(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する画像発生器と、前記画像発生器からの光束を観察者の瞳に導くための光学系で構成され、前記観察者の左右の瞳に対応して、それぞれ設けられた画像表示装置において、
前記光学系は、前記画像発生器から前記瞳に向かう光束に沿って、リレー光学系と、前記リレー光学系の光軸に対して回転対称でない形状で光学パワーを有する反射面とを有し、前記光学系による前記観察者の左右の瞳に対応した各虚像面は、同一の円筒面又は放物面上に形成されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記反射面は、前記リレー光学系の中間結像面近傍に位置することを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は観察者の眼部近傍に配置され、画像表示手段の画像を拡大した虚像を観察するための画像表示装置に関し、特に臨場感や没頭感の高い画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、観察者の眼部近傍に配置される画像表示装置として、ヘルメットと一体になったヘルメット・マウンテッド・ディスプレイが、またより小型軽量なものとしては頭部に支持部材を装着するヘッド・マウンテッド・ディスプレイ（  以後ＨＭＤ称す）  がある。
【０００３】
これらは、いずれもＣＲＴ、ＬＣＤ等の画像表示装置に表示された画像を観察光学系を介して観察者の前方に虚像として拡大表示するものである。
【０００４】
これらの画像表示装置は、比較的小さな装置で大画面の表示を行え観察者が移動しながら観察出来ることから仮想現実（ＶＲ）システムをはじめとする色々な応用が考えるれており、その方式に対して数多くの提案がなされている。それらの多くの提案は、虚像面の形状が平面に成る様に構成されている。またＨＭＤは、左右２系統の表示系を設ければ、左右両眼に異なる画像を表示する事ができるため左右の眼に視差の有る画像を表示すれば３次元画像の表示が可能で有り、ＨＭＤを用いた３次元画像表示装置の提案も数多くなされている。
【０００５】
図６は、ＵＳＰ  ５，０３４，８０９  で開示されているＨＭＤの原理を説明する図である。１１１−Ｌ、１１１−Ｒは各々左眼用、右眼用のＬＣＤであり１１２−Ｌ、１１２−Ｒは、各々左眼用、右眼用の接眼レンズであり、１１５−Ｌ、１１５−Ｒは各々観察者の左眼、右眼である。ＬＣＤ１１１−Ｌ、１１１−Ｒ上の画像は、各々接眼レンズ１１２−Ｌ、１１２−Ｒにより、拡大され虚像面１１６上の画像として観察者に視認される。この提案では、接眼レンズ１１２−Ｌ，１１２−Ｒの光軸を平行にし、ＬＣＤ１１１−Ｌ、１１１−Ｒを所定量各々内側に配置してＬＣＤ１１１−Ｌ、１１１−Ｒの各々接眼レンズ１１２−Ｌ、１１２−Ｒによる虚像が虚像面１１６上で略重なるように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
虚像面が平面であると観察者にとって表示画像が平板に感じられ、臨場感溢れる画像を表示する事ができなかった。また虚像面が平面であるＨＭＤを仮想現実システムの画像表示用に用いると画像が平板なスクリーンに写っている用に感じられ十分な現実感を得る事が出来ないという問題点が有った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像表示装置は、画像を表示する画像発生器と、前記画像発生器からの光束を観察者の瞳に導くための光学系で構成され、前記観察者の左右の瞳に対応して、それぞれ設けられた画像表示装置で、前記光学系は、前記画像発生器から前記瞳に向かう光束に沿って、リレー光学系と、前記リレー光学系の光軸に対して回転対称でない形状で光学パワーを有する反射面とを有し、前記光学系による前記観察者の左右の瞳に対応した各虚像面は、同一の円筒面又は放物面上に形成されることを特徴としている。
【０００９】
前記反射面の好ましい形態は、前記リレー光学系の中間結像面近傍に位置することを特徴としている。
【００１１】
【実施例】
図１は本発明の第１の実施例を説明する概略図である。１１はＣＲＴ、ＬＣＤ等の画像発生器、１２は画像発生器１１の画面上からの光束を中間結像させるためのリレー光学系、１３はリレー光学系１２からの光束を反射させる平面ハーフミラー、１４は平面ハーフミラー１３からの光束を観察者の瞳に導くための接眼光学系である凹面ミラー、１５は観察者の瞳が位置するアイポイントである。
【００１２】
画像発生器１１上の３  点ａ，ｂ，ｃからの光束（  各々１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）  は、各々リレー光学系１２を通って平面ハーフミラー１３で反射されて凹面ミラー１４に導かれさらに反射されて再度平面ハーフミラー１３に導かれ今度は平面ハーフミラー１３を透過してアイポイント１５に入射する。
【００１３】
１６は、リレー光学系１２、平面ハーフミラー１３、凹面ミラー１４による画像発生器１１の虚像面であり、ａ’，ｂ’，ｃ’は各々画像発生器１１上の点ａ，ｂ，ｃに対応する。図１中凹面ミラー１４より上方に伸びている光束１８は、凹面ミラー１４により反射されアイポイントに向かう光束を光の進む方向と逆向きに延長したもので仮想的なものである。
【００１４】
この様にして観察者は画像発生器１１上の画像を拡大してあたかも虚像面１６上の画像として視認することが出来る。
【００１５】
次に虚像面１６を曲面とするための方法の説明をする。
【００１６】
本実施例においては、虚像面１６はアイポイント１５の中心から観察者の両眼の間隔の略１／２例えば３５ｍｍだけ左側にずれた点ｍを含む図１において紙面に垂直な軸を中心とする円筒面となってる。
【００１７】
画像発生器１１上の各点（  例えばａ，ｂ，ｃ）  からの光束は、回転対称なレンズで構成される共軸なリレーレンズ１２によりほぼ一様な結像作用を受ける。平面ハーフミラー１３は光学的パワーをもたないので結像関係には、直接寄与しない。そして、リレー光学系の光軸に対して回転対称でない横にずれた虚像面１６を形成するため、本実施例では、凹面ミラー１４をリレー光学系の光軸に対して回転対称性でない形状としている。
【００１８】
各画角の光束は、凹面ミラー１４において重複しないで入射する様にリレーレンズ１２の焦点距離および凹面ミラー１４の位置を設定してあり、少なくとも各画角の主光線が凹面ミラー１４で重複しないように凹面ミラー１４をリレー光学系１２の中間結像面の略近傍に配置する。各画角の主光線が凹面ミラー１４と交わる点（ａ，ｂ，ｃに対応させるとａ”，ｂ”，ｃ”）  の周りの局所的な光学的パワーおよび反射方向を虚像面１６を形成する様に設定すれば良い。凹面ミラー１４の各画角に対応する局所的領域の重複が大きいと凹面ミラー１４の形状を各画角の虚像位置の要求を満たしながら決定する事が困難になる。
【００１９】
したがってリレー光学系の光軸に対して回転対称でないミラーによってリレー光学系の光軸に対して回転対称でない形状の虚像を得るためには、各画角の光束の重複が小さいリレー光学系の中間結像面の略近傍に非回転対称性のミラーを設置する事が重要である。また、本実施例では虚像面１６は円筒面であるので図１の紙面を対称面として上下が対称であるため凹面ミラー１４も同様な紙面に対し対称な形状となっている。
【００２０】
図２は、第１の実施例で説明した画像表示装置を右眼用左眼用に各々１個ずつ用いて左右の眼に同時に画像を表示しかつ左右の画像表示装置により形成される虚像面をつなげ連続性のある曲面にしたものである。すなわち各虚像面を同位置の曲面内に位置させたものである。図１と同一の部材については、同一の番号、記号に右眼用の部分にはＲ、左眼用の部分にはＬを付したものを付す。左右の虚像面は、観察者の両眼の略中点ｍを通り図２中紙面に垂直な軸を中心として観察者の頭を取り囲む円筒面となっており、虚像の取り囲み効果により観察者に臨場感の大きな画像を表示することが出来る。
【００２１】
なお説明した第１の実施例とほぼ同様な光学系において凹面ミラーの形状を変える事により、左右の画像表示装置が各々形成する２つの虚像面が合成された虚像面１６を観察者の両眼を結ぶ線分１５Ｌ−１５Ｒの垂直２等分線で紙面内の軸を略回転対称軸とする回転対称な面にすることが出来る。図３は、それを達成した第２の実施例の説明をする該略図であり、図２と同じ部材には同一番号、記号を付す。第１の実施例との違いは、虚像面１６が観察者の両眼を結ぶ線分１５Ｒ１５Ｌの垂直２  等分線であって、観察者が正面無限遠を注視した時の視線の方向と平行な直線である直線ｍ−ｍ’を回転対称軸とする放物面になっている事とそのために凹面ミラー１４の形状が異なる点である。この様な形状の虚像面により観察者に迫る様な画像や観察者自身が前方へ進んでいると感じさせる様な画像を表示すると大きな臨場感を与えることが出来る。
【００２２】
図４は、リレーレンズとミラー３  枚を用いた第３の実施例を説明するための該略図であり、図１と共通する部材には同一番号、記号を付す。画像発生器１１からの光束は、共軸系であるリレーレンズ１２を通り、第１のミラー１４−１（  凹面）  に入射し反射され第２のミラー１４−２（  凸面）  に導かれ該第２のミラー１４−２の近傍で中間結像される。さらに前記光束は、第２のミラー１４−２で反射され第３のミラー１４ー３凹面）  に導かれここでさらに反射されてアイポイント１５に入射し観察者に虚像１６上の画像として視認される。本実施例では虚像面１６は、本発明第１の実施例と同様に虚像面１６はアイポイント１５の中心から観察者の両眼の巾の略１／２例えば３５ｍｍ左側にずれた点ｍを通り図４において紙面に垂直な軸を中心とする円筒面となっている。
【００２３】
本実施例では第１のミラー１４−１、第２のミラー１４−２、第３のミラー１４−３ともにリレー光学系の光軸に対して回転対称でない形状のミラーであり、各画角の主光線と第１、第２、第３のミラーとの交点での局所的な光学的パワーと反射の方向が、虚像面１６をアイポイント１５の中心から観察者の両眼の巾の略１／２例えば３５ｍｍだけ左側にずれた点ｍを通り図４において紙面に垂直な軸を中心とする円筒面となるように設定されている。
【００２４】
さらに本実施例においては、第１、第２、第３のミラーにおいてともに各画角の光束の重複が小さく入射するように全体の光学系の配置を設定してあり、各画角の光束に対して収差の補正を行う自由度が残っている。具体的には、第２のミラー１４−２は、中間結像点が近傍にあるため該第２ミラー１４−２の形状は、結像関係および結像性能に関する収差に対する寄与は少なく、それらとは独立に各画角の主光線の方向を調整する事が出来る。これは、第２のミラー１４−２によって結像関係およびディストーション以外の収差とは独立にディストーションの補正をする事ができる事を示している。また本実施例では、第１のミラー１４ー２と第３のミラー１４−３により、偏心で発生しやすい非点収差、コマ収差の補正と前記説明した様な形状である曲面である虚像面１６の形成とを同時に行うことが出来る。
【００２５】
図５は、第３の実施例で説明した画像表示装置を右眼用左眼用各々１  個ずつ用いて左右の眼に同時に画像を表示しかつ左右の画像表示装置により形成される虚像面を観察者の瞳を対称に位置させる対称面付近でつながる様にしたものである。
【００２６】
図４と同一の部材については、同一の番号、記号に右眼用の部分にはＲ、左眼用の部分にはＬを付したものを付す。左右の虚像面は、観察者の両眼の略中点ｍを通りかつ紙面に垂直な軸を中心として観察者の頭を取り囲む円筒面となっており、虚像の取り囲み効果により観察者に臨場感の大きな画像を表示することが出来る。
【００２７】
次に、本発明の実施例１〜３  の形状および配置データを示す。
【００２８】
表示面より観察者の瞳への光束の順に第ｉ番目の屈折面および反射面に付随するローカル座標系の原点位置のグローバル座標系に対する座標は、観察者の瞳が位置するアイポイント位置（各画角の主光線が交わる点）をグローバル座標系の原点としたときの絶対座標（Ｙｉ，Ｚｉ）で表している。なお、この絶対座標系の各軸は、観察者の瞳の光軸をＺ軸、図１、３、４において紙面内でＺ軸に対し９０゜をなす軸をＹ軸、紙面に垂直な方向をＸ軸としている。また、ｉ番目の各屈折面および反射面のＹＺ面内でのチルト角は、ＹＺ面内においてＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位：度）で表している。なお、各光学要素に付随したローカル座標系の原点はＹＺ平面上にあり、ＸＺおよびＸＹ面内での光学要素のチルトはないものとする。さらに、Ｒｉは表示面より観察者の瞳側への光束の順に第ｉ番目の光学要素の曲率半径、Ｄｉはｉ番目のレンズ厚または空気間隔、Ｎｉ、νｉは第ｉ番目の光学要素の屈折率とアッベ数である。
【００２９】
なお、Ｒｉの符号は表示面から観察者の瞳に進む光軸に沿って曲率中心が表示面側にある場合をマイナス、観察者の瞳側にある場合をプラスとしている。
【００３０】
また、本発明の画像表示装置は少なくともリレー光学系の光軸に対し回転対称出ない反射面を各々一面以上有し、その形状は以下の式により規定される。
【００３１】
【外１】
0003563769.tif 000002
但し、上記曲面式における座標（ｘ、ｙ、ｚ）は各反射面の頂点座標（Ｙｉ、Ｚｉ）を原点としたローカルな座標系であり、各軸は以下のように定義されるものである。
【００３２】
ｚ：反射面の頂点位置を原点とし、瞳の光軸方向であるＺ方向に対しＹＺ  面内において反時計方向に反射面のチルト角θｉをなす座標
ｙ：反射面の頂点位置を原点とし、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に９０゜をなす座標
ｘ：反射面の頂点位置を原点とし、ＹＺ面に対し垂直な座標
【００３３】
なお、上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、ｘ座標値の符号によらずｘ座標の絶対値とｙ座標値が同じであればｚ座標値は同じ値をとる。
よって上記曲面式により規定される曲面はＹＺ面を対称面とする面対称な形状である。
【００３４】
なお、上記曲面式はＺｅｒｎｉｋｅの６次までの多項式展開をｚに関してｘ、ｙの項でまとめたものである。
【００３５】
【外２】
0003563769.tif 000003
【００３６】
【外３】
0003563769.tif 000004
【００３７】
【外４】
0003563769.tif 000005
【００３８】
【外５】
0003563769.tif 000006
【００３９】
【発明の効果】
本発明の画像表示装置によれば、虚像面を連続的な所定形状をした曲面とするができ、観察者を取り囲む様な虚像面により、観察者に対しより立体的で臨場感、現実感の強い画像を表示することを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の光学構成を示す概略図
【図２】本発明の第１の実施例の光学構成を両眼に用いる際の概略図
【図３】本発明の第２の実施例の光学構成を示す概略図
【図４】本発明の第３の実施例の光学構成を示す概略図
【図５】本発明の第３の実施例の光学構成を両眼に用いる際の概略図
【図６】従来の画像表示装置の原理を説明する図
【符号の説明】
１１  画像発生器
１２  リレー光学系
１３  平面ハーフミラー
１４  凹面ハーフミラー
１５  アイポイント
１６  虚像面
【図１】
0003563769.tif 000007
【図２】
0003563769.tif 000008
【図３】
0003563769.tif 000009
【図４】
0003563769.tif 000010
【図５】
0003563769.tif 000011
【図６】
0003563769.tif 000012