JP2013200555A - 虚像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プリズム40の内部に中間像が形成されるとともに、第3面S43、第1面S41、及び第2面S42の順に2面以上で全反射された映像光GLが、第1面S41を透過して観察者の眼EYに到達するので、プリズム40を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光HLについては、例えば第1面S41と第3面S43とを通過させて観察することができ、その際の視度を略0とするので、シースルーで外界光HLを観察する際の外界光HLのデフォーカスや歪みを低減できる。また、プリズム40の形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。
【選択図】図3
Description
しかし、特許文献1の光学系は、外界光を観察者に見せることを意図して設計されておらず、外界光の透過する曲面形状が適切でないため、外界に対する視度がゼロにならず、外界像のボケや歪みが生じてしまう。
一方、特許文献2の光学系は、外界光を透過させる面が平行平面であるので、ほとんど歪みの無いクリアな視界が得られる。しかし、特許文献2の光学系は、ハーフミラー面にホログラムを使用しており、これによる収差や波長選択性が映像光に影響を与えて画質を、低下させる。
−5×10−2<A12,0+A10,2<−1×10−3 及び
−5×10−2<A32,0+A30,2<−1×10−3 … (1)
|A32,0−A30,2|<1×10−2 … (2)
|A12,0−A32,0|<5×10−3 及び
|A10,2−A30,2|<5×10−3 … (3)
なお、以上において、各面の直交座標x及びyを含むローカル座標(x,y,z)は、曲面上のある1点を原点としており、面の法線方向にz軸、面の接線方向にx軸とy軸とをとっている。曲面の原点は、例えば光束中心が通る位置とする。
Dx=2000(N−1)(A12,0−A32,0+(2T(N−1)/N)×A12,0×A32,0)
Dy=2000(N−1)(A10,2−A30,2+(2T(N−1)/N)×A10,2×A30,2)
で与えられる。
一般に、遠方視度の誤差は、±1Dを超えると不愉快に感じるため、プリズムの視度は、±1Dに抑えることが望ましい。光軸上の視度は、上記の式の通り、プリズムの厚さや、屈折率も関係するため、非球面係数の値のみでは、決まらないのであるが、係数が、条件(3)を満たす範囲にあれば、光軸上の視度を、±1Dの範囲に抑えることが可能である。
図1に示す実施形態の虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像に対応する画像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。虚像表示装置100は、観察者の眼前を覆う透視部材101と、透視部材101を支持するフレーム102と、フレーム102の左右両端のカバー部から後方のつる部分(テンプル)にかけての部分に付加された第1及び第2内蔵装置部105a,105bとを備える。ここで、透視部材101は、観察者の眼前を覆う肉厚で湾曲した光学部材(透過アイカバー)であり、第1光学部分103aと第2光学部分103bとに分かれている。図面上で左側の第1光学部分103aと第1内蔵装置部105aとを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2光学部分103bと第2内蔵装置部105bとを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
図2、図3(A)等に示すように、第1表示装置100Aは、投射透視装置70と、画像表示装置80とを備える。このうち、投射透視装置70は、導光部材であるプリズム40と、光透過部材50とを備える。プリズム40と光透過部材50とは接合によって一体化され、例えばプリズム40の上面40eとフレーム61の下面61eとが接するようにフレーム61の下側にしっかりと固定されている。プリズム40と光透過部材50とは、図1における第1光学部分103aに相当し、画像表示装置80は、図1における第1内蔵装置部105aに相当する。なお、図1に示す第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第2表示装置100Bの詳細な説明は省略する。
以下、虚像表示装置100における映像光GL等の光路について説明する。
図4は、プリズム40中の光軸AX1〜AX5やローカル座標を説明する図である。以下の説明では、光学系の評価や表現の便宜を考慮して、観察者の眼EYから画像表示装置80に向けて逆進方向に関して、光学面や光路を規定する。実際の光学系では、映像表示素子82から発した光は、プリズム40の第1プリズム部分41と第2プリズム部分42とを順次通り、眼EYに至るのであるが、その状態では光学系の評価がやり難い。そのため、眼EYの位置にある絞りを通して無限遠の光源からの光が、プリズム40の第1プリズム部分41に入り、第2プリズム部分42を経て映像表示素子82に結像するものとして、評価・設計を行なっており、以下に詳述する光学系のデータもその順で表示している。なお、プリズム40に接合されて一体として使用される光透過部材50については、プリズム40の形状を延長したものであり、説明を省略している。
プリズム40の第1面S41の形状は、第1面S41のローカル座標(x,y,z)を利用して
z=Σ{A1m,n・(xm・yn)} … (4)
ここで、A1m,nは、多項式展開した第m・n項の係数
m,nは、0以上の整数
で表される。
z=Σ{A2m,n・(xm・yn)} … (5)
ここで、A2m,nは、多項式展開した第m・n項の係数
で表される。
z=Σ{A3m,n・(xm・yn)} … (6)
ここで、A3m,nは、多項式展開した第m・n項の係数
で表される。
−5×10−2<A12,0+A10,2<−1×10−3 及び
−5×10−2<A32,0+A30,2<−1×10−3 … (1)
|A32,0−A30,2|<1×10−2 … (2)
|A12,0−A32,0|<5×10−3 及び
|A10,2−A30,2|<5×10−3 … (3)
の3条件を満足している。これらの3条件を満たすように第1〜第3面S41〜S43の形状を設定することによって、外界光HLと映像光GLとの双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる投射透視装置の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
SPH :瞳
FFSk :自由曲面(プリズム中のk=面番号)SPH :球面又は平面(保護ガラス表面)
R :曲率半径
T :軸上面間隔
Nd :光学材料のd線に対する屈折率
Vd :光学材料のd線に関するアッベ数
TLY :特定面の横断面(XZ断面)における光軸の傾斜角度(°)
(TLYについては、特定面の前後で変化する場合がある)
DCX :特定面の横断面(XZ断面)における光軸のズレ量
実施例1の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表1に示す。なお、例えばFFS1は、第1面S41を意味し、FFS2は、第2面S42を意味し、FFS3は、第3面S43を意味する。
〔表1〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -298.406 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -35.413 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -298.406 8.50 1.525 55.95
5 FFS3 -298.406 -18.00 1.525 55.95
6 FFS4 27.445 14.00 1.525 55.95
7 FFS5 -38.749 -13.00 1.525 55.95
8 FFS6 -11.535 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
〔表2〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 13.419 -45.01
6 FFS4 -20 0 -20
7 FFS5 25 0 25
8 FFS6 0 0 0
〔表3〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -2.907E-03 -1.035E-02 -2.907E-03 2.143E-02 -9.578E-03 4.047E-02
0 2 -1.676E-03 -1.412E-02 -1.676E-03 1.822E-02 -1.290E-02 -4.335E-02
3 0 -5.398E-06 4.962E-05 -5.398E-06 -9.349E-05 1.458E-03 2.580E-04
1 2 -1.598E-03 1.311E-04 -1.598E-03 2.696E-04 5.302E-03 -1.167E-02
4 0 -1.692E-06 -6.203E-06 -1.692E-06 -2.734E-05 3.031E-04 6.358E-04
2 2 6.709E-05 2.963E-06 6.709E-05 -5.281E-05 2.725E-04 -1.818E-03
0 4 1.409E-04 3.103E-05 1.409E-04 -9.759E-06 1.460E-05 -1.925E-03
以上の表3及び以下の表において、数値のE以後は10進数の指数部を意味し、例えば「−6.511E−03」とは、−6.511×10−03を意味する。
実施例2の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表4に示す。
〔表4〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -299.909 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -56.674 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -299.909 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -299.909 -16.00 1.525 55.95
6 FFS4 28.894 9.00 1.525 55.95
7 FFS5 -14.515 -11.00 1.525 55.95
8 FFS6 9.477 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
〔表5〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 18.408 -46.13
6 FFS4 -24 0 -24
7 FFS5 -23 0 -23
8 FFS6 0 0 0
〔表6〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -1.724E-03 -1.013E-02 -1.724E-03 1.420E-02 -1.809E-02 -5.024E-02
0 2 -1.667E-03 -8.822E-03 -1.667E-03 1.730E-02 -3.445E-02 5.276E-02
3 0 -3.814E-05 -1.148E-05 -3.814E-05 6.256E-04 2.776E-04 -6.606E-03
1 2 -5.045E-04 -3.771E-04 -5.045E-04 7.220E-04 -1.028E-03 8.186E-03
4 0 9.913E-07 7.814E-07 9.913E-07 -8.739E-05 2.436E-05 -6.258E-04
2 2 -9.694E-06 4.685E-06 -9.694E-06 -1.853E-04 -1.584E-06 6.443E-04
0 4 2.899E-06 1.036E-06 2.899E-06 9.050E-05 -2.015E-05 -5.541E-04
実施例3の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表7に示す。
〔表7〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -141.388 5.30 1.525 55.95
3 FFS2 -53.069 -5.30 1.525 55.95
4 FFS1 -141.388 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -141.388 -20.00 1.525 55.95
6 FFS4 59.251 10.00 1.525 55.95
7 FFS5 -18.769 -11.00 1.525 55.95
8 FFS6 6.446 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
〔表8〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -27 0 27
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 18.522 -21.01
6 FFS4 23 0 23
7 FFS5 18 0 18
8 FFS6 0 0 0
〔表9〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -3.372E-03 -1.133E-02 -3.372E-03 2.160E-02 -6.920E-03 -8.363E-03
0 2 -3.536E-03 -9.422E-03 -3.536E-03 8.439E-03 -2.664E-02 7.757E-02
3 0 7.516E-05 4.674E-05 7.516E-05 -4.006E-04 1.068E-03 -3.012E-03
1 2 4.770E-04 3.276E-04 4.770E-04 2.312E-04 9.613E-04 -3.189E-03
4 0 -1.013E-05 -4.728E-06 -1.013E-05 5.708E-05 1.995E-05 -1.582E-03
2 2 2.031E-05 2.079E-06 2.031E-05 -4.304E-05 -5.913E-05 -1.894E-03
0 4 9.640E-07 1.531E-07 9.640E-07 2.413E-05 4.779E-05 4.314E-04
実施例4の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表10に示す。
〔表10〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -475.145 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -44.365 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -475.145 9.50 1.525 55.95
5 FFS3 -475.145 -26.00 1.525 55.95
6 FFS4 25.895 17.00 1.525 55.95
7 FFS5 38.553 -14.00 1.525 55.95
8 FFS6 15.813 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
〔表11〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -29 0 29
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 23.353 -52.2
6 FFS4 20 0 20
7 FFS5 -22 0 -22
8 FFS6 0 0 0
〔表12〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -2.658E-03 -5.538E-03 -2.658E-03 1.578E-02 -1.645E-02 -4.043E-02
0 2 -1.052E-03 -1.127E-02 -1.052E-03 1.931E-02 1.297E-02 3.162E-02
3 0 1.188E-04 2.830E-05 1.188E-04 1.092E-04 -1.266E-04 4.950E-03
1 2 1.822E-04 2.905E-04 1.822E-04 8.586E-05 2.962E-03 4.549E-03
4 0 -2.740E-06 -4.570E-06 -2.740E-06 -3.048E-05 3.711E-05 2.181E-03
2 2 1.268E-05 1.628E-06 1.268E-05 2.209E-06 -1.229E-05 -5.144E-04
0 4 9.533E-07 3.363E-06 9.533E-07 6.889E-07 -7.295E-05 3.663E-04
Dx=2000(N−1)(A12,0−A32,0+(2T(N−1)/N)×A12,0×A32,0)
Dy=2000(N−1)(A10,2−A30,2+(2T(N−1)/N)×A10,2×A30,2)
で与えられる。上式に基づいて、以下の表15に、各実施例1〜4についての視度に関する数値データをまとめた。
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Claims (12)
- 映像光と外界光とを同時に視認させる虚像表表示装置であって、
映像光を生じさせる映像素子と、
3面以上の非軸対称な曲面を含む1つのプリズムとを備え、
前記プリズムを含む光学系は、前記プリズムの内部に中間像を形成するリレー光学系であり、
前記プリズムを構成する複数面のうち第1面と第3面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略0になっており、
前記第1面と前記第3面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、
前記映像素子からの映像光は、前記第3面で全反射され、前記第1面で全反射され、第2面で反射された後、前記第1面を透過して、観察側に到達する、虚像表示装置。 - 前記光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標x及びyに関して多項式展開したものとするときに、第k面を表す多項式の項xm・ynの係数をAkm,nとして、下記(1)から(3)までの条件を満足する、請求項1に記載の虚像表示装置。
−5×10−2<A12,0+A10,2<−1×10−3 及び
−5×10−2<A32,0+A30,2<−1×10−3 … (1)
|A32,0−A30,2|<1×10−2 … (2)
|A12,0−A32,0|<5×10−3 及び
|A10,2−A30,2|<5×10−3 … (3) - 前記プリズムは、前記第1面と前記第2面と前記第3面とを有し光射出側の第1プリズム部分と、光入射側の第2プリズム部分とを有し、第1プリズム部分と第2プリズム部分とは、一体形成されている、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記第2面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、前記第2面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略0にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項1から3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記光透過部材は、観察者側に第1透過面と第2透過面とを有するとともに外界側に第3透過面を有し、前記プリズムの第2面と前記光透過部材の第2透過面とは、略同じ曲面形状を有し、前記第2面と前記第2透過面とは、一体化されている、請求項4に記載の虚像表示装置。
- 前記第1面と前記第2面と前記第3面とは、これらを通る光路を含む基準面を挟んで対称な形状を有する、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記第1面と前記第3面との間隔は、5mm以上15mm以下である、請求項1から6までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記第1面に対する前記第2面の傾斜角は、20°以上40°以下である、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記映像素子は、前記プリズムの画像光入射面に対向するように、前記プリズムに一体的に固定されている、請求項1から8までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記第2プリズム部分は、第4面と第5面と第6面とを有し、前記映像素子と前記第2プリズム部分の前記第4面と第5面と第6面とによって中間像が形成される、請求項1から9までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記プリズムを含む前記光学系は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる、請求項1から10までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、前記信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する、請求項1から11までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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