(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、該表示素子上に表示された映像を再結像するリレー光学系と、再結像面に結像した像を眼球に虚像として拡大投影する接眼光学系とを備えた視覚表示装置において、
前記リレー光学系は、物像間距離が５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、再結像面に結像する像の大きさが対角長で１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、再結像面のリレー光学系側の開口数が０．０２以上０．０８以下であり、
前記再結像面の位置に開口数拡大光学系を配置したことを特徴とする視覚表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、視覚表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に装着して用いるポータブル型の視覚表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、頭部装着式視覚表示装置として、例えば図１３に光路図を示したような光学系を用いるものが知られている（特開平３−３９９２５号）。これは、液晶表示装置、ＣＲＴ等の画像源１上の画像をリレー光学系２により１度空中に結像し、更に接眼光学系３により使用者の眼球に導いているもので、光学系はヘルメットに取り付けられるように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、リレー光学系を用いて１次像を結像し、接眼光学系でその１次像を眼球に導く光学系を備えた視覚表示装置においては、リレー光学系を備えていない視覚表示装置に比べて、以下の点で優れている。
▲１▼接眼光学系で発生する収差をリレー光学系で補正することができる。
▲２▼リレー光学系で高画素数の表示素子を縮小して結像すれば、現在世の中に存在しないような高画素数で小サイズの表示素子を実現できる。
【０００４】
しかし、上記のような優位点を有しながら、従来例においては、リレー光学系の全長が長いので、装置自体が大型になってしまう。特に、頭部又は顔面装着式の視覚表示装置においては、使用者の頭部に極めて大型の光学系を装着することになり、使用者の頭部にその重量を負担させることになる。一般的に、頭部又は顔面装着式の視覚表示装置においては、その軽量化、小型化は、装着感の向上にとって極めて重要な問題である。したがって、従来例ではこの問題が解決されておらず、頭部又は顔面装着式の視覚表示装置としては、特に好ましくない。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトなリレー光学系を用いた小型、軽量の視覚表示装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の視覚表示装置は、映像を表示する表示素子と、該表示素子上に表示された映像を再結像するリレー光学系と、再結像面に結像した像を眼球に虚像として拡大投影する接眼光学系とを備えた視覚表示装置において、
前記リレー光学系は、物像間距離が５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、再結像面に結像する像の大きさが対角長で１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、再結像面のリレー光学系側の開口数が０．０２以上０．０８以下であり、
前記再結像面の位置に開口数拡大光学系を配置したことを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
以下に、上記のような構成をとる理由と作用について詳細に説明する。
視覚表示装置を構成する要素の中で、接眼光学系よりも全長が長くなるリレー光学系は、その全長を短くすることが、視覚表示装置の小型、軽量化において重要となる。そこで、まず、本発明の視覚表示装置のリレー光学系の物像間距離は、５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とする。すなわち、物像間距離が１００ｍｍを越えると、例えばリレー光学系を接眼光学系の上部、すなわち、使用者顔面の額側に配置すると、使用者頭部より上に大きく突出するので好ましくなく、また、５０ｍｍ以下であると、少数枚のレンズで構成する場合、各面での結像光束の入射角を大きくしなければならず、実際に設計をした結果、後述の実施例に示すように６枚程度の少ない枚数のレンズ構成で収差補正をすることが困難となり、収差補正のためにレンズ枚数が増え、結果的に重量が増してしまうので好ましくない。したがって、リレー光学系の物像間距離は、上記の範囲内であることが要求される。
【００１０】
さらに、再結像面に結像する像の大きさを対角長で１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とする。この長さが４０ｍｍを越えると、リレー光学系のレンズ径が大きくなるばかりでなく、接眼光学系の大きさも大きくなり、装置の重量が増すので好ましくない。また、この長さが１０ｍｍ以下であると、以下の点で好ましくない。すなわち、接眼光学系の焦点距離ｆと再結像面に結像する像の対角長ｙとの間には、観察画像の半画角をθとして、ｙ＝２ｆ・ｔａｎθの関係があり、ｙはｆとθで決まる。一方、接眼光学系については、使用者の眼球配置誤差と画面周辺を見る際の眼球回転による画像のケラレを生じさせないために、瞳径をなるべく大きくとる必要があり、例えばその直径を８ｍｍφと仮定し、さらに、画面均一に良好な像を得るためには、Ｆナンバー２．５より小さいＦナンバーのレンズは設計が困難なことから、その焦点距離ｆは最短で２０ｍｍが必要となる。ここで、再結像面に結像する像の対角長を１０ｍｍ以下とすると、観察画像の対角方向の半画角は１４°以下となり、臨場感向上のために必要な観察画像の水平方向の半画角１５°と比べて、小さな提示画角となってしまう。以上のことから、再結像面に結像する像の大きさが対角長で１０ｍｍ以下であると、視覚表示装置の臨場感という観点から好ましくない。したがって、リレー光学系による再結像面に結像する像の対角長は、上記の範囲内であることが要求される。
【００１１】
さらに、リレー光学系による再結像面のリレー光学系側の開口数を０．０２以上０．０８以下とする。この開口数０．０８を越えると、上記物像間距離の範囲内でリレー光学系を構成すると、ここで発生する収差が大きくなりすぎ、また、開口数０．０２以下となると、接眼光学系に入射する光線の開口数が余りにも小さすぎ、実際、上記の様に接眼光学系の焦点距離を２０ｍｍとした場合、瞳径が０．８ｍｍφ以下となり、装置のアイポイント位置合わせが極めて困難となり、さらに、画像周辺の暗黒部の発生が大きくなり、視覚表示装置として使用不可能になる。したがって、リレー光学系による再結像面のリレー光学系側の開口数は、上記の範囲内であることが要求される。
【００１２】
更に好ましくは、リレー光学系は、この光学系の光路中に絞りを有し、表示素子を物点としたときに等倍系若しくは拡大系で使用した場合に、以下の条件を満足するのがよい。
０．５＜ｆ１  ／ｆ２  ＜２                                ・・・（１）
ただし、ｆ１  ：絞りに対して表示素子側に配置したレンズ群の焦点距離
ｆ２  ：絞りに対して１次像側に配置したレンズ群の焦点距離
である。
【００１３】
この条件式（１）は、リレー光学系においてはその倍率を規定するものであり、その上限の２を越えると、リレー光学系に組み合わせる接眼光学系が大型になったり、また、その下限の０．５を越えると、表示素子に大サイズのものが必要になったりし、結局、どちらの場合も視覚表示装置として大型になり好ましくなく、上記条件式（１）の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のリレー光学系は、明るさ絞りを挟んで表示素子側と再結像面側のそれぞれに少なくとも１枚の正レンズを含有し、明るさ絞りの両側に凹面を向かい合わせた面を含んだレンズ群を含有する構成をとるのがよい。明るさ絞りを挟んで表示素子側と再結像側のそれぞれに少なくとも１枚の正レンズを配置するのは、短い物像間距離を確保したままで、これらの正レンズを軸外光線高が光軸から離れた高い位置において絞りを挟んで対称に配置することになるために、歪曲収差と倍率の色収差を相殺的に補正する作用を持つからである。さらに、リレー光学系の物像間距離を短く構成しようとすると、絞りに対する光線の入射角度が大きくなり、絞りの周りのレンズ面で発生する収差、特にコマ収差、非点収差が大きくなる。このため、本発明のリレー光学系においては、絞りの両側に凹面を向かい合わせた面を含んだレンズ群を配置することによって、アプラナティックな面形状に近くし、絞りの両側のレンズ面の対称性を増し、相殺的にコマ収差、非点収差を補正する。以上の構成によって、物像間距離が短くても、収差補正が良好に行えるのである。
【００１５】
また、更に好ましくは、上記構成に係るリレー光学系は、表示素子を物点としたときに、等倍系若しくは拡大系で使用した場合に、以下の条件式（２）、（３）を同時に満足するのがよい。
【００１６】
１＜｜ｒＦ  ／ｄＦ  ｜＜５                                ・・・（２）
３＜｜ｒＢ  ／ｄＢ  ｜＜７                                ・・・（３）
ただし、ｒＦ  ：絞りに対して表示素子側の凹面の曲率半径
ｒＢ  ：絞りに対して１次像側の凹面の曲率半径
ｄＦ  ：表示素子側の凹面と絞りの間の光軸上距離
ｄＢ  ：１次像側の凹面と絞りの間の光軸上距離
である。
【００１７】
これらの条件式は、絞りを挟んで向かい合わせて配置する凹面の位置と形状に関するものであり、特に、絞りを挟んで向かい合わせたことによるコマ収差の収差補正を実現するものである。上記条件式（２）、（３）を同時に満足することで、コマ収差を効果的に補正できる。上記それぞれの条件式の値が１であれば、凹面の曲率中心と絞りが一致し、凹面から射出する従属光線が主光線に平行の場合にはコマ収差はこの凹面においては発生しない。しかし、どのような場合でも従属光線が主光線に平行であるわけではない。したがって、この凹面においては、向かい合った凹面同士のコマ収差補正のみならず、他の屈折面において発生するコマ収差、非点収差、球面収差の補正作用も担うこととなり、上記条件式（２）、（３）を満足する必要が生じるのである。
【００１８】
上記条件式（２）の上限の５を越えると、上記条件式（３）を満足していたとしても、このｒＦ  面における外コマ収差と、非点収差、正の球面収差の各発生量が小さくなり、他の面との補正のバランスを崩すことになりる。また、条件式（２）の下限の１を越えると、条件式（３）を満足していたとしても、このｒＦ  面における外コマ収差と、非点収差、正の球面収差が大きくなり、同様に他の面との補正バランスを崩すことになる。さらに、上記条件式（３）の上限の７を越えると、条件式（２）を満足していたとしても、このｒＢ  面における内コマ収差と、非点収差、負の球面収差の各発生量が小さくなり、他の面との補正バランスを崩すことになり、また、条件式（３）の下限の３を越えると、条件式（２）を満足していたとしても、このｒＢ  面における内コマ収差と、非点収差、負の球面収差が大きくなり、同様に他の面との補正バランスを崩すことになる。
【００１９】
なお、以上述べた構成の全てを頭部又は顔面装着式の視覚表示装置に組み込むと、装置の小型、軽量化が達成でき、使用者の頭部にその重量を負担させることがないので、更に好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下に、まず本発明の視覚表示装置のリレー光学系の実施例を示す。
なお、各実施例において、面番号は第１面を物体面、最終面を像面とし、図面中では、その順序で各面をＲ１、Ｒ２・・で示し、面間隔をｄ１、ｄ２・・で示す。
【００２１】
0003573474.tif 000002
この実施例のレンズ系の光路図を図１に示す。また、その球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図を図５に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸レンズ、物体面に凸面を向けた正メニスカスレンズ、絞り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズの４群５枚からなっており、その物像間距離は８０ｍｍ、倍率は１倍、物体高は９．１８ｍｍ（０．７インチ角）、像面の物体側開口数は０．０４である。この開口数は、接眼光学系に対しては、アイポイントで瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、物体面、像面のどちらに表示素子を配置してもよい。
【００２２】
図１２（ａ）、（ｂ）に、この実施例のリレー光学系２を液晶表示装置１と接眼光学系３に組み合わせてゴーグルタイプに構成した頭部装着式視覚表示装置１０を使用者の顔面に装着したときの斜視図と断面図を示す。なお、図中、符号４は後記する開口数拡大光学素子としての拡散板を示す。
【００２３】
0003573474.tif 000003
この実施例のレンズ系の光路図を図２に示す。また、その球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図を図６に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸レンズ、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズ、絞り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズ、両凸レンズの５群７枚からなっており、その物像間距離は、６５ｍｍ、倍率は０．６倍、物体高は１６．１１６ｍｍ（１．３インチ角）、物体側開口数は０．０３である。この開口数は、接眼光学系においては、アイポイントで瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、像面に表示素子を配置する。
【００２４】
0003573474.tif 000004
この実施例のレンズ系の光路図を図３に示す。また、その球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図を図７に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸レンズ、物体面に凸面を向けた正メニスカスレンズ、絞り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズ、両凸レンズの５群６枚からなっており、その物像間距離は６５ｍｍ、倍率は０．６倍、物体高は１６．１１６ｍｍ（１．３インチ角）、物体側開口数は０．０３である。この開口数は、接眼光学系においては、アイポイントで瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、像面に表示素子を配置する。
【００２５】
0003573474.tif 000005
この実施例のレンズ系の光路図を図４に示す。また、その球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図を図８に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸レンズ、物体面に凸面を向けた正メニスカスレンズ、絞り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズの４群５枚からなっており、その物像間距離は８０ｍｍ、倍率は０．６倍、物体高は１６．１１６ｍｍ（１．３インチ角）、像面の物体側開口数は０．０３である。この開口数は、接眼光学系に対しては、アイポイントで瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、像面に表示素子を配置する。
【００２６】
以上の各実施例においては、リレー光学系を両側テレセントリック光学系としている。リレー光学系を両側テレセントリック光学系にすると、以下の利点がある。
▲１▼表示素子にコントラストの視野角依存性を持つものを用いた場合、主光線が表示素子面に対して垂直になるため、視野角により画像のコントラストが変化するという問題が生じない。
▲２▼再結像位置に開口数拡大光学素子を挿入した場合に、この開口数拡大光学素子に主光線を垂直に入射させることができるので、射出する開口数が拡大された光線に角度による光量ムラが生じない。
▲３▼リレー光学系を使わないものとして設計した接眼光学系は、接眼光学系単独で設計する時に上記▲１▼と同様の理由から、表示素子からの射出光の主光線を表示素子面に垂直に設計しているので、こうして設計した接眼光学系を、このリレー光学系に組み合わせて使用することができる。
【００２７】
さらに、上記実施例１のリレーレンズ２と観察水平画角３０度の接眼レンズ３とを組み合わせて視覚表示装置の光学系として構成した例の光路図を図９に、また、上記実施例４のリレーレンズ２と観察水平画角４４度の接眼レンズ３とを組み合わせて視覚表示装置の光学系として構成した例の光路図を図１０に示す。ただし、何れもリレーレンズ２の像面を表示素子面１としている。これらは、リレー光学系２による再結像位置に開口数拡大光学素子として、図９では、瞳径２ｍｍφを８ｍｍφに拡大すべく、開口数を４倍に拡大する拡散板４を、図１０では、瞳径２ｍｍφを６ｍｍφに拡大すべく、開口数を３倍に拡大する拡散板４を配置した場合の光線追跡をそれぞれ示している。
【００２８】
以上の例のように、リレー光学系２の再結像位置に開口数拡大光学素子４を配置すると、以下の利点がある。すなわち、小さな開口数によりリレー光学系２で発生する収差を小さく抑えた上で、この光学素子４により接眼光学系３の開口数を大きくすることによって瞳径を拡大し、画像周辺を見るときの眼球回転や眼球配置誤差による画像のケラレや暗黒部の発生を抑えることができるのである。なお、こうした開口数拡大光学素子４には、拡散板や回折格子が考えられるが、この開口数拡大光学素子４による接眼光学系３の瞳径拡大の具体例を図１１に示す。この例は、回折格子を開口数拡大光学素子４に用いた例であり、図１１（ａ）に光路を示すように、±１次回折光によって入射光の開口数が実効的に拡大されて大きな開口数で射出し、結果的に、図１１（ｂ）に瞳の正面を示すように、接眼光学系２の瞳径を実効的に大きくすることができる。
【００２９】
なお、図９、図１０の例では、リレー光学系２を接眼光学系３の上部に配置したものであるが、これにとらわれることなく、リレー光学系２のレンズ間にミラーを配置し、頭部の形状に沿って光路を曲げることも可能である。以上のように、リレー光学系と接眼光学系を組み合わせて構成すると、接眼光学系で発生する収差をリレー光学系で相殺させ、両光学系を組み合わせた光学系として収差を補正することができる利点がある。特に、像面湾曲、歪曲収差は、コンパクトな接眼光学系単独では補正が難しいので、接眼光学系とリレー光学系でこれらの収差を逆方向に発生させ、両光学系を組み合わせた光学系として補正が可能となる。
【００３０】
以下に、上記各実施例のリレーレンズの前記条件式（１）〜（３）の数値を示す。
0003573474.tif 000006
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、リレー光学系をコンパクトに構成して小型、軽量の視覚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】本発明の視覚表示装置に用いるリレーレンズの実施例１の光路図である。
【図２】リレーレンズの実施例２の光路図である。
【図３】リレーレンズの実施例３の光路図である。
【図４】リレーレンズの実施例４の光路図である。
【図５】図１のレンズ系の球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図である。
【図６】図２のレンズ系の図５と同様な収差図である。
【図７】図３のレンズ系の図５と同様な収差図である。
【図８】図４のレンズ系の図５と同様な収差図である。
【図９】実施例１のリレーレンズを用いた本発明による視覚表示装置の光路図である。
【図１０】実施例４のリレーレンズを用いた本発明による視覚表示装置の光路図である。
【図１１】開口数拡大光学素子による接眼光学系の瞳径拡大の様子を示すための図である。
【図１２】実施例１のリレー光学系を組み込んだ頭部装着式視覚表示装置を使用者の顔面に装着したときの斜視図と断面図である。
【図１３】従来の頭部装着式視覚表示装置の光学系の１例の光路図である。
【符号の説明】
１…表示素子面
２…リレーレンズ
３…接眼レンズ
４…開口数拡大光学素子（拡散板）
１０…頭部装着式視覚表示装置
【図１】
0003573474.tif 000007
【図２】
0003573474.tif 000008
【図３】
0003573474.tif 000009
【図４】
0003573474.tif 000010
【図５】
0003573474.tif 000011
【図６】
0003573474.tif 000012
【図７】
0003573474.tif 000013
【図８】
0003573474.tif 000014
【図９】
0003573474.tif 000015
【図１０】
0003573474.tif 000016
【図１１】
0003573474.tif 000017
【図１２】
0003573474.tif 000018
【図１３】
0003573474.tif 000019