JP3623265B2 - 映像表示装置 - Google Patents
映像表示装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3623265B2 JP3623265B2 JP30897994A JP30897994A JP3623265B2 JP 3623265 B2 JP3623265 B2 JP 3623265B2 JP 30897994 A JP30897994 A JP 30897994A JP 30897994 A JP30897994 A JP 30897994A JP 3623265 B2 JP3623265 B2 JP 3623265B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical system
- diffractive
- image
- user
- eyepiece optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 100
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 90
- 210000001508 eye Anatomy 0.000 claims description 47
- 210000005252 bulbus oculi Anatomy 0.000 claims description 17
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 claims description 14
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 10
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 2
- 210000000695 crystalline len Anatomy 0.000 description 31
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 14
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- NCGICGYLBXGBGN-UHFFFAOYSA-N 3-morpholin-4-yl-1-oxa-3-azonia-2-azanidacyclopent-3-en-5-imine;hydrochloride Chemical compound Cl.[N-]1OC(=N)C=[N+]1N1CCOCC1 NCGICGYLBXGBGN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 206010020675 Hypermetropia Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、コンパクトな光学系を使用しながら大きな射出瞳径を持つ頭部装着式映像表示装置等の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーチュアルリアリティ用、あるいは、一人で大画面の映像を楽しむことができるようにすること等を目的として、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部装着式映像表示装置の開発が進められている。
【０００３】
このような頭部装着式映像表示装置は、液晶表示素子等の２次元表示素子上に表示された映像を接眼光学系を用いて使用者の網膜上に拡大投影するものが一般的である（例えば、特開平４−１７０５１２号）。しかし、接眼光学系の開口数が大きいと収差が発生しやすく、これを防止するためには構成が複雑で大型レンズになるという問題がある。そこで、この開口数を照明系側で制限する頭部装着式映像表示装置も提案されている（特開平３−２１４８７２号）。
【０００４】
しかし、このような頭部装着式映像表示装置では、接眼光学系の射出瞳を小さくすると使用者の眼の瞳孔で光線がケラレやすくなり、周辺の映像が見えなくなる。逆に、射出瞳を大きくすると収差が発生しやすく、これを防止するためには、接眼光学系の構成が複雑で大型レンズになるという問題があった。
【０００５】
この問題を解決するものとして、本出願人は、特願平６−４１１６６号の光学系を提案した。この出願の頭部装着式映像表示装置は、図１４に示すように、液晶表示素子２に表示された映像は接眼光学系の凸レンズ３で拡大像として使用者の眼球に投影されるもので、液晶表示素子２はその背後に配置された照明系１により照明され、その表示映像が映し出されるようになっており、さらに、接眼光学系の凸レンズ３とその射出瞳４の間に同じ格子間隔を持つ回折格子１１、１２が２枚平行に格子方向が一致するように配置されている。このように、２枚の回折格子１１、１２を配置することにより、凸レンズ３を透過した平行光は、まず回折格子１１に入射し、０次光、１次光、−１次光と分かれる。これらの光は、次に同じ格子間隔を持つ回折格子１２に入射する。これらの光は再び回折して一部は平行光となる。結果として、射出瞳をずらして複数作ることになり、回折格子１１入射前の光束径ａは、射出後光束径ｂと拡がる。そのため、実効的な瞳径が拡大する。この構成により、コンパクトな光学系を使用しながら、収差の発生が少なく、大きな射出瞳径を持つ頭部装着式映像表示装置等の映像表示装置が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように回折格子を２枚配置することによって射出瞳をずらして複数作り、実質的に射出瞳径を拡大する光学系においても、以下の問題点▲１▼〜▲３▼を伴うことが実験的に発見された。
【０００７】
問題点▲１▼
通常、投影された映像に対して眼のピントが合っていないと、映像はぼけて見える。しかし、回折格子を２枚配置する方式では、映像は二重にずれて見えることがある。これは射出瞳が複数あるためである。図１５に示すように、映像の像位置が無限遠であるにも係わらず、水晶体６及び網膜７を有する眼５のピント位置が近くにある場合、２つの射出瞳を形成する光束は、図示のように２つに分離して眼５の網膜７上に結像する。したがって、像が２つにずれて見えてしまう。
【０００８】
問題点▲２▼
頭部装着式映像表示装置と使用者の顔面との隙間から入射している外光の一部は、図１６に示すように、回折格子１１、１２の格子面で反射回折して眼５に入る。このとき、波長毎に回折角が異なるので、その反射光は虹色に見え、映像観察の妨げになる。
【０００９】
問題点▲３▼
例えば、回折格子１１、１２として縦横両方向に格子を設けて、図１７に示すように、円の射出瞳を４つ合成させて射出瞳径を実質的に拡げる場合、図示のように、これらの射出瞳の間にすき間が存在すると共に、瞳同士がオーバーラップして重なる部分もあり、瞳の明るさにむらが生じる。
【００１０】
本発明は本出願人がすでに提案した映像表示装置の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、２枚の回折格子を用いて実質的に射出瞳径を拡大しながら、像が二重に見えるのを防止し、反射光による映像観察の妨げがなく、また、瞳の明るさにむらがない、コンパクトで収差の発生が少ない頭部装着式映像表示装置等の映像表示装置を提供することである。
【００１１】
【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第１発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられた視度補正光学系と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合、映像表示手段、接眼光学系、第１の回折手段、第２の回折手段、視度補正光学系を、それぞれ左右の眼用に配置し、左右の接眼光学系の光軸を視度補正光学系の視度に相当する距離でほぼ交差するように配置することが望ましい。また、視度補正光学系は、視度を調節するための視度調節機構を備えているものとすることができる。
【００１３】
第２発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示装置と、
前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系からの入射光を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記映像の各波長に対する回折角が前記第１の回折手段による回折角よりも小さく設定された第２の回折手段と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、第１の回折手段の回折角θ１ と第２の回折手段の回折角θ２ が以下の条件を満足するようにすることが望ましい。
ただし、λは波長、ｄは第１の回折手段と第２の回折手段の間隔、Ｌは虚像位置から第２の回折手段までの距離である。
【００１５】
第３発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段によりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられ、前記第２の回折手段に入射する外光を遮るための偏光板又は光吸収体と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
第４発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられ、１／４波長板と前記１／４波長板の結晶軸に対して偏光透過方向がほぼ４５度傾いた偏光板と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
第５発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段によりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元のの光軸方向に戻す第２の回折手段とを備え、
前記第１の回折手段及び第２の回折手段により形成された複数の瞳が互いに重ならないように、かつ多角形になるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
この場合、多角形の射出瞳としては、例えば四角形にすることができる。
【００１９】
【作用】
第１の発明においては、第１の回折手段と第２の回折手段により、複数の瞳をずらして形成して射出瞳径を拡大することができ、さらに、視度補正光学系により観察者の眼がピント合わせをしやすくなり、複数の瞳があることによって生じる観察映像の二重像がなくなる。
【００２０】
第２の発明においては、第１の回折手段と第２の回折手段を通過後の複数の光軸は拡がりながら観察者の眼に届くことになり、そのため、両光軸はある有限の距離で交差し、その交差点から光が発しているように見える。このため、観察者は眼のピント合わせがしやすく、二重像にならない。
【００２１】
第３の発明においては、回折手段に直接入射する外光を偏光板又は光吸収体で遮ることにより、回折手段からの反射光を低減することができる。
【００２２】
第４の発明においては、回折手段に直接入射する外光は、偏光板、１／４波長板、回折手段で反射、１／４波長板と通ることにより、偏光板の偏光透過方向と垂直の偏光になるので、偏光板を透過できなり、外光の反射光を防止することができる。
【００２３】
第５の発明においては、射出瞳が多角形であるので、第１の回折手段と第２の回折手段により複数の規則正しく配置した射出瞳にしたときに瞳上の明るさむらがなくなる。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を参照にしながら本発明の映像表示装置のいくつかの実施例について説明する。
〔第１実施例〕
この実施例は、図１４のような２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系において、回折格子と眼球との間に視度補正レンズを挿入することによって、眼が見やすい位置に虚像を作り、眼のピントが合っていないことによる映像が二重にずれて見えることを防止する実施例である。
【００２５】
図１にこの実施例による右眼用の光学系の構成を示す。この映像表示装置は、液晶表示素子（ＬＣＤ）２に表示された映像が偏心配置の凹面鏡２３で拡大像として観察者の眼球５に投影されるもので、ＬＣＤ２はその背後に配置された点光源２１と照明光学系２２により小開口数で照明されるようになっている。また、凹面鏡２３と眼５の間に同じ格子間隔を持つ回折格子１１、１２が２枚平行に格子方向が一致するように配置されている。そして、本発明に基づき、回折格子１２と眼５の間に適当な視度の視度補正レンズ２４が配置されている。
【００２６】
このような配置において、ＬＣＤ２は凹面鏡２３の焦点位置に配置されているので、ＬＣＤ２からの光は凹面鏡２３で平行光となって回折格子１１に入射する。ここで、回折格子１１、１２の格子溝は±１次回折光のみが生じるように設計されており、したがって、回折格子１１に入射した光は±１次光となって分離し、再び同じ格子間隔を持つ回折格子１２で元の光軸方向に戻るため、射出瞳がずれて２個作られ、回折格子１１入射前の光束径は射出後拡がり、実効的な瞳径が拡大する。
【００２７】
光束径が拡大した後、平行光束は−１〜−５ディオプターの範囲の中で観察者の視度に合致した視度の視度補正レンズ２４を通過して、眼５に入射する。このとき、ＬＣＤ２の表示映像の虚像位置は１０００ｍｍ〜２００ｍｍと、観察者にとって見やすい距離になるので、観察者は眼５のピントが合わせやすく、映像が二重像として見えることにはならない。
【００２８】
〔第２実施例〕
本実施例は、第１実施例の光学系を左右の眼用に一対配置し、視度補正レンズによる虚像位置と左右の眼の視軸の交差位置とを一致させて、観察者により一層ピント合わせをしやすく、両眼で観察する場合にも二重像が見えないようにした実施例である。
図２には、図１と同様の左右の光学系を偏心させるて配置させる例が示されており、例えば−１ディオプターの視度補正レンズ２４、２４を使用する場合、眼幅を６５ｍｍとして、左右の光学系をそれぞれ１．８°内側へ傾ける。左右眼で画面中心を見ようとすると、左右の眼球は内側に回転する。このときの視軸が交差する角度が輻輳角であり、図示のように、この交差する点までの距離と視度とを一致させることにより、両眼で観察する場合にも観察者は一層ピント合わせがしやすくなり、映像が二重像となることを防ぐことができる。
【００２９】
図２では、このような輻輳角を付ける方法として光学全体を傾けたが、この他には、ＬＣＤ２、２を内側に偏移させて配置させたり、ＬＣＤ２、２の表示像を内側にずらして表示させたりする方法を採用してもよい。
【００３０】
〔第３実施例〕
本実施例では、左右のＬＣＤに立体視可能な映像を表示し、その立体映像の視度に合わせて左右の光学系の視度を変化させる実施例である。立体映像の場合、映像によって左右の映像の視差が変わり、輻輳角が変わる。そこで、この輻輳角と一致させるように左右の光学系の視度を変化させることによって、観察者は眼のピントが合わせやすくなり、映像が二重像として見えることがなく、自然な立体視が可能となる。
【００３１】
図３に、そのような映像表示装置の一例として、図１の光学系を左右の眼用に一対配置し、視度補正レンズとして視度補正液晶レンズ２４’を用いた例を示す。図３において、立体画像再生装置２５は、左右の映像信号を出力すると共に、この映像信号と同期した視度信号も出力する構成となっており、左右の映像信号を左右のＬＣＤ２、２に、視度信号を左右の視度補正液晶レンズ２４’、２４’にそれぞれ入力するように接続されている。視度補正液晶レンズ２４’は液晶を封入したレンズであり、印加電圧によって液晶の屈折率が変化してそのレンズの焦点距離が変化して、視度すなわち虚像の位置が電気光学的に変化するものである。したがって、本実施例では、立体映像であってもその輻輳角と視度が一致するので、二重像が見えない。
【００３２】
視度信号を生成する方法としては、本実施例のように予め視度信号を生成して記録・出力する方法の他に、観察者の視線と眼幅を検出して輻輳角を求め、視度信号を計算・出力する方法を採用することもできる。また、眼鏡レンズを付けていない近視・遠視の人は、それぞれ見やすい虚像位置が異なるため、視度調節を立体映像のみならず片眼について行うようにしても有効である。
また、視度補正レンズとしては、上記の液晶レンズ２４’の他に、凸レンズと凹レンズを組み合わせて、両レンズ間の間隔を変化させることにより虚像位置を変えるものを用いてもよい。
【００３３】
〔第４実施例〕
本実施例では、図１４のような２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系において、ピッチの異なる２枚の回折格子を用いることによって無限遠以外の視度の虚像に対しても、二重像が生じなくなるようにした例である。
図４に、２枚の回折格子１１、１２に有限遠の一点Ｐから発散する光が入射する様子を示すが、回折格子１２から射出する２つの光線がその有限遠の一点Ｐでほぼ交差するように、回折格子１１のピッチｐ１ と回折格子１２のピッチｐ２ を設定すれば、二重像が生じなくなる。このとき、少なくとも回折格子１１による回折角よりも回折格子１２による回折角の方が小さくなければならない。
【００３４】
いま、回折格子１１の回折角をθ１ 、回折格子１２の回折角をθ２ 、波長をλ、回折格子１１と１２の間隔をｄ、点Ｐ（虚像）から回折格子１２までの距離をＬとすると、
θ１ ＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ１ ），θ２ ＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ２ ）
であり、回折格子１１のピッチｐ１ と回折格子１２のピッチｐ２ は、
の関係を満足することが望ましい。この（１）式を満足すると、回折格子１２から射出する２つの光線が交わる点と視度とがほぼ一致するので、観察者の眼５のピント合わせが一層しやすくなる。
【００３５】
例えば、λ＝０．５５μｍ、ｄ＝１０ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍの設定では、上記（１）式から、ピッチｐ１ ＝２．０μｍとピッチｐ２ ＝２．１μｍの回折格子１１、１２を用いればよいことが分かる。
【００３６】
この実施例によれば、図１のような視度補正レンズ２４を用いることなく、二重像のない映像を提示することができる。
【００３７】
以上の第１〜第４実施例は、前記問題点▲１▼の像が二重に見えるのを防止するための実施例であったが、次の第５〜６実施例は、問題点▲２▼の反射光による映像観察の妨げを防止するための実施例である。
〔第５実施例〕
第５実施例の右眼用の光学系の構成を図５に示す。この映像表示装置は、図１の場合と同様、ＬＣＤ２に表示された映像を偏心配置の凹面鏡２３で拡大像として観察者の眼球５に投影するもので、ＬＣＤ２はその背後に配置された点光源２１と照明光学系２２により小開口数で照明されるようになっている。また、凹面鏡２３と眼５の間に同じ格子間隔を持つ回折格子１１、１２が２枚平行に格子方向が一致するように配置されている。
【００３８】
ここで、この実施例においては、回折格子１１と眼５との間に回折格子１１側から順に１／４波長板２７、偏光板２８を配置することによって、回折格子１２等での反射光を防止するものである。ここで、１／４波長板２７の結晶軸は、偏光板２８の偏光透過方向に対して４５°傾いて配置される。この偏光板２８の偏光透過方向を、図５の実施例の場合、Ｓ偏光方向とすると、表示装置と顔面との隙間からと入ってくる外光は、まずＳ偏光板２８に入射してＳ偏光となり、１／４波長板２７を通過して左回りの円偏光となる。この光が回折格子１２で反射して再び１／４波長板２７を通過するとＰ偏光となるので、Ｓ偏光板２８を通過することができない。したがって、外光の反射光を防止することができる。
【００３９】
ここで、Ｓ偏光板とＰ偏光板の間に液晶が挟持されてなるＬＣＤ２の射出側には、別の１／４波長板２６を配置することが望ましい。図５で、ＬＣＤ２の入射側の偏光板をＳ偏光方向、射出側の偏光板をＰ偏光方向として、ＬＣＤ２からの光はＰ偏光となっているが、１／４波長板２６を通過すると右回りの偏光となる。凹面鏡２３と回折格子１１、１２を通過した後、１／４波長板２７を通過するとＳ偏光となるので、Ｓ偏光板２８をそのまま通過することができる。したがって、ＬＣＤ２に表示された映像の光は損失なく眼５に届くことになる。
【００４０】
〔第６実施例〕
第６実施例の右眼用の光学系の構成を図６に示す。この実施例は、回折格子１２と眼５の間に光吸収体２９を配置することにより、外光の反射光を目立たなくする例である。その他の構成は、図１〜図５の場合と同様である。
【００４１】
ここで、光吸収体２９の透過率をＤとすると、ＬＣＤ２に表示された映像が眼５に届く光量はＤとなる。一方、外光は光吸収体２９を通過後、回折格子１２で反射して再び光吸収体２９を通過するので、外光の反射光が眼５に届く光量は最大でもＤ２ である。したがって、光吸収体２９を回折格子１２と眼５の間に配置することにより、反射光の映像光に対する光量比はＤ以下と小さくなる。
【００４２】
また、次の第７〜９実施例は、問題点▲３▼の瞳の明るさのむを防止するための実施例である。
〔第７実施例〕
この実施例は、図１４のような２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系において、回折格子１１、１２によって生じる瞳を四角形にして、瞳同士がオーバーラップしないようにして、瞳の明るさのむらをなくす例である。例えば、水平画角４５°のアスペクト比４：３の映像がケラレなく見えるためには、横７．２ｍｍ、縦５．６ｍｍの射出瞳が必要である。このような射出瞳を形成するために、図７（ａ）に示すように、横２．８ｍｍ、縦２．２ｍｍの長方形の瞳を図のように４個配置する。瞳間に横１．６ｍｍ、縦１．２ｍｍのすき間があるが、これは観察者の眼球の瞳孔径よりも小さいので、問題にはならない。このように長方形の瞳であれば、必要な大きさに拡大した射出瞳を効率良く形成することができる。また、水平画角４５°のアスペクト比１６：９の場合は、図７（ｂ）に示すように、横２．６ｍｍ、縦４ｍｍの長方形の瞳をすきま間２ｍｍあけて２個配置する。この場合、形成する瞳は２つでよいので、光量損が少ないという利点がある。
【００４３】
なお、図７（ａ）及び（ｂ）のような形状・配置の射出瞳を形成するためには、回折格子１１、１２としては、、図７（ａ）の場合には図８（ａ）に模式的に示すように、枡目状に溝を設けたものを用いればよく、また、図７（ｂ）の場合には図８（ｂ）に示すように、縦溝を設けたものを用いればよい。
【００４４】
〔第８実施例〕
この実施例は、図９に示すように、複数の六角形の瞳を瞳同士がオーバーラップしないように一定のすき間を置いて配置して、瞳の明るさのむらをなくす例である。このためには、図１０に模式的に示すように、ハニカム状回折格子１１、１２を用いると、瞳を６つ形成することができる。この場合、１つの瞳の形は六角形が望ましく、図９のように、ある一定のすき間を保って瞳を配置することができ、光の乱用効率が良い。
【００４５】
〔第９実施例〕
本実施例は、第７〜第８実施例のような長方形の瞳を作るための照明光学系に関するものである。図１１には、ＬＣＤ２の照明光源２１として、ガラス管３０中のフィラメント３１を四角形にしたものを示してある。このとき、瞳も四角形になる。同様に、フィラメント３１を六角形にすれば、図９のように六角形の瞳ができる。
【００４６】
また、図１２には、ＬＣＤ２のためのルーバー３２、３３を利用した照明系を示してある。ルーバー３２、３３は、透過部材４０の中に光を吸収する吸収壁４１を周期的に並べたもので、光の射出する角度を制限するものである。図１２の場合は、ＬＣＤ２と照明光学系（レンズ）２２の間に、横方向角度を制御するルーバー３２と縦方向角度を制限するルーバー３３を順に配置することで、四角形の瞳が作成できる。また、図１３には、六角形の瞳を作る照明系の例を示してある。この場合は、横方向角度を制御するルーバー３２と右上から左下方向の角度を制御するルーバー３３と左上から右下方向の角度を制御するルーバー３４とを順に配置することで、六角形の瞳が作られる。
【００４７】
以上、本発明の映像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明は以上の第１〜第９実施例のものを複数相互に組み合わせるようにしてもよい。また、その他の種々の変形も可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の映像表示装置によると、視度補正光学系により観察者の眼がピント合わせをしやすくなり、２個の回折手段を用いて射出瞳径を拡大する場合に、複数の瞳があることによって生じる観察映像の二重像を防止することができ、また、第１の回折手段と第２の回折手段を通過後の複数の光軸は拡がりながら観察者の眼に届くことになり、同様に二重像を防止することができる。
【００４９】
また、回折手段に直接入射する外光を偏光板又は光吸収体で遮ることにより、回折手段からの反射光を低減することができる。さらに、射出瞳を多角形にすることにより、瞳上の明るさむらをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による右眼用の光学系の構成を示す図である。
【図２】第２実施例による左右の光学系の構成を示す図である。
【図３】第３実施例による映像表示装置の構成を示す図である。
【図４】第４実施例において回折格子に発散光が入射する様子を示す図である。
【図５】第５実施例による右眼用の光学系の構成を示す図である。
【図６】第６実施例による右眼用の光学系の構成を示す図である。
【図７】第７実施例による長方形の射出瞳の配置を示す図である。
【図８】図７の射出瞳を得るための回折格子の溝形を模式的に示す斜視図である。
【図９】第８実施例による複数の六角形の射出瞳の配置を示す図である。
【図１０】図９の射出瞳を得るための回折格子の溝形を模式的に示す斜視図である。
【図１１】第９実施例による照明光源のフィラメントの形状を示す図である。
【図１２】第９実施例によるルーバーを利用した照明系を示す斜視図である。
【図１３】第９実施例によるルーバーを利用した別の照明系を示す斜視図である。
【図１４】先に提案の２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系の構成を示す図である。
【図１５】映像が二重にずれて見える問題点を説明するための図である。
【図１６】外光が回折格子で反射して眼に入る様子を示すための図である。
【図１７】円形の射出瞳が複数並ぶ場合に瞳の明るさむらが生じる理由を説明するための図である。
【符号の説明】
２…液晶表示素子（ＬＣＤ）
５…観察者眼球
６…水晶体
７…網膜
１１、１２…回折格子
２１…点光源
２２…照明光学系
２３…凹面鏡
２４…視度補正レンズ
２４’…視度補正液晶レンズ
２５…立体画像再生装置
２６、２７…１／４波長板
２８…偏光板
２９…光吸収体
３０…ガラス管
３１…フィラメント
３２、３３、３４…ルーバー
４０…透過部材
４１…吸収壁
【産業上の利用分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、コンパクトな光学系を使用しながら大きな射出瞳径を持つ頭部装着式映像表示装置等の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーチュアルリアリティ用、あるいは、一人で大画面の映像を楽しむことができるようにすること等を目的として、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部装着式映像表示装置の開発が進められている。
【０００３】
このような頭部装着式映像表示装置は、液晶表示素子等の２次元表示素子上に表示された映像を接眼光学系を用いて使用者の網膜上に拡大投影するものが一般的である（例えば、特開平４−１７０５１２号）。しかし、接眼光学系の開口数が大きいと収差が発生しやすく、これを防止するためには構成が複雑で大型レンズになるという問題がある。そこで、この開口数を照明系側で制限する頭部装着式映像表示装置も提案されている（特開平３−２１４８７２号）。
【０００４】
しかし、このような頭部装着式映像表示装置では、接眼光学系の射出瞳を小さくすると使用者の眼の瞳孔で光線がケラレやすくなり、周辺の映像が見えなくなる。逆に、射出瞳を大きくすると収差が発生しやすく、これを防止するためには、接眼光学系の構成が複雑で大型レンズになるという問題があった。
【０００５】
この問題を解決するものとして、本出願人は、特願平６−４１１６６号の光学系を提案した。この出願の頭部装着式映像表示装置は、図１４に示すように、液晶表示素子２に表示された映像は接眼光学系の凸レンズ３で拡大像として使用者の眼球に投影されるもので、液晶表示素子２はその背後に配置された照明系１により照明され、その表示映像が映し出されるようになっており、さらに、接眼光学系の凸レンズ３とその射出瞳４の間に同じ格子間隔を持つ回折格子１１、１２が２枚平行に格子方向が一致するように配置されている。このように、２枚の回折格子１１、１２を配置することにより、凸レンズ３を透過した平行光は、まず回折格子１１に入射し、０次光、１次光、−１次光と分かれる。これらの光は、次に同じ格子間隔を持つ回折格子１２に入射する。これらの光は再び回折して一部は平行光となる。結果として、射出瞳をずらして複数作ることになり、回折格子１１入射前の光束径ａは、射出後光束径ｂと拡がる。そのため、実効的な瞳径が拡大する。この構成により、コンパクトな光学系を使用しながら、収差の発生が少なく、大きな射出瞳径を持つ頭部装着式映像表示装置等の映像表示装置が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように回折格子を２枚配置することによって射出瞳をずらして複数作り、実質的に射出瞳径を拡大する光学系においても、以下の問題点▲１▼〜▲３▼を伴うことが実験的に発見された。
【０００７】
問題点▲１▼
通常、投影された映像に対して眼のピントが合っていないと、映像はぼけて見える。しかし、回折格子を２枚配置する方式では、映像は二重にずれて見えることがある。これは射出瞳が複数あるためである。図１５に示すように、映像の像位置が無限遠であるにも係わらず、水晶体６及び網膜７を有する眼５のピント位置が近くにある場合、２つの射出瞳を形成する光束は、図示のように２つに分離して眼５の網膜７上に結像する。したがって、像が２つにずれて見えてしまう。
【０００８】
問題点▲２▼
頭部装着式映像表示装置と使用者の顔面との隙間から入射している外光の一部は、図１６に示すように、回折格子１１、１２の格子面で反射回折して眼５に入る。このとき、波長毎に回折角が異なるので、その反射光は虹色に見え、映像観察の妨げになる。
【０００９】
問題点▲３▼
例えば、回折格子１１、１２として縦横両方向に格子を設けて、図１７に示すように、円の射出瞳を４つ合成させて射出瞳径を実質的に拡げる場合、図示のように、これらの射出瞳の間にすき間が存在すると共に、瞳同士がオーバーラップして重なる部分もあり、瞳の明るさにむらが生じる。
【００１０】
本発明は本出願人がすでに提案した映像表示装置の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、２枚の回折格子を用いて実質的に射出瞳径を拡大しながら、像が二重に見えるのを防止し、反射光による映像観察の妨げがなく、また、瞳の明るさにむらがない、コンパクトで収差の発生が少ない頭部装着式映像表示装置等の映像表示装置を提供することである。
【００１１】
【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第１発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられた視度補正光学系と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合、映像表示手段、接眼光学系、第１の回折手段、第２の回折手段、視度補正光学系を、それぞれ左右の眼用に配置し、左右の接眼光学系の光軸を視度補正光学系の視度に相当する距離でほぼ交差するように配置することが望ましい。また、視度補正光学系は、視度を調節するための視度調節機構を備えているものとすることができる。
【００１３】
第２発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示装置と、
前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系からの入射光を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記映像の各波長に対する回折角が前記第１の回折手段による回折角よりも小さく設定された第２の回折手段と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、第１の回折手段の回折角θ１ と第２の回折手段の回折角θ２ が以下の条件を満足するようにすることが望ましい。
【００１５】
第３発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段によりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられ、前記第２の回折手段に入射する外光を遮るための偏光板又は光吸収体と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
第４発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられ、１／４波長板と前記１／４波長板の結晶軸に対して偏光透過方向がほぼ４５度傾いた偏光板と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
第５発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段によりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元のの光軸方向に戻す第２の回折手段とを備え、
前記第１の回折手段及び第２の回折手段により形成された複数の瞳が互いに重ならないように、かつ多角形になるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
この場合、多角形の射出瞳としては、例えば四角形にすることができる。
【００１９】
【作用】
第１の発明においては、第１の回折手段と第２の回折手段により、複数の瞳をずらして形成して射出瞳径を拡大することができ、さらに、視度補正光学系により観察者の眼がピント合わせをしやすくなり、複数の瞳があることによって生じる観察映像の二重像がなくなる。
【００２０】
第２の発明においては、第１の回折手段と第２の回折手段を通過後の複数の光軸は拡がりながら観察者の眼に届くことになり、そのため、両光軸はある有限の距離で交差し、その交差点から光が発しているように見える。このため、観察者は眼のピント合わせがしやすく、二重像にならない。
【００２１】
第３の発明においては、回折手段に直接入射する外光を偏光板又は光吸収体で遮ることにより、回折手段からの反射光を低減することができる。
【００２２】
第４の発明においては、回折手段に直接入射する外光は、偏光板、１／４波長板、回折手段で反射、１／４波長板と通ることにより、偏光板の偏光透過方向と垂直の偏光になるので、偏光板を透過できなり、外光の反射光を防止することができる。
【００２３】
第５の発明においては、射出瞳が多角形であるので、第１の回折手段と第２の回折手段により複数の規則正しく配置した射出瞳にしたときに瞳上の明るさむらがなくなる。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を参照にしながら本発明の映像表示装置のいくつかの実施例について説明する。
〔第１実施例〕
この実施例は、図１４のような２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系において、回折格子と眼球との間に視度補正レンズを挿入することによって、眼が見やすい位置に虚像を作り、眼のピントが合っていないことによる映像が二重にずれて見えることを防止する実施例である。
【００２５】
図１にこの実施例による右眼用の光学系の構成を示す。この映像表示装置は、液晶表示素子（ＬＣＤ）２に表示された映像が偏心配置の凹面鏡２３で拡大像として観察者の眼球５に投影されるもので、ＬＣＤ２はその背後に配置された点光源２１と照明光学系２２により小開口数で照明されるようになっている。また、凹面鏡２３と眼５の間に同じ格子間隔を持つ回折格子１１、１２が２枚平行に格子方向が一致するように配置されている。そして、本発明に基づき、回折格子１２と眼５の間に適当な視度の視度補正レンズ２４が配置されている。
【００２６】
このような配置において、ＬＣＤ２は凹面鏡２３の焦点位置に配置されているので、ＬＣＤ２からの光は凹面鏡２３で平行光となって回折格子１１に入射する。ここで、回折格子１１、１２の格子溝は±１次回折光のみが生じるように設計されており、したがって、回折格子１１に入射した光は±１次光となって分離し、再び同じ格子間隔を持つ回折格子１２で元の光軸方向に戻るため、射出瞳がずれて２個作られ、回折格子１１入射前の光束径は射出後拡がり、実効的な瞳径が拡大する。
【００２７】
光束径が拡大した後、平行光束は−１〜−５ディオプターの範囲の中で観察者の視度に合致した視度の視度補正レンズ２４を通過して、眼５に入射する。このとき、ＬＣＤ２の表示映像の虚像位置は１０００ｍｍ〜２００ｍｍと、観察者にとって見やすい距離になるので、観察者は眼５のピントが合わせやすく、映像が二重像として見えることにはならない。
【００２８】
〔第２実施例〕
本実施例は、第１実施例の光学系を左右の眼用に一対配置し、視度補正レンズによる虚像位置と左右の眼の視軸の交差位置とを一致させて、観察者により一層ピント合わせをしやすく、両眼で観察する場合にも二重像が見えないようにした実施例である。
図２には、図１と同様の左右の光学系を偏心させるて配置させる例が示されており、例えば−１ディオプターの視度補正レンズ２４、２４を使用する場合、眼幅を６５ｍｍとして、左右の光学系をそれぞれ１．８°内側へ傾ける。左右眼で画面中心を見ようとすると、左右の眼球は内側に回転する。このときの視軸が交差する角度が輻輳角であり、図示のように、この交差する点までの距離と視度とを一致させることにより、両眼で観察する場合にも観察者は一層ピント合わせがしやすくなり、映像が二重像となることを防ぐことができる。
【００２９】
図２では、このような輻輳角を付ける方法として光学全体を傾けたが、この他には、ＬＣＤ２、２を内側に偏移させて配置させたり、ＬＣＤ２、２の表示像を内側にずらして表示させたりする方法を採用してもよい。
【００３０】
〔第３実施例〕
本実施例では、左右のＬＣＤに立体視可能な映像を表示し、その立体映像の視度に合わせて左右の光学系の視度を変化させる実施例である。立体映像の場合、映像によって左右の映像の視差が変わり、輻輳角が変わる。そこで、この輻輳角と一致させるように左右の光学系の視度を変化させることによって、観察者は眼のピントが合わせやすくなり、映像が二重像として見えることがなく、自然な立体視が可能となる。
【００３１】
図３に、そのような映像表示装置の一例として、図１の光学系を左右の眼用に一対配置し、視度補正レンズとして視度補正液晶レンズ２４’を用いた例を示す。図３において、立体画像再生装置２５は、左右の映像信号を出力すると共に、この映像信号と同期した視度信号も出力する構成となっており、左右の映像信号を左右のＬＣＤ２、２に、視度信号を左右の視度補正液晶レンズ２４’、２４’にそれぞれ入力するように接続されている。視度補正液晶レンズ２４’は液晶を封入したレンズであり、印加電圧によって液晶の屈折率が変化してそのレンズの焦点距離が変化して、視度すなわち虚像の位置が電気光学的に変化するものである。したがって、本実施例では、立体映像であってもその輻輳角と視度が一致するので、二重像が見えない。
【００３２】
視度信号を生成する方法としては、本実施例のように予め視度信号を生成して記録・出力する方法の他に、観察者の視線と眼幅を検出して輻輳角を求め、視度信号を計算・出力する方法を採用することもできる。また、眼鏡レンズを付けていない近視・遠視の人は、それぞれ見やすい虚像位置が異なるため、視度調節を立体映像のみならず片眼について行うようにしても有効である。
また、視度補正レンズとしては、上記の液晶レンズ２４’の他に、凸レンズと凹レンズを組み合わせて、両レンズ間の間隔を変化させることにより虚像位置を変えるものを用いてもよい。
【００３３】
〔第４実施例〕
本実施例では、図１４のような２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系において、ピッチの異なる２枚の回折格子を用いることによって無限遠以外の視度の虚像に対しても、二重像が生じなくなるようにした例である。
図４に、２枚の回折格子１１、１２に有限遠の一点Ｐから発散する光が入射する様子を示すが、回折格子１２から射出する２つの光線がその有限遠の一点Ｐでほぼ交差するように、回折格子１１のピッチｐ１ と回折格子１２のピッチｐ２ を設定すれば、二重像が生じなくなる。このとき、少なくとも回折格子１１による回折角よりも回折格子１２による回折角の方が小さくなければならない。
【００３４】
いま、回折格子１１の回折角をθ１ 、回折格子１２の回折角をθ２ 、波長をλ、回折格子１１と１２の間隔をｄ、点Ｐ（虚像）から回折格子１２までの距離をＬとすると、
θ１ ＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ１ ），θ２ ＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ２ ）
であり、回折格子１１のピッチｐ１ と回折格子１２のピッチｐ２ は、
【００３５】
例えば、λ＝０．５５μｍ、ｄ＝１０ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍの設定では、上記（１）式から、ピッチｐ１ ＝２．０μｍとピッチｐ２ ＝２．１μｍの回折格子１１、１２を用いればよいことが分かる。
【００３６】
この実施例によれば、図１のような視度補正レンズ２４を用いることなく、二重像のない映像を提示することができる。
【００３７】
以上の第１〜第４実施例は、前記問題点▲１▼の像が二重に見えるのを防止するための実施例であったが、次の第５〜６実施例は、問題点▲２▼の反射光による映像観察の妨げを防止するための実施例である。
〔第５実施例〕
第５実施例の右眼用の光学系の構成を図５に示す。この映像表示装置は、図１の場合と同様、ＬＣＤ２に表示された映像を偏心配置の凹面鏡２３で拡大像として観察者の眼球５に投影するもので、ＬＣＤ２はその背後に配置された点光源２１と照明光学系２２により小開口数で照明されるようになっている。また、凹面鏡２３と眼５の間に同じ格子間隔を持つ回折格子１１、１２が２枚平行に格子方向が一致するように配置されている。
【００３８】
ここで、この実施例においては、回折格子１１と眼５との間に回折格子１１側から順に１／４波長板２７、偏光板２８を配置することによって、回折格子１２等での反射光を防止するものである。ここで、１／４波長板２７の結晶軸は、偏光板２８の偏光透過方向に対して４５°傾いて配置される。この偏光板２８の偏光透過方向を、図５の実施例の場合、Ｓ偏光方向とすると、表示装置と顔面との隙間からと入ってくる外光は、まずＳ偏光板２８に入射してＳ偏光となり、１／４波長板２７を通過して左回りの円偏光となる。この光が回折格子１２で反射して再び１／４波長板２７を通過するとＰ偏光となるので、Ｓ偏光板２８を通過することができない。したがって、外光の反射光を防止することができる。
【００３９】
ここで、Ｓ偏光板とＰ偏光板の間に液晶が挟持されてなるＬＣＤ２の射出側には、別の１／４波長板２６を配置することが望ましい。図５で、ＬＣＤ２の入射側の偏光板をＳ偏光方向、射出側の偏光板をＰ偏光方向として、ＬＣＤ２からの光はＰ偏光となっているが、１／４波長板２６を通過すると右回りの偏光となる。凹面鏡２３と回折格子１１、１２を通過した後、１／４波長板２７を通過するとＳ偏光となるので、Ｓ偏光板２８をそのまま通過することができる。したがって、ＬＣＤ２に表示された映像の光は損失なく眼５に届くことになる。
【００４０】
〔第６実施例〕
第６実施例の右眼用の光学系の構成を図６に示す。この実施例は、回折格子１２と眼５の間に光吸収体２９を配置することにより、外光の反射光を目立たなくする例である。その他の構成は、図１〜図５の場合と同様である。
【００４１】
ここで、光吸収体２９の透過率をＤとすると、ＬＣＤ２に表示された映像が眼５に届く光量はＤとなる。一方、外光は光吸収体２９を通過後、回折格子１２で反射して再び光吸収体２９を通過するので、外光の反射光が眼５に届く光量は最大でもＤ２ である。したがって、光吸収体２９を回折格子１２と眼５の間に配置することにより、反射光の映像光に対する光量比はＤ以下と小さくなる。
【００４２】
また、次の第７〜９実施例は、問題点▲３▼の瞳の明るさのむを防止するための実施例である。
〔第７実施例〕
この実施例は、図１４のような２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系において、回折格子１１、１２によって生じる瞳を四角形にして、瞳同士がオーバーラップしないようにして、瞳の明るさのむらをなくす例である。例えば、水平画角４５°のアスペクト比４：３の映像がケラレなく見えるためには、横７．２ｍｍ、縦５．６ｍｍの射出瞳が必要である。このような射出瞳を形成するために、図７（ａ）に示すように、横２．８ｍｍ、縦２．２ｍｍの長方形の瞳を図のように４個配置する。瞳間に横１．６ｍｍ、縦１．２ｍｍのすき間があるが、これは観察者の眼球の瞳孔径よりも小さいので、問題にはならない。このように長方形の瞳であれば、必要な大きさに拡大した射出瞳を効率良く形成することができる。また、水平画角４５°のアスペクト比１６：９の場合は、図７（ｂ）に示すように、横２．６ｍｍ、縦４ｍｍの長方形の瞳をすきま間２ｍｍあけて２個配置する。この場合、形成する瞳は２つでよいので、光量損が少ないという利点がある。
【００４３】
なお、図７（ａ）及び（ｂ）のような形状・配置の射出瞳を形成するためには、回折格子１１、１２としては、、図７（ａ）の場合には図８（ａ）に模式的に示すように、枡目状に溝を設けたものを用いればよく、また、図７（ｂ）の場合には図８（ｂ）に示すように、縦溝を設けたものを用いればよい。
【００４４】
〔第８実施例〕
この実施例は、図９に示すように、複数の六角形の瞳を瞳同士がオーバーラップしないように一定のすき間を置いて配置して、瞳の明るさのむらをなくす例である。このためには、図１０に模式的に示すように、ハニカム状回折格子１１、１２を用いると、瞳を６つ形成することができる。この場合、１つの瞳の形は六角形が望ましく、図９のように、ある一定のすき間を保って瞳を配置することができ、光の乱用効率が良い。
【００４５】
〔第９実施例〕
本実施例は、第７〜第８実施例のような長方形の瞳を作るための照明光学系に関するものである。図１１には、ＬＣＤ２の照明光源２１として、ガラス管３０中のフィラメント３１を四角形にしたものを示してある。このとき、瞳も四角形になる。同様に、フィラメント３１を六角形にすれば、図９のように六角形の瞳ができる。
【００４６】
また、図１２には、ＬＣＤ２のためのルーバー３２、３３を利用した照明系を示してある。ルーバー３２、３３は、透過部材４０の中に光を吸収する吸収壁４１を周期的に並べたもので、光の射出する角度を制限するものである。図１２の場合は、ＬＣＤ２と照明光学系（レンズ）２２の間に、横方向角度を制御するルーバー３２と縦方向角度を制限するルーバー３３を順に配置することで、四角形の瞳が作成できる。また、図１３には、六角形の瞳を作る照明系の例を示してある。この場合は、横方向角度を制御するルーバー３２と右上から左下方向の角度を制御するルーバー３３と左上から右下方向の角度を制御するルーバー３４とを順に配置することで、六角形の瞳が作られる。
【００４７】
以上、本発明の映像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明は以上の第１〜第９実施例のものを複数相互に組み合わせるようにしてもよい。また、その他の種々の変形も可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の映像表示装置によると、視度補正光学系により観察者の眼がピント合わせをしやすくなり、２個の回折手段を用いて射出瞳径を拡大する場合に、複数の瞳があることによって生じる観察映像の二重像を防止することができ、また、第１の回折手段と第２の回折手段を通過後の複数の光軸は拡がりながら観察者の眼に届くことになり、同様に二重像を防止することができる。
【００４９】
また、回折手段に直接入射する外光を偏光板又は光吸収体で遮ることにより、回折手段からの反射光を低減することができる。さらに、射出瞳を多角形にすることにより、瞳上の明るさむらをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による右眼用の光学系の構成を示す図である。
【図２】第２実施例による左右の光学系の構成を示す図である。
【図３】第３実施例による映像表示装置の構成を示す図である。
【図４】第４実施例において回折格子に発散光が入射する様子を示す図である。
【図５】第５実施例による右眼用の光学系の構成を示す図である。
【図６】第６実施例による右眼用の光学系の構成を示す図である。
【図７】第７実施例による長方形の射出瞳の配置を示す図である。
【図８】図７の射出瞳を得るための回折格子の溝形を模式的に示す斜視図である。
【図９】第８実施例による複数の六角形の射出瞳の配置を示す図である。
【図１０】図９の射出瞳を得るための回折格子の溝形を模式的に示す斜視図である。
【図１１】第９実施例による照明光源のフィラメントの形状を示す図である。
【図１２】第９実施例によるルーバーを利用した照明系を示す斜視図である。
【図１３】第９実施例によるルーバーを利用した別の照明系を示す斜視図である。
【図１４】先に提案の２枚の回折格子を用いて射出瞳径を拡大する光学系の構成を示す図である。
【図１５】映像が二重にずれて見える問題点を説明するための図である。
【図１６】外光が回折格子で反射して眼に入る様子を示すための図である。
【図１７】円形の射出瞳が複数並ぶ場合に瞳の明るさむらが生じる理由を説明するための図である。
【符号の説明】
２…液晶表示素子（ＬＣＤ）
５…観察者眼球
６…水晶体
７…網膜
１１、１２…回折格子
２１…点光源
２２…照明光学系
２３…凹面鏡
２４…視度補正レンズ
２４’…視度補正液晶レンズ
２５…立体画像再生装置
２６、２７…１／４波長板
２８…偏光板
２９…光吸収体
３０…ガラス管
３１…フィラメント
３２、３３、３４…ルーバー
４０…透過部材
４１…吸収壁
Claims (9)
- 映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられた視度補正光学系と、
を備えることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項１において、前記映像表示手段、前記接眼光学系、前記第１の回折手段、前記第２の回折手段、前記視度補正光学系は、それぞれ左右の眼用に配置されており、前記左右の接眼光学系の光軸が前記視度補正光学系の視度に相当する距離でほぼ交差することを特徴とする映像表示装置。
- 請求項１又は２において、前記視度補正光学系は、視度を調節するための視度調節機構を備えていることを特徴とする映像表示装置。
- 映像を表示する映像表示装置と、
前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系からの入射光を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記映像の各波長に対する回折角が前記第１の回折手段による回折角よりも小さく設定された第２の回折手段と、
を備えることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項４において、前記第１の回折手段の回折角θ1 と前記第２の回折手段の回折角θ2 は以下の条件を満足することを特徴とする映像表示装置。
０．９ｔａｎ-1（ｄ・ｔａｎθ1 ／Ｌ）≦θ1 −θ2 ≦１．１ｔａｎ-1（ｄ・ｔａｎθ1 ／Ｌ） ・・・（１）
ただし、λは波長、ｄは前記第１の回折手段と前記第２の回折手段の間隔、Ｌは虚像位置から前記第２の回折手段までの距離である。 - 映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段によりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられ、前記第２の回折手段に入射する外光を遮るための偏光板又は光吸収体と、
を備えることを特徴とする映像表示装置。 - 映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折し、複数の瞳を形成する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段よりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元の光軸方向に戻す第２の回折手段と、
前記第２の回折手段と使用者の眼球との間に設けられ、１／４波長板と前記１／４波長板の結晶軸に対して偏光透過方向がほぼ４５度傾いた偏光板と、
を備えることを特徴とする映像表示装置。 - 映像を表示する映像表示手段と、
前記映像表示手段からの光を平行光束として出射し、前記映像を使用者の網膜上に投影する接眼光学系と、
前記映像表示手段と前記接眼光学系により形成される射出瞳の間の光路中に設けられ、前記接眼光学系から入射される平行光束を複数光に回折する第１の回折手段と、
前記第１の回折手段によりも使用者の眼球側に設けられ、前記第１の回折手段からの入射光を元のの光軸方向に戻す第２の回折手段とを備え、
前記第１の回折手段及び第２の回折手段により形成された複数の瞳が互いに重ならないように、かつ多角形になるように構成されていることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項８において、前記多角形の射出瞳が四角形であることを特徴とする映像表示装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30897994A JP3623265B2 (ja) | 1994-12-13 | 1994-12-13 | 映像表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30897994A JP3623265B2 (ja) | 1994-12-13 | 1994-12-13 | 映像表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08166556A JPH08166556A (ja) | 1996-06-25 |
| JP3623265B2 true JP3623265B2 (ja) | 2005-02-23 |
Family
ID=17987509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30897994A Expired - Fee Related JP3623265B2 (ja) | 1994-12-13 | 1994-12-13 | 映像表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3623265B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019089283A1 (en) * | 2017-11-02 | 2019-05-09 | Pcms Holdings, Inc. | Method and system for aperture expansion in light field displays |
| EP3620844A4 (en) * | 2018-04-23 | 2020-06-17 | SONY Corporation | OPTICAL OKULAR SYSTEM, MEDICAL VIEWER AND MEDICAL VIEWING SYSTEM |
| US11917121B2 (en) | 2019-06-28 | 2024-02-27 | Interdigital Madison Patent Holdings, Sas | Optical method and system for light field (LF) displays based on tunable liquid crystal (LC) diffusers |
| US11991343B2 (en) | 2019-06-07 | 2024-05-21 | Interdigital Madison Patent Holdings, Sas | Optical method and system for light field displays based on distributed apertures |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6608720B1 (en) | 1997-06-02 | 2003-08-19 | Robin John Freeman | Optical instrument and optical element thereof |
| DE69941684D1 (de) * | 1999-06-02 | 2010-01-07 | Robin John Freeman | Optisches Instrument und optisches Element dafür |
| KR100634287B1 (ko) * | 1999-06-18 | 2006-10-16 | 프리만 로빈 존 | 광학기기와 그 광학부재 |
| KR101220894B1 (ko) * | 2004-02-04 | 2013-01-11 | 마이크로비젼, 인코퍼레이티드 | 주사-빔 헤드업 디스플레이 및 관련 시스템 및 방법 |
| JP4655263B2 (ja) * | 2004-08-12 | 2011-03-23 | ブラザー工業株式会社 | 画像表示装置及びその板状反射素子 |
| JP2010061152A (ja) * | 2009-11-02 | 2010-03-18 | Robin John Freeman | 光学器械及び回折要素 |
| JP4769912B1 (ja) * | 2011-02-28 | 2011-09-07 | パイオニア株式会社 | 光学素子、ヘッドアップディスプレイ及び光学素子の製造方法 |
| EP2720077A1 (en) * | 2012-10-12 | 2014-04-16 | Vision Engineering Limited | Optical objective with enlargement of the exit pupil by means of a diffractive element |
| JP6331839B2 (ja) * | 2014-07-29 | 2018-05-30 | 日本精機株式会社 | ヘッドアップディスプレイ装置 |
| JP6934515B2 (ja) | 2017-05-19 | 2021-09-15 | 富士フイルム株式会社 | ウェアラブルディスプレイ装置 |
| JP7055286B2 (ja) | 2017-09-20 | 2022-04-18 | 天馬微電子有限公司 | 表示装置 |
| WO2020044555A1 (ja) * | 2018-08-31 | 2020-03-05 | マクセル株式会社 | ヘッドマウントディスプレイ |
| US12231613B2 (en) | 2019-11-06 | 2025-02-18 | Hes Ip Holdings, Llc | System and method for displaying an object with depths |
| TWI862393B (zh) | 2020-08-14 | 2024-11-11 | 美商海思智財控股有限公司 | 在即時影像上疊加虛擬影像的頭戴式虛擬影像模組 |
| TWI838640B (zh) | 2020-09-03 | 2024-04-11 | 美商海思智財控股有限公司 | 改善雙眼視覺的系統與方法 |
| JP7582690B2 (ja) | 2020-09-30 | 2024-11-13 | ヒーズ アイピー ホールディングス エルエルシー | 仮想現実機器および拡張現実機器用の仮想画像表示システム |
| EP4094120A4 (en) | 2021-02-08 | 2024-02-28 | HES IP Holdings, LLC | SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING VISUAL ACUITY |
| JPWO2023112835A1 (ja) * | 2021-12-17 | 2023-06-22 | ||
| US12147608B2 (en) | 2022-07-15 | 2024-11-19 | Hes Ip Holdings, Llc | Computing system with head wearable display |
| WO2025018053A1 (ja) * | 2023-07-19 | 2025-01-23 | 富士フイルム株式会社 | 光学部材、及び、光学部材を有するａｒグラス |
-
1994
- 1994-12-13 JP JP30897994A patent/JP3623265B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019089283A1 (en) * | 2017-11-02 | 2019-05-09 | Pcms Holdings, Inc. | Method and system for aperture expansion in light field displays |
| US11624934B2 (en) | 2017-11-02 | 2023-04-11 | Interdigital Madison Patent Holdings, Sas | Method and system for aperture expansion in light field displays |
| EP3620844A4 (en) * | 2018-04-23 | 2020-06-17 | SONY Corporation | OPTICAL OKULAR SYSTEM, MEDICAL VIEWER AND MEDICAL VIEWING SYSTEM |
| US12130440B2 (en) | 2018-04-23 | 2024-10-29 | Sony Group Corporation | Ocular optical system, medical viewer, and medical viewer system |
| US11991343B2 (en) | 2019-06-07 | 2024-05-21 | Interdigital Madison Patent Holdings, Sas | Optical method and system for light field displays based on distributed apertures |
| US11917121B2 (en) | 2019-06-28 | 2024-02-27 | Interdigital Madison Patent Holdings, Sas | Optical method and system for light field (LF) displays based on tunable liquid crystal (LC) diffusers |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08166556A (ja) | 1996-06-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3623265B2 (ja) | 映像表示装置 | |
| JP7446620B2 (ja) | オーバーラップするプロジェクター組立体を有するニアアイディスプレイ | |
| JP4258071B2 (ja) | 映像表示装置 | |
| US5661603A (en) | Image display apparatus including a first and second prism array | |
| US7053865B2 (en) | 3-D display device | |
| JP3376023B2 (ja) | 立体画像表示方法及び画像表示装置 | |
| JP3279265B2 (ja) | 画像表示装置 | |
| US20160231570A1 (en) | Display System | |
| JPH11194295A (ja) | 光学系 | |
| US20080252970A1 (en) | Stereoscopic display unit and stereoscopic vision observation device | |
| WO2013159264A1 (zh) | 立体焦场式眼镜显示器 | |
| WO2016130342A1 (en) | Waveguide-based display system | |
| KR20010073072A (ko) | 머리-장착형 디스플레이 | |
| JP2013114021A (ja) | 偏光分離装置及び表示装置 | |
| JPH09105885A (ja) | 頭部搭載型の立体画像表示装置 | |
| JPH06175075A (ja) | 画像表示装置 | |
| US20230048195A1 (en) | Near-eye display device | |
| JP2000039582A (ja) | 映像投影装置 | |
| JP3461297B2 (ja) | 画像観察装置 | |
| JP2002365589A (ja) | 立体表示装置 | |
| JP2003167212A (ja) | 映像付与装置 | |
| JP3524569B2 (ja) | 視覚表示装置 | |
| JP2000249975A (ja) | 映像表示装置 | |
| JP2002131694A (ja) | 画像観察装置及びそれを用いた画像観察システム | |
| JP3396074B2 (ja) | 映像表示装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040805 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040825 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041014 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041117 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041124 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081203 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081203 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091203 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |