(57)【要約】  航空機用のＨＭＤにおいて、バイザ（１０）は、使用者（Ｈ）の左右の眼（ＥＬ、ＥＲ）にそれぞれ対応したトロイダル面形状部（１０Ｌ、１０Ｒを）有し、そのトロイダル面形状部（１０Ｌ、１０Ｒ）が両眼の間の略中央で繋がった形状である。トロイダル面形状部（１０Ｌ、１０Ｒ）は水平方向に比べて垂直方向に曲率が小さな非球面形状である。また、画像表示部（１１）及び投射光学系（１２）は左右のトロイダル面形状部（１０Ｌ、１０Ｒ）に対応して独立に設けられている。上記曲率の差によって反射作用面（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、非点収差を軽減して広い視野の画像を表示する。また、投射光学系（１２）の内部又は投射光学系（１２）から反射作用面（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でも中間像を形成し、それにより光学素子の配置の自由度を高めるとともに小形軽量化を図る。
2019082540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の頭部に装着される支持部と、使用者の眼前に配置されるように前記支持部により支持されるバイザと、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重畳して形成する頭部装着型表示装置であって、
前記バイザは、使用者の左右の眼に対応してそれぞれ独立に外方に膨出した非球面形状の反射作用面が使用者の左右両眼の間で繋がった形状であり、
前記バイザの左右の反射作用面に対応して前記表示部及び前記投射光学系をそれぞれ備えることを特徴とする頭部装着型表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の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、前記バイザの左右の反射作用面においてそれぞれ、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、
左右の反射作用面にそれぞれ対応する前記投射光学系の内部又は該投射光学系と当該反射作用面との間の光路上において中間像が形成され、
前記左右の反射作用面の形状はそれぞれ、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。
【請求項３】
請求項２に記載の頭部装着型表示装置であって、
前記左右の反射作用面の形状はそれぞれ、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。
【請求項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。
【請求項５】
請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
前記左右の反射作用面に対応する前記投射光学系はそれぞれ、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。
【請求項６】
請求項５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。
【請求項７】
請求項６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。
【請求項８】
請求項７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。
【請求項９】
請求項１に記載の頭部装着型表示装置であって、
前記左右の反射作用面に対応する前記投射光学系はそれぞれ、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。
【請求項１０】
請求項９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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項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、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、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。
【請求項１８】
請求項１７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
図７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膜層が形成されている。【０００５】
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７ではその表示光の光束の光軸を一点鎖線で示している。【０００６】
こうしたＨＭＤでは、図７（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。このような配置では、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が増大するため、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１５４４２０号公報
【特許文献２】特表平１０−５０４１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。【０００９】
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、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を主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明は、使用者の頭部に装着される支持部と、使用者の眼前に配置されるように前記支持部により支持されるバイザと、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重畳して形成する頭部装着型表示装置であって、
前記バイザは、使用者の左右の眼に対応してそれぞれ独立に外方に膨出した非球面形状の反射作用面が使用者の左右両眼の間で繋がった形状であり、
前記バイザの左右の反射作用面に対応して前記表示部及び前記投射光学系をそれぞれ備えることを特徴としている。【００１１】
本発明に係る頭部装着型表示装置において、支持部は例えばヘルメット又はヘッドギアである。【００１２】
特許文献１に記載のように、従来の一般的な頭部装着型表示装置におけるバイザは、水平前方を向いている使用者の左右の眼の間の中間位置に引かれた鉛直線上に中心を有する球形状である。一方、特許文献２には、左右の眼の眼前にそれぞれ対応して左右で独立した球形状の反射作用面を有するバイザと平面ビームスプリッタとを組み合せた同軸光学系を用いた頭部装着型表示装置が開示されている。このように反射作用面を左右の眼にそれぞれ対応したものとすることで、視野を広げるには有利である。しかしながら、この特許文献２の構成では、眼前にバイザとビームスプリッタという二つの素子が配置されるため、外界の光景の視認性が低下してしまう。また、ビームスプリッタで表示光を反射するとともにバイザからの反射光を透過させるために光の利用効率が悪く、表示光の輝度が低下してしまう。さらにまた、光の利用効率を向上させるために１／４波長板を追加してその偏光特性を利用するという方法があるが、眼前に配置される素子の数が増加し、外界視認性が一層低下してしまうという問題がある。【００１３】
これに対し、本発明に係る頭部装着型表示装置では、特許文献２に記載の装置のように、バイザの反射作用面を使用者の左右の眼の眼前に対応してそれぞれ独立とし、各反射作用面の形状を非球面形状として左右両眼の間で繋げて一体化している。一方で、従来装置において眼前に配置されていたビームスプリッタを無くし、眼前に配置される素子の数を減らしている。さらにまた、一つの表示部からの表示光を二つに分配して両眼の反射作用面に照射するのではなく、左右独立に設けた表示部から出射した表示光をそれぞれ別の投射光学系を通して両眼の反射作用面に照射している。即ち、表示部からバイザの反射作用面にまで至る表示光の光路は左右でそれぞれ独立である。【００１４】
本発明に係る頭部装着型表示装置では、好ましくは、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、前記バイザの左右の反射作用面においてそれぞれ、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、
左右の反射作用面にそれぞれ対応する前記投射光学系の内部又は該投射光学系と当該反射作用面との間の光路上において中間像が形成され、前記左右の反射作用面の形状はそれぞれ、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構成とするとよい。【００１５】
ここで、バイザにおける前記左右の反射作用面の形状はそれぞれ、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。【００１６】
即ち、本発明に係る頭部装着型表示装置において、バイザの左右の反射作用面の垂直方向の曲率と水平方向の曲率とを適宜に定めることで、各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を小さくすることができる。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。【００１７】
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、使用者が頭部に装着する支持部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。【００１８】
また本発明に係る頭部装着型表示装置において、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。【００１９】
また、この場合、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、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。【００２０】
バイザが取り付けられるヘルメット、ヘッドギアなどの支持部は一般に曲面形状である。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。【００２１】
そこで本発明に係る頭部装着型表示装置の一態様として、前記左右の反射作用面に対応する前記投射光学系はそれぞれ、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とよい。【００２２】
また、この構成において前記反射鏡の反射作用面を凹面とするとよい。
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。【００２３】
また本発明に係る頭部装着型表示装置の別の態様として、前記左右の反射作用面に対応する前記投射光学系はそれぞれ、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。【００２４】
投射光学系を上記のような構成とすることにより、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。【００２５】
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、レンズの枚数を少なくすることができ、本装置の重量、サイズ、コスト等を低減することができる。【００２６】
また本発明に係る頭部装着型表示装置の一態様として、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で表示することで、情報をより的確に使用者に伝えることができる。【００２７】
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。【００２８】
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。
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。【００２９】
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。【００３０】
また本発明に係る頭部装着型表示装置の別の態様として、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。【００３１】
また本発明に係る頭部装着型表示装置のさらに別の態様として、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。【００３２】
また本発明に係る頭部装着型表示装置のさらに別の態様として、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。
【発明の効果】
【００３３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例であるＨＭＤの概略外観図。
【図２】本実施例のＨＭＤにおける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。
【図３】本実施例のＨＭＤにおける詳細な光路構成図。
【図４】本実施例のＨＭＤにおける表示部の構成例を示す図。
【図５】本実施例のＨＭＤにおける表示部の他の構成例を示す図。
【図６】本実施例のＨＭＤにおける表示部の他の構成例を示す図。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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の概略外観図である。図２は本実施例のＨＭＤにおける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３はそれぞれ図２（ａ）におけるより詳細な光路構成図である。
【００３６】
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り、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ヘルメット２にバイザ１０が取り付けられている。バイザ１０は、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ヘルメット２に取り付けられている。本実施例のＨＭＤ１は、ヘルメット２、バイザ１０のほかに、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。
【００３７】
バイザ１０は後述するように、使用者の左右の眼ＥＲ、ＥＬにそれぞれ対応するトロイダル面形状部１０Ｒ、１０Ｌを有し、そのトロイダル面形状部１０Ｒ、１０Ｌは左右の眼ＥＲ、ＥＬの間の略中央で繋がって一体化されている。このトロイダル面形状部１０Ｒ、１０Ｌの使用者Ｈ側に向いた面が反射作用面１０ａとなっており、該反射作用面１０ａ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膜層が形成されている。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、反射作用面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。
【００３８】
図２（ｂ）に示すように、画像表示部１１及び投射光学系１２はバイザ１０の左右のトロイダル面形状部１０Ｒ、１０Ｌに対応して左右一対に設けられている。ここでは、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。
【００３９】
画像表示部１１Ｌで形成された表示画像を含む表示光は投射光学系１２Ｌから出射してバイザ１０のトロイダル面形状部１０Ｌの反射作用面１０ａ上に投影され、その反射光が使用者Ｈの左眼ＥＬに到達する。一方、画像表示部１１Ｒで形成された表示画像を含む表示光は投射光学系１２Ｒから出射してバイザ１０のトロイダル面形状部１０Ｒの反射作用面１０ａ上に投影され、その反射光が使用者Ｈの右眼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にそれぞれ到達する。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。
【００４０】
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２及び図３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のトロイダル面形状部１０Ｌ、１０Ｒの反射作用面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、Ｘ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸も左右それぞれ存在する。
【００４１】
本実施例のＨＭＤにおいて、バイザ１０のトロイダル面形状部１０Ｌ、１０Ｒはそれぞれ、下記(1)式で定義されるトロイダル面形状である。
【数１】
2019082540.tif 000003
トロイダル面形状であるから、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。
【００４２】
なお、ここではバイザ１０の反射作用面をトロイダル面形状としたが、Ｙ’軸方向の曲率半径がＸ’軸方向の曲率半径よりも大きい形状であればよく、例えば軸ずらし回転対称非球面、自由曲面等であってもよい。
【００４３】
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はヘルメット２に対してＸ軸と平行な軸に回転可能に取り付けられている。図２（ａ）及び図３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の眼前においてトロイダル面形状部１０Ｒ、１０Ｌ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’における反射作用面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。
なお、バイザ１０の左右の軸は互いに傾斜した（つまり左右のＺ’軸が非平行である）配置であってもよく、使用者Ｈが観察する表示画像の虚像は、片側の眼のみで視認できる部分があっても構わない。
【００４４】
図３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。
【００４５】
画像表示部１１から出射した表示光はレンズ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のトロイダル面形状部１０Ｒ又は１０Ｌの反射作用面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と反射作用面１０ａとの間の光路上で一旦中間像を形成する。図３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と反射作用面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。
【００４６】
なお、図３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。
【００４７】
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の反射作用面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ており、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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４〜図６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。
【００５０】
図４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光学素子１１Ａ３を通過して外部へと出射される。
【００５１】
図５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。この構成では自発光型表示素子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。
【００５２】
図６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。
【００５３】
なお、図３に示した上記実施例の構成において、透過型表示素子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。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
２…ヘルメット
１０…バイザ
１０Ｌ、１０Ｒ…トロイダル面形状部
１０ａ…反射作用面
１１Ａ１…照明部
１１Ａ２、１１Ａ３…反射型表示素子
１１Ｂ１…自発光型表示素子
１１Ｃ１…小型プロジェクタ
１１Ｃ２…小型スクリーン
１１１…バックライト照明部
１１２…透過型表示素子
１１（１１Ｌ、１１Ｒ）、１１Ａ、１１Ｂ、１１ Ｃ…画像表示部
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
Ｈ…使用者
ＥＬ…左眼
ＥＲ…右眼
【図１】
2019082540.tif 000004
【図２】
2019082540.tif 000005
【図３】
2019082540.tif 000006
【図４】
2019082540.tif 000007
【図５】
2019082540.tif 000008
【図６】
2019082540.tif 000009
【図７】
2019082540.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月23日(2020.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
請求項１に記載の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、前記バイザの左右の反射作用面においてそれぞれ、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、
左右の反射作用面にそれぞれ対応する前記投射光学系の内部又は該投射光学系と当該反射作用面との間の光路上において中間像が形成され、
前記左右の反射作用面の形状はそれぞれ、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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明に係る頭部装着型表示装置では、好ましくは、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、前記バイザの左右の反射作用面においてそれぞれ、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、
左右の反射作用面にそれぞれ対応する前記投射光学系の内部又は該投射光学系と当該反射作用面との間の光路上において中間像が形成され、前記左右の反射作用面の形状はそれぞれ、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構成とするとよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
２…ヘルメット
１０…バイザ
１０Ｌ、１０Ｒ…トロイダル面形状部
１０ａ…反射作用面
１１Ａ１…照明部
１１Ａ２…反射型表示素子
１１Ａ３…反射型光学素子
１１Ｂ１…自発光型表示素子
１１Ｃ１…小型プロジェクタ
１１Ｃ２…小型スクリーン
１１１…バックライト照明部
１１２…透過型表示素子
１１（１１Ｌ、１１Ｒ）、１１Ａ、１１Ｂ、１１ Ｃ…画像表示部
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
Ｈ…使用者
ＥＬ…左眼
ＥＲ…右眼
【国際調査報告】
2019082540.tif 000011
2019082540.tif 000012
2019082540.tif 000013
2019082540.tif 000014