JP2014199349A - Head-mounted display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学透過型のヘッドマウントディスプレイに関する。 The present invention relates to an optical transmission type head mounted display.
光学透過型のヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、ＨＭＤ）が知られている。光学透過型のＨＭＤは、透過型の偏向部材によって、外光の一部を透過するとともに、画像光を偏向する。使用者は、眼前の景色に所望画像を重ね、認識することができる。ＨＭＤ本体が使用者の眼前に配置された場合、使用者の眼前からの光がＨＭＤ本体によって遮蔽される。光学透過型のＨＭＤでは、使用者の眼前からの光を使用者の眼に直接導く必要があるため、ＨＭＤ本体を使用者の眼前に配置できない。これに対して特許文献１には、所望画像の光を使用者の眼に導く光学系を、使用者の眼前に対して横方向に配置することによって、使用者の眼前からの光が遮蔽されることを防止する光学透過型のＨＭＤが提案されている。 An optical transmission type head mounted display (HMD) is known. The optical transmission type HMD transmits a part of external light and deflects image light by a transmission type deflection member. The user can recognize the desired image by superimposing it on the scene in front of him. When the HMD main body is arranged in front of the user's eyes, light from the user's front is shielded by the HMD main body. In the optical transmission type HMD, it is necessary to guide light from the user's eyes directly to the user's eyes, so the HMD main body cannot be placed in front of the user's eyes. On the other hand, in Patent Document 1, an optical system that guides light of a desired image to the user's eyes is arranged in a lateral direction with respect to the user's eyes, thereby blocking light from the user's eyes. Optical transmission type HMDs that prevent this have been proposed.
歪の小さい画像を使用者に認識させる為の光学系の配置が、使用者に対する特定の位置に制約される場合がある。例えば特許文献１では、使用者の眼前に対する横方向の近傍に光学系が配置される。 The arrangement of the optical system for allowing the user to recognize an image with small distortion may be restricted to a specific position with respect to the user. For example, in patent document 1, an optical system is arrange | positioned in the horizontal direction vicinity with respect to a user's eyes.
特許文献１に記載された光学系の配置が、使用者が装着した状態の眼鏡のフレームの配置と重複する場合がある。この場合、使用者は、眼鏡を装着した状態でＨＭＤを使用できないという問題点がある。 The arrangement of the optical system described in Patent Document 1 may overlap with the arrangement of the frame of the glasses worn by the user. In this case, there is a problem that the user cannot use the HMD while wearing glasses.
本発明の目的は、眼鏡を装着した使用者であっても使用可能なヘッドマウントディスプレイを提供することである。 An object of the present invention is to provide a head mounted display that can be used even by a user wearing spectacles.
本発明の一側面は、画像を形成する画像形成部と、前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と前記画像形成部及び前記光学部材を保持する保持部材とを備え、前記光学部材は、前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部とを備え、前記反射部は、前記保持部材がユーザの頭部に装着される装着部材に取り付けられた場合に、前記反射部及び前記光学部に対する固定的な位置であって前記画像光が入射する瞳孔位置から、前記画像光の入射方向に沿って１６ｍｍ以上離隔した位置に配置し、前記光学部は、前記瞳孔位置から異なる方向に延びる２つの直線であって、前記保持部材が前記装着部材に取り付けられた状態で前記瞳孔位置と前記反射部とを結ぶ直線である第１直線と、前記第１直線に直交して前記ユーザから離隔する方向に延びる第２直線とのうち、前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１直線及び前記第２直線を含む平面に直交して前記瞳孔位置から延びる仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置し、前記仮想平面は、前記第１直線に沿って前記瞳孔位置から前記反射部に延びる向きに対し、前記光学部側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイである。 One aspect of the present invention includes an image forming unit that forms an image, an optical member that guides image light from the image forming unit, and a holding member that holds the image forming unit and the optical member. A free curved surface reflecting portion that reflects the image light and transmits light from the outside, and an optical portion that guides the image light formed in the image forming portion to the reflecting portion. When the holding member is attached to a mounting member that is mounted on the user's head, the image light from a pupil position where the image light is incident is a fixed position with respect to the reflecting portion and the optical portion. The optical unit is two straight lines extending in different directions from the pupil position, and the pupil is in a state where the holding member is attached to the mounting member. Position and anti 44 mm or more away from the pupil position along the second straight line among a first straight line that connects the sections and a second straight line that extends in a direction perpendicular to the first straight line and away from the user. And a virtual plane extending from the pupil position perpendicular to the plane including the first straight line and the second straight line, and disposed on the opposite side to the reflecting portion, and the virtual plane is the first straight line The head-mounted display is a plane inclined at an angle of 60 degrees or more toward the optical unit with respect to the direction extending from the pupil position to the reflecting unit.
本発明では、眼鏡を装着したユーザがヘッドマウントディスプレイを使用した場合に、光学部材は眼鏡のフレームに干渉し難い。従ってユーザは、眼鏡を装着した状態でもヘッドマウントディスプレイを使用できる。 In the present invention, when a user wearing spectacles uses a head-mounted display, the optical member hardly interferes with the frame of the spectacles. Therefore, the user can use the head mounted display even when wearing glasses.
本発明の一側面において、前記光学部は、３つ以上のレンズを備え、前記３つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、前記３つ以上のレンズが備える６つ以上のレンズ面のうち、２面以上が自由曲面であってもよい。これによって光学部は、画像形成部で形成された画像光の収差を補正し、瞳孔位置に導くことができる。従ってヘッドマウントディスプレイは、画質の良好な画像をユーザに視認させることができる。 In one aspect of the present invention, the optical unit includes three or more lenses, and each of the three or more lenses includes two lens surfaces arranged to face each other, and the three or more lenses include six lenses. Of the above lens surfaces, two or more surfaces may be free-form surfaces. As a result, the optical unit can correct the aberration of the image light formed by the image forming unit and guide it to the pupil position. Therefore, the head-mounted display can make the user visually recognize an image with good image quality.
本発明の一側面において、前記３つ以上のレンズのうち２つ以上のレンズは、自由曲面のレンズ面を備えてもよい。これによってヘッドマウントディスプレイは、瞳孔位置に導く画像光の収差を更に良好に補正できる。 In one aspect of the present invention, two or more of the three or more lenses may include a free-form lens surface. Thereby, the head mounted display can correct the aberration of the image light guided to the pupil position more satisfactorily.
本発明の一側面において、前記光学部は、前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から５７ｍｍ以上離れた位置に配置され、前記光学部は、４つ以上のレンズを備え、前記４つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、前記４つ以上のレンズが備える８つ以上のレンズ面のうち、３面以上が自由曲面であってもよい。これによって、ユーザの眼鏡のフレームの形状が異なる場合でも、ヘッドマウントディスプレイが装着された場合に光学部材が眼鏡のフレームに干渉することを防止できる。 In one aspect of the present invention, the optical unit is disposed at a position 57 mm or more away from the pupil position along the second straight line, and the optical unit includes four or more lenses, and the four or more lenses. Each of the lenses includes two lens surfaces arranged to face each other, and three or more of the eight or more lens surfaces included in the four or more lenses may be a free-form surface. This prevents the optical member from interfering with the eyeglass frame when the head mounted display is mounted even when the shape of the eyeglass frame of the user is different.
本発明の一側面において、自由曲面のレンズ面を備えたレンズは、対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、他方のレンズ面が軸対称であってもよい。これによって、ヘッドマウントディスプレイの製造時、レンズの組み付けを容易化できる。 In one aspect of the present invention, in a lens having a free-form surface, only one lens surface of the two lens surfaces facing each other may be a free-form surface, and the other lens surface may be axisymmetric. . This facilitates the assembly of the lens during the manufacture of the head mounted display.
本発明の一側面において、自由曲面のレンズ面を備えたレンズの少なくとも何れかは、対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、他方のレンズ面の光軸は、前記光学部の光軸から離隔してもよい。これによってヘッドマウントディスプレイは、瞳孔位置に導く画像光の収差を更に良好に補正できる。 In one aspect of the present invention, in at least one of the lenses having a free-form lens surface, only one of the two lens surfaces facing each other is a free-form surface, and the optical axis of the other lens surface is The optical unit may be separated from the optical axis. Thereby, the head mounted display can correct the aberration of the image light guided to the pupil position more satisfactorily.
本発明の一側面において、自由曲面のレンズ面を備えたレンズの少なくとも何れかは、対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、他方のレンズ面の光軸と、前記光学部の光軸とが交差してもよい。これによってヘッドマウントディスプレイは、瞳孔位置に導く画像光の収差を更に良好に補正できる。 In one aspect of the present invention, in at least one of the lenses having a free-form lens surface, only one of the two lens surfaces facing each other is a free-form surface, and the optical axis of the other lens surface is The optical axis of the optical unit may intersect. Thereby, the head mounted display can correct the aberration of the image light guided to the pupil position more satisfactorily.
本発明の他の側面は、画像を形成する画像形成部と、前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と前記画像形成部及び前記光学部材を保持し、装着部材に対して取り付け可能な保持部材とを備え、前記光学部材は、前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部とを備え、前記前記画像光の光路において前記反射部よりも前記画像光の進行方向の下流側に光学瞳を形成し、前記反射部は、前記光学瞳から前記反射部に向かう第１方向において、前記光学瞳から１６ｍｍ以上離隔した位置に配置され、前記保持部材は、前記画像形成部及び前記光学部材を、前記装着部材の前記第１方向に直交する第２方向の端部に取り付け可能に構成され、前記光学部材は、前記第２方向において前記光学瞳から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１方向及び前記第２方向に平行な平面に直交して前記光学瞳を含む仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置され、前記仮想平面は、前記第１方向に対し、前記第２方向側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイである。これによれば、眼鏡を装着したユーザがヘッドマウントディスプレイを使用した場合に、光学部材は眼鏡のフレームに干渉し難い。従ってユーザは、眼鏡を装着した状態でもヘッドマウントディスプレイを使用できる。 According to another aspect of the present invention, an image forming unit that forms an image, an optical member that guides image light from the image forming unit, the image forming unit, and the optical member can be held and attached to a mounting member. A holding member, and the optical member guides the image light formed in the image forming unit to the reflecting unit, and a free curved surface reflecting unit that reflects the image light and transmits light from the outside. An optical part, and an optical pupil is formed in the optical path of the image light on the downstream side in the traveling direction of the image light with respect to the reflection part. The reflection part is a first heading from the optical pupil toward the reflection part. The holding member attaches the image forming unit and the optical member to a second direction end perpendicular to the first direction of the mounting member. Configured to enable the light The member is positioned at a distance of 44 mm or more from the optical pupil in the second direction, and the reflecting portion with respect to a virtual plane including the optical pupil orthogonal to a plane parallel to the first direction and the second direction. The virtual plane is a plane inclined at least 60 degrees toward the second direction with respect to the first direction. According to this, when a user wearing spectacles uses a head-mounted display, the optical member hardly interferes with the spectacle frame. Therefore, the user can use the head mounted display even when wearing glasses.
以下、本発明の実施形態であるヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、ＨＭＤ）１について、図１及び図２を参照して説明する。ＨＭＤ１の表示形式は光学透過型である。ハーフミラー２１に対して前方の景色の光は、ハーフミラー２１を透過することによって、ハーフミラー２１の後方に導かれる。ＨＭＤ１がユーザ６に装着されている場合、ユーザ６は、ハーフミラー２１を通して前方の景色を視認できる。ＨＭＤ１の投影形式は虚像投影型である。画像形成部１１に形成された画像の光（以下、「画像光」という。）は、光学部材１２を介してユーザ６の左側の眼７に導かれる。光学部材１２によってＨＭＤ１は、眼前の景色の光に、画像光を重ねてハーフミラー２１の後方に射出することができる。ＨＭＤ１がユーザに装着されている場合、ユーザは、眼前の景色と作成された画像とを重ねて認識させることができる。以下説明において、図１の上側、下側、左側、右側が、夫々、ＨＭＤ１の前側、後側、左側、右側である。 Hereinafter, a head mounted display (HMD) 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The display format of the HMD 1 is an optical transmission type. The scenery light in front of the half mirror 21 is guided behind the half mirror 21 by passing through the half mirror 21. When the HMD 1 is attached to the user 6, the user 6 can visually recognize the scenery in front through the half mirror 21. The projection format of HMD1 is a virtual image projection type. The light of the image formed in the image forming unit 11 (hereinafter referred to as “image light”) is guided to the left eye 7 of the user 6 through the optical member 12. The optical member 12 allows the HMD 1 to emit image light on the scene light in front of the eyes and emit it behind the half mirror 21. When the HMD 1 is worn by the user, the user can recognize the scenery in front of the eyes and the created image in an overlapping manner. In the following description, the upper side, lower side, left side, and right side of FIG. 1 are the front side, rear side, left side, and right side of the HMD 1, respectively.
図１に示すように、ＨＭＤ１は、画像形成部１１、光学部材１２、アダプタ１３、筐体１４、及びミラーホルダ（図示外）を備える。アダプタ１３は、ユーザ６の装着部材に画像形成部１１及び光学部材１２を固定する為の固定治具である。装着部材の例として、眼鏡のフレーム、ヘルメット、及び帽子等の、ユーザの頭部に装着可能な部材が挙げられる。アダプタ１３は装着部材に取り付けられる。図１では、ユーザ６が眼鏡８を装着していることを例に挙げる為、装着部材は眼鏡８である。アダプタ１３は、画像形成部１１及び光学部２２（後述）を、眼鏡８の第１方向である前方向に対して直交する第２方向（例えば、左方向）の端部に取り付ける。具体的には、アダプタ１３は、画像形成部１１及び光学部２２を、左側のフレーム８１に取り付けられる。アダプタ１３が左側のフレーム８１に取り付けられた状態で、画像形成部１１、及び光学部材１２と、眼鏡８との位置関係は固定的になる。眼鏡８がユーザの頭部に装着された場合、フレーム８１とユーザの特定の部位（例えば、ユーザ６の左側の眼７の瞳孔位置２）との位置関係は固定的になる。従って、アダプタ１３がフレーム８１に取り付けられ、且つ、眼鏡８がユーザ６の頭部に装着された場合、画像形成部１１、及び光学部材１２と、ユーザ６の左側の眼７の瞳孔位置２との位置関係は固定的になる。アダプタ１３は、後述する筐体１４の右側面から右側に延びる棒状である。アダプタ１３は、左端部をフレーム８１に固定する。 As shown in FIG. 1, the HMD 1 includes an image forming unit 11, an optical member 12, an adapter 13, a housing 14, and a mirror holder (not shown). The adapter 13 is a fixing jig for fixing the image forming unit 11 and the optical member 12 to the mounting member of the user 6. Examples of the mounting member include members that can be mounted on the user's head, such as a spectacle frame, a helmet, and a hat. The adapter 13 is attached to the mounting member. In FIG. 1, since the user 6 wears the glasses 8 as an example, the wearing member is the glasses 8. The adapter 13 attaches the image forming unit 11 and the optical unit 22 (described later) to an end portion in a second direction (for example, left direction) orthogonal to the front direction which is the first direction of the glasses 8. Specifically, the adapter 13 attaches the image forming unit 11 and the optical unit 22 to the left frame 81. With the adapter 13 attached to the left frame 81, the positional relationship between the image forming unit 11, the optical member 12, and the glasses 8 is fixed. When the glasses 8 are attached to the user's head, the positional relationship between the frame 81 and a specific part of the user (for example, the pupil position 2 of the eye 7 on the left side of the user 6) is fixed. Therefore, when the adapter 13 is attached to the frame 81 and the glasses 8 are attached to the head of the user 6, the image forming unit 11, the optical member 12, and the pupil position 2 of the left eye 7 of the user 6 The positional relationship is fixed. The adapter 13 has a rod shape extending rightward from the right side surface of the casing 14 to be described later. The adapter 13 fixes the left end to the frame 81.
なお、アダプタ１３は、左右方向の長さを調節可能としてもよい。これによって、ＨＭＤ１を使用するユーザ６に装着される眼鏡８の大きさが異なる場合でも、画像形成部１１、及び光学部材１２と、眼鏡８との位置関係を固定的にすることができる。 The adapter 13 may be adjustable in length in the left-right direction. Thereby, even when the size of the glasses 8 attached to the user 6 who uses the HMD 1 is different, the positional relationship between the image forming unit 11 and the optical member 12 and the glasses 8 can be fixed.
画像形成部１１は、画像を形成する液晶ディスプレイである。画像形成部１１は前面に画像を形成させる。光学部材１２は、画像形成部１１に形成された画像光を、ＨＭＤ１の前方に射出する。ＨＭＤ１がユーザに装着されている場合、画像光は、光学部材１２によってユーザ６の左側の眼７に導かれる。光学部材１２は、ハーフミラー２１及び光学部２２を備える。光学部２２は、３つのレンズ３１、３２、３３、及びプリズム３６を備える。レンズ３１、３２及びプリズム３６は、略前後方向に並ぶ。レンズ３３は、プリズム３６の右方に配置される。レンズ３１の後方に、画像形成部１１が配置される。レンズ３１、３２は、画像形成部１１の前面に形成された画像光を後方から前方に通過させ、プリズム３６に導く。プリズム３６は、後方から入射した画像光を右方に曲折させ、レンズ３３に導く。レンズ３３は、左方から入射した画像光を右方に通過させ、ハーフミラー２１（後述）に導く。 The image forming unit 11 is a liquid crystal display that forms an image. The image forming unit 11 forms an image on the front surface. The optical member 12 emits the image light formed in the image forming unit 11 to the front of the HMD 1. When the HMD 1 is worn by the user, the image light is guided to the left eye 7 of the user 6 by the optical member 12. The optical member 12 includes a half mirror 21 and an optical unit 22. The optical unit 22 includes three lenses 31, 32, 33 and a prism 36. The lenses 31 and 32 and the prism 36 are arranged substantially in the front-rear direction. The lens 33 is disposed on the right side of the prism 36. The image forming unit 11 is disposed behind the lens 31. The lenses 31 and 32 allow the image light formed on the front surface of the image forming unit 11 to pass from the rear to the front and guide the light to the prism 36. The prism 36 bends the image light incident from the rear to the right and guides it to the lens 33. The lens 33 allows image light incident from the left to pass to the right and guides it to the half mirror 21 (described later).
図２は、プリズム３６が省略された状態の光学部材１２の位置関係を示している。光学部材１２は、画像光の光路中に、第１光学瞳１７と、第２光学瞳１８とを形成する。第１光学瞳１７は、画像光の光路において、第２光学瞳１８よりも画像光の進行方向の上流側に形成される。第１光学瞳１７は、レンズ３１とレンズ３２との間に形成される。第２光学瞳１８は、ハーフミラー２１よりも画像光の光路において画像光の進行方向の下流側に形成される。第２光学瞳１８は、具体的には、ハーフミラー２１に対して１６ｍｍ以上後方向に離間した位置に形成される。本実施形態では、第２光学瞳１８とハーフミラー２１との間隔は１６ｍｍ以上である。なお、眼鏡８がユーザ６に装着される場合、第２光学瞳１８はユーザの左側の眼７の瞳孔位置２に一致する。 FIG. 2 shows the positional relationship of the optical member 12 with the prism 36 omitted. The optical member 12 forms a first optical pupil 17 and a second optical pupil 18 in the optical path of the image light. The first optical pupil 17 is formed upstream of the second optical pupil 18 in the traveling direction of the image light in the optical path of the image light. The first optical pupil 17 is formed between the lens 31 and the lens 32. The second optical pupil 18 is formed on the downstream side of the traveling direction of the image light in the optical path of the image light with respect to the half mirror 21. Specifically, the second optical pupil 18 is formed at a position spaced 16 mm or more rearward from the half mirror 21. In the present embodiment, the distance between the second optical pupil 18 and the half mirror 21 is 16 mm or more. When the glasses 8 are worn on the user 6, the second optical pupil 18 matches the pupil position 2 of the left eye 7 of the user.
レンズ３１は、対向配置する２つのレンズ面３１１、３１２を備える。画像形成部１１に近接する側がレンズ面３１１であり、画像形成部１１から離隔する側がレンズ面３１２である。レンズ面３１１は自由曲面である。レンズ面３１２は非球面である。レンズ面３１２は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面３１２の対称軸は、レンズ面３１２の光軸と一致する。レンズ面３１２の光軸は、光学部２２内での画像光の中心軸（以下、「光学部２２の光軸１６」という。）から離隔し、且つ、レンズ面３１２の光軸と光学部２２の光軸１６とは交差する。即ち、レンズ面３１２の光軸は、光学部２２の光軸１６に対して傾いている。 The lens 31 includes two lens surfaces 311 and 312 that are arranged to face each other. The side close to the image forming unit 11 is a lens surface 311, and the side away from the image forming unit 11 is a lens surface 312. The lens surface 311 is a free-form surface. The lens surface 312 is aspheric. The lens surface 312 has rotational symmetry about the symmetry axis. The symmetry axis of the lens surface 312 coincides with the optical axis of the lens surface 312. The optical axis of the lens surface 312 is separated from the central axis of the image light in the optical unit 22 (hereinafter referred to as “optical axis 16 of the optical unit 22”), and the optical axis of the lens surface 312 and the optical unit 22 are separated. Intersects with the optical axis 16. That is, the optical axis of the lens surface 312 is inclined with respect to the optical axis 16 of the optical unit 22.
レンズ３２は、対向配置する２つのレンズ面３２１、３２２を備える。レンズ３１に近接する側がレンズ面３２１であり、レンズ３１から離隔する側がレンズ面３２２である。レンズ面３２１、３２２は、何れも非球面である。レンズ面３２１、３２２は、夫々、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面３２１、３２２の夫々の対称軸は、夫々の面の光軸と一致する。又、レンズ面３２１、３２２の光軸は、光学部２２の光軸１６と一致する。 The lens 32 includes two lens surfaces 321 and 322 arranged to face each other. The side close to the lens 31 is a lens surface 321, and the side away from the lens 31 is a lens surface 322. The lens surfaces 321 and 322 are both aspherical surfaces. The lens surfaces 321 and 322 each have rotational symmetry about the symmetry axis. The symmetry axes of the lens surfaces 321 and 322 coincide with the optical axes of the respective surfaces. Further, the optical axes of the lens surfaces 321 and 322 coincide with the optical axis 16 of the optical unit 22.
レンズ３３は、対向配置する２つのレンズ面３３１、３３２を備える。ハーフミラー２１から離隔する側（プリズム３６（図１参照）に近接する側）がレンズ面３３１であり、ハーフミラー２１に近接する側（プリズム３６から離隔する側）がレンズ面３３２である。レンズ面３３１は非球面である。レンズ面３３１は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面３３１の対称軸は、レンズ面３３１の光軸１６と一致する。レンズ面３３１の光軸は、光学部２２の光軸１６から離隔し、且つ、レンズ面３３１の光軸と光学部２２の光軸１６とは交差する。即ち、レンズ面３３１の光軸は、光学部２２の光軸１６に対して傾いている。レンズ面３３２は自由曲面である。 The lens 33 includes two lens surfaces 331 and 332 arranged to face each other. The lens surface 331 is the side away from the half mirror 21 (side closer to the prism 36 (see FIG. 1)), and the side closer to the half mirror 21 (side away from the prism 36) is the lens surface 332. The lens surface 331 is an aspherical surface. The lens surface 331 has rotational symmetry about the symmetry axis. The symmetry axis of the lens surface 331 coincides with the optical axis 16 of the lens surface 331. The optical axis of the lens surface 331 is separated from the optical axis 16 of the optical unit 22, and the optical axis of the lens surface 331 and the optical axis 16 of the optical unit 22 intersect. That is, the optical axis of the lens surface 331 is inclined with respect to the optical axis 16 of the optical unit 22. The lens surface 332 is a free-form surface.
なお、画像形成部１１とレンズ３１との間の長さは１１．１５９ｍｍである。レンズ３１、３２間の長さは２３．３１３ｍｍである。レンズ３２、３３間の長さは４８．５５ｍｍである。レンズ３３とハーフミラー２１との間の長さは５５ｍｍである。 Note that the length between the image forming unit 11 and the lens 31 is 11.159 mm. The length between the lenses 31 and 32 is 23.313 mm. The length between the lenses 32 and 33 is 48.55 mm. The length between the lens 33 and the half mirror 21 is 55 mm.
以上のように、３つのレンズ３１〜３３のうち２つのレンズ３１、３３は、夫々、一方のレンズ面が自由曲面となる。また、３つのレンズ３１〜３３が備える合計６つのレンズ面３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２は、２つのレンズ面３１１、３３２が自由曲面となり、残りの４面が非球面となる。２つのレンズ３１、３３の夫々の一方のレンズ面を自由曲面とした理由は、画像形成部１１で形成された画像光の収差を補正することによって、歪の小さい画像光を瞳孔位置２に導く為である。また、２つのレンズ３１、３３の夫々の他方のレンズ面を、対称軸を有する非球面とした理由は、ＨＭＤ１の製造工程においてレンズ３１、３３の組み付けを容易化するためである。即ち、レンズ３１、３３の位置決めを、レンズ面３１２、３３１の光軸（対称軸）を光学部２２の光軸１６に合わせることで行うことができるので、レンズ３１、３３の位置を容易に特定し、組み付けることができる。 As described above, of the three lenses 31 to 33, one of the two lenses 31 and 33 has a free curved surface. In addition, a total of six lens surfaces 311, 312, 321, 322, 331, 332 and 332 included in the three lenses 31 to 33 have two lens surfaces 311 and 332 that are free-form surfaces, and the remaining four surfaces are aspheric surfaces. The reason why one lens surface of each of the two lenses 31 and 33 is a free curved surface is that the image light with a small distortion is guided to the pupil position 2 by correcting the aberration of the image light formed by the image forming unit 11. Because of that. The reason why the other lens surface of each of the two lenses 31 and 33 is an aspherical surface having a symmetry axis is to facilitate the assembly of the lenses 31 and 33 in the manufacturing process of the HMD 1. That is, since the lenses 31 and 33 can be positioned by aligning the optical axis (symmetric axis) of the lens surfaces 312 and 331 with the optical axis 16 of the optical unit 22, the positions of the lenses 31 and 33 can be easily specified. And can be assembled.
また、合計６つのレンズ面のうち２つのレンズ面を自由曲面とした理由は、画像光の収差をより効果的に補正するためである。また、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸を、光学部２２の光軸１６から離隔（軸外し）させ、且つ、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸と光学部２２の光軸１６とを交差（ティルト）させた理由は、画像光の収差を更に効果的に補正する為である。 The reason why two of the six lens surfaces are free curved surfaces is to more effectively correct the aberration of the image light. Further, the optical axes of the lens surfaces 312 and 331 are separated (off-axis) from the optical axis 16 of the optical unit 22, and the optical axes of the lens surfaces 312 and 331 and the optical axis 16 of the optical unit 22 are separated from each other. The reason for crossing (tilting) is to correct the aberration of the image light more effectively.
図１に示すように、画像形成部１１、及び光学部２２（レンズ３１、３２、３３、及びプリズム３６）は、筐体１４に収容される。アダプタ１３が左側のフレーム８１に取り付けられた状態で、筐体１４は、眼鏡８の左側に配置される。眼鏡８がユーザ６の頭部に装着された場合、筐体１４は、ユーザ６の頭部の左側に配置される。筐体１４の形状は略直方体である。筐体１４の長手方向は前後方向を向く。筐体１４の左側面の前端は右側に傾斜する。筐体１４の右側面の前端は右方に僅かに突出する。筐体１４の右側に突出する部分の右側面に、開口部が設けられる。レンズ３３は、開口部の左側に配置される。画像形成部１１で形成された画像光は、レンズ３１、３２、プリズム３６、及びレンズ３３の順に通過し、開口部から右方に出射される。 As shown in FIG. 1, the image forming unit 11 and the optical unit 22 (lenses 31, 32, 33 and prism 36) are accommodated in the housing 14. With the adapter 13 attached to the left frame 81, the housing 14 is disposed on the left side of the glasses 8. When the glasses 8 are attached to the head of the user 6, the housing 14 is disposed on the left side of the user 6 's head. The shape of the housing 14 is a substantially rectangular parallelepiped. The longitudinal direction of the housing 14 faces the front-rear direction. The front end of the left side surface of the housing 14 is inclined to the right side. The front end of the right side surface of the housing 14 slightly protrudes to the right. An opening is provided on the right side surface of the portion protruding to the right side of the housing 14. The lens 33 is disposed on the left side of the opening. The image light formed by the image forming unit 11 passes through the lenses 31 and 32, the prism 36, and the lens 33 in this order, and is emitted to the right from the opening.
ハーフミラー２１は、瞳孔位置２の前方且つレンズ３３の右方に配置される。ハーフミラー２１は、筐体１４から延びるミラーホルダ（図示外）によって固定される。ハーフミラー２１は、前方の外界の光を前方から後方に透過させる。ハーフミラー２１は反射面２１１を備える。反射面２１１は左斜め後方を向く。ハーフミラー２１は、光学部２２のレンズ３３から右方に出射された画像光を、反射面２１１で後方に反射する。反射面２１１の表面は自由曲面である。ハーフミラー２１の反射面２１１を自由曲面とした理由は、ハーフミラー２１を小型化した場合に発生する収差を補正する為である。 The half mirror 21 is disposed in front of the pupil position 2 and to the right of the lens 33. The half mirror 21 is fixed by a mirror holder (not shown) extending from the housing 14. The half mirror 21 transmits light from outside in the front from the front to the rear. The half mirror 21 includes a reflecting surface 211. The reflective surface 211 faces diagonally to the left. The half mirror 21 reflects the image light emitted rightward from the lens 33 of the optical unit 22 by the reflecting surface 211. The surface of the reflecting surface 211 is a free-form surface. The reason why the reflecting surface 211 of the half mirror 21 is a free curved surface is to correct aberrations that occur when the half mirror 21 is downsized.
ハーフミラー２１は、眼鏡８に対して所定の位置に配置される。この所定の位置は、眼鏡８がユーザ６の頭部の頭部に装着された場合に、ハーフミラー２１と瞳孔位置２との間の距離Ｑが１６ｍｍ以上となる位置である。詳細には次の通りである。反射面２１１で反射され瞳孔位置２に入射する画像光の延びる方向を、入射方向とする。図２において、入射方向は後方向に一致する。瞳孔位置２から入射方向に沿って延びる直線を、第１直線３とする。そして、第１直線３にハーフミラー２１を投影した場合の投影像のうち、瞳孔位置２に最も近接する位置Ｑｐを特定する。図１の場合、ハーフミラー２１のうち後側の端部を第１直線３に投影した場合の投影像の位置が、位置Ｑｐに相当する。そして、特定された位置Ｑｐと瞳孔位置２との間の距離Ｑが１６ｍｍ以上となるように、ハーフミラー２１が配置される。この位置にハーフミラー２１が配置された場合、ハーフミラー２１は瞳孔位置２から十分離隔する。従って、ユーザ６が眼鏡８を装着している場合でも、ハーフミラー２１に眼鏡８の左側のレンズ８２が接触し難くなる。なお、前記したように、眼鏡８がユーザ６の頭部の頭部に装着された場合に、第２光学瞳１８と瞳孔位置２とは一致する。従って、ハーフミラー２１と瞳孔位置２との間の距離Ｑが１６ｍｍ以上という条件は、HMD１がユーザ６に装着されずに単独で存在している場合、ハーフミラー２１の最も後側の位置が、第２光学瞳に対して前方向に１６ｍｍ以上離間するという条件に等価である。 The half mirror 21 is disposed at a predetermined position with respect to the glasses 8. This predetermined position is a position where the distance Q between the half mirror 21 and the pupil position 2 is 16 mm or more when the glasses 8 are worn on the head of the user 6. Details are as follows. The extending direction of the image light reflected by the reflecting surface 211 and incident on the pupil position 2 is defined as an incident direction. In FIG. 2, the incident direction coincides with the backward direction. A straight line extending from the pupil position 2 along the incident direction is defined as a first straight line 3. Then, the position Qp closest to the pupil position 2 is specified among the projected images when the half mirror 21 is projected onto the first straight line 3. In the case of FIG. 1, the position of the projected image when the rear end portion of the half mirror 21 is projected onto the first straight line 3 corresponds to the position Qp. And the half mirror 21 is arrange | positioned so that the distance Q between the specified position Qp and the pupil position 2 may be 16 mm or more. When the half mirror 21 is disposed at this position, the half mirror 21 is sufficiently separated from the pupil position 2. Therefore, even when the user 6 is wearing the glasses 8, the lens 82 on the left side of the glasses 8 is unlikely to contact the half mirror 21. As described above, when the glasses 8 are worn on the head of the user 6, the second optical pupil 18 and the pupil position 2 coincide. Therefore, the condition that the distance Q between the half mirror 21 and the pupil position 2 is 16 mm or more is that when the HMD 1 exists alone without being worn by the user 6, the rearmost position of the half mirror 21 is This is equivalent to the condition that the distance from the second optical pupil is 16 mm or more in the forward direction.
また、光学部２２と瞳孔位置２との間の距離Ｒは、４４ｍｍ以上に設定される。詳細には次の通りである。第１直線３に対して直交し、且つ、ユーザから離隔する方向（左方向）に向けて瞳孔位置２から延びる直線を、第２直線４とする。そして、第２直線４に光学部２２（レンズ３１〜３３、及びプリズム３６）を投影した場合の投影像のうち、瞳孔位置２に最も近接する位置Ｒｐを特定する。図１の場合、レンズ３３を第２直線４に投影した場合の投影像の位置が、位置Ｒｐに相当する。そして、特定された位置Ｒｐと瞳孔位置２との間の距離Ｒが４４ｍｍ以上となるように、光学部２２が配置される。この位置に光学部２２が配置された場合、光学部２２は瞳孔位置２から十分離隔する。従って、ユーザ６が眼鏡８を装着している場合でも、眼鏡８の左側のフレーム８１に光学部２２が接触し難くなる。なお、位置Ｒｐと瞳孔位置２との間の距離Ｒが４４ｍｍ以上という条件は、HMD１がユーザ６に装着されずに単独で存在している場合、光学部２２の最も右側の位置が、第２光学瞳１８に対して左方向に４４ｍｍ以上離間するという条件に等価である。 The distance R between the optical unit 22 and the pupil position 2 is set to 44 mm or more. Details are as follows. A straight line that is orthogonal to the first straight line 3 and extends from the pupil position 2 in a direction (leftward) away from the user is referred to as a second straight line 4. Then, the position Rp closest to the pupil position 2 is specified among the projected images when the optical unit 22 (lenses 31 to 33 and the prism 36) is projected onto the second straight line 4. In the case of FIG. 1, the position of the projected image when the lens 33 is projected onto the second straight line 4 corresponds to the position Rp. And the optical part 22 is arrange | positioned so that the distance R between the specified position Rp and the pupil position 2 may be 44 mm or more. When the optical unit 22 is disposed at this position, the optical unit 22 is sufficiently separated from the pupil position 2. Therefore, even when the user 6 is wearing the glasses 8, the optical unit 22 is less likely to contact the left frame 81 of the glasses 8. The condition that the distance R between the position Rp and the pupil position 2 is 44 mm or more is that the rightmost position of the optical unit 22 is the second position when the HMD 1 exists alone without being worn by the user 6. This is equivalent to the condition that the optical pupil 18 is separated by 44 mm or more in the left direction.
更に光学部２２は、次の領域に配置される。第１直線３と第２直線４とを含む平面に直交して瞳孔位置２から延びる仮想平面５を定義する。仮想平面５は、第１直線３に沿って第２光学瞳１８からハーフミラー２１側に延びる向き９に対し、左側に６０度以上（角度Ｐ）傾いている。なお、向き９は前方向に一致する。なお、前記したように、ＨＭＤ１がユーザ６の頭部に装着された場合、第２光学瞳１８は瞳孔位置２に一致する。仮想平面５によって分割される２つの領域のうち、ハーフミラー２１が配置される側の領域を領域５１とし、反対側の領域を領域５２とする。光学部２２は、領域５２に配置される。この位置に光学部２２が配置された場合、ユーザ６が前方の対象物を明確に認識できる視覚の領域よりも、光学部２２は後側に配置されることになる。従って、ユーザ６は広い視野を確保できる。また、光学部２２の重心を、よりユーザ６の後側に配置できる。この場合、光学部２２の重量によってユーザ６の顔が押し下げられることを抑制できるので、ユーザ６はＨＭＤ１を快適に使用することができ、長時間使用しても疲れ難くなる。 Furthermore, the optical unit 22 is arranged in the next region. A virtual plane 5 extending from the pupil position 2 perpendicular to the plane including the first straight line 3 and the second straight line 4 is defined. The virtual plane 5 is inclined 60 degrees or more (angle P) to the left with respect to the direction 9 extending from the second optical pupil 18 toward the half mirror 21 along the first straight line 3. The direction 9 coincides with the forward direction. As described above, when the HMD 1 is mounted on the head of the user 6, the second optical pupil 18 coincides with the pupil position 2. Of the two regions divided by the virtual plane 5, a region on the side where the half mirror 21 is arranged is a region 51, and a region on the opposite side is a region 52. The optical unit 22 is disposed in the region 52. When the optical unit 22 is arranged at this position, the optical unit 22 is arranged behind the visual region where the user 6 can clearly recognize the front object. Therefore, the user 6 can ensure a wide visual field. In addition, the center of gravity of the optical unit 22 can be further arranged on the rear side of the user 6. In this case, the face of the user 6 can be suppressed from being pushed down by the weight of the optical unit 22, so that the user 6 can comfortably use the HMD 1 and is less likely to get tired even if used for a long time.
以上のようにＨＭＤ１は、ハーフミラー２１を瞳孔位置２から離隔させ、且つ、光学部２２を瞳孔位置２から離隔させることができる為、光学部材１２が装着部材（例えば、ユーザ６が装着する眼鏡８）に接触することを防止できる。 As described above, the HMD 1 can separate the half mirror 21 from the pupil position 2 and the optical unit 22 from the pupil position 2, so that the optical member 12 is mounted on the mounting member (for example, glasses worn by the user 6. 8) can be prevented from contacting.
なお通常、光学部材１２をユーザ６から離隔させた場合、画像形成部１１で形成された画像光を瞳孔位置２で結像させる為には、ハーフミラー２１の大きさを大きくしなければならない。これに対して本実施形態では、小型のハーフミラー２１でも画像光を瞳孔位置２で結像させることが可能なように、ハーフミラー２１の反射面２１１を自由曲面としている。また、光学部２２をユーザ６の視覚外に配置された場合、反射面２１１での画像光の反射角は大きくなり、収差が発生し易くなる。これに対して本実施形態では、ハーフミラー２１の反射面２１１の自由曲面の形状を調整することによって、収差を補正している。更に、反射面２１１の形状の調整では補正しきれない収差を、レンズ３１のレンズ面３１１及びレンズ３３のレンズ面３３２の自由曲面の形状を調整することで補正している。これによって、ＨＭＤ１の光学部材１２は、歪の小さい画像光を瞳孔位置２に導き、ユーザ６に良好な画像を認識させることができる。 Normally, when the optical member 12 is separated from the user 6, the size of the half mirror 21 must be increased in order to form the image light formed by the image forming unit 11 at the pupil position 2. On the other hand, in the present embodiment, the reflecting surface 211 of the half mirror 21 is a free-form surface so that the small half mirror 21 can form image light at the pupil position 2. In addition, when the optical unit 22 is disposed outside the vision of the user 6, the reflection angle of the image light on the reflection surface 211 becomes large, and aberration is likely to occur. In contrast, in the present embodiment, the aberration is corrected by adjusting the shape of the free-form surface of the reflection surface 211 of the half mirror 21. Furthermore, aberrations that cannot be corrected by adjusting the shape of the reflecting surface 211 are corrected by adjusting the shapes of the free curved surfaces of the lens surface 311 of the lens 31 and the lens surface 332 of the lens 33. Thereby, the optical member 12 of the HMD 1 can guide the image light with small distortion to the pupil position 2 and allow the user 6 to recognize a good image.
図３から図５を参照し、ＨＭＤ１を用いて実施した評価の結果について説明する。図３のグラフは、ＨＭＤ１における画像光の結像状態を示す。横軸の空間周波数（単位：cycles/mm）は、縞模様の幅１ｍｍ当たりの本数を示す。縞模様は、瞳孔位置２に配置される。縦軸は光学伝達関数（Optical Transfer Function、OTF）の絶対値（以下、単に「ＯＴＦ」という。）であり、結像状態を示すパラメータである。ＯＴＦが０．５以上となった場合、結像状態は良好であると判断される。 With reference to FIG. 3 to FIG. 5, the results of evaluation performed using the HMD 1 will be described. The graph of FIG. 3 shows the imaging state of the image light in the HMD 1. The spatial frequency (unit: cycles / mm) on the horizontal axis indicates the number of striped patterns per 1 mm width. The striped pattern is arranged at the pupil position 2. The vertical axis represents an absolute value (hereinafter simply referred to as “OTF”) of an optical transfer function (OTF), which is a parameter indicating an imaging state. When the OTF is 0.5 or more, it is determined that the imaging state is good.
計測は次のようにして行われた。空間周波数の異なる複数の縞模様が、瞳孔位置２に配置された。そして、縞模様に基づく光が光学部材１２（ハーフミラー２１及び光学部２２）を通過して画像形成部１１上で結像した場合に、結像のＯＴＦが計測された。ＯＴＦの計測は、画像形成部１１上の異なる１１点で行われた。図３における１１本の曲線の夫々は、画像形成部１１上の複数の異なる１１点の夫々でのＯＴＦの計測結果を示している。 The measurement was performed as follows. A plurality of striped patterns having different spatial frequencies were arranged at the pupil position 2. When the light based on the stripe pattern passes through the optical member 12 (the half mirror 21 and the optical unit 22) and forms an image on the image forming unit 11, the OTF of the image formation is measured. The measurement of OTF was performed at 11 different points on the image forming unit 11. Each of the eleven curves in FIG. 3 indicates an OTF measurement result at each of a plurality of different eleven points on the image forming unit 11.
なお、画像形成部１１の１画素の大きさは約１２μｍである。また、空間周波数を４０cycles/mmとした場合の縞模様の幅は約１２μｍ（１２．５μｍ）である。従って、空間周波数が４０cycles/mmである縞模様を使用して計測が行われた場合に、画像形成部１１上で縞模様の光が良好に結像されれば（即ち、ＯＴＦが０．５以上となれば）、光学部材１２は、画像形成部１１で形成された１画素分の画像光を瞳孔位置２で結像させることができる。 The size of one pixel of the image forming unit 11 is about 12 μm. The width of the stripe pattern when the spatial frequency is 40 cycles / mm is about 12 μm (12.5 μm). Therefore, when measurement is performed using a striped pattern having a spatial frequency of 40 cycles / mm, if the striped light is favorably imaged on the image forming unit 11 (that is, the OTF is 0.5). If it becomes above, the optical member 12 can image the image light for 1 pixel formed in the image formation part 11 in the pupil position 2. FIG.
図３に示すように、空間周波数を４０cycles/mmとした場合のＯＴＦは、画像形成部１１上の半分以上の点で０．５以上となることが確認された。この結果から、画像形成部１１で形成された１画素分の画像光は、光学部材１２を通過して瞳孔位置２に到達した場合に、瞳孔位置２で良好に結像されることがわかった。従ってＨＭＤ１は、画像形成部１１で形成された画像光を、瞳孔位置２で良好に再現させることができることがわかった。またユーザ６は、画像形成部１１で形成された１画素分の画像光を良好に認識できることがわかった。 As shown in FIG. 3, it was confirmed that the OTF when the spatial frequency was 40 cycles / mm was 0.5 or more at half or more points on the image forming unit 11. From this result, it was found that the image light for one pixel formed by the image forming unit 11 is favorably imaged at the pupil position 2 when it passes through the optical member 12 and reaches the pupil position 2. . Therefore, it was found that the HMD 1 can satisfactorily reproduce the image light formed by the image forming unit 11 at the pupil position 2. Further, it was found that the user 6 can recognize the image light for one pixel formed by the image forming unit 11 well.
図４のパターンは、画像形成部１１で形成された単色の画像光が光学部材１２を介して瞳孔位置２に到達した場合の歪曲収差の程度を示している。本パターンでは、網目の交点から×印が離隔する程、歪曲収差の程度が大きいことを示す。図４に示すように、全ての領域で、網目の交点とほぼ同一位置に×印が重なることが確認された。従ってＨＭＤ１は、レンズ３１、３３及びハーフミラー２１の自由曲面によって収差を効果的に補正できることがわかった。またユーザ６は、画像形成部１１で形成された画像光を歪みなく良好に認識できることがわかった。 The pattern of FIG. 4 shows the degree of distortion when the monochromatic image light formed by the image forming unit 11 reaches the pupil position 2 via the optical member 12. In this pattern, the degree of distortion is greater as the crosses are separated from the mesh intersections. As shown in FIG. 4, in all the regions, it was confirmed that the X mark overlapped at the substantially same position as the intersection of the mesh. Therefore, it was found that the HMD 1 can effectively correct aberrations by the free curved surfaces of the lenses 31 and 33 and the half mirror 21. Further, it has been found that the user 6 can recognize the image light formed by the image forming unit 11 well without distortion.
図５のパターンは、色収差、即ち、画像形成部１１で形成された複数色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の画像光が光学部材１２を介して瞳孔位置２に到達した場合の歪曲の程度を色毎に示している。本パターンでは、黒丸印からＲ、Ｇ、Ｂの各点が離隔する程、歪曲の程度が大きいことを示す。図５に示すように、色の違いに関わらず、黒丸印とほぼ同一位置にＲ、Ｇ、Ｂの各点が重なることが確認された。従ってＨＭＤ１は、画像光の周波数の違いに依らず、レンズ３１、３３及びハーフミラー２１の自由曲面によって色収差を効果的に補正できることがわかった。またユーザ６は、画像形成部１１で形成された複数色の画像光を、歪みなく良好に認識できることがわかった。 In the pattern of FIG. 5, chromatic aberration, that is, image light of a plurality of colors (red (R), green (G), and blue (B)) formed by the image forming unit 11 passes through the optical member 12 to the pupil position 2. The degree of distortion when reached is shown for each color. In this pattern, the degree of distortion increases as the points R, G, and B are separated from the black circle. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the R, G, and B points overlapped at substantially the same positions as the black circles regardless of the difference in color. Therefore, it was found that the HMD 1 can effectively correct the chromatic aberration by the free curved surfaces of the lenses 31 and 33 and the half mirror 21 regardless of the difference in the frequency of the image light. Further, it has been found that the user 6 can recognize the image light of a plurality of colors formed by the image forming unit 11 satisfactorily without distortion.
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。上記実施形態では、２つのレンズ３１、３３に自由曲面のレンズ面が設けられていた。２つの自由曲面の夫々が設けられるレンズは、３１、３３に限定されない。例えば、レンズ３２のレンズ面３２１、３２２に自由曲面を設けてもよい。また、２つの自由曲面の夫々が設けられるレンズ面は、レンズ面３１１、３３２に限定されない。例えば、レンズ面３１２、３３１に自由曲面を設けてもよい。更に例えば、３つのレンズ３１〜３３のうち何れかのレンズの両方のレンズ面を自由曲面としてもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible. In the above embodiment, the two lenses 31 and 33 are provided with free-form lens surfaces. The lenses provided with two free-form surfaces are not limited to 31 and 33, respectively. For example, a free curved surface may be provided on the lens surfaces 321 and 322 of the lens 32. Further, the lens surface on which each of the two free-form surfaces is provided is not limited to the lens surfaces 311 and 332. For example, free curved surfaces may be provided on the lens surfaces 312 and 331. Further, for example, both lens surfaces of any one of the three lenses 31 to 33 may be free-form surfaces.
上記実施形態では、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸を、光学部２２の光軸１６から離隔させ、且つ、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸と光学部２２の光軸１６とを交差させた。これに対し、レンズ面３１２、３３１のうち少なくとも一方の光軸を、光学部２２の光軸１６と一致させてもよいし、レンズ面３１２、３３１の両方の光軸を、光学部２２の光軸１６と一致させてもよい。 In the above embodiment, the optical axes of the lens surfaces 312 and 331 are separated from the optical axis 16 of the optical unit 22, and the optical axes of the lens surfaces 312 and 331 and the optical axis 16 of the optical unit 22 are separated. Crossed. On the other hand, at least one optical axis of the lens surfaces 312 and 331 may be made to coincide with the optical axis 16 of the optical unit 22, and both optical axes of the lens surfaces 312 and 331 may be set to the light of the optical unit 22. It may coincide with the axis 16.
光学部２２のレンズの数は３つに限定されず、４つ以上であってもよい。光学部２２の複数のレンズが備えるレンズ面のうち自由曲面とするレンズ面の数は２つに限定されず、３つ以上であってもよい。以下、本発明の変形例について説明する。 The number of lenses of the optical unit 22 is not limited to three and may be four or more. Of the lens surfaces of the plurality of lenses of the optical unit 22, the number of lens surfaces that are free-form surfaces is not limited to two, and may be three or more. Hereinafter, modifications of the present invention will be described.
図６、図７を参照して説明する。変形例におけるＨＭＤ１は、レンズ３１〜３３及びプリズム３６の代わりに、レンズ４１〜４４及びプリズム４６を光学部２２として備える。画像形成部１１、アダプタ１３、光学部２２を除く光学部材１２（ハーフミラー２１）、筐体１４、及びミラーホルダ（図示外）の構成は、上記実施形態と同一である。 This will be described with reference to FIGS. The HMD 1 in the modification includes lenses 41 to 44 and a prism 46 as the optical unit 22 instead of the lenses 31 to 33 and the prism 36. The configurations of the optical member 12 (half mirror 21) excluding the image forming unit 11, the adapter 13, and the optical unit 22, the housing 14, and the mirror holder (not shown) are the same as those in the above embodiment.
図６に示すように、光学部２２は、４つのレンズ４１、４２、４３、４４、及びプリズム４６を備える。レンズ４１、４２及びプリズム４６は、略前後方向に並ぶ。レンズ４３は、プリズム４６の右方に配置される。レンズ４４は、レンズ４３の右方に配置される。レンズ４１の後方に、画像形成部１１が配置される。レンズ４１、４２は、画像形成部１１の前面に形成された画像光を後方から前方に通過させ、プリズム４６に導く。プリズム４６は、後方から入射した画像光を右方に曲折させ、レンズ４３、４４に導く。レンズ４３、４４は、左方から入射した画像光を右方に通過させ、ハーフミラー２１に導く。 As shown in FIG. 6, the optical unit 22 includes four lenses 41, 42, 43, 44 and a prism 46. The lenses 41 and 42 and the prism 46 are arranged substantially in the front-rear direction. The lens 43 is disposed on the right side of the prism 46. The lens 44 is disposed on the right side of the lens 43. The image forming unit 11 is disposed behind the lens 41. The lenses 41 and 42 pass the image light formed on the front surface of the image forming unit 11 from the rear to the front and guide the light to the prism 46. The prism 46 bends the image light incident from the rear to the right and guides it to the lenses 43 and 44. The lenses 43 and 44 allow the image light incident from the left to pass to the right and guide it to the half mirror 21.
図７に示すように、レンズ４１は、対向配置する２つのレンズ面４１１、４１２を備える。画像形成部１１に近接する側がレンズ面４１１であり、画像形成部１１から離隔する側がレンズ面４１２である。レンズ面４１１、４１２は、何れも自由曲面である。 As shown in FIG. 7, the lens 41 includes two lens surfaces 411 and 412 arranged to face each other. The side close to the image forming unit 11 is a lens surface 411, and the side away from the image forming unit 11 is a lens surface 412. The lens surfaces 411 and 412 are all free-form surfaces.
レンズ４２は、対向配置する２つのレンズ面４２１、４２２を備える。レンズ４１に近接する側がレンズ面４２１であり、レンズ４１から離隔する側がレンズ面４２２である。レンズ面４２１、４２２は、何れも非球面である。レンズ面４２１、４２２は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面４２１、４２２の夫々の対称軸は、夫々の面の光軸と一致する。 The lens 42 includes two lens surfaces 421 and 422 that face each other. The side close to the lens 41 is a lens surface 421, and the side away from the lens 41 is a lens surface 422. The lens surfaces 421 and 422 are both aspherical surfaces. The lens surfaces 421 and 422 have rotational symmetry about the symmetry axis. The symmetry axes of the lens surfaces 421 and 422 coincide with the optical axes of the respective surfaces.
レンズ４３は、対向配置する２つのレンズ面４３１、４３２を備える。プリズム４６に近接する側がレンズ面４３１であり、プリズム４６から離隔する側がレンズ面４３２である。レンズ面４３１、４３２は、何れも非球面である。レンズ面４３１、４３２は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面４３１、４３２の夫々の対称軸は、夫々の面の光軸と一致する。 The lens 43 includes two lens surfaces 431 and 432 arranged to face each other. The side close to the prism 46 is a lens surface 431, and the side away from the prism 46 is a lens surface 432. The lens surfaces 431 and 432 are both aspherical surfaces. The lens surfaces 431 and 432 have rotational symmetry about the symmetry axis. The symmetry axes of the lens surfaces 431 and 432 coincide with the optical axes of the respective surfaces.
レンズ４４は、対向配置する２つのレンズ面４４１、４４２を備える。ハーフミラー２１から離隔する側（レンズ４３に近接する側）がレンズ面４４１であり、ハーフミラー２１に近接する側（レンズ４３から離隔する側）がレンズ面４４２である。レンズ面４４１は非球面である。レンズ面４４１は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面４４１の対称軸は、レンズ面４４１の光軸と一致する。レンズ面４４１の光軸は、光学部２２の光軸１６から離隔し、且つ、レンズ面４４１の光軸と光学部２２の光軸１６とは交差する。即ち、レンズ面４４１の光軸は、光学部２２の光軸１６に対して傾いている。レンズ面４４２は自由曲面である。 The lens 44 includes two lens surfaces 441 and 442 arranged to face each other. The side away from the half mirror 21 (side close to the lens 43) is the lens surface 441, and the side close to the half mirror 21 (side away from the lens 43) is the lens surface 442. The lens surface 441 is an aspherical surface. The lens surface 441 has rotational symmetry about the symmetry axis. The symmetry axis of the lens surface 441 coincides with the optical axis of the lens surface 441. The optical axis of the lens surface 441 is separated from the optical axis 16 of the optical unit 22, and the optical axis of the lens surface 441 and the optical axis 16 of the optical unit 22 intersect. That is, the optical axis of the lens surface 441 is inclined with respect to the optical axis 16 of the optical unit 22. The lens surface 442 is a free-form surface.
図６に示すように、光学部２２と瞳孔位置２との間の距離Ｒは、５７ｍｍ以上に設定される。詳細には、光学部２２（レンズ４１〜４４、プリズム４６）のうちレンズ４４を第２直線４に投影した場合の投影像の位置Ｒｐと瞳孔位置２との間の距離Ｒが５７ｍｍ以上となるように、光学部２２が配置される。上記実施形態と比較して、距離Ｒを更に大きくできる為、眼鏡８の左側のフレーム８１に光学部２２が更に接触し難くなる。従って、ユーザ６の眼鏡８のフレーム８１の形状が異なる場合でも、ＨＭＤ１が装着された場合に光学部２２が左側のフレーム８１に干渉することを防止できる。また光学部２２は、上記実施形態と同様、仮想平面５に対してハーフミラー２１が配置される側と反対側の領域５２に配置される。従って、ユーザ６は広い視野を確保できる。 As shown in FIG. 6, the distance R between the optical unit 22 and the pupil position 2 is set to 57 mm or more. Specifically, the distance R between the projection image position Rp and the pupil position 2 when the lens 44 of the optical unit 22 (lenses 41 to 44, prism 46) is projected onto the second straight line 4 is 57 mm or more. As described above, the optical unit 22 is arranged. Since the distance R can be further increased as compared with the above embodiment, the optical unit 22 is more difficult to contact the left frame 81 of the glasses 8. Therefore, even when the shape of the frame 81 of the glasses 8 of the user 6 is different, the optical unit 22 can be prevented from interfering with the left frame 81 when the HMD 1 is attached. Further, the optical unit 22 is arranged in a region 52 opposite to the side on which the half mirror 21 is arranged with respect to the virtual plane 5 as in the above embodiment. Therefore, the user 6 can ensure a wide visual field.
なお、距離Ｒを大きくすることによって、光学部２２で収差が発生し易くなる。しかしながら変形例では、４つのレンズ４１〜４４のうち２つのレンズ４１、４４に自由曲面のレンズ面を設けることによって、収差をより効果的に補正している。また、４つのレンズ４１〜４４が備える合計８つのレンズ面のうち、３つのレンズ面４１１、４１２、４４２を自由曲面とすることによって、収差を更に効果的に補正している。従ってＨＭＤ１は、距離Ｒを大きくした場合でも収差の発生を抑制でき、歪の小さい画像光を瞳孔位置２に導くことでユーザ６に良好な画像を認識させることができる。 Note that by increasing the distance R, aberrations are likely to occur in the optical unit 22. However, in the modified example, the aberration is corrected more effectively by providing a free-form surface on the two lenses 41 and 44 among the four lenses 41 to 44. In addition, aberrations are more effectively corrected by making three lens surfaces 411, 412, and 442 out of a total of eight lens surfaces included in the four lenses 41 to 44 as free-form surfaces. Accordingly, the HMD 1 can suppress the occurrence of aberration even when the distance R is increased, and can guide the user 6 to recognize a good image by guiding image light with small distortion to the pupil position 2.
なお、上記実施形態及び変形例において、光学部２２の複数のレンズのうち、主光線が画像光の中心軸と交差する位置、言い換えれば、瞳孔位置２と共役な位置（瞳孔共役位置）に最も近接するレンズが自由曲面のレンズ面を備えていてもよい。これによってＨＭＤ１は、光学部２２を小型化できる。 In the above-described embodiment and the modified example, among the plurality of lenses of the optical unit 22, the position where the chief ray intersects the central axis of the image light, in other words, the position conjugate with the pupil position 2 (pupil conjugate position) is the most. The adjacent lens may have a free-form lens surface. As a result, the HMD 1 can reduce the size of the optical unit 22.
また、上記実施形態及び変形例において、光学部２２のレンズは何れも自由曲面のレンズ面を有していなくてもよい。例えば全てのレンズ面は非球面であってもよい。 Moreover, in the said embodiment and modification, all the lenses of the optical part 22 do not need to have a free-form lens surface. For example, all lens surfaces may be aspheric.
なお、アダプタ１３が本発明の「保持部材」に相当する。ハーフミラー２１が本発明の「反射部」に相当する。 The adapter 13 corresponds to the “holding member” of the present invention. The half mirror 21 corresponds to the “reflecting part” of the present invention.
１ ＨＭＤ
２ 瞳孔位置
３ 第１直線
４ 第２直線
５ 仮想平面
１１ 画像形成部
１２ 光学部材
１３ アダプタ
１６ 光軸
２１ ハーフミラー
２２ 光学部
３１、３２、３３ レンズ
４１、４２、４３、４４ レンズ
1 HMD
2 Pupil position 3 First straight line 4 Second straight line 5 Virtual plane 11 Image forming part 12 Optical member 13 Adapter 16 Optical axis 21 Half mirror 22 Optical parts 31, 32, 33 Lens 41, 42, 43, 44 Lens
Claims (8)
前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と
前記画像形成部及び前記光学部材を保持する保持部材と
を備え、
前記光学部材は、
前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、
前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部と
を備え、
前記反射部は、前記保持部材がユーザの頭部に装着される装着部材に取り付けられた場合に、前記反射部及び前記光学部に対する固定的な位置であって前記画像光が入射する瞳孔位置から、前記画像光の入射方向に沿って１６ｍｍ以上離隔した位置に配置し、
前記光学部は、前記瞳孔位置から異なる方向に延びる２つの直線であって、前記保持部材が前記装着部材に取り付けられた状態で前記瞳孔位置と前記反射部とを結ぶ直線である第１直線と、前記第１直線に直交して前記ユーザから離隔する方向に延びる第２直線とのうち、前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１直線及び前記第２直線を含む平面に直交して前記瞳孔位置から延びる仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置し、前記仮想平面は、前記第１直線に沿って前記瞳孔位置から前記反射部に延びる向きに対し、前記光学部側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。 An image forming unit for forming an image;
An optical member that guides image light from the image forming unit, and a holding member that holds the image forming unit and the optical member,
The optical member is
A reflection part having a free-form surface that reflects the image light and transmits light from the outside;
An optical unit that guides the image light formed in the image forming unit to the reflecting unit;
When the holding member is attached to a mounting member attached to the user's head, the reflecting portion is a fixed position with respect to the reflecting portion and the optical portion, and from a pupil position where the image light is incident. , Arranged at a position separated by 16 mm or more along the incident direction of the image light,
The optical part is two straight lines extending in different directions from the pupil position, and the first straight line is a straight line connecting the pupil position and the reflecting part in a state where the holding member is attached to the mounting member; A second straight line extending in a direction perpendicular to the first straight line and away from the user, a position that is separated by 44 mm or more from the pupil position along the second straight line, and the first straight line and the first straight line An imaginary plane extending from the pupil position perpendicular to a plane including two straight lines is disposed on the opposite side of the reflecting portion, and the imaginary plane extends from the pupil position to the reflecting portion along the first straight line. A head-mounted display, characterized in that the head-mounted display is a plane inclined at 60 degrees or more toward the optical part with respect to the direction.
前記３つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、
前記３つ以上のレンズが備える６つ以上のレンズ面のうち、２面以上が自由曲面であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。 The optical unit includes three or more lenses,
Each of the three or more lenses includes two lens surfaces arranged to face each other.
2. The head mounted display according to claim 1, wherein two or more of six or more lens surfaces included in the three or more lenses are free-form surfaces.
前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から５７ｍｍ以上離れた位置に配置され、
前記光学部は、４つ以上のレンズを備え、
前記４つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、
前記４つ以上のレンズが備える８つ以上のレンズ面のうち、３面以上が自由曲面であることを特徴とする請求項２又は３に記載のヘッドマウントディスプレイ。 The optical unit is
Arranged along the second straight line at a position separated by 57 mm or more from the pupil position;
The optical unit includes four or more lenses,
Each of the four or more lenses includes two lens surfaces arranged to face each other,
4. The head mounted display according to claim 2, wherein three or more of the eight or more lens surfaces of the four or more lenses are free-form surfaces. 5.
対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、
他方のレンズ面が軸対称であることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。 A lens with a free-form lens surface
Only one of the two lens surfaces facing each other is a free-form surface,
5. The head mounted display according to claim 2, wherein the other lens surface is axisymmetric.
対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、
他方のレンズ面の光軸は、前記光学部の光軸から離隔することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。 At least one of the lenses having a free-form lens surface is
Only one of the two lens surfaces facing each other is a free-form surface,
The head mounted display according to any one of claims 2 to 4, wherein the optical axis of the other lens surface is separated from the optical axis of the optical unit.
対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、
他方のレンズ面の光軸と、前記光学部の光軸とが交差することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。 At least one of the lenses having a free-form lens surface is
Only one of the two lens surfaces facing each other is a free-form surface,
The head mounted display according to any one of claims 2 to 4, wherein the optical axis of the other lens surface and the optical axis of the optical unit intersect.
前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と
前記画像形成部及び前記光学部材を保持し、装着部材に対して取り付け可能な保持部材とを備え、
前記光学部材は、
前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、
前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部とを備え、
前記前記画像光の光路において前記反射部よりも前記画像光の進行方向の下流側に光学瞳を形成し、
前記反射部は、前記光学瞳から前記反射部に向かう第１方向において、前記光学瞳から１６ｍｍ以上離隔した位置に配置され、
前記保持部材は、前記画像形成部及び前記光学部材を、前記装着部材の前記第１方向に直交する第２方向の端部に取り付け可能に構成され、
前記光学部材は、前記第２方向において前記光学瞳から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１方向及び前記第２方向に平行な平面に直交して前記光学瞳を含む仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置され、
前記仮想平面は、前記第１方向に対し、前記第２方向側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。 An image forming unit for forming an image;
An optical member that guides image light from the image forming unit, and a holding member that holds the image forming unit and the optical member and can be attached to a mounting member.
The optical member is
A reflection part having a free-form surface that reflects the image light and transmits light from the outside;
An optical unit that guides the image light formed in the image forming unit to the reflecting unit;
Forming an optical pupil on the downstream side in the traveling direction of the image light with respect to the reflection portion in the optical path of the image light;
The reflecting portion is disposed at a position spaced apart by 16 mm or more from the optical pupil in a first direction from the optical pupil toward the reflecting portion,
The holding member is configured to be capable of attaching the image forming unit and the optical member to an end portion in a second direction orthogonal to the first direction of the mounting member,
The optical member is positioned at a distance of 44 mm or more from the optical pupil in the second direction and with respect to a virtual plane including the optical pupil perpendicular to a plane parallel to the first direction and the second direction. Placed on the opposite side of the reflector,
The head-mounted display, wherein the virtual plane is a plane inclined at least 60 degrees toward the second direction with respect to the first direction.
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