JP6683814B2 - 接眼レンズ及び頭部装着型表示装置 - Google Patents

Description

(関連出願の相互参照)
本願は、２０１７年１０月２４日に出願した「接眼レンズ及び頭部装着型表示装置」と題する第２０１７１１００３３１２８号中国特許出願の全体が参照により組み込まれる。

本発明は、仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）の技術に関し、特にその技術を用いた接眼レンズ及び頭部装着型表示装置に関する。

ＶＲ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ、仮想現実）技術は、仮想世界を創り出し体験することが可能なコンピューターシミレーションシステムのことである。このシステムにおいて、使用者に多種の情報を融合した３次元ダイナミック画像と実体行為のシステムシミレーションを堪能できるモデル環境はコンピューターによって生成される。技術の進展に伴い、ＶＲ技術を用いた頭部装着型表示装置は、ゲーム、不動産、旅行などの分野で幅広く使用されている。

携帯電話のスクリーンを表示デバイスとするＶＲ頭部装着型表示装置があるが、携帯電話のスクリーンのサイズは通常大きく、２〜５インチくらいある。既存の頭部装着型表示装置では、そのようなサイズの大きい表示デバイスに合わせる接眼レンズの光学システムは、軸方向距離が長いという特徴がある。軸方向の長い接眼レンズでは頭部装着型表示装置の薄型化に対応できない。

本発明では、超薄型接眼レンズの光学システムと頭部装着型表示装置の小型化と軽量化を実現可能な接眼レンズ及び頭部装着型表示装置を提供する。

本発明では以下の接眼レンズを提供する。
すなわち、本発明の接眼レンズは、
同軸に順次、正レンズと負レンズが設けられ、
上記正レンズの入光面は平面フレネル面で、出光面は凸面であり、上記負レンズの入光面は凹面で、出光面は凸面であり、
観測する光線は、上記負レンズの入光面に入射し、上記負レンズより上記正レンズの入光面に屈折され、更に上記正レンズより出射する。
上記正レンズの出光面は凸非球面とすることができる。

上記正レンズの屈折率ｎ１と分散ｖ１は、１．５＜ｎ１＜１．５５、５５＜ｖ１＜６０の関係を満たし、上記負レンズの屈折率ｎ２と分散ｖ２は １．５＜ｎ２＜１．５５、５５＜ｖ２＜６０の関係を満たすことが好ましい。

本発明の実施形態では、さらに本発明の実施例の接眼レンズ及び上記接眼レンズと同軸にある表示デバイスを含む頭部装着型表示装置を提供する。上記表示デバイスから発したスクリーン光線は前記接眼レンズより人間の目に屈折される。
上記正レンズの出光面の中心点から上記表示デバイスのディスプレーの中心点までの距離ＴＴＬは、３２ｍｍ以下であることが好ましい。

上記正レンズの中心点から人の目までの距離Ｔ０は、０．３５ＴＴＬ＜Ｔ０＜０．４５ＴＴＬの関係を満たし、上記正レンズの中心厚さＴ１は０．０９ＴＴＬ＜Ｔ１＜０．１ＴＴＬの関係を満たすことが好ましい。
上記負正レンズの中心厚さＴ２は、０．０９ＴＴＬ＜Ｔ２＜０．１ＴＴＬの関係を満たすことが好ましい。
上記装置の焦点距離Ｆは、０．９ＴＴＬ＜Ｆ＜０．９５ＴＴＬの関係を満たすことが好ましい。
上記正レンズの入光面のフレネル曲率半径Ｒは、−０．６Ｆ＜Ｒ＜−０．６５Ｆの関係を満たすことが好ましい。
上記負レンズの焦点距離Ｆ２は、ー７００＜Ｆ２＜０の関係を満たし、上記正レンズの焦点距離Ｆ１はＦ１＜Ｆの関係を満たすことが好ましい。

本発明にかかる接眼レンズ及び頭部装着型表示装置では、接眼レンズの光学システムは、構造の簡単な正、負レンズから構成される。ここで、正レンズの出光面は凸面で、入光面は平面フレネル面であり、負レンズの入光面は凹面で、出光面は凸面である。このような接眼レンズの構造によれば、正、負レンズの光学性能が良好に保持されるとともに、レンズの厚さを大幅に薄くでき、超薄型接眼レンズの光学システム及び頭部装着型表示装置の小型化と軽量化を実現できる。

以下の図面は、本発明をより明白に説明するためのものであり、本発明の一部である。本発明の実施例及びその説明は本発明を説明するためものであり、本発明を不適切に限定するものではない。
本発明の実施例の接眼レンズの構成を示す図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置における表示デバイスの限界解像度によるＭＴＦ曲線である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置における表示デバイスの１／２限界解像度によるＭＴＦ曲線である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置における光学フィールド曲率と歪みの一例を示す図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置の点列図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置におけるシステム色収差曲線の一例を示す図である。

実施形態

本発明の目的、技術案及びメリットをさらに明白にするために、以下では本発明における具体的な実施例及び対応する図面を用いて、本発明の技術案に対し明確かつ総括的に説明する。無論、その実施例は単なる一部のものであり、本発明における実施例の全部ではない。また、本分野における当業者が、創作的な活動によらず、本発明の実施例に基づき想到した他の実施例は全て、本発明により保護されることになる。
図１ａは、本発明の実施例の接眼レンズの構成を示す図である。図１ａに示す通り、前記接眼レンズの光学システムは以下のような構成となっている。
同軸に順次、正レンズ１１及び負レンズ１２が設けられる。正レンズ１１の入光面Ｓｉ１は負レンズの出光面Ｓｅ２に隣接する。

ここで、負レンズ１２の入光面Ｓｉ２は凹面で、出光面Ｓｅ２は凸面である。Ｓｉ２が凹面であるため、観測する光線が入射すると、負レンズ１２は高効率で光を集め、可能な限り観測する光線を接収して送ることができる。Ｓｅ２は凸面で、大きな角度で光を屈折できるため、発散角度の大きい光線を、大きな入射高度及び小さな発散角度で正レンズ１１の入光面Ｓｉ１に入射させることが可能である。これにより、Ｓｉ１に入射されたエッジ光線及び主光線は、大きな発散角度及び小さな入射高度で人間の目に入射するため、視野角の拡大という目的が達成される。

ここで、正レンズ１１の入光面Ｓｉ１は平面フレネル面で、出光面Ｓｅ１は凸面である。光線がＳｉ１に入射すると、Ｓｉ１は入射した光線を収集及び整形し、要求される角度でＳｅ１に到着させる。Ｓｅ１は凸面で、大きな角度で光を屈折できるため、更に視野角を拡大できる。

Ｓｅ１を凸非球面に設計しても良い。凸非球面の曲率半径は中心からエッジまで所定の変化が連続して発生するため、各出射光線の方向が正確に制御される。そのため、光線は設定された角度で人間の目に出射し、視野角が拡大すると同時に収差も校正される。

好ましい形態として、収差の校正需要及び光線の屈折度需要を確定してから、逆設計を行い、曲率半径が変化する凸非球面Ｓｅ１を得ることも可能である。好ましい実施形態では、加工及び検出の利便性を保証するために、Ｓｅ１の面型を偶数回非球面に設計しても良い。以下の偶数回非球面方程式に従い、Ｓｅ１の面型を設計しても良い。

ここで、ｚは光軸の方向に沿う座標で、ｒはレンズの高さの方向に沿う縦座標である。ｃは非球面の中心点の曲率に関する二次項の係数で、ｃ＝１／ｒ０、ｒ０は非球面中心点の曲率半径である。ｋは円錐の係数で、ｋ＝−ｅ２である。ａｉは各偶数次項の係数である。好ましい実施形態として、本実施例を実際に設計する際、Ｎ＝３、即ち偶数次項を最大６乗にしても良い。
好ましい形態として本実施例では、Ｓｅ１の面型を奇数回非球面に設計しても良い。以下の奇数回非球面方程式に従い、Ｓｅ１の面型を設定しても良い。


ここで、β_ｉは各奇数次項の係数である。

好ましい実施形態では、正レンズ１１及び負レンズ１２を加工するためにプラスチック材質を使用しても良い。プラスチック材質は加工しやすく且つ軽いため、接眼レンズの光学システムを軽量化できる。ここで、正レンズ１１の屈折率ｎ１と分散ｖ１は、１．５＜ｎ１＜１．５５、５５＜ｖ１＜６０の関係を満たし、負レンズ１２の屈折率ｎ２と分散ｖ２は １．５＜ｎ２＜１．５５、５５＜ｖ２＜６０の関係を満たす。好ましい形態として、実際正レンズ及び負レンズを加工する際、本実施例ではＫ２６Ｒ型のプラスチック材質を使用する。Ｋ２６Ｒ型のプラスチック材質の屈折率は１．５３５で、分散は５５．６である。

本実施例の接眼レンズは、構造が簡単な正、負レンズから構成される。ここで、正レンズの出光面は凸面で、入光面は平面フレネル面である。負レンズの入光面は凹面で、出光面は凸面である。このような接眼レンズの構造によれば、正、負レンズの光学性能が良好に維持されるとともに、レンズの厚さが大幅に薄くされ、超薄型接眼レンズの光学システム及び頭部装着型表示装置の小型化と軽量化を実現できる。また、正レンズ１１の出光面は凸非球面であるため、接眼レンズの光学システム全体の収差が校正され、高品質の結像が生成される。また、正負レンズからなる接眼レンズは、接眼レンズの光学システム全体の収差が校正され、結像の品質を高めることが可能で、接眼レンズは構成が簡単で、原価も低いというメリットがある。
図１ｂは、本発明の実施例の頭部装着型表示装置の構成を示す図である。図１ｂに示す通り、上記頭部装着型表示装置は以下の構成となっている。

すなわち、同軸に順次、正レンズ１１、負レンズ１２及び表示デバイス１３が設けられる。ここで、正レンズ１１の入光面Ｓｉ１は負レンズの出光面Ｓｅ２に隣接し、負レンズの入光面Ｓｉ２は表示デバイス１３に隣接する。

本実施例では、表示デバイス１３はサイズの大きい表示デバイスで、例えば携帯電話の表示デバイスもしくはＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、液晶表示デバイス）等であっても良い。

図１ｂに示す通り、表示デバイス１３のディスプレーの中心点から正レンズ１１の出光面Ｓｅ１の中心点までの距離をＴＴＬ（ｔｏｔａｌ ｔｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ、光線追跡長さ）とする。本実施例の頭部装着型表示装置において、正レンズ１１と負レンズ１２は強い屈折力があり且つ薄いため、ＴＴＬは３２ｍｍ以下になりうる。大きなディスプレーを用いた既存の頭部装着型表示装置に比べ、本実施例では、ＴＴＬが小さいことから頭部装着型表示装置のサイズを大幅に縮小できる。

図１ｂに示す通り、使用者が本実施例の頭部装着型表示装置を装着した状態では、目は接眼レンズの光学システムにおいて瞳孔の位置である。正レンズ１１の出光面Ｓｅ１の中心点から人間の目までの距離をＴ０とする。使用者に頭部装着型表示装置を装着し高品質の画像を視認させるために、Ｔ０を０．３５ＴＴＬ＜Ｔ０＜０．４５ＴＴＬの関係を満たす長さに設定しても良い。好ましい形態として、各種の髪型に適合させるために、頭部装着型表示装置に調整可能な部品を設けて、Ｔ０の長さを調整することもできる。

好ましい形態として、本実施例では、接眼レンズにある２つのレンズの薄さと良好な光学性能を確保するために、正レンズ１１の中心厚さＴ１が、０．０９ＴＴＬ＜Ｔ１＜０．１ＴＴＬの関係を満たし、負レンズ１２の中心厚さＴ２が、０．０９ＴＴＬ＜Ｔ２＜０．１ＴＴＬ、装置の焦点距離Ｆが、０．９ＴＴＬ＜Ｆ＜０．９５ＴＴＬの関係を満たすように設定しても良い。好ましい形態として、正レンズ１１の入光面Ｓｉ１のフレネル曲率半径Ｒが、−０．６Ｆ＜Ｒ＜−０．６５Ｆの関係を満たし、正レンズ１１の焦点距離Ｆ１が、Ｆ１＜Ｆ、負レンズ１２の焦点距離Ｆ２が、−７００＜Ｆ２＜０の関係を満たすように設定しても良い。例えば、反復改良により、表示デバイス１３の表示チップのピクセルサイズが３９ｕｍである場合、Ｆ＝２９．２４ｍｍ、Ｆ１＝２８．７８ｍｍ、Ｆ２＝ー６７７．６ｍｍに選定しても良い。

本実施例では、上記の構成及びパラメーター設計により、接眼レンズの光学システムの半視野角θは９８°となる。即ち、ｔａｎθは１．１〜１．２になる。これにより、頭部装着型表示装置を装着し虚像を視認する場合、深い堪能感及びリアル感がが実感できる。

本実施例では、接眼レンズと表示デバイスの整合性により、軸距離が短く、視野角が約９８°に達することから、頭部装着型表示装置に十分な視野角が確保され、更なる小型化と軽量化も可能となる。

以下、表１及び表２を用いて本発明の実施例の頭部装着型表示装置における光学システムについて具体例で説明する。表１は実施可能な設計を示す。表１では、Ｓｕｒｆａｃｅは人間の目から表示デバイスまでの順に番号を付けた光学面を、Ｔｙｐｅは各光学面の面型を、Ｃは各光学面の曲率を、Ｔは各光学面と次の光学面との距離を、Ｇｌａｓｓは各光学面の材質を、Ｓｅｍｉ−Ｄｉａｍｅｔｅｒは各光学面の口径を、Ｃｏｎｉｃは二次曲面定数を表す。

表１では、Ｓｕｒｆａｃｅ１は人間の目の所在面を、Ｓｕｒｆａｃｅ２は正レンズ１１の出光面Ｓｅ１を、Ｓｕｒｆａｃｅ３は正レンズ１１の入光面Ｓｉ１を、Ｓｕｒｆａｃｅ４は負レンズ１２の出光面Ｓｅ２を、Ｓｕｒｆａｃｅ５は負レンズ１２の入光面Ｓｉ２を、Ｓｕｒｆａｃｅ６は表示デバイス１３のディスプレーを表す。

表１に通り、実施可能な設計では、正レンズ１１の厚さは３ｍｍで、上記出光面Ｓｅ１の中心点から人間の目までの距離は１３ｍｍで、Ｓｅ１の中心点の曲率半径は１１８．４０２ｍｍで、Ｓｉ１のフレネル曲率半径は−１７．６４２である。負レンズ１２の厚さは３ｍｍで、上記出光面Ｓｅ２の中心点のフレネル曲率半径は５３．７８８ｍｍで、Ｓｅ２からＳｉ１の中心点までの距離は２．２７２ｍｍで、入光面Ｓｉ２の中心点の曲率半径は４５．９５５である。Ｓｉ２から表示デバイス１３のディスプレーまでの距離は２３．７４８ｍｍで、表示デバイスの厚さは２６．２３ｍｍである。

このような設計によれば、光学システムのＴＴＬはＴＴＬ＝３＋２．２６＋３＋２３．７４＝３２ｍｍになり、軸は既存技術では達成できない長さに縮小される。
本設計では、偶数回非球面係数α２、α３、α４は以下の表の通りである。

上記設計に基づき、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、調整伝達関数）曲線、光学フィールド曲率、及び歪み図、点列図、色収差曲線図を制作し、目標の光学システムの結像品質に対し分析を行っても良い。

図２ａは、本発明の実施例の接眼レンズの光学システムにおける表示デバイスの限界解像度によるＭＴＦ曲線で、図２ｂは、表示デバイスの１／２限界解像度によるＭＴＦ曲線である。図２ａと図２ｂでは、それぞれの色はそれぞれの視野の光線を表し、横軸は光学システムの点から光学システムの中心までの距離を、縦軸は結像品質と実物との相似度のパーセンテージを表す。ＭＴＦは総括的に光学システムの結像品質を反映している。ＭＴＦの曲線は平滑であればあるほど、そしてＸ軸に対する高さ（即ち１への近似度）が高ければ高いほど、上記光学システムの結像品質が良いことを示す。図２ａと図２ｂからは、それぞれの色の曲線は平滑且つ緊密で、曲線が表すＭＴＦの値が高いことがわかる、そして図２ｂからは、表示デバイスの１／２限界解像度である場合、０．６視野以内のＭＴＦの値は全て０．４以上となり、光学システムの結像の収差が良好に校正されたことがわかる。

図３は、本発明の実施例の接眼レンズにおける光学システムの光学フィールド曲率と歪みの一例を示す図である。図３の左の図はフィールド曲率（Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を表す。ここで、波長は色により区別され、実線は正接（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）フィールド曲率を、点線は弓形（ｓａｇｉｔｔａｌ）フィールド曲率を表し、両者の差は光学システムの非点収差になる。非点収差とフィールド曲率は軸外視野光線に影響する重要な収差であり、非点収差が大きすぎるとシステム軸外光線の結像品質に重大な影響を及ぼし、フィールド曲率により中心とエッジの最良結像は同一平面からずれることになる。図３の左の図より、本実施例の光学システムのフィールド曲率と非点収差は全て５ｍｍ以内に校正されることがわかる。図３の右の図から、本実施例の光学システムの歪み（Ｆ−Ｔａｎ（ｔｈｅｔａ）ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）は２５％以下であることがわかる。

図４は本発明の実施例の接眼レンズの光学システムの点列図である。点列図は光学システムの各視野光線が像面に集まり拡散ライトスポットになったことを表す。点列図のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ、二乗平均平方根）の半径が小さければ小さいほどシステムにおける結像品質は良いことになる。図４では、本実施例の光学システムの拡散ライトスポットのＲＭＳの直径は全て１２０ｕｍ以下であることから、収差は良好に校正されたことがわかる。

図５は本発明の実施例の接眼レンズの光学システムのシステム色収差曲線の一例を示す図である。図５では、横軸は色収差を、縦軸は視野角を表す。曲線と縦軸との偏差度は色収差の変化を表し、偏差度が大きければ大きいほど色収差は大きいことになる。図５では、最大半視野角（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｆｉｅｌｄ）は４９°であり、色収差は３５０ｕｍ以内に制御されている。

本文中の「第一」、「第二」等の文言は、情報、装置、モジュール等を区別するために使用され、前後の順序を示すものではない。また、「第一」と「第二」は異なるタイプとは限らない。

更に、専門用語「含有」、「包含」もしくはその他のいかなる変形も、非排他的な意味を有する。そのため、一系列の要素を含めた過程、方法、商品及び装置は、その一系列の要素以外に、明確に記載していない他の要素、もしくは、その過程、方法、商品及び装置における固有の要素も含むことになる。より多くの条件が付かない限り、文章「……を含む」で限定される要素には、……といった要素を含む過程、方法、商品及び装置は他の同様な要素も含む可能性がある。

上記の内容は単に本発明の実施例に過ぎず、本発明を限定することはない。当業者であれば、本発明にはかなりの変更を加える余地がある。本発明の技術的思想と本質に基づいた変更、同等な変換、改良等は全て、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Claims (5)

1. 接眼レンズであって、
   同軸に順次、正レンズ及び負レンズが設けられ、
   前記正レンズの入光面は平面フレネル面で、出光面は凸面であり、前記負レンズの入光面は凹面で、出光面は凸面であり、
   観測される光線は、前記負レンズの入光面に入射し、前記負レンズより前記正レンズの入光面に屈折し、更に前記正レンズより出射し、
   前記正レンズの屈折率ｎ１と分散ｖ１は、１．５＜ｎ１＜１．５５、５５＜ｖ１＜６０の関係を満たし、前記負レンズの屈折率ｎ２と分散ｖ２は、１．５＜ｎ２＜１．５５、５５＜ｖ２＜６０の関係を満たすことを特徴とする接眼レンズ。
2. 前記正レンズの出光面は凸非球面であることを特徴とする請求項１に記載の接眼レンズ。
3. 頭部装着型表示装置であって、
   請求項１又は２のいずれかに記載の接眼レンズ及び前記接眼レンズと同軸にある表示デバイスを含み、
   前記表示デバイスから発したスクリーン光線は前記接眼レンズより人の目に屈折され、
   前記正レンズの中心点から人の目までの距離Ｔ０は、０．３５ＴＴＬ＜Ｔ０＜０．４５ＴＴＬの関係を満たし、前記正レンズの中心厚さＴ１は、０．０９ＴＴＬ＜Ｔ１＜０．１ＴＴＬの関係を満たし、
   前記負レンズの中心厚さＴ２は、０．０９ＴＴＬ＜Ｔ２＜０．１ＴＴＬの関係を満たし、
   前記装置の焦点距離Ｆは、０．９ＴＴＬ＜Ｆ＜０．９５ＴＴＬの関係を満たすことを特徴とする頭部装着型表示装置。
4. 前記正レンズの出光面の中心点から前記表示デバイスのディスプレーの中心点までの距離ＴＴＬは、３２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記負レンズの焦点距離Ｆ２は、−７００＜Ｆ２＜０の関係を満たし、前記正レンズの焦点距離Ｆ１はＦ１＜Ｆの関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の装置。