JPH09197337A - 接眼光学系 - Google Patents
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- G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
- G02B17/08—Catadioptric systems
- G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
- G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
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Abstract
良好に補正された頭部又は顔面装着式映像表示装置に特
に好適な接眼光学系。 【解決手段】 3つの隣合って配置され光学面3、4、
5からなる接眼光学系7において、3つの光学面3、
4、5によって形成される空間が屈折率が1より大きい
透明媒質で満たされており、この3つの光学面の中、少
なくとも2つの光学面3、4は光学系の瞳位置1側に凹
面を向けた曲面で構成され、かつ、この曲面3、4間で
少なくとも4回の反射をするように構成されている。
Description
し、特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持して眼球に
映像を投影する頭部又は顔面装着式映像表示装置用の接
眼光学系に関するものである。
いは、個人的に大画面の映像を楽しむことを目的とし
て、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部又は顔面装着式の
映像表示装置が開発されている。
ては、図6に示すように、映像を表示する2次元表示装
置11、対物視準レンズ12、両端に軸外し放物面鏡を
設けた平行透明プレート13で構成され、2次元表示装
置11の映像を表示する光を対物視準レンズ12で平行
光にした後、平行透明プレート13の平行面での第1の
透過、第1の放物面鏡での反射、平行透明プレート13
内でのいくつかの全反射、第2の放物面鏡での反射、平
行透明プレート13の平行面での第2の透過(8回反
射、2回透過)により、点Fに中間像を結像し、その中
間像を観察者の眼球14に投影している。
おいては、図7に示すように、映像表示素子11の像を
伝達光学素子15で湾曲した物体像に変換し、その物体
像をトーリック反射面16で観察者の眼球14に投影す
るものである。
ように、映像表示素子の映像をリレーするタイプの映像
表示装置では、接眼光学系の外にリレー光学系が必要に
なるので、光学系が大型で重量が重く、顔面あるいは頭
部からの突出量も大きくなり、頭部又は顔面装着式の映
像表示装置としてふさわしくない。
系も、中間像を眼球に投影する光学系も、パワーを有す
るのは放物面鏡のみであるので、その光学系で発生する
収差が非常に大きい。
面鏡のみを使用すると、たとえ凹面鏡が図7のようにト
ーリック面であったとしても、接眼光学系で発生する収
差が非常に大きく、画質が落ちる。
補正するために、ファイバープレートのような伝達光学
素子15を使用する必要がある。しかし、伝達光学素子
15、トーリック面16を使用しても、コマ収差等は十
分に補正できない。
鑑みてなされたもので、その目的は、中間像を作らない
接眼光学系において、コンパクト・軽量で収差が良好に
補正された頭部又は顔面装着式映像表示装置に特に好適
な接眼光学系を提供することである。
明の接眼光学系は、少なくとも3つの隣合って配置され
光学面からなる接眼光学系において、前記3つの光学面
の中、少なくとも2つの光学面は光学系の瞳位置側に凹
面を向けた曲面で構成され、かつ、前記曲面間で少なく
とも4回の反射をすることを特徴とするものである。
て形成される空間が屈折率が1より大きい透明媒質で満
たされていることが望ましい。
が配置され、その映像表示素子の表示面が瞳位置と反対
側に向けられていることが望ましい。
由と作用について説明する。本発明は、接眼光学系をコ
ンパクトに配置するために必要な光学系のレイアウトに
関するものである。すなわち、接眼光学系を薄くするこ
とは、それを用いる例えば映像表示装置の厚さを薄くす
るために重要である。表示装置を薄くすると、重心が観
察者頭部中心に近くなるために、同じ重量でも慣性モー
メントを少なくすることができる。つまり、観察者が頭
部を動かしたときの追従性が飛躍的に良くなる。
映像をリレー光学系を利用しないで、直接観察者眼球に
投影する構成の接眼光学系にした。
光学系の中を光線が往復するように構成して、光路を折
り畳むことによって接眼光学系を薄くすることに成功し
たものである。
広い観察画角を確保することができないために、少なく
とも2つの反射面を光学系瞳位置側に凹面を向けた曲面
で構成し、その曲面間で光線が反射すると共に光束を収
斂させ、同時に接眼光学系内を繰り返し反射する構成に
することが重要である。
同じパワーの屈折面に比べると発生収差量が少ない。ま
た、色収差に関しては全く発生しない。そして、パワー
を有する反射面が3面以上あると、パワーが分散でき、
同じパワーを得る場合にはより少ない収差で投影するこ
とが可能となる。さらに、凹面鏡と凸面鏡を適切な間隔
で適切に配置することによって、凹面鏡と凸面鏡の反射
面でそれぞれ発生する像面歪曲、球面収差等の発生収差
がお互いに打ち消しあい、良好な収差状態を維持するこ
とが可能である。
折り畳むことで、光学系を小型で薄くすることができ
る。また、少なくとも3つある光学面の中、2つの光学
面は光学系の瞳位置側である観察者眼球側に凹面を向け
て配置すると、コマ収差の発生が少なく、周辺まで解像
力の良い鮮明な観察像を得ることができる。
屈折率が1より大きい媒質で満たすことによって、反射
面を裏面鏡で構成することが可能となり、コマ収差と球
面収差の発生を抑えることができる。このことは、瞳か
らの逆追跡の光線が第2透過面(映像表示素子側から数
えて2番目の透過面)を透過後屈折収斂することによ
り、同じ観察画角を確保する場合に、表面鏡の光学系に
比べて光学系内での光線の広がりを抑えることができ、
反射面で発生する収差を少なくすることが可能となると
同時に、光線のケラレを生ずることなく光学系を小型に
することが可能となるためである。
に用いる場合に、接眼光学系の物体面に映像表示素子を
配置し、その表示面を瞳位置と反対側に向けて配置する
ことによって、瞳から光軸方向に、光学系先端までの厚
さを薄くすることが可能となり、映像観察装置として構
成する場合に、観察者顔面から前方への突出量を減らす
ことが可能となる。
系の瞳位置側に凹面を向けていると、コマ収差の発生が
更に少なく周辺まで解像力の良い鮮明な観察像を得るこ
とができる。
光軸は、第1の透過面、第1の反射面、第2の反射面、
第3の反射面、第4の反射面、第5の反射面、第2の透
過面の順番に進むように構成することが望ましい。こう
すると、第1の透過面を透過後に第2の透過面から射出
するまでの間に、第1の反射面から第5の反射面までの
間を少なくとも5回反射することになり、反射面を全て
裏面鏡にすることが可能となると同時に、光路を往復さ
せることが可能となる。
つの光学面の偏心面内の曲率とそれと直交する面内の曲
率とを変えることにより、偏心した凹面鏡により発生す
る非点収差を補正することが可能となる。
場所の同一形状の面で構成されていると、接眼光学系を
製作する上で加工する面形状が少なくなり、製作が簡単
になる。
一場所の同一形状の面で構成されていると、接眼光学系
を製作する上で加工する面形状が少なくなり、製作が簡
単になる。
一場所の同一形状の面で構成されていると、接眼光学系
を製作する上で加工する面形状が更に少なくなり、製作
が簡単になる。
反射面と第2透過面が同一場所の同一形状の面で構成さ
れていると、接眼光学系を製作する上で加工する面形状
がより少なくなり、製作が簡単になる。
一場所の同一形状の面で構成されていると、接眼光学系
を製作する上で加工する面形状が更に少なくなり、製作
が簡単になる。
の反射面と第2の透過面が同一場所の同一形状の面で構
成され、第1の反射面と第3の反射面が同一場所の同一
形状の面で構成されていると、接眼光学系を製作する上
で加工する面形状が少なくなり、製作が簡単になる。
を配置し、瞳位置に観察者眼球を配置するようにする位
置決め手段を配置すると、小型の映像表示装置を構成す
ることが可能となる。
者頭部に対して位置決めする手段を設け、観察者頭部に
装着できるようにすることによって、観察者は自由な観
察姿勢や観察者方向で映像を観察することが可能とな
る。つまり、楽な姿勢をとって映像を観察することがで
きる。例えば、ベッドに寝たままの病人でも頭部に映像
表示装置を装着して、寝たままの姿勢で映像を観察する
ことができる。こうして小型の頭部装着式映像表示装置
を構成することが可能となる。
置し、瞳位置に絞りを設けると、小型の撮像光学系を提
供することが可能となり、無限遠の物体を結像させるよ
うに構成することで、ビデオカメラのファインダー光学
系等の結像光学系として利用することが可能となる。
鏡、望遠鏡、内視鏡等の接眼光学系として使用可能なこ
とは言うまでもない。
面を向けた凸面鏡で構成すると、第1と第3の反射面で
発生する像面歪曲等の収差を打ち消すことが可能とな
り、接眼光学系全体の収差発生量を少なくすることがで
きる。
に凹面を向けた凹面鏡にすることにし、第2と第4の反
射面を瞳側に凹面を向けた凸面鏡にすることによって、
正・負・正・負・正のパワー配置になる。すると、コマ
収差、像面歪曲等の収差補正に更に良い結果を得ること
ができる。
射角が臨界角を越えて光線が入射するように配置する
と、第2の反射面で反射する光線は全反射を起こし、1
00%の反射率となる。これによって、観察像の光量ロ
スを少なくすることが可能となり、観察像を明るくする
ことが可能となる。また、反射領域と透過領域を重ねて
配置することが可能となり、光学系を小型にすることが
可能となる。
で構成すると、光学系に、「光学素子へ入射する際の第
1の透過作用」、「光学素子内での5回の反射作用」、
「光学素子から射出する際の第2の透過作用」の3つの
作用を持たせることが可能となり、1つの光学素子から
なる簡単な構成で、製作が簡単になる。
る場合に、臨界角を越える入射角にすることにより、第
2と第4の反射面は全反射を起こす。これによって、観
察像の光量ロスを少なくすることが可能となり、観察像
を明るくすることが可能となる。また、反射領域と透過
領域を重ねて配置することが可能となり、光学系を小型
にすることが可能となる。
に到達する光線を主光線とするとき、主光線が第2の反
射面に入射する光線と射出する光線がなす角度をθ2 と
するとき、 70°<θ2 <100° ・・・(1) なる条件を満足することが重要である。この条件式は、
光学系の縦方向の大きさを決める条件式であり、下限の
70°を越えると、光学系の第1の透過面と第2の反射
面が干渉し、広い観察画角をとることができない。ま
た、上限の100°を越えると、光学系が縦に長くな
り、小型化することが難しくなる。
入射する光線と射出する光線がなす角度をθ4 とすると
き、 110°<θ4 <160° ・・・(2) なる条件を満足することが重要である。この条件式も、
光学系の縦方向の大きさを決める条件式であり、下限の
110°を越えると、光学系の第1の透過面と第2の反
射面が干渉し、広い観察画角をとることができない。ま
た、上限の160°を越えると、光学系が縦に長くな
り、小型化することが難しくなる。
像表示装置に用いた場合の実施例1から3について、図
面を参照して説明する。各実施例の構成パラメータは後
記するが、以下の説明において、面番号は、観察者の瞳
位置1から映像表示素子6へ向う逆追跡の面番号として
示してある。そして、座標の取り方は、図1に示すよう
に、観察者の虹彩位置1を原点とし、観察者視軸2を原
点から接眼光学系7に向かう方向を正とするZ軸、観察
者視軸2に直交し、観察者眼球から見て上下方向の下か
ら上を正とするY軸、観察者視軸2に直交し、観察者眼
球からみて左右方向の右から左を正とするX軸と定義す
る。つまり、後記する図1の紙面内をYーZ面とし、紙
面と垂直方向の面をX−Z面とする。また、光軸は紙面
のY−Z面内で折り曲げられるものとする。
て、偏心量Y,Zと傾き角θが記載されている面につい
ては、基準面である1面(瞳位置1)からのその面の面
頂のY軸方向、Z軸方向の偏心量、及び、その面の中心
軸のZ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反
時計回りを意味する。なお、面間隔に意味はない。
形状は、その面を規定する座標上で、Ry 、Rx はそれ
ぞれY−Z面(紙面)内の近軸曲率半径、X−Z面内で
の近軸曲率半径、Kx 、Ky はそれぞれX−Z面、Y−
Z面内の円錐係数、AR、BRはそれぞれZ軸に対して
回転対称な4次、6次の非球面係数、AP、BPはそれ
ぞれZ軸に対して回転非対称な4次、6次の非球面係数
とすると、非球面式は以下に示す通りである。
{ 1-(1+Kx ) ( X2/Rx 2)-(1+Ky ) ( Y2/Ry 2)}
1/2 ]+AR[ (1-AP) X2+( 1+AP) Y2 ]2+B
R[ (1-BP) X2+( 1+BP) Y2 ]3 なお、面と面の間の媒質の屈折率はd線の屈折率で表
す。長さの単位はmmである。
て、逆追跡は、瞳から1mにある虚像の物点位置から行
っている。
用の映像表示装置の断面図を示す。それぞれの断面図に
おいて、図中、1は観察者の瞳位置、2は観察者視軸、
3は接眼光学系7の第1面、4は接眼光学系7の第2
面、5は接眼光学系7の第3面、6は映像表示素子、7
は接眼光学系である。
は、映像表示素子6から発した光線束は、接眼光学系7
の第1面3で屈折して接眼光学系7に入射し、順番に、
第2面4の内部反射、第1面3の内部反射、第2面4の
内部反射、第1面3の内部反射、第3面5の内部反射を
経て、第1面3に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹
彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳lとして観察者の眼
球内に投影される。
画角18.75°、垂直画角25°、瞳径8mmであ
り、実施例2は、水平画角22.5°、垂直画角30
°、瞳径4mmであり、実施例3は、水平画角30°、
垂直画角22.5°、瞳径4mmである。
面がアナモルフィック非球面であり、第1の透過面と第
2の反射面と第4の反射面と第2透過面が共通の第1面
3からなり、また、第1の反射面と第3の反射面が共通
の第2面4からなる。
点を結像する結像光学系として利用できることは、言う
までもない。
タの値を示す。ただし、θ1 〜θ5は、図1に示すよう
に、それぞれ映像表示素子6の中心を出て瞳1の中心に
到達する主光線が第1〜第5の反射面に入射する際の、
入射光線と射出光線がなす角度である。
4.1 Rx -42.527 Y -31.772 θ -8.869 ° Ky 0 Z 36.510 Kx 0 AR 0 BR 0 AP 0 BP 0 6 Ry -427.518 1.51633 64.1 Rx -29.212 Y 17.473 θ -5.351 ° Ky 0 Z 26.387 Kx 0 AR 0 BR 0 AP 0 BP 0 7 Ry -242.504 1.51633 64.1 Rx -42.527 Y -31.772 θ -8.869 ° Ky 0 Z 36.510 Kx 0 AR 0 BR 0 AP 0 BP 0 8 Ry -427.518 Y 17.473 θ -5.351 ° Rx -29.212 Z 26.387 Ky 0 Kx 0 AR 0 BR 0 AP 0 BP 0 9 (映像表示素子) Y 55.708 θ -22.615 ° Z 21.266 θ1 = 45 ° θ2 = 76 ° θ3 = 94 ° θ4 =128 ° θ5 = 65 ° 。
ィック面を使用したが、トーリック面でも、回転対称な
非球面、球面、さらに、次の式で定義される自由曲面等
で面形状で構成できることは言うまでもない。 ここで、x,y,zは直交座標を表し、Cnmは任意の係
数、k,k’も任意とする。
うなホログラフィック面で構成できることは言うまでも
ない。さらに、面の曲率、パワー等を定義できない形状
の場合は、視軸上を進み映像表示素子に到る軸上光線に
沿って、軸上光線と面とが当たる部分の面の形状の微分
値によって得られるある任意のある領域内の曲率をその
面の曲率とすることで、曲率、パワーを求めることもで
きる。
系を用い、この接眼光学系と映像表示素子からなる組を
左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持する
ことにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着
式映像表示装置のようなポータブル型の映像表示装置と
して構成することができる。なお、片眼にのみ接眼光学
系を配置した片眼用の映像表示装置として構成してもよ
い。このようなポータブル型の映像表示装置の1例の全
体の構成を図4に、また、観察者の一方の眼球に対する
一方の組の断面を図5に示す。表示装置本体50には、
図5に示すように、上記のような接眼光学系7が左右1
対備えられ、それらに対応して像面にLCDからなる映
像表示素子6が配置されている。本体50に左右に連続
して、図4に示すような側頭フレーム51が設けられ、
両側の側頭フレーム51は頭頂フレーム52でつながれ
ており、また、両側の側頭フレーム51の中間には板バ
ネ53を介してリアフレーム54が設けてあり、リアフ
レーム54を眼鏡のツルのように観察者の両耳の後部に
当て、また、頭頂フレーム52を観察者の頭頂に載せる
ことにより、表示装置本体50を観察者の眼前に保持で
きるようになっている。なお、頭頂フレーム52の内側
には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッド55が取
り付けてあり、同様にリアフレーム54の内側にも同様
なパッドが取り付けられており、この表示装置を頭部に
装着したときに違和感を感じないようにしてある。
が付設されており、映像観察と共に立体音響を聞くこと
ができるようになっている。このようにスピーカ56を
有する表示装置本体50には、映像音声伝達コード57
を介してボータブルビデオカセット等の再生装置58が
接続されているので、観察者はこの再生装置58を、図
4に示すように、ベルト箇所等の任意の位置に保持し
て、映像、音響を楽しむことができるようになってい
る。図示の59は再生装置58のスイッチ、ボリューム
等の調節部である。なお、頭頂フレーム52の内部に、
映像処理・音声処理回路等の電子部品を内蔵させてあ
る。
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、TV電波受信用チューナーに接続してTV
観賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
か実施例を説明してきたが、本発明はこれらに限定され
ず種々の変形が可能である。以上の本発明の接眼光学系
は、例えば次のように構成することができる。
れ光学面からなる接眼光学系において、前記3つの光学
面の中、少なくとも2つの光学面は光学系の瞳位置側に
凹面を向けた曲面で構成され、かつ、前記曲面間で少な
くとも4回の反射をすることを特徴とする接眼光学系。
よって形成される空間が屈折率が1より大きい透明媒質
で満たされていることを特徴とする上記〔1〕記載の接
眼光学系。
示素子が配置され、前記映像表示素子の表示面が瞳位置
と反対側に向けられていることを特徴とする上記〔1〕
又は〔2〕記載の接眼光学系。
は、全て光学系の瞳位置側に凹面を向けていることを特
徴とする上記〔1〕から〔3〕の何れか1項記載の接眼
光学系。
した光軸は、第1の透過面、第1の反射面、第2の反射
面、第3の反射面、第4の反射面、第5の反射面、第2
の透過面の順番に進むことを特徴とする上記〔1〕から
〔4〕の何れか1項記載の接眼光学系。
は、前記の3つの光学面の偏心面内の曲率とそれと直交
する面内の曲率とが異なることを特徴とする上記〔1〕
から〔5〕の何れか1項記載の接眼光学系。
面が同一場所の同一形状の面で構成されていることを特
徴とする上記〔1〕から〔6〕の何れか1項記載の接眼
光学系。
面が同一場所の同一形状の面で構成されていることを特
徴とする上記〔1〕から〔7〕の何れか1項記載の接眼
光学系。
面が同一場所の同一形状の面で構成されていることを特
徴とする上記〔7〕又は〔8〕記載の接眼光学系。
面と第4の反射面と第2透過面が同一場所の同一形状の
面で構成されていることを特徴とする上記〔1〕から
〔6〕の何れか1項記載の接眼光学系。
射面が同一場所の同一形状の面で構成されていることを
特徴とする上記〔7〕から〔10〕の何れか1項記載の
接眼光学系。
射面と第4の反射面と第2の透過面が同一場所の同一形
状の面で構成され、前記の第1の反射面と第3の反射面
が同一場所の同一形状の面で構成されていることを特徴
とする上記〔6〕記載の接眼光学系。
表示素子が配置され、瞳位置に観察者眼球を配置するよ
うにする位置決め手段を有することを特徴とする上記
〔1〕から〔12〕の何れか1項記載の接眼光学系。
部に装着できるようにする位置決め手段であることを特
徴とする上記〔13〕記載の接眼光学系。
手段を配置し、瞳位置に絞りを設けて撮像光学系として
使用可能にしたことを特徴とする上記〔1〕から〔1
4〕の何れか1項記載の接眼光学系。
の接眼光学系においては、少なくとも3つの隣合って配
置され光学面からなる接眼光学系において、その3つの
光学面の中、少なくとも2つの光学面は光学系の瞳位置
側に凹面を向けた曲面で構成され、かつ、その曲面間で
少なくとも4回の反射をするようにしたので、中間像を
作らずにコンパクト・軽量で収差が良好に補正された頭
部又は顔面装着式映像表示装置に特に好適な接眼光学系
を得ることができる。
示装置の断面図である。
示装置の断面図である。
示装置の断面図である。
の映像表示装置の1例の全体の構成を示す図である。
示すための図である。
すための図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 少なくとも3つの隣合って配置され光学
面からなる接眼光学系において、前記3つの光学面の
中、少なくとも2つの光学面は光学系の瞳位置側に凹面
を向けた曲面で構成され、かつ、前記曲面間で少なくと
も4回の反射をすることを特徴とする接眼光学系。 - 【請求項2】 前記の少なくとも3つの光学面によって
形成される空間が屈折率が1より大きい透明媒質で満た
されていることを特徴とする請求項1記載の接眼光学
系。 - 【請求項3】 前記接眼光学系の物体面に映像表示素子
が配置され、前記映像表示素子の表示面が瞳位置と反対
側に向けられていることを特徴とする請求項1又は2記
載の接眼光学系。
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