvatures in the Y′-Z ′ plane and the X′-Z ′ plane. It is good also as a structure which is a surface shape.
  • the head-mounted display device according to the present invention when used as an HMD for an aircraft in particular, not only the visibility of the display image but also elements such as high wearability, ease of movement, and small burden on the body are included. It needs to be taken into consideration.
  • the inclination angle of the reflecting surface at the intersection O ′ is 10 ° or more, and the Y′-Z ′ plane of the reflecting surface and X′-Z ′.
  • the radius of curvature in the plane is preferably in the range of 50 to 500 mm, and the thickness of the visor is preferably in the range of 0.1 to 10 mm.
  • the visor may be configured such that a surface layer made of a material different from the base material of the visor is formed on the inner surface or the outer surface.
  • a surface layer made of a material different from that of the visor base material is formed on a surface different from the reflective action surface, and the surface is preferably a surface that reduces reflection.
  • the helmet to which the visor is attached has a curved shape.
  • the projection optical system since the user's face faces the front of the visor, the projection optical system must irradiate the visor with display light from an oblique direction avoiding the user's head and face, which causes asymmetric blur. An added blurred image is formed. Usually, optical correction of this blurred image is required.
  • the projection optical system may include at least one reflecting mirror, and the reflecting action surface of the reflecting mirror may have an aspheric shape.
  • the reflecting surface of the reflecting mirror may be a concave surface.
  • the reflecting mirror may be a back reflecting mirror, and may have a refractive action in addition to the reflecting action.
  • the surface having the refractive action is preferably an aspherical shape.
  • the projection optical system includes at least one lens having a bending action on both surfaces, and at least one surface of the lens has an aspheric shape. can do.
  • the lens preferably has a refractive index nd of 1.58 or more.
  • nd refractive index 1.58 or more.
  • the display unit may be configured to display two or more colors. According to this configuration, for example, it is possible to convey information more accurately to the user by using different colors for displaying general information and displaying urgent information.
  • the principal ray that is the center of the visual field of the display light emitted from the display unit is emitted at an angle in a non-orthogonal direction with respect to the display surface of the display unit. It can be set as the structure by which a display part and the said projection optical system are arrange
  • the principal ray that becomes the center of the visual field of the display light emitted from the display unit is emitted from a position off the center of the display surface of the display unit. It is good also as a structure by which a part and the said projection optical system are arrange
  • the display unit can have various configurations.
  • the display unit includes a transmissive display element, and a backlight illumination unit that irradiates the display element with illumination light from the back side. It can be.
  • the display unit includes a reflective display element, an illumination unit that emits illumination light, and the illumination light on the display surface side of the display element. And a reflection type optical system that guides the light reflected and reflected by the display surface.
  • the display unit may include a self-luminous display element such as an organic EL display. According to this configuration, since an illumination unit that illuminates the display element is not necessary, the configuration of the display unit is simplified, which is advantageous for downsizing and weight reduction.
  • the display unit may include a small projector and a small screen.
  • the display unit includes a transmissive display element, and a backlight illumination unit that irradiates the display element with illumination light from the back side and at least a part thereof is a small projector. it can.
  • the display unit and the projection optical system are provided in a pair of left and right corresponding to both eyes of the user, and a part of the optical elements constituting the left and right projection optical systems Can be configured to be commonly used for both eyes.
  • the number of optical elements to be used can be reduced and the cost can be reduced.
  • the head-mounted display device it is possible to reduce astigmatism generated on the reflective action surface of the visor and to observe a display image with a wide field of view. Further, high visibility can be realized for both the display image which is a virtual image and the scene of the outside world. Furthermore, since the degree of freedom such as the arrangement of the projection optical system that projects the display image onto the visor increases, the apparatus can be reduced in size and weight.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the optical system containing the visor in HMD which is one Example of this invention, (a) is a schematic longitudinal cross-sectional view, (b) is a schematic cross-sectional view.
  • the perspective view which shows the schematic optical path of the display light in HMD of a present Example.
  • It is a schematic block diagram of the optical system containing the visor in the conventional HMD (a) is a schematic longitudinal cross-
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system including an HMD visor of the present embodiment, in which (a) is a schematic longitudinal sectional view and (b) is a schematic transverse sectional view.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams showing the configuration of the optical system in more detail in FIGS. 1 (a) and 1 (b), respectively.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a schematic optical path of display light. In FIG. 4, the description of the visor and the like is omitted.
  • the HMD 1 of the present embodiment is typically used by a pilot operating an aircraft wearing the head. While this HMD1 covers the head of the user H, it can rotate around an axis parallel to the X axis, which will be described later, and slide up and down on a helmet (not shown) whose front face is open.
  • An attached visor 10 an image display unit 11 that forms a display image based on image data input from an image processing unit (not shown), and a projection that projects display light including the display image as information onto a predetermined area of the visor 10
  • an optical system 12 As shown in FIG. 3, the image display unit 11 and the projection optical system 12 are provided in a pair of left and right corresponding to the pair of eyes (left eye EL, right eye ER) of the user H.
  • the display unit and projection optical system for the right eye ER are denoted by reference numerals 11R and 12R, and the display unit and projection optical system for the left eye EL are denoted by reference numerals 11L and 12L.
  • the visor 10 has a reflective surface 10a formed on the surface on the user H side, and the reflective surface 10a is a coating layer that reflects part of the display light and transmits part of the light coming from the outside. .
  • This coating layer is made of a material different from the base material of the visor 10 itself.
  • the base material of the visor 10 is polycarbonate
  • the coating layer forming the reflective surface 10a is SiO, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, Ta 2. It consists of one type or a combination of a plurality of types such as O 5 and TiO 2 .
  • the thickness of the visor 10 varies depending on the type of the base material, but is generally in the range of 0.1 to 10 mm.
  • the display light including the display image formed by the image display units 11L and 11R is emitted from the projection optical systems 12L and 12R and projected onto the reflection surface 10a of the visor 10, and the reflected light is the left eye EL of the user H. And the right eye ER is reached. Further, part of the light from the outside world that has passed through the visor 10 also reaches the eyes EL and ER of the user H. As a result, a virtual image of the display image is formed in front of the user's H so as to be superimposed on the external scene.
  • the overall configuration of such a basic optical system is the same as the conventional one.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the X ′ axis, the Y ′ axis, and the Z ′ axis are defined as follows.
  • an intermediate position between the left eye EL and the right eye ER of the user H is set as an origin O, and an axis forward from the origin O when viewed from the user H is a Z axis.
  • An axis that is upward when viewed from the user H in the direction orthogonal to the Z axis is the Y axis
  • an axis that is left outward from the user H is the X axis It is determined.
  • the intersection point between the optical axis C1 of the light beam emitted from the projection optical system 12 (12L, 12R) and reaching the visor 10 and the reflection surface 10a of the visor 10 is an intersection point O ′, and the visor 10 at the intersection point O ′.
  • the axis that is in the normal direction and viewed outward from the user H is the Z ′ axis, the direction orthogonal to the Z ′ axis and the optical axis C 1 of the light beam before being reflected by the visor 10 and the light beam after being reflected.
  • An axis such that the optical axis C2 is on the Y′-Z ′ plane is defined as the Y ′ axis, and an axis orthogonal to both the Y ′ axis and the Z ′ axis is defined as the X ′ axis. Since the intersection point O ′ exists corresponding to the left eye EL and the right eye ER, as shown in FIG. 4, the X ′ axis, the Y ′ axis, and the Z ′ axis also exist on the left and right sides, respectively.
  • the reflective surface 100a of the visor 100 is spherical, whereas in the HMD of this embodiment, the reflective surface 10a of the visor 10 is rotationally symmetric expressed by the following equation (1). It has an aspherical shape (axisymmetric aspherical shape), and its apex U exists on the YZ plane. Since it has an aspherical shape, the curvature in the Y′-axis direction and the curvature in the X′-axis direction at the intersection O ′ are different. As will be described later, the former is smaller than the latter (that is, the curvature in the Y′-axis direction). The radius is set larger than the radius of curvature in the X′-axis direction).
  • the visor 10 is attached to a helmet (not shown) so as to be rotatable around the X axis.
  • a helmet not shown
  • the reflective surface 10 a is inclined so that the upper side thereof falls forward in front of the eyes of the user H. It is in a state.
  • the inclination angle at the intersection point O ′ (the angle between the tangent plane of the reflecting surface 10a and the plane upright at the intersection point O ′) is 10 ° or more.
  • the image display unit 11 includes a transmissive display element 112 such as a transmissive color liquid crystal display element and a backlight illumination unit 111, and light emitted from the backlight illumination unit 111 is transmitted through the transmissive display element.
  • a transmissive display element 112 such as a transmissive color liquid crystal display element and a backlight illumination unit 111
  • light emitted from the backlight illumination unit 111 is transmitted through the transmissive display element.
  • an image formed on the display surface of the transmissive display element 112 is emitted as display light. This is completely symmetrical (that is, plane symmetry with respect to the YZ plane).
  • the projection optical system 12 includes a plurality of lenses 121, a back surface reflection type mirror 122 having a concave reflection surface, and a flat plate mirror 123.
  • the lens 121 and the back reflection mirror 122 are provided independently on the left and right, whereas the flat mirror 123 is arranged so as to cross the YZ plane perpendicularly.
  • the left and right projection optical systems 12L and 12R are shared.
  • the display light emitted from the image display unit 11 passes through a lens (two lenses are used in FIG. 2, but the number is not limited) and reaches the back surface reflection type mirror 122, but is incident on the back surface reflection type mirror 122. After being refracted by the side refracting surface 122a, it reaches the reflecting surface 122b and is reflected while being condensed by the reflecting surface 122b. The reflected light is reflected again by the mirror 123 and travels toward the reflective surface 10a of the visor 10. However, since the reflected light is collected by the reflective surface 122b of the back surface reflection type mirror 122, the reflected light is reflected between the mirror 123 and the reflective surface 10a. An intermediate image is once formed on the optical path. In FIG.
  • the image plane on which the intermediate image is formed is indicated by the symbol Q.
  • an intermediate image is formed both in the vertical direction (that is, in the plane parallel to the YZ plane) and in the horizontal direction (in the plane parallel to the XZ plane).
  • the intermediate image may be formed inside the projection optical system 12 including the mirror 123, not on the optical path between the mirror 123 and the reflecting surface 10a.
  • the optical axis of the display light emitted from the image display unit 11 and incident on the lens 121 of the projection optical system 12 is the transmission type display element 112 of the image display unit 11. It is not orthogonal to the display surface. That is, a configuration of a non-coaxial optical system is adopted. For this reason, a display image with asymmetric blur is formed. Therefore, the blur of the display image as described above is corrected by making the refractive surface 122a and the reflecting surface 122b of the back surface reflection type mirror 122 or at least one of the lenses 121 aspherical.
  • the display light emitted from the projection optical system 12 strictly speaking, the display light that gradually spreads from the image plane Q of the intermediate image hits the reflection surface 10 a of the visor 10 and is condensed on the concave surface. Reflected. At this time, the incident angle of the optical axis of the incident light in the Y′-Z ′ plane is not the same as the incident angle of the optical axis of the incident light in the X′-Z ′ plane. If it is spherical, a difference occurs in the optical power in both planes, causing astigmatism.
  • the curvature in the Y′-Z ′ plane is more than the curvature in the X′-Z ′ plane by the amount corresponding to the difference in the incident angle of the optical axis of the incident light.
  • the optical power in both planes is made almost the same. In practice, this difference in curvature is slight.
  • both the radii of curvature are in the range of 50 to 500 mm.
  • the shape of the reflective surface 10a of the visor 10 is an aspherical shape, it is not limited to the rotationally symmetric aspherical shape having the point U as a vertex as described above.
  • a toroidal surface shape defined by the following equation (2) may be used.
  • it may be a free-form surface shape that is defined by the following equation (3) and is plane-symmetric with respect to the Y ′ axis corresponding to both eyes EL and ER.
  • the configurations of the image display unit 11 and the projection optical system 12 can be changed as appropriate.
  • 5 to 7 are schematic diagrams showing examples of different configurations of the display unit.
  • the image display unit 11A shown in FIG. 5 includes an illumination unit 11A1, a reflective display element 11A2 such as a reflective color liquid crystal display element, and a reflective optical element 11A3 including a beam splitter.
  • the light emitted from the illumination unit 11A1 is reflected by the reflective optical element 11A3 and travels toward the reflective display element 11A2. Then, the image information formed on the display surface when it is reflected by the display surface of the reflective display element 11A2 is received and emitted as display light through the reflective display element 11A3 to the outside.
  • a self-luminous display element 11B1 such as an organic EL display.
  • the display element 11B1 itself emits light and emits display light, it is not necessary to separately provide an illumination unit.
  • the image display unit 11C shown in FIG. 7 includes a small projector 11C1 and a small screen 11C2.
  • the display light emitted from the small projector 11C1 is projected onto the small screen 11C2, and an enlarged display image is formed on the small screen 11C2.
  • the display image on the small screen 11C2 is emitted as display light as it is.
  • a monochrome display element is used as the display element 112
  • a color projector or a small projector that emits light of two or more colors is used for the backlight illumination unit 111.
  • a display image of two or more colors can be formed.
  • HMD Helmet mount display
  • SYMBOLS 10 ... Visor 10a ... Reflective action surface 10a ... Reflective surface 11, 11A, 11B, 11C, 11L, 11R ... Image display part 111 ... Backlight illumination part 112 ... Transmission type display element 12, 12L, 12R ... Projection optical system 121 ... Lens 122 ... Back-reflecting mirror 122a ... Refraction surface 122b ... Reflecting surface 123 ... Flat mirror C1 ... Optical axis C2 of incident light beam ... Optical axis EL of outgoing light beam ... Left eye ER ... Right eye H ... User

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Abstract

航空機用のＨＭＤにおいて、非点収差を軽減して広い視野の表示画像を観察可能とすることを目的とする。投射光学系（１２）から表示光を投影するバイザ（１０）の反射面（１０ａ）の形状を球面形状ではなく、水平方向に比べて垂直方向に曲率が小さな非球面形状とする。この曲率の差によって、反射面（１０ａ）への入射角度の相違等に起因する光学的パワーの差をなくし、非点収差を軽減する。また、投射光学系（１２）の内部又は投射光学系（１２）から反射面（１０ａ）に至る表示光の光路の途中で、垂直方向及び水平方向のいずれにおいても中間像を形成するようにし、それによって光学素子の配置の自由度を高めるとともに、小形化・軽量化を図る。

Description

頭部装着型表示装置
　本発明は、画像情報などを虚像として使用者の眼前に表示する表示装置に関し、さらに詳しくは、使用者が頭部に装着して使用する頭部装着型の表示装置に関する。
　近年、ヘリコプタや飛行機などの航空機を操縦する際に、ヘルメットマウントディスプレイ（Helmet Mounted Display：以下「ＨＭＤ」と称す）と呼ばれる表示装置が使用されるようになってきている。ＨＭＤは、ブラウン管（ＣＲＴ）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示素子に表示された画像を、操縦者が頭部に着用するヘルメットに設けられたバイザ（シールド）に投影して操縦者側に反射させることにより、操縦者の眼前に虚像による表示画像を形成するものである。
　航空機（主として軍用機）用のヘルメットでは一般的な二輪車用ヘルメットとは異なり、通常、バイザは球面形状である。これは、寸法精度の高いつまりは歪み等ができるだけ小さいバイザを作製する場合に球面形状とするのが最も加工が容易であること、球面形状とすると加速度による大きな外力に対して高い強度を確保し易いこと、などの理由によるものと推測される。そのため、航空機用のＨＭＤでは、球面形状であるバイザにおいて表示光を反射させるように光学系が構成されている。
　図８は従来のＨＭＤにおけるバイザを含む光学系の概略構成図であり、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図である。
　断面が円形の一部を切り取った形状である球形状のバイザ１００は、使用者Ｈの頭部を被う一方、使用者Ｈの顔面前方が開放された形状である図示しないヘルメットに上下にスライド可能な状態で取り付けられている。バイザ１００は使用者Ｈに向いた内面が反射面１００ａであり、該反射面１００ａには、表示光の一部を反射するとともに、外界から到来する光の一部を透過する被覆層が形成されている。
　表示画像を形成する画像表示部１０１から出射された表示光は、投射光学系１０２により、バイザ１００の反射面１００ａの所定領域に投影される。そして、その反射光が使用者Ｈの眼ＥＬ、ＥＲに到達する。また、バイザ１００を通過した外界からの光の一部も使用者Ｈの眼ＥＬ、ＥＲに到達する。これにより、使用者Ｈの眼前には外界の光景に重畳して表示画像による虚像が形成される（特許文献１など参照）。
　特許文献１に記載されているように、通常、投射光学系１０２は画像表示部１１０から出射した表示光をコリメートしてバイザ１００の反射面に投影する。図８ではその表示光の光束の光軸を一点鎖線で示している。
　こうしたＨＭＤでは、図８（ａ）に示しているように、断面部分円形状であるバイザ１００の反射面１００ａは使用者Ｈの視線前方に水平に延伸する軸（Ｚ軸）に対し、バイザ１００の上部側が外界側に傾斜した状態に配置されている。こうした配置では、非点収差の発生が避けられず、光軸から外れた位置を通過する表示光ほど、つまりは表示画像の中心から離れるほど、収差の影響が大きくなって画像がぼけてしまう。特に表示画像の視野を広げようとすると収差は増大するため、こうした従来の構成によるＨＭＤでは、表示画像の視野を広げることが難しいという問題があった。
　一方、特許文献２には、二輪車用ヘルメットのシールドの内面（反射面）に表示画像を投影して虚像表示を行うＨＭＤが開示されている。この場合、シールドの形状を従来の市販品である二輪車用ヘルメットと同じ形状（垂直方向の曲率が水平方向の曲率に比べて極端に小さい、つまりは曲がり具合がゆるやかである非球面形状）にしなければならないという制約がある。そのため、表示光をシールドに照射する光学系の構成を工夫することで虚像表示を可能としている。しかしながら、こうした構成のＨＭＤでも、視野の拡大は難しく、また、小形軽量化にも不利である。
特開２０１５－１５４４２０号公報 特開２０１０－１９８７４号公報
　一般に航空機用のＨＭＤでは、使用者が操縦を行う上できわめて重要である情報を表示することが多いため、広い視野の表示画像について高い視認性が求められる。上述した従来のＨＭＤではこうした要求に応えることは困難である。
　本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、使用者の眼前に配置されるバイザに表示画像を投影する頭部装着型表示装置において、非点収差を低減して表示画像の視野を広げことが可能であるとともに高い視認性を実現することができる表示装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明は、使用者が頭部に装着するヘルメットと、該ヘルメットに取り付けられ、使用者の眼前に配置される外方に膨出した曲面状のバイザと、表示画像を形成する表示部と、該表示部による表示画像を情報として含む表示光を前記バイザの反射作用面に投影する投射光学系と、を具備し、前記バイザを通して視認される外界の光景に前記表示画像による虚像を形成する頭部装着型表示装置であって、
　水平前方を向いた使用者の左右両眼の間の中央の位置を原点Ｏ、使用者から見て原点Ｏから前方に向かう軸をＺ軸、Ｚ軸に対し直交し使用者から見て上方向に向かう軸をＹ軸、Ｚ軸及びＹ軸に共に直交する軸をＸ軸として定義するとともに、前記バイザの反射作用面への入射光線の光軸と該反射作用面との交点をＯ’、該反射作用面における前記交点Ｏ’での法線をＺ’軸、該Ｚ’軸に直交し、且つ、前記入射光線の光軸と該入射光線に対し前記反射作用面で反射して使用者の眼に向かって進行する出射光線の光軸とが含まれる平面をＺ’軸とでなす軸をＹ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸に共に直交する軸をＸ’軸、として定義したとき、
　前記投射光学系の内部、又は該投射光学系と前記反射作用面との間の光路上において中間像が形成され、
　前記バイザは、前記ヘルメットに対しＸ軸に平行な軸を中心に回転可能であり、上方へスライドすることで使用者が前記ヘルメットを着脱することを可能とする一方、当該バイザの使用時には使用者の眼前でその反射作用面の上側が外方に倒れるように傾斜した状態に保持され、
　該バイザの反射作用面の形状は、Ｙ’－Ｚ’平面内の曲率がＸ’－Ｚ’平面影面内の曲率よりも小さな非球面形状であることを特徴としている。
　ここで、前記バイザの反射作用面の形状は、該反射作用面に対する表示光の入射角の相違による光学的パワーの差異に相当する分だけＹ’－Ｚ’平面内の曲率がＸ’－Ｚ’平面内の曲率よりも小さな非球面形状とするとよい。
　上述したように従来の航空機用ＨＭＤではバイザの反射作用面は球面状であるのに対し、本発明に係る頭部装着型表示装置では、バイザの反射作用面はＹ’－Ｚ’平面内の曲率がＸ’－Ｚ’平面影面内の曲率よりも小さな非球面形状である。但し、特許文献２に開示されているＨＭＤのようにバイザの形状を市販品のヘルメットと同じ形状にする必要があるといった制約はない。そのため、垂直方向の曲率を水平方向の曲率に比べて極端に小さくする必要はないので、反射作用面における垂直方向と水平方向との光学的パワーの差は小さい状態である。それによって、垂直方向と水平方向のいずれにおいても中間像を形成した状態で、表示光の入射角の相違による光学的パワーの比較的小さな差異を打ち消すように反射作用面におけるＹ’－Ｚ’平面内とＸ’－Ｚ’平面内の曲率をそれぞれ調整することができる。その結果、表示光が使用者の眼に到達するまでの光路における垂直方向と水平方向との光学的パワーを概ね揃えることができ、反射作用面が球面状であった場合に生じていた非点収差を小さくすることができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置において、垂直方向と水平方向のいずれにおいても投射光学系の内部又は投射光学系と反射作用面との間の光路上で中間像を形成させる構成とすると、反射作用面に到達する前に一旦、絞られた光が反射作用面に当たって反射して使用者の眼に到達する。そのため、垂直方向、水平方向のいずれにおいても広い観察視野を実現することができる。また、投射光学系の内部又は投射光学系と反射作用面との間の光路上で表示光の光束が絞られるので、使用者が装着するヘルメットの内側での該使用者の頭部や顔面と光束との干渉を回避し易くなる。また、投射光学系を構成する光学部品の配置の自由度が大きくなることで、表示部や投射光学系の光学設計が容易になるという利点もある。
　本発明に係る頭部装着型表示装置において、バイザの反射作用面は非球面であれば様々な形状にすることができる。
　本発明に係る頭部装着型表示装置の一実施態様として、前記バイザの反射作用面は自由曲面形状であり、使用者の両眼にそれぞれ対応したＹ’軸に対し面対称形状である構成とすることができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置の別の実施態様として、前記バイザの反射作用面は、Ｚ－Ｙ平面上に位置する頂点に対し回転対称である非球面形状である構成としてもよい。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置のさらに別の実施態様として、前記バイザの反射作用面は、Ｙ’－Ｚ’平面内とＸ’－Ｚ’平面内とで曲率が互いに相違するトロイダル面形状である構成としてもよい。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置を特に航空機用のＨＭＤとして使用する場合、表示画像の視認性のみならず、高い装着性、動き易さ、身体への負担の小ささなどの要素も考慮したものである必要がある。
　そこで本発明に係る頭部装着型表示装置では例えば、交点Ｏ’における前記反射作用面の傾斜角は１０°以上であり、該反射作用面のＹ’－Ｚ’平面内とＸ’－Ｚ’平面内とでの曲率半径は共に５０～５００mmの範囲内であり、該バイザの厚さは０．１～１０mmの範囲内である構成とするとよい。
　なお、上記構成において、前記バイザは、その内面又は外面に該バイザの基材と異なる材料による表面層が形成されている構成とするとよい。
　これにより、バイザ自体の基材の種類や厚さに依らずに、適切な反射及び外光の透過を実現可能な反射作用面を形成することができる。
　また、この構成では特に、反射作用面とは異なる面にバイザの基材と異なる材料による表面層を形成して、該面を反射を低減する面とするとよい。
　これにより、バイザ自体の基材の種類や厚さに依らずに、反射を低減しゴースト像を抑制可能な反射低減面を形成することができる。
　また、バイザが取り付けられるヘルメットは曲面形状である。また、バイザの正面には使用者の顔面が対向するため、投射光学系は使用者の頭部及び顔面を避けた斜め方向から表示光をバイザに照射する必要があり、これにより非対称なぼけが加わったぼけ画像が形成されてしまう。通常、このぼけ画像の光学的な補正が必要である。
　そこで本発明に係る頭部装着型表示装置の一実施態様として、前記投射光学系は少なくとも１枚の反射鏡を含み、該反射鏡の反射作用面は非球面形状である構成とすることができる。また、この構成において前記反射鏡の反射作用面は凹面とすればよい。また上記構成において、前記反射鏡は裏面反射鏡であり、反射作用に加えて屈折作用も有するものとしてもよい。この場合、前記屈折作用を有する面は非球面形状とするとよい。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置の別の実施態様として、前記投射光学系は両面に屈性作用を有するレンズを少なくとも１枚含み、該レンズの少なくとも一面は非球面形状である構成とすることができる。
　投射光学系を上記のように構成することにより、表示画像の非対称なぼけを補正して、良好な虚像を使用者の眼前に表示することができる。
　なお、この構成において、前記レンズは屈折率ｎdが１．５８以上であるものとするとよい。
　このように屈折率が高いレンズを用いることにより、光学的パワーが増加し、レンズ枚数を少なくすることができ、重量、サイズ、コスト等を低減することができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置の一実施態様として、前記表示部は二色以上の表示を行う構成とするとよい。
　この構成によれば、例えば、一般的な情報の表示と緊急を要する情報の表示とを異なる色として、より的確に情報を使用者に伝えることができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置において、前記表示部から出射される表示光の視野中心となる主光線は、該表示部の表示面に対し非直交方向の角度で出射するように該表示部及び前記投射光学系が配置されている構成とすることができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置において、前記表示部から出射される表示光の視野中心となる主光線は、該表示部の表示面の中心を外れた位置から出射するように該表示部及び前記投射光学系が配置されている構成としてもよい。
　即ち、こうした構成により、表示光の光路が使用者の頭部及び顔面を避けた非同軸光学系を実現することができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置において表示部は様々な構成とすることができる。
　例えば本発明に係る頭部装着型表示装置の一実施態様として、前記表示部は、透過型の表示素子、及び、該表示素子に背面側から照明光を照射するバックライト照明部、を含む構成とすることができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置の別の実施態様として　前記表示部は、反射型の表示素子、照明光を出射する照明部、及び、前記照明光を前記表示素子の表示面側に照射するとともに該表示面で反射した光を案内する反射型光学系と、を含む構成とすることもできる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置のさらに別の実施態様として　前記表示部は、有機ＥＬディスプレイなどの自発光型の表示素子を含む構成としてもよい。この構成によれば、表示素子を照明する照明部が不要になるので、表示部の構成が簡素になり小形化や軽量化に有利である。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置のさらに別の実施態様として　前記表示部は、小型プロジェクタ及び小型スクリーンを含む構成としてもよい。
　この場合、前記表示部は、透過型の表示素子、及び、該表示素子に背面側から照明光を照射するものであって少なくとも一部が小型プロジェクタであるバックライト照明部、を含むものとすることができる。
　また本発明に係る頭部装着型表示装置では、前記表示部及び前記投射光学系は使用者の両眼に対応して左右一対設けられ、該左右の投射光学系を構成する光学素子の一部は両眼に共通に利用されている構成とすることができる。
　この構成によれば、一部の光学素子を共用することで、使用する光学素子の数を減らしてコスト低減を図ることができる。
　本発明に係る頭部装着型表示装置によれば、バイザの反射作用面で生じる非点収差を低減し、視野の広い表示画像を観察可能とすることができる。また、虚像である表示画像と外界の光景とのいずれについても高い視認性を実現することができる。さらにまた、バイザへ表示画像を投影する投射光学系の配置等の自由度が増すので、装置の小形化及び軽量化を図ることができる。
本発明の一実施例であるＨＭＤにおけるバイザを含む光学系の概略構成図であり、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図。 本実施例のＨＭＤにおける表示部及び投射光学系の縦方向の詳細構成図。 本実施例のＨＭＤにおける表示部及び投射光学系の横方向の詳細構成図。 本実施例のＨＭＤにおける表示光の概略光路を示す斜視図。 本実施例のＨＭＤにおける表示部の他の構成例を示す図。 本実施例のＨＭＤにおける表示部の他の構成例を示す図。 本実施例のＨＭＤにおける表示部の他の構成例を示す図。 従来のＨＭＤにおけるバイザを含む光学系の概略構成図であり、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図。
　本発明に係る頭部装着型表示装置の一実施例であるＨＭＤについて、添付図面を参照して説明する。
　図１は本実施例のＨＭＤのバイザを含む光学系の概略構成図であり、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図である。また、図２及び図３はそれぞれ図１（ａ）及び（ｂ）において、光学系の構成をより詳細に示した図である。また、図４は表示光の概略光路を示す斜視図である。図４ではバイザ等の記載を省略している。
　本実施例のＨＭＤ１は、典型的には、航空機を操縦する操縦者が頭部に装着して使用するものである。このＨＭＤ１は、使用者Ｈの頭部を被う一方、その顔面前方が開放された形状である図示しないヘルメットに後述するＸ軸に平行な軸を中心に回転可能で上下にスライド可能な状態で取り付けられたバイザ１０と、図示しない画像処理部から入力される画像データに基づいて表示画像を形成する画像表示部１１と、表示画像を情報として含む表示光をバイザ１０の所定領域に投影する投射光学系１２と、を備える。図３に示すように、画像表示部１１及び投射光学系１２は使用者Ｈの一対の眼（左眼ＥＬ、右眼ＥＲ）に対応して左右一対で設けられている。右眼ＥＲ用の表示部及び投射光学系を符号１１Ｒ及び１２Ｒ、左眼ＥＬ用の表示部及び投射光学系を符号１１Ｌ及び１２Ｌで示す。
　バイザ１０は使用者Ｈ側の面に反射面１０ａが形成されており、該反射面１０ａは、表示光の一部を反射するとともに、外界から到来する光の一部を透過する被覆層である。この被膜層はバイザ１０自体の基材とは異なる材料からなり、例えば、バイザ１０の基材はポリカーボネイト、反射面１０ａを形成する被膜層はＳｉＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2等の１種類又は複数種類の組合せからなる。また、バイザ１０の厚さは基材の種類によって相違するが、概ね０．１～１０mmの範囲内である。
　画像表示部１１Ｌ、１１Ｒで形成された表示画像を含む表示光は投射光学系１２Ｌ、１２Ｒから出射してバイザ１０の反射面１０ａ上にそれぞれ投影され、その反射光が使用者Ｈの左眼ＥＬ及び右眼ＥＲに到達する。また、バイザ１０を通過した外界からの光の一部も使用者Ｈの眼ＥＬ、ＥＲに到達する。これにより、使用者Ｈの眼前には外界の光景に重畳して表示画像の虚像が形成される。こうした基本的な光学系の全体的な構成は従来と同じである。
　ここでは、説明の便宜上、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸、並びに、Ｘ’軸、Ｙ’軸、及びＺ’軸を以下のように定義する。
　図１、図４中に示すように、使用者Ｈの左眼ＥＬ及び右眼ＥＲの中間の位置を原点Ｏとし、使用者Ｈから見てその原点Ｏから前方へ向かう軸をＺ軸、該Ｚ軸に直交する方向で使用者Ｈから見て上方向となる軸をＹ軸、Ｙ軸及びＺ軸の両方に直交する軸で使用者Ｈから見て左外方となる軸をＸ軸、と定める。また、投射光学系１２（１２Ｌ、１２Ｒ）から出射してバイザ１０に到達するまでの光線の光軸Ｃ1とバイザ１０の反射面１０ａとの交点を交点Ｏ’、その交点Ｏ’におけるバイザ１０の法線方向で使用者Ｈから見て外方向に向かう軸をＺ’軸、該Ｚ’軸に直交する方向であってバイザ１０で反射する前の光線の光軸Ｃ1と反射したあとの光線の光軸Ｃ2とが共にＹ’－Ｚ’平面上に存在するような軸をＹ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸の両方に直交する軸をＸ’軸と定める。なお、交点Ｏ’は左眼ＥＬ、右眼ＥＲに対応してそれぞれ存在するから、図４に示すように、Ｘ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸も左右それぞれ存在する。
　図８に示した従来のＨＭＤではバイザ１００の反射面１００ａは球面状であったのに対し、本実施例のＨＭＤにおいて、バイザ１０の反射面１０ａは下記(1)式で表される回転対称非球面形状（軸対称非球面形状）であり、その頂点ＵはＹ－Ｚ平面上に存在する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　非球面形状であるから、交点Ｏ’におけるＹ’軸方向の曲率とＸ’軸方向の曲率とは相違しており、後述するように、前者を後者より小さく（つまりはＹ’軸方向の曲率半径をＸ’軸方向の曲率半径よりも大きく）設定している。
　以下、本実施例のＨＭＤにおける光学系の詳細な構成について説明する。
　バイザ１０は図示しないヘルメットに対してＸ軸周りに回転可能に取り付けられている。図１（ａ）及び図２に示すように、バイザ１０が完全におろされた状態（つまりは使用状態）では、使用者Ｈの眼前において反射面１０ａはその上部側が前方に倒れるように傾斜した状態となっている。交点Ｏ’におけるその傾斜角（交点Ｏ’における反射面１０ａの接平面と直立する平面とのなす角度）は１０°以上である。
　図２に示すように、画像表示部１１は、透過型カラー液晶表示素子などの透過型表示素子１１２とバックライト照明部１１１とを含み、バックライト照明部１１１から出射した光が透過型表示素子１１２の表示面を透過することで、透過型表示素子１１２の表示面上に形成された画像が表示光として出射される。これは左右全く対称（つまりはＹ－Ｚ平面について面対称）である。投射光学系１２は、複数のレンズ１２１と、反射面が凹形状である裏面反射型ミラー１２２と、平板状ミラー１２３とを含む。これも左右全く対称であるが、レンズ１２１と裏面反射型ミラー１２２とは左右独立に設けられているのに対し、平板状ミラー１２３はちょうどＹ－Ｚ平面を垂直に横切るように配置されており、左右の投射光学系１２Ｌ、１２Ｒにおいて共用されている。
　画像表示部１１から出射した表示光はレンズ（図２では２枚のレンズを用いているがその枚数は問わない）１２１を経て裏面反射型ミラー１２２に達するが、該裏面反射型ミラー１２２の入射側の屈折面１２２ａで屈折されたあと反射面１２２ｂに達し該反射面１２２ｂで集光されつつ反射される。そして、その反射光はミラー１２３で再び反射されてバイザ１０の反射面１０ａに向かうが、裏面反射型ミラー１２２の反射面１２２ｂで集光されているため、ミラー１２３と反射面１０ａとの間の光路上で一旦中間像を形成する。図２では中間像が形成される結像面を符号Ｑで示している。ここでは、垂直方向（つまりはＹ－Ｚ平面に平行な面内）、水平方向（Ｘ－Ｚ平面に平行な面内）のいずれにおいても中間像が形成される。ただし、ミラー１２３と反射面１０ａとの間の光路上でなく、ミラー１２３を含む投射光学系１２の内部で中間像を形成するようにしてもよい。
　なお、図２に示しているように、ここでは、画像表示部１１から出射して投射光学系１２のレンズ１２１に入射する表示光の光軸は、画像表示部１１の透過型表示素子１１２の表示面に直交してない。即ち、非同軸光学系の構成が採られている。そのため、非対称なぼけが加わった表示画像が形成されてしまう。そこで、裏面反射型ミラー１２２の屈折面１２２ａと反射面１２２ｂとの少なくとも一方、或いは、レンズ１２１を非球面形状とすることで、上述したような表示画像のぼけを補正するようにしている。
　また、投射光学系１２から出射された表示光、厳密に言えば、中間像の結像面Ｑから徐々に拡がりつつ進む表示光は、バイザ１０の反射面１０ａに当たり、その凹面で集光されつつ反射される。このとき、Ｙ’－Ｚ’平面内での入射光の光軸の入射角度とＸ’－Ｚ’平面内での入射光の光軸の入射角度とが同一ではないため、仮に、反射面が球面状であると、両平面内での光学的パワーに差が生じ、非点収差の原因となる。これに対し、本実施例のＨＭＤでは、上記入射光の光軸の入射角度の相違に対応する分だけ、Ｙ’－Ｚ’平面内での曲率をＸ’－Ｚ’平面内での曲率よりも小さくし、それによって両平面内での光学的パワーをほぼ同程度に揃えている。実際には、この曲率の差は僅かである。なお、通常、それらの曲率半径は共に５０～５００mmの範囲内である。
　こうしてＹ’－Ｚ’平面内とＸ’－Ｚ’平面内とで光学的パワーをほぼ等しくすることで、表示光がそれぞれ両眼ＥＬ、ＥＲに達したときに非点収差は殆ど問題にならない。それにより、使用者Ｈは、垂直方向、水平方向のいずれにも広い視野の表示画像を虚像として観測することができる。
　なお、バイザ１０の反射面１０ａの形状は非球面形状であれば、上述したような点Ｕを頂点とする回転対称非球面形状に限らない。例えば、次の(2)式で定義されるトロイダル面形状でもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　また、次の(3)式で定義され、且つ両眼ＥＬ、ＥＲにそれぞれ対応するＹ’軸に対して面対称である自由曲面形状でもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　また、上記実施例のＨＭＤにおいて画像表示部１１や投射光学系１２の構成はそれぞれ適宜に変更することが可能である。
　図５～図７はそれぞれ、表示部について異なる構成の例を示す概略図である。
　図５に示した画像表示部１１Ａは、照明部１１Ａ１と、反射型カラー液晶表示素子などの反射型表示素子１１Ａ２と、ビームスプリッタなどを含む反射型光学素子１１Ａ３と、から成る。照明部１１Ａ１から出射した光は反射型光学素子１１Ａ３で反射されて反射型表示素子１１Ａ２へと向かう。そして、反射型表示素子１１Ａ２の表示面で反射される際に該表示面に形成されている画像情報を受け、表示光として反射型表示素子１１Ａ３を通過して外部へと出射される。
　図６に示した画像表示部１１Ｂは、有機ＥＬディスプレイなどの自発光型表示素子１１Ｂ１を含む。この構成では表示素子１１Ｂ１そのものが発光して表示光を出射するので、照明部を別途設ける必要がない。
　図７に示した画像表示部１１Ｃは、小型プロジェクタ１１Ｃ１と小型スクリーン１１Ｃ２とから成る。小型プロジェクタ１１Ｃ１から出射した表示光は小型スクリーン１１Ｃ２上に投影され、該小型スクリーン１１Ｃ２に拡大した表示画像が形成される。そして、この小型スクリーン１１Ｃ２上の表示画像がそのまま表示光として出射される。
　なお、図２に示した上記実施例の構成において、表示素子１１２としてモノクロ表示素子を用い、バックライト照明部１１１にカラー又は二色以上の光を発する小型プロジェクタを用いることで、実質的にカラー又は二色以上の表示画像を形成することもできる。
　さらにまた、上記実施例は本発明の一例にすぎず、上記記載の変形例にとどまらず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
１…ヘルメットマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
１０…バイザ
１０ａ…反射作用面
１０ａ…反射面
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｌ、１１Ｒ…画像表示部
１１１…バックライト照明部
１１２…透過型表示素子
１２、１２Ｌ、１２Ｒ…投射光学系
１２１…レンズ
１２２…裏面反射型ミラー
１２２ａ…屈折面
１２２ｂ…反射面
１２３…平板状ミラー
Ｃ1…入射光束の光軸
Ｃ2…出射光束の光軸
ＥＬ…左眼
ＥＲ…右眼
Ｈ…使用者

Claims (22)

  1. 　使用者が頭部に装着するヘルメットと、該ヘルメットに取り付けられ、使用者の眼前に配置される外方に膨出した曲面状のバイザと、表示画像を形成する表示部と、該表示部による表示画像を情報として含む表示光を前記バイザの反射作用面に投影する投射光学系と、を具備し、前記バイザを通して視認される外界の光景に前記表示画像による虚像を形成する頭部装着型表示装置であって、
    　水平前方を向いた使用者の左右両眼の間の中央の位置を原点Ｏ、使用者から見て原点Ｏから前方に向かう軸をＺ軸、Ｚ軸に対し直交し使用者から見て上方向に向かう軸をＹ軸、Ｚ軸及びＹ軸に共に直交する軸をＸ軸として定義するとともに、前記バイザの反射作用面への入射光線の光軸と該反射作用面との交点をＯ’、該反射作用面における前記交点Ｏ’での法線をＺ’軸、該Ｚ’軸に直交し、且つ、前記入射光線の光軸と該入射光線に対し前記反射作用面で反射して使用者の眼に向かって進行する出射光線の光軸とが含まれる平面をＺ’軸とでなす軸をＹ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸に共に直交する軸をＸ’軸、として定義したとき、
    　前記投射光学系の内部、又は該投射光学系と前記反射作用面との間の光路上において中間像が形成され、
    　前記バイザは、前記ヘルメットに対しＸ軸に平行な軸を中心に回転可能であり、上方へスライドすることで使用者が前記ヘルメットを着脱することを可能とする一方、当該バイザの使用時には使用者の眼前でその反射作用面の上側が外方に倒れるように傾斜した状態に保持され、
    　該バイザの反射作用面の形状は、Ｙ’－Ｚ’平面内の曲率がＸ’－Ｚ’平面影面内の曲率よりも小さな非球面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  2. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記バイザの反射作用面の形状は、該反射作用面に対する表示光の入射角の相違による光学的パワーの差異に相当する分だけＹ’－Ｚ’平面内の曲率がＸ’－Ｚ’平面内の曲率よりも小さな非球面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  3. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記バイザの反射作用面は自由曲面形状であり、使用者の両眼にそれぞれ対応したＹ’軸に対し面対称形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  4. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記バイザの反射作用面は、Ｚ－Ｙ平面上に位置する頂点に対し回転対称である非球面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  5. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記バイザの反射作用面は、Ｙ’－Ｚ’平面内とＸ’－Ｚ’平面内とで曲率が互いに相違するトロイダル面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  6. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　交点Ｏ’における前記反射作用面の傾斜角は１０°以上であり、該反射作用面のＹ’－Ｚ’平面内とＸ’－Ｚ’平面内とでの曲率半径は共に５０～５００mmの範囲内であり、該バイザの厚さは０．１～１０mmの範囲内であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  7. 　請求項６に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記バイザは、その内面又は外面に該バイザの基材と異なる材料による表面層が形成されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  8. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記投射光学系は少なくとも１枚の反射鏡を含み、該反射鏡の反射作用面は非球面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  9. 　請求項８に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記反射鏡の反射作用面は凹面であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  10. 　請求項９に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記反射鏡は裏面反射鏡であり、反射作用に加えて屈折作用も有することを特徴とする頭部装着型表示装置。
  11. 　請求項１０に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記屈折作用を有する面は非球面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  12. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記投射光学系は両面に屈性作用を有するレンズを少なくとも１枚含み、該レンズの少なくとも一面は非球面形状であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  13. 　請求項１２に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記レンズは屈折率ｎdが１．５８以上であることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  14. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部は二色以上の表示を行うものであることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  15. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部から出射される表示光の視野中心となる主光線は、該表示部の表示面に対し非直交方向の角度で出射するように該表示部及び前記投射光学系が配置されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  16. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部から出射される表示光の視野中心となる主光線は、該表示部の表示面の中心を外れた位置から出射するように該表示部及び前記投射光学系が配置されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  17. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部は、透過型の表示素子、及び、該表示素子に背面側から照明光を照射するバックライト照明部、を含んで構成されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  18. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部は、反射型の表示素子、照明光を出射する照明部、及び、前記照明光を前記表示素子の表示面側に照射するとともに該表示面で反射した光を案内する反射型光学系と、を含んで構成されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
  19. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部は、自発光型の表示素子を含むことを特徴とする頭部装着型表示装置。
  20. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部は、小型プロジェクタ及び小型スクリーンを含むことを特徴とする頭部装着型表示装置。
  21. 　請求項１４に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部は、透過型の表示素子、及び、該表示素子に背面側から照明光を照射するものであって少なくとも一部が小型プロジェクタであるバックライト照明部、を含むことを特徴とする頭部装着型表示装置。
  22. 　請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
    　前記表示部及び前記投射光学系は使用者の両眼に対応して左右一対設けられ、該左右の投射光学系を構成する光学素子の一部は両眼に共通に利用されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
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