JPH0965247A - Image display device - Google Patents

Image display device

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Publication number
JPH0965247A
JPH0965247A JP21362495A JP21362495A JPH0965247A JP H0965247 A JPH0965247 A JP H0965247A JP 21362495 A JP21362495 A JP 21362495A JP 21362495 A JP21362495 A JP 21362495A JP H0965247 A JPH0965247 A JP H0965247A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical system
image display
display device
eyepiece optical
eyepiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP21362495A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Hisayoshi
久芳圭一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP21362495A priority Critical patent/JPH0965247A/en
Publication of JPH0965247A publication Critical patent/JPH0965247A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a head mounted image display device in which interference between the image display device and face is prevented without making an optical system large in size or complicated. SOLUTION: The device is provided with a two-dimension video display element 1, a relay optical system 2 projecting a real image of the two-dimension video display element 1 into air, an eyepiece optical system 3 projecting the real image into air with magnification and bending an optical axis I1 and a support means supporting the eyepiece optical system 3 so as to be placed just before the eyeball 4 of the user. In this case, the relay optical system 2 and the eyepiece optical system 3 are arranged so that the optical axis I1 is directed toward the eyeball from the inside of the left and right eyeballs of the viewer (toward nose).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、映像表示装置に関
し、特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持して眼球に
映像を投影する小型の頭部又は顔面装着式映像表示装置
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display device, and more particularly, to a small head- or face-mounted image display device which is held on a user's head or face and projects an image on an eyeball. .

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティー用、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に保持す
る映像表示装置が開発されている。
2. Description of the Related Art In recent years, a helmet-type or goggle-type image display device held on the head or face has been developed for virtual reality or for the purpose of personally enjoying a large-screen image.

【0003】図7に特開平5−134208号のものの
光学系の構成を示す。この光学系は、液晶表示素子等の
2次元映像表示素子1に表示された映像をリレー光学系
2で空中に投影し、凹面鏡からなる接眼光学系3により
この空中像(中間像)を拡大すると共に光軸を屈曲さ
せ、観察者の眼球4に入射させている。
FIG. 7 shows the configuration of the optical system of Japanese Patent Laid-Open No. 5-134208. In this optical system, an image displayed on a two-dimensional image display device 1 such as a liquid crystal display device is projected into the air by a relay optical system 2, and this aerial image (intermediate image) is enlarged by an eyepiece optical system 3 composed of a concave mirror. At the same time, the optical axis is bent and is made incident on the eyeball 4 of the observer.

【0004】この光学系では、正パワーを持つ凹面鏡3
が光軸に対して傾いているので、偏心収差が発生する。
この偏心収差は共軸光学系では補正できないので、リレ
ー光学系2を図のように偏心させることによって補正し
ている。
In this optical system, the concave mirror 3 having a positive power is used.
Is tilted with respect to the optical axis, so that decentering aberration occurs.
Since this decentering aberration cannot be corrected by the coaxial optical system, it is corrected by decentering the relay optical system 2 as shown in the figure.

【0005】[0005]

【発明の解決しようとする課題】図5に、このような頭
部装着式の映像表示装置の光学系を模式的に示してあ
る。図中、1は2次元映像表示素子、2はリレー光学
系、3は接眼光学系、4は右眼球である。頭部装着式映
像表示装置の光学系と顔面との干渉を避けるためには、
接眼光学系3が顔面の前方方向に離れ、リレー光学系2
と2次元映像表示素子1が顔面の右あるいは右側前方方
向に離れて配置される必要がある。以下、接眼光学系3
として平面鏡、凹面鏡、楕円凹面鏡を使用した場合それ
ぞれについて、その問題点を説明する。
FIG. 5 schematically shows an optical system of such a head-mounted image display device. In the figure, 1 is a two-dimensional image display device, 2 is a relay optical system, 3 is an eyepiece optical system, and 4 is a right eyeball. To avoid interference between the optical system of the head-mounted image display device and the face,
The eyepiece optical system 3 moves away from the front of the face, and the relay optical system 2
Therefore, the two-dimensional image display element 1 needs to be arranged separately on the right side or right side of the face. Hereinafter, the eyepiece optical system 3
As a case where a plane mirror, a concave mirror, and an elliptical concave mirror are used, their problems will be described.

【0006】接眼光学系3として平面鏡(例えば反射
型ホログラム)を使用した場合 リレー光学系2、2次元映像表示素子1を顔面から離す
ためには、図5に実線で示すように、接眼光学系3の傾
きを大きくして接眼光学系3での反射角αを大きくする
必要がある。しかし、接眼光学系3で発生する収差を少
なくするために接眼光学系3の傾きを大きくすると、接
眼光学系3の内側(鼻側)と顔面が干渉しやすくなって
しまう。
When a flat mirror (for example, a reflection hologram) is used as the eyepiece optical system 3, in order to separate the relay optical system 2 and the two-dimensional image display element 1 from the face, as shown by the solid line in FIG. It is necessary to increase the inclination of 3 to increase the reflection angle α of the eyepiece optical system 3. However, if the inclination of the eyepiece optical system 3 is increased in order to reduce the aberration generated in the eyepiece optical system 3, the inside of the eyepiece optical system 3 (nose side) and the face are likely to interfere with each other.

【0007】接眼光学系として凹面鏡を使用した場合 映像表示素子1やリレー光学系2と顔面との干渉を避け
るためには、凹面鏡である接眼光学系3への入射光軸と
射出光軸(凹面鏡での反射光線の光軸)とのなす角度α
を大きくするか、眼球4と映像表示素子1の間の距離を
大きくする必要がある。しかし、上記の2つ方法にはそ
れぞれ以下に述べる問題点がある。
When a concave mirror is used as the eyepiece optical system In order to avoid interference between the image display element 1 and the relay optical system 2 and the face, an incident optical axis and an outgoing optical axis (concave mirror) to the eyepiece optical system 3 which is a concave mirror are used. Angle α with the optical axis of the reflected ray at
Or it is necessary to increase the distance between the eyeball 4 and the image display element 1. However, each of the above two methods has the following problems.

【0008】・接眼凹面鏡の傾きを大きくすると次の不
具合が生じる。 (1)凹面鏡の内側(鼻側)と顔面が干渉しやすくな
る。 (2)凹面鏡で発生する収差(偏心収差)が大きくな
り、その偏心収差補正のためにリレー光学系が複雑にな
る。 ・眼球と映像表示素子の間の距離を大きくすると次の不
具合が生じる。 (1)光学系が大型化する。すなわち、凹面鏡の構成・
配置を変更するだけでは、光学系を大型化・複雑化する
ことなく、光学系と顔面の干渉を防いだ接眼光学系を構
成することが不可能である。
If the inclination of the ocular concave mirror is increased, the following problems occur. (1) The inside of the concave mirror (nose side) and the face are likely to interfere with each other. (2) The aberration (eccentric aberration) generated by the concave mirror becomes large, and the relay optical system becomes complicated to correct the eccentric aberration. -If the distance between the eyeball and the image display element is increased, the following problems occur. (1) The optical system becomes large. That is, the configuration of the concave mirror
It is impossible to construct an eyepiece optical system that prevents interference between the optical system and the face without increasing the size and complexity of the optical system simply by changing the arrangement.

【0009】接眼光学系として楕円凹面鏡を使用した
場合 この場合は、映像表示素子1やリレー光学系2と顔面と
の干渉を避けるためには、次の2つの方法がある。 (1)楕円凹面鏡の2焦点間の距離を大きくする。 (2)楕円凹面鏡の傾き角を大きくする(以下に述べる
他方の焦点Q2 を顔面から離す)。
When an elliptic concave mirror is used as the eyepiece optical system In this case, there are the following two methods for avoiding interference between the image display element 1 and the relay optical system 2 and the face. (1) Increase the distance between the two focal points of the elliptical concave mirror. (2) Increase the tilt angle of the elliptic concave mirror (remove the other focus Q 2 described below from the face).

【0010】しかし、上記の2つの方法にはそれぞれ以
下に述べる問題点がある。以下では、凹面鏡として楕円
鏡を使用する場合について説明するが、近似楕円等、凹
面鏡一般に関しても、以下の説明と同様のことが言え
る。
However, each of the above two methods has the following problems. Although the case where an elliptical mirror is used as the concave mirror will be described below, the same can be said for the concave mirror in general, such as an approximate ellipse, as well as the following description.

【0011】・楕円凹面鏡の2焦点間の距離を大きくす
る場合の問題点 図6において、楕円の方程式を X2 /a2 +Y2 /b2 =1 ,a>b>0 とすると、離心率eは、 e=(a2 −b2 1/2 /a となる。このとき、楕円の2焦点の座標は、Q1 (−a
e,0)、Q2 (ae,0)、焦点Q1 を通りY軸に平
行な直線と楕円の交点Pの座標は、(−ae,b 2
a)となる。PQ2 とQ1 2 のなす角をθとすると、 tanθ=b2 /{2a(a2 −b2 1/2 } となる。
· Increasing the distance between the two focal points of the elliptical concave mirror
Problem in the case of2/ A2+ Y2/ B2= 1 and a> b> 0, the eccentricity e is e = (a2-B2)1/2/ A. At this time, the coordinates of the two focal points of the ellipse are Q1(-A
e, 0), Q2(Ae, 0), focus Q1Pass through and flat on the Y axis
The coordinates of the intersection P of the straight line and the ellipse are (-ae, b 2/
a). PQ2And Q1Q2Let θ be the angle formed by tan θ = b2/ {2a (a2-B2)1/2

【0012】楕円の2焦点Q1 、Q2 間の距離(=2a
e=2(a2 −b2 ))を大きくするにはaを大きくす
るかbを小さくすればよい。しかし、両方共に点Pを点
1に近づけてしまい、凹面鏡が顔と干渉するか、ある
いは、眼鏡の使用が不可能となるという不具合を招く。
また、aを大きくしたりbを小さくしたりすると、光学
系の偏心度が大きくなる(θ小さくなる=角度αが大き
くなる)ので、光学系の偏心収差が大きくなってしま
う。
The distance between the two focal points Q 1 and Q 2 of the ellipse (= 2a
To increase e = 2 (a 2 −b 2 )), either increase a or decrease b. However, in both cases, the point P is brought close to the point Q 1 and the concave mirror interferes with the face, or the spectacles cannot be used.
Further, if a is increased or b is decreased, the eccentricity of the optical system becomes large (θ becomes small = the angle α becomes large), so that the eccentric aberration of the optical system becomes large.

【0013】また、楕円の2焦点間の距離を大きくする
には、楕円の曲率半径を係数倍すればよい(楕円鏡の大
きさを係数倍する)が、発生収差も係数倍だけ大きくな
り、光学系も大型化してしまう。
Further, in order to increase the distance between the two focal points of the ellipse, the radius of curvature of the ellipse may be multiplied by a coefficient (the size of the elliptical mirror is multiplied by a coefficient). The optical system also becomes large.

【0014】・楕円凹面鏡の傾き角を大きくする場合の
問題点 凹面鏡の傾き角を大きくすると、Q2 点の位置が+Y方
向に移動する。すると、接眼光学系で発生する収差(偏
心収差)も大きくなる。その偏心収差補正のために光学
系が複雑になってしまう。
Problems in Increasing the Inclination Angle of the Elliptical Concave Mirror If the inclination angle of the concave mirror is increased, the position of point Q 2 moves in the + Y direction. Then, the aberration (eccentric aberration) generated in the eyepiece optical system also becomes large. The eccentric aberration correction complicates the optical system.

【0015】すなわち、従来のように楕円凹面鏡の構成
・配置の変更だけでは、光学系を大型・複雑化すること
なく、光学系と顔面の干渉を防いだ接眼光学系を構成す
ることが不可能である。
That is, it is impossible to construct an eyepiece optical system which prevents interference between the optical system and the face without increasing the size and complexity of the optical system, only by changing the configuration and arrangement of the elliptical concave mirror as in the conventional case. Is.

【0016】本発明は従来技術の上記問題点を解決する
ためになされたものであり、その目的は、光学系を大型
・複雑化することなく、映像表示装置と顔面の干渉を防
いだ頭部装着式映像表示装置用の光学系を提供すること
である。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and its object is a head which prevents interference between the image display device and the face without increasing the size and complexity of the optical system. An object is to provide an optical system for a wearable image display device.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の映像表示装置は、2次映像表示素子と、前記2次元
映像表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、
その実像を空中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる
接眼光学系と、この接眼光学系を使用者の眼球直前に位
置するように支持する支持手段とを備えた映像表示装置
において、前記光軸が観察者の左右の眼球の内側(鼻
側)方向から眼球に向かうように、前記リレー光学系と
前記接眼光学系とを配設したことを特徴とするものであ
る。
An image display apparatus of the present invention which achieves the above object, includes a secondary image display element, a relay optical system for projecting a real image of the two-dimensional image display element in the air.
An image display device comprising an eyepiece optical system for enlarging and projecting the real image in the air and bending the optical axis, and a supporting means for supporting the eyepiece optical system so as to be positioned immediately in front of the eyeball of the user, Is arranged such that the relay optical system and the eyepiece optical system are arranged so as to face the eyes from the inside (nose side) direction of the left and right eyes of the observer.

【0018】この場合、接眼光学系は凹面反射面又は凹
面半透過反射面の何れであってもよい。さらに、接眼光
学系は以下の条件(1)を満足することが望ましい。 15(mm)<f<40(mm) ・・・(1) ただし、fは前記接眼光学系の焦点距離である。
In this case, the eyepiece optical system may be either a concave reflecting surface or a concave semi-transmissive reflecting surface. Furthermore, it is desirable that the eyepiece optical system satisfy the following condition (1). 15 (mm) <f <40 (mm) (1) where f is the focal length of the eyepiece optical system.

【0019】また、接眼光学系は次の条件(2)を満足
することがより好ましい。 20°<α<80° ・・・(2) ただし、αは前記接眼光学系への入射光軸と射出光軸
(反射光線)のなす角度である。
It is more preferable that the eyepiece optical system satisfies the following condition (2). 20 ° <α <80 ° (2) where α is the angle formed by the incident optical axis to the eyepiece optical system and the outgoing optical axis (reflected light beam).

【0020】以下、上記構成を採用する理由とその作用
については説明する。図1は本発明による頭部装着式映
像表示装置の光学系を説明するための図であるが、同図
において、1は2次元映像表示素子、2はリレー光学
系、3は接眼光学系、4は右眼球を示し、また、 l0 :無限遠を観察する際の視軸、 l1 :2次元映像表示素子1の表示中心を射出する主光
線(光軸)、 l2 :2次元映像表示素子1の表示領域の外側を射出す
る主光線(内側画角θ2)、 l3 :2次元映像表示素子1の表示領域の内側を射出す
る主光線(内側画角θ)、 とする。
The reason why the above structure is adopted and its function will be described below. FIG. 1 is a diagram for explaining an optical system of a head-mounted image display device according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a two-dimensional image display element, 2 is a relay optical system, 3 is an eyepiece optical system, Reference numeral 4 denotes the right eye, and l 0 : visual axis when observing infinity, l 1 : principal ray (optical axis) emitted from the display center of the two-dimensional image display element 1, l 2 : two-dimensional image A principal ray (inner view angle θ 2 ) emitted from the outside of the display area of the display element 1, and l 3 : a principal ray (inner view angle θ 3 ) emitted from the inside of the display area of the two-dimensional image display element 1. .

【0021】2次元映像表示素子1の外側(顔面から遠
い側)を発した光束は、リレー光学系2の顔面から遠い
箇所を通過して、収束・反射作用を持つ接眼光学系3で
1回反射した後、観察者の眼球の内側方向(鼻側)から
眼球4に向かう。
A light beam emitted from the outside of the two-dimensional image display element 1 (the side far from the face) passes through a portion of the relay optical system 2 far from the face, and once at the eyepiece optical system 3 having a converging / reflecting action. After the reflection, it is directed toward the eyeball 4 from the inner side (nose side) of the eyeball of the observer.

【0022】したがって、接眼光学系3で反射した光軸
が観察者の眼球4の内側方向(鼻側)から眼球4
に向かうようにすると、リレー光学系2と2次元映像表
示素子1が顔面から離れるようになるので、頭部装着式
映像表示装置と観察者の顔面との干渉が問題とならなく
なり、このような映像表示装置のレイアウトの自由度が
増すことになる。そして、この場合、全画角(θ2 +θ
3 )は不変にすることができる。
Therefore, the optical axis l 1 reflected by the eyepiece optical system 3 is seen from the inner side (nose side) of the eyeball 4 of the observer.
Since the relay optical system 2 and the two-dimensional image display element 1 are moved away from the face when facing toward, the interference between the head-mounted image display device and the observer's face does not become a problem, and The flexibility of the layout of the video display device is increased. In this case, the total angle of view (θ 2 + θ
3 ) can be immutable.

【0023】接眼光学系3として凹面鏡を使用した光学
系において、光軸l1 が観察者の眼球4の内側方向から
眼球に向かうようにすると、以下の効果がある。 接眼光学系3で発生する偏心収差が減少する。そのた
め、リレー光学系2で補正すべき偏心収差が減少するの
で、リレー光学系2の偏心量が減少し、構成も簡単にな
る。また、リレー光学系2の偏心量の減少は、リレー光
学系2が顔面から離れる方向であるので、リレー光学系
2と顔面の干渉する可能性がより減少し、頭部装着式映
像表示装置のレイアウトの自由度が増すことになる。 接眼光学系3を構成する凹面鏡は、実像の拡大作用と
光軸の屈曲作用を併せ持つので、光学系が簡略になり、
色収差も発生しない。
In an optical system using a concave mirror as the eyepiece optical system 3, the following effects are obtained when the optical axis l 1 is directed from the inside of the eyeball 4 of the observer toward the eyeball. The eccentric aberration generated in the eyepiece optical system 3 is reduced. Therefore, the eccentric aberration to be corrected by the relay optical system 2 is reduced, so that the eccentric amount of the relay optical system 2 is reduced and the configuration is simplified. Further, since the decrease of the eccentricity of the relay optical system 2 is in the direction in which the relay optical system 2 moves away from the face, the possibility that the relay optical system 2 interferes with the face is further reduced, and the head-mounted image display device The degree of freedom in layout will increase. The concave mirror that constitutes the eyepiece optical system 3 has both a magnifying action of the real image and a bending action of the optical axis, so that the optical system is simplified,
No chromatic aberration occurs.

【0024】また、接眼光学系3の焦点距離fは次の条
件(1)を満足することが望ましい。 15(mm)<f<40(mm) ・・・(1) 接眼光学系の焦点距離fが15mmより短いと、接眼光
学系3と顔面との干渉が問題となる。また、焦点距離f
が40mmより大きいと、接眼光学系3が大型化し、顔
面からの突出量も大きくなってしまう。
The focal length f of the eyepiece optical system 3 preferably satisfies the following condition (1). 15 (mm) <f <40 (mm) (1) If the focal length f of the eyepiece optical system is shorter than 15 mm, interference between the eyepiece optical system 3 and the face becomes a problem. Also, the focal length f
Is larger than 40 mm, the eyepiece optical system 3 becomes large and the amount of protrusion from the face also becomes large.

【0025】さらに、接眼光学系への入射光軸と射出光
軸(反射光線)のなす角度αは、次の条件(2)を満足
することが望ましい。 20°<α<80° ・・・(2) 接眼光学系3での入射光軸と射出光軸のなす角度αが8
0°より大きいと、リレー光学系2、2次元映像表示素
子1の突出量が大きくなり、頭部装着式映像表示装置と
して好ましくない。また、この角度αが20°より小さ
いと、接眼光学系3において内側画角の光線が反射する
位置が顔面に近すぎるので、接眼光学系3と顔面の干渉
が問題となる。
Further, it is desirable that the angle α formed by the incident optical axis to the eyepiece optical system and the outgoing optical axis (reflected light beam) satisfies the following condition (2). 20 ° <α <80 ° (2) The angle α formed by the incident optical axis and the outgoing optical axis in the eyepiece optical system 3 is 8
If it is larger than 0 °, the projection amount of the relay optical system 2 and the two-dimensional image display element 1 becomes large, which is not preferable as a head-mounted image display device. If the angle α is smaller than 20 °, the position where the light beam with the inner angle of view is reflected in the eyepiece optical system 3 is too close to the face, so that interference between the eyepiece optical system 3 and the face becomes a problem.

【0026】また、無限遠を観察する際の視軸l0 と2
次元映像表示素子1の表示中心を射出する主光線(光
軸)l1 とのなす角をδと定義すると、角度δは、次の
条件(3)を満足することが望ましい。 0°<δ<40° ・・・(3) この角度δが40°を越えると、両眼視できる領域が狭
くなりすぎて好ましくない。さらに、虚像位置が眼球に
近づきすぎるため像が見難くなり好ましくない。また、
δが0°を越えて小さくなると、無限遠での観察ができ
ず、好ましくない。
Further, the visual axes l 0 and 2 when observing infinity are used.
When the angle formed by the principal ray (optical axis) l 1 emitted from the display center of the three-dimensional image display element 1 is defined as δ, it is desirable that the angle δ satisfies the following condition (3). 0 ° <δ <40 ° (3) If this angle δ exceeds 40 °, the binocular visible region becomes too narrow, which is not preferable. Further, the virtual image position is too close to the eyeball, which makes it difficult to see the image, which is not preferable. Also,
If δ is smaller than 0 °, observation at infinity cannot be performed, which is not preferable.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
頭部装着式映像表示装置の光学系の実施例1〜2につい
て説明する。 〔実施例1〕実施例1の光学系の水平断面図を図2に示
す。図2において、1は2次元映像表示素子、2はリレ
ー光学系、10は接眼光学系を構成する凹面鏡作用を持
つ反射型ホログラム、4は右眼球を示す。この実施例に
おいては、接眼光学系として、上記のように凹面鏡作用
を持つ反射型ホログラム10を使用しており、2次元映
像表示素子1の表示中心を射出する光軸l1 が観察者の
眼球4の内側方向から眼球4に向かうように配置されて
おり、リレー光学系2及び2次元映像表示素子1が顔面
から遠ざかるので、頭部装着式映像表示装置のレイアウ
トの自由度が増している。なお、この実施例の数値デー
タは、次の実施例2の楕円凹面鏡20を同じ作用をする
反射型ホログラム10で置き換えただけであり、他のデ
ータは同じであるので、省略する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments 1 and 2 of an optical system of a head-mounted image display device of the present invention will be described below with reference to the drawings. Example 1 FIG. 2 is a horizontal sectional view of the optical system of Example 1. In FIG. 2, reference numeral 1 is a two-dimensional image display element, 2 is a relay optical system, 10 is a reflection hologram having a concave mirror function which constitutes an eyepiece optical system, and 4 is a right eyeball. In this embodiment, the reflection hologram 10 having the concave mirror action is used as the eyepiece optical system, and the optical axis l 1 which exits the display center of the two-dimensional image display element 1 is the eyeball of the observer. Since the relay optical system 2 and the two-dimensional image display element 1 are arranged away from the face, the degree of freedom in layout of the head-mounted image display device is increased. The numerical data of this embodiment is obtained by replacing the elliptic concave mirror 20 of the second embodiment with the reflection hologram 10 having the same function, and the other data is the same, and therefore will be omitted.

【0028】〔実施例2〕実施例2の光学系の水平断面
図を図3に示す。図3において、1は2次元映像表示素
子、2はリレー光学系、20は接眼光学系を構成する楕
円凹面鏡、4は右眼球を示す。この実施例においては、
接眼光学系として、上記のように楕円凹面鏡20を使用
しており、また、リレー光学系2として共軸系を用いて
おり、楕円凹面鏡20自身を偏心させて、その偏心によ
る偏心収差を共軸リレー光学系2で補正する構成にして
いる。この実施例においても、図示のように、2次元映
像表示素子1の表示中心を射出する光軸l1 が観察者の
眼球4の内側方向から眼球4に向かうように配置されて
おり、リレー光学系2や2次元映像表示素子1をさらに
遠ざけることができる。
[Embodiment 2] A horizontal sectional view of an optical system of Embodiment 2 is shown in FIG. In FIG. 3, 1 is a two-dimensional image display element, 2 is a relay optical system, 20 is an elliptical concave mirror which constitutes an eyepiece optical system, and 4 is a right eyeball. In this example,
The oval concave mirror 20 is used as the eyepiece optical system as described above, and the coaxial system is used as the relay optical system 2. The elliptic concave mirror 20 itself is decentered, and the eccentric aberration due to the decentering is coaxial. The relay optical system 2 is used for correction. Also in this embodiment, as shown in the drawing, the optical axis l 1 that emits the display center of the two-dimensional image display element 1 is arranged so that the optical axis l 1 is directed from the inner side of the eyeball 4 of the observer toward the eyeball 4, and the relay optical The system 2 and the two-dimensional image display element 1 can be further separated.

【0029】なお、図示のようなX−Y座標系をとった
場合、楕円凹面鏡20の第1焦点Q1 はX軸上の眼球4
の瞳位置に、第2焦点Q2 はリレー光学系2と接眼光学
系の間のX軸上に配置された開口絞りの中心位置に配置
される。また、楕円凹面鏡20の面頂の位置(X,Y)
は、( 0 , 40.0000)の位置であり、その楕円凹面鏡2
0の回転対称な非球面形状は、Rは近軸曲率半径、Kは
円錐係数、hはh2 =X2 +Z2 とすると、非球面式は
以下に示す通りであり、 Y =(h2/R)/[1+{ 1-(1+K) ( h2/R2)}1/2 ] 楕円凹面鏡20のKはK=0.500000である。そして、T
を楕円凹面鏡20とX軸の第1焦点Q1 側の交点位置と
するとき、これらQ1 ,Q2 、Tの位置(X,Y)は次
の通りである。
When the XY coordinate system as shown in the figure is taken, the first focus Q 1 of the elliptic concave mirror 20 is the eyeball 4 on the X axis.
The second focus Q 2 is located at the center position of the aperture stop located on the X axis between the relay optical system 2 and the eyepiece optical system. In addition, the position (X, Y) of the top of the elliptical concave mirror 20.
Is the position (0, 40.0000) and its elliptic concave mirror 2
The rotationally symmetric aspherical shape of 0 is R is a paraxial radius of curvature, K is a conic coefficient, and h is h 2 = X 2 + Z 2 , the aspherical expression is as follows, and Y = (h 2 / R) / K in [1+ {1- (1 + K ) (h 2 / R 2)} 1/2] elliptical concave mirror 20 is K = 0.500000. And T
Is the intersection of the elliptic concave mirror 20 and the X axis on the side of the first focus Q 1 , the positions (X, Y) of these Q 1 , Q 2 and T are as follows.

【0030】 また、開口絞り、リレー光学系2、2次元映像表示素子
1までは同軸系を構成しており、その中心軸は第2焦点
2 を通り、Y軸に対して反時計回りに29.000000 °の
角度をなしている。以下の表に、リレー光学系2のレン
ズデータを示す。この表において、ri は各面S1 〜S
7 の曲率半径、di は面間隔、ni はd線における屈折
率である。なお、d0 は開口絞りとリレー光学系2の第
1面S1の間の間隔、d7 はリレー光学系2の第7面S
7 と2次元映像表示素子1の間の間隔である。
[0030] Further, the aperture stop, the relay optical system 2, and the two-dimensional image display element 1 constitute a coaxial system, the central axis of which passes through the second focal point Q 2 and is 29.000000 ° counterclockwise with respect to the Y axis. It makes an angle. The table below shows lens data of the relay optical system 2. In this table, r i is each surface S 1 to S
The radius of curvature is 7 , d i is the surface spacing, and n i is the refractive index at the d line. Note that d 0 is the distance between the aperture stop and the first surface S 1 of the relay optical system 2, and d 7 is the seventh surface S of the relay optical system 2.
The distance between 7 and the 2D image display element 1.

【0031】 [0031]

【0032】そして、前記角度θ2 、θ3 、α、δは、
それぞれ次の通りである。 θ2 =6°,θ3 =6°,α=57.94°,δ=4° また、接眼光学系20+リレー光学系2の焦点距離は5
0.83mmであり、リレー光学系2の焦点距離は1
5.45mmであり、接眼光学系20の焦点距離fは、
f=23.01mmである。
The angles θ 2 , θ 3 , α and δ are
Each is as follows. θ 2 = 6 °, θ 3 = 6 °, α = 57.94 °, δ = 4 ° Further, the focal length of the eyepiece optical system 20 + the relay optical system 2 is 5
0.83 mm, the focal length of the relay optical system 2 is 1
The focal length f of the eyepiece optical system 20 is 5.45 mm.
f = 23.01 mm.

【0033】ところで、上記の何れかの実施例の光学系
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。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に示す。表示
装置本体50には、上記の何れかの実施例の表示装置が
左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素
子からなる2次映像表示素子が配置されている。本体5
0に左右に連続して図示の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。
By the way, a pair of left and right optical systems according to any one of the above-mentioned embodiments are prepared, and they are supported by being separated by an eye radiation distance, so that a stationary or head-mounted image display device capable of observing with both eyes is provided. It can be configured as such a portable video display device. FIG. 4 shows the overall configuration of an example of such a portable video display device. The display device main body 50 is provided with a pair of left and right display devices according to any one of the above-described embodiments, and a secondary image display element composed of a liquid crystal display element is arranged on the image plane corresponding to these. Body 5
A temporal frame 51 as shown in the figure is provided continuously to the left and right at 0, the temporal frames 51 on both sides are connected by a parietal frame 52, and a leaf spring 53 is provided between the temporal frames 51 on both sides. A rear frame 54 is provided via the rear frame 54, and the rear frame 54 is applied to the rear part of both ears of the observer like a temple of eyeglasses, and the crown frame 52 is placed on the crown of the observer, so that the display device main body 50 is It can be held in front of the observer's eyes. A top pad 55 made of an elastic body such as a sponge is attached inside the top frame 52, and a similar pad is attached inside the rear frame 54 in the same manner. It does not feel uncomfortable when attached to the camera.

【0034】また、リアフレーム54にはスピーカ56
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を図示
の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5
9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。
The rear frame 54 has a speaker 56.
Is attached, so that you can listen to stereophonic sound while observing images. As described above, the display device main body 50 having the speaker 56 has a video / audio transmission code 57.
The viewer 58 holds the playback device 58 at an arbitrary position such as a belt position as shown in FIG.
You can enjoy the sound. 5 shown
Reference numeral 9 denotes an adjustment unit such as a switch and a volume of the playback device 58. Note that electronic components such as a video processing / audio processing circuit are built in the top frame 52.

【0035】なお、コード57は先端をジャックにし
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。
The cord 57 may be attached to an existing video deck or the like by using the tip of the cord 57 as a jack. Furthermore, it is connected to a tuner for TV radio wave reception,
It may be used for viewing, or may be connected to a computer to receive computer graphics images, message images from the computer, and the like. Also, in order to reject an obstructive code, an antenna may be connected to receive an external signal by radio waves.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の映像表示装置によると、光軸が観察者の左右の眼球の
内側(鼻側)方向から眼球に向かうように、リレー光学
系と接眼光学系とを配設したので、頭部装着式映像表示
装置として用いる場合、その顔面との干渉の可能性が減
少し、頭部装着式映像表示装置のレイアウトの自由度が
増すという効果がある。
As is apparent from the above description, according to the image display device of the present invention, the relay optical system is provided so that the optical axis is directed from the inner (nose side) direction of the left and right eyeballs of the observer to the eyeballs. Since the eyepiece optical system is provided, when used as a head-mounted image display device, the possibility of interference with the face is reduced, and the degree of freedom in the layout of the head-mounted image display device is increased. is there.

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

【図1】本発明による頭部装着式映像表示装置の光学系
を説明するための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining an optical system of a head-mounted image display device according to the present invention.

【図2】実施例1の光学系の水平断面図である。2 is a horizontal sectional view of the optical system of Example 1. FIG.

【図3】実施例2の光学系の水平断面図である。FIG. 3 is a horizontal sectional view of an optical system of Example 2.

【図4】本発明によるポータブル型の頭部装着式映像表
示装置の1例の全体の構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the overall configuration of an example of a portable head-mounted image display device according to the present invention.

【図5】従来技術の頭部装着式映像表示装置の問題点の
説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a problem of the conventional head-mounted image display device.

【図6】接眼光学系が楕円凹面鏡の場合の問題点の説明
図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a problem when the eyepiece optical system is an elliptical concave mirror.

【図7】従来の1例の頭部装着式映像表示装置の光学系
の構成を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an optical system of a conventional head-mounted image display device as an example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

0 …無限遠を観察する際の視軸、 l1 …2次元映像表示素子の表示中心を射出する主光線
(光軸)、 l2 …2次元映像表示素子の表示領域の外側を射出する
主光線 l3 …2次元映像表示素子の表示領域の内側を射出する
主光線 θ2 …内側画角 θ3 …内側画角 α …接眼光学系への入射光軸と射出光軸(反射光線)
のなす角度 δ …無限遠を観察する際の視軸と2次元映像表示素子
の表示中心を射出する主光線(光軸)とのなす角 Q1 …第1焦点 Q2 …第2焦点 Si …リレー光学系の第i面 1…2次元映像表示素子 2…リレー光学系 3…接眼光学系 4…右眼球 10…反射型ホログラム(接眼光学系) 20…楕円凹面鏡(接眼光学系) 50…表示装置本体 51…側頭フレーム 52…頭頂フレーム 53…板バネ 54…リアフレーム 55…頭頂パッド 56…スピーカ 57…映像音声伝達コード 58…再生装置 59…スイッチ、ボリューム等の調節部
l 0 ... visual axis when observing infinity, l 1 ... chief ray (optical axis) that exits the display center of the two-dimensional image display element, l 2 ... exits outside the display area of the two-dimensional image display element Principal ray l 3 ... Principal ray emitted inside the display area of the two-dimensional image display device θ 2 ... Inner field angle θ 3 ... Inner field angle α ... Incident optical axis and exit optical axis to eyepiece optical system (reflected ray)
An angle δ between the visual axis when observing infinity and the principal ray (optical axis) emitted from the display center of the two-dimensional image display element Q 1 ... First focus Q 2 ... Second focus S i ... i-th surface of relay optical system 1 ... two-dimensional image display element 2 ... relay optical system 3 ... eyepiece optical system 4 ... right eye 10 ... reflection hologram (eyepiece optical system) 20 ... elliptical concave mirror (eyepiece optical system) 50 ... Display device main body 51 ... Temporal frame 52 ... Top frame 53 ... Leaf spring 54 ... Rear frame 55 ... Top pad 56 ... Speaker 57 ... Video / audio transmission code 58 ... Playback device 59 ... Control parts for switches, volume, etc.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2次映像表示素子と、前記2次元映像表
示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、その実
像を空中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光
学系と、この接眼光学系を使用者の眼球直前に位置する
ように支持する支持手段とを備えた映像表示装置におい
て、 前記光軸が観察者の左右の眼球の内側(鼻側)方向から
眼球に向かうように、前記リレー光学系と前記接眼光学
系とを配設したことを特徴とする映像表示装置。
1. A secondary image display device, a relay optical system for projecting a real image of the two-dimensional image display device in the air, and an eyepiece optical system for magnifying and projecting the real image in the air and bending an optical axis thereof. In an image display device comprising a supporting means for supporting the eyepiece optical system so as to be positioned immediately in front of the eyeball of the user, the optical axis is directed toward the eyeball from the inside (nose side) direction of the left and right eyeballs of the observer. An image display device comprising the relay optical system and the eyepiece optical system.
【請求項2】 前記接眼光学系が凹面反射面又は凹面半
透過反射面であることを特徴とする請求項1記載の映像
表示装置。
2. The image display device according to claim 1, wherein the eyepiece optical system is a concave reflecting surface or a concave semi-transmissive reflecting surface.
【請求項3】 前記接眼光学系が以下の条件(1)を満
足することを特徴とする請求項1又は2記載の映像表示
装置。 15(mm)<f<40(mm) ・・・(1) ただし、fは前記接眼光学系の焦点距離である。
3. The image display device according to claim 1, wherein the eyepiece optical system satisfies the following condition (1). 15 (mm) <f <40 (mm) (1) where f is the focal length of the eyepiece optical system.
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