JP3597456B2 - Eccentric optical system and visual display device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、偏心光学系及びそれを用いた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用いられる偏心光学系とその視覚表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、頭部装着式視覚表示装置として、図21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。
【0003】
さらに、本出願人による先行技術として、特願平3−295874号において、偏心して配置した凹面接眼光学系と、偏心して配置したリレー光学系を使用した頭部装着式視覚表示装置がある。その1実施例の断面図を図22に示す。図中Pは観察者眼球13の回旋中心、Cは観察者にとって正面に相当する観察視軸、Q1 は観察者瞳位置、S8 はTを回転中心軸とする回転楕円体、16はその回転楕円体の反射面、17はリレー光学系の光軸、Q2 は回転楕円体の焦点、15はリレー光学系、14は2次元画像表示素子である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
頭部装着式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを小さくすることと、重量を軽くすることは、装着性を損なわなくするために重要な点である。この装置全体の大きさを決定する要因は、光学系のレイアウトである。
【0005】
装置全体を小型にするためには、2次元画像表示素子を凸レンズで拡大して直接観察する直視型のレイアウトでは、観察者顔面からの装置突出量が大きくなる。さらに、広い観察画角をとるためには、大きな正レンズ系と大きな2次元画像表示素子を使用する必要があり、装置が大きくなると同時に、重くなる。
【0006】
疲労を感じさせずに長時間の観察を可能としたり、簡単に着脱するためには、観察者の眼球直前に反射面からなる接眼光学系を配置した構成が望ましい。これにより、2次元画像表示素子と照明光学系等を観察者の頭部周辺に小さくまとめて配置でき、装置の突出量が減ると同時に、軽量化が可能となる。
【0007】
次に、大きな画角を確保することは、画像観察時の臨場感を上げるために必要である。特に、提示される画像の立体感は提示画角によって決まってしまう(テレビジョン学会誌 Vol.45, No.12, pp.1589−1596(1991))。
【0008】
広い画角と高い解像力が得られる光学系をいかにして実現するかが、次に重要な問題となる。
【0009】
立体感・迫力感等を観察者に与えるためには、水平方向で40°(±20°)以上の提示画角を確保することが必要であると同時に、120°(±60°)付近でその効果は飽和してしまうことが知られている。つまり、40°以上で、なるべく120°に近い観察画角にすることが望ましい。しかし、上記の接眼光学系が平面の反射鏡の場合は、観察者の眼球に上記の40°以上の画角の光線を入射させようとした場合には、非常に大きな2次元画像表示素子を必要とし、結局装置全体が大きくて重いものとなってしまう。
【0010】
さらに、凹面鏡は、その性質上、凹面鏡の表面に沿った凹面の強い像面歪曲を発生するために、平面の2次元画像表示素子を凹面鏡の焦点位置に配置すると、その観察像面は湾曲を起こしてしまい、視野周辺まで明瞭な観察像を得ることはできない。また、2次元画像表示素子の表示面を湾曲して配置する方法も、図21の先行技術のように存在する。しかし、図21のように凹面鏡を使用して、凹面鏡の前側焦点位置に2次元画像表示素子を配置し、凹面鏡のみで2次元画像表示素子を空中に拡大投影する配置をとっても、40°以上の観察画角を提供する場合には、凹面鏡の収差のために高い解像力を得ることは難しかった。
【0011】
また、図22のような偏心配置の補正光学系を使用する場合、その偏心補正光学系が顔面近傍に位置するために、眼鏡等を使用しながら像を観察することができなかった。これは、図22より明らかなように、眼鏡の縁の部分が偏心補正光学系と干渉することと、観察像を形成するリレー光学系からの光線が眼鏡レンズに裏側から当たってしまい、正常な観察像を観察することができなくなってしまうことによる。
【0012】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、広い観察画角を提供しつつ、小型・軽量で、高い解像力と大きい射出瞳径を持った視覚表示装置、及び、このような視覚表示装置でありながら、眼鏡を掛けたまま観察できる視覚表示装置を提供しようとするものである。
【0013】
以下、本発明の大きい射出瞳径を提供する目的について説明する。光学系の射出瞳径を大きくとらないと、周辺の画角を観察する時の眼の回旋運動によって視野がケラレてしまう。この様子を図4に示す。図(a)は、視野中心を観察している観察者の眼1の瞳位置2が光学系の射出瞳径位置に合っている場合であり、図(b)は、視野周辺を観察しようとして観察者が眼1をその方向に回旋させて見ようとした場合であり、観察者の瞳2と眼球1の回旋中心がズレているために、図(b)においては、あたかも瞳2が横ズレしたようになる。このため、例えば左方向を観察しようとして眼球1を左に回すと、右側の視野がケラレて見えなくなる問題が発生する。
【0014】
また、観察者の瞳と装置自体の射出瞳は、装置の装着状態で変化する。観察者の瞳径に対してある程度余裕を持った射出瞳径を持った装置でないと、装置装着時や観察者の個人差によって起こる観察者瞳位置と装置の射出瞳位置のズレを吸収できずに、観察者の瞳で観察画像が遮られ、広い観察画角を確保することはできない。
【0015】
この問題を解決するためには、観察系の射出瞳径を大きく設計することが重要となる。一般のカメラレンズでも、瞳径を大きくすること、すなわち、Fナンバーを小さくすることは、レンズの収差補正上難しくなり、瞳径を2倍にすることには大変な困難が伴う。例えば、Fナンバー2.8で焦点距離50mmのカメラ用標準レンズとFナンバー1.4の標準レンズでは、その構成枚数は3枚のトリプレットタイプから6枚のガウスタイプにする必要がある。このように、瞳径(Fナンバー)を2倍にすることは、光学系の構成を大きく変え、レンズ構成の大形化を招いてしまう。
【0016】
ところで、一般の人の約半数は近視・乱視等の視覚障害を持っている。近年、コンタクトレンズが普及してコンタクトレンズ装着者の割合が増えてはいるが、コンタクトレンズは、その取扱いや保守性から一部の人の使用に限られており、価格や取扱い等の問題で眼鏡を使用している人が殆どである。
【0017】
眼鏡を利用している人が眼鏡を取った裸眼により、例えば図21〜22のような視覚表示装置を装着して、明瞭な観察画像を観察できるようにするには、視覚表示装置側に何らかの視度補正手段を設ける必要がある。
【0018】
しかし、小型・軽量を目的とする本発明のような視覚表示装置に乱視を含めた視度補正手段を設けることは、装置の大型化と重量の増大を招くと共に、装置側の視度補正量を観察者に合うよう適切に調整できるようにすることは非常に難しくなる。また、間違った視度で正常な観察視力を持った観察者が長時間観察してしまった場合、その観察者の視度が逆に装置側の間違った視度に順応してしまって、観察者の視力が悪くなってしまう危険性もある。
【0019】
さらに、2次元画像表示素子の空中像と外界の観察像を重畳して観察する所謂「スーパーインポーズ」での観察では、外界の像の視度と視覚表示装置により空間に投影された空中像との両方に視度補正機構を付加することが必要になり、ますます装置の大型化を招いてしまう。
【0020】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その第1の目的は、40°(±20°)以上の観察画角で観察でき、かつ、周辺までフラットで鮮明な画像が観察でき、さらに、広い射出瞳径を確保した視覚表示装置用の偏心光学系を提供することである。
【0021】
また、本発明の別の目的は、眼鏡等を装着したまま空間に投影された広い観察画角の空中像を鮮明に観察することが可能な視覚表示装置用の偏心光学系を提供することである。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第1の偏心光学系は、像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第1透過面、第2透過面、第1反射面及びリレー光学系を含み、
前記第1反射面、光路上前記第1反射面よりも前記像面側にある前記第1透過面及び前記第2透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第1透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第1反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その形状が回転対称ではなく、回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成され、
前記第1透過面と前記第2透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第1反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成されていることを特徴とするものである。
【0023】
本発明の第2の偏心光学系は、像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第1透過面、第2透過面、第1反射面及びリレー光学系を含み、
前記第1反射面、光路上前記第1反射面よりも前記像面側にある前記第1透過面及び前記第2透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第1透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第1反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その面形状が前記第1反射面に入射する光軸と反射後に射出する光軸の両方の光軸を含んだY−Z平面を断面とした時の面形状と、前記Y−Z平面と光軸上垂直なX−Z平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成され、
前記第1透過面と前記第2透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第1反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために前記Y−Z平面を断面した時の面形状と、前記Y−Z平面と光軸上垂直なX−Z平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成されていることを特徴とするものである。
【0024】
これらの場合、偏心光学系が、前記第1透過面とは別に、第2透過面を有し、第2透過面は、第1透過面と相関して、少なくとも第1反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正する回転非対称な非球面形状にて構成されていることが望ましい。
【0025】
そして、偏心光学系は、第1透過面と像面との間に、前記リレー像を形成するリレー光学群を配置し、
リレー光学群は、平面状の前記像面を、湾曲した曲面状のリレー像として光路内にリレーするように構成されていることが望ましい。
【0026】
また、第1反射面は、瞳中心を透過する光軸の直線上に傾いて配置されていることが望ましい。
【0027】
また、第1反射面は、その反射面にて光軸が反射屈曲される時の屈曲角度が60°以上となるように構成されていることが望ましい。
【0028】
なお、本発明は、像面上に配置された画像表示素子と、以上の何れかの偏心光学系とを含んでなる視覚表示装置を含むものである。
【0029】
【作用】
以下、上記配置をとる理由と作用について説明する。以下は、設計上の利便性から、観察者瞳位置から2次元画像表示素子へ向けて光線を追跡する逆追跡の光路に沿って説明する。
【0030】
接眼凹面反射光学系とリレー光学系の間に配置された偏心補正光学素子は、偏心して配置された接眼凹面反射光学系で発生する光軸に対して対称ではない収差を補正するためのものである。
【0031】
以下、上記配置をとる理由について、リレー光学系を省略した図3を用いて説明する。図3は、観察者の右眼に当たる光学系の接眼凹面鏡によって発生する像面湾曲を逆追跡によって示した図である。この図は右眼用の光学系であり、左眼用の光学系はこれと対称に配置される。この図において、観察者眼球を1、観察者瞳位置を2、接眼凹面鏡を3、観察者の視軸を4、接眼凹面鏡3による無限遠物体の像面を5、接眼凹面鏡3によって屈曲した光軸を6、接眼凹面鏡3による観察者の瞳投影位置を7で示す。
【0032】
この図は、観察者眼球位置1での瞳径は8mm、追跡光線の画角は50°(半画角25°)と、35°(半画角17.5°)の光線を示している図である。前記のように、観察画角が40°を越える広画角の接眼凹面反射光学系では、凹面鏡の結像特性として、凹面鏡の焦点面5は湾曲してしまう。観察画角の中心である視軸4は、接眼凹面鏡3によって反射され、光軸6となる。凹面鏡3を視軸4に対して偏心して配置しているために、像面5と光軸6は垂直にならずに、光軸6に対して斜めに傾いた像面5として形成される。
【0033】
つまり、偏心した凹面鏡3で光軸6までも屈曲させているために、観察画角の中心である光軸6に対して傾いてなおかつ湾曲した像面5を形成する。この像面湾曲は、凹面反射鏡3を非球面で構成しても、トーリック面で構成しても、同じである。
【0034】
この像面をリレー光学系で2次元画像表示素子上に投影することは、傾いて湾曲した物体面を平面の2次元画像表示素子上に投影することをリレー光学系に要求することとなる。本発明のような偏心補正光学系がなくとも、リレーレンズ系の偏心と2次元画像表示素子の傾きによって、像面の傾きと像面湾曲を補正できることは、一般に周知の事実であるが、本発明のように大きな瞳径と高い解像力を同時に満足することは困難で、大掛かりなリレー光学系が必要となる。
【0035】
そこで、本発明においては、光軸に対して傾いていて湾曲した物体面を光軸に対して垂直に起こすと共に像面湾曲を補正する偏心補正光学系を、接眼凹面反射光学系とリレー光学系の間の像面近傍に配置することで、上記のような像面の光軸に対する傾きと湾曲を同時に補正することに成功したものである。
【0036】
この偏心補正光学系の少なくとも1つの面は、光軸に対して傾いていることはもちろん、リレー光学系の光軸に対しても傾いていると同時に、偏心補正光学系の2つの面も互いに偏心した面で構成することが好ましい。これは、接眼凹面鏡による像面が単に傾いた平面ではなく、湾曲を持った曲面になっていて、なおかつ、傾いているためである。この傾いた像面を平面に補正するためには、複雑に偏心した曲面で上記偏心補正光学系を構成する必要がある。
【0037】
このような構成をとる効果について、図1の本発明の概念図を用いて説明する。図1の概念図において、観察者眼球位置を1、観察者虹彩位置を2、接眼凹面鏡を3、観察者視軸を4、接眼凹面鏡3による無限遠物体の像面を5、接眼凹面鏡3で反射された視軸を6、偏心補正光学系を8、偏心補正光学系8を射出した後の光軸を9、偏心補正光学系8で補正された像面を18で示す。
【0038】
先ず、第1に、偏心補正光学系8が楔状をしていることが重要である。図1に示すように、楔状の偏心補正光学系8は、視軸6に対して非対称な光路長を持つことによって、視軸6に対して傾いて形成される像5を光軸9に対してほぼ垂直な像面18に変換する作用がある。
【0039】
次に、視軸に対して対称な像面湾曲を補正するために、リレー光学系(図1中では省略)に対して凹面を向けている像面湾曲補正のために、偏心補正光学系8の第1面S1 を図1のS2 のように凸面することで、上記像面湾曲を補正できる。これにより、リレー光学系は平坦な像面を2次元画像表示素子に投影するだけですむので、リレー光学系の収差補正の負担が大幅に減り、小型のリレー光学系で構成することに成功したものである。
【0040】
図2に本発明による偏心補正光学系の光路図を示す。この図は後記する実施例1の偏心補正光学系による補正状態を示すもので、図において、観察者眼球を1、観察者瞳位置を2、接眼凹面鏡を3、観察者の視軸を4、接眼凹面鏡3による像面を5、接眼凹面鏡3と図示しないリレー光学系の間に配置される偏心補正光学系を8、接眼凹面鏡3及び偏心補正光学系8によって屈曲した光軸を9、接眼凹面鏡3及び偏心補正光学系8による観察者の瞳2の投影位置を7、接眼凹面鏡3と偏心補正光学系8によって補正された像面を18で示す。この光路図から明らかなように、接眼凹面鏡3による像面5は、偏心補正光学系8によって光軸9に対して垂直で平坦な像面18に補正される。
【0041】
このように、偏心した面で構成されている偏心補正光学系8によって、リレー光学系での収差補正の負担が減り、本発明のように、大きな瞳径を確保しつつ、高い解像力を満足した観察光学系とすることが可能となる。なお、上記のように、偏心補正光学系8の第1面と第2面は、軸上光線に対して楔状をしていることが、像面の傾きを補正し、解像力の高い観察像を提供するために重要である。
【0042】
さらに好ましくは、接眼凹面鏡3で発生した非点収差は、接眼凹面鏡3が偏心して配置されているために、視軸に対して回転対称ではない複雑な非点隔差を発生させている。この複雑な非点隔差を補正するために、偏心補正光学系8はアナモルフィク面で構成することが望ましく、図2の紙面内のY−Z軸面内の屈折力より、紙面と垂直なX−Z軸面内の屈折力が小さくなるように構成することが、非点収差を補正して解像力の高い観察像を視野周辺まで提供するために必要となる。
【0043】
さらに好ましくは、偏心補正光学系8の接眼凹面鏡3側の面を凸面で構成することが、収差補正上好ましい。このことは、像面5の湾曲の形に偏心補正光学系8の1面を合わせる形となる。これによって、この偏心補正光学系8を通過する光線の光路長が光軸近傍より周辺画角で短くなるために、像面湾曲補正に有利になるからである。このことは、偏心補正光学系8の役割が、像面湾曲を補正する役割が比較的強い時に重要となる。
【0044】
さらに好ましくは、偏心補正光学系とリレー光学系、像面の偏心との両方を組み合わせることによって、更に良好な収差補正ができることは、言うまでもない。
【0045】
また、さらに好ましくは、偏心補正光学系又は接眼凹面鏡を非球面にすることによって、図1の偏心補正光学系8のように、リレー光学系に入射する瞳収差を補正することが可能となり、リレー光学系の収差補正の負担が減り、リレー光学系を小型にできる。
【0046】
さらに好ましくは、光軸6(図1)に対して、リレー光学系の一部又は全部を傾けて配置することにより、偏心補正光学系8で発生する色収差に対しても、リレー光学系で補正することが可能となる。
【0047】
さらに好ましくは、偏心補正光学系の像面の傾き補正の負担を減らし、色収差補正によい結果を得るように、2次元画像表示素子を傾けて配置すると、全体の性能に良い結果を与える。
【0048】
さらに、接眼凹面反射光学系3の前側焦点位置より凹面鏡3から離れた位置に観察者の瞳2位置を配置すると、接眼凹面鏡3の像面5を小さくすることが可能となり、観察者頭部と偏心補正光学素子8との干渉が避けやすく、接眼凹面光学系3の焦点距離をFR 、接眼凹面光学系3と観察者虹彩位置2までの距離をDとするとき、
D>0.5×FR ・・・・(1)
なる条件式(1)を満足することが好ましい。
【0049】
上記条件式(1)の下限を越えると、接眼凹面鏡3で反射した光線が極端に広がってしまい、偏心補正光学系8が大きくなり、観察者頭部に当たってしまう。また、リレー光学系が大型となり、装置全体が大型のものになってしまう。
【0050】
また、接眼凹面反射光学系3と観察者眼球1の虹彩位置2又は眼球回旋点との距離は、接眼凹面反射光学系3を観察者眼球1直前に配置するために、余りに短いと、観察者の睫毛に当たったり恐怖感を与えてしまう。このために、接眼凹面反射光学系3と観察者虹彩位置2又は眼球回旋点までの距離Dは30mm以上離して配置することが望ましく、
D>30 〔mm〕 ・・・・(2)
なる条件(2)を満足することが好ましい。
【0051】
さらに、第2の本発明のように、視軸の屈曲角を60°以上傾けるようにすると、接眼凹面反射鏡によって発生する像面の屈曲後の視軸に対する傾きと、凹面反射鏡に斜めに光束が入射するために発生する複雑な非点収差の発生とにより、観察画角周辺まで明瞭な観察像を観察することができない。上記の収差を補正するためには、偏心補正光学系の第1面と第2面のY−Z軸平面(観察者の左右方向と視軸を含む平面)内での曲率半径をRY1、RY2とするとき、
RY1/RY2<0.5 ・・・・(3)
なる条件(3)を満足することが重要である。
【0052】
この条件(3)は、偏心補正光学系のY−Z平面内での屈折力を表している。ただし、本発明の場合は、偏心補正光学系の第1面と第2面はお互いに偏心しているので、厳密には屈折力を定義することは不可能である。本発明のような光学系の場合、この条件式(3)の上限の0.5を越えると、特に60°以上の屈曲角を接眼凹面鏡で得る場合、接眼凹面光学系で発生する強い像面湾曲を補正することが難しくなる。この像面湾曲は凹面鏡で発生するもので、比較的屈曲角が小さい場合は、屈曲後の視軸に対して垂直であり、かつ、曲率も緩い像面となる。しかし、屈曲角が60°を越えてくると、視軸に対する傾きと曲率が共に大きくなり、この強い像面湾曲と像面の傾きをリレー光学系で補正できる限界を越えてしまう。さらに、偏心補正光学系でも、上記条件式(3)に示す範囲を越えると、湾曲補正が不可能となり、フラットで鮮明な観察像を得ることができなくなってしまう。
【0053】
【実施例】
以下、本発明の視覚表示装置の実施例1〜8について説明する。
実施例1
図5を参照にしてこの実施例を説明する。図中、2は観察者瞳位置、4は観察者が正面を観察している時の視軸、3は接眼凹面鏡、8は偏心補正光学系、15はリレー光学系、14は2次元画像表示素子である。
【0054】
座標系を図示のように、観察者の左右方向の右から左を正方向とするY軸、観察者の視軸4方向の眼球側から凹面鏡3側を正方向とするZ軸、上下方向の上から下を正方向とするX軸と定義する。
【0055】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。
【0056】
偏心量と傾き角は、凹面鏡3(面番号:2)についてはY軸方向への偏心量のみが与えられ、その頂点が射出瞳2中心を通る視軸4(Z軸方向)からのY軸方向へ偏心している距離であり、偏心補正光学系8に関しては、各面(面番号:3、4)の頂点の射出瞳2中心からのY軸正方向及びZ軸正方向への偏心量と、その面の頂点を通る中心軸のZ軸方向からの傾き角が与えられる。面の中心軸の傾き角はZ軸正方向からY軸正方向へ向かう回転角(図で反時計方向)を正方向の角度として与えられる。リレー光学系15については、その第1面(面番号:5)の頂点位置が偏心補正光学系8の各面と同様に与えられ、その頂点を通る中心軸が光軸になり、その光軸の傾き角が同様に与えられる。リレー光学系15の中の第1面以外の特定面(面番号:8)の偏心量と傾き角は、その面の頂点を通る中心軸(光軸)のその前の面の光軸に直角な方向への偏心量と傾き角で与えられる。偏心量と傾き角の表示のない面は、その前の面と同軸であることを表す。また、2次元画像表示素子14(面番号:13)については、その中心の射出瞳2中心からのY軸正方向及びZ軸正方向への偏心量と、その面の法線のZ軸方向からの傾き角とを与えてある。
【0057】
また、各面の非球面形状は、座標系を図示のようにとり、各面の近軸曲率半径を、Y−Z面(紙面)に垂直な面内での曲率半径をRx 、Y−Z面内での曲率半径をRy とすると、次の式で表される。
【0058】
ここで、Kx はX方向の円錐係数、Ky はY方向の円錐係数、AR、BRはそれぞれ回転対称な4次、6次の非球面係数、AP、BPはそれぞれ非対称な4次、6次の非球面係数である。
【0059】
また、面間隔は、射出瞳2と凹面鏡3の間については、射出瞳2中心と凹面鏡3頂点間のZ軸方向の間隔、リレー光学系15の第1面からその像面(2次元画像表示素子14)に到る間隔は、その光軸に沿う間隔で示してある。リレー光学系15については、面の曲率半径をr1 〜ri で、面間隔をd1 〜di で、d線の屈折率をn1 〜ni で、アッベ数をν1 〜νi で示す。
上記実施例の画角は、左右画角が45°、上下画角が34.65°で、瞳径8mmである。
【0060】
この実施例の収差補正状態を示すスポットダイアグムを図13に示す。図13において、スポットダイアグムの左側の4つの数字の中、上段の2つの数字は、長方形の画面中央の座標(X,Y)を(0.00,0.00)、右端中央の座標を(0.00,−1.00)、右上隅の座標を(1.00,−1.00)、上端中央の座標を(1.00,0.00)のように表現した場合の座標(X,Y)を示し、下段の2つの数字は、視軸(画面中央)に対して上記座標(X,Y)方向がなす角度のX成分、Y成分(度表示)を示す。
実施例2
図6を参照にして、実施例2について説明する。この実施例の構成は実施例1と同じであるが、接眼凹面鏡3がY軸を軸とする回転楕円鏡からなる。
【0061】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数も実施例1と同様である。各面の非球面形状も同様であるが、接眼凹面鏡3については、曲率半径をRとすると、次の式で表される。
【0062】
Z=(h2/R)/[1+{ 1−(1+K) ( h2/R2)}1/2 ]+Ah4 +Bh6
(h2 =X2 +Y2 )
ここで、Kは円錐係数、A、Bはそれぞれ4次、6次の非球面係数である。
上記実施例の画角は、左右画角が45°、上下画角が34.65°で、瞳径8mmである。
【0063】
この実施例の収差補正状態を示す図13と同様なスポットダイアグムを図14に示す。
実施例3
図7を参照にして、実施例3について説明する。この実施例の構成は実施例1と同じである。
【0064】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例1と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が45°、上下画角が34.65°で、瞳径6mmである。
【0065】
この実施例の収差補正状態を示す図13と同様なスポットダイアグムを図15に示す。
実施例4
図8を参照にして、実施例4について説明する。この実施例の構成は実施例1とほぼ同じである。
【0066】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例1と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が50°、上下画角が35°で、瞳径8mmである。なお、上記の表中、面番号:5の偏心量、傾き角の括弧内の数値にリレーレンズ系15を移動することによって、左右の観察画角が50°から30°に切り換え可能となっている。
【0067】
この実施例の広い画角時及び狭い画角時の収差補正状態を示す図13と同様なスポットダイアグムをそれぞれ図16、図17に示す。
実施例5
図9を参照にして、実施例5について説明する。この実施例の構成は実施例1とほぼ同じである。
【0068】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例1と同様である。
【0069】
なお、以下に示す実施例5〜8の何れも接眼凹面鏡3による屈曲角は70°である。
上記実施例の画角は、左右画角が50°、上下画角が38.5°で、瞳径10mmである。
【0070】
この実施例の収差補正状態を示す図13と同様なスポットダイアグムを図18〜図20に示す。
実施例6
図10を参照にして、実施例6について説明する。この実施例の構成は実施例1とほぼ同じである。
【0071】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数も実施例1と同様である。各面の非球面形状も同様であるが、リレー光学系15については、実施例2の式で表される。
上記実施例の画角は、左右画角が50°、上下画角が38.5°で、瞳径10mmである。
実施例7
図11を参照にして、実施例7について説明する。この実施例の構成は実施例6とほぼ同じである。
【0072】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例6と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が50°、上下画角が38.5°で、瞳径10mmである。
実施例8
図12を参照にして、実施例8について説明する。この実施例の構成は実施例6とほぼ同じである。
【0073】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳2位置から2次元画像表示素子14へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例6と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が50°、上下画角が35°で、瞳径10mmである。
【0074】
実施例5〜8の場合、リレー光学系15を観察者頭部(眼球上部)に配置することが可能となり、偏心補正光学系8が眼球の上部に位置するため、空中像ではなく外界像を観察している時に、偏心補正光学系8が邪魔をして外界の観察像の視野が観察できなくなる問題が発生しない。この問題が起こると、視覚表示装置を装着したまま他の仕事をしたり、場所を移動したりする時に、観察者の視野の狭さからくる不安を与えることになってしまう。
【0075】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に基づき、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察できる頭部装着式視覚表示装置用偏心光学系を提供することができる。
【0076】
また、眼鏡等を装着したまま空間に投影された広い観察画角の空中像を鮮明に観察することが可能な頭部装着式視覚表示装置偏心光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の視覚表示装置の概念図である。
【図2】本発明による偏心補正光学系の光路図である。
【図3】視覚表示装置の接眼凹面鏡によって発生する像面湾曲を示す図である。
【図4】眼の回旋運動によって視野がケラレる様子を示す図である。
【図5】本発明の実施例1の光学的構成を示す断面図である。
【図6】実施例2の光学的構成を示す断面図である。
【図7】実施例3の光学的構成を示す断面図である。
【図8】実施例4の光学的構成を示す断面図である。
【図9】実施例5の光学的構成を示す断面図である。
【図10】実施例6の光学的構成を示す断面図である。
【図11】実施例7の光学的構成を示す断面図である。
【図12】実施例8の光学的構成を示す断面図である。
【図13】実施例1の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図14】実施例2の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図15】実施例3の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図16】実施例4の広い画角時の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図17】実施例4の狭い画角時の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図18】実施例5の収差補正状態を示すスポットダイアグムの一部である。
【図19】実施例5の収差補正状態を示すスポットダイアグムの別の一部である。
【図20】実施例5の収差補正状態を示すスポットダイアグムの残りの部分である。
【図21】従来の頭部装着式視覚表示装置の構成を示す平面図である。
【図22】本出願人による先行技術の頭部装着式視覚表示装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1…観察者眼球
2…観察者瞳位置
3…接眼凹面鏡
4…観察者の視軸
5…接眼凹面鏡による無限遠物体の像面
6…接眼凹面鏡によって屈曲した光軸
7…観察者の瞳投影位置
8…偏心補正光学系
9…偏心補正光学系を射出した後の光軸
14…2次元画像表示素子
15…リレー光学系
18…偏心補正光学系で補正された像面[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an eccentric optical system and a visual display device using the same, and more particularly, to an eccentric optical system used for a head or face-mounted visual display device capable of being held on the head or face of an observer. The present invention relates to the visual display device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a head-mounted visual display device, a device as shown in a plan view in FIG. 21 is known (US Pat. No. 4,266,641). This is such that an image of an
[0003]
Further, as a prior art by the present applicant, Japanese Patent Application No. 3-295874 discloses a head mounted visual display device using an eccentrically arranged concave eyepiece optical system and an eccentrically arranged relay optical system. FIG. 22 shows a cross-sectional view of the first embodiment. In the figure, P is the center of rotation of the observer's
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
For a head-mounted visual display device, reducing the size of the entire device and reducing its weight are important points in order not to impair the wearability. The factor that determines the size of the entire device is the layout of the optical system.
[0005]
In order to reduce the size of the entire apparatus, in a direct-view layout in which the two-dimensional image display element is directly observed by enlarging the two-dimensional image display element with a convex lens, the amount of projection of the apparatus from the observer's face becomes large. Further, in order to obtain a wide viewing angle of view, it is necessary to use a large positive lens system and a large two-dimensional image display element.
[0006]
In order to enable long-term observation without causing fatigue and to easily attach and detach the eyepiece, it is desirable to employ a configuration in which an eyepiece optical system including a reflective surface is arranged immediately before the observer's eyeball. Thus, the two-dimensional image display element and the illumination optical system can be arranged in a small area around the observer's head, so that the projection amount of the device is reduced and the weight can be reduced.
[0007]
Next, it is necessary to secure a large angle of view in order to increase the sense of reality during image observation. In particular, the stereoscopic effect of the presented image is determined by the angle of view (Television Society Journal, Vol. 45, No. 12, pp. 1589-1596 (1991)).
[0008]
The next important issue is how to realize an optical system that can obtain a wide angle of view and high resolution.
[0009]
In order to give the observer a three-dimensional feeling, a powerful feeling, and the like, it is necessary to secure a presentation angle of view of 40 ° (± 20 °) or more in the horizontal direction, and at the same time, in the vicinity of 120 ° (± 60 °) It is known that the effect is saturated. That is, it is desirable to set the observation angle of view to 40 ° or more and as close as possible to 120 °. However, when the eyepiece optical system is a flat reflecting mirror, if an attempt is made to make the above-described light ray having an angle of view of 40 ° or more into the eyeball of the observer, a very large two-dimensional image display element is required. Required, and eventually the whole device becomes large and heavy.
[0010]
Further, due to the nature of the concave mirror, in order to generate strong image field distortion of the concave surface along the surface of the concave mirror, if a planar two-dimensional image display element is arranged at the focal position of the concave mirror, the observation image plane will be curved. And a clear observation image cannot be obtained up to the periphery of the visual field. A method of arranging the display surface of a two-dimensional image display element in a curved manner also exists as in the prior art shown in FIG. However, even if the two-dimensional image display element is arranged at the front focal position of the concave mirror using a concave mirror as shown in FIG. When providing an observation angle of view, it was difficult to obtain a high resolving power due to the aberration of the concave mirror.
[0011]
Further, when a correction optical system having an eccentric arrangement as shown in FIG. 22 is used, since the eccentricity correction optical system is located near the face, an image cannot be observed using eyeglasses or the like. This is because, as is apparent from FIG. 22, the edge of the spectacles interferes with the eccentricity correction optical system, and the light from the relay optical system that forms the observation image impinges on the spectacle lens from the back side. This is because the observation image cannot be observed.
[0012]
The present invention has been made in view of such problems, and provides a wide viewing angle of view, and is compact and lightweight, and has a high resolution and a large exit pupil diameter. An object of the present invention is to provide a visual display device that can be observed while wearing glasses while being a visual display device.
[0013]
Hereinafter, an object of the present invention for providing a large exit pupil diameter will be described. Unless the diameter of the exit pupil of the optical system is made large, the visual field will be vignetted by the rotational movement of the eye when observing the peripheral angle of view. This is shown in FIG. FIG. 7A shows a case where the
[0014]
The pupil of the observer and the exit pupil of the apparatus itself change depending on the state of the apparatus. Unless the device has an exit pupil diameter that has a certain margin with respect to the observer's pupil diameter, it is not possible to absorb the difference between the observer's pupil position and the device's exit pupil position that occurs when the device is attached or due to individual differences between observers. In addition, the observation image is obstructed by the observer's pupil, and a wide observation angle of view cannot be secured.
[0015]
In order to solve this problem, it is important to design the exit pupil diameter of the observation system to be large. Even with a general camera lens, it is difficult to increase the pupil diameter, that is, to reduce the F-number, in correcting the aberration of the lens, and it is very difficult to double the pupil diameter. For example, in the case of a camera standard lens having an F number of 2.8 and a focal length of 50 mm and a standard lens having an F number of 1.4, the number of components needs to be changed from three triplet types to six Gaussian types. As described above, doubling the pupil diameter (F number) greatly changes the configuration of the optical system and causes an increase in the size of the lens configuration.
[0016]
By the way, about half of ordinary people have visual impairments such as myopia and astigmatism. In recent years, contact lenses have become widespread and the proportion of contact lens wearers has increased, but contact lenses are limited to use by some people because of their handling and maintainability, and they have problems with price and handling. Most people use glasses.
[0017]
In order for a person using the glasses to wear a visual display device as shown in, for example, FIGS. It is necessary to provide diopter correction means.
[0018]
However, the provision of diopter correction means including astigmatism in a visual display device such as the present invention for the purpose of small size and light weight causes an increase in the size and weight of the device, and a diopter correction amount on the device side. It can be very difficult to be able to properly adjust to fit the observer. In addition, if an observer who has normal observation visual acuity with an incorrect diopter observes for a long time, the diopter of the observer conversely adjusts to the incorrect diopter on the device side, and the observation is performed. There is also a risk that the eyesight of the elderly will deteriorate.
[0019]
Further, in the so-called “superimposition” observation in which the aerial image of the two-dimensional image display element and the observation image of the external world are superimposed and observed, the diopter of the external image and the aerial image projected into space by the visual display device. In both cases, it is necessary to add a diopter correction mechanism, which further increases the size of the apparatus.
[0020]
The present invention has been made to solve the above problems, and a first object of the present invention is to provide a flat and clear image that can be observed at an observation angle of view of 40 ° (± 20 °) or more. It is an object of the present invention to provide an eccentric optical system for a visual display device, which can observe an image and further secures a wide exit pupil diameter.
[0021]
Another object of the present invention is to provide an eccentric optical system for a visual display device capable of clearly observing an aerial image with a wide observation angle of view projected on a space while wearing glasses or the like. is there.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
A first decentered optical system of the present invention that achieves the above object is a decentered optical system that is disposed between an image plane and a pupil of an observer and includes an optical surface decentered with respect to at least an optical axis.
The decentered optical system includes at least a first transmission surface, a second transmission surface, a first reflection surface, and a relay optical system,
The first reflection surface, the first transmission surface and the second transmission surface that are closer to the image surface side than the first reflection surface on the optical path are configured to transmit light from an infinite object point located on the pupil side of the observer. Condensing to form a relay image near the first transmission surface;
The relay optical system projects the relay image on the image plane,
The first reflecting surface is eccentrically arranged with the concave surface facing in the direction in which light rays are reflected, and the shape is not rotationally symmetric, and is configured in an aspherical shape including a rotationally asymmetrical aspherical coefficient,
The first transmission surface and the second transmission surface are arranged in a wedge shape,
In order to correct at least the astigmatic difference that is not rotationally symmetric and is generated by the first reflecting surface, the optical element is configured to have an aspherical shape including a rotationally asymmetrical aspherical coefficient.
[0023]
The second decentered optical system of the present invention is disposed between the image plane and the pupil of the observer, in the decentered optical system including at least an optical surface decentered with respect to the optical axis,
The decentered optical system includes at least a first transmission surface, a second transmission surface, a first reflection surface, and a relay optical system,
The first reflection surface, the first transmission surface and the second transmission surface that are closer to the image surface side than the first reflection surface on the optical path are configured to transmit light from an infinite object point located on the pupil side of the observer. Condensing to form a relay image near the first transmission surface;
The relay optical system projects the relay image on the image plane,
The first reflection surface is eccentrically arranged with the concave surface facing the direction in which light rays are reflected, and the surface shape includes both the optical axis incident on the first reflection surface and the optical axis emitted after reflection. A rotationally asymmetric aspherical shape in which the surface shape when the YZ plane is a cross section and the surface shape when the XZ plane perpendicular to the optical axis is a cross section are different from each other. Composed,
The first transmission surface and the second transmission surface are arranged in a wedge shape,
A surface shape when the YZ plane is cross-sectioned to correct at least astigmatic difference that is not rotationally symmetric generated by the first reflecting surface, and an XZ plane perpendicular to the YZ plane and the optical axis. Are formed in a rotationally asymmetric aspherical shape different from each other in the surface shape when the section is taken as a cross section.
[0024]
In these cases, the decentered optical system has a second transmission surface separately from the first transmission surface, and the second transmission surface is correlated with the first transmission surface and has at least a rotation generated by the first reflection surface. It is desirable to be configured with a rotationally asymmetric aspherical shape that corrects an asymmetry difference that is not symmetric.
[0025]
And the decentering optical system arranges a relay optical group that forms the relay image between the first transmission surface and the image surface,
It is preferable that the relay optical group is configured to relay the planar image surface into a light path as a curved and curved relay image.
[0026]
In addition, it is desirable that the first reflection surface is arranged to be inclined on a straight line of the optical axis that passes through the center of the pupil.
[0027]
Further, it is preferable that the first reflecting surface is configured such that a bending angle when the optical axis is reflected and bent by the reflecting surface is 60 ° or more.
[0028]
The present invention includes a visual display device including an image display device arranged on an image plane and any one of the above-described decentered optical systems.
[0029]
[Action]
Hereinafter, the reason and the operation of the above arrangement will be described. The following description will be made along the optical path of reverse tracing for tracing light rays from the observer's pupil position to the two-dimensional image display element for convenience in design.
[0030]
The eccentricity correction optical element arranged between the eyepiece concave reflecting optical system and the relay optical system is for correcting aberrations that are not symmetric with respect to the optical axis generated by the eyepiece concavely reflecting optical system arranged eccentrically. is there.
[0031]
Hereinafter, the reason for the above arrangement will be described with reference to FIG. 3 in which the relay optical system is omitted. FIG. 3 is a diagram showing the field curvature generated by the eyepiece concave mirror of the optical system corresponding to the right eye of the observer by reverse tracking. This figure shows the optical system for the right eye, and the optical system for the left eye is symmetrically arranged. In this figure, the observer's eyeball is 1, the observer's pupil position is 2, the eyepiece concave mirror is 3, the observer's visual axis is 4, the image plane of an object at infinity by the eyepiece
[0032]
In this figure, the pupil diameter at the observer's eyeball position 1 is 8 mm, and the angle of view of the tracking ray is 50 ° (half angle of
[0033]
That is, since the
[0034]
Projecting this image plane on a two-dimensional image display device with a relay optical system requires the relay optical system to project an inclined and curved object surface onto a planar two-dimensional image display device. It is generally known that the eccentricity of the relay lens system and the inclination of the two-dimensional image display element can correct the inclination and curvature of the image plane without the eccentricity correction optical system as in the present invention. It is difficult to simultaneously satisfy a large pupil diameter and high resolving power as in the present invention, and a large-scale relay optical system is required.
[0035]
Therefore, in the present invention, an eccentricity correction optical system that raises an object surface that is inclined and curved with respect to the optical axis perpendicular to the optical axis and corrects the field curvature is provided by an ocular concave reflecting optical system and a relay optical system. By arranging them near the image plane, the inclination and the curvature of the image plane with respect to the optical axis as described above have been successfully corrected at the same time.
[0036]
At least one surface of the eccentricity correction optical system is inclined not only with respect to the optical axis but also with respect to the optical axis of the relay optical system, and at the same time, the two surfaces of the eccentricity correction optical system are mutually inclined. It is preferable to configure with an eccentric surface. This is because the image plane formed by the eyepiece concave mirror is not simply a plane that is inclined but a curved surface having a curvature and is also inclined. In order to correct the inclined image plane to a plane, it is necessary to compose the eccentricity correction optical system with a complicatedly decentered curved surface.
[0037]
The effect of such a configuration will be described with reference to the conceptual diagram of the present invention in FIG. 1, the observer's eyeball position is 1, the observer's iris position is 2, the eyepiece concave mirror is 3, the observer's visual axis is 4, the image plane of an object at infinity by the eyepiece
[0038]
First, it is important that the eccentricity correction
[0039]
Next, an eccentricity correction
[0040]
FIG. 2 shows an optical path diagram of the eccentricity correcting optical system according to the present invention. This figure shows the correction state by the eccentricity correction optical system of Example 1 described later. In the figure, the observer's eyeball is 1, the observer's pupil position is 2, the eyepiece concave mirror is 3, and the observer's visual axis is 4, The image plane by the eyepiece
[0041]
In this way, the eccentricity correction
[0042]
More preferably, astigmatism generated by the ocular
[0043]
More preferably, the surface of the eccentricity correction
[0044]
More preferably, by combining both the eccentricity correcting optical system, the relay optical system, and the eccentricity of the image plane, it is needless to say that more excellent aberration correction can be performed.
[0045]
Further, more preferably, by making the eccentricity correcting optical system or the ocular concave mirror an aspherical surface, it becomes possible to correct pupil aberration incident on the relay optical system as in the eccentricity correcting
[0046]
More preferably, by arranging a part or all of the relay optical system at an angle to the optical axis 6 (FIG. 1), the chromatic aberration generated in the eccentricity correcting
[0047]
More preferably, if the two-dimensional image display device is arranged at an angle so as to reduce the burden of correcting the inclination of the image plane of the eccentricity correcting optical system and obtain a good result for the chromatic aberration correction, a good result is obtained for the overall performance.
[0048]
Further, when the position of the
D> 0.5 × FR ... (1)
It is preferable to satisfy the following conditional expression (1).
[0049]
If the lower limit of the conditional expression (1) is exceeded, the light beam reflected by the ocular
[0050]
Further, if the distance between the concave eyepiece reflective
D> 30 [mm] (2)
It is preferable to satisfy the following condition (2).
[0051]
Further, when the bending angle of the visual axis is inclined by 60 ° or more as in the second aspect of the present invention, the tilt of the image plane generated by the ocular concave reflecting mirror with respect to the visual axis after bending, and the concave reflecting mirror are inclined obliquely. Due to the occurrence of complicated astigmatism caused by the incidence of the light beam, a clear observation image cannot be observed up to the periphery of the observation field angle. In order to correct the above-mentioned aberration, the radius of curvature of the first surface and the second surface of the eccentricity correction optical system in the YZ-axis plane (plane including the left-right direction and the visual axis of the observer) is set to R.Y1, RY2When
RY1/ RY2<0.5 ... (3)
It is important to satisfy the following condition (3).
[0052]
This condition (3) represents the refractive power of the eccentricity correcting optical system in the YZ plane. However, in the case of the present invention, since the first surface and the second surface of the eccentricity correcting optical system are eccentric to each other, it is impossible to strictly define the refractive power. In the case of the optical system as in the present invention, if the upper limit of 0.5 of the conditional expression (3) is exceeded, especially when a bending angle of 60 ° or more is obtained by the ocular concave mirror, a strong image plane generated by the ocular concave optical system is obtained. It becomes difficult to correct the curvature. This curvature of field is generated by a concave mirror. When the bending angle is relatively small, the image plane is perpendicular to the visual axis after bending and has a gentle curvature. However, when the bending angle exceeds 60 °, both the inclination with respect to the visual axis and the curvature increase, and the strong curvature of field and the inclination of the image plane exceed the limit that can be corrected by the relay optical system. Further, if the eccentricity correction optical system is out of the range represented by the conditional expression (3), the curvature cannot be corrected, and a flat and clear observation image cannot be obtained.
[0053]
【Example】
Hereinafter, Examples 1 to 8 of the visual display device of the present invention will be described.
Example 1
This embodiment will be described with reference to FIG. In the figure, 2 is an observer pupil position, 4 is a visual axis when the observer is observing the front, 3 is an eyepiece concave mirror, 8 is an eccentricity correcting optical system, 15 is a relay optical system, and 14 is a two-dimensional image display. Element.
[0054]
As shown in the figure, the coordinate system is as follows: a Y axis having a positive direction from right to left in the right and left direction of the observer, a Z axis having a positive direction from the eyeball side of the observer's visual axis 4 to the
[0055]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
[0056]
For the amount of eccentricity and the inclination angle, only the amount of eccentricity in the Y-axis direction is given for the concave mirror 3 (surface number: 2), and the vertex of the
[0057]
The aspherical shape of each surface is represented by a coordinate system as shown in the figure, and the paraxial radius of curvature of each surface is represented by R in the plane perpendicular to the YZ plane (paper surface).x, The radius of curvature in the YZ plane is RyThen, it is expressed by the following equation.
[0058]
Where KxIs the cone coefficient in the X direction, KyIs a conic coefficient in the Y direction, AR and BR are rotationally symmetric fourth and sixth order aspherical coefficients, and AP and BP are asymmetrical fourth and sixth order aspherical coefficients, respectively.
[0059]
In addition, the surface distance between the
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 45 °, the upper and lower angles of view are 34.65 °, and the pupil diameter is 8 mm.
[0060]
FIG. 13 shows a spot diagram showing the aberration correction state of this embodiment. In FIG. 13, among the four numbers on the left side of the spot diagram, the two numbers in the upper row indicate coordinates (X, Y) at the center of the rectangular screen (0.00, 0.00) and coordinates at the center on the right end. (0.00, -1.00), the coordinates at the upper right corner are expressed as (1.00, -1.00), and the coordinates at the upper center are expressed as (1.00, 0.00). X, Y), and the lower two numbers indicate the X component and the Y component (in degrees) of the angle formed by the coordinates (X, Y) direction with respect to the visual axis (center of the screen).
Example 2
[0061]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
[0062]
Z = (h2/ R) / [1+ {1- (1 + K) (h2/ R2)}1/2] + Ah4+ Bh6
(H2= X2+ Y2)
Here, K is a conical coefficient, and A and B are fourth-order and sixth-order aspherical coefficients, respectively.
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 45 °, the upper and lower angles of view are 34.65 °, and the pupil diameter is 8 mm.
[0063]
FIG. 14 shows a spot diagram similar to FIG. 13 showing the aberration correction state of this embodiment.
Example 3
Third Embodiment A third embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment.
[0064]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 45 °, the up and down angles of view are 34.65 °, and the pupil diameter is 6 mm.
[0065]
FIG. 15 shows a spot diagram similar to FIG. 13 showing the aberration correction state of this embodiment.
Example 4
Embodiment 4 will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is almost the same as that of the first embodiment.
[0066]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 50 °, the upper and lower angles of view are 35 °, and the pupil diameter is 8 mm. In the above table, by moving the
[0067]
FIGS. 16 and 17 show spot diagrams similar to FIG. 13 showing aberration correction states at a wide angle of view and at a narrow angle of view in this embodiment.
Example 5
A fifth embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is almost the same as that of the first embodiment.
[0068]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
[0069]
In all of Examples 5 to 8 shown below, the bending angle by the ocular
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 50 °, the upper and lower angles of view are 38.5 °, and the pupil diameter is 10 mm.
[0070]
FIGS. 18 to 20 show spot diagrams similar to FIG. 13 showing the aberration correction state of this embodiment.
Example 6
A sixth embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is almost the same as that of the first embodiment.
[0071]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 50 °, the upper and lower angles of view are 38.5 °, and the pupil diameter is 10 mm.
Example 7
A seventh embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is almost the same as that of the sixth embodiment.
[0072]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 50 °, the upper and lower angles of view are 38.5 °, and the pupil diameter is 10 mm.
Example 8
An eighth embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is almost the same as that of the sixth embodiment.
[0073]
Hereinafter, the configuration parameters of this optical system will be described. The surface number is shown as a surface number of reverse tracking from the position of the
The angle of view in the above embodiment is such that the left and right angles of view are 50 °, the upper and lower angles of view are 35 °, and the pupil diameter is 10 mm.
[0074]
In the case of Examples 5 to 8, the relay
[0075]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, based on the present invention, it is possible to provide an eccentric optical system for a head-mounted visual display device that can clearly observe a peripheral angle of view with a wide angle of view.
[0076]
Also, it is possible to provide a head-mounted visual display device eccentric optical system capable of clearly observing an aerial image with a wide observation field angle projected on a space while wearing glasses or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a visual display device of the present invention.
FIG. 2 is an optical path diagram of an eccentricity correction optical system according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a field curvature generated by an eyepiece concave mirror of the visual display device.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a visual field is vignetted by a rotational movement of an eye.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an optical configuration according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an optical configuration according to a second embodiment.
FIG. 7 is a sectional view showing an optical configuration of a third embodiment.
FIG. 8 is a sectional view showing an optical configuration of a fourth embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing an optical configuration of a fifth embodiment.
FIG. 10 is a sectional view showing an optical configuration of a sixth embodiment.
FIG. 11 is a sectional view showing an optical configuration of a seventh embodiment.
FIG. 12 is a sectional view showing an optical configuration of an eighth embodiment.
FIG. 13 is a spot diagram showing an aberration correction state according to the first embodiment.
FIG. 14 is a spot diagram showing an aberration correction state according to the second embodiment.
FIG. 15 is a spot diagram showing an aberration correction state according to the third embodiment.
FIG. 16 is a spot diagram showing an aberration correction state in a wide angle of view according to the fourth embodiment.
FIG. 17 is a spot diagram showing an aberration correction state at the time of a narrow angle of view in the fourth embodiment.
FIG. 18 is a part of a spot diagram showing an aberration correction state according to a fifth embodiment.
FIG. 19 is another part of the spot diagram showing the aberration correction state of the fifth embodiment.
FIG. 20 is a remaining diagram of the spot diagram showing the aberration correction state of the fifth embodiment.
FIG. 21 is a plan view showing a configuration of a conventional head-mounted visual display device.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing the configuration of a prior art head-mounted visual display device by the present applicant.
[Explanation of symbols]
1 ... Eyeball of observer
2: Observer pupil position
3. Eyepiece concave mirror
4 ... Visual axis of observer
5 Image plane of an object at infinity by an eyepiece concave mirror
6 ... Optical axis bent by eyepiece concave mirror
7: Projection position of pupil of observer
8. Eccentricity correction optical system
9: Optical axis after exiting the eccentricity correction optical system
14 2D image display device
15 ... Relay optical system
18. Image plane corrected by eccentricity correction optical system
Claims (6)
前記偏心光学系は、少なくとも、第1透過面、第2透過面、第1反射面及びリレー光学系を含み、
前記第1反射面、光路上前記第1反射面よりも前記像面側にある前記第1透過面及び前記第2透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第1透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第1反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その形状が回転対称ではなく、回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成され、
前記第1透過面と前記第2透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第1反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成されていることを特徴とする偏心光学系。In a decentered optical system including an optical surface decentered at least with respect to the optical axis, disposed between the image plane and the pupil of the observer,
The eccentric optical system includes the at no small, the first transmitting surface, the second transmitting surface, a first reflecting surface and the relay optical system,
The first reflection surface, the first transmission surface and the second transmission surface that are closer to the image surface side than the first reflection surface on the optical path are configured to transmit light from an infinite object point located on the pupil side of the observer. Condensing to form a relay image near the first transmission surface;
The relay optical system projects the relay image on the image plane,
The first reflecting surface is eccentrically arranged with the concave surface facing in the direction in which light rays are reflected, and the shape is not rotationally symmetric, and is configured in an aspherical shape including a rotationally asymmetrical aspherical coefficient,
The first transmission surface and the second transmission surface are arranged in a wedge shape,
Decentered optical system characterized by being configured in a non-spherical shape including a rotationally asymmetric aspherical surface coefficients for correcting the astigmatism not rotationally symmetric generated by said first reflecting surface even without low.
前記偏心光学系は、少なくとも、第1透過面、第2透過面、第1反射面及びリレー光学系を含み、
前記第1反射面、光路上前記第1反射面よりも前記像面側にある前記第1透過面及び前記第2透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第1透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第1反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その面形状が前記第1反射面に入射する光軸と反射後に射出する光軸の両方の光軸を含んだY−Z平面を断面とした時の面形状と、前記Y−Z平面と光軸上垂直なX−Z平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成され、
前記第1透過面と前記第2透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第1反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために前記Y−Z平面を断面した時の面形状と、前記Y−Z平面と光軸上垂直なX−Z平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成されていることを特徴とする偏心光学系。In a decentered optical system including an optical surface decentered at least with respect to the optical axis, disposed between the image plane and the pupil of the observer,
The eccentric optical system includes the at no small, the first transmitting surface, the second transmitting surface, a first reflecting surface and the relay optical system,
The first reflection surface, the first transmission surface and the second transmission surface that are closer to the image surface side than the first reflection surface on the optical path are configured to transmit light from an infinite object point located on the pupil side of the observer. Condensing to form a relay image near the first transmission surface;
The relay optical system projects the relay image on the image plane,
The first reflection surface is eccentrically arranged with the concave surface facing the direction in which light rays are reflected, and the surface shape includes both the optical axis incident on the first reflection surface and the optical axis emitted after reflection. A rotationally asymmetric aspherical shape in which the surface shape when the YZ plane is a cross section and the surface shape when the XZ plane perpendicular to the optical axis is a cross section are different from each other. Composed,
The first transmission surface and the second transmission surface are arranged in a wedge shape,
And surface shape when the cross section of the Y-Z plane in order to correct the astigmatism not rotationally symmetric generated by said first reflecting surface even without low, perpendicular on the Y-Z plane and the optical axis X- An eccentric optical system comprising a rotationally asymmetric aspherical shape having different surface shapes from each other when the Z plane is a cross section.
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