KR101801099B1

KR101801099B1 - 허상 표시 장치

Info

Publication number: KR101801099B1
Application number: KR1020167008543A
Authority: KR
Inventors: 아키라 고마츠; 타카히로 도타니; 마사유키 다카기; 타카시 다케다; 토시아키 미야오
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2017-11-24
Also published as: RU2642130C2; KR20160048977A; JP2015072438A; CN104423044A; EP3042231B1; WO2015033534A1; TWI645216B; RU2016112185A; EP3042231A1; US9829709B2; US10310270B2; CN104423044B; US20180067320A1; JP6244888B2; TW201510572A; US20160178909A1

Abstract

도광 부재(10)는 2 이상의 비축대칭인 곡면으로서, 제2면(S12), 제4면(S14) 및 제5면(S15)의 3면을 포함하고, 투사 렌즈(30)는 비축대칭 비구면으로서 렌즈면(31a)을 포함한다. 이에 따라, 도광 부재(10)측에 있어서, 도광에 기여하는 면인 제1면(S11) 또는 제3면(S13)은 평면이라는 형상적 제약이 있어, 비대칭 수차에 대한 보정에 제한이 있는 경우라도, 투사 렌즈(30)를 포함하여 광학계 전체적으로, 충분한 수차의 보정을 행하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 허상 표시 장치는, 넓은 화각 및 고성능을 가질 수 있고, 소형 및 경량으로 할 수 있다.

Description

허상 표시 장치{VIRTUAL IMAGE DISPLAY APPARATUS}

본 발명은 화상 표시 소자 등으로 형성된 영상을 관찰자에게 제시하는 허상 표시 장치에 관한 것이며, 특히, 관찰자의 두부에 장착된 두부 장착형 표시 장치에 적합한 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.

관찰자의 두부에 장착된 헤드 마운트 디스플레이(이후에는 HMD라고 함) 등의, 허상 표시 장치에 조립되는 광학계로서 다양한 광학계가 제안되고 있다(특허문헌 1 내지 4 참조).

HMD 등의, 허상 표시 장치에 있어서, 영상광의 화각(viewing angle)을 확대하고 크기와 무게를 감소시키는 것이 요구되고 있다. 크기와 무게를 감소시킴으로써, 관찰자의 시축 방향의 두께를 감소시킬 수 있고, 관찰자를 중심(center of gravity)에 가깝게 할 수 있어서, 그 장착감(fit)을 향상시킬 수 있다.

관찰자의 시야를 완전히 덮어버려서 영상광만이 보이면, 관찰자는 외경을 알 수 없어서 관찰자에게 불안을 발생시키게 된다. 또한, 외경과 영상을 겹치는 방식으로 표시하여, 가상 현실과 같은 다양한 새로운 용도를 생성하고 있다. 이러한 이유로, 외부의 시계를 방해하지 않으면서 영상광이 겹쳐지는 방식으로 표시하는 디스플레이가 요구되고 있다.

관찰자의 장착감을 향상시키고 형상의 외관을 개선하기 위하여, 영상 표시 장치를, 눈의 상방에 배치하는 대신에, 얼굴의 옆(across)에 배치하는 것이 바람직하다.

광학계의 크기를 감소시키고, 시계를 방해하지 않도록 관찰자의 눈으로부터 떨어진 위치에 영상 표시 장치를 배치하기 위해서는, 광학계 상에 표시 화상광을 한번 결상시켜서 중간상을 형성하고, 그 중간상을 확대하여 표시시키는 릴레이 광학계를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 특허문헌 1에서는, 포물면 거울이 단면에 형성되어 있는 평행평면 도광판과 투사 렌즈를 사용하여 도광판의 내부에 중간상을 형성하는 릴레이 광학계를 제안하고 있다. 그러나, 특허문헌 1의 광학계의 경우에는, 투사 렌즈의 크기가 커서, 크기와 무게를 감소시키는데 방해가 된다.

특허문헌 2에서는, 곡면의 사출 및 반사면을 갖는 도광부재와 영상광을 도광부재로 입사시키는 투사 렌즈를 사용하는 광학계를 제안하고 있다. 그러나, 특허문헌 2의 광학계는 외경을 관찰자에게 표시시키는 것에 대하여는 고려하고 있지 않다. 광학계를 적용하여 외경을 표시하기 위해서는, 도광 부재 전체에 펼쳐져 있는 반사면에 보상 부재를 부착하고 그 접합면에 하프 미러를 설치할 필요가 있다. 그러나, 하프 미러에 의하여 2회 영상광이 반사되기 때문에, 영상이 매우 어두워진다.

특허문헌 3에서는 투사 렌즈, 오목 거울 및 도광판을 갖는 릴레이 광학계를 제안한다. 이 광학계에서는 파장판과 편광 하프 미러가 결합하여, 반사 효율을 강화시키고 있다. 그러나, 특허문헌 3의 광학계를 적용하여 외경을 표시하기 위해서는, 오목 거울의 외부에 보상 렌즈를 부착할 필요가 있고, 이것은 전체의 두께를 증가시키게 된다.

특허문헌 4에서는 절곡된 광로에 의하여 전체 길이가 짧고 콤팩트하게 정렬되어 있는 릴레이 광학계를 제안하고 있다. 그러나, 특허문헌 4의 광학계의 경우에는, 도광 부재 또는 투사 렌즈의 중심에 있는 볼록부가 시계를 방해한다. 더욱이, 영상광은 하프 미러를 통과한 후, 되돌아 와서, 다시 하프 미러에 의하여 반사되기 때문에, 관찰되는 영상이 어둡게 된다.

일본특허공보 2746697호 일본특허공보 3787399호 일본특허공보 4218553호 일본특허공보 4819532호

본 발명은 넓은 화각과 고성능을 갖는 소형 경량의 허상 표시 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은 영상광을 생성하는 영상 소자와, 2 이상의 비축대칭 곡면(non-axisymmetric curved surface)을 포함하며 광학계의 일부이고 그 내부에 중간상이 형성되는 도광 부재와, 영상 소자로부터의 영상광을 도광 부재로 입사시키는 투사 렌즈를 구비하고, 투사 렌즈는 적어도 하나의 비축대칭 비구면을 포함하고 있으며, 도광 부재를 구성하는 복수의 면들 중 제1면과 제3면은 서로 대향하게 배치되고, 영상 소자로부터의 영상광은 제3면에 의하여 전반사되고, 제1면에 의하여 전반사되고, 제2면에 의하여 반사되고 제1면을 통하여 투과되며 관찰측에 도달한다. 여기에서, 2 이상의 비축대칭 곡면은, 예를 들어, 영상광의 반사 등의, 도광에 기여하는 주요면이 되는 2 이상의 곡면을 포함하는 허상 표시 장치이다.

전술의 허상 표시 장치에서는 도광 부재는 2 이상의 비축대칭 곡면을 포함하며, 투사 렌즈는 비축대칭 비구면을 포함한다. 예를 들면, 도광 부재의 비축대칭 곡면 또는 투사 렌즈의 비축대칭 비구면으로서, 예를 들면 복수의 자유 곡면을 사용함으로써, 수차 보정을 얻을 수 있다. 이에 따라서, 예를 들어, 도광 부재측의 일부의 면 형상에 제약이 있어서 비대칭 수차의 보정에 제한이 있다고 할지라도, 투사 렌즈측에 형성된 비축대칭 비구면을 사용하여 수차 보정을 얻을 수 있고, 따라서 광학계 전체적으로 충분한 수차 보정을 행하는 것이 가능해져서 넓은 화각과 고성능을 가지며, 박형의 도광 부재를 갖는 소형 경량인 허상 표시 장치를 실현하는 것이 가능하다. 외부광에 대해서는, 제1면 및 제3면의 형상을 적절하게 결정함으로써, 디옵터(diopter) 오차(디옵터의 크기) 또는 외관 배율 오차를 거의 제로로 할 수 있다. 도광 부재의 형상은 관찰자의 얼굴을 따르는 형태를 가질 수 있으며, 중심을 얼굴에 가깝게 할 수 있고, 우수한 디자인을 얻을 수 있다.

본 발명의 구체적인 측면에서는, 도광 부재에 있어서, 제1면과 제3면은 서로 대략 평행한 평면이다. 이 경우에, 제1면과 제3면을 투과하여 관찰되는 외부광에 대하여, 디옵터 오차를 거의 제로로 할 수 있다. 특히, 외경 화상에 대한 외관 배율 오차를 거의 제로로 할 수 있으며, 나안 상태와 동일한 상태를 제공할 수 있다. 제1면과 제3면이 서로 평행한 평면이라면, 디옵터 오차와 외관 배율 오차를 거의 제로로 할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서는, 도광 부재는, 제3면으로부터 광입사측에 배치되어 제3면을 향하여 영상광을 도광시키는 제4면과, 제4면을 향하여 영상광을 도광시키는 제5면을 갖고, 도광 부재에 있어서, 중간상이 제3면부터 제5면까지의 영상광의 광로 상에 있다. 이 경우에, 중간상을 그들 사이에 끼운 광학계의 전단측과 후단측 사이에서 크기 밸런스를 유지하여 광학계 전체적으로 크기를 감소시키는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 도광 부재에 있어서, 제2면, 제4면 및 제5면은 비축대칭 곡면이다. 이 경우에, 제1면 또는 제3면이 거의 평면에 가깝고 수차 보정이 제1면 또는 제3면 상에서 쉽게 얻어지기 어렵다고 할지라도, 수차는 제2면 등의, 다른 면에서 충분히 보정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 투사 렌즈에 있어서의 투사 렌즈 광축과 관찰자의 시선으로서 상정되는 시선축은 0도 이상 30도 이상의 각도를 이룬다. 이 경우에, 예를 들어, 영상 소자가 눈의 상측에 배치되는 대신에, 얼굴 옆에 배치되는 구성으로 이루어지는 경우에, 관찰자의 장착감을 향상시키고, 그 형상의 외관을 더 좋은 상태로 유지하는 것을 광학계의 배치가 방해되지 않도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 광학계를 구성하는 각 면의 원점을 기준으로 하여, 면 형상의 표현식을 원점으로부터 접선 방향으로 연장되는 직교 좌표 x 및 y에 관하여 다항식으로서 전개하고, 제k면을 나타내는 다항식의 x^m·yⁿ 의 계수가 Ak_m _,n 인 경우, 하기의 (1) 내지 (3)의 조건을 만족한다.

－10^－1＜A1_0,2＋A1_2,0＜10^－2 및 －10^－1＜A3_0,2＋A3_2,0＜10^－2… (１)

｜A1_2,0－A1_0,2｜＜10^－1 및 ｜A3_2,0－A3_0,2｜＜10^－1… (２)

｜A1_2,0－A3_2,0｜＜10^－2 및 ｜A1_0,2－A3_0,2｜＜10^－2… (３)

여기에서, 각 면의 직교 좌표 x 및 y를 포함하는 로컬 좌표(x, y, z)는 원점으로서 곡면(평면을 포함함) 상에 임의의 1점을 갖고, z축은 면에 법선 방향에 있고, x축 및 y축은 면의 접선 방향에 있고, 곡면 형상은 로컬 좌표에서 규정되어 있다. 곡면의 원점은, 예를 들어, 광속(light flux)의 중심이 통과하는 위치이다.

이 경우에, 투사 렌즈의 일부의 면은, 예를 들어, 자유 곡면 등을 갖는 비축대칭 비구면(비회전대칭 비구면) 형상을 가짐으로써, 고화질 광학계를 얻는데 성공하였다. 이러한 이유로, 예를 들어, 영상광 뿐만 아니라 외부광의 관찰에도 관여하는 제1면 및 제3면이 평면인 경우일지라도, 충분한 수차 보정을 행하는 것이 가능하여 디옵터 오차 또는 배율 오차를 대략 완전히 제로로 할 수 있다. 예를 들면, 제1면 및 제3면이 자유 곡면인 경우에, 이 곡면의 자유도를 효과적으로 사용하여, 콤팩트한 광학계를 구성할 수 있다.

제1면 및 제3면의 각각의 기능, 즉, 곡면의 기능은 기본적으로 곡면의 곡률로 특징져지며, 원점 근방의 곡률은, 계수 Ak₂ _,0 및 Ak₀ _,2(여기서 k=1, 3)의 값으로 주로 결정된다. 이러한 이유로, Ak₂ _,0 및 Ak₀ _,2의 값을 적절하게 설정하는 것이 중요하다.

조건(1)은 원점 근방의 제1면의 곡률 및 제3면의 곡률의 크기를 특정한다. 만일 그 크기가 조건 (1)의 상한을 초과하는 경우, 제1면 및 제3면은 관찰자에 대하여 볼록 형상을 갖고, 따라서, 전체 형상이 증가하여 수차 보정이 어렵게 된다. 만일 그 크기가 조건 (1)의 하한을 초과하면, 그 곡률은 지나치게 강해져서, 수차 보정을 쉽게 행할 수가 없고, 도광 부재 또는 투사 렌즈의 위치가 얼굴에 가깝게 되어서 장착감을 해친다.

조건 (2)는 제1면 및 제3면의 x축 방향의 곡률 및 y축 방향의 곡률 사이의 차를 특정한다. 그 차가 조건 (2)의 상한을 초과하면, 제1면 및 제3면에서 발생되는 비점수차가 지나치게 커져서, 수차 보정이 어렵게 된다.

조건 (3)은 x축 방향과 y축 방향에 관한, 제1면의 곡률과 제3면의 곡률 사이의 차를 특정하고, 외부광에 대한 도광 부재의 디옵터에 영향을 준다. 만일 도광 부재의 두께가 T 이고 굴절률이 N이면, 도광 부재의 광축 상의 x축 방향의 디옵터 Dx 및 y방향의 디옵터 Dy는 다음의 식으로 주어진다.

Dx＝2000(N－1)(A1_2,0－A3_2,0＋(2T(N－1)/N)×A1_2,0×A3_2,0)

Dy＝2000(N－1)(A1_0,2－A3_0,2＋(2T(N－1)/N)×A1_0,2×A3_0,2)

일반적으로, 원방(far) 디옵터의 오차가 ±1D를 초과하면, 불쾌감이 발생되어서, 도광 부재의 디옵터는 ±1D로 억제하고, 가능하면, ±0.5D 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 전술된 식에서와 같이, 광축 상의 디옵터는 도광 부재의 두께 또는 굴절률에 관계되기 때문에, 광축 상의 디옵터는 비구면 계수의 값만으로 결정되지는 않는다. 반면, 계수가 조건 (3)을 만족하는 범위에 있으면, 광축 상의 디옵터는 ±1D의 범위 내로 억제하는 것이 가능하다.

제1면 및 제3면은 조건 (1) 내지 (3)을 만족하는 형상을 가지며, 이에 따라서 외부광 및 영상광 양자의 수차 보정을 만족스럽게 행할 수 있고 우수한 화질을 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 면 형상의 표현식을, 투사 렌즈의 비축대칭 비구면의 원점을 기준으로 하여, 원점으로부터 접선 방향으로 연장하는 직교 좌표 x 및 y에 관하여 다항식으로 전개하는 경우, 그리고 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식의 x^m·yⁿ 의 계수가 A_m,n 이고, A_2,0 및 A_0,2 가 반대 부호이고 다음의 조건을 만족한다.

10^－2＜｜A_2,0－A_0,2｜ … (4)

이 경우에, 투사 렌즈가 비축대칭 자유 곡면 등을 갖는 비축대칭 비구면을 가짐으로써, 도광 부재의 반사면에서 발생되는 비점수차와 같은 수차를 보정하여 우수한 화질을 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 영상 소자로부터의 영상광은 적어도 2회의 전반사를 포함하는 5회 반사에 의하여 도광된다. 이 경우에, 영상광의 표시와 외부광의 시인(visual recognition)을 위한 시스루의 양자를 얻는 것이 가능하며 영상광의 수차 보정을 행하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 하프 미러가 제2면에 형성되며, 영상광이 관찰자에게 제시되고, 광투과 부재가 제2면의 외측에 일체적으로 배치되고, 외부광에 대한 디옵터가 거의 제로로 설정되며 외부광과 영상광이 겹쳐지는 방법으로 관찰자에게 제시된다. 이러한 경우, 제2면 너머로 관찰되는 외부광의 디포커스 또는 왜곡을 감소시키는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 투사 렌즈는 비축대칭 비구면 이외의 면으로서, 2 이상의 축대칭 비구면을 포함한다. 이 경우에, 투사 렌즈가 많은 축대칭 비구면을 포함하도록 구성됨으로써, 투사 렌즈의 제작 및 다른 부품과의 조립을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 도광 부재를 포함하는 광학계가 관찰자의 눈 앞의 일부를 덮으며, 눈 앞이 덮여있지 않은 부분을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 영상 소자는 화상에 대응하여 변조된 신호광을 사출하는 신호광 형성부와, 신호광 형성부로부터 입사한 신호광을 주사하여 주사광으로서 신호광을 사출하는 주사 광학계를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 허상 표시 장치의 외관을 설명하는 사시도이다.
도 2는 허상 표시 장치의 외관을 나타내는 정면도이다.
도 3은 허상 표시 장치를 구성하는 제1 표시 장치의 본체 부분의 평면시(plan view)의 단면도이다.
도 4는 제1 표시 장치 중의 도광 부재에서의 광학면 또는 광로를 설명하는 단면도이다.
도 5는 실시예 1의 광학계를 설명하는 도면이다.
도 6(A) 내지 도 6(F)는 실시예 1의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 7(A) 내지 도 7(F)는 실시예 1의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 8은 실시예 2의 광학계를 설명하는 도면이다.
도 9는 실시예 2의 도광 부재에서의 광학면 또는 광로를 설명하는 단면도이다.
도 10(A) 내지 도 10(F)는 실시예 2의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 11(A) 내지 도 11(F)는 실시예 2의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 12는 실시예 3의 광학계를 설명하는 도면이다.
도 13은 실시예 3의 도광 부재에서의 광학면 또는 광로를 설명하는 단면도이다.
도 14(A) 내지 도 14(F)는 실시예 3의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 15(A) 내지 도 15(F)는 실시예 3의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 16은 실시예 4의 광학계를 설명하는 도면이다.
도 17은 실시예 4의 도광 부재의 광학면 또는 광로를 설명하는 단면도이다.
도 18(A) 내지 도 18(F)는 실시예 4의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 19(A) 내지 도 19(F)는 실시예 4의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 20은 실시예 5의 광학계를 설명하는 도면이다.
도 21은 실시예 5의 도광 부재의 광학면 또는 광로를 설명하는 단면도이다.
도 22(A) 내지 도 22(F)는 실시예 5의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 23(A) 내지 도 23(F)는 실시예 6의 광학계의 수차를 설명하는 도면이다.
도 24는 변형예의 허상 표시 장치를 설명하는 도면이다.
도 25a는 도광 장치 및 그 도광 장치를 사용하는 허상 표시 장치의 다른 예를 설명하는 사시도이다.
도 25b는 도광 장치 및 그 도광 장치를 사용하는 허상 표시장치의 정면도이다.

이후에서는, 본 발명에 따르는 허상 표시 장치의 일 실시 형태를 도 1 등을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 허상 표시 장치(100)는 안경과 같은 외관을 갖는 헤드 마운트 디스플레이이며, 허상 표시 장치(100)를 장착한 관찰자 또는 사용자가 허상에 의한 화상광을 시인할 수 있게 하고, 관찰자가 외경 화상을 시스루 방법으로 시인 또는 관찰할 수 있게 한다. 허상 표시 장치(100)는 관찰자의 눈 앞을 시스루 방법으로 덮는 제1 및 제2 광학 부재(101a 및 101b)와, 양 광학 부재(101a 및 101b)를 지지하는 프레임부(102)와, 프레임부(102)의 좌단 및 우단의 양단으로부터 후방의 안경다리 부분(템플; 104)까지의 부분에 부착되어 있는 제1 및 제2 화상 형성 본체부(105a 및 105b)를 포함한다. 도면의 좌측의 제1 광학 부재(101a)와 제1 화상 형성 본체부(105a)가 결합되어 있는 제1 표시 장치(100A)는 우안용 허상을 형성하는 부분이며, 단독으로 허상 표시 장치로서 기능한다. 도면의 우측의 제2 광학 부재(101b)와 제2 화상 형성 본체부(105b)가 결합되어 있는 제1 표시 장치(100B)는 좌안용 허상을 형성하는 부분이며, 단독으로 허상 표시 장치로서 기능한다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 화상 표시 장치(100)에 형성된 프레임부(102)는 상측에 배치된 프레임(107)과 하측에 배치된 프로텍터(108)를 포함한다. 프레임부(102)에 있어서, 상측의 프레임(107)은 XZ면 내에서 U자 형상으로 굽어 있는 가늘고 긴 판 형상의 부재이며, 좌우 수평 방향(X 방향)으로 연장하는 정면부(107a)와 전후 깊이 방향(Z 방향)으로 연장하는 한 쌍의 측면부(107b 및 107c)를 포함한다. 프레임(107)은, 즉 정면부(107a) 및 측면부(107b 및 107c)는 알루미늄 다이 캐스팅 혹은 다양한 금속 재료로 형성된 금속의 일체 부품이다. 정면부(107a)의 깊이 방향(Z 방향)의 폭은 제1 및 제2 광학 부재(101a)에 대응하는 도광 장치(20)의 두께 또는 폭보다 충분히 크다. 프레임(107)의 좌측, 구체적으로는, 정면부(107a)의 좌단부로부터 측면부(107b)까지의 부분에는, 제1 광학 부재(101a)와 제1 화상 형성 본체부(105a)가 정렬되어 있으며, 예를 들어 나사에 의하여 직접 고정됨으로써, 지지되고 있다. 프레임(107)의 우측, 구체적으로는 정면부(107a)의 우단부로부터 측면부(107c)까지의 부분에서는, 제2 광학 부재(101b)와 제2 화상 형성 본체부(105b)가 정렬되어 있으며, 예를 들어, 나사에 의하여 직접 고정되어서 지지되고 있다. 제1 광학 부재(101a)와 제1 화상 형성 본체부(105a)는 끼워맞춤에 의하여 서로 정렬배치되며, 제2 광학 부재(101b)와 제2 화상 형성 본체부(105b)는 끼워맞춤에 의하여 서로 정렬배치되어 있다. 프레임부(102)에서, 하측에 배치된 프로텍터(108)는 언더 림 형상 부재이며, 프레임(107) 아래에 고정되어 있다. 프로텍터(108)는 2단의 크랭크 형상으로 굽어 있는 가늘고 긴 판 형상 부재이며, 금속 재료 또는 수지 재료로 일체적으로 형성되어 있다.

프레임(107)은 제1 및 제2 화상 형성 본체부(105a 및 105b)를 지지하는 것 뿐만 아니라, 제1 및 제2 화상 형성 본체부(105a 및 105b)를 덮는 외장 부재(105d)와 협동하여 제1 및 제2 화상 형성 본체부(105a 및 105b)의 내부를 보호하는 역할을 한다. 프레임(107)과 프로텍터(108)는 제1 및 제2 화상 형성 본체부(105a 및 105b)에 연결되어 있는 근원측을 제외한 도광 장치(20)의 타원 형상의 주위 부분과 분리되거나 또는 느슨하게 접하고 있다. 이러한 이유로, 중앙의 도광 장치(20)와, 프레임(107)과 프로텍터(108)를 포함하는 프레임부(102) 사이의 열팽창률에 차이가 있다고 할지라도, 프레임부(102) 내에서의 도광 장치(20)의 팽창이 허용되어서, 도광 장치(20)의 왜곡, 변형 및 파손의 발생을 방지할 수 있다.

프레임부(107)와 함께 코받침부(40)가 형성되어 있다. 코받침부(40)는 관찰자의 코와 접하여 프레임부(102)를 지지하는 역할을 한다. 즉, 프레임부(102)는 코에 의해서 지지되는 코받침부(40)와 귀에 의해서 지지되는 한 쌍의 템플부(104)에 의하여 관찰자의 얼굴 앞에 배치된다. 코받침부(40)는, 프레임부(102)를 구성하는 프레임(107)의 정면부(107a)와 프레임부(102)를 구성하는 프로텍터(108)의 중앙부 사이에 끼워져 있도록 나사에 의하여 고정되어 있다. 도 1을 참조하여 설명된 외관은 일 예이며, 예를 들어, 나사 등에 의하여 고정되는 기구의 설계는 광학적 기구에 직접 관여하지 않는 부분에 대하여 변경할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 표시 장치(100A)는 투사용 광학계인 투사 투시 장치(70)와, 영상광을 형성하는 화상 표시 장치(80)를 구비한다고 생각할 수 있다. 도 3은 허상 표시 장치(100)의 광학계의 광축(AX)을 포함하는 기준면(SR; 도 2 참조)에 대한 단면을 나타낸다. 투사 투시 장치(70)는 , 제1 화상 형성 본체부(105a)에 의하여 형성된 화상을 허상으로서 관찰자의 눈으로 투사하는 역할을 한다. 투사 투시 장치(70)는 도광 및 투시용 도광 부재(10), 투시용 광투과 부재(50), 및 결상용 투사 렌즈(30)를 포함한다. 즉, 제1 광학 부재(101a) 또는 도광 장치(20)는 도광 부재(10)와 광투과 부재(50)로 구성되고, 제1 화상 형성 본체부(105a)는 화상 표시 장치(80)와 투사 렌즈(30)로 구성된다.

이후에는, 제1 화상 형성 본체부(105a)를 구성하는 화상 표시 장치(80)와 투사 렌즈(30)를 도 3을 참조하여 설명한다.

화상 표시 장치(82)는 조명광을 사출하는 조명 장치(81)와, 투과형의 공간광 변조 장치인 영상 표시 소자(82)와, 조명 장치(81) 및 영상 표시 소자(82)의 동작을 제어하는 구동 제어부(84)를 갖는다.

화상 표시 장치(80)의 조명 장치(81)는, 적, 녹 및 청의 3색을 포함하는 빛을 발생하는 광원(81a)과 이 광원으로부터의 빛을 확산시켜서 직사각형의 단면을 갖는 광속으로 빛을 변환시키는 백라이트 도광부(81b)를 갖는다. 영상 표시 소자(영상 소자; 82)는, 예를 들어 액정 표시 디바이스로 구성되며, 복수의 화소를 갖고 조명 장치(81)로부터의 조명광을 공간적으로 변조하여 동영상 등의 표시 될 화상광을 형성한다. 구동 제어부(84)는, 광원 구동 회로(84a)와 액정 구동 회로(84b)를 포함한다. 광원 구동 회로(84a)는 조명 장치(81)로 전력을 공급하여 안정한 휘도로 조명광을 사출한다. 액정 구동 회로(84b)는 화상 신호 또는 구동 신호를 영상 표시 소자(영상 소자; 82)로 출력함으로써, 투과율 패턴으로서 동영상 또는 정지 화상의 바탕이 되는 컬러의 영상광 또는 화상광을 형성한다. 화상 처리 기능을 액정 구동 회로(84b)에서 제공할 수도 있지만, 화상 처리 기능을 외부 제어 회로에서 제공할 수도 있다.

투사 렌즈(30)는, 구성 요소로서 입사측 광축(AX1)을 따라 3개의 광학 소자(31 내지 33)를 구비하는 투사 광학계이며 광학 소자(31 내지 33)를 보관하고 지지하는 렌즈통(도시되지 않음)을 포함한다. 광학 소자(31 내지 33)는, 예를 들어, 비축대칭 비구면과 축대칭 비구면 양자를 포함하는 비구면 렌즈이고, 도광 부재(10)의 일부와 협동하여 도광 부재(10) 내부에 영상 표시 소자(82)의 표시 화상에 대응하는 중간상을 형성한다. 제1 렌즈(31)는 도광 부재(10)측에 배치되어 있으며, 도광 부재(10)의 광입사면에 대향하고 있는 광사출면인 렌즈면(31a)과 광입사면인 렌즈면(31b)을 갖는다. 제2 렌즈(32)는, 빛의 광로에서 제1 렌즈(31)의 상단측에 배치되어 있으며, 광사출면인 렌즈면(32a)과 광입사면인 렌즈면(32b)을 갖는다. 제3 렌즈(33)의 렌즈면(33b)은 영상 표시 소자(82)와 대향하는 입사면이 된다. 여기에서는, 특히 3개의 광학 소자 중 하나인 제1 렌즈(31)가 비축대칭 비구면인 렌즈면(31a)을 갖는다. 비축대칭 비구면은, 비축대칭, 즉 회전 대칭이 아니며, 구면이 아닌 면을 의미하며, 대표적으로는, 대칭성 등을 갖지 않는 자유 곡면을 들 수 있다. 예를 들어, 애너모픽 비구면과 같은, 회전 대칭이 아니며 2개의 대칭 단면을 갖는 비축대칭 비구면을 들 수 있다. 투사 렌즈(30)에 있어서, 렌즈면(31a) 이외의 5개의 렌즈면(31b, 32a, 32b, 33a 및 33b)은 축대칭 비구면이다. 즉, 투사 렌즈(30)는 비축대칭 비구면 이외의 면으로서, 2개 이상의 축대칭 비구면을 포함한다. 투사 렌즈(30)는 비축대칭 비구면보다 많은 축대칭 비구면을 포함함으로써, 투사 렌즈(30)의 제작 또는 투사 렌즈(30)의 다른 부재로의 조립의 어려움을 최대한 회피할 수 있다.

이후에서는, 투사 투시 장치(70) 등의 기능, 동작 등을 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다. 투사 투시 장치(70)에 있어서, 프리즘형의 도광 장치(20)의 일부인 도광 부재(10)는, 평면에서 볼 때, 귀에 가까운(코로부터 먼) 주변측의 부분은, 예를 들어 안면을 따르도록 굽은 원호 형상을 가지며, 코에 가까운 중앙측(눈앞측)의 부분은 직선 형상을 갖는 부재이다. 도광 부재(10)에 있어서, 제1 도광 부분(11)은 코에 가까운 중앙측, 즉 광사출측에 배치되며, 광학적인 기능을 갖는 측면으로서, 제1면(S11), 제2면(S12), 및 제3면(S13)을 갖는다. 제2 도광 부분(12)은 코로부터 떨어져 있는 주변측, 즉 광입사측에 배치되며, 광학적 기능을 갖는 측면으로서 제4면(S14) 및 제5면(S15)을 갖는다. 이들 중, 제1면(S11)과 제4면(S14)이 서로 연속적으로 인접해 있고, 제3면(S13)과 제5면(S15)이 서로 연속적으로 인접해 있다. 제2면(S12)은 제1면(S11)과 제3면(S13) 사이에 배치되어 있으며, 제4면(S14) 및 제5면(S15)은 큰 각도를 이루어 인접해 있다. 여기에서, 대향하여 배치되어 있는 제1면(S11) 및 제3면(S13)은 서로 대략 평행한 평면 형상을 갖는다. 한편, 광학적 기능을 갖는 다른 면, 즉 제2면(S12), 제4면(S14) 및 제5면(S15)은, 비축대칭 곡면(자유 곡면)으로 되어 있다.

이하에서는, 도광 부재(10)를 구성하는 각 면에 대하여 상세하게 설명한다. 도광 부재(10)에 있어서, 제1면(S11)은, 로컬 z축으로서, Z축에 평행한 사출측 광축(AXO)을 갖는 평면이며, 제2면(S12)은, 로컬 z축으로서, XZ 평면에 평행한 기준면(도면에서 단면)에 포함되어 있으며 Z축에 대하여 경사져 있는 광축(AX1)을 갖는 자유 곡면이고, 제3면(S13)은, 로컬 z축으로서, 사출측 광축(AXO)을 갖는 평면이다. 제4면(S14)은, 로컬 z축으로서, XZ 평면에 평행한 기준면에 포함되고 Z축에 대하여 경사진 한 쌍의 광축(AX3 및 AX4)의 2등분선에 평행한 광축을 갖는 자유 곡면이며, 제5면은, 로컬 z축으로서, XZ 평면에 평행한 기준면에 포함되고 Z축에 대하여 경사진 한 쌍의 광축(AX4 및 AX5)의 2등분선에 평행한 광축을 갖는 자유 곡면이다. 광축(AX5)의 제5면(S15)측의 연장상에는, 입사측 광축(AXI)이 배치되어 있다. 제1면 내지 제5면(S11 내지 S15)은 수평 방향으로 연장하고 있는 XZ면과 평행하며 광축(AX1 내지 AX5) 등이 통과하는 기준면(도면에서 단면)을 사이에 두고 연직의 Y축 방향에 대하여 대칭 형상을 갖는다.

도광 부재(10)를 구성하는 복수의 면들 중에서, 제1면(S11)에서 제3면까지의 면 이외의 면(S14 및 S15) 중 적어도 1개의 자유 곡면은 방향에 따라서 곡률의 부호가 상이한 지점을 적어도 1개 포함하고 있다. 이에 따라서, 영상광의 도광을 정밀하게 제어하면서 도광 부재(10)의 크기를 감소시키는 것이 가능하다.

도광 부재(10)에 있어서, 본체(10s)는 가시 영역에서 높은 광투과성을 갖는 수지 재료로 이루어져 있으며, 금형 내에 열가소성 수지를 주입 및 고체화함으로써 성형된다. 본체(10s)의 재료로서는, 예를 들어 사이클로올레핀 폴리머 등을 사용할 수 있다. 본체(10s)가 일체 형성품으로 되어 있지만, 전술한 바와 같이, 도광 부재(10)는 기능적으로 제1 도광 부분(11)과 제2 도광 부분(12)으로 생각할 수 있다. 제1 도광 부분(11)은 영상광(GL)의 도광 및 사출을 할 수 있고 외부광(HL)의 투시를 할 수 있다. 제2 도광 부분(12)은 영상광(GL)의 입사 및 도광을 할 수 있다.

제1 도광 부분(11)에 있어서, 제1면(S11)은, 제1 도광 부분(11) 밖으로 영상광(GL)을 사출시키는 굴절면으로서 기능하며, 영상광(GL)을 내면측에서 전반사시키는 전반사면으로서 기능한다. 제1면(S11)은 눈(EY)의 정면에 배치되며, 전술된 바와 같이 평면 형상을 갖는다. 제1면(S11)은 본체(10s)의 표면에 하드 코팅층(27)으로 이루어진 면이다.

제2면(S12)은 본체(10s)의 표면이며, 하프 미러층(15)이 부착되어 있다. 하프 미러층(15)은, 광투과성을 갖는 반사막(즉, 반투과반사막)이다. 하프 미러층(반투과반사막; 15)은, 제2면(S12) 전체 대신에, Y축을 따르는 연직 방향에 대하여 제2면(S12)의 좁혀진 부분 영역(PA)에 형성된다. 하프 미러층(15)은, 본체(10s)의 하지면의 그 부분 영역(PA)에 금속 반사막 또는 유전체 다층막을 형성함으로써 형성된다. 영상광(GL)에 대한 하프 미러층(15)의 반사율은, 투시에 의해서 외부광(HL)의 관찰을 용이하게 한다는 관점으로부터 상정되는 영상광(GL)의 입사각 범위 내에서 10% 이상 50% 이하로 설정된다. 구체적으로는, 구체적인 예의 영상광(GL)에 대한 하프 미러층(15)의 반사율은, 예를 들어, 20%로 설정되고, 영상광(GL)의 하프 미러층(15)의 투과율은, 예를 들어, 80%로 설정된다.

제3면(S13)은 내면측에서 영상광(GL)을 전반사하는 전반사면으로서 기능한다. 제3면(S13)은 눈(EY)의 정면에 배치되며, 제1면(S11)과 유사하게, 평면 형상을 갖는다. 제1면(S11) 및 제3면(S13)은 서로 평행한 면이며, 따라서, 제1면(S11)과 제3면(S13)을 통과하는 외부광(HL)을 볼 때, 디옵터는 거의 제로이다. 특히, 변배(variable magnification)가 발생하지 않는다. 제3면(S13)은 본체(10s)의 표면에서의 하드 코팅(27)으로 이루어진 면이다.

제2 도광 부분(12)에 있어서는, 제4면(S14)이, 내면측에서 영상광(GL)을 전반사하는 전반사면으로서 기능한다. 제4면(S14)은 영상광(GL)을 제2 도광 부분(12)으로 입사시키는 굴절면으로서도 기능한다. 즉, 제4면(S14)은 영상광(GL)을 외부로부터 도광 부재(10)로 입사시키는 광입사면과, 도광 부재(10)를 통하여 영상광(GL)을 전파시키는 반사면으로서의 기능을 겸용하고 있다. 제4면(S14)은 본체(10s) 상에 하드 코팅층(27)으로 이루어진 면이다.

제2 도광 부분(12)에 있어서, 제5면(S15)은 본체(10s)의 표면에 무기 재료로 이루어진 광반사막(RM)을 형성함으로써 형성되며 반사면으로서 기능한다.

전술된 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 도광 부재(10) 내부에 있어서, 영상 표시 소자(82)로부터의 영상광을, 적어도 2회의 전반사를 포함하는 5회의 반사에 의하여 제1면(S11)에서 제5면(S15)까지 도광한다. 이에 따라서, 영상광(GL)의 표시 및 외부광(HL)의 시인을 위한 투시를 모두 얻을 수 있으며, 영상광(GL)의 수차 보정을 행할 수 있다.

전술된 구성에 있어서, 투사 렌즈(30)에 있어서의 투사 렌즈 광축인 입사측 광축(AXI)과, 관찰자의 시선으로서 상정되는 시선축에 대응하는 사출측 광축(AXO)은, 0°이상 30°이하의 각도를 이루고 있다. 이에 따라서, 본 실시 형태와 같이, 예를 들어, 관찰자의 눈(EY) 상방에 배치되는 대신에, 영상 표시 소자(82)가 얼굴의 옆에 배치되는 구성으로 행해지는 경우, 관찰자가 장착감을 개선할 수 있으며, 광학계의 배치가 외관의 형태를 좋은 상태로 유지하는 것을 방해하지 않도록 할 수 있다.

전술된 바와 같이, 광투과 부재(50)는 도광 부재(10)와 일체적으로 고정되어 있으며 단일의 도광 장치(20)로 구성되어 있다. 광투과 부재(50)는 도광 부재(10)의 투시 기능을 보조하는 부재(보조 광학 블록)이며, 제1 투과면(S51), 제2 투과면(S52) 및 제3 투과면(S53)을, 광학적인 기능을 갖는 측면으로서 갖는다. 제2 투과면(S52)은 제1 투과면(S51)과 제3 투과면(S53) 사이에 배치된다. 제1 투과면(S51)은 도광 부재(10)의 제1면(S11)으로부터 연장된 면 상에 있고, 제2 투과면(S52)은, 접착층(CC)에 의해 제2면(S12)에 일체적으로 접착되어 있는 곡면이며, 제3 투과면(S53)은 도광 부재(10)의 제3면(S13)으로부터 연장된 면 상에 있다. 물론, 제2 투과면(S52)과 도광 부재(10)의 제2면(S12)은 얇은 접착층(CC)을 통하여 접착함으로써 일체화되어 있어서, 대략 동일한 곡률을 갖는 형상을 갖는다.

광투과 부재(보조 광학 블록; 50)는 가시 영역에서 높은 광투과성을 나타내며, 광투과 부재(50)의 본체 부분은 도광 부재(10)의 본체(10s)와 대략 동일한 굴절률을 갖는 열가소성 수지로 이루어져 있다. 광투과 부재(50)는, 도광 부재(10)의 본체(10s)에 본체 부분을 접착한 상태로 본체(10s)와 함께 하드 코팅 증착에 의하여 형성된다. 즉, 도광 부재(10)와 동일하게, 광투과 부재(50)에서, 하드 코팅층(27)이 본체 부분의 표면에 형성된다. 제1 투과면(S51)과 제3 투과면(S53)은 본체 부분의 표면에 하드 코팅층(27)으로 형성된 면이다.

이후에서는, 허상 표시 장치(100)에 있어서 영상광(GL) 등의 광로를 설명한다. 영상 표시 소자(영상 소자; 82)로부터 사출된 영상광(GL)은 투사 렌즈(30)를 구성하는 렌즈(31 내지 33)를 통과할 때 수속(convergence)되고, 소기의 비점수차가 주어지며 도광 부재(10)에 형성된 정(positive)의 굴절력을 갖는 제4면(S14)으로 입사한다. 비점수차는 도광 부재(10)의 각 면을 통과하면서 상쇄되어, 최종적으로 영상광은 초기 상태로 관찰자의 눈을 향하여 사출된다.

도광 부재(10)의 제4면(S14)으로 입사하여 통과하는 영상광(GL)은 수속하면서 진행하여, 제2 도광 부분(12)을 통과할 때 비교적으로 약한 정의 굴절력을 갖는 제5면(S15)에 의하여 반사되고, 그 내측으로부터 제4면(S14)으로 재차 입사된 후 반사된다.

제2 도광 부분(12)의 제4면(S14)에 의하여 반사된 영상광(GL)은, 전반사 시키는 제1 도광 부분(11)에 있어서 실질적으로 굴절력을 갖지 않는 제3면(S13)으로 입사되어 전반사되고, 실질적으로 굴절력을 갖지 않는 제1면(S11)으로 입사하여 전반사된다.

제3면(S13)의 통과 전후에 있어서, 영상광(GL)은 도광 부재(10)에서 중간상을 형성한다. 이 중간상의 화상면(II)은 영상 표시 소자(82)의 화상면(OI)에 대응한다. 도면에 도시된 중간상의 화상면(II)은 제3면(S13)에서 제4면(S14)까지의 영상광의 광로 상에 형성되어 있지만, 그 화상면(II)은 다른 위치에 형성될 수도 있으며, 본 실시 형태에서는, 그 화상면(II)은 제3면(S13)에서 제5면(S15)까지의 영상광의 광로 상에 형성되는 것으로 한다.

제1면(S11)에 의하여 전반사된 영상광(GL)이 제2면(S12)으로 입사되지만, 특히, 하프 미러층(15)으로 입사하는 영상광(GL)은, 하프 미러층(15)에 의하여 부분적으로 투과되고 부분적으로 반사되어서, 제1면(S11)으로 다시 입사하여 통과한다. 하프 미러층(15)은, 하프 미러층(15)에 의하여 반사되는 영상광(GL)에 대하여 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 것으로서 작용한다. 제1면(S11)은 이것을 통과하는 영상광(GL)에 대하여 굴절력을 갖지 않는 것으로서 작용한다.

제1면(S11)을 통과한 영상광(GL)은, 관찰자의 눈(EY)의 눈동자 또는 그 등가 위치에 대략 평행 광속으로서 입사한다. 즉, 관찰자는, 허상으로서의 영상광(GL)에 의해, 영상 표시 소자(영상 소자; 82) 상에 형성된 화상을 관찰하게 된다.

한편, 외부광(HL) 중, 도광 부재(10)의 제2면(S12)로부터 -X측으로 입사한 광 성분은, 제1 도광 부분(11)의 제3면(S13)과 제1면(S11)을 통과한다. 이때, 제3면(S13)과 제1면(S11)이 서로 대략 평행한 평면으로 되어 있음으로써, 수차 등을 거의 발생시키지 않는다. 즉, 관찰자는, 도광 부재(10) 너머로 왜곡이 없는 외경 화상을 관찰하게 된다. 마찬가지로, 외부광(HL) 중, 도광 부재(10)의 제2면(S12)으로부터 +X측으로 입사하는 광 성분, 즉, 광투과 부재(50)에 입사한 광 성분은, 광투과 부재(50)에 형성된 제3 투과면(S53)과 제1 투과면(S51)을 통과한다. 이때, 제3 투과면(S53)과 제1 투과면(S51)이 서로 대략 평행한 평면으로 되어 있음으로써, 수차 등을 발생시키지 않는다. 즉, 관찰자는, 광투과 부재(50) 너머로 왜곡이 없는 외경 화상을 관찰하게 된다. 외부광(HL) 중, 도광 부재(10)의 제2면(S12)에 대응하는 광투과 부재(50)로 입사하는 광 성분은, 제3 투과면(S53)과 제1면(S11)을 통과한다. 이때에, 제3 투과면(S53)과 제1면(S11)이 서로 대략 평행한 평면으로 되어 있음으로써, 수차 등을 거의 발생시키지 않는다. 즉, 관찰자는, 광투과 부재(50) 너머로 왜곡이 적은 외경 화상을 관찰하게 된다. 도광 부재(10)의 제2면(S12)과 광투과 부재(50)의 제2 투과면(S52)은, 대략 동일한 곡면 형상을 갖고, 대략 동일한 굴절률을 가지며, 양면 사이의 갭은 대략 동일한 굴절률을 갖는 접착층(CC)으로 충전되어 있다. 즉, 도광 부재(10)의 제2면(S12) 또는 광투과 부재(50)의 제2 투과면(S52)은, 외부광(HL)에 대하여 굴절면으로서 작용하지 않는다.

그러나, 하프 미러층(15)에 입사한 외부광(HL)은, 이 하프 미러층(15)에 의하여 부분적으로 투과하고 부분적으로 반사되기 때문에, 하프 미러층(15)에 대응하는 방향으로부터의 외부광(HL)은, 하프 미러층(15)의 투과율로 약해진다. 한편, 영상광(GL)이, 하프 미러층(15)에 대응하는 방향으로부터 입사하기 때문에, 관찰자는, 하프 미러층(15)의 방향으로 영상 표시 소자(영상 소자; 82) 상에 형성된 화상과 함께 외경 화상을 관찰하게 된다.

도광 부재(10)를 통하여 전파되어 제2면(S12)에 입사한 영상광(GL) 중, 하프 미러층(15)에서 반사되지 않았던 광 성분은, 광투과 부재(50) 내에 입사하고, 광투과 부재(50)에 형성된 반사 방지부(도시하지 않음)에 의해 도광 부재(10)로 돌아오는 것이 방지된다. 즉, 제2면(S12)을 통과한 영상광(GL)이 광로 상으로 되돌려져 미광(stray light)이 되는 것이 방지된다. 또한, 광투과 부재(50)측으로부터 입사하여 하프 미러층(15)에서 반사된 외부광(HL)은, 광투과 부재(50)로 되돌려지고, 광투과 부재(50)에 형성한 반사 방지부(도시하지 않음)에 의해 도광 부재(10)로 사출되는 것이 방지된다. 즉, 하프 미러층(15)에서 반사된 외부광(HL)이 광로상으로 되돌려져 미광이 되는 것이 방지된다.

도 4는, 도광 부재(10) 중의 광축(AX1 내지 AX5) 또는 로컬 좌표를 설명하는 도면이다. 이하의 설명에서는, 광학계의 평가나 표현의 편의를 고려하여, 관찰자의 눈(EY)으로부터 화상 표시 장치(80)의 영상 표시 소자(82)를 향하는 역방향에 관하여, 광학면 또는 광로를 규정한다. 실제의 광학계에서는, 영상 표시 소자(82)로부터 사출된 빛은, 투사 렌즈(30)와 도광 부재(10)를 순차대로 통과하여 눈(EY)에 이르게 되지만, 그 상태에서 광학계의 평가를 하기는 어렵다. 그 때문에, 눈(EY)의 위치에 있는 조리개로부터 무한원의 광원으로부터의 빛이, 도광 부재(10)에 들어가고, 투사 렌즈(30)를 통하여 영상 표시 소자(82)에 결상하는 것으로 가정하여, 평가 및 설계를 행하고 있으며, 이하에 상술하는 광학계의 데이터도 그 순서로 표시하고 있다. 도광 부재(10)에 접합되어 일체로서 사용되는 광투과 부재(50)는, 도광 부재(10)의 형상을 연장한 것으로서, 그의 설명을 생략한다.

도시의 도광 부재(10)에 있어서, 제1면(S11)의 광축은, 사출측 광축(AXO)과 일치하고 있고, 제1면(S11)의 로컬 좌표(x, y, z)는, 전체 좌표(X, Y, Z)와 병진 관계에 있으며, 제1면(S11)상에 원점을 갖는다. 즉, 로컬 좌표의 z방향은, 사출측 광축(AXO) 상에 있어 진행 방향(광선의 역방향)으로 되어 있으며, 로컬 좌표의 y방향은, 전체 좌표의 Y방향과 평행으로 되어 있다. 이후의 각 면에 있어서도, 로컬 좌표의 y방향은, 전체 좌표의 Y방향과 평행으로 되어 있다.

제2면(S12)의 광축은, 사출측 광축(AXO)에 대하여 적절히 경사져 있으며, 제2면(S12)의 로컬 좌표는, 전체 좌표에 대하여 Y축의 주위로 적절히 회전하고 병진되어 있으며, 제2면(S12)상에 원점을 갖는다. 제2면(S12)의 로컬 좌표의 z방향은, 사출측 광축(AXO)과, 제2면(S12)으로부터 제1면(S11)을 향한 광속 중심의 광축(AX1) 사이의 중간 방향으로 되어 있다.

제3면(S13)의 광축은, 사출측 광축(AXO)과 일치하고 있고, 제3면(S13)의 로컬 좌표는, 전체 좌표와 병진 관계를 갖고, 제3면(S13)의 연장면 즉 제3 투과면(S53)상에 원점을 갖는다.

이상에 의해, 제2면(S12)으로부터 제1면(S11)을 향한 광속 중심의 광축(AX1)과 제1면(S11)으로부터 제3면(S13)을 향한 광속 중심의 광축(AX2) 사이의 중간 방향은, 제1면(S11)상의 광속 중심(광축(AX1, AX2)의 교점)에 있어서의 제1면(S11)의 법선 방향과 일치하고 있다. 제1면(S11)으로부터 제3면(S13)을 향한 광속 중심의 광축(AX2)과, 제3면(S13)으로부터 제4면(S14)을 향한 광속 중심의 광축(AX3) 사이의 중간 방향은, 제3면(S13) 상의 광속 중심(광축(AX2, AX3)의 교점)에 있어서의 제3면(S13)의 법선 방향과 일치하고 있다.

제3면(S13)으로부터 다음의 제4면(S14)으로 향하는 광로에 대하여, 그 로컬 좌표는, 진행 방향(광빔의 역방향)에 대응한다. 즉, 제3면(S13)으로부터 제4면(S14)까지의 로컬 좌표의 z방향은, 광속 중심의 광축(AX3)과 일치하고 있고, 이 로컬 좌표의 y방향은, 전체 좌표의 Y방향과 평행으로 되어 있다.

제4면(S14)의 로컬 좌표의 원점은, 이 제4면(S14)상에 있다. 제4면(S14)의 로컬 좌표의 z방향, 즉 제4면(S14)의 광축은, 제3면(S13)으로부터 제4면(S14)을 향한 광속 중심의 광축(AX3)과, 제4면(S14)으로부터 제5면(S15)을 향한 광속 중심의 광축(AX4)의 2등분선으로 되어 있다.

제5면(S15)의 로컬 좌표의 원점은, 이 제5면(S15)상에 있다. 제5면(S15)의 로컬 좌표의 z방향, 즉 제5면(S15)의 광축은, 제4면(S14)으로부터 제5면(S15)을 향한 광속 중심의 광축(AX4)과, 제5면(S15)으로부터 제4면(S14)을 향한 광속 중심의 광축(AX5)의 2등분선으로 되어 있다.

도광 부재(10)의 제1면(S11)의 형상은, 제1면(S11)의 로컬 좌표(x, y, z)를 이용하여 다음의 식으로 표현된다.

ｚ＝Σ{A1_m,n·(x^m·yⁿ)} … (５)

여기에서, A1_m,n은, 다항식 전개한 제(m·n)항의 계수이고, m 및 n은, 0 이상의 정수이다.

단, 도 3 및 도 4에 나타내는 예에서는, 제1면(S11)은 평면 형상이며, 각 계수 A1_m,n은, 0이 된다.

도광 부재(10)의 제2면(S12)의 형상은, 제2면(S12)의 로컬 좌표(x, y, z)를 이용하여 다음의 식으로 표현된다.

ｚ＝Σ{A2_m,n·(x^m·yⁿ)} … (６)

여기에서, A2_m,n은, 다항식 전개한 제(m·n)항의 계수이다.

도광 부재(10)의 제3면(S13)의 형상은, 제3면(S13)의 로컬 좌표(x, y, z)를 이용하여 다음의 식으로 표현된다.

ｚ＝Σ{A3_m,n·(x^m·yⁿ)} … (７)

여기에서, A3_m,n은, 다항식 전개한 제(m·n)항의 계수이다.

단, 도 3 및 도 4에 나타내는 예에서는, 제3면(S13)은 평면 형상이며, 각 계수 A1_m,n은, 0이 된다.

본 실시 형태에 있어서, 도광 부재(10)의 제1 내지 제3면(S11 내지 S13)은, 다음의 3 조건을 만족한다.

－10^－1＜A1_0,2＋A1_2,0＜10^－2및 －10^－1＜A3_0,2＋A3_2,0＜10^－2… (１)

｜A1_2,0－A1_0,2｜＜10^－1 및 ｜A3_2,0－A3_0,2｜＜10^－1 … (２)

｜A1_2,0－A3_2,0｜＜10^－2 및 ｜A1_0,2－A3_0,2｜＜10^－2 … (３)

제1면 내지 제3면(S11 내지 S13)의 형상이 3 조건을 만족하도록 설정됨으로써, 외부광(HL)과 영상광(GL)의 쌍방의 수차의 보정이 양호하게 행해져, 우수한 화질을 얻을 수 있다.

도광 부재(10)의 제1면(S11)과 제3면(S13)의 간격은 5㎜ 이상 15㎜ 이하이다. 제1면(S11)에 대한 제2면(S12)의 경사각이 20°이상 40°이하이다.

도광 부재(10)의 제4면(S14) 또는 제5면(S15)은, 광로의 조정 또는 더 정밀한 수차 보정을 위해 형성된 것이다.

도광 부재(10)의 제4면(S14)의 형상은, 제4면(S14)의 로컬 좌표(x, y, z)를 이용하여 다음의 식으로 표현된다.

ｚ＝Σ{A4_m,n·(x^m·yⁿ)} … (８)

여기에서, A4_m,n은, 다항식 전개한 제(m·n)항의 계수이다.

도광 부재(10)의 제5면(S15)의 형상은, 제5면(S15)의 로컬 좌표(x, y, z)를 이용하여 다음의 식으로 표현된다.

ｚ＝Σ{A5_m,n·(x^m·yⁿ)} … (９)

여기에서, A5_{m, n}은, 다항식 전개한 제(m·n)항의 계수이다.

본 실시 형태에서는, 상기 식 (8) 또는 (9)로 표현되는 제4면(S14) 또는 제5면(S15)은, 방향에 따라 곡률의 부호가 상이한 곡률 이부호점(opposite-sign curvature point)을 적어도 1개 포함하는 곡률 이부호면이다.

본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 도광 부재(10)가 제2면(S12) 등의 자유 곡면을 가지며, 투사 렌즈(30)가 자유 곡면인 비축대칭인 비구면을 가짐으로써, 수차 보정을 얻는다.

이후에는, 투사 렌즈(30)에 포함되는 비축대칭 비구면(자유 곡면)에 대해서 설명한다. 투사 렌즈(30)를 구성하는 3개의 렌즈(31 내지 33) 중 도광 부재(10)에 대향하는 제1렌즈(31)가, 비축대칭 비구면(자유 곡면)인 렌즈면(31a)을 갖는다. 동일하게, 렌즈면(31a)의 형상이 로컬 좌표에 기초하여 규정되어 있다. 구체적으로는, 렌즈면(31a)의 로컬 좌표의 원점은, 이 렌즈면(31a)상에 있다. 렌즈면(31a)의 로컬 좌표의 z방향, 즉 렌즈면(31a)의 광축은, 광축(AX5)과 제4면(S14)의 교점(통과점)으로 연결되는 입사측 광축(AXI)과 일치하고 있으며, 이 로컬 좌표의 y방향은, 전체 좌표의 Y방향과 평행으로 되어 있다.

제1렌즈(31)의 렌즈면(31a)의 형상은, 렌즈면(31a)의 로컬 좌표(x, y, z)를 이용하여 다음의 식으로 표현된다.

ｚ＝Σ{A_m,n·(x^m·yⁿ)} … (10)

여기에서, A_{m, n}은, 다항식 전개한 제(m·n)항의 계수이다.

본 실시 형태에 있어서, 투사 렌즈(30)의 렌즈면(31a)에 대하여, 상기 식 (10)에 있어서, 계수 A_2,0및 A_0,2는 이부호이며, 다음의 관계를 만족한다.

10^－2＜｜A_2,0－A_0,2｜ … (4)

이 경우, 전술한 바와 같이, 도광 부재(10)의 반사면에서 발생하는 비점수차 등의 수차를, 투사 렌즈(30)의 비축대칭 비구면인 렌즈면(31a)에 의해 보정하여, 우수한 화질을 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 도광 부재(10)는 2 이상의 비축대칭인 곡면(도시의 경우, 제2면(S12), 제4면(S14) 및 제5면(S15)의 3면이 해당하고, 이들 면은, 영상광(GL)의 반사 등을 실시하여, 영상광(GL)의 도광에 기여하는 곡면이다)을 포함하고, 투사 렌즈(30)는 비축대칭 비구면으로서 렌즈면(31a)을 포함한다. 이에 따라, 도광 부재(10)측에 있어서, 도광에 기여하는 면인 제1면(S11) 또는 제3면(S13)이 평면이라는 형상 제약이 있고, 비대칭인 수차에 대한 보정에 대해서 제한이 있는 경우라도, 투사 렌즈(30)를 포함하여 광학계 전체적으로, 충분한 수차 보정을 행하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 허상 표시 장치(100)는 넓은 화각 및 고성능을 가지며, 소형 및 경량으로 만들 수 있다. 전술의 허상 표시 장치(100)에서는, 도광 부재(10)에 있어서, 제1면(S11)과 제3면(S13)을 서로 대략 평행한 평면으로 함으로써, 외부광에 대해서 디옵터 오차를 대략 제로로 할 수 있다. 특히, 외관의 배율 오차를 대략 제로로 하여, 나안 상태와 동일한 상태를 제공할 수 있다. 여기에서, 배율 오차는, 도광 부재와 같은 광투과성의 부재를 통하여 외경 화상을 보면, 그 외경 화상은 실제의 외경 화상과 비교하여 확대되거나 혹은 축소된 크기로 보이는 경우에 나타나는 오차를 말한다. 광투과성의 부재를 통과하여 관찰되는 외부광은, 완전한 평면이 형성되어 있는 경우를 제외하면, 해당 부재가 유한의 곡률을 갖는 곡면을 갖거나 혹은, 두께, 굴절률 등으로 인하여, 많든 적든 배율 오차를 발생시키게 된다. 전술의 경우, 제1면(S11) 및 제3면(S13)이 평면으로 됨으로써, 외관의 배율 오차를 제로로 할 수 있게 된다.

본 실시 형태의 허상 표시 장치(100)에서는, 투사 렌즈(30) 등에 의해 도광 부재(10)의 내부에 중간상이 형성되고, 제3면(S13), 제1면(S11) 및, 제2면(S12)의 순서로 2면 이상에서 전반사된 영상광(GL)이, 제1면(S11)을 투과하여 관찰자의 눈(EY)에 도달한다. 따라서, 수평 방향으로 치우쳐 연장되는, 도광 부재(10)의 두께를 감소시켜서 광학계 전체를 소형이고 경량인 것으로 하면서, 넓은 화각을 갖는 밝은 고성능의 표시를 실현할 수 있다. 외부광(HL)은, 제1면(S11)과 제3면(S13)을 통과시켜 관찰할 수 있고, 그때의 디옵터는 대략 0이다. 따라서, 시스루 방법으로 외부광(HL)을 관찰할 때의 외부광(HL)의 디포커스나 왜곡을 저감할 수 있다. 도광 부재(10)의 형상은, 관찰자의 얼굴을 따르는 형태를 가질 수 있고, 중심도 얼굴에 가까워지게 할 수 있고, 디자인도 우수한 것으로 할 수 있다. 특히, 제1면(S11) 및 제3면(S13) 이외의 면인 제4면(S14) 등이, 면을 따른 방향에 따라 곡률이 상이한 점을 갖는 곡면이어서, 도광 부재(10)를 소형으로 할 수 있고, 결과적으로는 허상 표시 장치(100) 전체의 소형화 및 경량화를 할 수 있다.

전술에서는, 도광 부재(10)에 있어서, 제1면(S11) 또는 제3면(S13)이 평면인 경우를 설명하고 있지만, 후술하는 실시예(실시예 2 내지 5)에서 나타내는 바와 같이, 제1면(S11)이나 제3면(S13)을 포함하여 각 면이 비축대칭인 곡면이어도 좋다. 이 경우, 제1면(S11) 또는 제3면(S13)의 곡면 형상은, 예를 들면 상기 식 (5) 및 (7)로 나타나는 계수에 기초하여 규정된다.

실시예

이후에서는, 본 발명에 따른 허상 표시 장치에 조립되는 투사 투시 장치의 실시예에 대해서 설명한다. 각 실시예에서 사용하는 기호를 이하에 정리했다.

SPH : 눈동자

FFSk : 자유 곡면(도광 부재 또는 투사 광학계 중의 k＝일부에 평면이 포함될 수도 있는 것으로 되는 면 번호)

ASPk : 축대칭 비구면(투사 광학계 중의 k＝면 번호)

SPH : 구면 또는 평면(보호 유리 표면)

R : 곡률 반경

T : 축 상면 간격

Nd : 광학 재료의 d선에 대한 굴절률

Vd : 광학 재료의 d선에 관한 아베수

TLY : 특정 면의 횡단면(XZ 단면)에 있어서의 광축의 경사 각도(°) (TLY은 특정 면의 전후에서 변화할 수도 있음)

DCX : 특정 면의 횡단면(XZ 단면)에 있어서의 X축 방향의 광축의 어긋남량

(실시예 1)

실시예 1의 투사 투시 장치에 있어서, 도광 부재 및 투사 렌즈(투사 광학계)를 구성하는 광학면의 데이터를 이하의 표 1에 나타낸다. 여기에서는, 눈의 위치로부터 영상광의 진행에 대하여 역행시킨 광빔을 추적하여, 측정을 행하고 있다. 예를 들면 FFS1은, 제1면(S11)을 의미하고, FFS2는, 제2면(S12)을 의미하고, FFS3은, 제3면(S13)을 의미한다. 단, FFS6은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 사출면인 렌즈면(31a)을 의미한다. ASP1은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 사출면이 아닌 입사면을 의미하고, ASP2는, 제2렌즈의 사출면을 의미한다.

[표 1]

No Type R T Nd Vd

1 SPH ∞ 20.00

2 FFS1 - 5.80 1.525 55.95

3 FFS2 - -5.80 1.525 55.95

4 FFS1 - 10.46 1.525 55.95

5 FFS3 - -22.70 1.525 55.95

6 FFS4 - 11.90 1.525 55.95

7 FFS5 - -11.90 1.525 55.95

8 FFS4 - -4.00

9 FFS6 - -6.00 1.525 55.95

10 ASP1 12.481 -1.50

11 ASP2 4.805 -1.50 1.585 29.90

12 ASP3 11.556 -7.86

13 ASP4 -21.429 -5.50 1.525 55.95

14 ASP5 14.518 -7.17

15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82

16 화상면 ∞

실시예 1을 구성하는 도광 부재 중의 광학면에 대해서, 그 횡단면에 있어서의 광축 경사 각도(틸트) TLY와 광축 어긋남량(디센터) DCX를 표 2에 나타낸다. 제4면(S14)에 관해서는, 2번째 통과에 있어서의 각도의 경사를 고려하고 있다.

[표 2]

No Type TLY(면전) DCX(면후) TLY(면후)

2 FFS1 6.00 0.0 -6.00

3 FFS2 -23.80 0.0 23.80

4 FFS1 6.00 0.0 -6.00

5 FFS3 0.00 21.017 -49.13

6 FFS4 57.00 0.0 57.00

7 FFS5 -33.14 0.0 33.14

8 FFS4 -57.00 11.1 -10.54

실시예 1을 구성하는 도광 부재 중의 각 광학면에 대해서, 자유 곡면(평면을 포함함)의 다항식 전개한 계수 Ak_m _,n과, 투사 렌즈 중의 광학면들 중, 비축대칭 비구면에 대해서 다항식 전개한 계수 A_m,n을 표 3에 나타낸다. 표 3에 있어서, 기호 m 및 n은, 계수 Ak_m _,n 및 계수 A_m,n 중의 변수 또는 차수를 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝1 내지 5)는, 자유 곡면인 제1 내지 제5면(S11 내지 S15) 중 제k면을 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝6)는, 비축대칭 비구면인 렌즈면(31a)을 의미한다. 또한, 계수 Ak_m _,n은, 제k면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 계수 A_m,n은, 대상으로 하는 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 각 면의 로컬 좌표는 도 4에 나타내는 것에 상당하기 때문에 도시하지 않는다.

[표 3]

표 3 및 이하의 표에 있어서, 수치에 있어서 E 이후의 숫자는 10진수의 지수부를 의미하며, 예를 들면 "－1.022E-02"란, －1.022×10^－02를 의미한다.

실시예 1의 투사 투시 장치 중 투사 렌즈를 구성하는 광학면(비축대칭 비구면인 렌즈면(31a) 이외의 면인 축대칭 비구면)의 비구면의 계수를 표 4에 나타낸다.

[표 4]

ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5

K －1 －1 －1 －1 －1

B4 8.020E-05 －1.715E-03 －1.436E-03 6.904E-05 8.135E-06

B6 －1.419E-05 1.991E-05 2.417E-05 5.163E-06 5.766E-06

B8 2.289E-07 －7.623E-08 －3.857E-07 －1.057E-07 －9.395E-08

표 4에 있어서, 기호 K 및 Bi는, 투사 렌즈(30)를 구성하는 3개의 렌즈(31, 32, 33) 중 렌즈면(31a) 이외의 렌즈면인 기호 APS1 내지 APS5의 비구면을 특정하기 위한 계수를 나타내고 있다. 비구면은, 이하의 다항식(비구면식)에 의해 특정된다.

여기에서, R은 각 면의 곡률 반경이고, h는 광축으로부터의 높이이며, K는 대상 렌즈면의 원뿔 계수이고, Bi(여기서 i＝4, 6, 8, …)는 대상 렌즈면의 고차(high-order) 비구면 계수이다.

도 5는, 실시예 1의 투사 투시 장치(70)의 단면도이다. 단, 광속은, 기준면(SR) 상뿐만이 아니라, 기준면(SR)으로부터 Y방향으로 벗어나 있다. 투사 투시 장치(70)에 있어서, 도광 부재(10)는, 실질적으로 굴절력을 갖지 않는 제1면(S11)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제2면(S12)과, 실질적으로 굴절력을 갖지 않는 제3면(S13)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제4면(S14)과, 비교적 약한 부의 굴절력을 갖는 제5면(S15)을 갖는다. 여기에서, 제4면(S14)은, 반사면 및 굴절면으로서 기능하고 있다. 구체적으로는, 제4면(S14)은, 제3면(S13)으로부터 역행하는 광속(실제로는 제5면(S15)으로부터의 빛)에 대하여 전반사면이 되고, 제5면(S15)으로부터 역행하는 광속(실제로는 투사 렌즈(30)로부터의 빛)에 대하여 투과면이 된다. 즉, 제4면(S14)은, 광로를 절곡시키는 기능과, 광속의 수속에 관한 기능을 모두 갖는다. 투사 렌즈(30)는, 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈(31)와, 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈(32)와, 정의 굴절력을 갖는 제3렌즈(33)를 갖고 있다. 실시예 3의 광학계의 구체적인 사양은 다음과 같다. 수평 화각이 20.1°이고, 수직 화각이 11.4°이고, 영상 표시 소자의 표시 영역의 크기가 9.22×5.18㎜이고, 눈동자 직경이 5㎜이고, 초점 거리가 약 26㎜이다.

도 6(A) 내지 도 6(F) 및 도 7(A) 내지 도 7(F)는, 실시예 1의 수차를 나타낸다. 각 수차 도면에 있어서, 가로축은 눈동자에 있어서의 위치를 나타내고, 세로축은 수차량을 미크론 단위로 나타낸다. 구체적으로는, 도 6(A) 및 도 6(B)는 , X방향으로 10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 6(C) 및 도 6(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 6(E) 및 도 6(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도 7(A) 및 도 7(B)은, X방향으로 10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 7(C) 및 도 7(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 7(E) 및 도 7(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도면에 나타낸 수차량은, 편의상 광빔을 역행시켰을 경우의 영상 표시 소자의 화상면에 있어서의 수차량을 나타낸다.

(실시예 2)

실시예 2의 투사 투시 장치에 있어서, 도광 부재 및 투사 렌즈를 구성하는 광학면의 데이터를 표 5에 나타낸다.

실시예 2의 투사 투시 장치에 있어서, 도광 부재 및 투사 렌즈(투사 광학계)를 구성하는 광학면의 데이터를 표 5에 나타낸다. FFS7은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 사출면인 렌즈면(31a)을 의미한다. ASP1은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 사출면이 아닌 입사면을 의미하고, ASP2는, 제2렌즈의 사출면을 의미한다.

[표 5]

No Type R T Nd Vd

1 SPH ∞ 20.00

2 FFS1 - 4.80 1.525 55.95

3 FFS2 - －4.80 1.525 55.95

4 FFS1 - 8.00 1.525 55.95

5 FFS3 - －14.20 1.525 55.95

6 FFS4 - 8.70 1.525 55.95

7 FFS5 - －7.00 1.525 55.95

8 FFS6 - －2.00

9 FFS7 - －3.00 1.525 55.95

10 ASP1 3.231 －1.50

11 ASP2 2.180 －1.50 1.585 29.90

12 ASP3 4.010 －7.18

13 ASP4 －6.744 －5.00 1.525 55.95

14 ASP5 －13.372 －3.00

15 SPH ∞ －1.44 1.458 67.82

16 화상면 ∞

실시예 2를 구성하는 도광 부재 중의 광학면에 대해서, 그 횡단면에 있어서의 광축 경사 각도(틸트) TLY와 광축 어긋남량(디센터) DCX를 표 6에 나타낸다.

[표 6]

No Type TLY(면전) DCX(면후) TLY(면후)

2 FFS1 0.00 0.0 0.00

3 FFS2 －23.00 0.0 23.00

4 FFS1 0.00 0.0 0.00

5 FFS3 0.00 16.335 1.08

6 FFS4 38.00 0.0 38.00

7 FFS5 －39.00 0.0 －39.00

8 FFS6 0.00 0.0 0.00

실시예 2를 구성하는 도광 부재 중의 각 광학면에 대해서, 자유 곡면(평면을 포함함)의 다항식 전개한 계수 Ak_m _,n과, 투사 렌즈 중의 광학면들 중, 비축대칭 비구면에 대해서 다항식 전개한 계수 A_m,n을 표 7에 나타낸다. 표 7에 있어서, 기호 m 및 n은, 계수 Ak_m _,n 및 계수 A_m,n에서의 변수 또는 차수를 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝1 내지 6)는, 자유 곡면인 제1 내지 제6면(S11 내지 S16) 중 제k면을 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝7)는, 비축대칭 비구면인 렌즈면(31a)을 의미한다. 계수 Ak_m _,n은, 제k면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 계수 A_m,n은, 대상으로 하는 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는, 도광 부재(10)가 제4면(S14)에 인접하는 제6면(S16)을 갖고 있는 것으로 한다. 도시하는 바와 같이, 제6면(S16)은, 광입사면으로서, 광속의 수속에 관한 기능을 갖는다. 제4면(S14)은, 광로를 절곡시키는 기능을 갖는다. 즉, 실시예 1의 제4면(S14)에 있어서의 기능이, 실시예 2에서는, 제4면(S14)과 제6면(S16)으로 분리되어 있는 것이다.

[표 7]

실시예 2의 투사 투시 장치에서 투사 렌즈를 구성하는 광학면(비축대칭 비구면인 렌즈면(31a) 이외의 면인 축대칭 비구면)의 비구면의 계수를 표 8에 나타낸다.

[표 8]

ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5

K －1 －1 －1 －1 －1

B4 －3.695E-03 －1.468E-02 -5.329E-03 4.441E-04 5.162E-04

B6 6.588E-05 4.317E-04 -3.605E-05 －9.791E-06 －2.708E-07

B8 4.147E-08 －3.867E-06 4.261E-06 －5.194E-08 －4.521E-07

표 8에 있어서, 기호 K 및 Bi는, 투사 렌즈(30)를 구성하는 3개의 렌즈(31, 32, 33) 중에서 렌즈면(31a) 이외의 렌즈면인 기호 APS1 내지 APS5의 비구면을 특정하기 위한 계수를 나타내고 있다.

도 8은, 실시예 2의 투사 투시 장치(70)의 단면도이다. 도 9는, 도광 부재 중의 로컬 좌표를 나타내는 도면이다. 투사 투시 장치(70)에 있어서, 도광 부재(10)는, 약한 부의 굴절력을 갖는 제1면(S11)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제2면(S12)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제3면(S13)과, 비교적 약한 부의 굴절력을 갖는 제4면(S14)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제5면(S15)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제6면(S16)을 갖는다. 투사 렌즈(30)는, 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈(31)와, 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈(32)와, 정의 굴절력을 갖는 제3렌즈(33)를 포함한다. 실시예 2의 광학계의 구체적인 사양은 다음과 같다. 수평 화각이 20.1°이고, 수직 화각이 11.4°이고, 영상 표시 소자의 표시 영역의 크기가 9.22×5.18㎜이고, 눈동자 직경이 5㎜이고, 초점 거리가 약 26㎜이다.

도 10(A) 내지 도 10(F) 및 도 11(A) 내지 도 11(F)은, 실시예 2의 수차를 나타낸다. 각 수차 도면에 있어서, 가로축은 눈동자에 있어서의 위치를 나타내고, 세로축은 수차량을 미크론 단위로 나타낸다. 구체적으로는, 도 10(A) 및 도 10(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 10(C) 및 도 10(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 10(E) 및 도 10(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도 11(A) 및 도 11(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 11(C) 및 도 11(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 11(E) 및 도 11(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도면에 나타낸 수차량은, 편의상 광빔을 역행시켰을 경우의 영상 표시 소자의 화상면에 있어서의 수차량을 나타낸다.

(실시예 3)

실시예 3의 투사 투시 장치에 있어서, 도광 부재 및 투사 렌즈(투사 광학계)를 구성하는 광학면의 데이터를 표 9에 나타낸다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 실시예 3에서는, 투사 렌즈(30)에 있어서의 제1렌즈(31)가 아닌 제2렌즈(32)의 입사면인 렌즈면(32b)이 비축대칭 비구면이고, FFS6은, 렌즈면(32b)을 의미한다. 예를 들면 ASP1은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 입사면을 의미하고, ASP2는, 제1렌즈의 입사면을 의미하지만, ASP4는, 제2렌즈의 입사면이 아닌, 제3렌즈의 사출면을 의미한다.

[표 9]

No Type R T Nd Vd

1 SPH ∞ 20.00

2 FFS1 - 5.50 1.525 55.95

3 FFS2 - -5.50 1.525 55.95

4 FFS1 - 9.00 1.525 55.95

5 FFS3 - －14.50 1.525 55.95

6 FFS4 - 9.50 1.525 55.95

7 FFS5 - －9.50 1.525 55.95

8 FFS4 - －2.00

9 ASP1 －7.938 －5.00 1.525 55.95

10 ASP2 6.561 －1.00

11 ASP3 4.480 －1.50 1.585 29.90

12 FFS6 - －6.10

13 ASP4 －9.941 －6.00 1.525 55.95

14 ASP5 29.300 －5.00

15 SPH ∞ －1.44 1.458 67.82

16 화상면 ∞

실시예 3을 구성하는 도광 부재의 광학면에 대해서, 그 횡단면에 있어서의 광축 경사 각도(틸트) TLY와 광축 어긋남량(디센터) DCX를 표 10에 나타낸다.

[표 10]

No Type TLY(면전) DCX(면후) TLY(면후)

2 FFS1 0.00 0.0 0.00

3 FFS2 －25.00 0.0 25.00

4 FFS1 0.00 0.0 0.00

5 FFS3 0.00 17.062 －38.15

6 FFS4 43.00 0.0 43.00

7 FFS5 －27.00 0.0 27.00

8 FFS6 －43.00 7.8 －11.16

실시예 3을 구성하는 도광 부재 중의 각 광학면에 대해서, 자유 곡면(평면을 포함함)의 다항식 전개한 계수 Ak_m _,n과 투사 렌즈 중의 각 광학면 중, 비축대칭 비구면에 대해서 다항식 전개한 계수 A_m,n을 표 11에 나타낸다. 표 11에 있어서, 기호 m 및 n은, 계수 Ak_m _,n 및 계수 A_m,n 중의 변수 또는 차수를 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝1 내지 5)는, 자유 곡면인 제1 내지 제5면(S11 내지지 S15) 중 제k면을 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝6)는, 비축대칭 비구면인 렌즈면(32b)을 의미한다. 계수 Ak_m _,n은, 제k면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 계수 A_m,n은, 대상으로 하는 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는, 실시예 1의 제4면(S14)과 동일하게, 광로를 절곡시키는 기능과 광속의 수속에 관한 기능을 모두 갖는다.

[표 11]

실시예 3의 투사 투시 장치에서 투사 렌즈를 구성하는 광학면(비축대칭 비구면인 렌즈면(32b) 이외의 면인 축대칭 비구면)의 비구면의 계수를 표 12에 나타낸다.

[표 12]

ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5

K －1 －1 －1 －1 －1

B4 －3.442E-05 －7.013E-04 －3.033E-03 2.725E-04 1.527E-04

B6 4.303E-06 4.776E-06 4.783E-05 －4.820E-06 －1.326E-06

B8 1.304E-07 5.366E-08 －5.817E-07 7.555E-08 4.036E-08

표 12에 있어서, 기호 K 및 Bi는, 투사 렌즈(30)를 구성하는 3개의 렌즈(31, 32, 33) 중 렌즈면(32b) 이외의 렌즈면인 기호 APS1 내지 APS5를 갖는 비구면을 특정하기 위한 계수를 나타내고 있다.

도 12는, 실시예 3의 투사 투시 장치(70)의 단면도이다. 도 13은, 도광 부재 중의 로컬 좌표를 나타내는 도면이다. 투사 투시 장치(70)에 있어서, 도광 부재(10)는, 약한 부의 굴절력을 갖는 제1면(S11)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제2면(S12)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제3면(S13)과, 비교적 약한 부의 굴절력을 갖는 제4면(S14)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제5면(S15)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제6면(S16)을 갖는다. 투사 렌즈(30)는, 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈(31)와, 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈(32)와, 정의 굴절력을 갖는 제3렌즈(33)를 갖고 있다. 실시예 4의 광학계의 구체적인 사양은 다음과 같다. 수평 화각이 20.1°이고, 수직 화각이 11.4°이고, 영상 표시 소자의 표시 영역의 크기가 9.22×5.18㎜이고, 눈동자 직경이 5㎜이고, 초점 거리가 약 26㎜이다.

도 14(A) 내지 도 14(F) 및 도 15(A) 및 도 15(F)는, 실시예 3의 수차를 나타낸다. 각 수차 도면에 있어서, 가로축은 눈동자에 있어서의 위치를 나타내고, 세로축은 수차량을 미크론 단위로 나타낸다. 구체적으로는, 도 14(A) 및 도 14(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 14(C) 및 도 14(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 14(E) 및 도 14(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도 15(A) 및 도 15(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 15(C) 및 도 15(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 15(E) 및 도 15(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도면에 나타낸 수차량은, 편의상 광빔을 역행시켰을 경우의 영상 표시 소자의 화상면에 있어서의 수차량을 나타낸다.

(실시예 4)

실시예 4의 투사 투시 장치에 있어서, 도광 부재 및 투사 렌즈(투사 광학계)를 구성하는 광학면의 데이터를 표 13에 나타낸다. 도 16에 나타내는 바와 같이, 실시예 4에서는, 투사 렌즈(30)에 있어서 제1렌즈(31)가 아닌 제2렌즈(32)의 입사면인 렌즈면(32b)이 비축대칭 비구면이고, FFS7은, 렌즈면(32b)을 의미한다. 예를 들면 ASP1은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 입사면을 의미하고, ASP2는, 제1렌즈의 입사면을 의미하지만, ASP4는, 제2렌즈의 입사면이 아닌, 제3렌즈의 사출면을 의미한다.

[표 13]

No Type R T Nd Vd

1 SPH ∞ 20.00

2 FFS1 - 5.00 1.525 55.95

3 FFS2 - －5.00 1.525 55.95

4 FFS1 - 8.50 1.525 55.95

5 FFS3 - －12.00 1.525 55.95

6 FFS4 - 10.00 1.525 55.95

7 FFS5 - －5.00 1.525 55.95

8 FFS6 - －2.00

9 ASP1 －13.257 －5.00 1.525 55.95

10 ASP2 11.003 －1.50

11 ASP3 9.685 －1.50 1.585 29.90

12 FFS7 - －3.74

13 ASP4 －23.893 －4.50 1.525 55.95

14 ASP5 37.465 －2.00

15 SPH ∞ －1.44 1.458 67.82

16 화상면 ∞

실시예 4를 구성하는 도광 부재 중의 광학면에 대해서, 그 횡단면에 있어서의 광축 경사 각도(틸트) TLY와 광축 어긋남량(디센터) DCX를 표 14에 나타낸다.

[표 14]

No Type TLY(면전) DCX(면후) TLY(면후)

2 FFS1 0.00 0.0 0.00

3 FFS2 －24.00 0.0 24.00

4 FFS1 0.00 0.0 0.00

5 FFS3 0.00 14.621 －21.30

6 FFS4 40.00 0.0 40.00

7 FFS5 －35.00 0.0 －35.00

8 FFS6 0.00 0.0 0.00

실시예 4를 구성하는 도광 부재 중의 각 광학면에 대해서, 자유 곡면(평면을 포함함)의 다항식 전개한 계수 Ak_m _,n과 투사 렌즈에 있어서의 각 광학면 중, 비축대칭 비구면에 대해서 다항식 전개한 계수 A_m,n을 표 15에 나타낸다. 표 15에 있어서, 기호 m 및 n은, 계수 Ak_m _,n 및 계수 A_m,n에 있어서의 변수 또는 차수를 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝1 내지 6)는, 자유 곡면인 제1 내지 제6면(S11 내지 S16) 중 제k면을 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝7)는, 비축대칭 비구면인 렌즈면(32b)을 의미한다. 계수 Ak_m _,n은, 제k면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 계수 A_m,n은, 대상으로 하는 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 도 16에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는, 도광 부재(10)가 제4면(S14)에 연속적으로 인접하는 제6면(S16)을 갖고 있는 것으로 한다. 도시하는 바와 같이, 제6면(S16)은, 광입사면이며, 광속의 수속에 관한 기능을 갖는다. 제4면(S14)은, 광로를 절곡시키는 기능을 갖는다. 즉, 실시예 1의 제4면(S14)에 있어서 기능이, 실시예 4에서는, 제4면(S14)과 제6면(S16)으로 분리된다.

[표 15]

실시예 4의 투사 투시 장치에 있어서의 투사 렌즈를 구성하는 광학면(비축대칭 비구면인 렌즈면(32b) 이외의 면인 축대칭 비구면)의 비구면의 계수를 표 16에 나타낸다.

[표 16]

ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5

K －1 －1 －1 －1 －1

B4 －8.633E-04 －7.665E-04 －5.112E-04 4.730E-04 7.382E-04

B6 9.916E-06 1.262E-05 9.679E-06 －1.612E-05 －1.427E-05

B8 －8.725E-08 －1.747E-07 －2.486E-07 3.137E-07 2.753E-07

표 16에 있어서, 기호 K 및 Bi는, 투사 렌즈(30)을 구성하는 3개의 렌즈(31, 32, 33) 중 렌즈면(32b) 이외의 렌즈면인 기호 APS1 내지 APS5을 갖는 비구면을 특정하기 위한 계수를 나타내고 있다.

도 16은, 실시예 4의 투사 투시 장치(70)의 단면도이다. 도 17은, 도광 부재에 있어서의 로컬 좌표를 나타내는 도면이다. 투사 투시 장치(70)에 있어서, 도광 부재(10)는, 약한 부의 굴절력을 갖는 제1면(S11)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제2면(S12)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제3면(S13)과, 비교적 약한 부의 굴절력을 갖는 제4면(S14)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제5면(S15)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제6면(S16)을 갖는다. 투사 렌즈(30)는, 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈(31)와, 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈(32)와, 정의 굴절력을 갖는 제3렌즈(33)를 갖고 있다. 실시예 4의 광학계의 구체적인 사양은 다음과 같다. 수평 화각이 20.1°이고, 수직 화각이 11.4°이고, 영상 표시 소자의 표시 영역의 크기가 9.22×5.18㎜이고, 눈동자 직경이 5㎜이고, 초점 거리가 약 26㎜이다.

도 18(A) 내지 도 18(F) 및 도 19(A) 내지 도 19(F)는, 실시예 4의 수차를 나타낸다. 각 수차 도면에 있어서, 가로축은 눈동자에 있어서의 위치를 나타내고, 세로축은 수차량을 미크론 단위로 나타낸다. 구체적으로는, 도 18(A) 및 도 18(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 18(C) 및 도 18(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 18(E) 및 도 18(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도 19(A) 및 도 19(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 19(C) 및 도 19(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 19(E) 및 도 19(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도면에 나타낸 수차량은, 편의상 광빔을 역행시켰을 경우의 영상 표시 소자의 화상면에 있어서의 수차량으로 되어 있다.

(실시예 5)

실시예 5의 투사 투시 장치에 있어서, 도광 부재 및 투사 렌즈(투사 광학계)를 구성하는 광학면의 데이터를 표 17에 나타낸다. FFS7은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 사출면인 렌즈면(31b)을 의미한다. ASP1은, 투사 렌즈의 제1렌즈의 사출면이 아닌 입사면을 의미하고, ASP2는, 제2렌즈의 사출면을 의미한다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 실시예 5에서는, 투사 렌즈(30)가 2개의 렌즈(31 및 32)를 갖는다.

[표 17]

No Type R T Nd Vd

1 SPH ∞ 20.00

2 FFS1 - 5.00 1.525 55.95

3 FFS2 - －5.00 1.525 55.95

4 FFS1 - 8.50 1.525 55.95

5 FFS3 - －12.00 1.525 55.95

6 FFS4 - 9.00 1.525 55.95

7 FFS5 - －6.20 1.525 55.95

8 FFS6 - －2.00

9 ASP1 －46.932 －1.50 1.585 29.90

10 FFS7 - －3.23

11 ASP2 －6.165 －4.00 1.525 55.95

12 ASP3 －19.763 －3.00

13 SPH ∞ －1.44 1.458 67.82

14 화상면 ∞

실시예 5를 구성하는 도광 부재에 있어서의 광학면에 대해서, 그 횡단면에 있어서의 광축 경사 각도(틸트) TLY와 광축 어긋남량(디센터) DCX를 표 18에 나타낸다.

[표 18]

No Type TLY(면전) DCX(면후) TLY(면후)

2 FFS1 0.00 0.0 0.00

3 FFS2 －24.00 0.0 24.00

4 FFS1 0.00 0.0 0.00

5 FFS3 0.00 15.361 －5.87

6 FFS4 35.00 0.0 35.00

7 FFS5 －37.00 0.0 －37.00

8 FFS6 0.00 0.0 0.00

실시예 5를 구성하는 도광 부재에 있어서의 각 광학면에 대해서, 자유 곡면(평면을 포함함)의 다항식 전개한 계수 Ak_m _,n과, 투사 렌즈에 있어서의 각 광학면 중, 비축대칭 비구면에 대해서 다항식 전개한 계수 A_m,n을 표 19에 나타낸다. 표 19에 있어서, 기호 m 및 n은, 계수 Ak_m _,n 및 계수 A_m,n에 있어서의 변수 또는 차수를 의미한다. 기호 FFSk(역이서 k＝1 또는 6)는, 자유 곡면인 제1 내지 제6면(S11 내지 S16) 중 제k면을 의미한다. 기호 FFSk(여기서 k＝7)는, 비축대칭 비구면인 렌즈면(31b)을 의미한다. 계수 Ak_m _,n은, 제k면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 계수 A_m,n은, 대상으로 하는 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식을 구성하는 각 항 x^m·yⁿ의 계수를 의미한다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는, 도광 부재(10)가 제4면(S14)에 연속적으로 인접하는 제6면(S16)을 갖고 있는 것으로 한다. 도시하는 바와 같이, 제6면(S16)은, 광입사면이며, 광속의 수속에 관한 기능을 갖는다. 제4면(S14)은, 광로를 절곡시키는 기능을 갖는다. 즉, 실시예 1의 제4면(S14)에 있어서의 기능이, 실시예 5에서는, 제4면(S14)과 제6면(S16)으로 분리되어 있다.

[표 19]

실시예 5의 투사 투시 장치에 있어서의 투사 렌즈를 구성하는 광학면(비축대칭 비구면인 렌즈면(31b) 이외의 면인 축대칭 비구면)의 비구면의 계수를 표 20에 나타낸다.

[표 20]

ASP1 ASP2 ASP3

K －1 －1 －1

B4 1.730E-05 3.985E-04 3.628E-04

B6 －4.292E-05 －1.324E-05 －2.023E-05

B8 4.667E-07 1.089E-07 3.764E-07

표 20에 있어서, 기호 K 및 Bi는, 투사 렌즈(30)를 구성하는 2개의 렌즈(31 및 32) 중 렌즈(31)의 렌즈면(31b) 이외의 렌즈면인 기호 APS1 내지 APS3를 갖는 비구면을 특정하기 위한 계수를 나타내고 있다.

도 20은, 실시예 5의 투사 투시 장치(70)의 단면도이다. 도 21은, 도광 부재에서의 로컬 좌표를 나타내는 도면이다. 투사 투시 장치(70)에 있어서, 도광 부재(10)는, 약한 부의 굴절력을 갖는 제1면(S11)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제2면(S12)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제3면(S13)과, 비교적 약한 부의 굴절력을 갖는 제4면(S14)과, 비교적 약한 정의 굴절력을 갖는 제5면(S15)과, 비교적 강한 정의 굴절력을 갖는 제6면(S16)을 갖는다. 투사 렌즈(30)는, 부의 굴절력을 갖는 제1렌즈(31)와, 정의 굴절력을 갖는 제2렌즈(32)를 갖고 있다. 실시예 5의 광학계의 구체적인 사양은 다음과 같다. 수평 화각이 20.1°이고, 수직 화각이 11.4°이고, 영상 표시 소자의 표시 영역의 크기가 9.22×5.18㎜이고, 눈동자 직경이 5㎜이고, 초점 거리가 약 26㎜이다.

도 22(A) 내지 도 22(F) 및 도 23(A) 및 도 23(F)은, 실시예 5의 수차를 나타낸다. 각 수차 도면에 있어서, 가로축은 눈동자에 있어서의 위치를 나타내고, 세로축은 수차량을 미크론 단위로 나타낸다. 구체적으로는, 도 22(A) 및 도 22(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 22(C) 및 도 22(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 22(E) 및 도 22(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 5.7°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도 23(A) 및 도 23(B)는, X방향으로 10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내고, 도 23(C) 및 도 23(D)는, X방향으로 0.0°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타내며, 도 23(E) 및 도 23(F)는, X방향으로 －10°이고 Y방향으로 0.0°인 방위에 있어서의 Y 및 X방향의 수차를 나타낸다. 도면에 도시된 수차량은, 편의상 광빔을 역행시켰을 경우의 영상 표시 소자의 화상면에 있어서의 수차량을 나타낸다.

실시예 1 내지 5에 대해서, 조건식 (1) 내지 (3)에 관한 수치 데이터를 표 21에 정리했다.

[표 21]

실시예 1 내지 5에 대해서, 제1면(S11)과 제3면(S13)의 간격 및 시선축(사출측 광축(AXO))과 제2면(S12)의 z축의 각도에 관한 수치 데이터를 표 22에 정리했다.

[표 22]

조건식 (3)은, 외부광에 대한 도광 부재의 디옵터에 영향을 주고 있고, 도광 부재의 광축상의 x축 방향의 디옵터 Dx 및 y축 방향의 디옵터 Dy는, 도광 부재의 두께를 T로 하고, 굴절률을 N으로 하면, 다음 식으로 주어진다.

Dx＝2000(N－1)(A1_2,0－A3_2,0＋(2T(N－1)/N)×A1_2,0×A3_2,0)

Dy＝2000(N－1)(A1_0,2－A3_0,2＋(2T(N－1)/N)×A1_0,2×A3_0,2)

실시예 1 내지 5에 대하여, 디옵터에 관한 수치 데이터를 상기 식에 기초하여 표 23에 정리했다.

[표 23]

비축대칭 비구면에 관한 계수 A_2,0과 A_0,2가 이부호이고, 하기의 조건식 (4)를 만족하는 계수 A_2,0과 A_0,2는, 를 만족하는 것은, 투사 렌즈의 비축대칭 비구면에 의해, 도광 부재의 반사면에서 발생하는 비점수차 등의 수차를 보정하여, 우수한 화질을 얻을 수 있기 위한 지표를 나타내는 값이다.

10^－2＜｜A_2,0－A_0,2｜ … (4)

실시예 1 내지 5에 대한 전술된 요건을 표 24에 정리했다. 모든 실시예에 있어서, 전술된 요건이 만족된다.

[표 24]

이하의 표 25에, 각 실시예 1∼5에 대한 투사 렌즈(30)의 입사측 광축 (AXI; 투사 렌즈 광축)과 사출측 광축 (AXO; 시선축) 사이의 각도를 정리했다. 모든 실시예에 있어서, 그 각도가 0°보다 크고 30° 이하로 되어 있다.

[표 25]

[그 외]

전술의 실시 형태에 기초하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은, 전술의 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 형태로 실시될 수 있다. 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능하다.

전술에 있어서, 투사 렌즈가 1개의 비축대칭 비구면을 가지고 있지만, 투사 렌즈는 2개 이상의 비축대칭 비구면을 갖는 것도 가능하다.

전술에서, 하프 미러층(반투과반사막; 15)이 가로의 직사각형 영역에 형성된다고 했지만, 하프 미러층(15)의 윤곽은 용도 및 다른 사양에 따라서 적절히 변경할 수 있다. 하프 미러층(15)의 투과율이나 반사율도 용도 및 다른 것들에 따라서 변경할 수 있다.

전술에서, 영상 표시 소자(82)에 있어서의 표시 휘도의 분포를 특별히 조정하고 있지 않지만, 위치에 따라 휘도차가 발생하는 경우 등에 있어서는, 표시 휘도의 분포를 불균등하는 등으로 조정할 수 있다.

전술에 있어서, 화상 표시 장치(80)로서, 투과형의 액정 표시 장치 등을 포함하는 영상 표시 소자(82)를 이용하고 있지만, 화상 표시 장치(80)가, 투과형의 액정 표시 장치 등을 포함하는 영상 표시 소자(82)로 한정되지 않으며 여러 가지의 장치를 이용 가능하다. 예를 들면, 반사형의 액정 표시 장치를 이용한 구성도 가능하며, 또는 액정 표시 장치 등을 포함하는 영상 표시 소자(82)를 대신하여 디지털 마이크로-미러 디바이스 등을 이용할 수도 있다. 화상 표시 장치(80)로서, LED 어레이나 OLED(유기 EL) 등으로 대표되는 자발광형 소자를 이용할 수도 있다.

전술의 실시 형태에서는, 투과형의 액정 표시 장치 등을 포함하는 화상 표시 장치(80)를 이용하고 있지만, 이것을 대신하여 주사형의 화상 표시 장치를 이용할 수도 있다.

구체적으로는, 도 24에 나타내는 바와 같이, 허상 표시 장치인 제1 표시 장치(100A)는, 도광 장치(20)와 화상 표시 장치(380)를 구비한다. 도광 장치(20)는, 도광 부재(10)와 광투과 부재(50)를 접합한 위치에 상당하며, 따라서 그에 대한 설명은 생략한다. 화상 표시 장치(380)는, 강도 변조된 신호광을 형성하고 신호광을 주사광(TL)으로서 사출하는 장치이며, 신호광 형성부(381)와 주사 광학계(382)를 갖는다.

신호광 형성부(381)는, 광원을 구비하고 있어, 제어 회로(도시하지 않음)로부터의 제어 신호에 기초해 변조하여 형성한 신호광(LL)을 사출한다. 주사 광학계(382)는, 신호광 형성부(381)를 통과한 신호광(LL)을 주사하면서 사출시킨다. 여기에서, 주사 광학계(382)는, MEMS 미러 등을 포함하고, 신호광 형성부(381)에 의한 신호광(LL)의 변조에 동기시켜 자세를 변화시켜 신호광(LL)의 광로를 조정함으로써 광빔(주사광; TL)의 사출 각도를 종횡으로 변화시키는 2차원 주사를 행한다. 이상에 의해, 화상 표시 장치(380)는, 영상광(GL)이 되어야 할 주사광(TL)을 도광 장치(20)에 입사시키고, 주사광(TL)이 제2면(S12) 중 하프 미러층(15)이 형성되는 부분 영역의 전체에 대하여 스캔하도록 한다.

도면에 도시된 제1 표시 장치(100A)의 동작을 설명한다. 화상 표시 장치(380)는, 전술한 바와 같이 하여, 신호광(LL)을 주사광(TL)으로서, 비축대칭 비구면의 렌즈면(31a)을 포함하는 렌즈(31)와 다른 렌즈(32 및 33)를 갖는 투사 렌즈(30)를 통하여 도광 장치(20)의 광입사면으로서의 제4면(S14)을 향하여 사출한다. 도광 장치(20)는, 제4면(S14)을 통과한 주사광(TL)을 전반사 등에 의해 내부에서 도광시켜, 주사광(TL)이 하프 미러층(15)에 도달하게 한다. 이때, 하프 미러층(15)의 면 상에 있어서 주사광(TL)이 주사됨으로써, 주사광(TL)의 궤적으로서의 영상광(GL)에 의해서 허상이 형성된다. 그 장치를 장착한 사람은 눈(EY)으로 그 허상을 포착하여, 화상을 시인(visually recognize)한다.

전술의 실시 형태에서는, 도광 부재(10)와 보조 광학 블록인 광투과 부재(50)가 관찰자의 눈(EY)의 앞 전체를 덮도록 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들면 도 25a 및 25b에 나타내는 바와 같이, 하프 미러층(15)을 갖는 곡면 형상인 제2면(S12)을 포함한 부분이 눈(EY)의 일부만을 덮고 있는, 즉 눈 앞의 일부를 덮고, 덮지 않는 부분도 존재하는 소형의 구성으로 해도 좋다. 이 경우, 도광 부재(10) 및 광투과 부재(50)를 충분히 작게 하고, 시스루 방법을 사용하지 않고, 하프 미러층(15)을 대신하여 전반사용 미러를 배치하는 구성으로 해도, 그 장치를 장착한 사람은 도광 부재(10) 및 광투과 부재(50)의 인근에 있는 외경을 관찰할 수 있다. 도면에 도시된 경우에서는, 하프 미러층(15)이 제2면(S12)의 전체 또는 제2면(S12)의 대략 전체에 형성되어 있지만, 하프 미러층(15)은 제2면(S12)의 일부에만 형성되어 있어도 좋다. 도 25b의 예에서는, 눈(EY)의 대략 정면에 하프 미러층(15)이 배치되어 있지만, 하프 미러층(15)은 정면으로부터 이동시켜 배치하고, 관찰자가 눈을 움직여서 화상을 시인 가능하게 해도 좋다. 예를 들면, 눈(EY)의 위치를 약간 내리는(도광 부재(10) 및 광투과 부재(50)의 위치를 약간 올림) 것으로 해도 좋다. 이 경우, 예를 들면 눈(EY)의 하반분이 도광 부재(10) 및 광투과 부재(50)의 아래로부터 보이는 상태가 된다.

전술에서는, 한 쌍의 표시 장치(100A 및 100B)를 구비하는 허상 표시 장치(100)가 설명되고 있지만, 단일의 표시 장치로 할 수 있다. 즉, 우안 및 좌안의 양방의 각각에 대하여, 한 쌍의 투사 투시 장치(70) 및 화상 표시 장치(80)를 형성하는 것 대신에, 우안 또는 좌안 중 어느 한쪽에 대해서만 투사 투시 장치(70) 및 화상 표시 장치(80)를 형성하여, 한 눈으로 화상을 보도록 하는 구성으로 해도 좋다.

전술에 있어서, 한 쌍의 표시 장치(100A 및 100B)의 X방향의 간격에 대해서 설명하고 있지 않지만, 양 표시 장치(100A 및 100B)의 간격은 고정으로 한정하지 않고, 그 간격은 기계 기구 등에 의해 조정이 가능하다. 즉, 양 표시 장치(100A 및 100B)의 X방향의 간격은, 관찰자의 눈의 폭 등에 따라서 조정할 수 있다.

전술에 있어서는, 하프 미러층(15)이 단순한 반투과성의 막(예를 들면, 금속 반사막 또는 유전체 다층막)으로 했지만, 하프 미러층(15)은, 평면 또는 곡면의 홀로그램 소자로 치환할 수 있다.

전술에 있어서는, 도광 부재(10)의 제1면(S11) 및 제3면(S13)에 있어서, 표면 상에 미러나 하프 미러 등을 형성하는 일 없이 공기와의 계면에 의해 영상광을 전반사시켜 유도하는 것으로 하고 있지만, 본 발명에 따르는 허상 표시 장치(100)에 있어서의 전반사는, 제1면(S11) 또는 제3면(S13) 상의 전체 또는 일부에 형성된 미러 코팅 또는 하프 미러막에 의한 반사를 포함하는 것으로 한다. 예를 들면, 전반사는, 화상광의 입사 각도가 전반사 조건을 만족한 후에, 미러 코팅 등이 제1면(S11) 또는 제3면(S13)의 전체 또는 일부에 형성되어, 실질적으로 모든 화상광을 반사하는 경우도 포함된다. 또한, 충분한 밝기의 화상광을 얻을 수 있다면, 경미한 투과성을 갖는 미러로 제1면(S11) 또는 제3면(S13)의 전체 또는 일부를 코팅하여도 좋다.

전술에 있어서는, 도광 부재(10) 등이 눈(EY)이 나열되는 횡방향으로 연장되어 있지만, 도광 부재(10)를 종방향으로 연장되도록 배치할 수도 있다. 이 경우에, 도광 부재(10)는, 직렬적이지 않고 병렬적으로 배치된 구조를 갖는다. 영상광(화상광)을 도광시키는 방향에 따라서, 전술의 설명의 경우와 비교하여 종방향 및 횡방향에 관한 구성을 적절히 바꿔 넣을 수 있다.

AX1 내지 AX5 : 광축
AXI : 입사측 광축
AXO : 사출측 광축
EY : 눈
GL : 영상광
HL : 외부광
II : 중간상의 화상면
PA : 부분 영역
S11 내지 S16 : 제1 내지 제6면
S51 내지 S53 : 투과면
SL : 조명광
SR : 기준면
10 : 도광 부재
10s : 본체
11, 12 : 도광 부분
15 : 하프 미러층
20 : 도광 장치
30 : 투사 렌즈
31, 32, 33 : 렌즈
31a, 31b, 32b : 렌즈면(비축대칭 비구면)
32a, 33a, 33b : 렌즈면
50 : 광투과 부재
70 : 투사 투시 장치
80 : 화상 표시 장치
81 : 조명 장치
82 : 영상 표시 소자(영상 소자)
OI : 화상면
84 : 구동 제어부
100 : 허상 표시 장치
100A, 100B : 표시 장치
101a, 101b : 광학 부재
102 : 프레임부
104 : 템플부
105a, 105b : 상 형성 본체부
105d : 외장 부재
107 : 프레임
107a : 정면부
107b, 107c : 측면부
108 : 프로텍터
15 : 하프 미러층
CC : 접착층

Claims

영상광을 생성시키는 영상 소자와,
2 이상의 비축대칭인 곡면을 포함하고, 광학계의 일부이며, 그 내부에 중간상이 형성되는 도광 부재와,
상기 영상 소자로부터의 영상광을 상기 도광 부재에 입사시키는 투사 렌즈를 구비하고,
상기 투사 렌즈는, 적어도 하나의 비축대칭 비구면을 포함하고 있고,
상기 도광 부재를 구성하는 복수면 중 제1면과 제3면은 서로 대향하도록 배치되고, 상기 제1면과 상기 제3면을 통하여 외경을 시인할 때에, 디옵터(diopter)가 제로가 되고, 상기 영상 소자로부터의 영상광은, 상기 제3면에서 전반사되고, 상기 제1면에서 전반사되고, 제2면에서 반사되며, 상기 제1면을 투과하여, 관찰측에 도달하고,
상기 도광 부재에 있어서, 상기 제1면과 상기 제3면은, 서로 평행한 평면이고,
상기 도광 부재는, 상기 제3면보다 광입사측에 상기 제3면을 향하여 영상광을 도광시키는 제4면과, 상기 제4면을 향하여 영상광을 반사시키는 제5면을 갖고, 또한 상기 제4면은 상기 도광 부재에 있어서의 영상광의 입사면이고, 상기 제2면, 상기 제4면 및 상기 제5면은, 비축대칭인 곡면인 허상 표시 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 도광 부재에 있어서, 상기 중간상은, 상기 제3면에서 상기 제5면까지의 영상광의 광로상에 있는 허상 표시 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 투사 렌즈에 있어서의 투사 렌즈 광축과, 관찰자의 시선으로서 상정되는 시선축은, 0°이상 30°이하의 각도를 이루는 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 광학계를 구성하는 각 면의 원점을 기준으로 하여, 면 형상의 표현식을 원점으로부터 접선 방향으로 연장되는 직교 좌표 x 및 y에 관하여 다항식 전개하고, 제k면을 나타내는 다항식의 항 x^m·yⁿ의 계수를 Ak_m _,n라고 할 때, 다음의 (1) 내지 (3)의 조건을 만족하는 허상 표시 장치.
－10^－1＜A1_0,2＋A1_2,0＜10^－2 및 －10^－1＜A3_0,2＋A3_2,0＜10^－2… (１)
｜A1_2,0－A1_0,2｜＜10^－1 및 ｜A3_2,0－A3_0,2｜＜10^－1… (２)
｜A1_2,0－A3_2,0｜＜10^－2 및 ｜A1_0,2－A3_0,2｜＜10^－2… (３)
제1항에 있어서,
상기 투사 렌즈의 상기 비축대칭 비구면의 원점을 기준으로 하여, 면 형상의 표현식을 원점으로부터 접선 방향으로 연장되는 직교 좌표 x 및 y에 관하여 다항식 전개하고, 상기 비축대칭 비구면을 나타내는 다항식의 항 x^m·yⁿ의 계수를 A_m,n으로 했을 때, A_2,0과 A_0,2가 이부호(opposite sign)이고, 다음의 조건을 만족하는 허상 표시 장치.
10^－2＜｜A_2,0－A_0,2｜ … (4)
제1항에 있어서,
상기 도광 부재의 내부에 있어서, 상기 영상 소자로부터의 영상광을, 적어도 2회의 전반사를 포함하는 5회의 반사에 의해 도광하는 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2면에 하프 미러를 형성하고, 영상광을 관찰자에게 제시하고, 상기 제2면의 외측에 광투과 부재를 일체적으로 배치하고, 외부광에 대한 디옵터를 0으로 설정하여, 외부광과 영상광이 겹쳐지는 방법으로 관찰자에게 제시되는 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 투사 렌즈는, 상기 비축대칭 비구면 이외의 면으로서, 2 이상의 축대칭 비구면을 포함하는 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 도광 부재를 포함하는 상기 광학계는, 관찰자의 눈 앞 중 일부를 덮어, 눈 앞이 덮여있지 않은 부분을 존재시키는 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 영상 소자는, 화상에 대응하여 변조된 신호광을 사출하는 신호광 형성부와, 상기 신호광 형성부로부터 입사한 신호광을 주사하여 신호광을 주사광으로서 사출시키는 주사 광학계를 갖는 허상 표시 장치.