JPH10186245A - 接眼光学系、及び接眼映像表示装置 - Google Patents

接眼光学系、及び接眼映像表示装置

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JPH10186245A
JPH10186245A JP8343500A JP34350096A JPH10186245A JP H10186245 A JPH10186245 A JP H10186245A JP 8343500 A JP8343500 A JP 8343500A JP 34350096 A JP34350096 A JP 34350096A JP H10186245 A JPH10186245 A JP H10186245A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単眼で100°以上の大きな観察画角と周辺
まで均一で鮮明な画像表示が実現でき、適切な瞳径とア
イリリーフを備えることで瞳位置の自由度が大きい接眼
光学系と、この接眼光学系により拡大虚像を形成する接
眼映像表示装置を提供する。 【解決手段】 2次元表示素子上の平面像を眼球に虚像
として拡大投影する機能を有する光学系で、該光学系は
眼球側から順に、眼球側に凹面を向けたメニスカスレン
ズL1と正メニスカスレンズL2との接合レンズより構
成される正の第1レンズ群G1,軸上屈折力が負の両面
非球面レンズL3より構成される第2レンズ群G2,軸
上屈折力が正の両面非球面レンズL4より構成される第
3レンズ群G3,両凸の正レンズL5と両凹の負レンズ
L6との接合レンズより成る正の第4レンズ群G4より
構成される。また、接眼映像表示装置は上記接眼光学系
を搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、使用者の頭部もし
くは顔面に保持することが可能な頭部又は顔面装着式視
覚表示装置に適用可能な接眼光学系と、この接眼光学系
を搭載した接眼映像表示装置に関する。
【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
る視覚表示装置が開発されている。例えば、液晶表示素
子,EL表示素子等の小型の表示素子上の像をレンズ等の
接眼光学系で眼球に拡大投影するものがある。そのよう
な接眼表示装置の光学系を図16に示す。図16におい
て、2次元表示素子を3、2次元表示素子3を空中に拡
大投影する接眼レンズを20、観察者Hの眼球を10と
する。従来装置では、2次元表示素子に形成された原画
像の拡大虚像を接眼レンズ20により形成し、眼球10
でこの拡大虚像を鑑賞するよう構成されていた。
【0003】接眼光学系の従来技術としては、顕微鏡、
双眼鏡、望遠鏡、ファインダー等の接眼レンズがある
(実公昭40−9090号公報,特開昭50−1511
63号公報,特開昭51−120231号公報,特開昭
52−72242号公報,特開平3−87709号公
報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】頭部もしくは顔面装着
式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを小さくす
ることと、重量を軽量化することが、装着性を向上させ
る上で重要である。また、大きな画角を確保することが
画面の臨場感を増す上で必要であり、臨場感は提示画角
で決まってしまうと言っても過言でない。立体感、迫力
感、没入感等の臨場感を観察者に与えるためには対角方
向で100度以上の表示画角を実現することが望まし
い。
【0005】また、接眼光学系のアイポイントにおける
設計瞳径が小さいと、瞳の自由度が小さく、装置を密着
した状態が少しずれるだけで観察視野周辺に暗黒部が生
じ、臨場感を損なうこととなり、好ましくない。つま
り、接眼光学系のFナンバーを小さくすることが要求さ
れる。
【0006】しかし、接眼光学系の画角を大きくし、さ
らに、Fナンバーを小さくすると、光学系の周辺部を光
線が通過するため、収差の発生が大きくなり、コンパク
トな構成では収差の補正が困難となり、さらに像面湾曲
の影響もあいまって周辺画像の解像度が低下することが
問題となる。特に、像面湾曲については、レンズ枚数の
少ないコンパクトな接眼レンズでは、光線高の高い箇所
に正レンズ、低い箇所に負レンズを配置して、正負のパ
ワー配分によってペッツバール和を小さくするような構
成をとることができず、その補正が困難である。
【0007】本発明が提供する接眼光学系は、下記の条
件を同時に満たすものである。 (1) 対角100°以上の大きな画角 (2) 小さいFナンバー(大きな瞳径) (3) 適切なアイリリーフ(観察者の目〜接眼レンズ
第1面間の距離) (4) 良好な収差補正 一方,上記した従来の接眼レンズは、50°〜70°程
度の比較的大きな画角を確保してはいるものの、バーチ
ャルリアリティ用途等において十分な臨場感と実使用上
の容易性を実現する上で不可欠の上記条件を同時に満た
しているとはいえない。従って、上記従来例の接眼レン
ズを接眼映像表示装置に搭載しても、大きな観察画角と
大きな瞳位置の自由度と周辺まで平坦性の良い鮮明な画
像とを同時に提供することはできない。
【0008】本発明はこのような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、単眼で100°以
上の大きな観察画角を提示でき、適切な瞳径とアイリリ
ーフを備えることで瞳位置の自由度が大きく、かつ、周
辺まで均一で鮮明な観察画像を提示できるよう収差補正
された接眼光学系を提供するものである。
【0009】また、本発明の第2の目的は上記接眼光学
系を接眼レンズとして搭載した広画角で臨場感に優れ、
かつ鮮明な映像表示が可能な小型・軽量の接眼映像表示
装置を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の接眼光学系は4群構成のレンズ系より成
り、眼球側から順に、眼球側に凹面を向けたメニスカス
レンズL1と正メニスカスレンズL2との接合レンズよ
り構成される正の第1レンズ群G1,軸上屈折力が負の
両面非球面レンズL3より構成される第2レンズ群G
2,軸上屈折力が正の両面非球面レンズL4より構成さ
れる第3レンズ群G3,両凸の正レンズL5と両凹の負
レンズL6との接合レンズより成る正の第4レンズ群G
4より構成され、2次元表示素子上の平面像を眼球に虚
像として拡大投影するものである。
【0011】また、上記G2群を構成する非球面レンズ
L3は両面の周辺部が眼球側に凹面を向けるように湾曲
した形状より成る。
【0012】また、上記G3群を構成する非球面レンズ
L4は、両面の周辺部が眼球側に凹面を向けるように湾
曲した形状より成る。
【0013】また、上記G1群、G2群、G3群、G4
群の軸上焦点距離を各々f1、f2、f3、f4とし、
全系の焦点距離をfとした場合、 1.4 <f1/f< 2.1 3.8 <|f2|/f< 5.4 2.3 <f3/f< 3.7 5 <f4/f< 450 なる条件を満足する。
【0014】また、上記G1群とG2群の合成軸上焦点
距離をf12とし、G3群とG4群の合成軸上焦点距離
をf34とした場合、 1.1 <f12/f34< 2.2 なる条件を満足する。
【0015】また、上記G1群のレンズL1,L2を構
成する硝材のアッベ数ν2及びν3は各々、 ν2< 30 ν3> 35 を満足する。
【0016】また、上記G2群のレンズL3を構成する
硝材のアッベ数ν5,G3群のレンズL4を構成する硝
材のアッベ数ν7は各々、 ν5< 30 ν7> 40 を満足する。
【0017】また、上記G4群のレンズL5,L6を構
成する硝材のアッベ数ν9及びν10は各々、 ν9 > 35 ν10 < 25 を満足する。
【0018】また、本発明の接眼映像表示装置は、原画
像を表示する1個もしくは2個の2次元表示素子と、該
2次元表示素子上の平面像の各々を眼球に虚像として拡
大投影する2次元表示素子と同個数の接眼光学系とから
なり、該接眼光学系は眼球側から順に、眼球側に凹面を
向けたメニスカスレンズL1と正メニスカスレンズL2
との接合レンズより構成される正の第1レンズ群G1,
軸上屈折力が負の両面非球面レンズL3より構成される
第2レンズ群G2,軸上屈折力が正の両面非球面レンズ
L4より構成される第3レンズ群G3,両凸の正レンズ
L5と両凹の負レンズL6との接合レンズより成る正の
第4レンズ群G4より構成されるものである。
【0019】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の接
眼映像表示装置に用いられる接眼光学系の実施の形態1
〜7につき説明する。図1〜図7は各々実施の形態1〜
7の接眼光学系の断面図を示す。なお、図1〜図7は、
各々後に記載する数値実施例1〜7に対応する光学系断
面図である。
【0020】各々実施の形態1〜7の各断面図の構成は
図面上では殆ど同様に見えるので、代表例として実施の
形態1を示す図1につき以下説明する。 実施の形態1 (第1の発明).図1において1は観察
者眼球の瞳孔にあたる接眼光学系の入射瞳位置、2は本
発明による接眼光学系、3は原画像を表示するLCD(L
iquid Crystal Display)、ELD(Electroluminescent
Display)、FED(Field Emission Display)、CRT(C
athode Ray Tube)等の小型2次元表示素子の画像表示面
である。
【0021】接眼光学系2は、入射瞳1側から順に、第
1レンズ群G1,第2レンズ群G2,第3レンズ群G
3,第4レンズ群G4の順に配置されている。
【0022】G1は、入射瞳側1に凹面を向けたメニス
カスレンズL1と、正メニスカスレンズL2とから構成
された接合レンズで正の屈折力を有する。L1は高分散
硝材、L2は低分散硝材が使用されている。L1のアッ
ベ数ν2,L2のアッベ数ν3は好ましくは以下の不等
式(1),(2)を同時に満たすことで色収差が良好に補正
される。 ν2< 30 (1) ν3> 35 (2)
【0023】G2は中心近傍が負のパワーを有する両面
非球面レンズL3より構成されている。L3は周辺部が
両面共入射瞳1側に凹面を向けるように大きく湾曲する
構成であり、大きな傾斜を有する周辺光線に対する入射
角を小さく保っている。このために、後に数値実施例1
〜7の表中に示すように、第5面,第6面の10次の非
球面係数A10を共に負の値とし、 A10< −1e−12 (3) としている
【0024】G3は、中心近傍が強い正のパワーを有す
る両面非球面レンズL4により構成されている。L4は
周辺部が両面共入射瞳1側に凹面を向けるように大きく
湾曲する構成であり、大きな傾斜を有する周辺光線に対
する入射角を小さく保っている。このために、後に数値
実施例1〜7の表中に示すように、第7面,第8面の8
次の非球面係数A8を共に負の値とし、 A8< −1e−9 (4) としている
【0025】上記L3とL4では、L3が高分散硝材、
L4が低分散硝材により構成されている。L3のアッベ
数ν5,L4のアッベ数ν7は好ましくは以下の不等式
(55),(6)を同時に満たすことで色収差が良好に補正
される。 ν5< 30 (5) ν7> 40 (6)
【0026】G4は、両凸の正レンズL5と、両凹の負
レンズL6とから構成され、レンズL5とL6は接合さ
れている。L6は、L5に比べて高屈折率,高分散硝材
が使用されている。L5のアッベ数ν9,L6のアッベ
数ν10は好ましくは以下の不等式(7),(8)を同時に満
たすことで色収差が良好に補正される。 ν9 > 35 (7) ν10 < 25 (8)
【0027】前記G1群、G2群、G3群、G4群の軸
上焦点距離を各々f1、f2、f3、f4とし、全系の
焦点距離をfとした場合、 1.4 <f1/f< 2.1 (9) 3.8 <|f2|/f< 5.4 (10) 2.3 <f3/f< 3.7 (11) 5 <f4/f< 450 (12) なる条件を同時に満足している。上記条件式(9)〜
(12)は本発明の接眼光学系の近軸的なパワー配分を
規定するものである。
【0028】また、G1群とG2群の合成軸上焦点距離
をf12とし、G3群とG4群の合成軸上焦点距離をf
34とした場合、 1.1 <f12/f34< 2.2 (13) なる条件を同時に満足している。(13)式の下限を超
えると、G4群の最終面から画像表示面3までの距離
(バックフォーカル長)が十分とれなくなる。また(1
3)式の上限を超えると画像表示面までの距離はとれる
が、G3群及びG4群で発生するレンズ外周部近傍を通
る軸外光の収差補正が困難になる。
【0029】以下、実施の形態1〜7に対応する数値実
施例を示す。各数値実施例の断面図は各々図1〜7に対
応する。又、表の記号の意味は以下の通りである。
【0030】 EPD: 入射瞳径 (開口絞りASTの開口径と等しい) F# : Fナンバ (無限共役時) f: 全系の焦点距離 (mm) ω : 入射瞳側半画角 (無限共役時) m : 入射瞳から数えた面番号 ri : 入射瞳から数えて第i面の曲率半径(mm) di : 入射瞳から数えて第i面から第i+1面に至
る距離 (厚さ,空気間隔; (mm)) ni : 入射瞳から数えて第i面直後の媒質の波長5
87.6nm (d線)における屈折率 νi : 入射瞳面側から数えて第i面直後の媒質のア
ッベ数 AST: 開口絞り面(入射瞳面と等価) ASP: 非球面 上記各種焦点距離、Fナンバ、半画角は波長546nm
における値である。また、上記ASPで示された非球面
の形状は式(14),(15)で定義される。 Z=(h2/r)/{1+[1−(1+K)・(h/r)21/2} +A4h4+A6h6+ A8h8+ A10h10 ・・・ (14) h2=X2+Y2 ・・・ (15) 但し、rは中心曲率半径,Kは円錐定数,A4,A6,
A8,A10は各々4次,6次,8次,10次の非球面
係数、hは光軸Zからの高さである。又、非球面の中心
は座標系(X,Y,Z)の原点に位置し、光軸はZ方向に
合わせられているものとする。
【0031】
【表1】
【0032】
【表2】
【0033】
【表3】
【0034】
【表4】
【0035】
【表5】
【0036】
【表6】
【0037】
【表7】
【0038】次に各数値実施例に関する、レンズ系各部
の焦点距離と、焦点距離の比を下表にまとめて示す。但
し、表の記号の意味は以下の通りである。 f :全系の焦点距離(mm) f1:G1群の焦点距離(mm) f2:G2群の軸上焦点距離(mm) f3:G3群の軸上焦点距離(mm) f4:G4群の焦点距離(mm) f12:G1群とG2群の合成軸上焦点距離(mm) f34:G2群とG3群の合成軸上焦点距離(mm) 上記の各種焦点距離は波長546nmにおける値であ
る。
【0039】
【表8】
【0040】図8〜14に上記数値実施例1〜7に対応
する横収差図を示す。EYはメリジオナル断面内、EX
はサジッタル断面内の収差を示す。WL1,WL2,W
L3は各々波長470nm,546nm,610nmに
対する曲線であり、4種類の入射画角(無限遠入射)に
対して小さな共役側(画像表示素子3)の面上の横収差を
プロットした。図8〜14より、本願の数値実施例はい
ずれも良好に横収差,色収差補正されており、対角11
0°以上の広画角で高解像な拡大虚像の形成が可能であ
ることがわかる。
【0041】実施の形態8(第2の発明).つぎに、上
記実施の形態1〜7で述べた接眼光学系を実装した接眼
映像表示装置の構成につき図15により説明する。図1
5において、3は2次元表示素子、2は実施例1〜7に
て説明した第1の発明による接眼光学系、20は接眼光
学系2を実装した接眼光学装置、10は観察者Hの眼
球、50は左右の表示ユニット30L,30Rを観察者
Hの頭部に固定するためのベルト機構である。2次元表
示素子は従来例を示す図16と同様にLCD,ELD,FED,C
RT等の小型表示素子が用いられる。これらのうちLCDを
用いる場合、LCDは自発光でない表示素子ゆえ、例え
ば蛍光灯,LED,EL等からなる光源(図示省略)が表
示素子3に組み込まれている。また、ELD,FED,
CRT等の自発光表示素子を2次元表示素子に用いる場
合には、このような光源の組み込みは不要である。
【0042】2次元表示素子3の画像形成面に形成され
た原画像は、接眼光学系2により拡大虚像に変換され、
眼球10でこの拡大虚像を鑑賞する。図15の接眼表示
装置は第1の発明の接眼光学系2を実装しているので、
100°以上の大きな観察画角を提示でき、適切な瞳径
とアイリリーフを備えることで瞳位置の自由度が大き
く、かつ、周辺まで均一で鮮明な観察画像を提示でき
る。この結果、広画角で臨場感に優れ、かつ鮮明な映像
表示が可能である。
【0043】左右各々の目に呈示される画像を100%
重ねあわせても第1の発明による接眼光学系の画角は全
角で100°以上と十分大きい。しかし公知のように水
平方向外側に左右の提示画像をずらして表示すること
で、水平画角を拡大することができる。このために、
(1)画像表示素子3の中心を接眼光学系2の光軸に対し
て水平方向にシフトさせ虚像を水平方向に移動させる、
(2)接眼光学装置20と2次元表示素子3を組み合わせ
た表示ユニット(30L,30R)全体を各々水平面内
で傾斜させ虚像形成位置を見かけ上移動させる、等の方
法で左右の目に対応する形成画像を左右方向外側にシフ
トするのが望ましい。左右の拡大表示画像を100%重
ね合せた状態で双方の2次元表示素子に同一の画像を表
示しても十分表示画像の画角が大きいので臨場感のよい
結果が得られる。さらに、左右の拡大画像を100%重
ね合せた場合、及び水平方向外側にシフトして重ね合せ
た場合のいずれにおいても、左右の2次元表示素子に両
眼視差画像を表示すれば、立体視の効果によりさらに臨
場感が高まる。
【0044】なお、接眼光学装置20と2次元表示素子
3は、実際の装置では一体に組み込まれ、さらに装置全
体を観察者Hの頭部に固定するベルト機構50が設けら
れている。しかし表示ユニット30L,30Rを共通の
匡体に収めた覗き込み型の接眼表示装置を構成する場
合、必ずしもベルト機構50は必要でない。また、接眼
光学装置20と2次元表示素子3の光軸方向間隔、及び
表示ユニット30L,30R間の間隔は、観察者Hの目
の特性及び瞳孔間隔に応じて適宜調整されることで観察
者毎に最適の表示特性が提供できる。さらに、図15で
は接眼光学装置20と2次元表示素子3を2組設け両眼
で鑑賞する接眼映像表示装置を示したが、接眼光学装置
20と2次元表示素子3を1組設けた構成により単眼で
鑑賞する装置にも変形可能である。
【0045】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。第1の
発明によって提供する接眼光学系は、下記の条件を同時
に満たすものである。 (1) 対角100°以上の大きな画角 (2) 小さいFナンバー(大きな瞳径) (3) 適切なアイリリーフ(観察者の目〜接眼レンズ
第1面間の距離) (4) 良好な収差補正。 この結果、第1の発明による接眼光学系は、単眼で10
0°以上の大きな観察画角を提示でき、適切な瞳径とア
イリリーフを備えることで瞳位置の自由度が大きく、か
つ、周辺まで均一で鮮明な観察画像を提示できるよう収
差補正された接眼光学系を実現できる。
【0046】また第2の発明によると、上記接眼光学系
を接眼レンズとして搭載した広画角で臨場感に優れ、か
つ鮮明な映像表示が可能な小型・軽量の接眼映像表示装
置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の数値実施例1による接眼光学系の
断面図である。
【図2】 この発明の数値実施例2による接眼光学系の
断面図である。
【図3】 この発明の数値実施例3による接眼光学系の
断面図である。
【図4】 この発明の数値実施例4による接眼光学系の
断面図である。
【図5】 この発明の数値実施例5による接眼光学系の
断面図である。
【図6】 この発明の数値実施例6による接眼光学系の
断面図である。
【図7】 この発明の数値実施例7による接眼光学系の
断面図である。
【図8】 この発明の数値実施例1の接眼光学系の横収
差図である。
【図9】 この発明の数値実施例2の接眼光学系の横収
差図である。
【図10】 この発明の数値実施例3の接眼光学系の横
収差図である。
【図11】 この発明の数値実施例4の接眼光学系の横
収差図である。
【図12】 この発明の数値実施例5の接眼光学系の横
収差図である。
【図13】 この発明の数値実施例6の接眼光学系の横
収差図である。
【図14】 この発明の数値0実施例7の接眼光学系の
横収差図である。
【図15】 この発明の実施の形態8による接眼映像表
示装置の構成図である。
【図16】 従来の接眼映像表示装置の構成図である。
【符号の説明】
1 入射瞳(観察者の眼球位置)、2 接眼光学系、3
2次元表示素子、G1 第1レンズ群、G2 第2レ
ンズ群、 G3 第3レンズ群、G4 第4レンズ群

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2次元表示素子上の平面像を眼球に虚像
    として拡大投影する機能を有する光学系で、該光学系は
    眼球側から順に、眼球側に凹面を向けたメニスカスレン
    ズL1と正メニスカスレンズL2との接合レンズより構
    成される正の第1レンズ群G1,軸上屈折力が負の両面
    非球面レンズL3より構成される第2レンズ群G2,軸
    上屈折力が正の両面非球面レンズL4より構成される第
    3レンズ群G3,両凸の正レンズL5と両凹の負レンズ
    L6との接合レンズより成る正の第4レンズ群G4より
    構成されることを特徴とする接眼光学系。
  2. 【請求項2】 上記G2群を構成する非球面レンズL3
    は両面の周辺部が眼球側に凹面を向けるように湾曲した
    形状であることを特徴とする、請求項第1項記載の接眼
    光学系。
  3. 【請求項3】 上記G3群を構成する非球面レンズL4
    は両面の周辺部が眼球側に凹面を向けるように湾曲した
    形状であることを特徴とする、請求項第1項記載の接眼
    光学系。
  4. 【請求項4】 前記G1群、G2群、G3群、G4群の
    軸上焦点距離を各々f1、f2、f3、f4とし、全系
    の焦点距離をfとした場合、 1.4 <f1/f< 2.1 3.8 <|f2|/f< 5.4 2.3 <f3/f< 3.7 5 <f4/f< 450 なる条件を満足する請求項第1項記載の接眼光学系。
  5. 【請求項5】 前記G1群とG2群の合成軸上焦点距離
    をf12とし、G3群とG4群の合成軸上焦点距離をf
    34とした場合、 1.1 <f12/f34< 2.2 なる条件を満足する請求項第1項記載の接眼光学系。
  6. 【請求項6】 前記G1群のレンズL1,L2を構成す
    る硝材のアッベ数ν2及びν3は各々、 ν2< 30 ν3> 35 を満足することを特徴とする請求項第1項記載の接眼光
    学系。
  7. 【請求項7】 前記G2群のレンズL3を構成する硝材
    のアッベ数ν5,G3群のレンズL4を構成する硝材の
    アッベ数ν7が、 ν5< 30 ν7> 40 を満たすことを特徴とする請求項第1項記載の接眼光学
    系。
  8. 【請求項8】 前記G4群のレンズL5,L6を構成す
    る硝材のアッベ数ν9及びν10は各々、 ν9 > 35 ν10 < 25 を満たすことを特徴とする請求項第1項記載の接眼光学
    系。
  9. 【請求項9】 原画像を表示する1個もしくは2個の2
    次元表示素子と、該2次元表示素子上の平面像の各々を
    眼球に虚像として拡大投影する2次元表示素子と同個数
    の接眼光学系とからなり、該接眼光学系は眼球側から順
    に、眼球側に凹面を向けたメニスカスレンズL1と正メ
    ニスカスレンズL2との接合レンズより構成される正の
    第1レンズ群G1,軸上屈折力が負の両面非球面レンズ
    L3より構成される第2レンズ群G2,軸上屈折力が正
    の両面非球面レンズL4より構成される第3レンズ群G
    3,両凸の正レンズL5と両凹の負レンズL6との接合
    レンズより成る正の第4レンズ群G4より構成されるこ
    とを特徴とする接眼映像表示装置。
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