JP2003090979A - 接眼光学系および該光学系を備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡素で、製造が容易で、明瞭な観察像
を得ることのできる小型の接眼光学系。 【解決手段】 物体（３）の中間像を形成することなく
物体を虚像として観察するための接眼光学系。物体から
観察眼（５ａ）に至る光路中には、レンズ成分（１１）
と、平行平面板状の回折光学素子（１２）と、反射鏡
（１３）とが配置されている。回折光学素子は、片側の
面にのみ回折光学面が形成された平行平面板を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、接眼光学系および
該光学系を備えた画像表示装置に関し、特に観察者の頭
部（顔面を含む）に装着して使用する形態の画像表示装
置に好適な接眼光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術では、明瞭な画像を表示する
頭部装着型の画像表示装置を実現するために、複数のレ
ンズからなる通常の接眼レンズを介して、画像表示素子
の画像を眼球へ導いている。あるいは、アナモルフィッ
ク面を有するプリズム状の光学素子を含む特殊な接眼レ
ンズを介して、少ない点数の光学部材で収差補正を実現
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この場合、複数のレン
ズからなる従来の通常の接眼レンズでは、球面レンズだ
けで接眼レンズを構成すると、図１２に示すように、構
成レンズ枚数がかなり多くなる。その結果、価格が高く
なるとともに、接眼レンズが大型化し、ひいては携帯用
の画像表示装置が大型化するという不都合があった。

【０００４】また、アナモルフィック面を有するプリズ
ム状の光学素子を含む従来の特殊な接眼レンズでは、構
成が複雑で要求される精度が非常に高くなるので、実際
の製造が難しくなり生産性が悪いという不都合があっ
た。また、当然の事ながらプリズムはある程度以上の厚
さを有し、高い拡大率の画像を眼球に投影しようとする
とプリズムの重量がさらに増大するので、接眼レンズが
大型化し、ひいては携帯用の画像表示装置が大型化する
という不都合があった。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、構成が簡素で、製造が容易で、明瞭な観察像
を得ることのできる小型の接眼光学系および該光学系を
備えた画像表示装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１発明では、物体の中間像を形成するこ
となく前記物体を虚像として観察するための接眼光学系
において、前記物体から観察眼に至る光路中には、レン
ズ成分と、平行平面板状の回折光学素子とが配置されて
いることを特徴とする接眼光学系を提供する。

【０００７】第１発明の好ましい態様によれば、前記光
路中には反射鏡が配置されている。また、前記光路中に
は半透過鏡が配置されていることが好ましい。さらに、
前記回折光学素子は、片側の面にのみ回折光学面が形成
された平行平面板を有することが好ましい。また、ｄ
線、Ｃ線およびＦ線について色消しがなされていること
が好ましい。さらに、前記レンズ成分のｄ線に対する屈
折率が１．６９６以上であることが好ましい。

【０００８】本発明の第２発明では、第１発明の接眼光
学系と、前記物体として所定の画像を表示するための画
像表示素子とを備え、前記接眼光学系を介して前記画像
表示素子に表示された画像を虚像として観察することを
特徴とする画像表示装置を提供する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の典型的な形態にかかる接
眼光学系では、物体（画像）から観察眼に至る光路中
に、レンズ成分と、平行平面板状の回折光学素子とが配
置されている。ここで、平行平面板状の回折光学素子
は、図１に示すように、たとえば片側の面にのみ回折光
学面１ａが形成された平行平面板１である。平行平面板
状の回折光学素子は、屈折力を持ちながら薄肉の光学素
子であり、光学系の軽量化および小型化に有利である。

【００１０】また、回折光学素子に正の屈折力を付与し
た場合でもペッツバール和が０であり、像面湾曲を抑え
るという点でも都合が良い。さらに、回折光学素子で
は、色収差が正レンズとは逆の方向に発生するため、回
折光学素子に屈折力の面では正レンズとしての機能を持
たせつつ、色消しの面では負レンズとしての機能を持た
せることができる。換言すると、レンズ成分と平行平面
板状の回折光学素子とを組み合わせることにより、良好
に色消しされ、像面が平坦な接眼光学系を実現すること
ができる。

【００１１】また、平行平面板上に回折光学面を形成し
て回折光学素子を製造する際に、ＬＳＩやＩＣ等の製造
に用いるリソグラフィ技術をそのまま利用することがで
きる。したがって、レンズ面上に回折光学面を設ける場
合に比べて量産性が高く、その生産性やコストの面で非
常に有利である。以上のように、本発明では、たとえば
１つの正レンズ成分と１つの平行平面板状の回折光学素
子とで光学系を構成することにより、構成が簡素で、製
造が容易で、明瞭な観察像を得ることのできる小型の接
眼光学系を実現することができる。

【００１２】なお、本発明では、物体（画像）から観察
眼に至る光路中に反射鏡を付設することにより、光路を
適宜折り曲げて光学系全体をコンパクトに構成すること
ができる。また、光路中に半透過鏡を付設することによ
り、画像を観察すると同時に外部の様子も観察すること
ができる。さらに、レンズ成分のｄ線に対する屈折率を
１．６９６以上に設定することにより、レンズ成分の曲
率半径を大きくすることができ、ひいてはペッツバール
和を小さく抑えることができる。

【００１３】本発明の実施形態を、添付図面に基づいて
説明する。図２は、本発明の実施形態にかかる接眼光学
系を備えた画像表示装置の構成を概略的に示す図であ
る。本実施形態では、頭部装着型の画像表示装置に本発
明を適用している。

【００１４】図２を参照すると、本実施形態の画像表示
装置２は、観察すべき物体として所定の画像を表示する
ための画像表示素子３と、接眼光学系４とを備えてい
る。画像表示素子３として、たとえば液晶表示素子（Ｌ
ＣＤ）を用いることができる。こうして、画像表示素子
３に表示された画像からの光は、接眼光学系４を介し
て、観察者の眼球５に達する。その結果、画像表示素子
３に表示された画像は、その中間像が形成されることな
く、虚像として観察される。

【００１５】［第１実施例］図３は、本実施形態の第１
実施例にかかる接眼光学系の構成を概略的に示す図であ
る。図３を参照すると、第１実施例にかかる接眼光学系
は、観察者の瞳５ａ側から順に、両凸レンズ１１と、瞳
側の面にのみ回折光学面が形成された平行平面板状の回
折光学素子１２と、平面反射鏡１３とから構成されてい
る。したがって、第１実施例では、画像表示素子３に表
示された画像からの光が、平面反射鏡１３で反射された
後、回折光学素子１２および両凸レンズ１１を介して、
観察者の瞳５ａに達する。

【００１６】なお、各実施例において、回折光学面の位
相差関数Φは、以下の多項式（１）で表記される。

【数１】

【００１７】ここで、ρは光軸に直交する方向に沿った
光軸からの距離であり、Ａ_iはρ²ⁱにかかる係数であ
る。また、Ａ_iは、ρが「規格化半径ρ_N」の値をとると
きにＡ _iだけ位相差が生じることを示している。なお、
実際の回折光学面上での光路差は、光の波長をλとした
とき、λ×Φ（ρ）／２πで表される。

【００１８】次の表（１）に、第１実施例にかかる接眼
光学系の諸元の値を掲げる。表（１）において、面番号
は瞳側からの各面の順序を、ｒは各面の曲率半径を、ｄ
は各面の間隔を、ｎＦはＦ線（λ＝４８６．１３ｎｍ）
に対する屈折率を、ｎｄはｄ線（λ＝５８７．５６ｎ
ｍ）に対する屈折率を、ｎＣはＣ線（λ＝６５６．２７
ｎｍ）に対する屈折率を、φは各面の外径（直径）をそ
れぞれ示している。以降の表（２）および（３）におい
ても、上述の表記は同様である。

【００１９】

【表１】 （全体データ） 面番号 ｒ ｄ ｎＦ ｎｄ ｎＣ φ (瞳) 24 4.000 1 63.94873 2.5 1.89814 1.88300 1.87657 15.57（両凸レンズ） 2 -54.26943 0.5 15.76 3 ∞ 1.0 1.52238 1.51680 1.51432 15.74（回折光学素子） 4 ∞ 10.0 15.78 5 ∞ -18.64843 22.02087（平面反射鏡） (物体面) 14.02508 （回折光学面データ） 規格化半径ρ_N＝２３３．１１ Ａ₁＝−９６３７６９．５ Ａ₂＝７．５５８４４３７×１０⁸ Ａ₃＝−３．５６１２７６７×１０¹² Ａ₄＝１．１３４７７２×１０¹⁶ Ａ₅＝−２．２１３８６３８×１０¹⁹ Ａ₆＝２．５８２０１０９×１０²² Ａ₇＝−１．６９３６５０４×１０²⁵ Ａ₈＝５．１４９３０１１×１０²⁷ Ａ₉＝−７．１３２４９２２×１０²⁸ Ａ₁₀＝−２．２０８１３９２×１０³²

【００２０】図４は、第１実施例における非点収差およ
び歪曲収差を示す図である。また、図５は、第１実施例
におけるコマ収差を示す図である。各収差図において、
細かい破線はｄ線（λ＝５８７．５６ｎｍ）を、粗い破
線はＣ線（λ＝６５６．２７ｎｍ）を、実線はＦ線（λ
＝４８６．１３ｎｍ）をそれぞれ示している。また、図
４の非点収差図において、Ｓはサジタル像面を、Ｔはメ
リディオナル像面をそれぞれ示している。さらに、図５
のコマ収差図において、左側がメリディオナルコマであ
り、右側がサジタルコマであり、一目盛りが１０μｍ
（スケールの最大値で５０μｍ）である。以降の図７、
図８、図１０および図１１においても、上述の表記は同
様である。各収差図から明らかなように、第１実施例で
は、諸収差が良好に補正されていることがわかる。特
に、ｄ線、Ｃ線およびＦ線について色消しが良好になさ
れ、像面の平坦性が良好に確保されている。

【００２１】［第２実施例］図６は、本実施形態の第２
実施例にかかる接眼光学系の構成を概略的に示す図であ
る。図６を参照すると、第２実施例にかかる接眼光学系
は、観察者の瞳５ａ側から順に、第１平面反射鏡２１
と、両凸レンズ２２と、瞳側の面にのみ回折光学面が形
成された平行平面板状の回折光学素子２３と、第２平面
反射鏡２４とから構成されている。

【００２２】したがって、第２実施例では、画像表示素
子３に表示された画像からの光が、第２平面反射鏡２４
で反射され、回折光学素子２３および両凸レンズ２２を
介して、第１平面反射鏡２１で反射された後、観察者の
瞳５ａに達する。次の表（２）に、第２実施例にかかる
接眼光学系の諸元の値を掲げる。

【００２３】

【表２】 （全体データ） 面番号 ｒ ｄ ｎＦ ｎｄ ｎＣ φ (瞳) 30 4.000 1 ∞ -10 22.99562（第１反射鏡） 2 -215.2732 -2.0 1.70531 1.69673 1.69296 16.91502（両凸レンズ） 3 38.61281 -0.5 17.05193 4 ∞ -1.0 1.52238 1.51680 1.51432 16.98038（回折光学素子） 5 ∞ -10 16.93524 6 ∞ 32.2597 23.79663（第２反射鏡） (物体面) 14.04567 （回折光学面データ） 規格化半径ρ_N＝８８２５７．４５ Ａ₁＝−７．４０３４６９９×１０¹⁰ Ａ₂＝１．７３２２７７８×１０¹⁸ Ａ₃＝１．３９８４３２９×１０^-6 Ａ₄＝１．１２８０３５７×１０^-11 Ａ₅＝５．８３５５３４６×１０^-15 Ａ₆＝１．８０９１１３９×１０^-16 Ａ₇＝１．５９７７４４９×１０^-20 Ａ₈＝−１．３４９８３７４×１０^-27

【００２４】図７は、第２実施例における非点収差およ
び歪曲収差を示す図である。また、図８は、第２実施例
におけるコマ収差を示す図である。各収差図から明らか
なように、第２実施例においても第１実施例と同様に、
諸収差が良好に補正されていることがわかる。特に、ｄ
線、Ｃ線およびＦ線について色消しが良好になされ、像
面の平坦性が良好に確保されている。

【００２５】［第３実施例］図９は、本実施形態の第３
実施例にかかる接眼光学系の構成を概略的に示す図であ
る。図９を参照すると、第３実施例にかかる接眼光学系
は、観察者の瞳５ａ側から順に、ハーフミラー（半透過
鏡）３１と、瞳側と反対側の面にのみ回折光学面が形成
された平行平面板状の回折光学素子３２と、両凸レンズ
３３とから構成されている。なお、観察者の瞳５ａの光
軸は、図９の紙面上の水平方向に沿って設定されてい
る。また、ハーフミラー３１の半透過面は、図９の紙面
上の鉛直方向に対して３０度の角度をなすように設定さ
れている。したがって、回折光学素子３２および両凸レ
ンズ３３の光軸は、図９の紙面上の鉛直方向に対して３
０度の角度をなすように設定されている。

【００２６】したがって、第３実施例では、画像表示素
子３に表示された画像からの光が、両凸レンズ３３およ
び回折光学素子３２を介して、ハーフミラー３１で反射
された後、観察者の瞳５ａに達する。同様に、外部から
の光も、ハーフミラー３１を透過した後、観察者の瞳５
ａに達する。その結果、観察者は、画像表示素子３に表
示された画像を観察すると同時に外部の様子も観察する
ことができる。次の表（３）に、第３実施例にかかる接
眼光学系の諸元の値を掲げる。

【００２７】

【表３】 （全体データ） 面番号 ｒ ｄ ｎＦ ｎｄ ｎＣ φ (瞳) 100 4.000 1 ∞ 4 1.52238 1.51680 1.51432 40.00000（ハーフミラー） 2 ∞ -4 1.52238 1.51680 1.51432 40.00000（半透過面） 3 ∞ -40 40.00000 4 ∞ -2 1.52238 1.51680 1.51432 22.00000（回折光学素子） 5 ∞ -1 22.00000 6 -133.956 -2 1.79748 1.78650 1.78175 22.00000（両凸レンズ） 7 369.564 -115.5619 22.00000 (物体面) 14.02508 （回折光学面データ） 規格化半径ρ_N＝２４０．４８ Ａ₁＝−１７３０２４．９ Ａ₂＝３９６３３２．３ Ａ₃＝−７６３０１５０７ Ａ₄＝−１．４６９８２９３×１０^-11 Ａ₅＝−１．２６８４６１８×１０^-19 Ａ₆＝−６．２２４０８２９×１０^-43

【００２８】図１０は、第３実施例における非点収差お
よび歪曲収差を示す図である。また、図１１は、第３実
施例におけるコマ収差を示す図である。各収差図から明
らかなように、第３実施例においても第１実施例および
第２実施例と同様に、諸収差が良好に補正されているこ
とがわかる。特に、ｄ線、Ｃ線およびＦ線について色消
しが良好になされ、像面の平坦性が良好に確保されてい
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、構成
が簡素で、製造が容易で、明瞭な観察像を得ることので
きる小型の接眼光学系および該光学系を備えた画像表示
装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平行平面板状の回折光学素子の機能を説明する
図である。

【図２】本発明の実施形態にかかる接眼光学系を備えた
画像表示装置の構成を概略的に示す図である。

【図３】本実施形態の第１実施例にかかる接眼光学系の
構成を概略的に示す図である。

【図４】第１実施例における非点収差および歪曲収差を
示す図である。

【図５】第１実施例におけるコマ収差を示す図である。

【図６】本実施形態の第２実施例にかかる接眼光学系の
構成を概略的に示す図である。

【図７】第２実施例における非点収差および歪曲収差を
示す図である。

【図８】第２実施例におけるコマ収差を示す図である。

【図９】本実施形態の第３実施例にかかる接眼光学系の
構成を概略的に示す図である。

【図１０】第３実施例における非点収差および歪曲収差
を示す図である。

【図１１】第３実施例におけるコマ収差を示す図であ
る。

【図１２】球面レンズだけで接眼レンズを構成した従来
例を示す図である。

【符号の説明】

１ 平行平面板状の回折光学素子 ２ 画像表示装置 ３ 画像表示素子 ４ 接眼光学系 ５ 眼球 ５ａ 瞳 １１，２２，３３ 両凸レンズ １２，２３，３２ 平行平面板状の回折光学素子 １３，２１，２４ 平面反射鏡 ３１ ハーフミラー（半透過鏡）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA04 AA14 AA64 2H087 KA00 LA12 PA01 PA17 PB01 QA02 QA07 QA14 QA34 RA46 TA01 TA03 2H091 FA15X FA16X FA19X FA26X LA11

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体の中間像を形成することなく前記物
   体を虚像として観察するための接眼光学系において、 前記物体から観察眼に至る光路中には、レンズ成分と、
   平行平面板状の回折光学素子とが配置されていることを
   特徴とする接眼光学系。
2. 【請求項２】 前記光路中には反射鏡が配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の接眼光学系。
3. 【請求項３】 前記光路中には半透過鏡が配置されてい
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の接眼光学
   系。
4. 【請求項４】 前記回折光学素子は、片側の面にのみ回
   折光学面が形成された平行平面板を有することを特徴と
   する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接眼光学
   系。
5. 【請求項５】 ｄ線、Ｃ線およびＦ線について色消しが
   なされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
   か１項に記載の接眼光学系。
6. 【請求項６】 前記レンズ成分のｄ線に対する屈折率が
   １．６９６以上であることを特徴とする請求項１乃至５
   のいずれか１項に記載の接眼光学系。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   接眼光学系と、 前記物体として所定の画像を表示するための画像表示素
   子とを備え、 前記接眼光学系を介して前記画像表示素子に表示された
   画像を虚像として観察することを特徴とする画像表示装
   置。