(57)【要約】  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。
2018216176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【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、
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。
【請求項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。
【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。
【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。
【請求項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。
【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。
【請求項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。
【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。
【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。
【請求項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。
【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。
【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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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の表示装置に関する。
【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。【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。【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）。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−１５４４２０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。
【発明の効果】
【００３８】
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】
【００３９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】本実施例のＨＭＤにおける表示光の概略光路を示す斜視図。
【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】本実施例のＨＭＤにおける表示部の他の構成例を示す図。
【図８】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】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【数１】
2018216176.tif 000003
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【数２】
2018216176.tif 000004
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。
【数３】
2018216176.tif 000005
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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】
【００５９】
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
【図１】
2018216176.tif 000006
【図２】
2018216176.tif 000007
【図３】
2018216176.tif 000008
【図４】
2018216176.tif 000009
【図５】
2018216176.tif 000010
【図６】
2018216176.tif 000011
【図７】
2018216176.tif 000012
【図８】
2018216176.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月1日(2019.8.1)
【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１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項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】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、
前記投射光学系は両面に屈折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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項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、該左右一対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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
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膜層が形成されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
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１０１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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
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。
【手続補正７】
【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】
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。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
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折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。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
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、該左右一対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。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
バイザ１０の使用者Ｈ側の面には反射面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膜層である。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。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
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（１２２Ｌ、１２２Ｒ）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。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
１…ヘルメットマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
１０…バイザ
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（１２２Ｌ、１２２Ｒ）…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
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2018216176.tif 000014
【国際調査報告】
2018216176.tif 000015
2018216176.tif 000016
2018216176.tif 000017
2018216176.tif 000018