JP3155341B2 - Visual display device - Google Patents
Visual display deviceInfo
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- JP3155341B2 JP3155341B2 JP13385192A JP13385192A JP3155341B2 JP 3155341 B2 JP3155341 B2 JP 3155341B2 JP 13385192 A JP13385192 A JP 13385192A JP 13385192 A JP13385192 A JP 13385192A JP 3155341 B2 JP3155341 B2 JP 3155341B2
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- display device
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ポータブル型視覚表示
装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持するこ
とを可能とする頭部又は顔面装着式視覚表示装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a portable visual display device and, more particularly, to a head or face-mounted visual display device capable of being held on the head or face of an observer.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、顔面装着式視覚表示装置として、
図１８に平面図を示したようなものが知られている（米
国特許第４０２６６４１号）。これは、ＣＲＴのような
画像表示素子４６の像を画像伝達素子２５で物体面１２
に伝達し、この物体面１２の像をトーリック反射面１０
によって空中に投影するようにしたものである。2. Description of the Related Art Conventionally, as a face-mounted visual display device,
FIG. 18 shows a plan view of the apparatus (US Pat. No. 4,026,641). This is because the image of the image display element 46 such as a CRT is transferred to the object plane 12 by the image transmission element 25.
To the toric reflecting surface 10
Is projected in the air.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このような顔面装着式
視覚表示装置において、２次元画像表示素子の配置は、
観察者頭部との機械的干渉を避けるために、接眼光学
系、すなわち、眼の前部に配置する光学系によって屈曲
（角度偏向）させる角度を大きくしたり、接眼光学系か
ら離れた位置に遠ざけたり、接眼光学系を観察者眼球位
置から離して配置していた。In such a face-mounted visual display device, the arrangement of the two-dimensional image display element is as follows.
In order to avoid mechanical interference with the observer's head, the angle of bending (angle deflection) by the eyepiece optical system, that is, the optical system arranged in front of the eye, should be increased, or the eyepiece optical system should be located away from the eyepiece optical system. The eyepiece optical system was placed away from the observer's eyeball position, or away from the observer.
【０００４】そのため、従来の接眼光学系として凹面反
射鏡を用いる例においては、物体面はその凹面鏡の前側
焦点位置近傍に配置しないと、観察者にとって空中像が
遠方の平面として観察されない。トーリック面（アナモ
フィック面）の反射鏡では、その焦点面は曲率を持った
トーリック面になってしまい、その焦点面に平面の２次
元画像表示素子又は２次元画像表示素子の像を配置する
と、物体面周辺が焦点面から光軸方向にずれた配置とな
り、接眼光学系で反射した空中像を観察している観察者
にとっては、曲面に投影した空中像を観察することにな
り、視野周辺を明瞭に観察することができない。For this reason, in a conventional example in which a concave reflecting mirror is used as an eyepiece optical system, an aerial image is not observed as a distant plane for an observer unless the object surface is disposed near the front focal position of the concave mirror. In a toric surface (anamorphic surface) reflecting mirror, the focal plane becomes a toric surface having a curvature, and when a planar two-dimensional image display element or an image of a two-dimensional image display element is arranged on the focal plane, an object The perimeter of the surface is displaced from the focal plane in the direction of the optical axis, and for the observer who observes the aerial image reflected by the eyepiece optical system, the observer will observe the aerial image projected on the curved surface, and the periphery of the field of view will be clear Can not be observed.
【０００５】本発明はこのような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、特に広い画角を明
瞭に観察することが可能なポータブル型頭部又は顔面装
着式視覚表示装置を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a portable head or face-mounted visual display device capable of clearly observing a particularly wide angle of view. It is to provide.
【０００６】[0006]
【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、平面形状の観察像を表示する２次
元表示素子と、前記２次元表示素子又はその投影像を空
中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光学系と
を備えた視覚表示装置において、前記接眼光学系が、偏
心配置された曲面形状の反射面を有し、前記曲面形状の
反射面は、回転非対称な非球面形状にて構成され、前記
回転非対称な曲面形状の反射面は、前記接眼光学系の前
記曲面反射面によって反射されて折り返される前後の光
軸を含んだ面内における曲率が、光軸が屈曲する位置で
の曲率を基準にして、前記２次元表示素子側から見て、
光軸が屈曲する位置より遠い側（観察者の眼球位置に近
い側）において高くなり、光軸が屈曲する位置より近い
側（２次元表示素子に近い側）において低くなるように
構成したことを特徴とするものである。According to the present invention, there is provided a visual display device for achieving the above object, comprising: a two-dimensional display element for displaying a planar observation image; and an enlarged projection of the two-dimensional display element or its projected image in the air. And a binocular optical system that bends the optical axis, wherein the ocular optical system has an eccentrically arranged curved reflecting surface, and the curved reflecting surface is non-rotationally asymmetric. The reflection surface having a spherical shape and the rotationally asymmetric curved shape has a curvature in a plane including an optical axis before and after being reflected and folded by the curved reflection surface of the eyepiece optical system, and the optical axis is bent. From the two-dimensional display element side, based on the curvature at the position where
The configuration is such that it is higher on the side farther from the position where the optical axis is bent (closer to the eyeball position of the observer) and lower on the side closer to the position where the optical axis is bent (closer to the two-dimensional display element). It is a feature.
【０００７】この場合、曲面形状の反射面への入射光軸
と射出光軸のなす光軸の屈曲角を２０°以上となるよう
に構成することが望ましい。また、回転非対称な曲面形
状の反射面は、接眼光学系の曲面反射面によって反射さ
れて折り返される前後の光軸を含んだ面内における曲率
が、光軸が屈曲する位置（Ｂ’）での曲率を基準にし
て、２次元表示素子側から見て、光軸が屈曲する位置よ
り遠い側（観察者の眼球位置に近い側）での最外角の軸
外主光線の屈曲される位置（Ａ’）を決めたとき、位置
Ｂ’から位置Ａ’に行くに従って曲率の変化量が増える
ように構成することが望ましい。また、曲面形状の反射
面を、観察者側に凹面を向けた凹面反射鏡にて構成する
ことが望ましい。また、曲面形状の反射面を、半透過反
射面にて構成することもできる。In this case, it is desirable that the bending angle of the optical axis formed by the optical axis of incidence and the optical axis of emission to the curved reflecting surface be 20 ° or more. In addition, the rotationally asymmetric curved reflecting surface has a curvature in a plane including the optical axis before and after being reflected and folded by the curved reflecting surface of the eyepiece optical system, at a position (B ′) where the optical axis is bent. With reference to the curvature, as viewed from the two-dimensional display element side, the position (A) where the outermost angle of the off-axis chief ray is bent on the side farther from the position where the optical axis is bent (closer to the eyeball position of the observer). When ') is determined, it is preferable that the amount of change in curvature increases from position B' to position A '. Further, it is desirable that the curved reflecting surface is constituted by a concave reflecting mirror whose concave surface faces the observer side. Further, the curved reflecting surface may be constituted by a semi-transmissive reflecting surface.
【０００８】[0008]
【作用】以下、上記構成を採用した理由と作用について
説明する。顔面装着式視覚表示装置にとって、大きな画
角を確保するためには、観察者眼球直前に配置される凹
面鏡は、画角が大きなものが必要となる。しかし、画角
の広い球面凹面鏡は、その焦点面が曲率半径の小さな球
面になり、平面の２次元画像表示素子又は２次元画像表
示素子の投影像に対しては、フラットな空中像を観察す
ることができない。The reason and operation of the above configuration will be described below. In order to ensure a large angle of view for the face-mounted type visual display device, a concave mirror arranged in front of the observer's eyeball needs to have a large angle of view. However, a spherical concave mirror having a wide angle of view has a focal plane formed into a spherical surface having a small radius of curvature, and observes a flat aerial image with respect to a planar two-dimensional image display element or a projected image of the two-dimensional image display element. Can not do.
【０００９】そこで、本発明においては、接眼光学系の
光軸を屈曲させる方向の反射面の曲率を比較的高く（曲
率半径を小さく）、屈曲する方向と反対の方向の反射面
の曲率を比較的低く（曲率半径を大きく）して、接眼光
学系の前側焦点面を平面にすると共に、収差を良好に補
正して、上記問題点を解決している。これにより、２次
元画像表示素子、又は、２次元画像表示素子の投影像を
直接接眼光学系の前側焦点面に平面として形成すること
が可能になり、広画角の明瞭な観察像が得られるように
なる。Therefore, in the present invention, the curvature of the reflecting surface in the direction in which the optical axis of the eyepiece optical system is bent is relatively high (the radius of curvature is small), and the curvature of the reflecting surface in the direction opposite to the bending direction is compared. The above-mentioned problem is solved by making the front focal plane of the eyepiece optical system flat by lowering the radius of curvature (enlarging the radius of curvature) and satisfactorily correcting aberrations. This makes it possible to form a two-dimensional image display element or a projected image of the two-dimensional image display element directly as a plane on the front focal plane of the eyepiece optical system, and obtain a clear observation image with a wide angle of view. Become like
【００１０】以下、この作用について、従来技術のトー
リック面を接眼光学系として用いる図１を参照にして説
明する。図１は観察者にとって右目に相当する光学系の
断面図である。この図において、１は２次元表示素子又
は２次元表示素子の空中像投影位置であり、２は接眼光
学系であるトーリック面反射鏡であり、３は観察者眼球
回旋中心又は虹彩中心位置である。５は観察者にとって
左側の視野に相当する光束、６は正面に観察される観察
像の光束、７は右側に観察される観察像の光束である。
トーリック面も、図１に示すように、子午面内で見れば
球面と同じ形状をしている。Hereinafter, this operation will be described with reference to FIG. 1 in which the toric surface of the prior art is used as an eyepiece optical system. FIG. 1 is a sectional view of an optical system corresponding to a right eye for an observer. In this figure, 1 is a two-dimensional display element or an aerial image projection position of the two-dimensional display element, 2 is a toric surface reflecting mirror which is an eyepiece optical system, and 3 is the center of rotation of the observer's eyeball or the iris. . Reference numeral 5 denotes a light beam corresponding to the left field of view of the observer, 6 denotes a light beam of an observation image observed in front, and 7 denotes a light beam of an observation image observed to the right.
As shown in FIG. 1, the toric surface also has the same shape as a spherical surface when viewed in the meridional plane.
【００１１】一般的に、球面凹面反射鏡で無限遠の像を
形成する場合には、凹面の曲率半径の１／２の位置であ
る焦点位置に物点を配置しなければならない。しかし、
凹面鏡の中心軸に対して斜めに入射する軸外光束は像面
湾曲が発生するため、物体面１は曲面となる。したがっ
て、２次元画像表示素子を曲面にしないと、観察者にと
って無限遠の観察像が得られないことになる。しかし、
このような曲面の表示素子は製作性が悪い。In general, when an image at infinity is formed by a spherical concave reflecting mirror, an object point must be placed at a focal position which is a half of the radius of curvature of the concave surface. But,
Since the off-axis light beam obliquely incident on the central axis of the concave mirror has a curvature of field, the object surface 1 is a curved surface. Therefore, unless the two-dimensional image display element has a curved surface, an observer cannot obtain an observation image at infinity. But,
A display element having such a curved surface has poor productivity.
【００１２】そこで、本発明においては、図１の２の反
射面の２次元表示素子１から見て光軸が屈曲する方向
（図中、Ｙ軸正の方向）の曲率を比較的高く（曲率半径
を小さく）して、物体面１を平面に補正し、広い画角に
対して高い解像力を持った観察像を提供することに成功
したものである。Therefore, in the present invention, the curvature in the direction in which the optical axis is bent (the Y-axis positive direction in the figure) as viewed from the two-dimensional display element 1 of the reflection surface 2 in FIG. 1 is relatively high (curvature). (The radius is reduced), the object plane 1 is corrected to a flat surface, and an observation image having a high resolution for a wide angle of view is successfully provided.
【００１３】すなわち、光束５が反射する部位の接眼光
学系２の曲率半径が、他の部位に比べて相対的に小さく
なるため、物体面１のＡ点が光軸に沿って接眼光学系２
に接近するので、物体面１が平坦化されるのである。な
お、ここで言う光軸とは、観察者眼球回旋中心又は虹彩
中心３を通過する光線で、２次元表示素子１の表示中心
を通る、いわゆる軸上光線を言う。That is, since the radius of curvature of the eyepiece optical system 2 at the portion where the light beam 5 is reflected is relatively smaller than at other portions, the point A on the object plane 1 is moved along the optical axis.
, The object plane 1 is flattened. Note that the optical axis referred to here is a so-called on-axis light ray that passes through the display center of the two-dimensional display element 1 and passes through the center of rotation of the observer's eyeball or the iris center 3.
【００１４】さらに好ましくは、観察者にとってそれぞ
れ視野の左側、中心、右側となる光束５、６、７が接眼
光学系２によって反射する接眼光学系２上の位置を
Ａ’、Ｂ’、Ｃ’とするときに、図２に実線で示すよう
に、光軸が反射する位置Ｂ’からＡ’に行くに従って曲
率の変化量が増えるようにすることが、平面の２次元表
示素子を使用してフラットな観察像を得るのに重要であ
る。More preferably, the positions on the eyepiece optical system 2 where the light beams 5, 6, 7 on the left, center, and right sides of the field of view are reflected by the eyepiece optical system 2 are A ', B', C '. In this case, as shown by a solid line in FIG. 2, the amount of change in curvature is increased from the position B ′ where the optical axis reflects to the position A ′ by using a planar two-dimensional display element. This is important for obtaining a flat observation image.
【００１５】また、光軸の屈曲角θは２０°以上が好ま
しく、２０°以下の場合は、観察者眼球位置３と２次元
画像表示素子１との配置が近くなってしまい、２次元画
像表示素子１の配置が不可能となる。The bending angle θ of the optical axis is preferably not less than 20 °, and if it is not more than 20 °, the arrangement of the observer's eyeball position 3 and the two-dimensional image display element 1 is close to each other, so that the two-dimensional image display is not possible. The arrangement of the element 1 becomes impossible.
【００１６】さらに、接眼光学系２の２次元表示素子１
から見て光軸が屈曲する方向の曲率半径は、５０〜２０
０ｍｍとすることが望ましく、その下限を越えると、観
察者眼球位置３と接眼光学系２との距離が短くなりす
ぎ、観察者がこの視覚表示装置を装着する場合に圧迫感
を感じると共に、広い画角が確保できなくなる。一方、
その上限を越えると、観察者眼球位置３と接眼光学系２
との距離が大きくなり、この視覚表示装置からの接眼光
学系２の突出量が大きくなって、本視覚表示装置を装着
したときの装着感が悪くなる。Further, the two-dimensional display element 1 of the eyepiece optical system 2
The radius of curvature in the direction in which the optical axis bends as viewed from above is 50 to 20.
If the lower limit is exceeded, the distance between the observer's eyeball position 3 and the eyepiece optical system 2 becomes too short, and when the observer wears this visual display device, he feels oppressive and wide. The angle of view cannot be secured. on the other hand,
When the upper limit is exceeded, the observer's eyeball position 3 and the eyepiece optical system 2
Becomes longer, the amount of projection of the eyepiece optical system 2 from the visual display device increases, and the wearing feeling when the present visual display device is mounted deteriorates.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、本発明の視覚表示装置の実施例１〜５
について説明する。 実施例１ 図３にこの実施例の光学系のＹ軸方向断面を示す。座標
軸は、観察者眼球虹彩位置３の中心を原点にとり、図示
のように、観察者眼球虹彩位置３の中心を通る光軸方向
をＺ軸とし、眼の左右方向をＹ軸とし、垂直方向をＸ軸
とする。各座標軸の＋方向は図示のようにとる（Ｘ軸の
正方向は紙面の背後）。同図中、１は２次元表示素子、
２はアナモフィック−アスフェリカル面（トーリック−
アスフェリカル面）反射鏡、３は観察者の眼球虹彩位置
又は眼球回旋点である。また、反射鏡２の中心軸を２ａ
とする。原点を通る光軸に対する反射鏡２の頂点の偏心
量をＹ1 、原点を通る光軸に対する２次元表示素子１中
心の偏心量をＹ2 、Ｚ軸に対して反射鏡２中心軸２ａの
なす角をα1 （反時計回りを正とする。）、Ｙ軸に対し
て２次元表示素子１中心に接する面のなす角をα2 （反
時計回りを正とする。）とする。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments 1 to 5 of the visual display device of the present invention will be described.
Will be described. Embodiment 1 FIG. 3 shows a cross section in the Y-axis direction of an optical system according to this embodiment. The coordinate axes take the center of the observer's eyeball iris position 3 as the origin, as shown, the optical axis direction passing through the center of the observer's eyeball iris position 3 is the Z axis, the left and right direction of the eye is the Y axis, and the vertical direction is the vertical direction. Let it be the X axis. The + direction of each coordinate axis is taken as shown (the positive direction of the X axis is behind the paper). In the figure, 1 is a two-dimensional display element,
2 is anamorphic-aspherical surface (toric-
An aspherical surface reflector 3 is an eye iris position or an eye rotation point of the observer. Also, the central axis of the reflecting mirror 2 is 2a.
And The eccentric amount of the vertex of the reflecting mirror 2 with respect to the optical axis passing through the origin is Y 1 , the eccentric amount of the center of the two-dimensional display element 1 with respect to the optical axis passing through the origin is Y 2 , and the reflecting mirror 2 center axis 2a is defined with respect to the Z axis. The angle is α 1 (counterclockwise is defined as positive), and the angle formed by the surface in contact with the center of the two-dimensional display element 1 with respect to the Y axis is α 2 (counterclockwise is defined as positive).
【００１８】以下、この光学系の構成パラメータを示す
が、面番号は虹彩位置３から２次元表示素子１へ向かう
逆追跡の面番号として示してある。非球面形状は、座標
系を図示のようにとり、反射鏡２の近軸の曲率半径を、
上下方向（Ｘ−Ｚ面）をＲx、左右方向（Ｙ−Ｚ面）を
Ｒy とすると、次の式で表される。 Ｚ =［( Ｘ2/Ｒx )+ (Ｙ2/Ｒy ) ］／［1+｛ 1-(1+Ｋx ) ( Ｘ2/Ｒx 2) -(1+Ｋy ) ( Ｙ2/Ｒy 2)｝1/2 ］ ここで、Ｋx はＸ方向の円錐係数、Ｋy はＹ方向の円錐
係数である。Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as the surface number of reverse tracking from the iris position 3 to the two-dimensional display element 1. The aspherical shape takes a coordinate system as shown in the figure, and sets the paraxial radius of curvature of the reflecting mirror 2 to:
Assuming that the vertical direction (X-Z plane) is R x and the horizontal direction (YZ plane) is R y , it is expressed by the following equation. Z = [(X 2 / R x) + (Y 2 / R y)] / [1+ {1- (1 + K x) (X 2 / R x 2) - (1 + K y) (Y 2 / R y 2 )｝ 1/2 ] where K x is a cone coefficient in the X direction, and K y is a cone coefficient in the Y direction.
【００１９】 面番号 曲率半径 面間隔（１面からのＺ方向距離） 偏心量・偏角 １ 虹彩位置 （３） ２ Ｒx −７８．４０６（２） ４９．６３９ Ｙ1 −４５．９３７ Ｒy −１２０．２１２ α1 −０．２７６° （非球面） ３ ∞（２次元表示素子）（１） １５．０００ Ｙ2 −３０．０００ α2 ７．５３２° 非球面係数 Ｋy ＝１．３７６８８３ Ｋx ＝０．５５５６５１ なお、図３中のθは、光軸の屈曲角であり、本実施例の
場合は、５０°である。Surface number Curvature radius Surface spacing (distance in Z direction from one surface) Eccentricity / deviation 1 Iris position (3) 2 R x -78.406 (2) 49.639 Y 1 -45.937 R y −120.212 α 1 −0.276 ° (aspherical surface) 3 ∞ (two-dimensional display element) (1) 15.000 Y 2 −30.000 α 2 7.532 ° Aspherical surface coefficient K y = 1.376883 K x = 0.555651 Note that θ in FIG. 3 is the bending angle of the optical axis, and is 50 ° in this embodiment.
【００２０】この実施例の横収差図を図４、図５に示
す。図４中、（ａ）は観察者にとって水平方向の右１５
°方向を観察した時の左右方向及び上下方向の観察者眼
球位置３から２次元表示素子１までの逆追跡を行った時
の横収差であり、単位は１ｍｍである。（ｂ）は水平方
向の前方を観察した時の左右方向及び上下方向の同様な
横収差であり、（ｃ）は水平方向の左１５°方向を観察
した時の左右方向及び上下方向の同様な横収差である。
また、図５（ａ）は観察者にとって上方１０°方向の右
上１５°方向を観察した時の左右方向及び上下方向の観
察者眼球位置３から２次元表示素子１までの逆追跡を行
った時の横収差であり、（ｂ）は上方１０°方向の上方
を観察した時の左右方向及び上下方向の同様な横収差で
あり、（ｃ）は上方１０°方向の左上１５°方向を観察
した時の左右方向及び上下方向の同様な横収差である。FIGS. 4 and 5 show lateral aberration diagrams of this embodiment. In FIG. 4, (a) is the right 15 in the horizontal direction for the observer.
The lateral aberration when the reverse tracking is performed from the observer's eyeball position 3 in the horizontal direction and the vertical direction when observing the ° direction to the two-dimensional display element 1, and the unit is 1 mm. (B) is the same lateral aberration in the horizontal and vertical directions when observing the front in the horizontal direction, and (c) is the same in the horizontal and vertical directions when observing the horizontal 15 ° left direction. Lateral aberration.
FIG. 5A shows the case where the observer observes the upper right 15 ° direction of the upper 10 ° direction and performs reverse tracking from the observer's eyeball position 3 in the horizontal direction and the vertical direction to the two-dimensional display element 1. (B) is the same lateral aberration in the horizontal direction and the vertical direction when observing the upper side in the upper 10 ° direction, and (c) is the upper left 15 ° direction in the upper 10 ° direction. This is the same lateral aberration in the horizontal and vertical directions at the time.
【００２１】実施例２ 実施例２の光学系のＹ軸方向断面を図６に示す。この実
施例は基本的に実施例１と同じである。異なる部分のみ
について説明すると、２は回転楕円面である。以下、実
施例１と同様な記号を用いて、この光学系の構成パラメ
ータを示す。なお、非球面形状は、座標系を図示のよう
にとり、Ｒを反射鏡２の近軸の曲率半径とするとき、次
の式で表される。 Ｚ=(ｈ2/Ｒ）／［1+｛ 1-(1+Ｋ) ( ｈ2/Ｒ2)｝1/2 ］ （ｈ2 ＝Ｘ2 ＋Ｙ2 ） ここで、Ｋは円錐係数である。Embodiment 2 FIG. 6 shows a cross section in the Y-axis direction of the optical system of Embodiment 2. This embodiment is basically the same as the first embodiment. Explaining only different parts, reference numeral 2 denotes a spheroid. Hereinafter, the constituent parameters of this optical system will be shown using the same symbols as in the first embodiment. The aspherical shape is represented by the following equation, where R is the paraxial radius of curvature of the reflecting mirror 2 using a coordinate system as shown in the figure. Z = (h 2 / R) / [1+ ｛1- (1 + K) (h 2 / R 2 )｝ 1/2 ] (h 2 = X 2 + Y 2 ) where K is a conic coefficient. .
【００２２】 面番号 曲率半径 面間隔（１面からのＺ方向距離） 偏心量・偏角 １ 虹彩位置 （３） ２ Ｒ −６２．８７０（２） １８．０７０ Ｙ1 ２７．４０６ （非球面） α1 ５４．２６１° ３ ∞（２次元表示素子）（１） １５．０００ Ｙ2 −３０．０００ α2 ８．５６１° 非球面係数 Ｋ＝−０．７５６１１６ なお、図６中の光軸の屈曲角θは５０°である。この実
施例の図４、図５と同様な横収差図を図７、図８に示
す。The surface eccentricity, declination 1 iris position (Z direction distance from one side) Number of curvature radius spacing (3) 2 R -62.870 (2 ) 18.070 Y 1 27.406 ( aspherical surface) α 1 54.261 ° 3 ∞ (two-dimensional display element) (1) 15.000 Y 2 −30.000 α 2 8.561 ° Aspherical surface coefficient K = −0.756116 The optical axis in FIG. The bending angle θ is 50 °. FIGS. 7 and 8 show lateral aberration diagrams similar to FIGS. 4 and 5 of this embodiment.
【００２３】実施例３ 実施例３の光学系のＹ軸方向断面を図９に示す。この実
施例は基本的に実施例１と同じである。異なる部分のみ
について説明すると、２はアナモフィック−アスフェリ
カル面反射鏡である。以下、実施例１と同様な記号を用
いて、この光学系の構成パラメータを示す。Third Embodiment FIG. 9 shows a cross section in the Y-axis direction of an optical system according to a third embodiment. This embodiment is basically the same as the first embodiment. Explaining only the different parts, reference numeral 2 denotes an anamorphic-aspherical surface reflecting mirror. Hereinafter, the constituent parameters of this optical system will be shown using the same symbols as in the first embodiment.
【００２４】 面番号 曲率半径 面間隔（１面からのＺ方向距離） 偏心量・偏角 １ 虹彩位置 （３） ２ Ｒx −５８．０３７（２） ３７．２８９ Ｙ1 −７４．４６０ Ｒy −７６．９５０ α1 −３０．４７９° （非球面） ３ ∞（２次元表示素子）（１） １５．０００ Ｙ2 −３０．０００ α2 ２９．９０９° 非球面係数 Ｋy ＝−０．０９８５４１ Ｋx ＝−０．６８７０９１ なお、図９中の光軸の屈曲角θは５０°である。この実
施例の図４、図５と同様な横収差図を図１０、図１１に
示す。Surface number Curvature radius Surface spacing (distance in Z direction from one surface) Eccentricity and declination 1 Iris position (3) 2 R x -58.037 (2) 37.289 Y 1 -74.460 R y -76.950 α 1 -30.479 ° (aspherical) 3 ∞ (2-dimensional display device) (1) 15.000 Y 2 -30.000 α 2 29.909 ° aspherical coefficients K y = -0. 098541 K x = −0.687091 The bending angle θ of the optical axis in FIG. 9 is 50 °. FIGS. 10 and 11 show lateral aberration diagrams similar to FIGS. 4 and 5 of this embodiment.
【００２５】実施例４ 実施例４の光学系のＹ軸方向断面を図１２に示す。この
実施例は基本的に実施例１と同じである。以下、実施例
１と同様な記号を用いて、この光学系の構成パラメータ
を示す。Fourth Embodiment FIG. 12 shows a cross section in the Y-axis direction of an optical system according to a fourth embodiment. This embodiment is basically the same as the first embodiment. Hereinafter, the constituent parameters of this optical system will be shown using the same symbols as in the first embodiment.
【００２６】 面番号 曲率半径 面間隔（１面からのＺ方向距離） 偏心量・偏角 １ 虹彩位置 （３） ２ Ｒx −４５．２６３（２） ４２．７２３ Ｙ1 −６．５０８ Ｒy −５６．２０６ α1 １７．８２２° （非球面） ３ ∞（２次元表示素子）（１） ２４．０００ Ｙ2 −１９．２７４ α2 ８．１２１° 非球面係数 Ｋy ＝０．８６１２０７ Ｋx ＝０．５９９６２９ なお、図１２中の光軸の屈曲角θは５０°である。この
実施例の図４、図５と同様な横収差図を図１３、図１４
に示す。Surface number Curvature radius Surface spacing (distance in Z direction from one surface) Eccentricity / deviation 1 Iris position (3) 2 R x −45.263 (2) 42.723 Y 1 −6.508 R y −56.206 α 1 17.822 ° (aspherical surface) 3 ∞ (two-dimensional display element) (1) 24.000 Y 2 -19.274 α 2 8.121 ° Aspherical surface coefficient K y = 0.861207 K x = 0.599629 The bending angle θ of the optical axis in FIG. 12 is 50 °. FIGS. 13 and 14 show lateral aberration diagrams similar to FIGS. 4 and 5 of this embodiment.
Shown in
【００２７】実施例５ 実施例５の光学系のＹ軸方向断面を図１５に示す。この
実施例は基本的に実施例１と同じである。以下、実施例
１と同様な記号を用いて、この光学系の構成パラメータ
を示す。Fifth Embodiment FIG. 15 shows a cross section in the Y-axis direction of an optical system according to a fifth embodiment. This embodiment is basically the same as the first embodiment. Hereinafter, the constituent parameters of this optical system will be shown using the same symbols as in the first embodiment.
【００２８】 面番号 曲率半径 面間隔（１面からのＺ方向距離） 偏心量・偏角 １ 虹彩位置 （３） ２ Ｒx −５６．３１３（２） ４３．７４４ Ｙ1 −１７．５６１ Ｒy −６７．６７０ α1 ４．２９８° （非球面） ３ ∞（２次元表示素子）（１） １７．５００ Ｙ2 −１８．８８０ α2 １．０７８° 非球面係数 Ｋy ＝０．８１２７２１ Ｋx ＝０．６５６３４１ なお、図１５中の光軸の屈曲角θは４０°である。この
実施例の図４、図５と同様な横収差図を図１６、図１７
に示す。Surface number Curvature radius Surface distance (distance in Z direction from one surface) Eccentricity / deviation 1 Iris position (3) 2 R x −56.313 (2) 43.744 Y 1 −17.561 R y −67.670 α 1 4.298 ° (aspherical surface) 3 ∞ (two-dimensional display element) (1) 17.500 Y 2 −18.880 α 2 1.078 ° Aspherical surface coefficient K y = 0.812721 K x = 0.656341 Note that the bending angle θ of the optical axis in FIG. 15 is 40 °. FIGS. 16 and 17 show lateral aberration diagrams similar to FIGS. 4 and 5 of this embodiment.
Shown in
【００２９】なお、上記各実施例において、接眼光学系
２は、凹面鏡以外の半透過鏡でも可能である。半透過鏡
を用いると、外界像との合成ができることは周知の事実
である。また、各実施例中の非球面形状の表現は便宜的
に行ったものであり、記述式の違いにより変形できるこ
とは周知の事実である。In each of the above embodiments, the eyepiece optical system 2 can be a semi-transmissive mirror other than a concave mirror. It is a well-known fact that a semi-transmissive mirror can be combined with an external image. It is a well-known fact that the expression of the aspherical shape in each embodiment is made for the sake of convenience and can be modified by a difference in the description formula.
【００３０】以上、本発明の視覚表示装置をいくつかの
実施例につ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。Although the visual display device of the present invention has been described with reference to several embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible.
【００３１】[0031]
【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、平面２次元画像表示素子を用
いて、広い画角に対して高い解像力を得られるポータブ
ル型頭部又は顔面装着式視覚表示装置を提供することが
できる。As is apparent from the above description, according to the visual display device of the present invention, a portable head or face capable of obtaining a high resolving power over a wide angle of view using a planar two-dimensional image display element. A wearable visual display device can be provided.
【図１】本発明の視覚表示装置の作用を説明するための
図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the operation of a visual display device of the present invention.
【図２】本発明に基づく反射鏡の反射位置と曲率の関係
を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between a reflection position and a curvature of a reflecting mirror according to the present invention.
【図３】実施例１の光学系の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical system according to the first embodiment.
【図４】実施例１の水平方向の横収差図である。FIG. 4 is a horizontal aberration diagram of the first embodiment.
【図５】実施例１の上方１０°方向の横収差図である。FIG. 5 is a lateral aberration diagram of Example 1 in an upward 10 ° direction.
【図６】実施例２の光学系の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of an optical system according to a second embodiment.
【図７】実施例２の水平方向の横収差図である。FIG. 7 is a horizontal aberration diagram of Example 2 in the horizontal direction.
【図８】実施例２の上方１０°方向の横収差図である。FIG. 8 is a lateral aberration diagram of Example 2 in the upward 10 ° direction.
【図９】実施例３の光学系の断面図である。FIG. 9 is a sectional view of an optical system according to a third embodiment.
【図１０】実施例３の水平方向の横収差図である。FIG. 10 is a horizontal aberration diagram of Example 3 in the horizontal direction.
【図１１】実施例３の上方１０°方向の横収差図であ
る。11 is a lateral aberration diagram of Example 3 in an upward 10 ° direction. FIG.
【図１２】実施例４の光学系の断面図である。FIG. 12 is a sectional view of an optical system according to a fourth embodiment.
【図１３】実施例４の水平方向の横収差図である。FIG. 13 is a horizontal aberration diagram of Example 4 in the horizontal direction.
【図１４】実施例４の上方１０°方向の横収差図であ
る。FIG. 14 is a lateral aberration diagram of Example 4 in the upward 10 ° direction.
【図１５】実施例５の光学系の断面図である。FIG. 15 is a sectional view of an optical system according to a fifth embodiment.
【図１６】実施例５の水平方向の横収差図である。FIG. 16 is a horizontal aberration diagram of Example 5 in the horizontal direction.
【図１７】実施例５の上方１０°方向の横収差図であ
る。FIG. 17 is a lateral aberration diagram of Example 5 in the upward 10 ° direction.
【図１８】従来の顔面装着式視覚表示装置の平面図であ
る。FIG. 18 is a plan view of a conventional face-mounted visual display device.
１…２次元表示素子（２次元表示素子の空中像） ２…接眼光学系（反射鏡） ３…観察者眼球回旋中心（虹彩中心位置） ５…左側の視野に相当する光束 ６…正面の視野に相当する光束 ７…右側の視野に相当する光束 ２ａ…反射鏡の中心軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 2D display element (aerial image of 2D display element) 2 ... Eyepiece optical system (reflection mirror) 3 ... Center of rotation of observer's eyeball (center position of iris) 5 ... Light flux equivalent to left field of view 6 ... Front field of view 7 a light flux corresponding to the right field of view 2a a central axis of the reflecting mirror
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−39924（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−101709（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−297516（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−49016（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−177108（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−57314（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−78116（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−500458（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−501946（ＪＰ，Ａ) 米国特許4026641（ＵＳ，Ａ) 米国特許4322135（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/02 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-3-39924 (JP, A) JP-A-3-101709 (JP, A) JP-A-2-297516 (JP, A) JP-A 64-64 49016 (JP, A) JP-A-63-177108 (JP, A) JP-A-60-57314 (JP, A) JP-A-58-78116 (JP, A) Japanese Translation of PCT International Publication No. 3-500458 (JP, A) JP-A-61-501946 (JP, A) U.S. Pat. No. 4,026,461 (US, A) U.S. Pat. No. 4,322,135 (US, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G02B 27/02
Claims (5)
素子と、前記２次元表示素子又はその投影像を空中に拡
大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光学系とを備え
た視覚表示装置において、前記接眼光学系が、偏心配置された曲面形状の反射面を
有し、 前記曲面形状の反射面は、回転非対称な非球面形状にて
構成され、 前記回転非対称な曲面形状の反射面は、前記接眼光学系
の前記曲面反射面によって反射されて折り返される前後
の光軸を含んだ面内における曲率が、光軸が屈曲する位
置での曲率を基準にして、前記 ２次元表示素子側から見
て、光軸が屈曲する位置より遠い側（観察者の眼球位置
に近い側）において高くなり、光軸が屈曲する位置より
近い側（２次元表示素子に近い側）において低くなるよ
うに構成したことを特徴とする視覚表示装置。And 1. A flat two-dimensional display device for displaying an observation image of the shape, and a contact ocular optical system Ru by bending the optical axis while enlarging and projecting the two-dimensional display element or projection image thereof on the air visually In the display device, the eyepiece optical system may include a curved reflecting surface that is eccentrically arranged.
The curved reflecting surface has a rotationally asymmetric aspherical shape.
The rotationally asymmetric curved reflecting surface is configured to include the eyepiece optical system.
Before and after being reflected by the curved reflecting surface and turned back
The curvature in the plane including the optical axis is the position where the optical axis is bent.
The side farther than the position where the optical axis is bent (the eyeball position of the observer) when viewed from the two-dimensional display element side with reference to the curvature at the position.
Ri a high in the near side), the the position where the optical axis is bent
Visual display apparatus characterized by being configured to so that a low in the near side (side closer to the two-dimensional display device).
出光軸のなす光軸の屈曲角が、２０°以上となるように
構成されたことを特徴とする請求項１記載の視覚表示装
置。Wherein as the bending angle of the formed optical axis of the exit optical axis and the incident optical axis of the reflecting surface of the curved shape, a 20 ° or more
Visual display device according to claim 1, characterized in that it is configured.
前記接眼光学系の前記曲面反射面によって反射されて折Folded by the curved reflecting surface of the eyepiece optical system
り返される前後の光軸を含んだ面内における曲率が、光The curvature in the plane including the optical axis before and after returning
軸が屈曲する位置（Ｂ’）での曲率を基準にして、前記Based on the curvature at the position (B ') where the shaft bends,
２次元表示素子側から見て、光軸が屈曲する位置より遠Seen from the two-dimensional display element side, farther from the position where the optical axis is bent
い側（観察者の眼球位置に近い側）での最外角の軸外主Off-axis principal on the outer side (closer to the observer's eyeball position)
光線の屈曲される位置（Ａ’）を決めたとき、前記位置When the position (A ') at which the light beam is bent is determined, the position
Ｂ’から前記位置Ａ’に行くに従って曲率の変化量が増The amount of change in curvature increases from B 'to the position A'.
えるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記3. The method of claim 1, wherein
載の視覚表示装置。Visual display device.
面を向けた凹面反射鏡にて構成されたことを特徴とするCharacterized by a concave reflecting mirror with its surface facing
請求項１記載の視覚表示装置。The visual display device according to claim 1.
にて構成されたことを特徴とする請求項１記載の視覚表2. The visual table according to claim 1, wherein the visual table is constituted by:
示装置。Indicating device.
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