JP2008083352A - 画像表示光学系及び頭部装着型画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の画像表示光学系は、画像表示素子(11)からの表示光束を観察眼へ導光する画像表示光学系において、前記表示光束の光路には少なくとも正の光学的パワーを持つ回折光学素子(HOE)と、正の光学的パワーを持つレンズ(14)とが配置され、前記レンズ(14)は、互いに重ねられた凸レンズ(14B)と凹レンズ(14A)とを備え、前記凸レンズ(14B)のd線に対するアッベ数νd1、前記凹レンズ(14A)のd線に対するアッベ数νd2は、νd1<νd2の関係を満たすことを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
そこで本発明は、コンパクト化を図りつつも画像劣化を抑えることのできる画像表示光学系及び頭部装着型画像表示装置を提供することを目的とする。
また、前記光路には、前記レンズとは別のレンズが更に配置され、前記別のレンズのd線に対するアッベ数νd3は、νd1<νd3の関係を満たすことが望ましい。
また、本発明の頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、本発明の何れかの画像表示光学系と、前記画像表示素子及び前記画像表示光学系を観察者の頭部へ装着する装着手段とを備えたことを特徴とする。
図1は、アイグラスディスプレイの外観図である。図1に示すとおり、アイグラスディスプレイ10は、プリズム2の設けられた透明基板1を眼鏡レンズと同様にテンプル3やブリッジ5などで保持してなる。テンプル3には、画像表示素子やレンズを収めた表示ユニット4が固定され、プリズム2の先端部には反射体積型のホログラフィック光学素子HOEが適当な角度で設けられる。
図2は、アイグラスディスプレイ10の光学系部分(画像表示光学系)の光路図である。図2では画角中心の表示光束のみを描いた。符号11で示すのが画像表示素子、符号11aで示すのが表示面である。また、符号E.P.で示すのがアイポイント(観察眼の瞳が配置されるべき位置)であり、画像表示光学系の射出瞳に相当する。
表示面11aから射出した表示光束は、レンズ12において負の光学的パワーが付与され、全反射ミラー13の反射面13aにて反射し、接合レンズ14において正の光学的パワーが付与された後、プリズム2の領域2aからプリズム2の内部へ入射する。入射した表示光束は、プリズム2の領域2b、プリズム2の領域2c、プリズム2の領域2d、プリズム2の領域2e、プリズム2の領域2f、プリズム2の領域2gにて順次内面反射してから、ホログラフィック光学素子HOEへ入射する。その表示光束は、ホログラフィック光学素子HOEにて正の光学的パワーが付与された後、プリズム2の領域2iから外部へ射出し、アイポイントE.P.へ入射する。領域2a,2c,2e,2g,2iは、プリズム2の観察者側の面の互いに異なる領域であり、領域2d,2fは、プリズム2の外界側の面の互いに異なる領域である。また、領域2bは、プリズム2の一端に設けられた傾斜面上にあり、ホログラフィック光学素子HOEの形成先は、プリズム2の他端に設けられた傾斜面である。
ここで、接合レンズ14は、図3(A)に拡大して示すとおり、表示面11aの側から順に、凹レンズ(図ではメニスカスレンズ)14Aと凸レンズ(図では両凸レンズ)14Bとを配置し、かつ両者を貼り合わせたものである。d線(波長=587.6nm)に対する凸レンズ14Bのアッベ数νd1、d線に対する凹レンズ14Aのアッベ数νd2は、式(1)の関係を満たす。
つまり、接合レンズ14は、通常の色消しレンズと比較すると、凹レンズと凸レンズとのアッベ数の大小関係が逆転している。このような接合レンズ14には、画像表示光学系の倍率色収差を積極的に発生させる働きがある。例えば、凸レンズ14Bと凹レンズ14Aのアッベ数差Δνは、式(2)の関係を満たす。
このようにアッベ数差Δνを大きくすれば、接合レンズ14が発生させる倍率色収差の量が十分に大きくなる。その倍率色収差を、ホログラフィック光学素子HOEに起因して生じる倍率色収差の等量反対符号に設定すれば、画像表示光学系の全系の倍率色収差が相殺される。
νd1<νd3 …(3)
また、本実施形態の接合レンズ14は、図3(B),(C)に示すとおりに変形することも可能である。図3(B)に示す例では、レンズ14A,14Bを貼り合わせずにエアギャップを介して配置している。図3(C)に示す例では、レンズ14A,14Bの周縁部のみを接合し、中心部にエアギャップを介在させている。図3(B),(C)に示す構成を採用した場合にも、図3(A)に示す構成を採用した場合と同じ効果を得ることができる。
射出瞳(アイポイント)径:3mm,
X方向画角:±3.8°,
Y方向画角:±5.0°,
射出瞳から虚像までの見かけ距離:800mm,
使用波長:532.49nm
表1は、画像表示光学系の光学設計データである。設計時の光線追跡は、アイポイント側から表示面へと向かう方向とした。表1において、「M」は面番号(括弧内に示す符号は図2中の符号である。)、「R」は曲率半径、「D」は面間隔、「F」は面作用(反射の場合のみREFLと表記)、「nd」はd線(波長=587.6nm)に対する屈折率、「vd」はd線に対するアッベ数である。
[表1]
M R D F nd vd
1(E.P.): INFINITY 13.000000
2(2i): INFINITY 1.500000 1.59551 39.24
3(HOE): INFINITY -2.862670 REFL 1.59551 39.24
4(2g): INFINITY 5.725340 REFL 1.59551 39.24
5(2f): INFINITY -5.725340 REFL 1.59551 39.24
6(2e): INFINITY 5.725340 REFL 1.59551 39.24
7(2d): INFINITY -5.725340 REFL 1.59551 39.24
8(2c): INFINITY 2.900000 REFL 1.59551 39.24
9(2b): INFINITY -1.519560 REFL 1.59551 39.24
10(2a): INFINITY -0.500000
11(14b): -15.93092 -1.000000 1.76182 26.53
12(14c): 48.95100 -0.500000 1.71300 53.83
13(14a): 88.50102 -3.200000
14(13a): INFINITY 3.100000 REFL
15(12b): 20.00000 0.500000 1.51680 64.17
16(12a): 13.98524 5.500000
17(11a): INFINITY 0.000000
表2は、ホログラフィック光学素子HOEの製造条件データである。データを表記する座標系は、図2中に(A)で示したXYZ座標系である。この座標系のXY平面はホログラフィック光学素子HOEの形成面内に存在し、座標系の原点はホログラフィック光学素子HOEと光軸との交点である。
[表2]
HV1:REA HV2:VIR HOR:1.000000 HTH:20.000000
HIN:1.493000 HDI:0.022400 HSW:-0.020000 HDN:0.029000
HX1:0.000000*10+00 HY1:-0.719109*10+20 HZ1:-0.694897*10+20
HX2:0.000000*10+00 HY2:0.214317*10+02 HZ2:-0.131780*10+02
HWL:532.00
表3は、ホログラフィック光学素子HOEの位相係数である。位相係数Cjは、ホログラフィック光学素子HOEが座標(X,Y)における光線に与える位相変化量f(X,Y)を式(4)で表し、それを式(5)で変形したときの係数である。座標(X,Y)は、図2中に(A)で示したXYZ座標系上の座標である(但し、座標系の原点はホログラフィック光学素子HOEと光軸との交点)。また、表3ではゼロである係数は省略した。
C2 : -1.3537*10-01 C3 : 1.2684*10-02 C5 : -1.7654*10-05
C7 : 8.4585*10-04 C9 : 1.8765*10-04 C10: 5.1550*10-05
C12: 7.8697*10-05 C14: -6.8473*10-07 C16: -7.8503*10-05
C18: 1.6344*10-07 C20: 1.2620*10-06 C21: 5.9785*10-08
C23: 1.4564*10-06 C25: 5.7252*10-08 C27: 2.4096*10-05
C29: 1.2935*10-05 C31: 5.2523*10-07 C33: 3.9866*10-07
C35: -3.2543*10-07 C36: -1.8509*10-06 C38: -3.2685*10-07
C40: -3.9263*10-07 C42: -3.4519*10-07 C44: -7.0870*10-06
C46: -8.4631*10-07 C48: -5.6690*10-08 C50: 1.3859*10-08
C52: -8.3330*10-08 C54: 3.5563*10-08 C55: 1.9736*10-07
C57: -1.1988*10-08 C59: -1.2299*10-08 C61: 1.9751*10-08
C63: 2.1389*10-08 C65: 6.0535*10-07
表4は、各面の位置及び姿勢データである。データを表記する座標系は、図2中に(B)で示したXYZ座標系である(但し、座標系の原点は各面と光軸との交点)。表4において、「XDE」はX方向のシフト量、「YDE」はY方向のシフト量、「ZDE」はZ方向のシフト量、「ADE」はX軸周りのチルト量、「BDE」はY軸周りのチルト量、「CDE」はZ軸周りのチルト量である。なお、表4ではチルト量がゼロである面のデータは省略した。
[表4]
3(HOE):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE:-29.200000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
4(2g):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE: 58.400000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
5(2f):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE:-58.400000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
6(2e):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE: 58.400000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
7(2d):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE:-58.400000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
8(2c):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE: 58.400000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
9(2b):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE:-29.400000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
14(13a):
XDE: 0.000000 YDE:0.000000 ZDE:0.000000
ADE: 45.000000 BDE:0.000000 CDE:0.000000
以上、本実施例ではνd1=26.53、νd2=53.83、Δν=27.3、νd3=64.17となり、上述した式(1),(2),(3)の全てを満たす。
Claims (4)
- 画像表示素子からの表示光束を観察眼へ導光する画像表示光学系において、
前記表示光束の光路には少なくとも正の光学的パワーを持つ回折光学素子と、正の光学的パワーを持つレンズとが配置され、
前記レンズは、
互いに重ねられた凸レンズと凹レンズとを備え、
前記凸レンズのd線に対するアッベ数νd1、前記凹レンズのd線に対するアッベ数νd2は、
νd1<νd2の関係を満たす
ことを特徴とする画像表示光学系。 - 請求項1に記載の画像表示光学系において、
前記レンズは、
前記凸レンズと前記凹レンズとを接合してできる接合レンズである
ことを特徴とする画像表示光学系。 - 請求項1又は請求項2に記載の画像表示光学系において、
前記光路には、
前記レンズとは別のレンズが更に配置され、
前記別のレンズのd線に対するアッベ数νd3は、
νd1<νd3の関係を満たす
ことを特徴とする画像表示光学系。 - 画像表示素子と、
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の画像表示光学系と、
前記画像表示素子及び前記画像表示光学系を観察者の頭部へ装着する装着手段と
を備えたことを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
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JP2006262723A JP2008083352A (ja) | 2006-09-27 | 2006-09-27 | 画像表示光学系及び頭部装着型画像表示装置 |
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