(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を中間像を作ることなく投影し、観察者の眼球に導く光学系とからなる画像表示装置において、
前記光学系が、観察者の眼球側に凹面を向け、光軸に対して偏心した回転非対称な形状の反射面を有する少なくとも１枚の凹面鏡と、前記凹面鏡と前記画像表示素子との間に配置された正のパワーを有する少なくとも１個の光学素子とからなり、前記凹面鏡の凹面側に媒質を挟んで配置された透過面を有し、
前記正のパワーを有する光学素子の中の少なくとも１面が、光軸に対して偏心しており、
前記光学系が、以下条件式（１）を満足するように構成されていることを特徴とする画像表示装置。
１＜ｆy ／ｆy0＜５，又は，１＜ｆx ／ｆx0＜５          ・・・（１）
ただし、ｆy ，ｆx はそれぞれ前記正のパワーを有する光学素子のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離、ｆy0、ｆx0はそれぞれ前記光学系全体のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離である。ここで、観察者の瞳に入射する光軸の方向をＺ軸方向とし、凹面鏡の偏心がＹＺ平面で行われるようにＹ軸を定義し、Ｙ軸とＺ軸と直交するようにＸ軸を定義する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、画像表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能にする頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
顔面装着式画像表示装置においては、装着者の疲労を少なくするため、重量はより軽く、大きさはより小さくすることが望まれている。特に、顔面に装着した際に顔面から突出する長さは、装着時のバランスを向上させるために極力短くすることが望まれている。このため、従来、中間像を作らずに像を伝送する光学系を用いた顔面装着式視覚表示装置が提案されており、リレー光学系を不用にすることで、小型・軽量化を図っている。
【０００３】
そのような中間像を作らずに画像を伝送する光学系としては、例えば米国特許第４、０２６、６４１号のものが提案されている。この発明は、図１４に示すように、ＣＲＴのような画像表示装置の像を画像伝達素子で物体面に伝達し、その物体面の像を光軸に対して偏心したトーリック反射面によって虚像として表示することで、小型・軽量な光学系を提供できるようにしたものである。
【０００４】
また、他の方法として、本出願人より特開平５−３２３２２９号のものを提案している。この発明の光学系は、図１５のような構成をしており、光軸から遠くなる程曲率の大きくなる形状をした凹面鏡により、中間像を作らずに像面湾曲の小さな画像を伝送している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許第４、０２６、６４１号の光学系の持つ像面湾曲のために、投影される虚像が曲面となり観察時に像の周辺がぼけるという問題点があった。また、特開平５−３２３２２９号の光学系は像面湾曲は小さいものの、凹面鏡で他の収差が発生している。近年、液晶ディスプレイ等の高解像化が進んでおり、これに対応した高解像な光学系が必要なときに、従来の方法では対応できなくなる恐れがあった。
【０００６】
また、特開平５−３２３２２９号では光学系中に偏心した凹面鏡を用いるために、光軸に対して像面が垂直にならないという問題点もあった。光軸に対して像面が垂直になっていない場合に、画像表示素子として液晶ディスプレイ等の垂直方向以外への放射光量が少ないものを用いる場合、光量が不足して明瞭に画像を見ることができなくなる場合がある。
【０００７】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、中間像を作らない画像表示装置において、像面湾曲とその他の収差を同時に良好に補正し得る光学系を提供し、高解像な画像をも十分に明瞭に観察し得る画像表示装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を中間像を作ることなく投影し、観察者の眼球に導く光学系とからなる画像表示装置において、
前記光学系が、観察者の眼球側に凹面を向け、光軸に対して偏心した回転非対称な形状の反射面を有する少なくとも１枚の凹面鏡と、前記凹面鏡と前記画像表示素子との間に配置された正のパワーを有する少なくとも１個の光学素子とからなり、前記凹面鏡の凹面側に媒質を挟んで配置された透過面を有し、
前記正のパワーを有する光学素子の中の少なくとも１面が、光軸に対して偏心しており、
前記光学系が、以下条件式（１）を満足するように構成されていることを特徴とするものである。
１＜ｆy ／ｆy0＜５，又は，１＜ｆx ／ｆx0＜５          ・・・（１）
ただし、ｆy ，ｆx はそれぞれ前記正のパワーを有する光学素子のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離、ｆy0、ｆx0はそれぞれ前記光学系全体のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離である。ここで、観察者の瞳に入射する光軸の方向をＺ軸方向とし、凹面鏡の偏心がＹＺ平面で行われるようにＹ軸を定義し、Ｙ軸とＺ軸と直交するようにＸ軸を定義する。
【０００９】
この場合、正のパワーを有する光学素子の中の少なくとも１面が、光軸に対して偏心しているか、正のパワーを有する光学素子の中の少なくとも１個が、画像表示素子の側に凹面を向けた正メニスカスレンズであることが望ましい。
【００１０】
【作用】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用について説明する。なお、以下の説明は、光学設計上の利便性から、観察者の瞳位置から画像表示素子に向けて光線を追跡する逆光線追跡によって行う。また、観察者の瞳から射出される光線の方向をＺ軸方向とし、凹面鏡はＹ−Ｚ平面内で偏心しているものとする。
【００１１】
本発明においては、画像表示装置の光学系は、観察者の瞳から光軸に沿って順に、偏心（ティルト又はシフト）した回転非対称な反射面を持つ凹面鏡、正のパワーを持つ光学素子、及び、画像表示素子からなる。凹面鏡と正のパワーを持つ光学素子の２つに結像するためのパワーを分割しているので、凹面鏡の曲率を小さくできる。そのため、凹面鏡で発生する像面湾曲を減らすことができる。また、同時に、凹面鏡の曲率の減少により球面収差を減らすことができ、良好な画像を観察することができる。さらに、凹面鏡の曲率の減少により、像面と光軸とのなす角を垂直に近付けることができる。
【００１２】
また、凹面鏡の反射面が回転非対称な形状をしているので、凹面鏡が偏心している方向と無偏心である方向とでパワーが異なることで生じている非点収差を補正することができ、良好な収差補正を実現できる。
【００１３】
また、顔面装着式の画像表示装置においては、眼鏡等を装着することが可能なように、瞳位置から第１面までの距離、いわゆるアイリリースを十分に確保する必要がある。また、一方で、顔面に装着した際、顔面から突出する長さは極力小さい方が望ましい。そのため、正のパワーを持つ光学素子は、凹面鏡よりも画像表示素子に近い側にある方が、凹面鏡よりも瞳側にあるよりも、同じアイリリースのとき、顔面からの突出長を小さくすることが可能になり、より好ましい。
【００１４】
また、正のパワーを持つ光学素子をシフトさせて偏心させることにより、この光学素子で発生する像面湾曲の発生量が変化するので、適当なシフトをこの正のパワーを持つ光学素子に与えることにより、凹面鏡で発生した光軸に対する像面の傾きを補正することができ、より像面を光軸に対して垂直に近くすることが可能になる。
【００１５】
また、正のパワーを持つ光学素子をティルトさせることにより、凹面鏡により発生したコマ収差を容易に補正することができる。なぜなら、正のパワーを持つ光学素子のティルトによりコマ収差の発生量を変化させることが可能であり、適当なティルトを正のパワーを持つ光学素子に与えることにより、凹面鏡において発生したコマ収差を良好に補正し得るからである。
【００１６】
また、正のパワーを持つ光学素子は、瞳から凹面鏡までの光線をけらないように配置しなければならない。そのため、正のパワーを持つ光学素子は、凹面鏡からある程度以上の距離を置かなければならず、近軸設計上の制約となる。そこで、後記の実施例２の光学系を示す図２のように、正のパワーを持つ光学素子として正メニスカスレンズ４を凹面を画像表示素子５側に向けるように配置して用いると、正メニスカスレンズ４の主点を瞳１から凹面鏡３までの光線の中に置くことも可能になり、近軸設計上の自由度が大きくなり、より収差の小さい設計が可能になる。これは、特に光束径が大きくなる瞳直径の大きな光学系において有利である。なお、顔面又は頭部装着式の画像表示装置において、瞳径が大きいと、眼幅調整等の装着時の調整箇所が不要となり、使用者の煩わしさを減らすことができる。
【００１７】
また、正のパワーを持つ光学素子として接合正レンズを用いることにより、この光学素子で発生する倍率の色収差を抑えることができる。また、凹面鏡として裏面鏡を用いたときには、裏面鏡で生じる倍率の色収差も補正することが可能となり、高解像な画像も十分に明瞭に観察することができる。
【００１８】
ところで、裏面鏡は、表面鏡と比べて、耐久性に富んでいる、経時変化が小さい、塵、ほこりに対して耐性がある等の利点がある。また、その他に、凹面鏡としての焦点距離を変えずに面形状を変化させることが可能であり、収差補正上非常に有利となり、高解像な画像を得ることが可能になる。しがって、凹面鏡として裏面鏡を用いることも望ましい。
【００１９】
上記の正のパワーを持つ光学素子の焦点距離と全光学系の焦点距離とが以下の式を満たしていると、凹面鏡のパワーを減少させ収差補正のための効果を十分に出すことが可能になり、かつ、光学素子のパワーにより発生する収差も十分に小さくすることができる。
１＜ｆy ／ｆy0＜５，又は，１＜ｆx ／ｆx0＜５          ・・・（１）
ただし、ｆy ，ｆx はそれぞれ正のパワーを有する光学素子のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離、ｆy0、ｆx0はそれぞれ光学系全体のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離である。
【００２０】
なお、上記（１）式の関係がさらに下記（１）’式を満たしていると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の双方において、同時に凹面鏡のパワーを減少させ収差補正のための効果を顕著に出すことが可能になり、かつ、光学素子において発生する収差も非常に小さくすることができ、特に高解像な画像表示素子を用いるときに有効である。
【００２１】
0003672951.tif 000002
【００２２】
【実施例】
以下に、本発明の画像表示装置の実施例１から６について、図面を参照して説明する。
各実施例の構成パラメータは後記するが、以下の説明において、面番号は、観察者の瞳位置１から画像表示素子５へ向う逆追跡の面番号として示してある。そして、座標の取り方は、図１〜図６に示すように、観察者の瞳位置１中心から視軸方向をＺ軸とし、紙面に垂直な方向に紙面表面から裏面に向かう方向を正としてＸ軸をとり、Ｘ軸、Ｚ軸に垂直で右手系を構成するＹ軸を紙面内にとり、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとする。
【００２３】
そして、後記する構成パラメータ中において、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面については、基準軸（Ｚ軸）あるいは基準面（１面）に対してのその面のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量、及び、その面の中心軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反時計回りを意味する。なお、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θの記載のない面は、その前の面と同軸であることを意味する。
【００２４】
また、面間隔は、２面に関しては１面からのＺ軸に沿う距離であり、同軸系部分（正のパワーを有する光学素子４）についてはその面から次の面までの軸上間隔である。なお、面間隔は、光軸に沿って逆追跡の方向を正として示してある。ただし、反射面以後では符号は反転する。
【００２５】
また、各面において、アナモルフィック面の非球面形状は、その面を規定する座標上で、Ｒy 、Ｒx はそれぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内での近軸曲率半径、Ｋx 、Ｋy はそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲはそれぞれＺ軸に対して回転対称な４次、６次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰはそれぞれＺ軸に対して回転非対称な４次、６次の非球面係数とすると、非球面式は以下に示す通りである。
0003672951.tif 000003
なお、面と面の間の媒質の屈折率はｄ線の屈折率で表す。長さの単位はｍｍである。
【００２６】
さて、以下に示す実施例は全て右眼用の画像表示装置であり、左眼用は構成す光学要素を全てＸ−Ｚ面に対称に配備することで実現できる。
また、実際の装置においては、接眼光学系によって光軸が屈曲する方向は、観察者の上方あるいは下方、側方何れの方向にあってもよいことは言うまでもない。
【００２７】
図１〜図６に、それぞれ実施例１〜６の画像表示装置の光学系の単眼部分の断面図を示す。それぞれの断面図において、１は観察者の瞳位置、２は光軸、３は凹面鏡、４は正のパワーを有する光学素子、５は画像表示素子である。
【００２８】
各実施例において、凹面鏡３は、実施例１、２、４はアナモルフィック面の表面鏡、実施例３、５、６はアナモルフィック面の裏面鏡からなり、正のパワーを有する光学素子４は、実施例１は両凸球面単レンズ、実施例２は画像表示素子５側に凹面を向けた正メニスカス球面単レンズ、実施例３は両面がアナモルフィック面からなる単レンズ、実施例４は両凸レンズと負メニスカスレンズの球面接合レンズ、実施例５は両凸レンズと両凹レンズの球面接合レンズ、実施例６は１面がアナモルフィック面からなる単レンズ２枚の接合レンズからなる。
【００２９】
画角及び瞳直径については、
実施例１は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳直径４ｍｍ、
実施例２は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳直径１６ｍｍ、
実施例３は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳直径４ｍｍ、
実施例４は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳直径８ｍｍ、
実施例５は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳直径８ｍｍ、
実施例６は、水平画角３５°、垂直画角２６．６°、瞳直径８ｍｍである。
【００３０】
次に、上記実施例１〜６の構成パラメータを示す。
0003672951.tif 000004
【００３１】
0003672951.tif 000005
【００３２】
0003672951.tif 000006
【００３３】
0003672951.tif 000007
【００３４】
0003672951.tif 000008
0003672951.tif 000009
【００３５】
0003672951.tif 000010
0003672951.tif 000011
【００３６】
次に、上記実施例の中、実施例１、実施例５の横収差図をそれぞれ図７〜図９、図１０〜図１２に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【００３７】
なお、以上の何れの実施例においても、アイリリース、画像表示素子の大きさが異なる場合に、本発明は実施例の構成パラメーターを係数倍することで容易に実現できることは言うまでもない。
【００３８】
本発明の画像表示装置の様々な応用例が考えられるが、本発明の画像表示装置本体６に、例えば図１３に示すような頭部への装着具７を取り付けることによって、頭部装着式の画像表示装置として用いることができる。
【００３９】
以上の本発明の画像表示装置は、例えば次のように構成することができる。
〔１〕  画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を中間像を作ることなく投影し、観察者の眼球に導く光学系とからなる画像表示装置において、前記光学系が、観察者の眼球側に凹面を向け、光軸に対して偏心した回転非対称な形状の反射面を有する少なくとも１枚の凹面鏡と、前記凹面鏡と前記画像表示素子との間に配置された正のパワーを有する少なくとも１個の光学素子とからなることを特徴とする画像表示装置。
【００４０】
〔２〕  前記の正のパワーを有する光学素子の中の少なくとも１面が光軸に対して偏心していることを特徴とする上記〔１〕記載の画像表示装置。
【００４１】
〔３〕  前記の正のパワーを有する光学素子の中の少なくとも１個が前記画像表示素子の側に凹面を向けた正メニスカスレンズであることを特徴とする上記〔１〕記載の画像表示装置。
【００４２】
〔４〕  前記の正のパワーを有する光学素子が接合正レンズであることを特徴とする上記〔１〕記載の画像表示装置。
【００４３】
〔５〕  前記凹面鏡が裏面鏡であることを特徴とする上記〔１〕から〔４〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００４４】
〔６〕  前記光学系の焦点距離と前記の正のパワーを有する光学素子の焦点距離が以下の式を満たすことを特徴とする上記〔１〕から〔５〕の何れか１項記載の画像表示装置。
１＜ｆy ／ｆy0＜５，又は，１＜ｆx ／ｆx0＜５          ・・・（１）
ただし、ｆy ，ｆx はそれぞれ前記の正のパワーを有する光学素子のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離、ｆy0、ｆx0はそれぞれ前記光学系全体のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離である。ここで、観察者の瞳に入射する光軸の方向をＺ軸方向とし、凹面鏡の偏心がＹＺ平面で行われるようにＹ軸を定義し、Ｙ軸とＺ軸と直交するようにＸ軸を定義する。
【００４５】
〔７〕  前記光学系の焦点距離と前記の正のパワーを有する光学素子の焦点距離が以下の式を満たすことを特徴とする上記〔１〕から〔５〕の何れか１項記載の画像表示装置。
0003672951.tif 000012
ただし、ｆy ，ｆx はそれぞれ前記の正のパワーを有する光学素子のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離、ｆy0、ｆx0はそれぞれ前記光学系全体のＹ軸方向、Ｘ軸方向の焦点距離である。ここで、観察者の瞳に入射する光軸の方向をＺ軸方向とし、凹面鏡の偏心がＹＺ平面で行われるようにＹ軸を定義し、Ｙ軸とＺ軸と直交するようにＸ軸を定義する。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の画像表示装置によると、中間像を作ることなく観察者の眼球に像を伝送する小型の光学系において、像面湾曲とその他の収差を同時に良好に補正して高解像な画像を観察し得る画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の画像表示装置の光路図である。
【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光路図である。
【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光路図である。
【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の光路図である。
【図５】本発明の実施例５の画像表示装置の光路図である。
【図６】本発明の実施例６の画像表示装置の光路図である。
【図７】本発明の実施例１の横収差図の一部である。
【図８】本発明の実施例１の横収差図の別の部分である。
【図９】本発明の実施例１の横収差図の残りの部分である。
【図１０】本発明の実施例５の横収差図の一部である。
【図１１】本発明の実施例５の横収差図の別の部分である。
【図１２】本発明の実施例５の横収差図の残りの部分である。
【図１３】本発明による画像表示装置を頭部装着式画像表示装置として構成した場合の１例の概念図である。
【図１４】従来の１つの画像表示装置の光学系を示す図である。
【図１５】従来の別の画像表示装置の光学系を示す図である。
【符号の説明】
１…観察者の瞳位置
２…光軸
３…凹面鏡
４…正のパワーを有する光学素子
５…画像表示素子
６…画像表示装置本体
７…頭部への装着具
【図１】
0003672951.tif 000013
【図２】
0003672951.tif 000014
【図３】
0003672951.tif 000015
【図４】
0003672951.tif 000016
【図５】
0003672951.tif 000017
【図６】
0003672951.tif 000018
【図７】
0003672951.tif 000019
【図８】
0003672951.tif 000020
【図９】
0003672951.tif 000021
【図１０】
0003672951.tif 000022
【図１１】
0003672951.tif 000023
【図１２】
0003672951.tif 000024
【図１３】
0003672951.tif 000025
【図１４】
0003672951.tif 000026
【図１５】
0003672951.tif 000027