JP2911750B2 - Observation optical system - Google Patents
Observation optical systemInfo
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- JP2911750B2 JP2911750B2 JP13030194A JP13030194A JP2911750B2 JP 2911750 B2 JP2911750 B2 JP 2911750B2 JP 13030194 A JP13030194 A JP 13030194A JP 13030194 A JP13030194 A JP 13030194A JP 2911750 B2 JP2911750 B2 JP 2911750B2
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、観察光学系に関し、特
にヘッドアップディスプレイやメガネ型ディスプレイと
称せられる装置に好適な光学系に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an observation optical system, and more particularly to an optical system suitable for an apparatus called a head-up display or a glasses-type display.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、CRTやLCDを観察者の頭
部近傍に配置し、CRT及びLCDが形成する像を観察
できるようになした表示装置の提案がいくつかなされて
いる。例えばUSP4081209号、USP4969
724号、特開昭58−78116号公報、特開平2−
297516号公報、特開平3−101709号公報が
ある。2. Description of the Related Art There have been proposed some display devices in which a CRT or an LCD is arranged near the head of an observer so that an image formed by the CRT or the LCD can be observed. For example, USP4081209, USP4969
724, JP-A-58-78116, JP-A-2-
297516 and JP-A-3-101709.
【0003】特開平3−101709号公報では原画像
を再結像させる実像タイプの比較的見易い観察装置を開
示している。しかしながら再結像させるための光学レン
ズを用いているためにかなりの大型化が余儀なくされて
いる。Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 3-101709 discloses a relatively easy-to-see observation device of the real image type for re-forming an original image. However, the use of an optical lens for re-imaging requires a considerable increase in size.
【0004】一方、USP4081209号、USP4
969724号、特開昭58−78116号公報、特開
平2−297516号公報では見易さの点では若干劣る
が小型化を図る上で有利な虚像を観察するタイプの観察
装置を開示している。[0004] On the other hand, USP4081209 and USP4
969724 , JP-A-58-78116, and JP-A-2-297516 disclose an observation apparatus of a type that observes a virtual image which is slightly inferior in viewability but is advantageous for miniaturization. .
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする問題点】後者のタイプの観察
装置では、確かに実像タイプに比べ小型化を図れるとは
いえまだまだ十分とはいえなかった。先の先行技術の中
で比較的小型化を図っている例として特開昭58−78
116号公報があげられるがやはり目の光軸方向の厚み
が厚くなっていた。又、観察される像に光学的歪み、非
点収差、コマ収差等の発生することが記載されている。Problems to be Solved by the Invention Observation devices of the latter type can certainly be made smaller than those of the real image type, but they are still not enough. Japanese Patent Application Laid-Open (JP-A) No. 58-78 discloses an example of the prior art in which the size is relatively reduced.
No. 116, the thickness of the eye in the optical axis direction is also increased. It also describes that an observed image has optical distortion, astigmatism, coma, and the like.
【0006】本発明はかかる点に鑑みて小型、且つ薄型
の観察光学系を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a small and thin observation optical system.
【0007】又、収差発生の少ない観察光学系の提供を
目的とする。It is another object of the present invention to provide an observation optical system with less occurrence of aberration.
【0008】そしてかかる目的のもとで、本発明は、オ
リジナル画像の光を眼球へ導く観察光学系において、光
路中、光を全反射する第1の曲面と、該第1の曲面で全
反射される光を反射する第2の曲面を備え、前記第1の
曲面を透過する光路を有することを特徴としている。 [0008] Under such a purpose, the present invention provides
In the observation optical system that guides the light of the original image to the eyeball,
In the road, a first curved surface that totally reflects light, and the first curved surface
A second curved surface for reflecting the reflected light;
It is characterized by having an optical path transmitting through a curved surface.
【0009】他の特徴的な事項は以下に示す実施例に開
示されている。Other features are disclosed in the embodiments described below.
【0010】[0010]
【実施例】まず図6をもとにして、本発明の基本となる
表示光学系を説明する。4は、オリジナル画像となる文
字や絵等の映像表示がなされる表示手段で、例えば公知
の液晶(LCD)で構成される。3aは表示手段4から
の光を観察者の目へ導光させるための第1の光学部材、
3bは第2の光学部材である。表示手段4からの光はま
ず第1の光学部材3aへ入射し、次に第1の光学部材の
目側の全反射面1にて全反射されハーフミラーで構成さ
れる観察者凹面を向けた凹面ミラー2にて反射され先の
全反射面2aを透過して目へ導かれるようになってい
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a display optical system which is the basis of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 4 denotes display means for displaying an image such as a character or a picture serving as an original image, and is constituted by, for example, a known liquid crystal (LCD). 3a is a first optical member for guiding the light from the display means 4 to the eyes of the observer,
3b is a second optical member. The light from the display means 4 first enters the first optical member 3a, and is then totally reflected by the total reflection surface 1 on the eye side of the first optical member, and turns to the observer concave surface constituted by a half mirror. The light is reflected by the concave mirror 2, passes through the total reflection surface 2a, and is guided to the eyes.
【0011】この様子を図1に示す。図1(A)は頭
部、(B)は側頭部からみた光路図を各々示す。FIG. 1 shows this state. FIG. 1A shows an optical path diagram viewed from the head, and FIG. 1B shows an optical path diagram viewed from the temporal region.
【0012】このように観察者は表示手段4の映像が外
の風景にスーパーインポーズされて確認することが可能
となる。本実施例ではスーパーインポーズ装置として示
しているが単なる映像表示をみるだけの装置としてもよ
い。尚この時凹面ミラーは鏡となる。In this way, the observer can check the image on the display means 4 by superimposing it on the outside scenery. In this embodiment, the apparatus is shown as a superimpose apparatus, but it may be an apparatus which merely looks at a video display. At this time, the concave mirror becomes a mirror.
【0013】本実施例では後述の実施例を含めてかかる
構成の下で光学系の厚さが10mm〜15mm程度で極
めて薄い小型の表示装置を達成している。又、視野画角
が水平方向で±16.8°程、垂直方向で±11.4°
程と広角視野を達成している。In this embodiment, including the embodiments described later, under such a configuration, an extremely thin and small display device having an optical system thickness of about 10 mm to 15 mm is achieved. The viewing angle of view is about ± 16.8 ° in the horizontal direction and ± 11.4 ° in the vertical direction.
And a wide-angle field of view.
【0014】そしてこのような小型化、そして広角化を
図り、良好に光学性能を図れたことの要因として本実施
例では観察者側の面を全反射面そして透過面として利用
したこと、又凹面ミラー2を目の光軸に対してかなり偏
心させたことがあげられるが、これに加えて後述の数値
実施例で示す如く全反射面を曲面、特にアジムス角度に
より光学的パワーの異なる曲面としたこと、あるいはこ
の凹面ミラー2にアジムス角度により異なる光学的パワ
ーを与えたことの各々の要素が大きく寄与している。In the present embodiment, the surface on the observer side is used as a total reflection surface and a transmission surface, and the concave surface is used. Although the mirror 2 is considerably decentered with respect to the optical axis of the eye, in addition to this, the total reflection surface is formed as a curved surface, particularly a curved surface having a different optical power depending on the azimuth angle, as shown in numerical examples described later. That is, or each factor of giving different optical power to the concave mirror 2 depending on the azimuth angle greatly contributes.
【0015】特に凹面ミラー2にアジムス角度により異
なる光学的パワーを与えたことで、凹面ミラー自体が偏
心していることにより発生する偏心収差を十分に取り除
くようにすることを可能とした。又、全反射面も同様に
曲面を与えることで凹面ミラーで発生する収差を補正す
るようにしている。[0015] In particular, different by the azimuth angle to the concave mirror 2
By applying a certain optical power, it becomes possible to sufficiently remove the eccentric aberration caused by the decentering of the concave mirror itself. In addition, similarly, the total reflection surface is provided with a curved surface to correct the aberration generated by the concave mirror.
【0016】さて今後光の折り畳み方向を母線方向、そ
してこれと直交する方向を子線方向と呼ぶことにする。
本実施例においては子線方向の画角を広くとるようにし
ているが、凹面ミラーが比較的強い正の屈折力を持って
おり収差が発生することになるがこの正のパワーにより
発生する収差を、全反射面の子線断面において逆に負の
光学的パワーを与えてこれを補正するようにしている。
特に子線断面からみると、表示素子側、あるいは観察者
の目側から光路をたどってみると順に負の屈折力、正の
屈折力(凹面ミラー)、負の屈折力と各面がその作用を
果すことになるので、対称型の屈折力配置となり諸収差
を除去しやすいパワー配置を採用している。Now, the direction in which light is folded will be referred to as the generatrix direction, and the direction orthogonal thereto will be referred to as the sagittal direction.
In this embodiment, the angle of view in the sagittal direction is set to be wide, but the concave mirror has a relatively strong positive refractive power and an aberration occurs. On the other hand, a negative optical power is applied to the sagittal section of the total reflection surface to correct this.
In particular, when viewed from the sagittal section, when the optical path is traced from the display element side or the observer's eye side, the negative refractive power, the positive refractive power (concave mirror), the negative refractive power, and the respective surfaces in that order act as follows Therefore, a symmetrical refractive power arrangement is adopted, and a power arrangement that easily removes various aberrations is adopted.
【0017】そして目の光軸方向に対する厚さを短縮さ
せるには、光学系3を立てるように各要素を設定するこ
とが望ましく、具体的には図7を参照すると、全反射面
1の面頂点における接線の、目の光軸と垂直な線に対す
る角度(チルト角)をαとするときに |α|≦20° を満たすとよい。この範囲を越えることにより光軸方向
の厚さが厚くなり大型化してしまうことになる。又、風
景に対して映像をスーパーインポーズする場合には光学
部材の傾きが大きくなり風景自体に歪みを与えてくるの
で好ましくない。In order to reduce the thickness of the eye with respect to the optical axis direction, it is desirable to set each element so that the optical system 3 is set up. Specifically, referring to FIG. When an angle (tilt angle) of a tangent line at the vertex with respect to a line perpendicular to the optical axis of the eye is α, | α | ≦ 20 ° may be satisfied. Exceeding this range will increase the thickness in the optical axis direction and increase the size. In addition, superimposing a video on a landscape is not preferable because the inclination of the optical member becomes large and the landscape itself is distorted.
【0018】そしてより好ましくは −15°≦α≦5° を満たすとよい。下限をこえると眼球の光軸と平行な方
向で薄くできるが、歪みが大きくなる。上限をこえると
眼球の光軸と平行な方向の厚さが厚くなり、プリズム全
体重量が重くなり、好ましくない。It is more preferable that -15 ° ≦ α ≦ 5 ° is satisfied. If the lower limit is exceeded, the thickness can be reduced in the direction parallel to the optical axis of the eyeball, but the distortion increases. If the upper limit is exceeded, the thickness of the eyeball in the direction parallel to the optical axis increases, and the total weight of the prism increases, which is not preferable.
【0019】尚、本実施例では全反射面が眼球側に凹面
を向けていることから、外側の光入射面6もこれと実質
同形状の曲面を与えて、風景が歪まないようにしてい
る。In this embodiment, since the total reflection surface is concave toward the eyeball side, the outer light incident surface 6 is also provided with a curved surface having substantially the same shape as this, so that the scene is not distorted. .
【0020】さて、次に凹面ミラー2は目の光軸に対し
てかなり偏心しており、この面で偏心収差が発生するこ
とになる。しかしながらこの偏心収差を取り除くべく全
反射面し、そして凹面ミラー2を前述した通りアジムス
角度により曲率が異なる面(トーリック面、あるいはア
ナモフィック面)を採用してこれらの偏心収差を良好に
抑えるように工夫している。そして望ましくはこれらの
面に非球面(トーリック非球面、あるいはアナモフィッ
ク非球面)を採用し極めて良好な光学性能を得ている。Next, the concave mirror 2 is considerably decentered with respect to the optical axis of the eye, and decentered aberration occurs on this surface. However, in order to eliminate this eccentric aberration, the concave mirror 2 is devised so that the concave mirror 2 has a surface (toric surface or anamorphic surface) having a different curvature depending on the azimuth angle as described above so as to suppress these eccentric aberrations well. doing. Desirably, an aspherical surface (a toric aspherical surface or an anamorphic aspherical surface) is used for these surfaces to obtain extremely good optical performance.
【0021】光線の折り畳み方向を母線方向(y方
向)、これと垂直な方向を子線方向(x方向)とした時
に、アジムス角度の違いにより光学的パワーを異ならし
めるように各面を設定するようにしているが、全系とし
てみた時各方向に対する近軸での焦点距離がほとんど一
定、即ち母線方向断面、そして子線方向断面における各
全系における近軸焦点距離をfy、fxとした時に 0.9<|fy/fx|<1.1 を満足させることが望ましい。When the folding direction of the light beam is the generatrix direction (y direction) and the direction perpendicular thereto is the sagittal direction (x direction), each surface is set so that the optical power differs depending on the difference of the azimuth angle. While being so, the focal length is almost constant in the paraxial for each direction when viewed as a whole system, i.e. the generatrix cross section and the paraxial focal length of each entire system at sagittal cross section f y, and f x In this case, it is desirable to satisfy the following condition: 0.9 <| f y / f x | <1.1.
【0022】又、全反射面(あるいは透過面)または凹
面ミラーは前述した通りアジムス角度の違いにより光学
的パワーが異なるように設定して偏心収差を抑制するよ
うになしたが、各面の母線方向断面、そして子線方向断
面における近軸曲率半径を各々ry、rxとした時に |rx|<|ry| を満たすようにするとよい。Further, as described above, the total reflection surface (or transmission surface) or the concave mirror is set so that the optical power is different due to the difference of the azimuth angle so as to suppress the eccentric aberration. cross section, and each r y a paraxial curvature radius in the sagittal cross section, when the r x | r x | <| better to satisfy the | r y.
【0023】本実施例では母線方向が折り畳み方向で、
小型化を図るためにこの方向に凹面ミラー2が大きくチ
ルト(偏心)しているので、この母線方向に対して偏心
収差が子線方向に比べて多く発生する。これに対して母
線方向断面における光学的パワーを子線方向の断面にお
けるパワーより弱く、即ち母線方向の近軸曲率半径を条
件式に示す通り長くし、母線方向の偏心収差の発生を抑
制するようにしている。In this embodiment, the generatrix direction is the folding direction,
Since the concave mirror 2 is largely tilted (eccentric) in this direction in order to reduce the size , more eccentric aberration occurs in the generatrix direction than in the sagittal direction. On the other hand, the optical power in the cross section in the meridional direction is weaker than the power in the cross section in the sagittal direction, that is, the paraxial radius of curvature in the meridional direction is made longer as shown by the conditional expression so as to suppress the occurrence of eccentric aberration in the meridional direction. I have to.
【0024】そして望ましくはこれらの曲率の関係を |rx/ry|<0.85 を満たすように設定することが好ましい。この範囲を越
えると偏心収差の発生が目立って大きくなってしまう。Preferably, the relationship between these curvatures is set so as to satisfy | r x / r y | <0.85. Beyond this range, the occurrence of decentering aberrations will increase significantly.
【0025】尚、後で示す数値実施例2〜4のように入
射面5にアジムス角度の違いにより光学的パワーが異な
る面を形成した時には先の条件式とは逆に |rx|>|ry| なる条件式を満たすことで偏心収差の発生を抑えること
が可能となる。When a surface having a different optical power due to a difference in the azimuth angle is formed on the incident surface 5 as in Numerical Examples 2 to 4 to be described later, | r x |> | By satisfying the condition of r y |, it is possible to suppress the occurrence of decentering aberration.
【0026】そして更に収差を良好に補正するためには
全反射面(あるいは透過面)1、そして凹面ミラー2の
各々の子線方向断面における近軸曲率半径をrx2、rx3
とした時、 −2.0<2fx/rx2<−0.1…(a) −2.5<2fx/rx3<−0.5…(b) なる条件の範囲で設定するとよい。In order to better correct aberrations, the paraxial radii of curvature of the total reflection surface (or transmission surface) 1 and the concave mirror 2 in the sagittal direction are r x2 and r x3.
When a, it may be set in a range of -2.0 <2f x / r x2 < -0.1 ... (a) -2.5 <2f x / r x3 <-0.5 ... (b) The condition .
【0027】式(a)の下限を越えると子線方向の全反
射面の曲率(負のパワー)がきつくなり、ディストーシ
ョン補正が困難となる。式(b)の下限を越えると子線
方向の凹面ミラーの曲率(正のパワー)がきつくなり非
点収差補正が困難となる。一方、式(a)の上限を越え
る子線方向の全反射面の曲率が正のパワーを持つ方向に
なるので全反射条件を満たすことが困難となる。一方、
式(b)の上限を越えると子線方向の凹面ミラーの正パ
ワーが弱くなる方向で眼球の光軸と平行な方向の厚さが
厚くなり大型化してしまい好ましくない。If the lower limit of the equation (a) is exceeded, the curvature (negative power) of the total reflection surface in the sagittal direction becomes tight, and it becomes difficult to correct distortion. If the lower limit of the expression (b) is exceeded, the curvature (positive power) of the concave mirror in the sagittal direction becomes too steep, making it difficult to correct astigmatism. On the other hand, since the curvature of the total reflection surface in the sagittal direction exceeding the upper limit of the expression (a) becomes a direction having a positive power, it becomes difficult to satisfy the total reflection condition. on the other hand,
Exceeding the upper limit of the expression (b) is not preferable because the thickness of the concave mirror in the direction parallel to the optical axis of the eyeball increases in the direction in which the positive power of the concave mirror in the sagittal direction decreases.
【0028】又更に、母線方向の全系焦点距離をfy、
全反射面の曲率半径をry2、凹面ミラーの曲率半径をr
y3とした時 −1.0<2fy/ry2<0…(c) −2.5<2fy/ry3<−0.2…(d) を満たすように設定するとよい。Further, the total focal length in the generatrix direction is f y ,
The radius of curvature of the total reflection surface is r y2 , and the radius of curvature of the concave mirror is r
when the y3 -1.0 <2f y / r y2 <0 ... (c) -2.5 <2f y / r y3 < may be set so as to satisfy the -0.2 ... (d).
【0029】式(c)の下限を越えると母線方向の全反
射面の負のパワーが強くなり、偏心ディストーションの
補正がむずかしくなる。式(d)の下限を越えると母線
方向の凹ミラーの凸パワーが強くなり、偏心非点収差の
発生が大きくなる。式(c)の上限を越えると母線方向
の全反射条件とからむもので、これを越えると全反射条
件を満たすことが困難となる。式(d)は、母線方向の
凹面ミラーのパワーに関するもので、上限を越えるとパ
ワーが弱くなるので、母線方向に全長が延び大型化する
傾向となる。If the lower limit of the expression (c) is exceeded, the negative power of the total reflection surface in the generatrix direction becomes strong, and it becomes difficult to correct the eccentric distortion. If the lower limit of the equation (d) is exceeded, the convex power of the concave mirror in the generatrix direction becomes strong, and the occurrence of decentered astigmatism increases. If the value exceeds the upper limit of the expression (c), the condition of total reflection in the generatrix direction is involved. If the value exceeds this value, it becomes difficult to satisfy the condition of total reflection. Equation (d) relates to the power of the concave mirror in the generatrix direction. If the power exceeds the upper limit, the power becomes weaker, so that the overall length tends to extend in the generatrix direction and increase in size.
【0030】以上の説明は全反射面(あるいは透過面)
1、そして凹面ミラー2を曲率を中心にして説明した
が、本実施例では凹面ミラー2は、眼球の光軸より母線
方向(y方向)でオリジナル画像側(+)へ平行偏心し
ている(図7)。こうすることにより、母線方向での偏
心ディストーションをも小さく抑えている。The above description is based on the total reflection surface (or transmission surface).
1, the concave mirror 2 has been described centered on the curvature. In this embodiment, the concave mirror 2 is parallel decentered from the optical axis of the eyeball toward the original image (+) in the generatrix direction (y direction) (FIG. 7). By doing so, the eccentric distortion in the generatrix direction is also suppressed to a small level.
【0031】該平行偏心のシフト量(眼球の光軸から、
凹面ミラーの面頂点までの母線方向での距離)をEとす
ると(図7参照) E≧2.5mm を満たすよう平行偏心させることで、偏心ディストーシ
ョンを抑制させることが可能となる。尚、後述する実施
例1では、この偏心量Eの値が5.2mmとなっている
が、他の実施例のようにこの量Eを大きくすることでよ
り良好に収差補正を行うことが可能となりより望ましく
はE≧23mmとするとよい。The shift amount of the parallel eccentricity (from the optical axis of the eyeball,
Assuming that E is the distance in the generatrix direction to the surface vertex of the concave mirror (see FIG. 7), the eccentric distortion can be suppressed by performing parallel eccentricity so as to satisfy E ≧ 2.5 mm. In the first embodiment described later, the value of the eccentricity E is 5.2 mm. However, by increasing the amount E as in the other embodiments, it is possible to perform better aberration correction. It is more preferable that E ≧ 23 mm.
【0032】次に入射面5に着目して説明すると、図7
に示す通り母線方向での表示手段であるオリジナル画像
面と入射面のなす角度βを 5°≦β≦30° を満たすように設定するとよい。下限を下回ると入射平
面とオリジナル画像面が平行に近くなるので、眼球の光
軸と平行な方向でオリジナル画像が厚くなり好ましくな
い。逆に上限を越えるとオリジナル画像が、眼球の光軸
と平行な方向に対し垂直となる。Next, focusing on the incident surface 5, FIG.
As shown in the figure, the angle β between the original image plane, which is the display means in the direction of the generatrix, and the incident plane may be set so as to satisfy 5 ° ≦ β ≦ 30 °. When the value is below the lower limit, the plane of incidence and the original image surface become nearly parallel, and the original image becomes thick in a direction parallel to the optical axis of the eyeball, which is not preferable. Conversely, if the upper limit is exceeded, the original image becomes perpendicular to the direction parallel to the optical axis of the eyeball.
【0033】本実施例においては、オリジナル画像を照
明するのに不図示であるが、バックライトまたダイレク
トな自然光照明を使うことを想定している。ここでオリ
ジナル画像が、前述したように該光軸に対し垂直になる
と、ダイレクトな自然光照明を考えた際、どうしても自
然光が効率よく得られにくくなって、反射光学系によっ
て得られる虚像の像が暗くなってしまう。従って本実施
例では自然光の強い昼などは自然光照明として、自然光
のない夜などはバックライト照明と外の明るさを検知し
て、自然光照明及びバックライト照明を選択的に使用し
ている。In the present embodiment, although not shown in the figures for illuminating the original image, it is assumed that a backlight or direct natural light illumination is used. Here, when the original image is perpendicular to the optical axis as described above, when direct natural light illumination is considered, natural light cannot be efficiently obtained by all means, and the image of the virtual image obtained by the reflection optical system becomes dark. turn into. Therefore, in the present embodiment, natural light illumination is used in daytime when natural light is strong, and backlight illumination and outside brightness are detected in nighttime when there is no natural light, and natural light illumination and backlight illumination are selectively used.
【0034】ところで、オリジナル画像が形成される表
示手段4には液晶表示素子(LCD)を使用することに
より装置全体の小型を図っているが、この時オリジナル
画像の画像中心の光軸とオリジナル画像を射出する射出
光の主光線(眼球を絞りとした時の絞り中心光束)のな
す角度をγ(図7参照)は |γ|≦10° を満たすとよい。これはオリジナル画像面を液晶デバイ
スを使用する時に必要な条件である。一般的に液晶は見
える視野角度が狭いため液晶に斜めに入射し、射出する
ような光は消滅してしまう。そこで液晶面に対し光をで
きるだけ垂直に入射、射出させなければ明るい虚像は得
られない。そこでこの条件式を満たすことで十分な明る
い像が観察されるようになる。By using a liquid crystal display device (LCD) as the display means 4 on which the original image is formed, the entire apparatus is reduced in size. Γ (see FIG. 7) preferably satisfies | γ | ≦ 10 °. This is a necessary condition when using the liquid crystal device for the original image surface. In general, the viewing angle of a liquid crystal is narrow, so that light obliquely incident on the liquid crystal and being emitted disappears. Therefore, a bright virtual image cannot be obtained unless light is made to enter and exit the liquid crystal surface as perpendicularly as possible. Therefore, by satisfying this conditional expression, a sufficiently bright image can be observed.
【0035】さて、図2、図3、図4、図5は各々以下
に示す数値実施例1、2、3、4の光学断面図を示して
いる。図2では凹面ミラーと全反射面ともにトーリック
非球面を使用している。図3は凹面ミラー、全反射面、
光入射面全てにアナモフィック非球面を使用している。
図4、図5でも全ての面にアナモフィック非球面を使用
している。FIGS. 2, 3, 4, and 5 show optical sectional views of Numerical Examples 1, 2, 3, and 4, respectively. In FIG. 2, a toric aspherical surface is used for both the concave mirror and the total reflection surface. FIG. 3 shows a concave mirror, a total reflection surface,
Anamorphic aspherical surfaces are used for all light incident surfaces.
4 and 5, anamorphic aspherical surfaces are used for all surfaces.
【0036】尚、図3〜図5に対応する数値実施例2〜
4ではより良好な収差補正を達成するために入射面5に
も曲率を持たせている。Numerical examples 2 to 2 corresponding to FIGS.
In No. 4, the entrance surface 5 is also given a curvature in order to achieve better aberration correction.
【0037】又、本実施例において光学部材として全て
アクリルを使用しているが、ガラス材を用いてよいこと
は言うまでもない。In this embodiment, acrylic is used as the optical member, but it is needless to say that glass may be used.
【0038】次に本発明実施例の数値を以下に示す。尚
TALはトーリック非球面、AALはアナモフィック非
球面を示す。Next, numerical values of the embodiment of the present invention are shown below. TAL indicates a toric aspherical surface, and AAL indicates an anamorphic aspherical surface.
【0039】TALの定義式は、The definition expression of TAL is:
【0040】[0040]
【外1】 AALの定義式は、[Outside 1] The definition formula of AAL is
【0041】[0041]
【外2】 である。[Outside 2] It is.
【0042】各Ai、Bi…は各々非球面係数である。Each of A i , B i ... Is an aspheric coefficient.
【0043】尚、以下に示す実施例では、少なくとも全
反射面にアジムス角度によって屈折力が異なる面を採用
したが、この面を回転対称型球面あるいは非球面で構成
することも可能である。In the embodiment described below, at least a surface having a different refractive power depending on the azimuth angle is adopted as the total reflection surface. However, this surface may be constituted by a rotationally symmetric spherical surface or an aspherical surface.
【0044】[0044]
【外3】 [Outside 3]
【0045】[0045]
【外4】 [Outside 4]
【0046】[0046]
【外5】 [Outside 5]
【0047】[0047]
【外6】 [Outside 6]
【0048】[0048]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水平画角±16.8°、垂直画角±11.4°と広視野
画角(高拡大倍率)で、眼球の光軸と平行な方向で約1
0mm〜15mmと極端に薄いメガネ型ディスプレイを
開発できた。しかも明るく良好な光学性能を得ることが
できる。また凹面ミラーを半透過面とすることで風景を
歪ませることなく、この風景に対して明るいオリジナル
画像の虚像をスーパーインポーズすることが可能とな
る。As described above, according to the present invention,
Horizontal viewing angle ± 16.8 °, vertical viewing angle ± 11.4 °, wide viewing angle (high magnification), approx. 1 in the direction parallel to the optical axis of the eyeball
An extremely thin glasses-type display of 0 mm to 15 mm has been developed. In addition, bright and good optical performance can be obtained. Further, by making the concave mirror a semi-transmissive surface, a virtual image of a bright original image can be superimposed on the landscape without distorting the landscape.
【0049】また本発明広視野画角に設定したが、もう
すこし狭視野画角に設定して、本発明を使用すれば厚さ
はもっと薄くすることが可能となる。というのは本発明
の厚さは、画角の広さにより決まってくるものであるか
らである。Although the field of view of the present invention is set to be wide, the field of view is set to be slightly narrower, and if the present invention is used, the thickness can be further reduced. This is because the thickness of the present invention is determined by the width of the angle of view.
【図1】本発明に関する観察光学系における光路を示す
図。FIG. 1 is a diagram showing an optical path in an observation optical system according to the present invention.
【図2】本発明に関する数値実施例1の観察光学系にお
ける断面及び光路を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a cross section and an optical path in an observation optical system of Numerical Example 1 according to the present invention.
【図3】本発明に関する数値実施例2の観察光学系にお
ける断面及び光路を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a cross section and an optical path in an observation optical system according to Numerical Example 2 relating to the present invention.
【図4】本発明に関する数値実施例3の観察光学系にお
ける断面及び光路を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a cross section and an optical path in an observation optical system according to Numerical Example 3 of the present invention.
【図5】本発明に関する数値実施例4の観察光学系にお
ける断面及び光路を示す図。FIG. 5 is a diagram illustrating a cross section and an optical path in an observation optical system according to Numerical Example 4 of the present invention.
【図6】本発明に関する観察光学系の基礎となる光学断
面図。FIG. 6 is an optical sectional view serving as a basis of an observation optical system according to the present invention.
【図7】本発明に関する観察光学系の基礎となる光学断
面図。FIG. 7 is an optical sectional view serving as a basis of an observation optical system according to the present invention.
1 全反射面(あるいは透過面) 2 凹面ミラー 5 入射面 4 オリジナル画像を形成する表示手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Total reflection surface (or transmission surface) 2 Concave mirror 5 Incident surface 4 Display means for forming an original image
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 27/02 H04N 5/64 511 EPAT(QUESTEL)Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02B 27/02 H04N 5/64 511 EPAT (QUESTEL)
Claims (13)
学系において、光路中、光を全反射する第1の曲面と、
該第1の曲面で全反射される光を反射する第2の曲面を
備え、前記第1の曲面を透過する光路を有することを特
徴とする観察光学系。In an observation optical system for guiding light of an original image to an eyeball, a first curved surface which totally reflects light in an optical path;
An observation optical system, comprising: a second curved surface that reflects light totally reflected by the first curved surface; and an optical path that transmits the first curved surface.
光学的パワーを有することを特徴とする請求項1の観察
光学系。2. The observation optical system according to claim 1, wherein the first curved surface has a negative optical power in a sagittal section.
光学的パワーを有し、かつ前記第2の曲面は光を反射す
る凹面ミラー面である請求項1の観察光学系。3. The first curved surface has a negative optical power in a sagittal section, and the second curved surface reflects light .
2. The observation optical system according to claim 1, wherein the observation optical system is a concave mirror surface.
での焦点距離がほとんど一定である請求項1の観察光学
系。4. The observation optical system according to claim 1, wherein when viewed as a whole system, the paraxial focal length in each direction is almost constant.
学的パワーが異なる曲面であることを特徴とする請求項
1の観察光学系。5. The observation optical system according to claim 1, wherein the first curved surface has a different optical power depending on an azimuth angle.
学的パワーが異なることを特徴とする請求項1の観察光
学系。6. The observation optical system according to claim 1, wherein the second curved surface has different optical power depending on the azimuth angle.
アジムス角度により光学的パワーが異なることを特徴と
する請求項1の観察光学系。7. The observation optical system according to claim 1, wherein the first curved surface and the second curved surface have different optical powers depending on the azimuth angle.
ズム内の面として形成される請求項1の観察光学系。8. The observation optical system according to claim 1, wherein the first curved surface and the second curved surface are formed as surfaces in a prism.
を特徴とする請求項1の観察光学系。9. The observation optical system according to claim 1, wherein the first curved surface is immediately before an eyeball.
の目の光軸と垂直な線に対する角度をαとするとき|α
|≦20°なる式を満足することを特徴とする請求項1
の観察光学系。10. When an angle of a tangent at a surface vertex of the first curved surface with respect to a line perpendicular to an optical axis of an eye is α, | α
The expression | ≦ 20 ° is satisfied.
Observation optical system.
5mmである請求項1の観察光学系。11. The observation optical system has a thickness of 10 mm to 1 mm.
The observation optical system according to claim 1, which is 5 mm.
射面である請求項1の観察光学系。12. The observation optical system according to claim 1, wherein the second curved surface is a light incident surface of an outside scene.
項1の観察光学系。13. The observation optical system according to claim 1, wherein the observation optical system is of a glasses type.
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