JPH08152579A - 視覚表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表示素子の発する光及び外界光によって生じ
るフレアー光を防止して、小型、広画角、高解像、高コ
ントラストの映像が観察できる視覚表示装置。 【構成】 表示面が対向する２枚の表示素子４、５と、
表示素子４、５と対をなし「Ｖ」の字形に組み合わされ
たせた２枚のハーフミラー６、７と、その「Ｖ」の字形
のハーフミラー６、７の中心軸と同じ軸を持つ凹面鏡８
とで構成され、２枚の表示素子４、５に表示された映像
を１つの繋がった映像に合成して表示する。表示素子
４、５とハーフミラー６、７の間、ハーフミラー６、７
と凹面鏡８の間、及び、ハーフミラー６、７と眼球の間
にλ／４波長板２１、２２、２３を配置し、λ／４波長
板２３の眼球側に偏光板２４を配置して、表示素子４、
５の発する光及び外界光によってフレアー光が生じない
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、視覚表示装置に関し、
特に、小型の光学系を使用しながら、広画角、高解像
で、明るくコントラストの高い映像を観察することがで
きる頭部装着式視覚表示装置等の視覚表示装置に関す
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
着式視覚表示装置の開発が種々進められている。

【０００３】このような視覚表示装置の１つとして、小
型で、広画角、高解像で映像を観察することができる光
学系を用いたものを、本出願人は、特願平５−１７３０
４９号において提案した。この視覚表示装置は、図５
（ａ）に示すように、表示面が互いに対向する２枚の表
示素子４、５と、それらの表示素子４、５と対をなし、
図中で「Ｖ」の字形に組み合わされた２枚のハーフミラ
ー６、７と、その「Ｖ」の字形に組み合わされた２枚の
ハーフミラー６、７の中心軸と同じ軸を持つ凹面鏡８と
を配置して構成されている。ハーフミラー６、７は、図
５（ａ）の場合、それぞれ表示素子４、５に近い方に配
置されているが、図６（ａ）のように、それぞれ表示素
子５、４に近い方に配置してもよい。

【０００４】このような構成において、２枚の表示素子
４、５に、それぞれ図５（ｄ）、図６（ｄ）に示したよ
うな最終的に表示装置が映し出す映像「Ｒ」のオーバー
ラップ領域９を含む半分より広い領域の像１１、１０
（図５（ｂ）、（ｃ））又は１１′、１０′（図６
（ｃ）、（ｂ））を表示させる。これらの表示像は、表
示素子４の像はハーフミラー６で、同じく５の像は７で
反射されるように、「Ｖ」字形に組み合わせた２枚のハ
ーフミラー６、７でそれぞれ反射され、１つの繋がった
映像に合成される。そして、この映像がさらに凹面鏡８
で反射され、拡大された空中像となる。そして、使用者
はこの拡大像を観察することができる。

【０００５】このような光学系は、大きな画角になる
程、従来技術の光学系に比べ、光学系全体の厚みが著し
く薄くなる。図５の光学系について、例えば、作動距離
ＷＤが２０ｍｍ、画角θが４０°の場合、光学系の厚み
ｔは、１１．５ｍｍとなり、同一条件で計算した従来光
学系の厚みに比べて約５分の１の薄さになっている。

【０００６】また、２枚の表示素子４、５を用いて１つ
の映像を作り出すため、実効的画素数が１枚の画素数の
約２倍となり、高解像化もなされる。特に、上記のオー
バーラップ領域９は、表示素子４、５の画素を、映像が
ハーフミラー６、７で合成された時に、画素が互いに半
ピッチずれるよう配置すると、一層高解像効果が得られ
る。

【０００７】ところで、表示素子４、５の発する光がハ
ーフミラー６、７を通過し、さらにハーフミラー７、６
で再び反射すると、これらの光は使用者の眼に向かうこ
とになり、フレアー光を作る原因となる。そこで、この
光をどこかで遮断する必要がある。そのためには、ハー
フミラー６、７として、ルーバー型フィルター基板の表
面にハーフミラーコートを施したものを用いる例と、基
板が互いに直交する直線偏光板からなり、表面にハーフ
ミラーコートが施され、裏面に反射防止コートが施され
ているものを用い、また、凹面鏡８と「Ｖ」の字形のハ
ーフミラー６、７の間に厚みの厚い波長板を配置する例
と、図７に示すように、それぞれ表示素子４、５とハー
フミラー６、７の間に偏光板１２を配置し、凹面鏡８と
ハーフミラー６、７の間にλ／４波長板（４分の１波長
板）１３を配置し、さらに、ハーフミラー６、７と眼球
の間に検光板１４を配置する例が示されている。

【０００８】図７の場合をより詳しく説明すると、表示
素子４から射出した光線は、偏光板１２を通り直線偏光
の光となり、ハーフミラー６で反射する。しかし、一部
の光はハーフミラー６を通り抜け、ハーフミラー７で反
射し、使用者の眼に向かうが、眼球の前の偏光方向が直
交する検光板１４により遮光され、眼球に到達すること
はない。一方、ハーフミラー６で反射した光は、λ／４
波長板１３を通過し、凹面鏡８で反射し、再びλ／４波
長板１３を通過する。この２度のλ／４波長板１３の通
過により、偏光方向が９０°回転するため、検光板１４
と平行な偏光となり、検光板１４を通過し眼球に達す
る。表示素子５から射出する光も同様である。これによ
り、使用者はフレアー光のないクリアーな映像を観察す
ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先に提
案した上記のような構成の視覚表示装置においても、眼
球側から入射してくる外界光がハーフミラー６と７で反
射し、再び眼球方向に戻ってくることにより発生するフ
レアー光は防止できない。

【００１０】本発明は以上のような先行技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、頭部装着式視
覚表示装置等の視覚表示装置において、表示素子の発す
る光及び外界光によって生じるフレアー光を防止して、
小型の光学系を使用しながら、広画角、高解像で、明る
くコントラストの高い映像を観察することができるよう
にすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の視覚表示装置は、２次元表示手段と、前記２次元表
示手段によって形成された映像を投影し、観察者眼球に
導く接眼光学系とからなる視覚表示装置において、前記
２次元表示手段が、少なくとも、観察者眼球に導かれる
映像の少なくとも一部を表示する偏光した光を射出する
第１映像表示手段と、前記の映像表示部分と異なる他の
部分を含む前記の映像表示部分を表示する偏光した光を
射出する第２映像表示手段とを含み、かつ、前記接眼光
学系が、前記第１映像表示手段により形成された第１の
映像を反射する第１の反射面と、前記第２映像表示手段
により形成された第２の映像を反射する第２の反射面
と、前記第１の映像と前記第２の映像との合成像を拡大
投影して観察者眼球内に導く正のパワーを有する反射光
学系とを含み、前記第１の反射面に対して前記第２の反
射面が角度をなして配置されており、前記第１映像表示
手段と前記第１の反射面の間、前記第２映像表示手段と
前記第２の反射面の間それぞれに４分の１波長板が配置
され、また、前記第１及び第２の２つの反射面と前記反
射光学系の間に４分の１波長板が配置され、さらに、前
記の２つの反射面と観察者眼球の間に、前記の２つの反
射面に近い側から、４分の１波長板と偏光板が配置され
ていることを特徴とするものである。

【００１２】この場合、２つの反射面を内部に持つ直方
体のプリズムと、反射光学系として平凸レンズの凸面に
形成された裏面鏡と、４つの４分の１波長板と、偏光板
とがそれぞれ貼り合わされて一体になっているように構
成することもできる。

【００１３】また、２次元表示手段として、液晶表示素
子、偏光光で照明された表示素子、表示面に偏光板を有
する表示素子の何れを用いてもよい。

【００１４】

【作用】本発明においては、接眼光学系の光学配置か
ら、小型で、広画角、高解像で映像を観察することがで
きることに加え、４枚の４分の１波長板と１枚の偏光板
を組み合わせ、２次元表示手段からの投射光の偏光の向
きと偏光板の向きを一致させておくことにより、正規の
光路を通った光のみを眼球に導いて映像表示を行い、正
規光路外の反射面によって反射された光によって生じる
フレアー光、及び、眼球方向からの外界光によって生じ
るフレアー光をカットすることができ、明るくコントラ
ストの高い映像を観察することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の視覚表示装置のいくつかの実
施例について説明する。第１の実施例の断面図を図１に
示す。この実施例の光学配置は基本的に図５の先行例と
同じであり、表示面が互いに対向する２枚の表示素子
４、５と、それらの表示素子４、５と対をなし、図中で
「Ｖ」の字形に組み合わされた２枚のハーフミラー６、
７と、その「Ｖ」の字形に組み合わされた２枚のハーフ
ミラー６、７の中心軸と同じ軸を持つ凹面鏡８とを配置
して構成されている。ハーフミラー６、７は、それぞれ
表示素子４、５に近い方に配置されている。

【００１６】このような構成において、２枚の表示素子
４、５に図５（ｄ）に示したような最終的に表示装置が
映し出す映像「Ｒ」のオーバーラップ領域９を含む半分
より広い領域の像１１、１０（図５（ｂ）、（ｃ））を
表示させる。これらの表示像は、表示素子４の像はハー
フミラー６で、同じく５の像は７で反射されるように、
「Ｖ」字形に組み合わせた２枚のハーフミラー６、７で
それぞれ反射され、１つの繋がった映像に合成される。
そして、この映像がさらに凹面鏡８で反射され、拡大さ
れた空中像となる。そして、使用者はこの拡大像を観察
することができる。

【００１７】ところで、この実施例において、表示素子
４、５の発する光及び眼球側から入射してくる外界光に
よってフレアー光が生じないようにするために、各表示
素子４、５とハーフミラー６、７の間に第１のλ／４波
長板２１を、また、ハーフミラー６、７と凹面鏡８の間
に第２のλ／４波長板２２を、さらに、ハーフミラー
６、７と眼球の間に第３のλ／４波長板２３と偏光板２
４をこの順に並べて配置する。表示素子４、５にＬＣＤ
（液晶表示素子）を用いると、それからの投射光は偏光
しているので、ここでは、この偏光の向きをＳ方向にな
るように設定するものをする。そして、偏光板２４の向
きもＳ方向に合わせておく。

【００１８】このような配置において、表示素子４から
の投射光は、順に、第１のλ／４波長板２１を通過、
ハーフミラー６で反射、第２のλ／４波長板２２を
通過、凹面鏡８で反射、第２のλ／４波長板２２を
通過、ハーフミラー６を通過、第３のλ／４波長板
２３を通過、偏光板２４を通過して、最後的には眼球
に到る。この際の偏光状態は、初期のＳ偏光から、円
偏光、円偏光、Ｐ偏光、Ｐ偏光、円偏光、円
偏光、Ｓ偏光、Ｓ偏光となり、偏光板２４を通過し
て表示素子４の像は眼球に達する。表示素子５から投射
光も同様である。一方、表示素子４からの投射光の中、
ハーフミラー６を透過し、ハーフミラー７で反射した成
分は、眼球直前の第３のλ／４波長板２３でＰ偏光に変
換されるため、Ｓ方向を向いている偏光板２４で遮光さ
れる。同様に、表示素子５からの投射光の中、ハーフミ
ラー７を透過し、ハーフミラー６で反射した成分も、偏
光板２４で遮光される。したがって、表示素子４、５の
発する光によって生じるフレアー光は防止される。

【００１９】また、眼球方向から外界光が偏光板２４に
入射して、ハーフミラー６、７で２回反射して戻ってく
るときも、眼球直前の第３のλ／４波長板２３を２回通
過するため、Ｐ偏光となって偏光板２４で遮光されるた
め、眼球側から入射してくる外界光によってもフレアー
光は生じない。

【００２０】このようにして、上記２種類の原因で発生
するフレアー光がカットでき、使用者は、フレアー光の
ないクリアーな映像を観察することができる。

【００２１】なお、この実施例において、表示素子４、
５にＬＣＤを用いる場合、そのＬＣＤのλ／４波長板２
１側の偏光板を省いて、その機能を偏光板２４に兼ねさ
せることもできる。

【００２２】次に、図２の断面図を参照にして第２の実
施例を説明する。この実施例の基本的な構成は第１の実
施例と同じである。ただし、ハーフミラー６、７を３つ
のプリズム３１、３２、３３の接合面で構成し、かつ、
凹面鏡８を平凸レンズ３４の凸面に形成した裏面鏡で構
成する点で異なり、さらに、表示素子４、５を除き、３
つのプリズム３１、３２、３３と平凸レンズ３４と４枚
のλ／４波長板２１、２１、２２、２３と偏光板２４を
それぞれ貼り合わせて一体にしてある。すなわち、平凸
レンズ３４の平面とプリズム３２、３３の射出面の間に
第２のλ／４波長板２２を挟み込んで貼り合わせ、第１
のλ／４波長板２１、２１をそれぞれプリズム３２、３
３の入射面に貼り付け、第３のλ／４波長板２３と偏光
板２４をこの順でプリズム３１の射出面に貼り付けてあ
る。

【００２３】このような構成において、２枚の表示素子
４、５からの映像が合成されて観察される作用、及び、
表示素子４、５の発する光及び眼球側から入射してくる
外界光によってフレアー光が生じない作用は第１の実施
例と同じであるが、この実施例のように、途中の光路を
プリズム３１、３２、３３と平凸レンズ３４で充填して
一体にすると、光学系全体がコンパクトになると共に、
光路長も長くとれるので、光学系と眼球の間隔を広げる
ことができ、したがって、使用環境が向上する。

【００２４】図３の断面図を参照にして第３の実施例を
説明する。光学配置は基本的に図６の先行例と同じであ
り、第１の実施例との相違点は、ハーフミラー６、７の
「Ｖ」字形の向きが逆になっており、かつ、それぞれ表
示素子４、５と対をなすハーフミラー６、７が各表示素
子より遠い側に配置され、表示素子４の像はハーフミラ
ー７を透過してハーフミラー６で、同じく表示素子５の
像はハーフミラー６を透過してハーフミラー７で反射さ
れ、表示素子４、５からの投射光はハーフミラーを一回
余分に通過しなければならない点である。

【００２５】このような配置において、表示素子４から
の投射光は、順に、第１のλ／４波長板２１を通過、
ハーフミラー７を通過、ハーフミラー６で反射、
第２のλ／４波長板２２を通過、凹面鏡８で反射、
第２のλ／４波長板２２を通過、ハーフミラー６を通
過、第３のλ／４波長板２３を通過、偏光板２４を
通過して、最後的には眼球に到る。この際の偏光状態
は、初期のＳ偏光から、円偏光、円偏光、円偏
光、Ｐ偏光、Ｐ偏光、円偏光、円偏光、Ｓ偏
光、Ｓ偏光となり、偏光板２４を通過して表示素子４
の像は眼球に達する。表示素子５から投射光も同様であ
る。一方、表示素子４からの投射光の中、ハーフミラー
７で反射した成分は、眼球直前の第３のλ／４波長板２
３でＰ偏光に変換されるため、Ｓ方向を向いている偏光
板２４で遮光される。同様に、表示素子５からの投射光
の中、ハーフミラー６で反射した成分も、偏光板２４で
遮光される。したがって、表示素子４、５の発する光に
よって生じるフレアー光は防止される。

【００２６】また、眼球方向から外界光が偏光板２４に
入射して、ハーフミラー６、７で２回反射して戻ってく
るときも、眼球直前の第３のλ／４波長板２３を２回通
過するため、Ｐ偏光となって偏光板２４で遮光されるた
め、眼球側から入射してくる外界光によってもフレアー
光は生じない。

【００２７】このようにして、上記２種類の原因で発生
するフレアー光がカットでき、使用者は、フレアー光の
ないクリアーな映像を観察することができる。

【００２８】なお、この実施例においても、表示素子
４、５にＬＣＤを用いる場合、そのＬＣＤのλ／４波長
板２１側の偏光板を省いて、その機能を偏光板２４に兼
ねさせることもできる。また、第２の実施例と同様、途
中の光路をプリズム及び平凸レンズで充填して一体にす
ることができ、光学系全体がコンパクトにできると共に
光路長も長くとれ、光学系と眼球の間隔を広げることが
でき、したがって、使用環境が向上することになる。

【００２９】ところで、上記の何れかの実施例の表示装
置を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持
することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部
装着式視覚表示装置のようなポータブル型の視覚表示装
置として構成することができる。このようなポータブル
型の視覚表示装置の１例の全体の構成を図４に示す。表
示装置本体５０には、上記の何れかの実施例の表示装置
が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示
素子からなる表示素子が配置されている。本体５０に左
右に連続して図示のような側頭フレーム５１が設けら
れ、両側の側頭フレーム５１は頭頂フレーム５２でつな
がれており、また、両側の側頭フレーム５１の中間には
板バネ５３を介してリアフレーム５４が設けてあり、リ
アフレーム５４を眼鏡のツルのように観察者の両耳の後
部に当て、また、頭頂フレーム５２を観察者の頭頂に載
せることにより、表示装置本体５０を観察者の眼前に保
持できるようになっている。なお、頭頂フレーム５２の
内側には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッド５５
が取り付けてあり、同様にリアフレーム５４の内側にも
同様なパッドが取り付けられており、この表示装置を頭
部に装着したときに違和感を感じないようにしてある。

【００３０】また、リアフレーム５４にはスピーカ５６
が付設されており、映像観察と共に立体音響を聞くこと
ができるようになっている。このようにスピーカ５６を
有する表示装置本体５０には、映像音声伝達コード５７
を介してボータブルビデオカセット等の再生装置５８が
接続されているので、観察者はこの再生装置５８を図示
のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像、
音響を楽しむことができるようになっている。図示の５
９は再生装置５８のスイッチ、ボリューム等の調節部で
ある。なお、頭頂フレーム５２の内部に、映像処理・音
声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。

【００３１】なお、コード５７は先端をジャックにし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
観賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。

【００３２】以上、本発明の視覚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、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、表示
素子４、５として、ＬＣＤ（液晶表示素子）の代わり
に、直線偏光した光で照明される表示素子、表示面に偏
光板を有する表示素子等を用いることもできる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の視覚表示装置によると、接眼光学系の光学配置から、
小型で、広画角、高解像で映像を観察することができる
ことに加え、４枚の４分の１波長板と１枚の偏光板を組
み合わせ、２次元表示手段からの投射光の偏光の向きと
偏光板の向きを一致させておくことにより、正規の光路
を通った光のみを眼球に導いて映像表示を行い、正規光
路外の反射面によって反射された光によって生じるフレ
アー光、及び、眼球方向からの外界光によって生じるフ
レアー光をカットすることができ、明るくコントラスト
の高い映像を観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の視覚表示装置の第１の実施例の断面図
である。

【図２】本発明の視覚表示装置の第２の実施例の断面図
である。

【図３】本発明の視覚表示装置の第３の実施例の断面図
である。

【図４】本発明によるポータブル型の視覚表示装置の１
例の全体の構成を示す図である。

【図５】すでに提案した視覚表示装置の第１の形態の断
面図である。

【図６】すでに提案した視覚表示装置の第２の形態の断
面図である。

【図７】すでに提案した視覚表示装置においてフレアー
光を遮断するための１つの配置を示す断面図である。

【符号の説明】

４、５…表示素子 ６、７…ハーフミラー ８…凹面鏡 ９…オーバーラップ領域 １０、１１、１０′、１１′…像 ２１…第１のλ／４波長板 ２２…第２のλ／４波長板 ２３…第３のλ／４波長板 ２４…偏光板 ３１、３２、３３…プリズム ３４…平凸レンズ ５０…表示装置本体 ５１…側頭フレーム ５２…頭頂フレーム ５３…板バネ ５４…リアフレーム ５５…頭頂パッド ５６…スピーカ ５７…映像音声伝達コード ５８…再生装置 ５９…スイッチ、ボリューム等の調節部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元表示手段と、前記２次元表示手段
   によって形成された映像を投影し、観察者眼球に導く接
   眼光学系とからなる視覚表示装置において、 前記２次元表示手段が、少なくとも、観察者眼球に導か
   れる映像の少なくとも一部を表示する偏光した光を射出
   する第１映像表示手段と、前記の映像表示部分と異なる
   他の部分を含む前記の映像表示部分を表示する偏光した
   光を射出する第２映像表示手段とを含み、かつ、前記接
   眼光学系が、前記第１映像表示手段により形成された第
   １の映像を反射する第１の反射面と、前記第２映像表示
   手段により形成された第２の映像を反射する第２の反射
   面と、前記第１の映像と前記第２の映像との合成像を拡
   大投影して観察者眼球内に導く正のパワーを有する反射
   光学系とを含み、前記第１の反射面に対して前記第２の
   反射面が角度をなして配置されており、 前記第１映像表示手段と前記第１の反射面の間、前記第
   ２映像表示手段と前記第２の反射面の間それぞれに４分
   の１波長板が配置され、また、前記第１及び第２の２つ
   の反射面と前記反射光学系の間に４分の１波長板が配置
   され、さらに、前記の２つの反射面と観察者眼球の間
   に、前記の２つの反射面に近い側から、４分の１波長板
   と偏光板が配置されていることを特徴とする視覚表示装
   置。
2. 【請求項２】 前記の２つの反射面を内部に持つ直方体
   のプリズムと、前記反射光学系として平凸レンズの凸面
   に形成された裏面鏡と、前記の４つの４分の１波長板
   と、前記偏光板とがそれぞれ貼り合わされて一体になっ
   ていることを特徴とする請求項１記載の視覚表示装置。
3. 【請求項３】 前記２次元表示手段として、液晶表示素
   子、偏光光で照明された表示素子、又は、表示面に偏光
   板を有する表示素子を用いたことを特徴とする請求項１
   又は２記載の視覚表示装置。