(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された映像を観察者眼球に導く反射作用を持つ面を少なくとも１面有する接眼光学系と、観察者眼球の反射光を撮像素子に結像する視線検出光学系とからなる映像表示装置において、
前記視線検出光学系は、少なくとも前記接眼光学系と観察者眼球から出る視線検出光に対して反射作用を持つ前記接眼光学系に接着されたシースルー用光学部材である視線検出用光学部材とから構成され、
前記視線検出光は、前記接眼光学系の反射作用を持つ面を透過後、前記接眼光学系の一部と前記シースルー用光学部材の一部を介して、前記シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射した後に、
前記シースルー用光学部材により中間像を形成せずに観察者眼球の像を前記撮像素子上に結像することを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記視線検出光の光路が、観察者眼球から前記接眼光学系の一部を透過し、前記シースルー用光学部材の一部を透過し、前記シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射し、前記接眼光学系と前記シースルー用光学部材との接合面で反射し、前記結像光学系から前記撮像素子に達することを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記視線検出光の光路が、観察者眼球から前記接眼光学系の一部を透過し、前記シースルー用光学部材の一部を透過し、前記シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射し、前記接眼光学系と前記シースルー用光学部材との接合面で反射し、前記シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射し、前記結像光学系から前記撮像素子に達することを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記視線検出光学系が、前記シースルー用光学部材とそれに接合しているプリズムで構成されていることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置に関し、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映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、頭部又は顔面装着式映像表示装置（以下、ＨＭＤと言う。）の接眼光学系として、３つの光学面からなり、その中の第１面は画像表示素子からの表示光を入射させる屈折面、もう１つの第２面は残りの第３面で反射した光を反射させて第３面へ入射させる反射面、第３面が第１面を透過して入射した光を第２面側へ反射させる反射面と第２面で反射した光を屈折して観察者の眼へ導く屈折面とを兼ねた面であり、その３面により断面が三角形の変形プリズムを構成しているものを用いることが、特開平３−１０１７０９号、特開平８−５０２５６号、特開平８−１７９２２３号、特開平８−２３４１３６号等において提案されている。これらのものは何れも観察者の視線を検出する視線検出機能を備えている。
【０００３】
図２０は特開平３−１０１７０９号による光学系の断面図であり、画像表示素子１１から出た表示光はダイクロイックミラー１２で反射され、リレーレンズ系１３を通り、ビームスプリッター１４で反射されて中間像が形成され、その後、第１面１６、第２面１７、第３面１８の３面からなる変形プリズムの接眼光学系１５に入射し、観察者眼球Ｅに画像表示素子１１の拡大像を投影するものである。観察者眼球Ｅの視線を検出するために、赤外光源１９が配置され、その照明光は、ダイクロイックミラー１２を透過し、リレーレンズ系１３を通り、ビームスプリッター１４で反射されて中間像が形成され、その後、接眼光学系１５の第１面１６から入射し、第３面１８で全反射され、その後第２面１７を透過し、第４面２０で反射され、今度は第３面１８を通って接眼光学系１５から出て観察者眼球Ｅを照明し、その反射光は上記と逆の順で接眼光学系１５を通り、接眼光学系１５から出た光は、ビームスプリッター１４を透過し、センサー２１で検出され、そのセンサー２１の反射光の検出位置により視線が検出される。
【０００４】
図２１は特開平８−５０２５６号による光学系の断面図であり、画像表示素子１１から出た表示光は、ダイクロイックミラー面２４を有する光学部材２３を透過して、第１面１６、第２面１７、第３面１８の３面からなる変形プリズムの接眼光学系１５の第１面１６から接眼光学系１５内に入射し、第３面１８で全反射され、その後第２面１７で反射され、今度は第３面１８を通って接眼光学系１５から出て観察者眼球Ｅに画像表示素子１１の拡大像を投影するものである。観察者眼球Ｅの視線を検出するために、観察者眼球Ｅを直接照明する赤外光源１９が配置され、眼球Ｅで反射された光は、接眼光学系１５の第３面１８から接眼光学系１５内に入射し、第２面１７で反射され、今度は第３面１８に入射して全反射され、第１面１６を通って接眼光学系１５から出て、光学部材２３のダイクロイックミラー面２４で反射され、光学部材２３の接眼光学系１５側の面で内部全反射され、結像レンズ２５により撮像素子２６上に結像し、その撮像素子２６上の像から視線が検出される。なお、第２面１７は半透過面とし、変形プリズム１５の前方に補正プリズム２２を配置して、外界を直接観察するシースルーができるようになっている。
【０００５】
図２２は特開平８−１７９２２３号による光学系の断面図（ａ）と正面図（ｂ）であり、画像表示素子１１から出た表示光は、第１面１６、第２面１７、第３面１８の３面からなる変形プリズムの接眼光学系１５の第１面１６から接眼光学系１５内に入射し、第３面１８で全反射され、その後第２面１７で反射され、今度は第３面１８を通って接眼光学系１５から出て、斜めに傾いたダイクロイックミラー２７を透過して観察者眼球Ｅに画像表示素子１１の拡大像を投影するものである。第３面１８の法線の中心軸（観察方向）Ｏ−Ｏに対する傾き角θは、２０°≦θ≦４０°に設定されている。観察者眼球Ｅの視線を検出するために、観察者眼球Ｅを直接照明する赤外光源１９（１９ａ、１９ｂ）が配置され、眼球Ｅで反射された光は、ダイクロイックミラー２７で反射され、結像レンズ２５により受光素子２６上に結像し、その受光素子２６上の像から視線が検出される。
【０００６】
図２３は特開平８−２３４１３６号による光学系の断面図（ａ）と正面図（ｂ）であり、画像表示素子１１から出た表示光は、第１面１６、第２面１７、第３面１８の３面からなる変形プリズムの接眼光学系１５の第１面１６から接眼光学系１５内に入射し、第３面１８で全反射され、その後第２面１７で反射され、今度は第３面１８を通って接眼光学系１５から出て観察者眼球Ｅに画像表示素子１１の拡大像を投影するものである。観察者眼球Ｅの視線を検出するために、観察者眼球Ｅを直接照明する赤外光源１９が配置され、眼球Ｅで反射された光は、変形プリズムの接眼光学系１５の第３面１８を透過し、第２面１７に設けられた反射膜Ｍの開口Ａを透過し、非点収差を補正するくさびプリズム２８を透過して、結像レンズ２５により受光素子２６上に結像し、その受光素子２６上の像から視線が検出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平３−１０１７０９号のものは、視線検出用光学系と接眼光学系は大部分を共有しているが、接眼光学系全体としてリレー式の光学系であり、光学系が大型化している。また、赤外線で照明された眼の像をセンサー上に結像する場合、光学的パワーを有するのは第４面２０のみであるので、センサー２１の接眼光学系１５からの突出量も大きくなってしまう問題がある。
【０００８】
また、特開平８−５０２５６号の実施例１（図２１）の場合、画像表示素子と接眼光学系の間隔（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）は、収差補正上は狭い方が好ましい。また、接眼光学系の画像表示素子側入射面（第１面）に対して画像表示素子が傾斜しているのが収差補正上好ましい。しかしながら、視線検出のための光学部材２３を配置するために、その間隔を大きくする必要が生じ、接眼光学系の収差補正上好ましくない。特に、画像表示素子と接眼光学系の間に光学部材２３を挿入すると球面収差が発生するので、これを接眼光学系で補正する必要がある。その結果、視線検出機能のないＨＭＤ用の接眼光学系の構成と、視線検出機能付きのＨＭＤ用の接眼光学系の構成とが異なるものとなり、２種類の接眼光学系を用意する必要が生じ、コストアップに繋がり好ましくない。なお、実施例５においては、ダイクロイックミラー面を有する光学部材の代わりに、ダイクロイックミラー単体を用いており、接眼光学系の画像表示素子側の間隔拡大、球面収差発生という実施例１の２つの問題点の中、球面収差発生の問題点は関係ない。なお、ダイクロイックミラーを挿入するために、接眼光学系の画像表示素子側の間隔を広げる設計をする必要があるが、広い間隔中にダイクロイックミラーを出し入れすることで、接眼光学系を共有することができる。
【０００９】
特開平８−５０２５６号の実施例２のものでは、変形プリズムの接眼光学系の第３面と観察者眼球との間にダイクロイックミラーを配置してその反射光により視線を検出しているが、ある程度の視線検出範囲を確保しようとすると、そのダイクロイックミラーの有効径が大きくなり、その結果、視線検出光学系の顔面側への突出量が増加し、アイリリーフの大きな接眼光学系に変更する必要が生じるという問題がある。
【００１０】
特開平８−５０２５６号の実施例３のものでは、接眼光学系の変形プリズム１５と補正プリズム２２の接合体を平面で２分割し、その間にダイクロイックミラー面を設けてその反射光により視線を検出しているが、接眼光学系を分割すると２分割したプリズムを接着する工程が必要となり、コストアップとなる。また、シースルー機能がない場合には分割しない接眼光学系を使用し、シースルー機能がある場合には分割・接着した接眼光学系を使用することになり、２種類の接眼光学系を用意する必要があり、コストアップに繋がり好ましくない。
【００１１】
特開平８−５０２５６号の実施例４のものでは、変形プリズムの接眼光学系の第２面の外側にダイクロイックミラーを配置してその反射光により視線を検出しているが、接眼光学系全体の前方への突出量が大きく増加してしまう。
【００１２】
なお、特開平８−５０２５６号の実施例１〜４においては、シースルーを可能にするための補正プリズムに加えて、視線検出を可能にするために光学部材とレンズを付加する必要があり、付加する光学部材の点数が多い問題もある。
【００１３】
また、特開平８−１７９２２３号においては、変形プリズム１５の第３面１８の傾き角θを２０°≦θ≦４０°に設定している。しかし、この条件は好ましくない。その理由を説明する。
【００１４】
接眼光学系１５の眼球直前の面１８の傾斜角θは、視軸Ｏ−Ｏを水平方向に設定した場合、接眼光学系１５の収差補正上、及び、接眼光学系１５の下部の肉厚を確保しつつ第３面１８の全反射条件を満足するためには、５〜２５°程度傾斜するのが好ましい。特に１５°程度傾斜するのが最も好ましい。
【００１５】
すなわち、全反射条件を満足するためには、第３面１８は正方向に傾斜し、第２面１７はマイナス方向に傾斜するのが好ましい。一方、接眼光学系１５の下部の肉厚を確保するためには、第３面１８が正方向に傾斜し、第２面１７がマイナス方向に傾斜するのは好ましくない。接眼光学系１５の下部の肉厚を確保しつつ第３面１８の全反射条件を満足するためには、第３面１８は垂直方向から５〜２５°程度（最も好ましくは、１５°程度）傾斜し、第２面１７は−２〜−２５°程度（最も好ましくは、−１２°程度）傾斜するのが好ましい。
【００１６】
このようにすると、結果として、接眼光学系１５の顔面方向への突出量が少なく好ましい。
ところで、視軸Ｏ−Ｏは下向きにする方が映像を観察しやすいので好ましく、水平方向から０〜−２０°程度下向きにするのが好ましい。特に−１０°程度が最も好ましい。
【００１７】
したがって、ＨＭＤ装着時には、眼球Ｅの直前の面１８は垂直方向に対して２５〜−１５°程度傾斜しているのが好ましい。特に１０°程度傾斜しているのが最も好ましい。
【００１８】
さらに、顔面側への突出量を減少させることを考えると、ＨＭＤ装着時の眼球Ｅの直前の面１８の傾斜角を２０〜−１５°程度に限定するのが好ましい。この場合、１０°程度傾斜しているのが最も好ましい。
【００１９】
したがって、眼球Ｅの直前の面１８が、２０°≦視軸に対する角度θ≦４０°という条件は好ましくない。
さらに、特開平８−１７９２２３号においては、ダイクロイックミラー２７で反射後は単レンズ２５で受光素子２６に結像することしか開示されておらず、これでは顔面側への突出量が大きくなってしまう。その結果、アイリリーフをより大きくする必要が生じ、接眼光学系１５を設計する際の制約条件となると共に、接眼光学系１５の前方への突出量をより大きくしてしまう問題がある。
【００２０】
また、特開平８−２３４１３６号のものにおいては、視線検出光学系が妨げとなり、シースルー用の光学部材を追加してもシースルー機能を持たせることができない。
【００２１】
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あり、その目的は、接眼光学系に負担をかけることなしに視線検出光学系を一体に構成した頭部装着式映像表示装置に特に適した映像表示装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の映像表示装置は、映像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された映像を観察者眼球に導く反射作用を持つ面を少なくとも１面有する接眼光学系と、観察者眼球の反射光を撮像素子に結像する視線検出光学系とからなる映像表示装置において、
前記視線検出光学系は、少なくとも前記接眼光学系と観察者眼球から出る視線検出光に対して反射作用を持つ前記接眼光学系に接着されたシースルー用光学部材である視線検出用光学部材とから構成され、
前記視線検出光は、前記接眼光学系の反射作用を持つ面を透過後、前記接眼光学系の一部と前記シースルー用光学部材の一部を介して、前記シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射した後に、
前記シースルー用光学部材により中間像を形成せずに観察者眼球の像を前記撮像素子上に結像することを特徴とするものである。
【００２３】
この映像表示装置は後記の実施例５、６、８〜１３が対応する。なお、実施例１〜４、７は本発明の参考例である。このように構成すると、映像表示光を結像する接眼光学系を変更する必要がなく、それに視線検出機能を付加することができる。
【００２４】
図１は、本発明に基づく映像表示装置の光学系を模式的に示したものである。
まず、本発明において用いる座標系について説明する。観察者の眼球Ｅの瞳孔１０中心を原点とし、観察者眼球Ｅが画像表示素子１中心を観察しているときの軸上主光線の方向である視軸方向であって、瞳孔１０から接眼光学系（変形プリズム）２に向かう方向を正とするＺ軸、この視軸に直交し、観察者眼球Ｅから見て上下方向の下から上を正とするＹ軸、視軸に直交し、観察者眼球Ｅから見て左右方向の右から左を正とするＸ軸を定義する。Ｙ軸を水平方向、Ｘ軸を垂直方向に配置してももちろんよい。
【００２５】
本発明に基づく映像表示装置は、代表的には、３つの光学面３、４、５からなり、その中の第１面３は画像表示素子１からの表示光を入射させる屈折面、もう１つの第２面４は残りの第３面５で全反射した光を反射させて第３面５へ入射させる反射面、第３面５が第１面３を透過して入射した光を第２面４側へ全反射させる反射面と第２面４で反射した光を屈折して観察者の眼Ｅへ導く屈折面とを兼ねた面であり、その３面３〜５により断面が三角形の変形プリズムを構成しており、全体として正パワーを有する接眼光学系２を含み、この接眼光学系２により画像表示素子１の表示映像を中間像を形成することなく観察者眼球Ｅに虚像として拡大投影するものである。
【００２６】
面の配置としては、上記以外に２面あるいは４面以上からなるものも含まれるが、基本的に１面以上の反射面（図１の場合は、第２面４）を含むものである。そして、視線検出のために、この反射面４を少なくとも視線検出のための光（通常、赤外光を用いる。）を透過する半透過鏡あるいはダイクロイックミラー面とする。そして、図示は省いてあるが、観察者眼球Ｅを照明する照明光源を配置する。
【００２７】
また、本発明に基づき、変形プリズム２の反射面４に視線検出用光学部材６を接着してある。この視線検出用光学部材６は視線検出のための光を反射する作用を有し、図１の場合は、少なくとも視線検出のための赤外光を反射する反射面７が視線検出用光学部材であるプリズム６の一端に設けられている。
【００２８】
この視線検出用光学部材６の反射作用により反射された光は、結像光学系８により撮像素子９上に結像され、その撮像素子９上の像から視線が検出される。
このような構成であるので、視線検出用光学部材６の反射による偏向作用により、視線検出光学系の突出量を少なくすることができる。さらに、シースルー用補正プリズム３０を接眼光学系２の反射面４側に追加してシースルー機能を持たせる場合に、視線検出用光学部材６の反射による偏向作用により結像光学系８や撮像素子９が接眼光学系２の下方に配置できるので、これらの結像光学系８や撮像素子９が外界観察を妨げないようにできる。また、視線検出用光学部材６を接眼光学系２に接着するので組立が容易である。
【００２９】
また、上記の場合、視線検出用光学部材が反射作用と光学パワーを持つことが望ましい。
この映像表示装置は後記の実施例１〜１３が対応する。
【００３０】
このように構成すると、図１に示したように、視線検出用光学部材６の下面（射出面）に結像光学系８の機能の全てやその機能の一部を持たせれば、新たな光学素子を追加する必要がなくなったり追加する光学素子を少なくでき組立が容易となる。その結果、光学系全体を単純化できるので、顔面に装着するＨＭＤの光学系として好ましく、コストも削減できる。
【００３１】
また、視線検出用光学部材による反射作用により、画像表示素子方向とは略反対方向に視線検出光を偏向するようにすることが望ましい。
この映像表示装置は後記の実施例１〜１３が対応する。
【００３２】
このように構成すると、図１に示したように、接眼光学系２が、偏心（ｔｉｌｔ）した面４で画像表示素子１に対する反射作用を持つ場合、接眼光学系２は逆向きの三角形状となる。視線検出光を視線検出光学部材６の反射面による偏向作用により図１の下方向に偏向するようにすれば、視線検出光学部材６は概ね上向きの三角形状になるので、視線検出光学部材６の前方への突出量を少なくすることができる。
【００３３】
また、視線検出用光学部材の反射作用を持つ面は、可視光を透過し赤外光を反射するダイクロイック膜によりなることが望ましい。
この映像表示装置は後記の実施例１〜１３が対応する。
【００３４】
このように構成すると、画像表示素子に表示された映像や外界光の光量低下を招かずに、赤外光による視線検出を行うことができる。
また、視線検出用光学部材がシースルー用光学部材であり、視線検出光学系が、映像観察用の接眼光学系の一部とシースルー用光学部材の一部を介して、シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射した後に、撮像素子上に結像することができる。
【００３５】
この映像表示装置は後記の実施例５、６、８〜１３が対応する。
図２に示すように、変形プリズム２からなる接眼光学系を使用した場合、観察者が外界を観察しようとすると、接眼光学系２のプリズム作用により外界光は偏向されてしまう。そこで、シースルー用光学部材（シースルー用補正プリズム）３０により外界光の偏向を補正する必要がある。
【００３６】
そして、例えば、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１の可視光の透過率を１００％、映像観察用の接眼光学系２のシースルー用光学部材３０との接合面４の可視光の透過率を５０％とすると、画像表示素子１の映像も外界の観察も可能となる。
【００３７】
そして、前記の発明が解決しようとする課題の項中で述べたように、接眼光学系２の観察者眼球側の面５は、垂直方向に対して２５〜−１５°程度傾斜しているのが好ましい（１０°程度傾斜しているのが最適）。したがって、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１も、接眼光学系２の観察者眼球側の面５と同程度傾斜することになる。
【００３８】
このシースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１で反射することで、視線検出光を偏向し、映像観察画角やシースルー画角の外に視線検出光学系を配置することができる。
【００３９】
このように、画像表示素子１の映像を観察する光学系に影響を及ぼすことなく、視線検出光学系を構成することができ、視線検出光学系を付加することによる接眼光学系２の仕様低下、収差悪化等がない。また、シースルー機能を損なうことなく、視線検出光学系を構成することができる。
【００４０】
図１の場合は、視線検出用光学部材６で視線検出機能を付加し、シースルー用補正プリズム３０によりシースルー機能を付加している。接眼光学系２に視線検出機能とシースルー機能の両方を付加する場合、視線検出用光学部材６とシースルー用補正プリズム３０を一体化できれば、光学素子の部品点数を削減できるので、コストが削減でき、組立も容易になる。
【００４１】
上記の視線検出用光学部材がシースルー用光学部材である場合に、視線検出光の光路が、観察者眼球から接眼光学系の一部を透過し、シースルー用光学部材の一部を透過し、シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射し、接眼光学系とシースルー用光学部材との接合面で反射し、結像光学系から撮像素子に達するものとすることができる。
【００４２】
この映像表示装置は後記の実施例５、６、８〜１２が対応する。
このように視線検出光の光路が２回の反射をすることで、視線検出光学系を顔面側とは反対側に配置できる。そのため、視線検出光学系が顔面側へ突出することで接眼光学系のアイリリーフを必要以上に確保する必要が生じる等の接眼光学系への負担が増加することなく、視線検出光学系を構成することができる。また、２回の反射をすることで、光路を折り畳む効果が得られ、視線検出光学系の突出量が減る。
【００４３】
また、視線検出光の光路が、観察者眼球から接眼光学系の一部を透過し、シースルー用光学部材の一部を透過し、シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射し、接眼光学系とシースルー用光学部材との接合面で反射し、シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面で反射し、結像光学系から撮像素子に達するものとすることができる。
【００４４】
この映像表示装置は後記の実施例８、１０〜１２が対応する。
このように視線検出光の光路が３回の反射をすることで、光路を折り畳む効果がより大きくなり、視線検出光学系の突出量が減る。
【００４５】
また、視線検出光学系が、シースルー用光学部材とそれに接合しているプリズムで構成されているものとすることができる。
この映像表示装置は後記の実施例９、１１が対応する。
【００４６】
視線検出光学系の各面を反射面とレンズからなるように独立した光学素子で構成すると、各光学素子を配置する際に角度や距離の設定を厳密に行う必要がある。しかし、視線検出光学系を１個のプリズムとして一体的に形成し、接眼光学系とシースルー用光学部材とからなる光学部材に接合すれば、組立が容易となり、生産性が向上する。
【００４７】
また、本発明の映像表示装置において、視線検出光学系を構成する面の中、少なくとも１面が直交するＸ方向とＹ方向で異なる光学作用を有することが望ましい。
【００４８】
この映像表示装置は後記の実施例１〜１３が対応する。
図１において、接眼光学系２の顔面の直前の面５と反射面４は偏心した光学パワーを持つ面である。また、図２において、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１も偏心した光学パワーを持つ面である。視線検出光学系の少なくとも１面が直交するＸ方向とＹ方向で異なる光学作用を持つことで、視線検出光が傾斜した光学パワーを持つ面に対して斜めに入射することで発生する偏心収差を補正することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の映像表示装置の実施例５、６、８〜１３について図７〜図９、図１１〜図１６を参照して説明する。なお、実施例１〜４、７は本発明の参考例である。
【００５０】
ここでは、簡単のために、接眼光学系２や視線検出光学系の光軸は紙面（図３には座標を書き込んであるが、図４〜図１６においては省いてある。）のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとしているが、Ｘ−Ｚ面内で折り曲げてもよい。すなわち、画像表示素子１や視線検出光学系を観察者の上下方向に配置してもよいし、左右方向に配置してもよい。
【００５１】
また、前記の発明が解決しようとする課題の項中で述べたように、視軸は水平方向から下向きに設定するのが好ましいが、以下の各実施例では視軸を水平方向に向くものとして設計してある。
〔実施例１〕
図３は、本発明に基づく映像表示装置の実施例１の光学系のＹ−Ｚ断面であり、接眼光学系を構成する断面が三角形の変形プリズム２は、３つの光学面３、４、５からなり、その間が屈折率１より大きい媒質によって埋められてなり、接眼光学系２の第１面３に面して画像表示素子１が配置され、第３面に面して観察者の眼球の瞳孔１０が位置している。画像表示素子１の表示映像を観察するときの光路は、画像表示素子１からの表示光は第１面３で屈折して接眼光学系２内部に入り、第３面で全反射して第２面４に入射し、通常は最も大きな正パワーを有する半透過反射面（シースルー機能を持たない場合は、可視光を反射し、赤外光を透過するダイクロイックミラー面でよい。）の第２面４で反射し、今度は第３面５を透過して接眼光学系２から出て中間像を結像することなく、観察者眼球の瞳孔１０に入射して拡大像を網膜上に投影するものである。ここまでの配置は、実施例２〜１３も同じであるので、以下の説明においては省く。
【００５２】
観察者眼球の視線を検出するには、赤外光を観察者眼球に照射する不図示の赤外光源が観察者眼球の斜め前方等に配置されており（図２１〜図２３参照）、この照明によって得られる観察者眼球の角膜反射像あるいは瞳孔１０の像を撮像素子９によって撮像することにより、視線検出が行われる。以下の実施例１〜１３においては、瞳孔１０の像を撮像素子９上に結像して視線検出を行うものとするが、角膜反射像あるいはその他の眼球に関する像を撮像素子９によって撮像して視線検出を行うようにすることは容易にできる。
【００５３】
実施例１においては、図３に示すように、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、視線検出のための赤外光を反射する反射面７を設けた視線検出用光学部材６が接着されており、接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路を、その反射面７により左下方向に偏向させるようにしている。また、視線検出用光学部材６の反射光の出射面３２は結像作用を持つ屈折面となっているので、視線検出光はその結像面に配置された撮像素子９上に結像する。このような構成であるので、視線検出用光学部材６の突出量は少なくなっている。
【００５４】
ここでは、反射面７を平面としているが、曲率を持たせるとなおよい。さらに、シースルー機能を付加したい場合には、破線で示すシースルー用プリズム３０を付加すればよい。この場合も、視線検出用光学部材６や撮像素子９がシースルーを妨げることはない。この場合、視線検出用光学部材６の反射面７は、視線検出光（赤外光）に対して反射作用を持ち、可視光に対しては透過作用を持つ面とする。
〔実施例２〕
図４は、本発明に基づく映像表示装置の実施例２の光学系のＹ−Ｚ断面であり、実施例１の構成に正レンズ３３を追加し、視線検出用光学部材６の出射面３２と正レンズ３３により、視線検出光を撮像素子９上に結像している。
〔実施例３〕
図５は、本発明に基づく映像表示装置の実施例３の光学系のＹ−Ｚ断面であり、実施例２の正レンズ３３の代わりに正パワーを持った反射プリズム３４を使用して、視線検出光学系の下方への突出量を減らしている。
〔実施例４〕
図６は、本発明に基づく映像表示装置の実施例４の光学系のＹ−Ｚ断面であり、この実施例においては、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、視線検出のための赤外光を反射する反射面７を設けた視線検出用光学部材６が接着されており、接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路を、その反射面７により左下方向に反射させ、その反射光を視線検出用光学部材６内の第２面４との接着面で再度反射させ視線検出光の光路を右下方向に偏向している例であり、視線検出用光学部材６の反射光の出射面３２は結像作用を持つ屈折面となっており、視線検出光はその結像面に配置された撮像素子９上に結像する。このような構成であるので、視線検出用光学部材６の突出量は少なくなっている。
【００５５】
さらに、シースルー機能を付加したい場合には、破線で示すシースルー用プリズム３０を付加すればよい。この場合も、視線検出用光学部材６や撮像素子９がシースルーを妨げることはない。この場合、視線検出用光学部材６の反射面７は、視線検出光（赤外光）に対して反射作用を持ち、可視光に対しては透過作用を持つ面とする。
〔実施例５〕
図７は、本発明に基づく映像表示装置の実施例５の光学系のＹ−Ｚ断面であり、この実施例においては、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、外界光の偏向を補正するシースルー用光学部材３０が接着されており、このシースルー用光学部材３０が視線検出用光学部材を兼ねている。接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路は、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により左下方向に反射され、その反射光をシースルー用光学部材３０内の第２面４との接着面で再度反射させ、シースルー用光学部材３０の右下方向に設けた結像作用を持つ屈折面の出射面３５から出射させ、撮像素子９上に結像するようになっている。このような構成であるので、シースルー用光学部材３０の突出量は少なくなっている。
【００５６】
ここで、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１は赤外光を反射するダイクロイックミラー面となっている。この場合、シースルー用光学部材３０の下部に視線検出光結像用の面３５を加工するだけですむので、光学素子を追加する必要がなく、簡便で小型な視線検出光学系を構成することができる。そして、視線検出光結像用の面３５がシースルー用光学部材３０の下部にあるので、シースルーを妨げることはない。
【００５７】
図７の変形例として、図８に示すように、シースルー用光学部材３０の出射面３５と撮像素子９の間にミラー３６を配置して光路を折り曲げるようにしてもよい。
〔実施例６〕
図９は、本発明に基づく映像表示装置の実施例６の光学系のＹ−Ｚ断面であり、実施例５の構成に正レンズ（偏心正レンズ）３３を追加し、シースルー用光学部材３０の出射面３５と正レンズ３３により、視線検出光を撮像素子９上に結像している。
〔実施例７〕
図１０は、本発明に基づく映像表示装置の実施例７の光学系のＹ−Ｚ断面であり、この実施例においては、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、視線検出のための赤外光を反射する反射面７、７' を設けた視線検出用光学部材６が接着されており、接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路を、視線検出用光学部材６の第１の反射面７により左方向に反射させ、その反射光を視線検出用光学部材６内の第２面４との接着面で再度右下方向へ反射させ、その後視線検出用光学部材６の第２の反射面７' により今度は左下方向に反射させて、視線検出光の光路を左下方向に偏向している例であり、視線検出用光学部材６の反射光の出射面３２は結像作用を持つ屈折面となっており、視線検出光はその結像面に配置された撮像素子９上に結像する。この例では、視線検出用光学部材６による３回の反射により光路を折り畳む効果がより大きくなっていると共に、視線検出光の光路を左下方向に偏向しているので、視線検出用光学部材６や撮像素子９の突出量は少なくなっている。
【００５８】
さらに、シースルー機能を付加したい場合には、破線で示すシースルー用プリズム３０を付加すればよい。この場合も、視線検出用光学部材６や撮像素子９がシースルーを妨げることはない。この場合、視線検出用光学部材６の反射面７、７' は、視線検出光（赤外光）に対して反射作用を持ち、可視光に対しては透過作用を持つ面とする。
〔実施例８〕
図１１は、本発明に基づく映像表示装置の実施例８の光学系のＹ−Ｚ断面であり、
この実施例においては、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、外界光の偏向を補正するシースルー用光学部材３０が接着されており、このシースルー用光学部材３０が視線検出用光学部材を兼ねている。接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路は、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により左下方向に反射され、その反射光をシースルー用光学部材３０内の第２面４との接着面で再度反射され、その後シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により今度は下方向に反射されて、シースルー用光学部材３０の下部に設けた結像作用を持つ屈折面の出射面３５から出射され、シースルー用光学部材３０の出射面３５とその出射面３５と撮像素子９の間に配置された正レンズ３３とにより、視線検出光を撮像素子９上に結像している。
【００５９】
この場合も、シースルー用光学部材３０の出射面３５がシースルー用光学部材３０の下部にあるので、シースルーを妨げることはない。
なお、この例では、絞り位置がシースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１での２回目の反射位置と略一致しており、眼球と絞り間距離が確保できているので、視線検出光学系の像側テレセントリック性が良好であり、撮像素子９としてＣＣＤ等を使用する際に好適である。
〔実施例９〕
図１２は、本発明に基づく映像表示装置の実施例９の光学系のＹ−Ｚ断面であり、この実施例においては、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、外界光の偏向を補正するシースルー用光学部材３０が接着されており、このシースルー用光学部材３０が視線検出用光学部材を兼ねている。接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路は、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により左下方向に反射され、その反射光をシースルー用光学部材３０内の第２面４との接着面で再度反射され、シースルー用光学部材３０の右下方向に接合した正パワーを持った反射プリズム３４の出射面から出射され、撮像素子９上に結像するようになっている。反射プリズム３４がシースルー用光学部材３０の下部にあるので、シースルーを妨げることはない。また、反射プリズム３４は反射面と透過面で構成されており、反射面を使用することで視線検出光の光路を折り曲げ、視線検出光学系の突出量を少なくしている。
〔実施例１０〕
図１３は、本発明に基づく映像表示装置の実施例１０の光学系のＹ−Ｚ断面であり、実施例８の正レンズ３３の代わりに正パワーを持った反射プリズム３４を使用して、視線検出光学系の下方への突出量を減らしている。反射プリズム３４がシースルー用光学部材３０の下部にあるので、シースルーを妨げることはない。また、反射プリズム３４は反射面と透過面で構成されており、反射面を使用することで視線検出光の光路を折り曲げ、視線検出光学系の突出量を少なくしている。
〔実施例１１〕
図１４は、本発明に基づく映像表示装置の実施例１１の光学系のＹ−Ｚ断面であり、この実施例においては、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、外界光の偏向を補正するシースルー用光学部材３０が接着されており、このシースルー用光学部材３０が視線検出用光学部材を兼ねている。接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路は、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により左下方向に反射され、その反射光をシースルー用光学部材３０内の第２面４との接着面で再度反射され、その後シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により今度は下方向に反射されて、シースルー用光学部材３０の右下方向に接合した正パワーを持った反射プリズム３４の出射面から左上方向へ出射され、その出射光はシースルー用光学部材３０の下側の面に設けれた反射面３７で反射され、撮像素子９上に結像するようになっている。反射プリズム３４がシースルー用光学部材３０の下部にあるので、シースルーを妨げることはない。また、反射プリズム３４は反射面と透過面で構成されており、反射面を使用することで視線検出光の光路を折り曲げ、また、シースルー用光学部材３０の下側の面に設けれた反射面３７を介しているので、視線検出光学系の突出量を少なくしている。
〔実施例１２〕
図１５は、本発明に基づく映像表示装置の実施例１２の光学系のＹ−Ｚ断面であり、実施例１１の反射プリズム３４を接合せずにシースルー用光学部材３０から離して独立させた例である。なお、この例においては、シースルー用光学部材３０の下側の射出面は平面で絞り位置と一致している。
【００６０】
〔実施例１３〕
図１５は、本発明に基づく映像表示装置の実施例１２の光学系のＹ−Ｚ断面であり、実施例１１の反射プリズム３４を接合せずにシースルー用光学部材３０から離して独立させた例である。なお、この例においては、シースルー用光学部材３０の下側の射出面は平面で絞り位置と一致している。
【００６１】
図１６は、本発明に基づく映像表示装置の実施例１３の光学系のＹ−Ｚ断面であり、この実施例においては、接眼光学系２の第３面５の観察者眼球側にダイクロイックミラー３８が配置され、また、接眼光学系２の半透過反射面の第２面４に、外界光の偏向を補正するシースルー用光学部材３０が接着されており、このシースルー用光学部材３０が視線検出用光学部材を兼ねている。ダイクロイックミラー３８を透過して接眼光学系２の第３面５から入射し、第２面４を通過した視線検出光の光路は、シースルー用光学部材３０の観察者眼球とは反対側の面３１により左方向に反射され、その反射光は接眼光学系２の第２面４、第３面５を通過してダイクロイックミラー３８で反射され、その反射光は今度は接眼光学系２の第３面５で反射され、ダイクロイックミラー３８で再度反射され、接眼光学系２の第３面５でもう１度反射されて、正レンズ３３により視線検出光を撮像素子９上に結像している。このような構成であるので、視線検出光学系の顔面側への突出量を抑えることができる。
【００６２】
次に、上記実施例１〜１３の視線検出光学系の構成パラメータを示すが、後記する構成パラメータは観察者眼球の瞳孔１０（物体）から視線検出光学系を経て撮像素子９へ向かう方向のレンズデータとして示してある。
【００６３】
そして、座標の取り方は、観察者の瞳孔１０中心を原点とし、観察者眼球から撮像素子９に向かう方向（視軸）を正とするＺ軸、その観察者視軸に直交し、観察者眼球から見て上下方向の下から上を正とするＹ軸、観察者視軸に直交し、観察者眼球から見て左右方向の右から左を正とするＸ軸を定義する。
【００６４】
つまり、図３〜図１６の紙面内をＹ−Ｚ面とし、紙面と垂直方向の面をＸ−Ｚ面とする。そして、下記に示す構成パラメータ中において、偏心Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面においては、基準面である瞳孔１０の面（１面：物体面）からのその面の面頂の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、面間隔に意味はない。
【００６５】
また、ここでは、簡単のために、接眼光学系２や視線検出光学系の光軸は紙面のＹ−Ｚ面内て折り曲げられるものとするが、Ｙ−Ｚ面とＸ−Ｚ面の両方の面内で折り曲げるようにしてもよい。
【００６６】
また、下記に示す構成パラメータ中の各面において、非回転対称な非球面形状は、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面内、Ｘ−Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲはそれぞれＺ軸に対して回転対称な４次、６次、８次、１０次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰはそれぞれＺ軸に対して回転非対称な４次、６次、８次、１０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。
【００６７】
0004040730.tif 000002
なお、面形状を表す上記各式の座標系は、各面の面頂を原点とし、各面の中心軸をＺ軸とした座標系である。
【００６８】
また、後記する構成パラメータ中において値の記載されていないパラメータの値はゼロである。面と面の間の媒質の屈折率はｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）の屈折率で表す。なお、長さの単位はｍｍである。
【００６９】
以下に、実施例１〜１３の視線検出光学系の構成パラメータを示す。また、実施例１〜１３に共通に用いられている接眼光学系２の構成パラメータも示す。但し、各実施例とも、視線検出光の波長は９４０ｎｍで設計している。（なお、接眼光学系２の面番号は、瞳１０から画像表示素子１に向かう逆光線追跡の面番号で示してある。）
【００７０】
実施例１
0004040730.tif 000003
0004040730.tif 000004
【００７１】
実施例２
0004040730.tif 000005
0004040730.tif 000006
【００７２】
実施例３
0004040730.tif 000007
0004040730.tif 000008
【００７３】
実施例４
0004040730.tif 000009
0004040730.tif 000010
【００７４】
実施例５
0004040730.tif 000011
0004040730.tif 000012
0004040730.tif 000013
【００７５】
実施例６
0004040730.tif 000014
0004040730.tif 000015
0004040730.tif 000016
【００７６】
実施例７
0004040730.tif 000017
0004040730.tif 000018
【００７７】
実施例８
0004040730.tif 000019
0004040730.tif 000020
0004040730.tif 000021
【００７８】
実施例９
0004040730.tif 000022
0004040730.tif 000023
0004040730.tif 000024
【００７９】
実施例１０
0004040730.tif 000025
0004040730.tif 000026
0004040730.tif 000027
【００８０】
実施例１１
0004040730.tif 000028
0004040730.tif 000029
0004040730.tif 000030
【００８１】
実施例１２
0004040730.tif 000031
0004040730.tif 000032
0004040730.tif 000033
【００８２】
実施例１３
0004040730.tif 000034
0004040730.tif 000035
0004040730.tif 000036
0004040730.tif 000037
〔接眼光学系〕
0004040730.tif 000038
0004040730.tif 000039
【００８３】
図１７に上記の共通に用いる接眼光学系２のＹ−Ｚ断面図を示す。
なお、前記したように、本発明の映像表示装置の接眼光学系、画像表示素子、照明系を含む全ての光学系は、観察者の上下方向に配置してもよいし、左右方向に配置してもよい。
【００８４】
ところで、以上の実施例においては、視線検出用光学部材６あるいは視線検出用光学部材の作用を兼ねたシースルー用補正プリズム３０を接着して視線検出光学系を組み込む接眼光学系２として、図１等の示したような３つの面３、４、５からなる断面が三角形の変形プリズムを前提にしていたが、本発明の対象とする接眼光学系２はこれに限らず、反射作用を持つ面を少なくとも１面有する接眼光学系全てが含まれる。その例を図１８に示す。図１８（ａ）の場合は、接眼光学系２を４つの面３、４、５、４' で囲まれた変形プリズムで構成し、画像表示素子１からの表示光は第１面３から接眼光学系２内に入射し、反射面４' で反射し、第３面５で全反射し、その後第２面４で反射し、今度は第３面５を通って接眼光学系２から出て観察者瞳１０に入射し、中間像を形成することなく画像表示素子１１の拡大像を観察可能にするものである。また、図１８（ｂ）の場合は、図１等の接眼光学系２の第１面３と第３面５を同じ１面で構成し、しかも第２面４で２回反射させるようにしたものである。この場合は、接眼光学系２を２つの面で囲まれた変形プリズムで構成し、画像表示素子１からの表示光は第１面３から接眼光学系２内に入射し、第２面４でまず１回目の反射をし、第３面５で全反射し、第２面４で２回目の反射し、今度は第３面５を通って接眼光学系２から出て観察者瞳１０に入射し、中間像を形成することなく画像表示素子１１の拡大像を観察可能にするものである。
【００８５】
以上、本発明の映像表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が可能である。また、本発明の映像表示装置を頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ）４０として構成するには、図１９（ａ）に断面図、同図（ｂ）に斜視図を示すように、例えばヘッドバンド４１を取り付けて、観察者の頭部に装着して使用する。この使用例の場合に、図２に示した形態の接眼光学系を使用し、この接眼光学系の前方に液晶シャッター４２を配備し、外界像を選択的に又は画像表示素子１の映像と重畳して観察できるようにしている。
【００８６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、映像表示装置の接眼光学系の構成を複雑で設計し難くする等、接眼光学系に負担をかけることなく視線検出光学系を一体に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく映像表示装置の光学系を模式的に示した図である。
【図２】本発明に基づく映像表示装置の別の光学系を模式的に示した図である。
【図３】本発明の映像表示装置の実施例１の光学系の断面図である。
【図４】本発明の映像表示装置の実施例２の光学系の断面図である。
【図５】本発明の映像表示装置の実施例３の光学系の断面図である。
【図６】本発明の映像表示装置の実施例４の光学系の断面図である。
【図７】本発明の映像表示装置の実施例５の光学系の断面図である。
【図８】本発明の映像表示装置の実施例５の変形例の光学系の断面図である。
【図９】本発明の映像表示装置の実施例６の光学系の断面図である。
【図１０】本発明の映像表示装置の実施例７の光学系の断面図である。
【図１１】本発明の映像表示装置の実施例８の光学系の断面図である。
【図１２】本発明の映像表示装置の実施例９の光学系の断面図である。
【図１３】本発明の映像表示装置の実施例１０の光学系の断面図である。
【図１４】本発明の映像表示装置の実施例１１の光学系の断面図である。
【図１５】本発明の映像表示装置の実施例１２の光学系の断面図である。
【図１６】本発明の映像表示装置の実施例１３の光学系の断面図である。
【図１７】各実施例で共通に用いる接眼光学系の断面図である。
【図１８】本発明が適用できる他の接眼光学系の例を示す断面図である。
【図１９】本発明の映像表示装置を頭部装着式映像表示装置として構成した場合の例を示す断面図と斜視図である。
【図２０】従来の映像表示装置の光学系の１例の断面図である。
【図２１】従来の映像表示装置の光学系の別の例の断面図である。
【図２２】従来の映像表示装置の光学系のもう１つの例の断面図である。
【図２３】従来の映像表示装置の光学系のさらにもう１つの例の断面図である。
【符号の説明】
Ｅ  観察者眼球
１  画像表示素子
２  接眼光学系（変形プリズム）
３  第１面
４  第２面
５  第３面
４' 第４面
６  視線検出用光学部材
７、７' 反射面
８  結像光学系
９  撮像素子
１０  瞳孔
３０  シースルー用補正プリズム
３１  シースルー用光学部材の観察者眼球とは反対側の面
３２  視線検出用光学部材の反射光の出射面
３３  正レンズ
３４  反射プリズム
３５  視線検出光結像用の面
３６  ミラー
３７  シースルー用光学部材の下側の面に設けれた反射面
３８  ダイクロイックミラー
４０  頭部装着式映像表示装置
４１  ヘッドバンド
４２  液晶シャッター
【図１】
0004040730.tif 000040
【図２】
0004040730.tif 000041
【図３】
0004040730.tif 000042
【図４】
0004040730.tif 000043
【図５】
0004040730.tif 000044
【図６】
0004040730.tif 000045
【図７】
0004040730.tif 000046
【図８】
0004040730.tif 000047
【図９】
0004040730.tif 000048
【図１０】
0004040730.tif 000049
【図１１】
0004040730.tif 000050
【図１２】
0004040730.tif 000051
【図１３】
0004040730.tif 000052
【図１４】
0004040730.tif 000053
【図１５】
0004040730.tif 000054
【図１６】
0004040730.tif 000055
【図１７】
0004040730.tif 000056
【図１８】
0004040730.tif 000057
【図１９】
0004040730.tif 000058
【図２０】
0004040730.tif 000059
【図２１】
0004040730.tif 000060
【図２２】
0004040730.tif 000061
【図２３】
0004040730.tif 000062