JP2000352695A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表示した映像の光を投射し、投射光を再帰反
射させて観察者の眼に導く映像表示装置の小型化を図
る。 【解決手段】 映像を表示する映像表示器と、再帰反射
面と、映像表示器に表示された映像の光を再帰反射面を
一部に含む範囲に投射する投射光学系と、投射光学系に
よって投射された光のうち再帰反射面の外に向かう光を
反射して再帰反射面に導くミラーとで映像表示装置を構
成する。観察者は再帰反射面への投射光の方向から再帰
反射面とミラーを見ることで、再帰反射面の大きさ以上
の広視野の映像を観察することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広視野の映像を表
示する映像表示装置に関し、バーチャルリアリティをは
じめとする映像提供の分野で利用される。

【０００２】

【従来の技術】近年、仮想の現実を臨場感豊かに提供す
るバーチャルリアリティがめざましく普及しつつあり、
広視野の映像を提供するために、種々の方式の映像表示
装置が開発されている。中でも、表示器に表示した映像
を接眼光学系によって拡大して観察者の眼に導く装置
と、表示器に表示した映像を投射光学系によって拡大し
てスクリーンに投射する装置が一般的である。

【０００３】前者は、全体を小型化することが容易であ
り、観察者が手で保持しあるいは頭部に装着して使用す
る形態に適する。ただし、視野の広さに上限があり、例
えば１８０゜を超える視野角とするのは難しい。後者
も、手持ち式または頭部装着式とすることができるが、
前者に比べて大型になる。その反面、凹面のスクリーン
や複数のスクリーンを用いることで、視野の広さを自由
に設定することができる。部屋の壁面全体さらには床面
や天井面をスクリーンとして、観察者をスクリーンで取
り囲むようにした大規模な装置もある。このような装置
では、きわめて視野の広い映像を提供することが可能で
あり、視野角を理論上最大の３６０゜とすることもでき
る。

【０００４】スクリーンに映像を投射表示する装置で
は、スクリーンの全ての部位から光を観察者に与える必
要があり、このために、光拡散性を有するスクリーンが
使用される。しかしながら、光の拡散の度合いはスクリ
ーンへの光の入射角に依存するため、スクリーンの各部
位から観察者に向かう光の量に差が生じて、提供される
映像の明るさが不均一になり易い。また、投射された光
はスクリーンからあらゆる方向に進むことになり、観察
者に与えられる光が少なくなって、観察される映像の明
るさの低下が避けられない。

【０００５】このような不都合を避けるため、到来した
方向に光の大部分を反射する再帰反射性を有するスクリ
ーンを用いるとともに、観察者の近傍から光を投射する
ことが提案されている。例えば、米国特許ＵＳＰ３２０
０７０２号には、再帰反射性を有する固定設置のスクリ
ーンと、投射光学系からの光を反射してスクリーンに導
くとともに、その反射光を透過させて観察者の眼に導く
コンバイナとを備えた装置が開示されている。また、Ｕ
ＳＰ５６０６４５８号やＵＳＰ５６２１５７２号には、
再帰反射性のスクリーンとコンバイナのほかに接眼光学
系も備えて、スクリーンに投射された映像を接眼光学系
でさらに拡大して提供するようにした頭部装着型の装置
が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、再帰反射性
のスクリーンを備える従来の映像表示装置は、投射光学
系からの光あるいはコンバイナを経た投射光学系からの
光の全てを、スクリーンに直接導くようにしている。こ
のため、提供する映像の視野の広さに対応する大きさの
スクリーンが不可欠であり、装置の大型化が避けられな
かった。これは、手持ち式や頭部装着式の装置とする場
合はその使用形態の長所を損ない、固定設置の装置とす
る場合も設置に大きな空間が必要になるという、著しい
不都合を招く。

【０００７】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、表示した映像の光を投射し、投射光を再帰
反射させて観察者の眼に導く映像表示装置の小型化を図
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、映像を表示する映像表示器と、光を入
射方向に強く反射する再帰反射面と、映像表示器に表示
された映像の光を、再帰反射面を一部に含む範囲に投射
する投射光学系と、投射光学系によって投射された光の
うち再帰反射面の外に向かう光を反射して再帰反射面に
導くミラーとで、映像表示装置を構成する。

【０００９】この映像表示装置では、映像表示器に表示
された映像の光の全てを再帰反射面に直接投射するので
はなく、その一部のみを再帰反射面に直接投射し、残り
はミラーを介して再帰反射面に投射する。再帰反射面で
は、映像表示器の異なる部位からの光が重なり合う。ミ
ラーは、投射光学系と再帰反射面の間の空間に、再帰反
射面と交わる向きに配置されることになる。

【００１０】再帰反射面によって反射された光は入射光
路を逆に辿ることになり、ミラーから再帰反射面に入射
した光は、ミラーに再入射して反射される。この光は、
ミラーが存在せず、かつ再帰反射面がその周辺にまで延
設されているとした場合に、その延設部位で反射された
光と同じである。ミラーによって再反射された再帰反射
面からの光も再帰反射面に直接入射して反射された光
も、投射光学系に向かって進むから、投射光の方向また
はこれに近い方向から再帰反射面とミラーを含む範囲を
見ることにより、映像の全ての部分を観察することがで
きる。

【００１１】したがって、この映像表示装置は、再帰反
射面の実際の大きさ以上の広い視野の映像を提供するも
のとなる。しかも、投射光学系と再帰反射面の間の空間
にミラーを配置するものであるから、ミラーを配置する
ための空間が新たに必要になることもなく、小型の装置
とすることができる。ミラーの反射面は平面でも曲面で
もよく、また、複数のミラーを備えることも可能であ
る。

【００１２】投射光学系は、投射光を再帰反射面に結像
させるものでもよく、投射光を平行光として、再帰反射
面に結像させないものでもよい。観察者は、前者の場合
は再帰反射面上の映像を観察し、後者の場合は映像表示
器上の映像を観察することになる。

【００１３】上記の映像表示装置に、投射光学系からの
光を再帰反射面およびミラーに導き、再帰反射面からの
光およびミラーからの光を観察者の眼に導くコンバイナ
を備えるようにしてもよい。投射光学系からの投射光の
光路と再帰反射面からの反射光の光路のいずれか一方を
折り返すことになり、観察者の眼を投射光学系と等価な
位置またはそのごく近傍に位置させることができる。

【００１４】これにより、投射光学系の射出瞳が小さく
ても映像の観察が可能になり、投射光学系も小型化する
ことができる。しかも、射出瞳の小径化により映像の深
度が深まり、投射光学系からの光に対する再帰反射面の
位置や向きの自由度が増す。また、再帰性がきわめて高
い、すなわち散乱性のほとんどない再帰反射面を用い
て、きわめて明るい映像を提供することもできる。

【００１５】再帰反射面からの光およびミラーからの光
を観察者の眼に導いて、投射光学系によって投射された
光が表す映像の虚像を観察者に与える接眼光学系を備え
るようにしてもよい。表示した映像を接眼光学系によっ
てさらに拡大することが可能になり、提供する映像の視
野を一層広くし、また、装置をより小型にすることがで
きる。

【００１６】ミラーを、一方の焦点が再帰反射面の近傍
に位置し他方の焦点が観察者の眼の近傍に位置する楕円
面とするとよい。一方の焦点からの光が必ず他方の焦点
を通るという楕円反射面の特性により、再帰反射面をき
わめて小さくすることが可能になり、装置を一層小型化
することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の映像表示装置の実
施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実
施形態の映像表示装置１の構成と映像提供の原理を図１
に示す。図１は映像表示装置１の側方からの透視図であ
る。映像表示装置１は、液晶表示器３１、投射光学系３
２、再帰反射面３３、およびミラー３４を備えている。

【００１８】液晶表示器３１は透過型であり、表示パネ
ル上に２次元の映像を表示して、表示した映像によりバ
ックライト光源からの光を変調して射出する。投射光学
系３２は、液晶表示器３１から射出された光を面Ｍ１に
向けて投射する。投射光学系３２は投射光を面Ｍ１上に
結像させるように設定されており、面１は結像面とな
る。結像面Ｍ１は投射光学系３２の光軸に対して垂直な
平面である。結像面Ｍ１に形成される映像は、液晶表示
器３１に表示された映像を拡大したもので、広い範囲に
わたる。

【００１９】再帰反射面３３は、１０μｍ程度またはそ
れ以下のごく微小なガラスビーズあるいはコーナーキュ
ーブを、板状部材または膜状部材の表面に設けて作製さ
れている。再帰反射面３３は平面で、結像面Ｍ１上に配
置されており、したがって、スクリーンとして機能す
る。再帰反射面３３は、投射光学系３２からの光束の一
部分のみを受ける大きさであり、結像面Ｍ１に形成され
る映像の一部範囲に対応する。再帰反射面３３の再帰反
射性は特に高く設定されておらず、再帰反射面３３は若
干の拡散反射性を有する。

【００２０】ミラー３４は、図１に示した上下の２片
と、不図示の左右の２片より成る。ミラー３４は全反射
性で平面である。ミラー３４は、投射光学系３２と再帰
反射面３３との間に、投射光学系３２の光軸に対して平
行に、したがって再帰反射面３３に対して垂直に配置さ
れている。ミラー３４の端は再帰反射面３３の縁に達し
ており、再帰反射面３３はミラー３４によって上下左右
から挟まれた状態となっている。

【００２１】観察者は、眼Ｅを投射光学系３２の近傍に
位置させて、再帰反射面３３を含む結像面Ｍ１を見る。

【００２２】投射光学系３２によって投射された光の一
部は再帰反射面３３に直接入射し、液晶表示器３１に表
示された映像の一部分を再帰反射面３３上に形成する。
投射光学系３２によって投射された光の残りは再帰反射
面３３の外に向かって進み、ミラー３４によって反射さ
れ、再帰反射面３３に導かれる。この光は、液晶表示器
３１に表示された映像の残りの部分を再帰反射面３３上
に形成する。したがって、再帰反射面３３には液晶表示
器３１に表示された映像の異なる部分が重なり合って形
成されることになる。ミラー３４によって反射された光
が再帰反射面３３に形成する映像は、ミラー３４が存在
しないときに再帰反射面３３の周囲に形成される映像
を、ミラー３４で折り返したものとなる。

【００２３】投射光学系３２から再帰反射面３３に直接
入射した光は、再帰反射面３３で反射されて、投射光学
系３２の方向に進む。ミラー３４から再帰反射面３３に
入射した光は、再帰反射面３３で反射されて、ミラー３
４に再入射し、再び反射されて投射光学系３２の方向に
進む。この光は、ミラー３４が存在しなければ再帰反射
面３３の周囲に形成される映像からの光と等価であり、
再帰反射面３３から投射光学系３２に直接向かう光と共
に、表示された映像の全体を表す。

【００２４】再帰反射面３３によって反射された光は、
その多くが投射光学系３２に再入射することになるが、
再帰反射面３３が若干の拡散性を有するため、投射光学
系３２の近傍に位置する観察者の眼Ｅにも入射する。し
たがって、観察者は結像面Ｍ１上の映像を観察すること
ができる。

【００２５】このように、映像表示装置１は、再帰反射
面３３の大きさよりも広い視野の映像を提供することが
可能である。また、ミラー３４は、投射光学系３２と再
帰反射面３３の間の空間に配置されているため、映像表
示装置１の大型化を招かない。したがって、映像表示装
置１は、従来の装置のように、ミラー３４を備えず、再
帰反射面３３を結像面Ｍ１に投射される光束全体を受け
得る大きさとする場合に比べて、小型になる。

【００２６】液晶表示器３１、投射光学系３２、再帰反
射面３３およびミラー３４は一体化することが可能であ
り、映像表示装置１は、手持ち式や頭部装着式の装置と
することも、固定設置の装置とすることもできる。手持
ち式あるいは頭部装着式とするときは、観察者の頭部の
向きを検出する方向検出器３７を備えて、検出した頭部
の向きに応じた映像を液晶表示器３１に表示するとよ
い。提供される映像が観察者の向きに追随することにな
り、高い臨場感が得られる。また、映像の視野がさらに
広がる。なお、投射光学系３２は再帰反射面３３のいず
れかの部位に対向していればよく、再帰反射面３３の中
心に対向して配置する必要はない。

【００２７】以下、本発明の他の実施形態について説明
するが、既述の構成要素と同一または類似の構成要素に
は同一の符号を付して、重複する説明は省略する。ま
た、同じ要素を左右１対備える構成も示すが、対を成す
構成要素は符号の末尾にＬまたはＲを付して区別する。

【００２８】第２の実施形態の映像表示装置２の構成と
映像提供の原理を図２に示す。図２は映像表示装置２の
上方からの透視図である。映像表示装置２は、２つの液
晶表示器３１Ｌ、３１Ｒ、２つの投射光学系３２Ｌ、３
２Ｒ、再帰反射面３３、ミラー３４、および２つの接眼
光学系３５Ｌ、３５Ｒを備えている。

【００２９】液晶表示器３１Ｌ、３１Ｒはそれぞれ観察
者の左眼ＥＬと右眼ＥＲに提供する映像を表示し、投射
光学系３２Ｌ、３２Ｒはそれぞれ液晶表示器３１Ｌ、３
１Ｒが射出する光を投射して面Ｍ１に結像させる。投射
光学系３２Ｌ、３２Ｒは、観察者の左右の眼ＥＬ、ＥＲ
の近傍に位置し得るように配置されており、両者の光軸
は平行である。再帰反射面３３およびミラー３４は第１
の実施形態の映像表示装置１のものと同様の設定であ
る。液晶表示器３１Ｌ、３１Ｒが視差のある映像を表示
することで、観察者に立体映像を提供することができ
る。

【００３０】接眼光学系３５Ｌ、３５Ｒはそれぞれ、再
帰反射面３３によって反射された投射光学系３２Ｌ、３
２Ｒからの光を左右の眼ＥＬ、ＥＲに導く。接眼光学系
３５Ｌ、３５Ｒの正のパワーにより、眼ＥＬ、ＥＲに導
かれる光は結像面Ｍ１よりも遠方の面Ｍ２から到来する
光と等価になり、観察者は面Ｍ２上に位置する虚像を観
察することになる。

【００３１】映像表示装置２では、接眼光学系３５Ｌ、
３５Ｒを備えて、結像面Ｍ１に形成される映像を拡大す
るようにしたことにより、提供する映像の視野を映像表
示装置１よりも広くすることができる。また、映像の視
野を映像表示装置１と同じにするときは、投射光学系３
２Ｌ、３２Ｒから再帰反射面３３までの距離を短くする
ことができるから、一層小型の装置となる。

【００３２】投射光学系３２Ｌ、３２Ｒによって投射さ
れる左右の映像の光は再帰反射面３３上で重なり合う
が、再帰反射面３３によって反射された左右の映像の光
は分離する。投射光学系３２Ｌ、３２Ｒの近傍の観察者
の眼ＥＬ、ＥＲに光が入射するように、再帰反射面３３
は拡散反射性を若干もつように設定されているが、その
拡散性の程度はあまり高くなく、左眼用の映像の光が右
眼ＥＲに入射したり、右眼用の映像の光が左眼ＥＬに入
射したりすることはない。なお、ここでは投射光学系３
２Ｌ、３２Ｒの光軸を平行にしたが、両者の光軸を非平
行としてもよい。

【００３３】第３の実施形態の映像表示装置３の構成と
映像提供の原理を図３に示す。図３は映像表示装置３の
側方からの透視図である。映像表示装置３は、液晶表示
器３１、投射光学系３２、再帰反射面３３、ミラー３
４、およびコンバイナとしてのハーフミラー３６を備え
ている。

【００３４】投射光学系３２は液晶表示器３１からの光
を下方に向けて投射するように配置されており、ハーフ
ミラー３６は投射光学系３２によって投射された光を、
結像面Ｍ１に向けて反射するように配置されている。ハ
ーフミラー３６によって反射された投射光学系３２から
の光の一部は再帰反射面３３に直接入射し、残りはミラ
ー３４により反射されて再帰反射面３３に導かれる。再
帰反射面３３で反射された光は、直接またはミラー３４
によって再反射されてハーフミラー３６に入射し、これ
を透過して観察者の眼Ｅに入射する。

【００３５】投射光学系３２は観察者の眼Ｅと光学的に
等価な位置に配置されている。したがって、再帰反射面
３３によって反射された光のうち、強度の高い部分が眼
Ｅに導かれることになり、明るい映像を提供することが
できる。また、再帰反射面３３の再帰反射性を高くし
て、拡散性を低く抑えることも可能であり、これによっ
ても、提供する映像の明るさを高めることができる。

【００３６】観察者の眼Ｅの位置での光束径は、等価な
位置にある投射光学系３２の射出瞳の径と等しい。した
がって、投射光学系３２の射出瞳を大きくしておけば、
観察者の眼Ｅの位置の自由度が大きくなり、映像の観察
がし易くなる。この設定は、再帰反射面３３の再帰反射
性を高くする場合に特に有効である。

【００３７】なお、ここでは、投射光学系３２からの投
射光をハーフミラー３６で反射して再帰反射面３３に導
き、再帰反射面３３からの反射光をハーフミラー３６を
透過させて眼Ｅに導く設定としているが、配置を変え
て、ハーフミラー３６が投射光を透過させて再帰反射面
３３に導き、反射光を反射して眼Ｅに導くようにしても
よい。また、投射光学系３２は光を下方に向けて投射す
る設定としたが、投射光学系３２の向きは自由に設定し
てよい。

【００３８】第４の実施形態の映像表示装置４の構成と
映像提供の原理を図４に示す。図４は映像表示装置４の
側方からの透視図である。映像表示装置４は、上述の映
像表示装置３の液晶表示器３１、投射光学系３２および
ハーフミラー３６を一体化して、これらを観察者が手で
保持または頭部に装着するようにしたものである。した
がって、再帰反射面３３とミラー３４に対する液晶表示
器３１、投射光学系３２およびハーフミラー３６の位置
や向きは可変である。

【００３９】映像表示装置４は観察者の頭部の向きを検
出する方向検出器３７も備えており、液晶表示器３１は
方向検出器３７によって検出された頭部の向きに応じた
映像を表示する。投射光学系３２からの光がミラー３４
に入射して再帰反射面３３に導かれる限り映像の観察は
可能であるから、映像表示装置４はきわめて視野の広い
映像を提供することができる。また、観察者は姿勢をあ
まり制約されず、自由な姿勢で映像を観察することがで
きる。

【００４０】投射光学系３２から結像面Ｍ１までの光路
長は、観察者の頭部の向きに応じて大きく変化する。こ
の光路長の変化により再帰反射面３３上の映像にぼけが
生じるのを防止するために、映像表示装置４では、投射
光学系３２の射出瞳を小さくしてＦ値を大きくし、再帰
反射面３３に形成する映像の深度を深くするようにして
いる。また、投射光学系３２の射出瞳を小さくすること
による観察者の眼Ｅの位置での光束の小径化を抑えるた
めに、再帰反射面３３に若干の拡散反射性をもたせてい
る。このような設定によって、観察者はどの方向を向い
ていても、鮮明でけられのない映像を観察することがで
きる。

【００４１】なお、ここでは、投射光学系３２が再帰反
射面３３よりも広い範囲に光を投射するように設定して
いるが、投射光学系３２が再帰反射面３３よりも狭い範
囲に光を投射するようにしてもよい。液晶表示器３１が
観察者の頭部の向きに応じた映像を表示することと、ミ
ラー３４が投射光学系３２からの光を再帰反射面３３に
導くことで、視野の広い映像を提供することが可能であ
る。

【００４２】第５の実施形態の映像表示装置５の構成と
映像提供の原理を図５に示す。図５は映像表示装置５の
側方からの透視図である。映像表示装置５は、ミラー３
４を投射光学系３２の光軸に対して非平行に配置したも
のである。他の構成は第３の実施形態の映像表示装置３
と同じである。ミラー３４の相互の間隔は投射光学系３
２側で再帰反射面３３側よりも狭くなっており、映像表
示装置５は映像表示装置３よりもさらに小型化されてい
る。

【００４３】ミラー３４が結像面Ｍ１に対して垂直では
ないため、ミラー３４によって反射される光の再帰反射
面３３までの光路長は、ミラー３４が存在しない場合の
結像面Ｍ１までの光路長と等しくならない。この光路長
の差に起因する再帰反射面３３上での映像のぼけを防止
するために、上述の映像表示装置４と同様に、投射光学
系３２の射出瞳を小さくして、再帰反射面３３に形成す
る映像の深度を深くしている。また、再帰反射面３３に
若干の拡散反射性をもたせて、投射光学系３２の射出瞳
を小さくすることによる眼Ｅの位置での光束の小径化を
抑えている。

【００４４】第６の実施形態の映像表示装置６の構成と
映像提供の原理を図６に示す。図６は映像表示装置６の
側方からの透視図である。映像表示装置６は、ミラー３
４のうち再帰反射面３３側の部分３４ｂを投射光学系３
２の光軸に非平行にするとともに、再帰反射面３３を小
さくしたものである。他の構成は第３の実施形態の映像
表示装置３と同じであり、ミラー３４のハーフミラー３
６側の部分３４ａは投射光学系３２の光軸に平行であ
る。このように、ミラー３４の一部分と他の部分とで再
帰反射面３３に対する傾きを変えることも可能であり、
これにより装置をさらに小型化することができる。

【００４５】第７の実施形態の映像表示装置７の構成と
映像提供の原理を図７に示す。図７は映像表示装置７の
側方からの透視図である。この映像表示装置７はミラー
３４として楕円面のものを備えている。ミラー３４の一
方の焦点は再帰反射面３３上に位置し、他方の焦点は観
察者の眼Ｅまたはその近傍に位置するように設定されて
いる。投射光学系３２は、観察者の眼Ｅと等価な位置に
あり、実質的にミラー３４の焦点上に位置する。

【００４６】一方の焦点からの光は反射後他方の焦点を
必ず通るという楕円反射面の特性により、投射光学系３
２が投射する光は、再帰反射面３３上のごく狭い範囲に
入射する。このため、映像表示装置７では、再帰反射面
３３をきわめて小さくすることができる。再帰反射面３
３はミラー３４に接しておらず、また、表裏両面共に再
帰反射性を有するように設定されており、ハーフミラー
３６に対して背面側となる裏面に入射する光も反射す
る。

【００４７】この構成では再帰反射面３３をさらに小さ
くして点に近づけることも可能である。その場合、投射
光学系３２の射出瞳を小さくすることになるが、再帰反
射面３３に拡散性を若干もたせることで、眼Ｅの位置の
自由度の確保は容易である。また、投射光学系３２の射
出瞳を大きくし、再帰反射面３３の大きさを投射光学系
３２の射出瞳と同程度にしておけば、再帰反射面３３に
拡散性をもたせなくても、眼Ｅの位置の自由度は十分に
確保される。

【００４８】なお、ミラー３４は、２つの焦点を結ぶ軸
に関して回転対称でもよく、回転対称でなくてもよい。
また、必ずしもミラー４の全体を楕円面とする必要はな
く、例えば、上下のみを楕円面とし、左右を平面とする
こともできる。

【００４９】第８の実施形態の映像表示装置８の構成と
映像提供の原理を図８に示す。図８は映像表示装置８の
側方からの透視図である。この映像表示装置８のミラー
３４も楕円面である。ミラー３４の一方の焦点が再帰反
射面３３上に位置し、他方の焦点が観察者の眼Ｅまたは
その近傍に位置するように設定されている点は、上述の
映像表示装置７と同様であるが、再帰反射面３３の縁が
ミラー３４に接している点で異なる。

【００５０】第９の実施形態の映像表示装置９の構成と
映像提供の原理を図９に示す。図９は映像表示装置９の
側方からの透視図である。映像表示装置９は、第３の実
施形態の映像表示装置３のミラー３４の間隔を狭めて、
再帰反射面３３を小さくしたものである。

【００５１】ハーフミラー３６によって反射された投射
光学系３２からの光のうち、再帰反射面３３に直接入射
しないものは、ミラー３４によって複数回反射されて再
帰反射面３３に入射する。また、ミラー３４から入射し
て再帰反射面３３で反射された光も、ミラー３４で複数
回反射されてハーフミラー３４に入射する。観察者に提
供される映像は映像表示装置３と同じであるが、映像表
示装置９ではさらなる小型化が達成されている。

【００５２】第１０の実施形態の映像表示装置１０の構
成と映像提供の原理を図１０に示す。図１０は映像表示
装置１０の側方からの透視図である。この映像表示装置
１０は、ミラー３４を短くするとともに、液晶表示器３
１、投射光学系３２、ミラー３４およびハーフミラー３
６を一体化して、これらを観察者が手で保持または頭部
に装着するようにしたものである。再帰反射面３３に対
する液晶表示器３１、投射光学系３２、ミラー３４およ
びハーフミラー３６の位置や向きは可変である。

【００５３】映像表示装置１０は、第４の実施形態の映
像表示装置４と同様に、方向検出器３７によって検出さ
れた観察者の頭部の向きに応じた映像を液晶表示器３１
が表示することで、きわめて視野の広い映像を提供する
ことができる。また、観察者は自由な姿勢で映像を観察
することができる。

【００５４】第１１の実施形態の映像表示装置１１の構
成と映像提供の原理を図１１に示す。図１１は映像表示
装置１１の側方からの透視図である。この映像表示装置
１１は、ミラー３４を２つの部分３４ａ、３４ｂに分割
して、一方の部分３４ａを液晶表示器３１、投射光学系
３２、およびハーフミラー３６と一体化し、他方の部分
３４ｂを再帰反射面３３に固定したものである。

【００５５】この構成においても、液晶表示器３１が方
向検出器３７によって検出された頭部の向きに応じた映
像を表示することで、きわめて視野の広い映像を提供す
ることができる。ミラー３４の部分３４ｂが、ハーフミ
ラー３６から直接入射する光または部分３４ａで反射さ
れたハーフミラー３６からの光を反射することにより、
再帰反射面３３を映像表示装置１０よりも小さくするこ
とができて、一層小型の装置となる。

【００５６】第１２の実施形態の映像表示装置１２の構
成と映像提供の原理を図１２に示す。図１２は映像表示
装置１２の側方からの透視図である。この映像表示装置
１２は、液晶表示器３１、投射光学系３２、再帰反射面
３３、ミラー３４およびハーフミラー３６を全て一体化
して、全体を観察者が手で保持または頭部に装着するよ
うにしたものである。

【００５７】液晶表示器３１が方向検出器３７によって
検出された頭部の向きに応じた映像を表示することで、
きわめて視野の広い映像を提供することができる。ま
た、観察者の姿勢に対する制約は皆無であり、どの方向
を向いても、どのような姿勢でも映像を観察することが
可能である。

【００５８】第１３の実施形態の映像表示装置１３の構
成と映像提供の原理を図１３に示す。図１３は映像表示
装置１３の側方からの透視図である。この映像表示装置
１３は、液晶表示器３１上の各部位からの光を平行光と
して射出する投射光学系３２’を備えている。したがっ
て、再帰反射面３３を含む面Ｍ１’上に映像が形成され
ることはなく、再帰反射面３３はスクリーンとしては機
能しない。観察者は面Ｍ１’より遠方の面Ｍ２’上の虚
像を観察することになる。他の構成は、映像表示装置１
２と同様である。

【００５９】投射光学系３２’から投射される光を平行
光としたことにより、投射光学系３２’から再帰反射面
３３までの距離を短くすることができ、映像表示装置１
２よりもさらに小型の装置となる。投射光学系３２’の
射出瞳を大きくすることで、眼Ｅの位置の自由度の確保
も容易である。

【００６０】第１４の実施形態の映像表示装置１４の構
成と映像提供の原理を図１４〜図１６に示す。これらの
図はそれぞれ、映像表示装置１４の側方、上方および正
面からの透視図である。この映像表示装置１４は、第１
２の実施形態の映像表示装置１２に接眼光学系３５（３
５Ｌ、３５Ｒ）を備えたものである。接眼光学系３５の
正のパワーにより、眼Ｅに導かれる光は結像面Ｍ１より
も遠方の面Ｍ２から到来する光と等価になり、観察者は
面Ｍ２上に位置する虚像を観察することになる。

【００６１】映像表示装置１４では、接眼光学系３５に
より、結像面Ｍ１に形成される映像が拡大されるため、
提供する映像の視野を映像表示装置１２よりも広くする
ことができる。映像の視野を映像表示装置１２と同じに
するときは、投射光学系３２（３２Ｌ、３２Ｒ）から再
帰反射面３３までの距離を短くすることができるから、
一層小型の装置となる。

【００６２】第１５の実施形態の映像表示装置１５の構
成と映像提供の原理を図１７〜図１９に示す。これらの
図はそれぞれ、映像表示装置１５の側方、上方および正
面からの透視図である。この映像表示装置１５は、再帰
反射面３３として球面のものを備えている。ハーフミラ
ー３６は再帰反射面３３に達する大きさであり、ミラー
３４は上部および側部に設けられている。また、投射光
学系３２は投射光を平面上に結像させるのではなく、再
帰反射面３３を含む球面上に結像させるように設定され
ている。

【００６３】再帰反射面３３の曲率中心は観察者の左右
の眼ＥＬ、ＥＲから等距離にあり、曲率半径は再帰反射
面３３から眼ＥＬ、ＥＲまでの距離よりも大きく設定さ
れている。また、左右の投射光学系３２Ｌ、３２Ｒの光
軸はいずれも再帰反射面３３の曲率中心を通るように設
定されており、投射光学系３２Ｌ、３２Ｒと再帰反射面
３３は共軸系となっている。このように共軸系としたこ
とにより、再帰反射面３３に形成する映像に非対称な歪
みが発生せず、再帰反射面３３のどの部位においてもシ
ャープなピントが得られる。

【００６４】ミラー３４は投射光学系３２Ｌ、３２Ｒの
光軸と平行ではなく、したがって、ハーフミラー３６か
ら再帰反射面３３に直接入射する光の光路長と、ミラー
３４で反射されて再帰反射面３３に入射する光の光路長
には差がある。ただし、投射光学系３２の射出瞳を小さ
くしてＦ値を大きくすることにより、映像の深度を深め
ることが可能であり、ぼけのない映像を再帰反射面３３
に形成することができる。

【００６５】左右の接眼光学系３５Ｌ、３５Ｒの光軸も
それぞれ再帰反射面３３の曲率中心を通るように設定さ
れている。したがって、観察者の眼ＥＬ、ＥＲに虚像と
して与えられる映像に歪みが生じることもない。このよ
うな設定により、映像表示装置１５は、視野が広いだけ
でなく、きわめて高品位の映像を提供することができ
る。また、接眼光学系３５Ｌ、３５Ｒを互いにぶつかり
合わないように配置することも容易であり、小型化に適
する装置構成となっている。

【００６６】第１６の実施形態の映像表示装置１６の構
成と映像提供の原理を図２０に示す。図２０は映像表示
装置１６の側方からの透視図である。この映像表示装置
１６は、ミラー３４をハーフミラー３６に近い部分３４
ａと再帰反射面３３に近い部分３４ｂとに分けて、再帰
反射面３３に対するミラー３４の角度を途中で変えたも
のである。他の構成は映像表示装置１５と同じである。
ミラー３４の部分３４ａ、３４ｂの端部は重なってお
り、しかもハーフミラー３６に近い部分３４ａが内側に
位置するので、部分３４ｂの端面で光がけられるおそれ
はない。

【００６７】第１７の実施形態の映像表示装置１７の構
成と映像提供の原理を図２１に示す。図２１は映像表示
装置１７の側方からの透視図である。この映像表示装置
１７は、ミラー３４を楕円面としたものであり、他の構
成は映像表示装置１５と同じである。ミラー３４の一方
の焦点は再帰反射面３３上に位置し、他方の焦点は観察
者の眼Ｅまたはその近傍に位置するように設定されてい
る。投射光学系３２は、観察者の眼Ｅと等価な位置にあ
り、実質的にミラー３４の焦点上に位置する。

【００６８】楕円反射面の特性により、ミラー３４で反
射された光は再帰反射面３３上のごく狭い範囲に入射す
る。このため、映像表示装置１７では、再帰反射面３３
をきわめて小さくすることができる。

【００６９】第１８の実施形態の映像表示装置１８の構
成と映像提供の原理を図２２に示す。図２２は映像表示
装置１８の側方からの透視図である。この映像表示装置
１８は、上述の映像表示装置１７を修飾して、再帰反射
面３３を、球面の部分３３ａと平面の部分３３ｂとで構
成したものである。平面の部分３３ｂはきわめて小さ
く、この上にミラー３４の一方の焦点が位置する。

【００７０】ハーフミラー３６からの光のうち、ミラー
３４で反射される光は再帰反射面３３の部分３３ｂに入
射し、残りは部分３３ａに入射する。部分３３ｂはその
法線がミラー３４の略中央を通るように配置されてお
り、ミラー３４から入射する光に対して垂直に近いの
で、優れた反射特性を有している。

【００７１】第１９の実施形態の映像表示装置１９の構
成と映像提供の原理を図２３に示す。図２３は映像表示
装置１９の上方からの透視図である。この映像表示装置
１９は、第１５の実施形態の投射表示装置１５と同様な
構成に、両面を全反射面とされたミラー３４ｃをミラー
３４の一部として加えたものである。ミラー３４ｃは垂
直方向に配置されており、映像表示装置１９はミラー３
４ｃに関して左右対称である。

【００７２】左の投射光学系３２Ｌによって投射された
光のうち再帰反射面３３の右半分に向かって進む光は、
ミラー３４ｃで反射されて再帰反射面３３の左半分に入
射し、右の投射光学系３２Ｒによって投射された光のう
ち再帰反射面３３の左半分に向かって進む光は、ミラー
３４ｃで反射されて再帰反射面３３の右半分に入射す
る。再帰反射面３３の左半分および右半分で反射された
光も、同様にして、それぞれ接眼光学系３５Ｌおよび３
５Ｒに選択的に導かれる。

【００７３】したがって、左眼用の映像の光が右眼ＥＲ
に入射したり右眼用の映像の光が左眼ＥＬに入射したり
ことは皆無となり、クロストークを完全に防止すること
ができる。ミラー３４ｃの位置に単なる遮光板を配置す
ることでもクロストークは防止できるが、その構成では
映像の視野が半分程度に狭まってしまう。映像表示装置
１９では、両面反射性のミラー３４ｃを備えたことで、
広い視野を確保することができる。

【００７４】本発明の映像表示装置の使用形態の一例を
図２４に示す。この例は、第３の実施形態の映像表示装
置３を用いたものである。直方体状の箱３８の１つの壁
面が再帰反射面３３とされており、再帰反射面３３の左
右の壁面と天井面と床面がミラー３４とされている。液
晶表示器３１、投射光学系３２、ハーフミラー３６およ
び方向検出器３７は一体化されて装着ユニット３９とさ
れており、観察者Ｕはこの装着ユニット３９を頭部に装
着して箱３８内に入り映像を観察する。繰り返し述べた
ように、提供される映像は視野が広いから、観察者Ｕは
きわめて高い臨場感を味わうことができる。

【００７５】再帰反射面３３の左右の壁面の間隔は観察
者Ｕが入り得るだけあればよいから、箱３８は小さく形
成することができる。したがって、広い設置場所は不要
であり、屋外はもちろん、通常の広さの室内にも設置す
ることが可能である。部屋の１つの壁面を再帰反射面３
３とし、他の壁面、天井面、床面をミラー３４としても
よい。

【００７６】

【発明の効果】本発明の映像表示装置では、投射光学系
によって投射された光のうち再帰反射面の外に向かう光
を反射して再帰反射面に導くミラーを備えたことで、映
像の異なる部分からの光を再帰反射面上で重ね合わせ、
その光を元に戻して観察者の眼に導くことが可能にな
り、再帰反射面の実際の大きさよりも広い視野の映像を
提供することができる。しかも、ミラーの配置のために
新たな空間を必要としないから、小型の装置となる。し
たがって、観察者が手で保持してあるいは頭部に装着し
て使用する形態に適する装置となり、固定設置して使用
する形態でも設置のために大きな空間を必要としない装
置となる。

【００７７】コンバイナを備える構成では、投射光学系
と観察者の眼を等価な位置関係とすることができため、
投射光学系の射出瞳の小径化が可能になる。これによ
り、投射光学系を小型化し、再帰反射面の位置や向きの
自由度を増すことが容易になる。また、再帰性のきわめ
て高い再帰反射面を用いて、非常に明るい映像を提供す
ることも可能になる。

【００７８】接眼光学系を備える構成では、投射光が表
す映像を接眼光学系によってさらに拡大することが可能
になり、提供する映像の視野を一層広くすることができ
る。また、投射光学系から再帰反射面までの距離を短く
して、装置を一層小型にすることができる。

【００７９】ミラーを再帰反射面の近傍と観察者の眼の
近傍とに焦点をもつ楕円面とした構成では、再帰反射面
をきわめて小さくすることができて、さらに小型の装置
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図２】 第２の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視上面図。

【図３】 第３の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図４】 第４の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図５】 第５の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図６】 第６の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図７】 第７の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図８】 第８の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図９】 第９の実施形態の映像表示装置の構成と映像
提供の原理を示す透視側面図。

【図１０】 第１０の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図１１】 第１１の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図１２】 第１２の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図１３】 第１３の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図１４】 第１４の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図１５】 第１４の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視上面図。

【図１６】 第１４の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視正面図。

【図１７】 第１５の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図１８】 第１５の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視上面図。

【図１９】 第１５の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視正面図。

【図２０】 第１６の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図２１】 第１７の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図２２】 第１８の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視側面図。

【図２３】 第１９の実施形態の映像表示装置の構成と
映像提供の原理を示す透視上面図。

【図２４】 本発明の映像表示装置の一使用形態を示す
透視斜視図。

【符号の説明】

１〜１９ 映像表示装置 ３１、３１Ｌ、３１Ｒ 液晶表示器 ３２、３２Ｌ、３２Ｒ 投射光学系 ３３ 再帰反射面 ３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ ミラー ３５、３５Ｌ、３５Ｒ 接眼光学系 ３６ ハーフミラー ３７ 方向検出器 ３８ 箱 ３９ 装着ユニット Ｅ、ＥＬ、ＥＲ 眼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する映像表示器と、 光を入射方向に強く反射する再帰反射面と、 前記映像表示器に表示された映像の光を、前記再帰反射
   面を一部に含む範囲に投射する投射光学系と、 前記投射光学系によって投射された光のうち前記再帰反
   射面の外に向かう光を反射して前記再帰反射面に導くミ
   ラーとを備えることを特徴とする映像表示装置。
2. 【請求項２】 前記投射光学系からの光を前記再帰反射
   面および前記ミラーに導き、前記再帰反射面からの光お
   よび前記ミラーからの光を観察者の眼に導くコンバイナ
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装
   置。
3. 【請求項３】 前記再帰反射面からの光および前記ミラ
   ーからの光を観察者の眼に導いて、前記投射光学系によ
   って投射された光が表す映像の虚像を観察者に与える接
   眼光学系を備えることを特徴とする請求項１に記載の映
   像表示装置。
4. 【請求項４】 前記ミラーは、一方の焦点が前記再帰反
   射面の近傍に位置し他方の焦点が観察者の眼の近傍に位
   置する楕円面であることを特徴とする請求項１に記載の
   映像表示装置。