JP3787399B2 - Observation optical system - Google Patents

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JP3787399B2
JP3787399B2 JP33031296A JP33031296A JP3787399B2 JP 3787399 B2 JP3787399 B2 JP 3787399B2 JP 33031296 A JP33031296 A JP 33031296A JP 33031296 A JP33031296 A JP 33031296A JP 3787399 B2 JP3787399 B2 JP 3787399B2
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Inventor
和隆 猪口
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キヤノン株式会社
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Description

【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
本発明は観察光学系に関し、特にメガネ型ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等の名称で呼ばれる頭部装着型の画像表示装置に好適なものである。 The present invention relates to an observation optical system, which is suitable in particular spectacle type display, a head-mounted image display device called by the name, such as head-mounted display.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
従来より、CRT や液晶表示装置(LCD)等の表示手段を観察者の頭部近傍に配置し、CRT 及びLCD が表示する像を観察できるようにした画像表示装置が提案されている。 Conventionally, to place the display means such as a CRT or a liquid crystal display device (LCD) in the head near the observer, the image display device CRT and LCD is to allow observation of the image to be displayed has been proposed.
【0003】 [0003]
例えば米国特許4,081,209 号明細書、米国特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開平2-297516号公報、特開平3-101709号公報等にかかる表示装置が開示されている。 For example U.S. Patent 4,081,209, U.S. Patent 4,969,724, JP-58-78116, JP-A No. 2-297516, JP is the display device according to JP-A 3-101709 Patent Publication discloses.
【0004】 [0004]
特開平3-101709号公報では、表示手段に表示した原画像を一旦中間像として再結像させ、観察者は光学系によってこの中間像を観察する所謂実像タイプの比較的見易い画像表示装置を開示している。 In JP-A 3-101709 and JP-once and re-imaging the intermediate image, the observer disclose relatively easy to see the image display device of so-called real image type for observing the intermediate image by an optical system of the original image displayed on a display means are doing.
【0005】 [0005]
一方、米国特許4,081,209 号明細書、米国特許4,969,724 号明細書、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、小型化を図る上では有利な、光学系の途中で中間像を形成しない虚像観察タイプの画像表示装置を開示している。 On the other hand, U.S. Patent 4,081,209, U.S. Patent 4,969,724, JP-58-78116 discloses, in JP-A 2-297516 and JP-but inferior in terms of visibility slightly in achieving miniaturization advantageously, discloses an image display apparatus of virtual image type that does not form an intermediate image in the middle of the optical system.
【0006】 [0006]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
特開平3-101709号公報に開示されている画像表示装置では、再結像させるための光学レンズを用いているために装置が大型化する問題がある。 In the image display apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-101709, the device due to the use of optical lens for reimaging there is a problem of size.
【0007】 [0007]
また、米国特許4,081,209 号明細書、米国特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開平2-297516号公報に開示されている画像表示装置では、確かに実像タイプに比べ小型化を図れるとはいえ、まだまだ十分小型とは言えなかった。 Also, U.S. Patent 4,081,209, U.S. Patent 4,969,724, JP-58-78116, JP-image display apparatus disclosed in JP-A-2-297516, indeed miniaturized compared with the real image type Although the attained, and not be said to be still small enough.
【0008】 [0008]
これらの中で、特開昭58-78116号公報に開示されているものは比較的小型であるが、観察者の眼の光軸方向の厚みはまだ厚い。 Among these are relatively small in those disclosed in JP-A-58-78116, the optical axis direction of the thickness of the observer's eye is still thick. 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。 Also, optical distortion in an image to be observed, astigmatism, it is described that the generation of coma.
【0009】 [0009]
本発明は、実像タイプでありながら、前後方向に極めて薄型で、小型・広視野角の観察光学系の提供を目的とする。 The present invention is yet real type, with an extremely thin in the front-rear direction, and an object thereof is to provide a viewing optical system compact, wide viewing angle.
【0010】 [0010]
更に、表示手段及びリレー光学系を画像表示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部より下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置を構成できる観察光学系の提供を目的とする。 Further, the display unit and the relay optical system is arranged above the supporting portion of the image display device, to provide an observation optical system of the optical element can constitute an image display device with good weight balance by arranging below the support portion for the purpose.
【0011】 [0011]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
請求項1の発明の観察光学系は、表示手段に表示する原画像からの光束を、光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳に導光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて該観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系において、該観察光学系は、屈折面として作用する第1の面、反射面として作用する第2の面、全反射面及び屈折面として作用する第3の面の少なくとも3つの光学作用面を有する光学素子と、前記表示手段と前記光学素子の間に配置された集光レンズを有し、前記原画像からの光束は、前記集光レンズを介して前記第1の面より前記光学素子に入射し、前記第2の面での反射と前記第3の面での全反射とを経た後、前記第3の面より前記光学素子を射出すると共に、前記光学素子内に前記原画像 The observation optical system of the first aspect of the present invention, a light beam from the original image to be displayed on the display means, and guided to the exit pupil which is predetermined for the optical system through the optical system, the position of the exit pupil in the observation optical system allowed to visually recognize an enlarged virtual image of the original image to the observer by a substantially position the pupil of the observer, the observation optical system includes a first surface which acts as a refracting surface, the acts as a reflective surface 2 surface, and a third optical element having at least three optical surfaces of the surface, arranged condenser lens between the display means and the optical element which acts as a total reflection surface and the refractive surface, the light flux from the original image, through the condensing lens is incident on the optical element than the first surface, after undergoing the total reflection at the third surface and the reflection at the second surface , as well as emits from the optical element and the third surface, the original image within said optical element 中間像が実像として形成され、前記表示手段の表示面の中心から射出して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線とした場合に、前記光学素子は、該基準光線が2回反射する面を有し、この面は、この面での1回目の前記原画像からの光束の反射部位と2回目の前記原画像からの光束の反射部位との少なくとも一部分が重なっており、且つ該基準光線に対して偏心した曲面であることを特徴としている。 Intermediate image is formed as a real image, the light rays passing through the center of the exit pupil is injected from the center of the display surface of the display unit when a reference light beam, the optical element, the reference light beam is reflected twice surfaces has, this surface is at least partially overlaps the reflecting portion of the light beam from the reflective portion and the second of the original image of the light beam from the first of the original image in this plane, and the reference ray it is characterized in that an eccentric curved surface against.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記集光レンズは、前記基準光線に対して偏心して配置される曲面を有していることを特徴としている。 The invention of claim 2 is the invention of claim 1, wherein the condensing lens is characterized by having a curved surface which is arranged eccentrically with respect to the reference beam.
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記集光レンズで前記基準光線に対して偏心して配置される曲面は透過面であることを特徴としている。 The invention of claim 3 is the invention of claim 2, the curved surface which is arranged eccentrically with respect to the reference light beam by the condensing lens is characterized in that a transmissive surface.
請求項4の発明は、請求項1、2又は3の発明において、前記集光レンズは、前記原画像からの光束を集光して前記光学素子に入射させることを特徴としている。 The invention of claim 4 is the invention of claim 1, 2 or 3, wherein the condensing lens is characterized in that is incident on the optical element condenses the light flux from the original image.
請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれか1項の発明において、前記中間像は、前記光学素子を構成する光学面間で反射される光束上に形成され、且つ該中間像を形成した光束が前記光学素子を構成する光学面間で再度反射された後に該中間像を横切ることを特徴としている。 The invention of claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the intermediate image is formed on the light beam reflected between the optical surfaces constituting the optical element, and an intermediate image forming the light beam is characterized by crossing the intermediate image after being reflected again between the optical surfaces constituting the optical element.
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項の発明において、前記原画像からの光束は前記第1の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第2の面により反射して前記第3の面へ向かい、該第3の面により全反射して該第2の面へ向かい、該第2の面により再度反射して該第3の面へ向かい、該第3の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、αを前記基準光線が前記第3の面で屈折する際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角、βを該基準光線が前記第2の面において2回目の反射をする際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角とした場合、 The invention of claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, the light beam from the original image is incident and transmitted through the first surface to the optical element, and then the second surface is reflected towards the said third surface by, is totally reflected by a surface of the third head to the second surface, facing reflected again by the surface of the second to the surface of the third, it said the third face and transmitted by emitting optical element is guided to the exit pupil, the slope of the reference beam relative to the surface normal at the incidence point of time of the reference ray and α is refracted by the third surface corner, if the β and the inclination angle of the reference beam relative to the surface normal at the incidence point when the reference beam is reflected for the second time in the second surface,
以下の条件式: The following condition:
30゜≦2β+α≦90゜ −10゜≦α≦30゜を満足することを特徴としている。 Is characterized by satisfying 30 ° ≦ 2β + α ≦ 90 ° -10 ° ≦ alpha ≦ 30 ゜Wo.
請求項7の発明は、請求項1乃至6のいずれか1項の発明において、前記原画像からの光束は前記第1の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第2の面により反射して前記第3の面へ向かい、該第3の面により全反射して該第2の面へ向かい、該第2の面により再度反射して該第3の面へ向かい、該第3の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、rcを前記基準光線が前記第2の面において1回目の反射をする際の入射点における前記第2の面の垂直断面の曲率半径、raを前記基準光線が前記第2の面において2回目の反射をする際の入射点における前記第2の面の垂直断面の曲率半径として、以下の条件式: The invention of claim 7 is the invention of any one of claims 1 to 6, the light beam from the original image is incident and transmitted through the first surface to the optical element, and then the second surface is reflected towards the said third surface by, is totally reflected by a surface of the third head to the second surface, facing reflected again by the surface of the second to the surface of the third, it said the third face and transmitted by emitting optical element is guided to the exit pupil, the at the incident point when the reference light beam and rc is the first reflection in the second surface the second surface the curvature of the vertical cross section radius, as the radius of curvature of the vertical section of the second surface at the incident point at which the reference light beam a ra is reflected for the second time in the second surface, the following condition:
0<|ra/rc|<1.5 0 <| ra / rc | <1.5
を満足することを特徴としている。 It is characterized by satisfying the.
請求項8の発明の画像表示装置は、請求項1乃至7に記載の観察光学系と、該観察光学系を観察者の頭部に装着するための支持部を有する画像表示装置であって、該観察光学系のリレー光学系が該支持部の上方であって、該観察光学系の光学素子が該支持部の下方になるように観察者の頭部に装着されることを特徴としている。 The image display device of the invention of claim 8 is an image display apparatus having an observation optical system according, a support for mounting on the observer's head to the observation optical system in claim 1 to 7, a top of the relay optical system is the support portion of the observation optical system, is characterized in that said observation optical system optical elements are mounted on the observer's head so that the lower side of the support portion.
請求項9の発明の画像表示装置は、請求項1乃至7に記載の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配置したことを特徴としている。 Billing an image display device of the invention section 9 is characterized in that in response to the observer's right and left eyes the observation optical system according to any one of claims 1 to 7 were respectively one by one arranged.
【0012】 [0012]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
図1は本発明の実施形態1の基本構成図である。 Figure 1 is a basic configuration diagram of a first embodiment of the present invention. 図は垂直断面図である。 Figure is a vertical sectional view. 図中1は原画像を表示する表示手段で,例えば公知の液晶表示素子(LCD) やCRT 等で構成する。 Figure 1 is a display means for displaying the original image and composed of, for example, known liquid crystal display device (LCD) or CRT. 2は光学素子であり、第1の面A 、第2の面B 、第3の面C の3つの光学作用面を有している。 2 is an optical element has a first surface A, the second face B, and three optical surfaces of the third surface C. このうち、第1の面A は屈折面である。 Among them, the first side A is the refractive surface. 第2の面B は表面に反射膜を付けており、反射面として作用する。 The second surface B are with a reflective film on the surface, to act as a reflective surface. 第3の面C は全反射面及び屈折面として作用する。 Third surface C acts as a total reflection surface and a refractive surface. 3は集光レンズ(リレー光学系)である。 3 is a condenser lens (relay optical system). 4は観察光学系の射出瞳である。 4 is the exit pupil of the observation optical system. 9は観察光学系を収納している筐体の壁であり、画像からの表示光束が射出する略長方形の覗窓wを設けている。 9 is a wall of the housing which houses the observation optical system, a display light beam from the image are provided viewport w substantially rectangular injection. w 0は覗窓wの中心である。 w 0 is the center of the observation window w. 観察者は射出瞳4の位置に瞳を位置させて覗窓wを通して原画像の虚像を観察する。 Observer observes a virtual image of the original image through the observation window w by positioning the pupil position of the exit pupil 4. なお、光学素子2、集光レンズ3及び覗窓w等は観察光学系の一要素を構成している。 The optical element 2, the condenser lens 3 and the viewport w etc. constitutes an element of the observation optical system.
【0013】 [0013]
本実施形態の作用を説明する。 The operation of this embodiment will be explained. 表示手段1に表示する画像からの光束はまず集光レンズ3で屈折作用を受けて集光した後、光学素子3の第1の面A に向かい、この面を屈折して光学素子2の中にはいり、第2の面B へ向かう。 After condensed by receiving the light beam is first refracting action by the condenser lens 3 from the image to be displayed on the display unit 1, toward the first side A of the optical element 3, in the optical element 2 is refracted this surface enters the, toward the second side B. 光束は第2の面B により反射されて第3の面C に向かい、第3の面C により全反射されて再び第2の面B に向かう。 Light beam toward the second towards the third surface C is reflected by the surface B, again totally reflected by the third surface C second surface B. 光束は第2の面B により再び反射されて再び第3の面C に向かい、今度は第3の面C を屈折・透過して覗窓wを通過して射出瞳4に向かう。 The light beam is directed back to the third surface C is reflected again by a second plane B, now proceed to the exit pupil 4 through the viewport w and refracted and transmitted through the third surface C. 表示手段1の表示面上の各点からの光束は射出瞳4に集まる。 Light flux from each point on the display surface of the display unit 1 collects the exit pupil 4. そして、各光束はこの射出瞳4の位置にある観察者の瞳へ入射する。 Then, the light beams are incident to the observer's pupil at the position of the exit pupil 4. この時、射出光束は遠方に原画像の虚像を形成しているので観察者はこの射出瞳4の位置に瞳をおけばこの虚像を観察することができる。 In this case, the light flux observer since the form a virtual image of the original image in the distance can observe the virtual image if put the pupil position of the exit pupil 4.
【0014】 [0014]
このとき、表示手段1からの光束が、光学素子2の第2の面B による1回目の反射から第3の面C に向かう際に一旦中間像を結像しており、光束が第3の面C で全反射して第2の面B に向かう際に上記の中間結像面8を横切るよう構成している。 At this time, the light beam from the display means 1, and imaged once intermediate image from the first reflective when toward the third surface C with the second side B of the optical element 2, the light beam is a third It is configured to traverse the intermediate image plane 8 when towards the second side B is totally reflected by the surface C.
【0015】 [0015]
本実施形態では、屈折面として作用する第1の面A 、光束を2回反射する面として作用する第2の面B 、全反射面及び屈折面として作用する第3の面C の少なくとも3つの光学作用面を有する光学素子を観察光学系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束が、第1の面A から入射して、第2の面B での1回目の反射から第3の面C へ向かう光束群を横切る様に実像を形成することにより、第3の面C における全反射の条件を満足しつつ、第2の面B のパワーを従来よりも強くすることが可能となるため、観察光学系の薄型化を可能にするものである。 In the present embodiment, the first surface A, which acts as a refracting surface, the second surface B which acts a light beam as a surface which reflects twice, the total reflection surface and the third surface C which acts as a refractive surface at least three by providing an optical element having an optical surface during the observation optical system, light beams from each point on the original image, incident from the first surface a, the first reflection at the second surface B by forming a real image so as crossing the optical flux group toward the third surface C, while satisfying the total reflection condition in the third plane C, and that the power of the second surface B is stronger than conventional possible, and therefore, it is one which allows the thickness of the observation optical system.
【0016】 [0016]
又、本実施形態は前記光学素子以外に集光レンズ(リレー光学系)を有し、原画像からの光束を該集光レンズにより集光させて該光学素子へ入射するよう構成することにより、該光学素子の入射面の有効径を小さくしている。 Furthermore, by the present embodiment it is configured to the having a condensing lens (relay optical system) in addition to the optical element to a light beam by focusing by the condenser lens to the optical element from the original image, and to reduce the effective diameter of the entrance surface of the optical element.
【0017】 [0017]
又、本実施形態は特に前記光学素子中の第2の面Bにおける1回目の反射部位と2回目の反射部位とを少なくとも一部分共通にすることにより即ち一部分が重なるようにして全長を制限し、更に軽量な観察光学系としている。 Further, the present embodiment limits the total length, especially in the by at least a portion common to the first reflection portion of and a reflection region of second words such that a portion overlapping the second side B in the optical element, It is further lightweight observation optical system.
【0018】 [0018]
以下,垂直断面方向における構成をもとに本実施形態をより詳しく説明する。 This embodiment will be explained in more detail based on the configuration in the vertical cross-sectional direction. 本発明の観察光学系は通常の光学系にある光軸が無い。 The observation optical system of the present invention is not an optical axis in a normal optical system. そこで本発明の観察光学系では”基準光線”を設定して構成を明確にする。 Therefore, in the observation optical system of the present invention to clarify the configuration and set the "reference ray". 本発明で言う基準光線とは、表示手段1の表示面の中心から射出して射出瞳4の中心を通る光線である。 The reference ray in the present invention, a ray passing through the center of the exit pupil 4 is injected from the center of the display surface of the display unit 1. なお、本実施形態の場合この基準光線は視窓wの中心w 0も通っている。 The reference light in this embodiment is through well center w 0 of Mimado w.
【0019】 [0019]
図2は本発明の観察光学系の基準光線と各面との関係の説明図である。 Figure 2 is an explanatory view of a relationship between the reference ray and each surface of the observation optical system of the present invention. この基準光線が光学素子2で反射・全反射・屈折を行う際の各面の入射点をそれぞれ図のようにa,b,c,d とし、基準光線が第3の面C を屈折する際の入射点d における面法線dd 1に対する屈折基準光線の傾き角をαとする。 When the reference ray are a, b, c, and d the point of incidence of each surface when performing reflection and total reflection and refraction optical element 2 as each view, the reference light beam is refracted a third surface C the inclination angle of the refracting the reference beam relative to the surface normal dd 1 at an incident point d of the alpha. 又、基準光線が第2の面B において2回目の反射をする際の入射点a における面法線に対する反射基準光線の傾き角をβとする。 Further, the inclination angle of the reflected reference beam relative to the surface normal at the incidence point a when the reference ray is reflected for the second time in the second side B and beta. 又、基準光線が第2の面B において1回目の反射をする際の入射点c における面法線に対する反射基準光線の傾き角をγとする。 Further, the inclination angle of the reflected reference beam relative to the surface normal at the incidence point c when the reference light beam to the first reflection at the second surface B and gamma.
【0020】 [0020]
本実施形態においては、上記αとβとが以下の条件式 In the present embodiment, the α and β and the following conditional expression
30゜≦ 2β+α≦90゜ (条件式1) 30 ° ≦ 2β + α ≦ 90 ° (Condition 1)
を満たすように設定している。 It is set so as to satisfy the. (条件式1)の下限値は第3の面C での全反射の条件に関するものであり,下限を越えると第3の面C で全反射させることが非常に困難となる。 The lower limit of (condition 1) is related to the total reflection condition at the third surface C, and below the lower limit be totally reflected by the third surface C is very difficult. また,上限を越えると基準光線に対して下側の視野画角の光束で光量不足を生じ易くなり、性能が低下する。 Also, easily results in lack of light quantity in the light beam of the lower viewing angle of the reference light exceeds the upper limit, performance decreases.
【0021】 [0021]
更に,このとき上記αを−10゜≦α≦30゜ (条件式2) Furthermore, the alpha this case -10 ° ≦ alpha ≦ 30 ° (condition 2)
と設定することが好ましい。 It is preferable to set a. (条件式2)の下限を越えると光学素子2の第3の面C に垂直な方向の厚みが増し重量が増加するので好ましくない。 (Condition 2) is not preferable because the weight increases the perpendicular direction of thickness to a third aspect C of the optical element 2 below the lower limit is increased. また,上限を越えると第3の面C で全反射させることが難しくなる。 Further, if the upper limit be totally reflected by the third surface C becomes difficult.
【0022】 [0022]
また,基準光線が第2の面B において1回目の反射をする際の入射点c における垂直断面(紙面内)の曲率半径をr c 、基準光線が第2の面B において2回目の反射をする際の入射点a における垂直断面(紙面内)の曲率半径をr aとするとき,これらを The curvature radius r c of the vertical section (the paper) at the incident point c when the reference light beam to the first reflection of the second side B, the reference light beam is reflected for the second time in the second side B when the radius of curvature of the vertical cross-section (in the plane) at an incident point a when a r a, these
0 <|r a /r c |<1.5 (条件式3) 0 <| r a / r c | <1.5 ( condition 3)
を満足するように設定することが望ましい。 It is desirable to set so as to satisfy the. (条件式3)の条件を越えると光学素子2の第3の面C に平行な方向の長さが増し,全体の重量増を招くため好ましくない。 Exceeds (Condition 3) Conditions of increased length in a direction parallel to the third surface C of the optical element 2 is not preferable because it causes an increase in overall weight. 特に(条件式3)の下限を越えると光学素子2をコンパクトに保ちつつ、十分な瞳径を確保するのが困難になる。 Especially while the lower limit of (Condition 3) maintaining the optical element 2 compact, it is difficult to ensure sufficient pupil diameter. また、(条件式3)の上限を越えると光学素子2をコンパクトに保ちつつ、広画角を確保するのが困難になる。 Further, while maintaining the optical element 2 above the upper limit of the (condition 3) compact, it is difficult to secure a wide angle of view.
【0023】 [0023]
尚、本実施形態では上記の様に基準光線に対して光学素子2の第3の面C 、第2の面B を偏心配置させているため、これらにより生じる偏心収差を補正するために、光学素子2の第1の面A 及び集光レンズ3を偏心配置させることが望ましい。 Incidentally, since the third surface C of the optical element 2 with respect to the reference light as described above, the second side B is arranged eccentrically in the present embodiment, in order to correct decentering aberrations caused by these, optical it is desirable to eccentrically position the first face a and the condenser lens 3 of the element 2.
【0024】 [0024]
図3は本発明の観察光学系を用いた画像表示装置の概略配置図である。 Figure 3 is a schematic layout diagram of an image display apparatus using the viewing optical system of the present invention. 図中31は本発明の観察光学系を観察者の頭部に装着するための支持部で、例えばベルトと光学系保持部を支持するための支持部材により構成されている。 Figure 31 is constituted by a support member for supporting the support portion for mounting on the observer's head the observation optical system of the present invention, for example, a belt and an optical system holding portion. 32は光学系2を保持する保持部(筐体)、34は表示手段1の表示部の駆動を行う回路部、33は集光レンズ3並びに表示手段1、回路部34を保持する保持部である。 32 holding portion for holding the optical system 2 (casing), 34 circuit unit for driving the display portion of the display means 1, 33 a condenser lens 3 and the display unit 1, the holding portion for holding the circuit unit 34 is there. 図3に示す様に、本発明の観察光学系を支持部31を介して観察者の頭部に装着する際、観察光学系の光学素子2の保持部32を支持部31より下方に、集光レンズ3及び表示手段等の保持部33を上方に配置することにより、重量バランスの良い画像表示装置を構成することが可能である。 As shown in FIG. 3, the observation optical system of the present invention when mounted on the observer's head through the support 31, the holding portion 32 of the optical element 2 of the observation optical system from the lower support portion 31, collecting by arranging the holding portion 33 such as an optical lens 3 and the display unit upward, it is possible to configure the image display device with good weight balance. 即ち、観察光学系が該光学素子2以外に集光レンズ(リレー光学系)3を有し、該集光レンズ3と該光学素子2とを支持部に対して上下に配置することにより重量バランスの良い観察光学系が得られる。 That is, the weight balance by the observation optical system has a condenser lens (relay optical system) 3 in addition to the optical element 2 is arranged vertically with respect to the support portion and the condenser lens 3 and the optical element 2 good observation optical system is obtained with.
【0025】 [0025]
以下に本発明にかかる3つの数値実施例の構成データを示す。 It shows the configuration data of the three numerical example according to the present invention below.
【0026】 [0026]
尚、構成データ中、R は面の曲率半径、D は面間隔、N は媒質の屈折率、νは媒質のアッベ数であり、θは前面の光軸に対する面の光軸の傾き、YDは光軸に対する垂直方向の面の移動量、ZDは光軸方向の面の移動量を示す。 Incidentally, in the configuration data, R represents radius of curvature of the surface, D is the surface interval, N is the refractive index of the medium, [nu is the Abbe number of the medium, theta is the inclination of the optical axis of the surface with respect to the front face of the optical axis, YD is movement amount in the vertical direction of the surface relative to the optical axis, ZD indicates the amount of movement of the surface in the optical axis direction.
【0027】 [0027]
また、ASP と示された面は以下の式で表される非球面であり、記載のない係数は 0である。 The surface shown as ASP is an aspheric surface represented by the following formula, without the coefficient stated is 0.
【0028】 [0028]
として: As:
【0029】 [0029]
【数1】 [Number 1]
なお、各数値実施例の厚さを示す為に、図2の点a において法線dd 1に平行に測ったプリズムの厚みをDa、点c において法線dd 1に平行に測ったプリズムの厚みをDcとしてその数値を示す。 Incidentally, in order to show the thickness of each numerical example, the thickness of the prism measured parallel to the normal dd 1 the thickness of the prism measured parallel to the normal dd 1 in a point of FIG. 2 Da, at a point c It shows the numerical values ​​as Dc.
[数値実施例1] [Numerical Example 1]
図4は数値実施例1の垂直方向の断面図である。 Figure 4 is a schematic vertical cross sectional view of Numerical Embodiment 1. その構成データを以下に示す。 It shows the configuration data below.
【0030】 [0030]
垂直方向視野画角±23.4゜α:-5.40゜、β:25.46゜ Vertical viewing angle of ± 23.4 ° α: -5.40 °, β: 25.46 °
2β+α=45.52 ゜ 2β + α = 45.52 °
r a 86.011mm r a 86.011mm
r c 173.836mm r c 173.836mm
|r a /r c | = 0.495 | R a / r c | = 0.495
Da=11.77mm、Dc=21.28mm Da = 11.77mm, Dc = 21.28mm
[数値実施例2] [Numerical Example 2]
図5は数値実施例2の垂直方向の断面図である。 Figure 5 is a schematic vertical cross sectional view of Numerical Embodiment 2. その構成データを以下に示す。 It shows the configuration data below.
【0031】 [0031]
垂直方向視野画角±23.4゜α:20.00゜、β:20.84゜ Vertical viewing angle of ± 23.4 ° α: 20.00 °, β: 20.84 °
2β+α=61.68 ゜ 2β + α = 61.68 °
r a = 86.619mm r a = 86.619mm
r c =166.355mm r c = 166.355mm
|r a /r c |= 0.521 | R a / r c | = 0.521
Da=13.68mm、Dc=19.84mm Da = 13.68mm, Dc = 19.84mm
[数値実施例3] [Numerical Example 3]
図6は数値実施例3の垂直方向の断面図である。 6 is a schematic vertical cross sectional view of Numerical Embodiment 3. その構成データを以下に示す。 It shows the configuration data below.
【0032】 [0032]
垂直方向視野画角±23.4゜α:27.07゜、β:22.15゜ Vertical viewing angle of ± 23.4 ° α: 27.07 °, β: 22.15 °
2β+α=71.37 ゜ 2β + α = 71.37 °
r a = 90.584mm r a = 90.584mm
r c = 68.158mm r c = 68.158mm
|r a /r c |= 1.329 | R a / r c | = 1.329
Da=10.56mm、Dc=15.02mm Da = 10.56mm, Dc = 15.02mm
以上のように、本発明の各数値実施例は原画像からの光束を光学素子を介して観察者の眼球の位置する射出瞳に導く観察光学系において,屈折面として作用する第1の面A 、光束を2回反射する面として作用する第2の面B 、全反射面及び屈折面として作用する第3の面C の少なくとも3つの光学作用面を有する光学素子を観察光学系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束が、第1の面A から入射して、第2の面B での1回目の反射から第3の面C へ向かう光束群を横切る様に中間結像面を形成することにより、垂直方向画角±20゜程度の広視野画角で、薄型で軽量な観察光学系となっている。 As described above, the numerical examples of the present invention is in the observation optical system that guides the exit pupil position of the eye of the observer a light beam via the optical elements from the original image, a first surface A, which acts as a refractive surface the second surface B which acts as a surface for reflecting the light beam twice, be provided in the third surface observation optical system an optical element having at least three optical surfaces of the C acting as a total reflection surface and the refractive surface the original light flux from each point on the image, and enters from the first surface a, the second first intermediate image as crossing the optical beam group directed from the reflective to the third surface C in terms B by forming the image plane, a wide viewing angle of approximately vertical angle ± 20 °, and has a lightweight observation optical system thin.
【0033】 [0033]
更に、該観察光学系は前記光学素子以外に集光レンズ(リレー光学系)を有し、該集光レンズと該光学素子とを支持部に対して上下に配置することにより重量バランスの良い画像表示装置を構成できる。 Furthermore, the observation optical system includes a condensing lens (relay optical system) in addition to the optical element, a good weight balance by arranging vertically relative to the support portion and the condenser lens and the optical element images It can be a display device.
【0034】 [0034]
更に、上記の各数値実施例のいずれか1つの観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配置して画像表示装置を構成すれば、軽量で使用感の良い画像表示装置が得られ、更に左右の表示手段に表示する原画像を左右の視差画像とすれば軽量な立体画像表示装置が得られる。 Further, if the image display device corresponding to each one by one arranged in the left and right eyes of the observer any one of the observation optical system according to each numerical example of the above, a good image display with feeling lightweight device is obtained, lightweight stereoscopic image display device can be obtained if the original image further displayed on the left and right of the display means and the left and right parallax images.
【0035】 [0035]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
本発明は以上の構成により、実像タイプでありながら、前後方向に極めて薄型で、小型・広視野角の観察光学系を達成する。 The present invention is the above configuration, yet real type, with an extremely thin in the front-rear direction, to achieve the observation optical system compact, wide viewing angle.
【0036】 [0036]
更に、表示手段及びリレー光学系を画像表示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部より下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置を構成できる観察光学系を達成する。 Further, the display unit and the relay optical system is arranged above the supporting portion of the image display apparatus, the optical element to achieve the observation optical system can be configured image display device with good weight balance by arranging below the support portion .
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】 本発明の観察光学系の実施形態1の基本構成図【図2】 本発明の観察光学系の基準光線と各面との関係の説明図【図3】 本発明の観察光学系を用いた画像表示装置の概略配置図【図4】 本発明の数値実施例1の垂直方向断面図【図5】 本発明の数値実施例2の垂直方向断面図【図6】 本発明の数値実施例3の垂直方向断面図【符号の説明】 [1] observation optical system of the present illustration of the relationship between the reference ray and each surface of the observation optical system observation basic configuration diagram of an embodiment 1 of the optical system [2] The present invention the present invention; FIG numerical schematic layout FIG. 4 numerical vertical sectional view of a second embodiment of the vertical cross-sectional view of numerical example 1 [5] the present invention 6 present invention an image display device using the vertical cross-sectional view of a third embodiment eXPLANATION oF REFERENCE nUMERALS
1・・・表示手段2・・・光学素子3・・・集光レンズ(リレー光学系) 1 ... Display device 2 ... optical element 3 ... converging lens (relay optical system)
4・・・射出瞳(観察者の瞳が位置する) 4 ... exit pupil (observer's pupil is located)
A・・・第1の面B・・・第2の面C・・・第3の面8・・・中間結像面9・・・筐体の壁w・・・覗窓w 0・・覗窓の中心 A ... first surface B ... second surface C ... third surface 8 of ... intermediate image plane 9 ... housing wall w ... viewport w 0 · · the center of the observation window
31・・・支持部 31 ... support section
32・・・保持部 32 ... holding portion
33・・・保持部 33 ... holding portion
34・・・回路部 34 ... circuit section

Claims (9)

  1. 表示手段に表示する原画像からの光束を光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳に導光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて該観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系において、 The light flux from the original image to be displayed on the display means, and guided to a predetermined exit pupil relative to the optical system through the optical system, is located substantially to the observer's pupil at the position of the exit pupil by the in the observation optical system to the observer allowed to visually recognize an enlarged virtual image of the original image,
    該観察光学系は、 屈折面として作用する第1の面、反射面として作用する第2の面、全反射面及び屈折面として作用する第3の面の少なくとも3つの光学作用面を有する光学素子と、前記表示手段と前記光学素子間に配置された集光レンズを有し、 The observation optical system includes a first surface which acts as a refracting surface, a second surface which acts as a reflective surface, the optical element having at least three optical surfaces of the third surface which acts as a total reflection surface and the refractive surface When have placed a condensing lens between the display means and the optical element,
    前記原画像からの光束は、前記集光レンズを介して前記第1の面より前記光学素子に入射し、前記第2の面での反射と前記第3の面での全反射とを経た後、前記第3の面より前記光学素子を射出すると共に、前記光学素子内に前記原画像の中間像が実像として形成され、 The light flux from the original image, through the condensing lens is incident on the optical element than the first surface, after undergoing the total reflection at the third surface and the reflection at the second surface , as well as emits from the optical element and the third surface, the intermediate image of the original image is formed as a real image within said optical element,
    前記表示手段の表示面の中心から射出して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線とした場合に、前記光学素子は、該基準光線が2回反射する面を有し、この面は、この面での 1回目の前記原画像からの光束の反射部位と2回目の前記原画像からの光束の反射部位との少なくとも一部分が重なっており、且つ該基準光線に対して偏心した曲面であることを特徴とする観察光学系。 If the centered relative to the light ray passing through the center of the exit pupil and the exit from the light of the display surface of the display means, wherein the optical element has a surface on which the reference beam is reflected twice, this surface, at least partially overlaps the reflecting part of the light beam from the reflective portion and the second of the original image of the light beam from the first of the original image in this plane, is in and curved surface decentered with respect to the reference ray the observation optical system, characterized in that.
  2. 前記集光レンズは、前記基準光線に対して偏心して配置される曲面を有していることを特徴とする請求項1の観察光学系。 The condenser lens is a first aspect of the observation optical system characterized in that it has a curved surface which is arranged eccentrically with respect to the reference beam.
  3. 前記集光レンズで前記基準光線に対して偏心して配置される曲面は透過面であることを特徴とする請求項2に記載の観察光学系。 An observation optical system according to claim 2, wherein the curved surface is arranged eccentrically with respect to the reference light beam by the condenser lens is a transmitting surface.
  4. 前記集光レンズは、前記原画像からの光束を集光して前記光学素子に入射させることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の観察光学系。 The condenser lens is an observation optical system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that is incident by condensing the light flux from the original image to the optical element.
  5. 前記中間像は、前記光学素子を構成する光学面間で反射される光束上に形成され、且つ該中間像を形成した光束が前記光学素子を構成する光学面間で再度反射された後に該中間像を横切ることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の観察光学系。 The intermediate image, the formed on the light beam reflected between the optical surfaces constituting the optical element, and between the middle after being reflected again between the optical surfaces which the light beam forming the intermediate image constituting the optical element an observation optical system according to claim 1, any one of 4, characterized in that across the image.
  6. 前記原画像からの光束は前記第1の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第2の面により反射して前記第3の面へ向かい、該第3の面により全反射して該第2の面へ向かい、該第2の面により再度反射して該第3の面へ向かい、該第3の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、 The light flux from the original image is transmitted through the first surface and incident on the optical element, and then directed reflected by said second surface to the third surface, and total reflected by the third surface Te directed to said second side, and again reflected by the second surface directed to said third surface, is guided in the third the exit pupil is transmitted through the surface and exit the optical element ,
    αを前記基準光線が前記第3の面で屈折する際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角、βを該基準光線が前記第2の面において2回目の反射をする際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角とした場合、 inclination angle of the reference beam relative to the surface normal at the incidence point of time of the reference ray and α is refracted by the third surface, the reference light beam to β is the time of reflection for the second time in the second plane If the inclination angle of the reference beam relative to the surface normal at the incidence point,
    以下の条件式: The following condition:
    30゜≦2β+α≦90゜ −10゜≦α≦30゜を満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項の観察光学系。 Any one of the observation optical system of claims 1 to 5, characterized by satisfying 30 ° ≦ 2β + α ≦ 90 ° -10 ° ≦ alpha ≦ 30゜Wo.
  7. 前記原画像からの光束は前記第1の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第2の面により反射して前記第3の面へ向かい、該第3の面により全反射して該第2の面へ向かい、該第2の面により再度反射して該第3の面へ向かい、該第3の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、 The light flux from the original image is transmitted through the first surface and incident on the optical element, and then directed reflected by said second surface to the third surface, and total reflected by the third surface Te directed to said second side, and again reflected by the second surface directed to said third surface, is guided in the third the exit pupil is transmitted through the surface and exit the optical element ,
    rcを前記基準光線が前記第2の面において1回目の反射をする際の入射点における前記第2の面の垂直断面の曲率半径、raを前記基準光線が前記第2の面において2回目の反射をする際の入射点における前記第2の面の垂直断面の曲率半径として、以下の条件式: the radius of curvature of the vertical section of the second surface at the incident point at which the reference light beam and rc is the reflection of the first in the second surface, ra said reference light beam for the second time in the second plane as the radius of curvature of the vertical section of the second surface at an incident point for the reflective, the following conditional expression:
    0<|ra/rc|<1.5 0 <| ra / rc | <1.5
    を満足することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項の観察光学系。 Any one of the observation optical system of claims 1 to 6, characterized by satisfying the.
  8. 請求項1乃至7に記載の観察光学系と、該観察光学系を観察者の頭部に装着するための支持部を有する画像表示装置であって、該観察光学系のリレー光学系が該支持部の上方であって、該観察光学系の光学素子が該支持部の下方になるように観察者の頭部に装着されることを特徴とする画像表示装置。 An observation optical system according to claim 1 to 7, an image display apparatus having a support portion for mounting on the observer's head with the observation optical system, a relay optical system of the observation optical system the support a upper section, the image display apparatus characterized by the observation optical system optical elements are mounted on the observer's head so that the lower side of the support portion.
  9. 請求項1乃至7に記載の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配置したことを特徴とする画像表示装置。 The image display apparatus characterized by the observer corresponds to the left and right eyes respectively one by one arranged an observation optical system according to claim 1 to 7.
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