JP2004029099A - Image observation device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者が両眼で画像を観察する画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5に、従来までの画像表示装置の外観図を示す。観察者は図5に示すように、画像表示装置701を観察者の頭部、あるいは顔面に装着し、映像・音声を楽しみ、高い没人感が得られるようになっている。
【0003】
図6は、画像表示装置を形成する単眼用観察光学系の基準軸光線Aを含む垂直な断面図である。ここで、基準軸光線AはLCD等の画像表示素子31中心と観察者の眼球35の中心を結んだ光線とする。32は前記LCD31を照明するためのバックライト、34は光学素子である。
【0004】
LCD31に表示された画像は、光学素子34を介して拡大され、観察者はその拡大画像を光学素子34の背面に見ることができる。
【0005】
以上単眼用観察光学系に関して説明を行ったが両眼で観察する画像表示装置では、2つの単眼用観察光学系を左右眼の前に配置し同一部材で保持したものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、LCD及び、結像プリズムを各2個用いることから、装置の小型化・軽量化の上で限界があった。上記問題点に鑑み、特開平07−287188のような一つ画像表示素子の画像を両眼に導く光学系が提案されている。しかしながら、画像表示素子から左右眼への光路が複雑であり、装置の大型化が問題であった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像観察装置は特許請求の範囲のように構成することで、1つの画像表示素子で両眼で画像観察することが可能となり、大幅な小型化、及び軽量化が実現できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
(第1の実施例)
図1は本発明の第一の実施例を説明する画像表示装置の断面図である。
【0009】
図1において1は2次元映像を表示するための素子であるLCD,2はLCD1を照明するためのバックライトである。3はLCD1に表示された映像を観察者右眼球に導く右眼用観察光学系を形成している光学プリズム、4はLCD1に表示された映像を観察者左眼球に導く左眼用観察光学系を形成している光学プリズムである。5は右眼用観察光学系の一部である補助レンズであり、左眼用観察光学系の一部である補助レンズと同一部品で構成されている。
【0010】
図2は図1の観察光学系をさらに詳しく説明するために右眼用観察光学系のみの拡大図である。
【0011】
図中AはLCDの中心と観察者の眼球中心(観察光学系の射出瞳)を結んだ光線であり、以下基準軸光線と呼ぶ。光学プリズム3は透過面3c,全反射面及び透過面3a、AL蒸着が施された反射面3bからなり、屈折率が1より大きい媒質を挟んで一体成形されたプラスチック素子である。3a,3b,3cの少なくとも1つは各面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面からなる。補助レンズ5は透過面5a,透過面5bからなり、屈折率が1より大きい媒質を挟んで一体成形されたプラスチック素子である。本実施例においては光学プリズム3と補助レンズ5は互いに異なる波長分散を有し、観察光学系が有する色収差を押さえる効果をもつものである。
【0012】
本実施例の光学的作用について説明する。LCD1で表示した画像から射出する光束はまず光学作用面5b、5a、3cを透過して光学作用面3aへ向かい、この面3aで全反射して光学作用面3bへ向かい、この面3bで反射して収束光となり、再び光学作用面3aへ向かい、今度はこの面3aを透過して画像の虚像を形成すると共に観察者の眼球表面sに達して観察者に虚像を視認させる。ここでは観察者の眼球表面sと観察光学系の射出瞳は一致している。
【0013】
本実施例の光学系は偏心面で構成しているので、光学系の形状を表す為に絶対座標系とローカル座標系を設定する。絶対座標系の原点は観察者の望ましき瞳孔位置Sの中心Oに設定し、Z軸は点Oを通り瞳孔面に垂直な直線であり、前記平面上にある。Y軸は原点Oを通り前記平面上でZ軸に対して反時計回りに90°の角度をなす直線である。X軸は原点Oを通り、Y,Z軸に対して直交する直線である。
【0014】
ローカル座標の原点Oiは絶対座標(Sxi,SYi,SZi)で各面毎に設定する。ローカル座標のz軸はYZ平面内で原点Oiを通り、絶対座標系のZ軸と角度Aiをなす直線である。y軸は原点Oiを通りz軸に対して反時計回りに90°の角度をなす直線である。x軸は原点Oiを通り、y軸及びz軸に直交する直線である。
【0015】
各面の形状はローカル座標で表す。本発明の各実施例において光学作用面の形状は、円錐係数で定義される円錐関数にゼルニケ多項式による非球面項を有する形状をしており、以下に示す関数により表す。
【0016】
【数1】
【0017】
ここにcは曲率であり、c=1/r、ただしrは各面の基本曲率半径である。又、kは各面の円錐係数、cjは各面におけるj番目のゼルニケ多項式の非球面係数である。本実施例の光学データを表1に示す。
【0018】
本実施例では光学プリズム3のプラスチック材料の屈折率ndは1.57,補助レンズ5のプラスチック材料の屈折率ndは1.49とする。
【0019】
本実施例において、基準軸光線と画像表示素子法線とが互いの交点で成す角αは42.7°である。射出瞳中心から観察像面(画像表示素子を光学手段を介して拡大した像面であり、像中心の合焦点を含む面とする)に下した垂線の長さLは2000mm、射出瞳中心から、該画像表示素子中心を通りかつ該画像表示素子入射面と該基準軸光線を含む面に垂直な面(以下、左右観察光学系対称面)に下ろした垂線の長さEWは32.5mm,射出瞳面上で基準軸光線と射出瞳法線との成す角βは0.9°である。
【0020】
本実施例のように|α|≠0を満たす場合、液晶の任意の点からの左右の観察光学系に向かう光線は液晶出射時から分離されており、従来例(特開平07−287188)のような|α|=0の装置と比較してハーフミラーやダイクロフィルター等の光束分離手段を別途設ける必要がない。またβは輻輳角tan−1(EW/L)に等しく設定されているため、観察像面において輻輳ずれのない正常な両眼視が可能となる。
【0021】
本実施例のように構成することで、1つの画像表示素子からの画像を両眼で観察することが可能となり、小型でかつ軽量な画像表示装置の提供が実現できる。
【0022】
また、本実施例の観察光学系は2回の反射面を有することから観察者眼球と画像表示素子は観察光学系を挟んで逆側に配置しているため観察者の鼻と画像表示素子との干渉の心配のない構成となっており、装置外装設計等の自由度が高くできる。
【0023】
(第2実施例)
図3は本発明の第二実施例を説明する画像表示装置の断面図である。本実施例においては第一実施例の補助レンズ5の光学作用面5aを回折素子で構成したものである。ただし、回折素子を形成する基板面はXトロイダル非球面(xz面内では非球面、yz面内では円)としている。
【0024】
本実施例の光学データを表2に示す。ただし、回折素子は波面位相差量を下記のようなXY多項式で表している。
【0025】
CI X
C2 Y
C3 X2
C4 XY
C5 Y2
本実施例では光学プリズム3のプラスチック材料の屈折率ndは1.57,補助レンズ5のプラスチック材料の屈折率ndは1.57、α=2.8°、β=0.9°、EW=32.5mmとする。
【0026】
実施例のように構成することで第一実施例同様の効果が得られる。
【0027】
(第3実施例)
4は本発明の第三実施例を説明する画像表示装置の断面図である。本実施例においては第一実施例の補助レンズ5の光学作用面5aを光学素子と張り合わせて構成したものである。
【0028】
本実施例の光学データを表3に示す。
【0029】
本実施例では光学プリズム3のプラスチック材料の屈折率ndは1.57,補助レンズ5のプラスチック材料の屈折率ndは1.49、α=56.0°、β=0.9°、EW=32.5mmとする。
【0030】
本実施例のように構成することで第一実施例同様の効果が得られる。
【0031】
以上説明した実施例では全て右眼用の観察光学系に関して説明したが、左眼用の観察光学素子は,該左右観察光学系対称面に対して折り返したものであり、説明を省略する。また、上記実施例では画像表示素子としてLCDとしたが、それに限るものではない。また、上記実施例ではバックライトに関する詳細な記載はないが、白色蛍光等やLED等が望ましい。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
【表3】
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、上記実施例のように構成することで小型で軽量な画像表示装置の実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図2】本発明の第一の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図3】本発明の第二の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図4】本発明の第三の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図5】従来の画像表示装置の断面図
【図6】従来の画像表示装置の断面図
【符号の説明】
1.LCD
2.バックライト
3.光学プリズム
4.光学プリズム
5.補助レンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device in which an observer observes an image with both eyes.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows an external view of a conventional image display device. As shown in FIG. 5, the observer wears the image display device 701 on the observer's head or face, enjoys video and audio, and obtains a high feeling of murder.
[0003]
FIG. 6 is a vertical cross-sectional view including the reference axis ray A of the monocular observation optical system forming the image display device. Here, the reference axis ray A is a ray connecting the center of the
[0004]
The image displayed on the
[0005]
The monocular observation optical system has been described above, but in an image display apparatus for observation with both eyes, two monocular observation optical systems are arranged in front of the left and right eyes and held by the same member.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional example, since two LCDs and two imaging prisms are used, there is a limit in reducing the size and weight of the device. In view of the above problems, there has been proposed an optical system for guiding an image of one image display element to both eyes as disclosed in JP-A-07-287188. However, the optical path from the image display element to the left and right eyes is complicated, and there has been a problem in that the size of the device has been increased.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
By configuring the image observation device according to the present invention as described in the claims, it is possible to observe images with both eyes with one image display element, and it is possible to realize a significant reduction in size and weight.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of an image display device for explaining a first embodiment of the present invention.
[0009]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an LCD which is an element for displaying a two-dimensional image, and
[0010]
FIG. 2 is an enlarged view of only the observation optical system for the right eye in order to explain the observation optical system of FIG. 1 in more detail.
[0011]
A in the figure is a light beam connecting the center of the LCD and the center of the eyeball of the observer (the exit pupil of the observation optical system), and is hereinafter referred to as a reference axis light beam. The
[0012]
The optical function of this embodiment will be described. The luminous flux emitted from the image displayed on the LCD 1 first passes through the optical working surfaces 5b, 5a, and 3c and goes to the optical working surface 3a, and is totally reflected by the surface 3a and goes to the optical working
[0013]
Since the optical system according to the present embodiment is formed of an eccentric surface, an absolute coordinate system and a local coordinate system are set to represent the shape of the optical system. The origin of the absolute coordinate system is set at the center O of the desired pupil position S of the observer, and the Z axis is a straight line passing through the point O and perpendicular to the pupil plane, and is on the plane. The Y axis is a straight line passing through the origin O and forming an angle of 90 ° counterclockwise with respect to the Z axis on the plane. The X axis is a straight line passing through the origin O and orthogonal to the Y and Z axes.
[0014]
The origin Oi of the local coordinates is set for each surface in absolute coordinates (Sxi, SYi, SZi). The z axis of the local coordinate is a straight line passing through the origin Oi in the YZ plane and forming an angle Ai with the Z axis of the absolute coordinate system. The y-axis is a straight line passing through the origin Oi and forming an angle of 90 ° counterclockwise with respect to the z-axis. The x-axis is a straight line passing through the origin Oi and orthogonal to the y-axis and the z-axis.
[0015]
The shape of each surface is represented by local coordinates. In each embodiment of the present invention, the shape of the optical working surface has a shape having an aspherical term based on a Zernike polynomial in a conical function defined by a conical coefficient, and is represented by the following function.
[0016]
(Equation 1)
[0017]
Here, c is the curvature, and c = 1 / r, where r is the basic radius of curvature of each surface. Further, k is a conic coefficient of each surface, and cj is an aspherical coefficient of a j-th Zernike polynomial in each surface. Table 1 shows the optical data of this example.
[0018]
In this embodiment, the refractive index nd of the plastic material of the
[0019]
In the present embodiment, the angle α formed by the intersection of the reference axis ray and the image display element normal is 42.7 °. The length L of a perpendicular line extending from the center of the exit pupil to the observation image plane (an image plane obtained by enlarging the image display element via optical means and including the focal point of the image center) is 2000 mm, and the length L is 2000 mm from the center of the exit pupil. The length EW of a perpendicular line passing through the center of the image display element and perpendicular to a plane including the plane of incidence of the image display element and the plane of the reference axis (hereinafter referred to as a symmetrical plane of the left and right observation optical system) is 32.5 mm. The angle β formed between the reference axis ray and the normal to the exit pupil on the exit pupil plane is 0.9 °.
[0020]
When | α | ≠ 0 is satisfied as in the present embodiment, the light rays traveling from the arbitrary point of the liquid crystal to the left and right observation optical systems are separated from the liquid crystal emission time, which is the same as the conventional example (Japanese Patent Laid-Open No. 07-287188). It is not necessary to separately provide a light beam separating means such as a half mirror or a dichroic filter as compared with the apparatus of | α | = 0. Since β is set equal to the convergence angle tan −1 (EW / L), normal binocular viewing without convergence shift on the observation image plane is possible.
[0021]
With the configuration as in this embodiment, it is possible to observe an image from one image display element with both eyes, and it is possible to provide a small and lightweight image display device.
[0022]
Further, since the observation optical system of the present embodiment has two reflection surfaces, the observer's eyeball and the image display device are arranged on opposite sides of the observation optical system. The configuration is free from the possibility of interference, and the degree of freedom in designing the exterior of the device can be increased.
[0023]
(Second embodiment)
FIG. 3 is a sectional view of an image display device for explaining a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the optical working surface 5a of the
[0024]
Table 2 shows optical data of this example. However, in the diffraction element, the wavefront phase difference amount is represented by the following XY polynomial.
[0025]
CI X
C2 Y
C3 X 2
C4 XY
C5 Y 2
In this embodiment, the refractive index nd of the plastic material of the
[0026]
With the configuration as in the embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0027]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a sectional view of an image display device for explaining a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the optical working surface 5a of the
[0028]
Table 3 shows the optical data of this example.
[0029]
In this embodiment, the refractive index nd of the plastic material of the
[0030]
With the configuration as in the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0031]
In all the embodiments described above, the observation optical system for the right eye has been described. However, the observation optical element for the left eye is folded back with respect to the plane of symmetry of the left and right observation optical systems, and the description is omitted. Further, in the above embodiment, the LCD is used as the image display element, but the present invention is not limited to this. Although there is no detailed description of the backlight in the above embodiment, white fluorescent light or LED or the like is preferable.
[0032]
[Table 1]
[0033]
[Table 2]
[0034]
[Table 3]
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, as described above, by configuring as in the above embodiment, it is possible to realize a small and lightweight image display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an image display device illustrating a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of an image display device illustrating a first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of an image display device illustrating a second embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view of an image display device illustrating a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional image display device. Sectional view of conventional image display device [Explanation of reference numerals]
1. LCD
2.
Claims (11)
観察光学系の射出瞳中心と画像表示素子中心を結んだ光線を基準軸光線とする時、
基準軸光線と画像表示素子法線とが互いの交点で成す角αおよび基準軸光線と射出瞳法線とが互いの交点で成す角βは次式を満たすことを特徴とし
|α|≠0 (1)
|β|≠0 (2)
2つの該観察光学系が、該画像表示素子中心を通り、かつ該画像表示素子入射面と該基準軸光線を含む面に垂直な直(以下、左右観察光学系対称面)に対称に配置することを特徴とする画像観察装置。In an image observation apparatus having an observation optical system for guiding an image formed on one image display element to an eyeball of an observer,
When a ray connecting the center of the exit pupil of the observation optical system and the center of the image display element is used as a reference axis ray,
An angle α formed at the intersection of the reference axis ray and the normal of the image display element and an angle β formed at the intersection of the reference axis ray and the exit pupil normal satisfy the following equation: | α | ≠ 0 (1)
| Β | ≠ 0 (2)
The two observation optical systems are symmetrically disposed on a right side (hereinafter, a left and right observation optical system symmetry plane) passing through the center of the image display element and perpendicular to the plane of incidence of the image display element and the plane including the reference axis ray. An image observation device, characterized in that:
27≦EW≦35 (3)2. The image observation apparatus according to claim 1, wherein the following equation is satisfied, where EW is the length of a perpendicular that is symmetrically lowered from the center of the exit pupils of the two observation optical systems to the left and right observation optical systems.
27 ≦ EW ≦ 35 (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002181300A JP2004029099A (en) | 2002-06-21 | 2002-06-21 | Image observation device |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Cited By (1)
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JP2018049039A (en) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | キヤノン株式会社 | Image display apparatus |
-
2002
- 2002-06-21 JP JP2002181300A patent/JP2004029099A/en active Pending
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