JP3245472B2 - Head mounted display - Google Patents

Head mounted display

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JP3245472B2
JP3245472B2 JP03521193A JP3521193A JP3245472B2 JP 3245472 B2 JP3245472 B2 JP 3245472B2 JP 03521193 A JP03521193 A JP 03521193A JP 3521193 A JP3521193 A JP 3521193A JP 3245472 B2 JP3245472 B2 JP 3245472B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、頭部装着式表示装置に
関し、特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持すること
が可能なポータブル型の頭部装着式表示装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a head-mounted display device, and more particularly to a portable head-mounted display device which can be held on a user's head or face.

【0002】[0002]

【従来の技術】バーチャルリアリティー用あるいは個人
的に大画面の画像を楽しむことを目的として、ヘルメッ
ト型、ゴーグル型の頭部もしくは顔面に保持する頭部装
着式表示装置が開発されている。
2. Description of the Related Art Helmet-type or goggle-type head-mounted display devices for holding on a head or face have been developed for the purpose of enjoying a large screen image for virtual reality or personally.

【0003】例えば、特開平3−191389号に示さ
れているように、図25の断面図において、情報の内容
を表示する2次元表示素子1と、その表示内容を眼球に
拡大投影するために表示素子と対向して設けられた拡大
反射鏡2と、両者の間に配置された半透鏡3とを備える
ことにより、小型の表示装置で大画面の画像が得られる
ものがある。さらに、上記半透鏡3に外界像をも透過す
る作用を持たせれば、図に破線で示したように外界の光
も眼球に達し、表示素子1上の画像と外界像を同時に重
ね合わせて見ることができる。
For example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-191389, a two-dimensional display element 1 for displaying information contents and a method for enlarging and projecting the display contents on an eyeball in a sectional view of FIG. In some cases, a large-sized image can be obtained with a small display device by including the magnifying reflecting mirror 2 provided to face the display element and the semi-transmissive mirror 3 disposed between the two. Further, if the semi-transparent mirror 3 has the function of transmitting an external image, the external light reaches the eyeball as shown by the broken line in the figure, and the image on the display device 1 and the external image are simultaneously superimposed. be able to.

【0004】拡大反射鏡2を半透鏡とし、図26に示す
ように、これを眼球に対向して配置しても、上述した場
合と同様の効果が得られる。
[0004] Even if the magnifying reflector 2 is a semi-transmissive mirror and is arranged so as to face the eyeball as shown in FIG. 26, the same effect as that described above can be obtained.

【0005】また、米国特許4,269,476号に示
されているように、表示素子上の表示内容をリレー光学
系により一度中間像として結像し、その中間像を拡大反
射鏡により眼球に拡大投影するものも知られている。
Further, as shown in US Pat. No. 4,269,476, display contents on a display element are once formed as an intermediate image by a relay optical system, and the intermediate image is formed on an eyeball by a magnifying reflector. There is also known an enlarged projection.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記特開平3−191
389号の光学系は、図25及び図26に示したよう
に、拡大反射鏡を2次元表示素子側に反射面を向けた表
面反射鏡とし、全体として2次元表示素子と表面反射鏡
と半透鏡の3部品で構成したコンパクトな接眼光学系で
あるが、像面の平坦性を示すペッツバール和PS: PS=Σ(1/nf) は、表面反射鏡では、n=−1、f>0であるので、全
体としてこの構成をとる限りは、必然的に、PS<0と
なる。ある大きさの2次元表示素子を用いて大画面を得
ようとして画角を大きくとると、fは小さくなるので、
PSは負の大きな値となる。したがって、従来の装置の
光学系は、像面の平坦性が著しく損なわれているという
問題がある。像面の平坦性が悪いと、観察画像中心部と
周辺部で観察者に提示される空中拡大像の光軸方向の位
置が大きく異なり、眼の調節作用を大きく働かせる必要
が生じ、観察者の眼の疲労が激しく、表示装置としてふ
さわしくない。また、眼の調節作用の限界である近点を
越えてより近くに投影してしまうと、観察できなくなっ
てしまう。
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 3-191 is disclosed.
In the optical system of No. 389, as shown in FIGS. 25 and 26, the magnifying reflecting mirror is a surface reflecting mirror whose reflecting surface is directed to the two-dimensional display element side. Although it is a compact eyepiece optical system composed of three parts of a transmissive mirror, the Petzval sum PS: PS = 面 (1 / nf) indicating the flatness of the image plane is n = −1, f> 0 for the surface reflecting mirror. Therefore, as long as this configuration is adopted, PS <0 is inevitable. If the angle of view is increased to obtain a large screen using a two-dimensional display element of a certain size, f becomes small.
PS takes a large negative value. Therefore, the optical system of the conventional device has a problem that the flatness of the image plane is significantly impaired. If the flatness of the image plane is poor, the position in the optical axis direction of the enlarged aerial image presented to the observer in the central part and the peripheral part of the observed image is greatly different, and it becomes necessary to exert a great effect on the accommodation of the eyes. Eye fatigue is severe and not suitable as a display device. In addition, if the image is projected closer than the near point, which is the limit of the accommodation function of the eye, observation becomes impossible.

【0007】一例として、表面反射鏡の曲率半径r=5
4.3mm、すなわち、焦点距離f=27.15mm、
画角30°で、図25に示した構成をとった場合の球面
収差、非点収差、歪曲収差及びコマ収差を示す収差図を
図27に示した。ここでの像面の湾曲量は、観察像の中
心部と周辺部での差が約1ディオプターに相当し、眼の
調節量は著しく大きい。この場合、PS=1/(−1)
×27.15=−0.037となる。
As an example, the radius of curvature of the surface reflector r = 5
4.3 mm, ie focal length f = 27.15 mm,
FIG. 27 is an aberration diagram showing spherical aberration, astigmatism, distortion, and coma aberration when the configuration shown in FIG. 25 is adopted at an angle of view of 30 °. Here, the amount of curvature of the image plane corresponds to a difference of about 1 diopter between the center and the periphery of the observed image, and the amount of accommodation of the eye is extremely large. In this case, PS = 1 / (-1)
× 27.15 = −0.037.

【0008】これに対して、米国特許4,269,47
6号の光学系は、こうした像面の湾曲を補正するため
に、リレー光学系を用いて一度湾曲した中間像を結像
し、その中間像を物点として表面反射鏡もしくは裏面反
射鏡により眼球に平坦性の良い像を投影している。しか
し、リレー光学系を用いているため、接眼光学系の全長
が長く、大型であるという問題がある。頭部装着式の表
示装置としては、小型であることが、快適な装着感を達
成するために重要であることは当然である。
On the other hand, US Pat.
In order to correct such curvature of the image plane, the optical system of No. 6 forms an intermediate image that has been curved once using a relay optical system, and uses the intermediate image as an object point by means of a front reflecting mirror or a back reflecting mirror. An image with good flatness is projected on the surface. However, since the relay optical system is used, there is a problem that the total length of the eyepiece optical system is long and large. As a head-mounted display device, it is natural that the small size is important for achieving a comfortable wearing feeling.

【0009】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、リレー光学系を
用いずに、コンパクトでありながら、像面の平坦性が良
い、言い換えれば、全体のペッツバール和の小さい接眼
光学系を用いた頭部装着式表示装置を提供することであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and has as its object the purpose of using a relay optical system, being compact, and having good flatness of an image plane. Another object of the present invention is to provide a head mounted display device using an eyepiece optical system having a small Petzval sum.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の頭部装着式表示装置は、情報内容を表示する表示素
子と、その表示内容を光路中で結像することなしに眼球
に虚像として拡大投影する接眼光学系と、前記接眼光学
系を眼球直前に支持する支持手段とを備えた頭部装着式
表示装置において、前記表示素子は、平坦性の良い像面
を形成するように構成され、前記接眼光学系が、透過作
用と反射作用とを兼用する透過反射兼用面と、裏面反射
鏡と、前記表示素子と前記透過反射兼用面との間若しく
は顔面と干渉しない間隔を保ちながら眼球と前記透過反
射兼用面との間に配置されたレンズ系とを含んで構成さ
れ、前記接眼光学系は、前記裏面反射鏡と前記透過反射
兼用面との間の光路が、前記透過反射兼用面から前記裏
面反射鏡に向かった光束が前記裏面反射鏡にて反射され
た後前記透過反射兼用面に向かうような折り返し光路を
形成するように構成され、前記レンズ系が、正のペッツ
バール値を発生する少なくとも1枚の正の屈折力を有す
るレンズ、又は、負のペッツバール値を発生する少なく
とも1枚の負の屈折力を有するレンズを含んで構成さ
れ、下記の条件(3)を満足するように構成されたこと
を特徴とするものである。 |Fφ3 /n3 2 |<1 ・・・・(3) ただし、φ3 は前記裏面反射鏡の反射面の屈折力であ
り、n3 は前記裏面反射鏡を構成するレンズ硝材のd線
の屈折率であり、Fは前記接眼光学系全体の焦点距離で
ある。
According to the present invention, there is provided a head-mounted display device, comprising: a display element for displaying information content; and a virtual image formed on an eyeball without forming the display content in an optical path. In a head mounted display device comprising an eyepiece optical system for enlarging and projecting the eyepiece and support means for supporting the eyepiece optical system immediately before an eyeball, the display element is configured to form an image plane with good flatness. Wherein the eyepiece optical system is configured such that a transmissive / reflective surface that combines a transmissive action and a reflective action, a back reflector, and an eyeball while maintaining an interval between the display element and the transmissive / reflective face or without interfering with the face. And a lens system arranged between the transmission / reflection / combination surface and the eyepiece optical system, wherein the optical path between the back reflection mirror and the transmission / reflection / combination surface is the transmission / reflection / combination surface. To the back reflector The lens system is configured to form a folded optical path such that the light flux is reflected by the back reflector and then travels toward the transmission / reflection surface, and the lens system generates at least one positive refraction that generates a positive Petzval value. A lens having a power or at least one lens having a negative refractive power that generates a negative Petzval value, and is configured to satisfy the following condition (3). Things. | Fφ 3 / n 3 2 | <1 (3) where φ 3 is the refracting power of the reflecting surface of the back reflector, and n 3 is the d-line of the lens glass material constituting the back reflector. And F is the focal length of the entire eyepiece optical system.

【0011】この場合に、裏面反射鏡の曲率半径をR、
接眼光学系全体の焦点距離をFとするときに、以下の条
件(4)を満足することが望ましい。 2<R/F<8 ・・・・(4)
In this case, the radius of curvature of the back reflector is R,
When the focal length of the entire eyepiece optical system is F, it is desirable that the following condition (4) is satisfied. 2 <R / F <8 (4)

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【作用】以下、本発明において上記の構成をとる理由と
作用について述べる。一般的に、光学系の像面の平坦性
を改善するには、全体のペッツバール和を小さくすれば
よく、正負のレンズをバランス良く配置すればよい。し
かし、そうすると、光学系の全長は一般的に長くなり、
本発明のような頭部装着式表示装置の場合は、接眼光学
系が顔面の前で大型となり、重量が増したり、前方に長
く突出することとなり、重量バランスが顔面前方に偏っ
たりしてしまい、頭部装着式の装置としてふさわしくな
い。
The reason and the operation of the above-mentioned configuration in the present invention will be described below. In general, in order to improve the flatness of the image plane of the optical system, the Petzval sum of the whole may be reduced, and the positive and negative lenses may be arranged in a well-balanced manner. But then the overall length of the optics is generally longer,
In the case of a head-mounted display device such as the present invention, the eyepiece optical system becomes large in front of the face, increases the weight, or protrudes long forward, and the weight balance is biased toward the front of the face. Not suitable as a head-mounted device.

【0015】本発明による頭部装着式表示装置の接眼光
学系は、コンパクトでありながら光学系全体のペッツバ
ール和を小さくすることに成功したものである。
The eyepiece optical system of the head mounted display according to the present invention has succeeded in reducing Petzval sum of the entire optical system while being compact.

【0016】まず、眼球に虚像を拡大投影するための反
射鏡によって必然的に発生する負のペッツバール値を小
さくすることを考える。そのためには、正のペッツバー
ル値を発生する面又は光学素子を光路中に追加して、反
射鏡の負のペッツバール値と相殺させると同時に、反射
鏡のパワーを小さくし、負のペッツバール値そのものを
小さくすればよい。反射鏡は、言い換えれば、正レンズ
と同様の正のパワーを持つので、ここで追加した正レン
ズと正のパワーを分担し合うことにより、反射鏡自身の
パワーは小さくなり、焦点距離は大きくなって、負のペ
ッツバール値が小さくなるのである。
First, it is considered to reduce the negative Petzval value necessarily generated by a reflector for enlarging and projecting a virtual image on an eyeball. To do so, a surface or optical element that generates a positive Petzval value is added to the optical path to offset the negative Petzval value of the reflector, and at the same time, reduce the power of the reflector and reduce the negative Petzval value itself. What is necessary is just to make it small. In other words, since the reflecting mirror has the same positive power as the positive lens, by sharing the positive power with the positive lens added here, the power of the reflecting mirror itself decreases and the focal length increases. Therefore, the negative Petzval value becomes smaller.

【0017】そこで、本発明の第1の接眼光学系は、表
面反射鏡と少なくとも1枚の正の屈折力を有するレンズ
系で構成して、パワーを分散させ、表面鏡の負のペッツ
バール値と正の屈折力を有するレンズ系の正のペッツバ
ール値とをうまく相殺させて、全系のペッツバール和を
小さくしたものである。一般的に、パワーを分散させる
ことは、光学系の収差補正にはよく使われる手段である
が、本発明の接眼光学系においては、表面反射鏡のパワ
ーをφ1 、追加する正の屈折力を有するレンズ系のパワ
ーをφ2 、そのレンズの硝材のd線の屈折率をn2 とし
たとき、 0.5<|n2 φ1 /φ2 |<4 ・・・・(1) を満足することがさらに好ましい。この条件式(1)
は、正負のペッツバール値の比を制限するものであり、
|n2 φ1 /φ2 |が0.5以下であると、追加する正
の屈折力を有するレンズ系で発生する正のペッツバール
値が過大であり、また、これが4以上であると、表面反
射鏡で発生する負のペッツバール値が過大であり、どち
らの場合も全系のペッツバール和を小さくできない。な
お、特に、 1<|n2 φ1 /φ2 |<3 ・・・・(1)’ を満足することが、ペッツバール和を小さくする上で一
層好ましく、画像周辺まで解像力の良い観察像を観察者
に提供することができる。
Therefore, the first eyepiece optical system of the present invention comprises a surface reflecting mirror and at least one lens system having a positive refractive power, disperses the power, and reduces the negative Petzval value of the surface mirror. The positive Petzval value of the lens system having a positive refractive power is successfully canceled to reduce the Petzval sum of the entire system. Generally, dispersing the power is a commonly used means for correcting the aberration of the optical system. However, in the eyepiece optical system of the present invention, the power of the surface reflecting mirror is φ 1 , and the positive refractive power to be added is Assuming that the power of the lens system having the following formula is φ 2 and the refractive index of the d-line of the glass material of the lens is n 2 , 0.5 <| n 2 φ 1 / φ 2 | <4 (1) It is more preferable to satisfy. This conditional expression (1)
Limits the ratio of positive and negative Petzval values,
When | n 2 φ 1 / φ 2 | is 0.5 or less, the positive Petzval value generated in the lens system having an additional positive refractive power is excessively large. When | n 2 φ 1 / φ 2 | The negative Petzval value generated by the reflector is excessive, and in both cases, the Petzval sum of the entire system cannot be reduced. In particular, it is more preferable to satisfy 1 <| n 2 φ 1 / φ 2 | <3 (1) ′ in order to reduce the Petzval sum, and to obtain an observation image having good resolution up to the periphery of the image. Can be provided to the observer.

【0018】半透過面を有する光学素子は、表示素子の
光軸を眼球の光軸まで90°だけ偏向させる本発明のレ
イアウト上必要なものである。したがって、少なくとも
1枚の正の屈折力を持つレンズ系は、表示素子と半透過
面を有する光学素子の間、もしくは、顔面と干渉しない
間隔を保ちながら眼球と半透過面を有する光学素子の間
に追加する必要がある。
An optical element having a semi-transmissive surface is necessary in the layout of the present invention for deflecting the optical axis of the display element by 90 ° to the optical axis of the eyeball. Therefore, at least one lens system having a positive refractive power is provided between the display element and the optical element having a semi-transmissive surface, or between the eyeball and the optical element having a semi-transmissive surface while maintaining an interval that does not interfere with the face. Need to be added to

【0019】さらに好ましくは、表面反射鏡の曲率半径
をR、接眼光学系全体の焦点距離をFとしたとき、 2<R/F<3 ・・・・(2) を満足することが望ましい。上記のR/Fが2以下であ
ると、追加する正の屈折力を有するレンズ系の屈折力が
弱くなり、反射鏡で発生する内方性コマ収差が大きくな
る。逆に、これが3以上であると、追加する正の屈折力
を有するレンズ系の屈折力が強くなり、このレンズ系で
発生する外方性コマ収差が大きくなる。このコマ収差
は、本発明の接眼光学系のように構成要素の少ない光学
系では、他で補正することは難しくなり、軸外の結像性
能を著しく乱すことになる。
More preferably, when the radius of curvature of the surface reflecting mirror is R and the focal length of the entire eyepiece optical system is F, it is desirable to satisfy 2 <R / F <3 (2). When the above R / F is 2 or less, the refractive power of the added lens system having a positive refractive power becomes weak, and the inward coma generated by the reflecting mirror increases. On the other hand, if the number is 3 or more, the refractive power of the lens system having the additional positive refractive power increases, and the external coma generated by this lens system increases. In an optical system having a small number of components such as the eyepiece optical system of the present invention, it is difficult to correct this coma aberration in other components, and the off-axis imaging performance is significantly disturbed.

【0020】本発明の第2の接眼光学系は、少なくとも
半透過面を有する光学素子と裏面反射鏡で構成し、前記
PS=Σ(1/nf)の式において、裏面鏡の反射面
で、n=−(裏面鏡材質の屈折率)<−1、f>0とす
ることにより、反射面での負のペッツバール値を表面反
射鏡(n=−1)場合に比べて小さくし、全系のペッツ
バール和を小さくしたものである。さらに、本発明の接
眼光学系においては、裏面鏡の反射面のパワーをφ3
裏面鏡を構成するレンズの硝材のd線の屈折率をn3
接眼光学系全系の焦点距離をFとするとき、 |Fφ3 /n3 2 |<1 ・・・・(3) を満足することがさらに好ましい。この条件式(3)
は、正負のペッツバール値の比を制限するものであり、
|Fφ3 /n3 2 |が1以上であると、裏面鏡の反射面
で発生する負のペッツバール値が大きすぎて、上記構成
のコンパクトな光学系では、全系のペッツバール和を小
さくできずに、発生する像面湾曲が大きくなり、観察者
に負担をかけたり、明瞭な観察像を提供することはでき
なくなったりする。
A second eyepiece optical system according to the present invention comprises an optical element having at least a semi-transmissive surface and a rear-surface reflecting mirror. In the formula of PS = Σ (1 / nf), the reflecting surface of the rear-surface mirror is: By setting n = − (refractive index of the material of the back mirror) <− 1, f> 0, the negative Petzval value on the reflecting surface is reduced as compared with the case of the front reflecting mirror (n = −1). The Petzval sum is reduced. Further, in the eyepiece optical system of the present invention, the power of the reflecting surface of the back mirror is φ 3 ,
The refractive index of the d-line of the glass material of the lens constituting the back mirror is n 3 ,
When the focal length of the whole eyepiece optical system with F, | Fφ 3 / n 3 2 | < it is more preferable to satisfy 1 ... (3). This conditional expression (3)
Limits the ratio of positive and negative Petzval values,
If | Fφ 3 / n 3 2 | is 1 or more, the negative Petzval value generated on the reflection surface of the back mirror is too large, and the Petzval sum of the entire system cannot be reduced in the compact optical system having the above configuration. In addition, the generated curvature of field becomes large, which places a burden on the observer and makes it impossible to provide a clear observation image.

【0021】なお、特に、 |Fφ3 /n3 2 |<0.6 ・・・・(3)’ を満足することが、ペッツバール和を小さくする上で一
層好ましく、画像周辺まで解像力の良い観察像を観察者
に提供することができる。
In particular, it is more preferable to satisfy | Fφ 3 / n 3 2 | <0.6 (3) ′ in order to reduce the Petzval sum, and to observe the image with good resolution up to the periphery of the image. An image can be provided to the observer.

【0022】半透過面を有する光学素子は、表示素子の
光軸を眼球の光軸まで90°だけ偏向させる本発明のレ
イアウト上必要なものである。
An optical element having a semi-transmissive surface is necessary in the layout of the present invention for deflecting the optical axis of the display element by 90 ° to the optical axis of the eyeball.

【0023】また、さらに好ましくは、裏面鏡のパワー
によっては、正のペッツバール値を発生する少なくとも
1枚の正の屈折力を有するレンズ系、又は、負のペッツ
バール値を発生する少なくとも1枚の負の屈折力を有す
るレンズ系を、表示素子と半透過面を有する光学素子の
間、もしくは、顔面と干渉しない間隔を保ちながら眼球
と半透過面を有する光学素子の間に追加するのが、全体
のペッツバール和を一層小さくする上で好ましい。
More preferably, depending on the power of the back mirror, at least one lens system having a positive refractive power that generates a positive Petzval value, or at least one negative lens that generates a negative Petzval value. The addition of a lens system having a refractive power between the display element and the optical element having a semi-transmissive surface, or between the eyeball and the optical element having a semi-transmissive surface while maintaining an interval that does not interfere with the face, Is preferable in further reducing the Petzval sum.

【0024】さらに好ましくは、裏面鏡の曲率半径を
R、接眼光学系全体の焦点距離をFとしたとき、 2<R/F<8 ・・・・(4) を満足することが望ましい。上記のR/Fが2以下であ
ると、全体の焦点距離を保って一定の観察画角を保とう
とすると、追加するレンズ系の屈折力が弱くなり、反射
鏡で発生する内方性コマ収差が大きくなる。また、これ
が8以上であると、逆に、裏面鏡を構成するレンズの反
射面でない方の面、又は、追加する正の屈折力を有する
レンズ系の屈折力が強くなり、このパワーの強くなった
屈折面へ入射する軸外光線の上側マージナル光線と下側
マージナル光線の面への入射角が極端に異なってしま
い、外方性コマ収差が発生する。どちらの場合も、他の
レンズ系で補正することは不可能なので、軸外の結像性
能が悪化し、視野周辺まで明瞭な観察像を得ることがで
きなくなってしまう。
More preferably, when the radius of curvature of the back mirror is R and the focal length of the entire eyepiece optical system is F, it is desirable to satisfy 2 <R / F <8 (4). When the above R / F is 2 or less, if an attempt is made to maintain the entire focal length and maintain a constant observation angle of view, the refracting power of the added lens system becomes weak, and the intrinsic coma generated by the reflecting mirror is reduced. Becomes larger. On the other hand, if it is 8 or more, on the other hand, the refractive power of the non-reflective surface of the lens constituting the back mirror or the lens system having an additional positive refractive power becomes strong, and this power becomes strong. The angle of incidence of the upper marginal ray and the lower marginal ray of the off-axis ray incident on the refracted surface becomes extremely different from each other, and an outward coma aberration occurs. In either case, since it is impossible to perform correction with another lens system, off-axis imaging performance is deteriorated, and a clear observation image cannot be obtained up to the periphery of the visual field.

【0025】[0025]

【実施例】以下、図面を参照にして、本発明の頭部装着
式表示装置の実施例1〜12について説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments 1 to 12 of a head mounted display according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0026】以下の実施例は、全て、2次元表示素子の
長辺長が14.55mm(対角長18.36mm)であ
り、それに対応した観察画角が30°の例であり、この
数値に限らず、全体の構成を係数倍することによって2
次元表示素子の大きさに対応できることは、明らかであ
る。
The following examples are all examples in which the long side length of the two-dimensional display element is 14.55 mm (diagonal length 18.36 mm) and the observation field angle corresponding thereto is 30 °. Not only by multiplying the overall configuration by a factor
Obviously, it can correspond to the size of the three-dimensional display element.

【0027】また、半透過面を有する光学素子としてキ
ューブビームスプリッタープリズムを用いた例を全て示
したが、これに限らずハーフミラー等を用いて容易に構
成することができる。
Although all the examples using the cube beam splitter prism as the optical element having the semi-transmissive surface have been described, the present invention is not limited to this, and the optical element can be easily formed using a half mirror or the like.

【0028】実施例1〜12の断面図を図1〜図12に
示すが、各断面図は2次元表示素子の短辺方向の断面図
である。
FIGS. 1 to 12 show sectional views of Examples 1 to 12, each of which is a sectional view in the short side direction of a two-dimensional display element.

【0029】また、各実施例のレンズデータは後記する
が、各データは観察者眼球から2次元表示素子への逆追
跡データであり、実際の使用に際しては、像面に2次元
表示素子を配置する。
Although the lens data of each embodiment will be described later, each data is reverse tracking data from the observer's eyeball to the two-dimensional display element. In actual use, the two-dimensional display element is arranged on the image plane. I do.

【0030】以下、実施例1から4までは、第1の本発
明の実施例である。すなわち、図1、図2の実施例1、
2は、何れも凹面表面反射鏡を使用した例であり、正の
ペッツバール値を発生させる両凸の正レンズを瞳孔位置
と半透鏡の間に配置することにより、全体のペッツバー
ル和を小さくし、平坦性の良い像面を得ている。図1
3、図14に、それぞれの実施例の球面収差、非点収
差、歪曲収差及びコマ収差を示す収差図を示す。収差図
中、球面収差は瞳孔比Rで、また、非点収差、歪曲収差
及びコマ収差は画角ωで表してある。
Hereinafter, Embodiments 1 to 4 are the first embodiment of the present invention. That is, the first embodiment of FIGS.
2 is an example using a concave surface reflecting mirror, all by placing a biconvex positive lens that generates a positive Petzval value between the pupil position and the semi-transparent mirror, to reduce the total Petzval sum, An image plane with good flatness is obtained. FIG.
3 and FIG. 14 are aberration diagrams showing the spherical aberration, astigmatism, distortion, and coma of each embodiment. In the aberration diagrams, spherical aberration is represented by a pupil ratio R, and astigmatism, distortion, and coma are represented by an angle of view ω.

【0031】また、図3、図4の実施例3、4は、何れ
も凹面表面反射鏡を使用した例であり、この場合は、正
のペッツバール値を発生させる両凸の正レンズを半透鏡
と2次元表示素子の間に配置することにより、全体のペ
ッツバール和を小さくし、平坦性の良い像面を得てい
る。図15、図16に、それぞれの実施例の図13と同
様な収差図を示す。
The embodiments 3 and 4 shown in FIGS. 3 and 4 are examples in which a concave surface reflecting mirror is used. In this case, a biconvex positive lens which generates a positive Petzval value is a semi-transparent mirror. And the two-dimensional display element, the Petzval sum of the whole is reduced, and an image plane with good flatness is obtained. FIGS. 15 and 16 show aberration diagrams similar to FIG. 13 of each embodiment.

【0032】また、実施例5から12までは、第2の本
発明の実施例である。すなわち、図5の実施例5は、裏
面反射鏡にメニスカスの正レンズを用いた例であり、全
体のペッツバール和は小さいが、両凸の正レンズをさら
に半透鏡と2次元表示素子の間に配置して全体のペッツ
バール和を一層小さくしている。この場合、正レンズを
瞳孔側よりも像面側に配置すると、コマ収差、非点収差
を発生させずに、ペッツバール和を一層小さくできる。
図17にこの実施例の図13と同様な収差図を示す。
The fifth to twelfth embodiments are the second embodiments of the present invention. That is, the fifth embodiment of FIG. 5 is an example in which a meniscus positive lens is used for the back reflection mirror. Although the Petzval sum is small as a whole, a biconvex positive lens is further added between the semi-transparent mirror and the two-dimensional display element. They are arranged to further reduce the overall Petzval sum. In this case, if the positive lens is disposed closer to the image plane than the pupil, the Petzval sum can be further reduced without generating coma and astigmatism.
FIG. 17 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0033】また、図6の実施例6は、裏面反射鏡に平
凸レンズを用いた例であり、この例のように、ビームス
プリッタープリズムと平凸レンズを接合してもよいが、
ビームスプリッタープリズムの1面に反射作用の曲率を
付けることもできるので、部品点数を減らすことができ
る。裏面反射鏡のレンズが平凸レンズのために、反射面
でない平面側で非点収差が発生しない。図18にこの実
施例の図13と同様な収差図を示す。
Embodiment 6 of FIG. 6 is an example in which a plano-convex lens is used for the back reflector, and a beam splitter prism and a plano-convex lens may be joined as in this example.
One surface of the beam splitter prism can be provided with a curvature of the reflection action, so that the number of parts can be reduced. Since the lens of the back reflector is a plano-convex lens, astigmatism does not occur on the plane side other than the reflecting surface. FIG. 18 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0034】図7の実施例7は、裏面反射鏡に平凸レン
ズを用いた例であり、同様に、ビームスプリッタープリ
ズムと平凸レンズを接合してもよいが、ビームスプリッ
タープリズムの1面に反射作用の曲率を付けることもで
きるので、部品点数を減らすことができる。この例で
は、正のペッツバール値を発生させるように、ビームス
プリッタープリズムの瞳位置側に両凸の正レンズをさら
に配置してペッツバール和を一層小さくしている。この
正レンズのパワーを変えたり、光軸方向に移動させたり
することにより、観察者の視度に合わせた視度補正が可
能である。図19にこの実施例の図13と同様な収差図
を示す。
Embodiment 7 of FIG. 7 is an example in which a plano-convex lens is used for the back surface reflecting mirror. Similarly, a beam splitter prism and a plano-convex lens may be joined, but a reflection function is applied to one surface of the beam splitter prism. Can be provided, so that the number of parts can be reduced. In this example, a biconvex positive lens is further arranged on the pupil position side of the beam splitter prism so as to generate a positive Petzval value, thereby further reducing the Petzval sum. By changing the power of the positive lens or moving it in the optical axis direction, diopter correction can be performed in accordance with the diopter of the observer. FIG. 19 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0035】図8の実施例8は、裏面反射鏡に平凸レン
ズを用いた例であり、同様に、ビームスプリッタープリ
ズムと平凸レンズを接合してもよいが、ビームスプリッ
タープリズムの1面に反射作用の曲率を付けることもで
きるので、部品点数を減らすことができる。この例で
は、正のペッツバール値を発生させるように、ビームス
プリッタープリズムの2次元表示素子側にビームスプリ
ッタープリズムに向かって凸面を向けたメニスカス正レ
ンズをさらに配置してペッツバール和を一層小さくして
いる。このようにすると、実施例7に比べて、アイポイ
ントと装置間の距離が稼げる。図20にこの実施例の図
13と同様な収差図を示す。
Embodiment 8 of FIG. 8 is an example in which a plano-convex lens is used for the back surface reflecting mirror. Similarly, a beam splitter prism and a plano-convex lens may be joined, but a reflection function is applied to one surface of the beam splitter prism. Can be provided, so that the number of parts can be reduced. In this example, a meniscus positive lens having a convex surface facing the beam splitter prism is further arranged on the two-dimensional display element side of the beam splitter prism so as to generate a positive Petzval value, thereby further reducing the Petzval sum. . By doing so, the distance between the eye point and the device can be increased as compared with the seventh embodiment. FIG. 20 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0036】図9の実施例9は、裏面反射鏡に両凸レン
ズを用いた例であり、全体のペッツバール和は小さい。
しかし、反射面でない面により非点収差が発生するの
で、ビームスプリッタープリズムに向かって凸面を向け
たメニスカスの負のパワーの小さいレンズを2次元表示
素子近傍に配置して、ペッツバール値を悪化させずに非
点収差を補正している。図21にこの実施例の図13と
同様な収差図を示す。
The ninth embodiment shown in FIG. 9 is an example in which a biconvex lens is used for the back reflecting mirror, and the Petzval sum is small as a whole.
However, since astigmatism occurs due to the non-reflective surface, a lens having a low negative power of the meniscus whose convex surface is directed toward the beam splitter prism is arranged near the two-dimensional display element so as not to deteriorate the Petzval value. Is corrected for astigmatism. FIG. 21 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0037】図10の実施例10は、裏面反射鏡に両凸
レンズを用いた例であり、全体のペッツバール値は小さ
い。しかし、両凸レンズの反射面でない面により非点収
差が発生する。そこで、この面を非球面にすることによ
り非点収差を補正している。この非球面は、光軸から周
辺に向かって曲率半径が大きくなる形状であり、メリジ
オナル像面を像高の高い位置でレンズに近づく方向に倒
す作用をする。図22にこの実施例の図13と同様な収
差図を示す。
The tenth embodiment shown in FIG. 10 is an example in which a biconvex lens is used for the back reflecting mirror, and the Petzval value as a whole is small. However, astigmatism occurs due to the non-reflective surface of the biconvex lens. Therefore, astigmatism is corrected by making this surface an aspheric surface. The aspheric surface has a shape in which the radius of curvature increases from the optical axis toward the periphery, and acts to tilt the meridional image surface in a direction approaching the lens at a position where the image height is high. FIG. 22 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0038】図11の実施例11は、裏面反射鏡に両凸
レンズを用いた例であり、全体のペッツバール値は小さ
い。しかし、両凸レンズの反射面でない面により非点収
差が発生する。そこで、反射面を非球面にすることによ
り非点収差を補正している。この非球面は、光軸から周
辺に向かって曲率半径が大きくなる形状であり、メリジ
オナル像面を像高の高い位置でレンズに近づく方向に倒
す作用をする。図23にこの実施例の図13と同様な収
差図を示す。
The eleventh embodiment shown in FIG. 11 is an example in which a biconvex lens is used for the back reflecting mirror, and the Petzval value as a whole is small. However, astigmatism occurs due to the non-reflective surface of the biconvex lens. Therefore, astigmatism is corrected by making the reflecting surface aspherical. The aspheric surface has a shape in which the radius of curvature increases from the optical axis toward the periphery, and acts to tilt the meridional image surface in a direction approaching the lens at a position where the image height is high. FIG. 23 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0039】図12の実施例12は、画面サイズが1
6:9のいわゆるハイビジョン対応の光学系を想定した
ものであり、裏面反射鏡を使用することによってペッツ
バール和が小さくなっているが、さらに、瞳孔側に凸面
を向けたメニスカス形状の負レンズを瞳孔位置と半透鏡
の間に配置して、全体のペッツバール和を一層小さくす
ると共に、裏面反射鏡を構成する正レンズの屈折率を
1.8以上とすることで、裏面反射鏡の反射面でない面
の曲率を緩くして出来るだけコマ収差、非点収差の発生
を小さくしている。このとき、負レンズは、瞳近傍に配
置して特にコマ収差をさらに補正する。この負レンズの
パワーを変えたり、光軸方向に移動させたりすること
で、観察者の視度に合わせた視度補正が可能である。図
24にこの実施例の図13と同様な収差図を示す。
In the twelfth embodiment shown in FIG.
6: 9 is assumed to be an optical system corresponding to a so-called high-definition television. The Petzval sum is reduced by using a back reflector, and a meniscus-shaped negative lens having a convex surface facing the pupil side is used. By disposing it between the position and the semi-transmissive mirror to further reduce the Petzval sum of the whole, and by setting the refractive index of the positive lens constituting the back reflection mirror to 1.8 or more, the surface which is not the reflection surface of the back reflection mirror And the occurrence of coma and astigmatism are reduced as much as possible. At this time, the negative lens is arranged near the pupil to further correct coma in particular. By changing the power of the negative lens or moving it in the optical axis direction, it is possible to correct diopter according to the diopter of the observer. FIG. 24 shows an aberration diagram similar to FIG. 13 of this embodiment.

【0040】以下に各実施例のレンズデータを示すが、
記号は、上記の外、r1 、r2 …は瞳孔位置及び像面を
含めた各レンズ面の曲率半径、d1 、d2 …は各レンズ
面間の間隔、nd1、nd2…は各レンズのd線の屈折率で
ある。また、非球面形状は、光軸方向をx、光軸に直交
する方向をyとした時、次の式で表される。 x=(y2/r)/[1+{ 1-(1+K) (y2/r2)}1/2 ]+
A44 +A66 +A88 + A1010 ただし、rは近軸曲率半径、Kは円錐係数、A4、A6
A8、A10 は非球面係数である。
The lens data of each embodiment is shown below.
Symbol, outside of the, r 1, r 2 ... curvature radius of each lens surface, including the pupil position and the image plane, d 1, d 2 ... the spacing between the lens surfaces, n d1, n d2 ... is The d-line refractive index of each lens. The aspheric shape is represented by the following equation, where x is the optical axis direction and y is the direction orthogonal to the optical axis. x = (y 2 / r) / [1+ {1- (1 + K) (y 2 / r 2 )} 1/2 ] +
A 4 y 4 + A 6 y 6 + A 8 y 8 + A 10 y 10 where, r is the paraxial radius of curvature, K is a conical coefficient, A 4, A 6,
A 8 and A 10 are aspherical coefficients.

【0041】実施例1 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = 59.176 d2 = 2.000 nd1 =1.5163 r3 = -60.551 d3 = 1.000 r4 = ∞ d4 =24.000 nd2 =1.5163 r5 = ∞ d5 = 2.000 r6 = -73.145 (反射面) d6 = 2.000 r7 = ∞ d7 =24.000 nd3 =1.5163 r8 = ∞ d8 = 0.998 r9 = 像面 (2次元表示素子) |n2 φ1 /φ2 |=2.4 R/F=2.6 PS=-0.016 。Example 1 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = 59.176 d 2 = 2.000 n d1 = 1.5163 r 3 = -60.551 d 3 = 1.000 r 4 = ∞ d 4 = 24.000 n d2 = 1.5163 r 5 = ∞ d 5 = 2.000 r 6 = -73.145 ( reflecting surface) d 6 = 2.000 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d3 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 0.998 r 9 = image plane (two-dimensional Display element) | n 2 φ 1 / φ 2 | = 2.4 R / F = 2.6 PS = −0.016.

【0042】実施例2 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = 70.973 d2 = 2.000 nd1 =1.8829 r3 = -183.579 d3 = 1.000 r4 = ∞ d4 =24.000 nd2 =1.5163 r5 = ∞ d5 = 2.000 r6 = -73.319 (反射面) d6 = 2.000 r7 = ∞ d7 =24.000 nd3 =1.5163 r8 = ∞ d8 = 0.971 r9 = 像面 (2次元表示素子) |n2 φ1 /φ2 |=2.9 R/F=2.6 PS=-0.018 。[0042] Example 2 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = 70.973 d 2 = 2.000 n d1 = 1.8829 r 3 = -183.579 d 3 = 1.000 r 4 = ∞ d 4 = 24.000 n d2 = 1.5163 r 5 = ∞ d 5 = 2.000 r 6 = -73.319 ( reflecting surface) d 6 = 2.000 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d3 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 0.971 r 9 = image plane (two-dimensional Display element) | n 2 φ 1 / φ 2 | = 2.9 R / F = 2.6 PS = −0.018.

【0043】実施例3 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 2.000 r4 = -66.235 (反射面) d4 = 2.000 r5 = ∞ d5 =24.000 nd2 =1.5163 r6 = ∞ d6 = 8.000 r7 = -18.134 d7 = 3.000 nd3 =1.5163 r8 = 226.719 d8 = 4.021 r9 = 像面 (2次元表示素子) |n2 φ1 /φ2 |=1.5 R/F=2.4 PS=-0.01 。Example 3 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 2.000 r 4 = -66.235 (reflection surface) d 4 = 2.000 r 5 = ∞ d 5 = 24.000 n d2 = 1.5163 r 6 = ∞ d 6 = 8.000 r 7 = -18.134 d 7 = 3.000 n d3 = 1.5163 r 8 = 226.719 d 8 = 4.021 r 9 = image plane (two-dimensional Display element) | n 2 φ 1 / φ 2 | = 1.5 R / F = 2.4 PS = −0.01.

【0044】実施例4 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 2.000 r4 = -68.874 (反射面) d4 = 2.000 r5 = ∞ d5 =24.000 nd2 =1.5163 r6 = ∞ d6 =10.550 r7 = -18.429 d7 = 7.047 nd3 =1.8829 r8 = 729.279 d8 = 0.956 r9 = 像面 (2次元表示素子) |n2 φ1 /φ2 |=1.1 R/F=2.6 PS=-0.003 。Example 4 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 2.000 r 4 = -68.874 (reflective surface) d 4 = 2.000 r 5 = ∞ d 5 = 24.000 n d2 = 1.5163 r 6 = ∞ d 6 = 10.550 r 7 = -18.429 d 7 = 7.047 n d3 = 1.8829 r 8 = 729.279 d 8 = 0.956 r 9 = image plane (two-dimensional Display element) | n 2 φ 1 / φ 2 | = 1.1 R / F = 2.6 PS = −0.003.

【0045】実施例5 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 2.000 r4 = -89.160 d4 = 2.000 nd2 =1.5163 r5 = -70.000 (反射面) d5 = 2.000 nd3 =1.5163 r6 = -89.160 d6 = 2.000 r7 = ∞ d7 =24.000 nd4 =1.5163 r8 = ∞ d8 = 7.487 r9 = -15.973 d9 = 3.000 nd5 =1.5163 r10= 136.371 d10= 1.799 r11= 像面 (2次元表示素子) |Fφ3 /n3 2 |=0.51 R/F=2.6 PS=0.005 。Example 5 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 2.000 r 4 = -89.160 d 4 = 2.000 nd 2 = 1.5163 r 5 = -70.000 (reflecting surface) d 5 = 2.000 n d3 = 1.5163 r 6 = -89.160 d 6 = 2.000 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d4 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 7.487 r 9 = -15.973 d 9 = 3.000 n d5 = 1.5163 r 10 = 136.371 d 10 = 1.799 r 11 = image plane (two-dimensional display device) | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.51 R / F = 2.6 PS = 0.005.

【0046】実施例6 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 2.000 nd2 =1.5163 r4 = -84.704 (反射面) d4 = 2.000 nd3 =1.5163 r5 = ∞ d5 =24.000 nd4 =1.5163 r6 = ∞ d6 =10.500 r7 = 像面 (2次元表示素子) |Fφ3 /n3 2 |=0.45 R/F=3.2 PS=-0.016 。Example 6 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 2.000 nd 2 = 1.5163 r 4 = -84.704 (reflection surface ) d 4 = 2.000 n d3 = 1.5163 r 5 = ∞ d 5 = 24.000 n d4 = 1.5163 r 6 = ∞ d 6 = 10.500 r 7 = image plane (two-dimensional display device) | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.45 R / F = 3.2 PS = −0.016.

【0047】実施例7 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = 134.955 d2 = 2.000 nd1 =1.5163 r3 = -78.954 d3 = 1.000 r4 = ∞ d4 =24.000 nd2 =1.5163 r5 = ∞ d5 = 2.000 nd3 =1.5163 r6 = -96.939 (反射面) d6 = 2.000 nd4 =1.5163 r7 = ∞ d7 =24.000 nd5 =1.5163 r8 = ∞ d8 = 5.540 r9 = 像面 (2次元表示素子) |Fφ3 /n3 2 |=0.39 R/F=3.5 PS=-0.013 。Example 7 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = 134.955 d 2 = 2.000 n d1 = 1.5163 r 3 = -78.954 d 3 = 1.000 r 4 = ∞ d 4 = 24.000 n d2 = 1.5163 r 5 = ∞ d 5 = 2.000 n d3 = 1.5163 r 6 = -96.939 ( reflecting surface) d 6 = 2.000 n d4 = 1.5163 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d5 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 5.540 r 9 = image plane (two-dimensional display device) | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.39 R / F = 3.5 PS = -0.013.

【0048】実施例8 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 2.000 nd2 =1.5163 r4 = -89.861 (反射面) d4 = 2.000 nd3 =1.5163 r5 = ∞ d5 =24.000 nd4 =1.5163 r6 = ∞ d6 = 8.000 r7 = -26.585 d7 = 3.000 nd5 =1.5163 r8 = -91.042 d8 = 2.170 r9 = 像面 (2次元表示素子) |Fφ3 /n3 2 |=0.41 R/F=3.3 PS=-0.014 。Example 8 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 2.000 nd 2 = 1.5163 r 4 = -89.861 (reflection surface ) d 4 = 2.000 n d3 = 1.5163 r 5 = ∞ d 5 = 24.000 n d4 = 1.5163 r 6 = ∞ d 6 = 8.000 r 7 = -26.585 d 7 = 3.000 n d5 = 1.5163 r 8 = -91.042 d 8 = 2.170 r 9 = image plane (two-dimensional display device) | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.41 R / F = 3.3 PS = -0.014.

【0049】実施例9 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 0.500 r4 = 254.351 d4 = 2.000 nd2 =1.5163 r5 = -100.000 (反射面) d5 = 2.000 nd3 =1.5163 r6 = 254.351 d6 = 0.500 r7 = ∞ d7 =24.000 nd4 =1.5163 r8 = ∞ d8 = 6.000 r9 = -9.537 d9 = 1.000 nd5 =1.5163 r10= -9.195 d10= 4.550 r11= 像面 (2次元表示素子) |Fφ3 /n3 2 |=0.37 R/F=3.5 PS=-0.013 。Embodiment 9 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 0.500 r 4 = 254.351 d 4 = 2.000 nd 2 = 1.5163 r 5 = -100.000 (reflecting surface) d 5 = 2.000 n d3 = 1.5163 r 6 = 254.351 d 6 = 0.500 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d4 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 6.000 r 9 = -9.537 d 9 = 1.000 n d5 = 1.5163 r 10 = -9.195 d 10 = 4.550 r 11 = image plane (two-dimensional display device) | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.37 R / F = 3.5 PS = -0.013.

【0050】実施例10 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 0.500 r4 = 177.140 (非球面) d4 = 3.000 nd2 =1.5163 r5 = -100.000 (反射面) d5 = 3.000 nd3 =1.5163 r6 = 177.140 (非球面) d6 = 0.500 r7 = ∞ d7 =24.000 nd4 =1.5163 r8 = ∞ d8 = 9.640 r9 = 像面 (2次元表示素子) 第4面(第6面) K =-1 A4 =-0.623×10-6 A6 =A8 =A10= 0 |Fφ3 /n3 2 |=0.36 R/F=3.6 PS=-0.013 。Example 10 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 0.500 r 4 = 177.140 (aspherical surface) d 4 = 3.000 n d2 = 1.5163 r 5 = -100.000 ( reflecting surface) d 5 = 3.000 n d3 = 1.5163 r 6 = 177.140 ( aspherical) d 6 = 0.500 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d4 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 9.640 r 9 = image plane (two-dimensional display device) fourth surface (sixth surface) K = -1 A 4 = -0.623 × 10 -6 A 6 = A 8 = A 10 = 0 | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.36 R / F = 3.6 PS = -0.013.

【0051】実施例11 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = ∞ d2 =24.000 nd1 =1.5163 r3 = ∞ d3 = 0.500 r4 = 194.949 d4 = 2.000 nd2 =1.5163 r5 = -98.725 (反射面,非球面) d5 = 2.000 nd3 =1.5163 r6 = 194.949 d6 = 0.500 r7 = ∞ d7 =24.000 nd4 =1.5163 r8 = ∞ d8 =10.290 r9 = 像面 (2次元表示素子) 非球面係数 第5面 K =-1 A4 = 0.655×10-7 A6 =A8 =A10= 0 |Fφ3 /n3 2 |=0.36 R/F=3.5 PS=-0.013 。Example 11 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = ∞ d 2 = 24.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = ∞ d 3 = 0.500 r 4 = 194.949 d 4 = 2.000 nd 2 = 1.5163 r 5 = -98.725 (reflecting surface, aspherical) d 5 = 2.000 n d3 = 1.5163 r 6 = 194.949 d 6 = 0.500 r 7 = ∞ d 7 = 24.000 n d4 = 1.5163 r 8 = ∞ d 8 = 10.290 r 9 = image plane (two-dimensional display device) aspheric coefficients fifth surface K = -1 A 4 = 0.655 × 10 -7 A 6 = A 8 = A 10 = 0 | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.36 R / F = 3.5 PS = -0.013.

【0052】実施例12 r1 = ∞ (瞳孔位置) d1 =22.000 r2 = 30.533 d2 = 1.000 nd1 =1.5163 r3 = 19.611 d3 = 5.000 r4 = ∞ d4 =24.000 nd2 =1.5163 r5 = ∞ d5 = 1.000 r6 = 95.111 d6 = 6.000 nd3 =1.8829 r7 = -200.000 (反射面) d7 = 6.000 nd4 =1.8829 r8 = 95.111 d8 = 1.000 r9 = ∞ d9 =24.000 nd5 =1.5163 r10= ∞ d10=15.280 r11= 像面 (2次元表示素子) |Fφ3 /n3 2 |=0.03 R/F=6.9 PS=-0.007 。Example 12 r 1 = ∞ (pupil position) d 1 = 22.000 r 2 = 30.533 d 2 = 1.000 nd 1 = 1.5163 r 3 = 19.611 d 3 = 5.000 r 4 = ∞ d 4 = 24.000 nd 2 = 1.5163 r 5 = ∞ d 5 = 1.000 r 6 = 95.111 d 6 = 6.000 n d3 = 1.8829 r 7 = -200.000 ( reflecting surface) d 7 = 6.000 n d4 = 1.8829 r 8 = 95.111 d 8 = 1.000 r 9 = ∞ d 9 = 24.000 n d5 = 1.5163 r 10 = ∞ d 10 = 15.280 r 11 = image plane (two-dimensional display device) | Fφ 3 / n 3 2 | = 0.03 R / F = 6.9 PS = -0.007.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、コンパクトでありながら、光学系のペッツバ
ール和を小さくでき、画像中心部から周辺部まで平坦性
の良い画像を提供できるので、観察者の眼の疲労感のな
い頭部装着式表示装置を提供することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the Petzval sum of the optical system can be reduced, and the image having good flatness can be provided from the center to the periphery of the image while being compact. Thus, it is possible to provide a head-mounted display device that does not cause fatigue of the eyes of the observer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の頭部装着式表示装置の実施例1の断面
図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a head-mounted display device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】実施例2の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment.

【図3】実施例3の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a third embodiment.

【図4】実施例4の断面図である。FIG. 4 is a sectional view of a fourth embodiment.

【図5】実施例5の断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a fifth embodiment.

【図6】実施例6の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a sixth embodiment.

【図7】実施例7の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a seventh embodiment.

【図8】実施例8の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of an eighth embodiment.

【図9】実施例9の断面図である。FIG. 9 is a sectional view of a ninth embodiment.

【図10】実施例10の断面図である。FIG. 10 is a sectional view of a tenth embodiment.

【図11】実施例11の断面図である。FIG. 11 is a sectional view of an eleventh embodiment.

【図12】実施例12の断面図である。FIG. 12 is a sectional view of Example 12.

【図13】実施例1の接眼光学系の球面収差、非点収
差、歪曲収差及びコマ収差を示す収差図である。
FIG. 13 is an aberration diagram showing spherical aberration, astigmatism, distortion, and coma of the eyepiece optical system of Example 1.

【図14】実施例2の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 14 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system according to the second embodiment.

【図15】実施例3の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 15 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of the third embodiment.

【図16】実施例4の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 16 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of the fourth embodiment.

【図17】実施例5の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 17 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of the fifth embodiment.

【図18】実施例6の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 18 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of the sixth embodiment.

【図19】実施例7の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
19 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of Example 7. FIG.

【図20】実施例8の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 20 is an aberration diagram of the eyepiece optical system according to the eighth embodiment, similar to FIG.

【図21】実施例9の接眼光学系の図13と同様な収差
図である。
FIG. 21 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of the ninth embodiment.

【図22】実施例10の接眼光学系の図13と同様な収
差図である。
FIG. 22 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of Example 10.

【図23】実施例11の接眼光学系の図13と同様な収
差図である。
FIG. 23 is an aberration diagram similar to that of FIG. 13 of the eyepiece optical system according to the eleventh embodiment.

【図24】実施例12の接眼光学系の図13と同様な収
差図である。
FIG. 24 is an aberration diagram similar to FIG. 13 of the eyepiece optical system of Example 12.

【図25】従来の1つの頭部装着式表示装置の断面図で
ある。
FIG. 25 is a cross-sectional view of one conventional head-mounted display device.

【図26】従来の変形例の頭部装着式表示装置の断面図
である。
FIG. 26 is a cross-sectional view of a head-mounted display device according to a modification of the related art.

【図27】図25の接眼光学系の図13と同様な収差図
である。
27 is an aberration diagram similar to that of FIG. 13 of the eyepiece optical system of FIG. 25.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 情報内容を表示する表示素子と、その表
示内容を光路中で結像することなしに眼球に虚像として
拡大投影する接眼光学系と、前記接眼光学系を眼球直前
に支持する支持手段とを備えた頭部装着式表示装置にお
いて、前記表示素子は、平坦性の良い像面を形成するように構
成され、 前記接眼光学系が、透過作用と反射作用とを兼用する透
過反射兼用面と、裏面反射鏡と、前記表示素子と前記透
過反射兼用面との間若しくは顔面と干渉しない間隔を保
ちながら眼球と前記透過反射兼用面との間に配置された
レンズ系とを含んで構成され、 前記接眼光学系は、前記裏面反射鏡と前記透過反射兼用
面との間の光路が、前記透過反射兼用面から前記裏面反
射鏡に向かった光束が前記裏面反射鏡にて反射された後
前記透過反射兼用面に向かうような折り返し光路を形成
するように構成され、 前記レンズ系が、正のペッツバール値を発生する少なく
とも1枚の正の屈折力を有するレンズ、又は、負のペッ
ツバール値を発生する少なくとも1枚の負の屈折力を有
するレンズを含んで構成され、 下記の条件(3)を満足するように構成された ことを特
徴とする頭部装着式表示装置。 |Fφ 3 /n 3 2 |<1 ・・・・(3) ただし、φ 3 は前記裏面反射鏡の反射面の屈折力であ
り、n 3 は前記裏面反射鏡を構成するレンズ硝材のd線
の屈折率であり、Fは前記接眼光学系全体の焦点距離で
ある。
A display element for displaying information content, an eyepiece optical system for enlarging and projecting the display content as a virtual image on an eyeball without forming an image in an optical path, and a support for supporting the eyepiece optical system immediately before the eyeball Means, the display element is configured to form an image plane with good flatness.
Made, Toru said ocular optical system, which serves a reflective and transmitting actions
An over-reflection combined surface, a back reflection mirror, the display element and the transparent
Maintain a space between the camera and the face that also serves as the
Between the eyeball and the transmission / reflection combined surface
A lens system, and wherein the eyepiece optical system is used for both the transmission mirror and the rear reflection mirror.
The optical path between the transmission and reflection surface and the rear surface
After the luminous flux toward the mirror is reflected by the back reflector
Forming a folded optical path toward the transmission / reflection combined surface
The lens system generates a positive Petzval value.
And one lens with a positive refractive power or a negative lens.
It has at least one negative refractive power that generates the Tuvalu value.
A head-mounted display device , comprising: a lens to be mounted on the display; and satisfying the following condition (3) . | Fφ 3 / n 3 2 | <1 (3) where φ 3 is the refracting power of the reflecting surface of the rear-surface reflecting mirror.
Where n 3 is the d-line of the lens glass material constituting the back reflector
And F is the focal length of the entire eyepiece optical system.
is there.
【請求項2】 請求項において、前記裏面反射鏡の曲
率半径をR、前記接眼光学系全体の焦点距離をFとする
ときに、以下の条件(4)を満足することを特徴とする
頭部装着式表示装置。 2<R/F<8 ・・・・(4)
2. The head according to claim 1 , wherein the following condition (4) is satisfied, where R is the radius of curvature of the back reflector and F is the focal length of the entire eyepiece optical system. Part-mounted display device. 2 <R / F <8 (4)
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