WO2020095652A1 - 観察光学系および画像表示装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to an observation optical system and an image display device suitable for a head mounted display (HMD) and the like.
- HMD head mounted display
- Head mounted displays are known as image display devices (see, for example, Patent Documents 1 to 5).
- the observation optical system and the display device body are required to be small and lightweight. Further, it is required that an image can be observed in a wide viewing angle.
- An observation optical system is disposed at a position closer to an entrance pupil than a reflection optical element including at least one reflection surface, a reflection optical element, and an entrance pupil on a reflection surface or a reflection surface.
- a first lens group that forms an intermediate image of a virtual image corresponding to the image displayed on the image display unit at a position close to, and the first lens group, the intermediate image, and the reflection when ray tracing is performed from the entrance pupil side.
- a second lens group arranged in the order of the optical elements on the optical path after the light has passed therethrough, and arranged so that an image of the entrance pupil is formed on the optical path after the light is reflected by the reflecting surface.
- An image display device includes an image display unit and an observation optical system that magnifies an image displayed on the image display unit, and the observation optical system includes at least one reflection surface.
- the optical element and the reflective optical element are disposed closer to the entrance pupil than the reflective optical element, and form an intermediate image of a virtual image corresponding to the image displayed on the image display unit on the reflective surface or at a position closer to the entrance pupil than the reflective surface.
- the first lens group, the intermediate image, and the reflective optical element are arranged in this order on the optical path after the light passes, and the light is reflected by the reflecting surface.
- a second lens group arranged so that an image of the entrance pupil is formed on the optical path after the irradiation.
- the first lens group is arranged at a position closer to the entrance pupil than the reflective optical element, and on the reflective surface of the reflective optical element or from the reflective surface. Also, an intermediate image of a virtual image corresponding to the image displayed on the image display unit is formed at a position close to the entrance pupil.
- the second lens group is arranged on the optical path after the light passes through the first lens group, the intermediate image, and the reflective optical element in this order when the ray tracing is performed from the entrance pupil side, and the light is reflected by the reflective surface.
- An image of the entrance pupil is formed on the optical path after the irradiation.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a state in which an image display device using an observation optical system according to an embodiment of the present disclosure is attached to an observer's head. It is explanatory drawing which shows an example of the state of the reflected light in the observation optical system which used the plane mirror in the inclination angle 0 degree. It is explanatory drawing which shows an example of the state of the reflected light in the observation optical system which used the plane mirror in the inclination angle of 15 degrees. It is explanatory drawing which shows an example of the state in the reflected light of the observation optical system which uses an ellipsoidal mirror.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a state in which an image display device using an observation optical system according to an embodiment of the present disclosure is attached to an observer's head. It is explanatory drawing which shows an example of the state of the reflected light in the observation optical system which used the plane mirror in the inclination angle 0 degree. It is explanatory drawing which shows an example of the state of the reflected
- FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical system schematically showing a configuration example of an observation optical system and an image display device according to an embodiment of the present disclosure. It is an optical system sectional view showing roughly an example of 1 composition of an observation optical system and an image display device concerning the 1st comparative example. It is an optical system sectional view showing roughly an example of 1 composition of an observation optical system and an image display device concerning a 2nd comparative example. It is an optical system sectional view showing roughly the 1st modification of an observation optical system and an image display device concerning one embodiment. It is an optical system sectional view which shows roughly the 2nd modification of the observation optical system and image display device concerning one embodiment.
- 3 is an optical system cross-sectional view showing a configuration of an observation optical system and an image display device according to Example 1.
- FIG. FIG. 6 is an optical system cross-sectional view showing the configurations of an observation optical system and an image display device according to Example 2.
- FIG. 6 is an optical system cross-sectional view showing the configurations of an observation optical system and
- Head-mounted displays are required to have high resolution and large viewing angles.
- the conventional head-mounted display is mainly configured to look at the display panel through a lens (which may be a single lens or multiple lenses for aberration correction). I was using a display panel.
- a 4K panel called a microdisplay, which is small in size of about 1 inch (diagonal 25.4mm), has been developed recently. Therefore, use this 4K panel for high resolution head mounted display. Is rational.
- a display panel having a size of 1 inch (diagonal 25.4 mm) or less is used by only one eye (two for both eyes) and is 110 degrees or more.
- Patent Document 1 JP-A-2017-212174
- Patent Document 2 JP-A-2018-106167
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2017-212174
- the technique described in Patent Document 1 is not aimed at downsizing the panel size, so if the resolution is increased with the panel size (the number of pixels is increased), it becomes considerably expensive.
- Patent Document 2 JP-A-2018-106167 uses three lenses including a Fresnel lens and has an image plane size (panel size) of 19.9 mm diagonal and a viewing angle of 80 degrees. This makes it possible to use a small display panel.
- the optical path is designed to be bent a plurality of times in the middle, and large aberration may occur there.
- Patent Document 2 does not describe that the horizontal viewing angle is expanded to 110 degrees or more, and it is difficult to obtain a large viewing angle of 110 degrees or more with a small display panel.
- Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 10-153748
- Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-341411 disclose a relay optical system using a free-form surface prism.
- the relay optical systems described in Patent Documents 3 and 4 have a configuration in which an intermediate image is formed in a prism, and the intermediate image is reduced and imaged at a panel position by a subsequent optical system.
- the disadvantage of this relay optical system is that, when attempting to miniaturize the relay optical system, in many cases there is an optical surface where the optical paths overlap, and for example, light is transmitted when incident from the left and reflected when incident from the right. It is necessary to have a reflective surface with such characteristics.
- the reflecting surface is arranged on the optical element (free-form curved surface prism) closest to the eye, but since it is the place where the light spreads the most, The larger the angle, the larger the free-form surface prism becomes. Moreover, although the horizontal viewing angle is 50 degrees, it is very difficult to further expand the viewing angle.
- Patent Document 5 JP 2013-25102 A discloses a relay optical system using two free-form surface prisms. Also in the relay optical system described in Patent Document 5, the optical element (free-form curved surface prism) closest to the eye has a concave reflecting surface, and since light is also the most diffused place, when the viewing angle becomes large, the free-form surface The prism grows rapidly. Further, since the light is reflected once in the free-form surface prism, the light returns to the face direction and the reflected light passes near the eyes. Therefore, it is difficult to use the glasses while wearing the glasses unless the distance between the eyes and the free-form surface prism is considerably large. Although the horizontal viewing angle is 80 degrees, it is difficult to further increase the viewing angle with this relay optical system unless the size of the optical system is considerably increased.
- FIG. 1 shows an example of a state in which an image display device using an observation optical system 1 according to an embodiment of the present disclosure is attached to the head of an observer 4. Further, FIG. 5 shows a cross-sectional configuration example of the observation optical system 1 and the image display device according to the embodiment.
- the image display device includes an image display unit and an observation optical system 1 that magnifies an image displayed on the image display unit.
- the image display unit includes a display panel 2 such as a liquid crystal display or an OLED (organic EL) display.
- the display panel 2 corresponds to a specific but not limitative example of “image display unit” in the technique of the present disclosure.
- the observation optical system 1 includes an entrance pupil (eye point) E.I. P.
- the optical system 10 includes a front optical system 10, a reflective optical element 30 including at least one reflective surface 31, and a rear optical system 20 in order from the side closer to.
- the front optical system 10 corresponds to a specific but not limitative example of “first lens group” in the technique of the present disclosure.
- the rear optical system 20 corresponds to a specific but not limitative example of “second lens group” in the technique of the present disclosure.
- the front optical system 10 has an entrance pupil E.P. P. Is located closer to the entrance surface of the entrance pupil E.E. P.
- a virtual intermediate image 40 corresponding to the image displayed on the display panel 2 is formed at a position close to.
- the reflective optical element 30 may have a plurality of reflective surfaces 31. In this case, the entrance pupil E. P. When the ray tracing is performed from the side, the entrance pupil E.E. P. An intermediate image 40 is formed at a position close to.
- the rear optical system 20 has an entrance pupil E.I. P.
- the front optical system 10 When the ray tracing is performed from the side, the front optical system 10, the intermediate image 40, and the reflective optical element 30 are arranged on the optical path after the light passes therethrough, and on the optical path after the light is reflected by the reflective surface 31.
- Entrance pupil E. P. Are arranged so that an image of is formed.
- one display panel 2 having a size of 1 inch (diagonal 25.4 mm) or less is used for one eye 3 (two for both eyes) and a large size of 110 degrees or more.
- An observation optical system 1 that can realize a horizontal viewing angle and can realize a small size and weight required for a head mounted display is presented.
- the head mounted display is generally thin (especially the thickness in the front direction from the eye 3 is small) is preferred. Since the center of gravity of the thick head mounted display is away from the face, pressure is easily applied to a part of the face during use, which is uncomfortable, and slippage during use becomes a problem.
- a thin head-mounted display can be easily realized with an observation optical system using a single lens (including a plurality of lenses for correcting aberrations) like the observation optical systems described in Patent Documents 1 and 2 above. However, it is not known so far that the display panel 2 having a size of 1 inch (diagonal 25.4 mm) or less realizes a large horizontal viewing angle of 110 degrees or more.
- the entrance pupil E. P. When ray tracing is performed from the side, an intermediate image 40 having a size larger than that of the display panel 2 is formed once, and then the intermediate image 40 is relayed to re-image the desired panel size.
- the virtual image is the object plane and the display panel 2 is the image plane, and the light travels in the direction opposite to the actual optical path observed by the observer 4. I do.
- the observation optical system 1 in the general observation optical system, an image formed at the position of the display panel 2 once becomes the intermediate image 40, and an optical system for relaying the intermediate image 40 is required. For this reason, the overall length is much longer than that of a general observation optical system, and the wearing feeling tends to be problematic. Therefore, as shown in FIG. 1, in the observation optical system 1 according to the embodiment, the optical path is enlarged in the width direction of the face, but the optical path is bent toward the ear in the middle.
- the head-mounted display Since an optical system is added behind the intermediate image 40, the head-mounted display is slightly heavier, but the center of gravity is closer to the face than when it is not bent, and the pressure when wearing can be dispersed in a wide head area, so that the head-mounted display can be dispersed. The fit and stability of the is no longer an issue.
- the display panel 2 when mounted on the head, the display panel 2 is viewed from the front of the face and displayed when viewed from the ear side of the eye 3 and the side of the face.
- the panel 2 is configured to be arranged on the face side of the reflective surface 31 of the reflective optical element 30.
- the reflecting surface 31 that bends the optical path has a positive power, it works in the direction of suppressing the field curvature, which is advantageous for realizing a wide viewing angle.
- the relay optical system described in Patent Document 3 and the like also includes the reflective surface 31, but the light emitted from the eye 3 reaches first, and the optical element (free curved surface prism) closest to the eye 3 has the reflective surface. 31 are arranged.
- FIG. 2 shows an example of the state of reflected light in the observation optical system using the plane mirror 310 with a tilt angle of 0 degree.
- FIG. 3 shows an example of a state of reflected light in the observation optical system using the plane mirror 310 at an inclination angle of 15 degrees.
- FIG. 4 shows an example of a state in reflected light of the observation optical system using the ellipsoidal mirror 320.
- the eccentric ellipsoidal mirror 320 since the chief ray can be focused on the focal point, it is possible to arrange it so as not to return to the eye 3 if the focal position is properly selected.
- the intermediate image 40 is located at the position of one elliptic focus F1, and the position of the other elliptic focus F2 is located at the entrance pupil E.D. P. It is possible to arrange such that However, in this case, the image forming performance is too low (light rays other than the chief ray are not concentrated on the chief ray), and the optical system arranged behind the reflecting surface 31 becomes very difficult.
- the observation optical system 1 has a new optical system type configuration different from the conventional one.
- the front optical system 10, the reflective optical element 30, and the rear optical system 20 each have positive power.
- the front optical system 10 forms the intermediate image 40 at the same position as the reflective surface 31 in the reflective optical element 30 or at a position closer to the eye 3 side than the reflective surface 31, and at the same time, rearwardly from the reflective surface 31 in the reflective optical element 30 ( Make a pupil at the position of the display panel 2 side).
- the intermediate image 40 is conjugate with the virtual image by the observation optical system 1.
- the intermediate image 40 is a real image.
- the size of the intermediate image 40 is larger than the panel size of the display panel 2 (the size of the image displayed on the display panel 2), the size of the intermediate image 40 is reduced by the reflective optical element 30 and the rear optical system 20 so that the display panel has a desired panel size. 2 will be imaged.
- the front optical system 10 is composed of an axisymmetric optical system including one or more axisymmetric lenses.
- the front optical system 10 shows an example of a three-lens configuration including a first lens L11, a second lens L12, and a third lens L13.
- the front optical system 10 may have a Fresnel surface.
- the surface of the first lens L11 facing the second lens L12 is the first Fresnel surface Fr1
- the surface of the second lens L12 facing the first lens L11 is the second Fresnel surface Fr2. ing.
- the reflective optical element 30 and the rear optical system 20 are decentered and tilted with respect to the front optical system 10.
- the reflective optical element 30 has an axisymmetric shape tilted with respect to the front optical system 10 or a free-form surface shape.
- the rear optical system 20 has at least one free-form surface.
- the rear optical system 20 is a decentered optical system that does not have an axis that is axisymmetric as a whole.
- the reflective optical element 30 it is necessary to tilt and reflect light so as to avoid the direction of the eye 3. Therefore, in the reflective optical element 30, aberrations that are not axisymmetric are generally generated.
- the rear optical system 20 also needs to have decentering or a free-form surface.
- the intermediate image 40 on the eye 3 side (front optical system 10 side) with respect to the reflective surface 31 in the reflective optical element 30.
- a real image of the pupil (the entrance pupil EP) is formed behind the reflective surface 31 (between the reflective surface 31 and the rear optical system 20 or inside the rear optical system 20).
- Image 50 the reflecting surface 31 is arranged at a position sandwiched between the intermediate image 40 and the real image 50 of the pupil, and the size of the reflecting optical element 30 and the front and rear of the reflecting optical element 30. It becomes possible to limit the spread range of light passing through. As a result, it is possible to realize a small head-mounted display even with a large viewing angle.
- the entire head mounted display would be extremely large.
- FIG. 6 and 7 schematically show a configuration example of the observation optical system and the image display device according to the first and second comparative examples.
- the observation optical system according to the first comparative example shown in FIG. 6 corresponds to the configuration of the observation optical system described in Patent Document 5 above.
- the observation optical system according to the first comparative example includes a free-form surface prism 110 and a free-form surface prism 120 in order from the eye 3 side.
- the free-form surface prism 110 has a reflecting surface 111.
- the observation optical system according to the second comparative example shown in FIG. 7 corresponds to the configuration of the observation optical system described in Patent Document 3 above.
- the observation optical system according to the second comparative example includes a free-form curved surface prism 210 and a condensing optical system 220 in order from the eye 3 side.
- the free-form surface prism 210 has a reflecting surface 211.
- the observation optical system 1 and the image display device it is possible to realize a small head mounted display with a large horizontal viewing angle using a high resolution micro display.
- FIG. 8 schematically shows a first modification of the observation optical system 1 and the image display device according to the embodiment. Since the observation optical system 1 according to the embodiment has a space between the front optical system 10 and the reflecting surface 31, it is relatively easy to dispose the line-of-sight detection optical system.
- the light source 61 such as an infrared LED (Light Emitting Diode) illuminates the eye 3 of the observer 4 to provide a space between the front optical system 10 and the reflecting surface 31.
- the image pickup optical system imaging optical system 60
- the dichroic mirror 62 is arranged as a light separation element in the optical path between the front optical system 10 and the reflective optical element 30.
- the dichroic mirror 62 ideally has a characteristic of reflecting 100% of infrared light and transmitting 100% of visible light.
- the dichroic mirror 62 separates the reflected light (infrared light) of the light from the light source 61 reflected by the eye 3 of the observer 4 and the light (visible light) of the observed image.
- the imaging optical system 60 is arranged at a position corresponding to the exit pupil 66 of the observation optical system 1 in the optical path of the reflected light separated by the dichroic mirror 62. It is preferable to dispose a blind plate 65 on the eye 3 side of the imaging optical system 60 and the image pickup element 63 so that the observer 4 cannot see the imaging optical system 60 and the image pickup element 63.
- the reflected light of the light from the light source 61 which is reflected by the eye 3 of the observer 4, enters the imaging element 63 via the imaging optical system 60.
- the line-of-sight position calculation unit 64 calculates the line-of-sight position of the observer 4 based on the image pickup result by the image pickup element 63.
- FIG. 9 schematically shows a second modification of the observation optical system 1 and the image display device according to the embodiment.
- the reflective optical element 30 is configured by a reflective optical element 30A such as a semi-transmissive mirror having a semi-transmissive characteristic of transmitting external light.
- a see-through type head-mounted display can be realized by adding an appropriate additional optical system (imaging optical system) 80 after the reflective optical element 30A.
- imaging optical system imaging optical system
- the observer 4 can observe the observation image 72 in which the external image 71 is superimposed on the display image 70 displayed on the display panel 2, for example.
- the external image 71 may be an external view or a display image displayed on an external display panel.
- FIG. 10 shows a sectional configuration of the observation optical system 1A and the image display device according to the first embodiment.
- the reflective optical element 30 is composed of one reflecting mirror.
- three axisymmetric lenses (first lens L11, second lens L12, and third lens L13) are arranged in front of the reflecting surface 31 (on the eye 3 side), and Immediately after that, the intermediate image 40 is formed.
- the intermediate image 40 is on the eye 3 side of the reflecting surface 31, and a real image 50 of the pupil is formed behind the reflecting surface 31.
- the front optical system 10 has a three-lens configuration in which the first lens L11, the second lens L12, and the third lens L13 are arranged in order from the eye 3 side. ing.
- the front optical system 10 includes two Fresnel surfaces, which contributes to the reduction in thickness.
- the surface of the first lens L11 facing the second lens L12 is the first Fresnel surface Fr1
- the surface of the second lens L12 facing the first lens L11 is the second Fresnel surface Fr2. .
- the Fresnel surface is formed, for example, on a flat substrate surface, and the upper and lower limits of the sag amount are determined by two mutually parallel planes.
- the first Fresnel surface Fr1 and the second Fresnel surface Fr2 may be curved surfaces, and may not be parallel to each other.
- the real image 50 of the pupil is formed in the rear optical system 20.
- the rear optical system 20 includes two free-form surfaces, and corrects the non-axisymmetric aberration generated at the reflecting surface 31.
- the viewing angle on the nose side, which is difficult for the eye 3 to follow, and the ear side is larger than the vertical direction (especially above), but the viewing angle is not limited thereto.
- the viewing angles are as follows. -Viewing angle Y direction (horizontal): -57.5 degrees (ear side) to +45 degrees (nasal side) X direction (vertical): -30 degrees to +30 degrees
- conditional expression (1) the focal length of the front optical system 10 is fb, and the eye relief length is E.
- conditional expression (2) the entrance pupil E. P.
- the vertical image height of the intermediate image 40 is A, and the vertical direction when the intermediate image 40 is formed on the display panel 2 by the reflective optical element 30 and the rear optical system 20.
- B be the height of the image. 1 ⁇ fb / E ⁇ 1.25 (1) 0.55 ⁇ B / A ⁇ 0.85 (2)
- Conditional expression (1) is a condition for limiting the position of the intermediate image 40 formed by the front optical system 10.
- fb / E is smaller than 1, aberration is deteriorated, and fb / E is larger than 1.25. And the optical system size becomes large.
- the conditional expression (2) is a condition that limits the lateral magnification in the vertical direction between the intermediate image 40 and the display panel 2. If B / A is below the lower limit of the conditional expression (2), the optical system becomes large. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the aberration will deteriorate.
- the observation optical system 1A according to the first embodiment is not axially symmetric, the horizontal magnification and the vertical magnification are generally different, and the horizontal magnification has eccentricity and the like, which is relatively free, as compared with the vertical magnification. ..
- the chief ray of 0 ° horizontally and ⁇ 30 ° vertically determines the image size in the vertical direction.
- B / A 0.747, which satisfies the conditional expression (2).
- Table 1 shows basic lens data of the observation optical system 1A according to Example 1.
- surface 0 is an object surface (virtual image) and surface 1 is an entrance pupil E.I. P. (Diameter 12 mm), 8 faces show the intermediate image 40, and 15 faces show the display panel surface (0.93 inch).
- R is the radius of curvature of the surface
- D is the surface spacing on the optical axis
- Nd is the refractive index for the d-line
- ⁇ d is the Abbe number for the d-line.
- a surface having a surface type of SPH and an R value of 1e + 18 represents a flat surface.
- REFR represents a refracting surface, and REFL represents a reflecting surface 31.
- SPH represents a spherical surface and "ASP" represents an aspherical surface.
- ASP-FRESNEL represents a thin Fresnel surface.
- the sag amount of the surface is always 0, but only when calculating the normal line of the surface, it is calculated from the above equation (differential value) of the aspherical surface.
- the thin-walled Fresnel surface is an ideal case where ray tracing is performed without considering the actual shape. Since the standing wall is ignored, stray light does not occur.
- SPS XYP represents an XY polynomial surface. The formula of the XY polynomial surface is as follows (in the case of 10th order formula). The same applies to other examples described later.
- [Table 2] shows aspherical coefficients in the observation optical system 1A according to the first embodiment.
- [Table 3] shows decentering data in the observation optical system 1A according to the first embodiment.
- the eccentricity data indicates the surface reference coordinates (XDE, YDE, ZDE) immediately before each surface and the Euler angles (ADE, BDE, CDE) for each surface.
- XDE, YDE and ZDE correspond to the eccentricity amount
- ADE, BDE and CDE correspond to the tilt angle.
- ADE means the amount of rotation of the mirror or lens about the X axis from the Z axis direction to the Y axis direction.
- BDE means the amount of rotation about the Y axis from the X axis direction to the Z axis direction.
- CDE means the amount of rotation about the Z axis from the X axis direction to the Y axis direction.
- the horizontal direction of the display surface of the display panel 2 is the X axis
- the vertical direction is the Y axis
- the direction perpendicular to the display surface is the Z axis. The same applies to other examples described later.
- FIG. 11 shows a sectional configuration of the observation optical system 1B and the image display device according to the second embodiment.
- the observation optical system 1B according to Example 2 is different from the configuration of the observation optical system 1A according to Example 1 in that the reflective optical element 30 is changed to a reflective optical element 30B including a free-form surface prism. It is a configuration example.
- the reflective optical element 30B has one reflecting surface 31 and one refracting surface, and is in a Littrow arrangement (where the entrance surface and the exit surface are the same surface).
- the reflecting surface 31 is a concave surface (back surface reflection), but the reflecting surface 31 itself may be a flat surface or a convex surface as long as the entire power of the reflecting optical element 30B is positive. ..
- the viewing angle of the observation optical system 1B according to Example 2 is as follows.
- the chief ray of 0 ° horizontally and ⁇ 30 ° vertically determines the image size in the vertical direction.
- B / A 0.658, which satisfies the conditional expression (2).
- the horizontal magnification and the vertical magnification are generally different, and the horizontal magnification has a relative degree of freedom due to eccentricity and the like as compared with the vertical magnification. ..
- [Table 4] shows basic lens data of the observation optical system 1B according to the second embodiment.
- surface 0 is an object surface (virtual image) and surface 1 is an entrance pupil E.I. P. (Diameter 12 mm), 8 faces show the intermediate image 40, and 15 faces show the display panel surface (0.93 inch).
- R is the radius of curvature of the surface
- D is the surface spacing on the optical axis
- Nd is the refractive index for the d-line
- ⁇ d is the Abbe number for the d-line.
- a surface having a surface type of SPH and an R value of 1e + 18 represents a flat surface.
- REFR represents a refracting surface
- REFL represents a reflecting surface 31.
- SPH represents a spherical surface
- ASP represents an aspherical surface.
- the formula of the aspherical surface is the same as that of the first embodiment.
- ASP-FRESNEL represents a thin Fresnel surface as in Example 1.
- SPS XYP represents an XY polynomial surface. The formula of the XY polynomial surface is the same as that of the first embodiment.
- [Table 5] shows aspherical coefficients in the observation optical system 1B according to the second embodiment.
- [Table 6] shows decentering data in the observation optical system 1B according to the second example.
- the eccentricity data indicates, for each surface, the coordinates of the surface reference immediately before each surface and the Euler angle.
- FIG. 12 shows a sectional configuration of the observation optical system 1C and the image display device according to the third embodiment.
- the observation optical systems 1A and 1B according to Examples 1 and 2 use Fresnel lenses
- the technology of the present disclosure does not necessarily require Fresnel lenses.
- the Fresnel lens is not used, there is an advantage that stray light is eliminated. Therefore, in some cases, it may be preferable not to use the Fresnel lens.
- the front optical system 10 has a two-lens configuration including a first lens L11 and a second lens L12.
- the intermediate image 40 is formed closer to the reflecting surface 31 than in the first and second embodiments.
- the real image 50 of the pupil is formed far from the reflecting surface 31.
- the front optical system 10 is made by using a resin lens having a low refractive index which is not a Fresnel lens, so that it becomes heavy, but if high refractive index glass is used for the front optical system 10, the intermediate image 40 is brought close to the front optical system 10. Therefore, the size can be reduced.
- the viewing angle of the observation optical system 1C according to Example 3 is as follows. -Viewing angle Y direction (horizontal): -60 degrees (ear side) to +45 degrees (nasal side) X direction (vertical): -30 degrees to +30 degrees
- the chief ray of 0 ° in the horizontal direction and ⁇ 30 ° in the vertical direction determines the image size in the vertical direction.
- B / A 0.225, which does not satisfy the conditional expression (2).
- the front optical system 10 does not include a Fresnel lens and the miniaturization is divided to some extent, so that the conditional expressions (1) and (2) are not satisfied.
- [Table 7] shows basic lens data of the observation optical system 1C according to Example 3.
- 0 plane is an object plane (virtual image)
- 1 plane is an entrance pupil E.I. P. (Diameter 14 mm)
- 6 faces show the intermediate image 40
- 14 faces show the display panel surface (0.93 inch).
- R is the radius of curvature of the surface
- D is the surface spacing on the optical axis
- Nd is the refractive index for the d-line
- ⁇ d is the Abbe number for the d-line.
- a surface having a surface type of SPH and an R value of 1e + 18 represents a flat surface.
- REFR represents a refracting surface
- REFL represents a reflecting surface 31.
- SPH represents a spherical surface and "ASP" represents an aspherical surface.
- ASP represents an aspherical surface.
- the formula of the aspherical surface is the same as that of the first embodiment.
- SPS XYP represents an XY polynomial surface. The formula of the XY polynomial surface is the same as that of the first embodiment.
- [Table 8] shows aspherical coefficients in the observation optical system 1C according to Example 3.
- [Table 9] shows decentering data in the observation optical system 1C according to Example 3.
- the eccentricity data indicates, for each surface, the coordinates of the surface reference immediately before each surface and the Euler angle.
- the present technology may have the following configurations. According to the present technology having the following configuration, it is possible to achieve both a wide viewing angle and a reduction in size and weight.
- a reflective optical element including at least one reflective surface; It is arranged at a position closer to the entrance pupil than the reflective optical element, and forms an intermediate image of a virtual image corresponding to the image displayed on the image display unit on the reflection surface or at a position closer to the entrance pupil than the reflection surface.
- a first lens group that When the ray tracing is performed from the entrance pupil side, the first lens group, the intermediate image, and the reflective optical element are arranged on the optical path after the light passes therethrough, and the light is reflected by the reflective surface.
- a second lens group arranged so that an image of the entrance pupil is formed on a subsequent optical path.
- the image display unit When mounted on the head, the image display unit is arranged on the ear side of the eye when viewed from the front of the face, and the image display unit is located on the face side of the reflective surface of the reflective optical element when viewed from the side of the face.
- the observing optical system according to any one of (1) to (8), which satisfies: (10) A light source that emits light that is emitted to the observer's eyes, A light separating element arranged in an optical path between the first lens group and the reflective optical element, for separating reflected light of light from the light source reflected by the eye of the observer; An imaging optical system arranged in the optical path of the reflected light separated by the light separation element, The observation optical system according to any one of (1) to (9) above, further comprising: an image sensor on which the reflected light is incident via the image capturing optical system.
- the observation optical system according to any one of (1) to (10) above, wherein the reflective surface has a semi-transmissive property of transmitting external light.
- a second lens group which is arranged so that an image of the entrance pupil is formed on a subsequent optical path.
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Abstract
本発明の観察光学系は、少なくとも反射面(31)を1面含む反射光学素子(30)と、反射光学素子(30)よりも入射瞳(E.P.)に近い位置に配置され、反射面(31)上または反射面(31)よりも入射瞳(E.P.)に近い位置に、画像表示部(2)に表示された画像に相当する虚像の中間像(40)を形成する第1レンズ群(10)と、入射瞳(E.P.)側から光線追跡をした場合における、第1レンズ群(10)、中間像(40)、および反射光学素子(30)の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面(31)によって光が反射された後の光路上に入射瞳(E.P.)の像(50)が形成されるように配置された第2レンズ群(20)とを備える。
Description
本開示は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)等に好適な観察光学系および画像表示装置に関する。
画像表示装置として、ヘッドマウントディスプレイが知られている(例えば特許文献1~5参照)。
ヘッドマウントディスプレイにおいては、表示装置本体を眼前に装着して長時間使用するため、観察光学系および表示装置本体が小さく軽量であることが要求されている。また、広い視野画角で像を観察可能であることが要求されている。
視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能な観察光学系および画像表示装置を提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態に係る観察光学系は、少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第1レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群とを備える。
本開示の一実施の形態に係る画像表示装置は、画像表示部と、画像表示部に表示された像を拡大する観察光学系とを含み、観察光学系は、少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第1レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群とを備える。
本開示の一実施の形態に係る観察光学系、または画像表示装置では、第1レンズ群が、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射光学素子の反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像が形成される。第2レンズ群が、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第1レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成される。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
0.比較例
1.概要(図1~図9)
1.1 本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の概要
1.2 効果および変形例
2.光学系の数値実施例(図10~図12)
3.その他の実施の形態
0.比較例
1.概要(図1~図9)
1.1 本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の概要
1.2 効果および変形例
2.光学系の数値実施例(図10~図12)
3.その他の実施の形態
<0.比較例>
ヘッドマウントディスプレイは高解像で大きな視野角のものが要望されている。従来のヘッドマウントディスプレイの構成は、レンズ(単レンズまたは収差補正のため複数になっている場合もある)を通して表示パネルを見るものが主であり、大きな視野角を達成するため、数インチサイズの表示パネルを使用していた。しかし、そのパネルサイズで画素数を増やして高解像化しようとすると、製造が難しくなり、歩留まりが悪いためコストがあがってしまう欠点があった。一方で、マイクロディスプレイと呼ばれる1インチ(対角25.4mm)程度の小型サイズの4Kパネルの開発が最近進んでいるので、ヘッドマウントディスプレイの高解像化には、この4Kパネルを使用することが合理的である。
ヘッドマウントディスプレイは高解像で大きな視野角のものが要望されている。従来のヘッドマウントディスプレイの構成は、レンズ(単レンズまたは収差補正のため複数になっている場合もある)を通して表示パネルを見るものが主であり、大きな視野角を達成するため、数インチサイズの表示パネルを使用していた。しかし、そのパネルサイズで画素数を増やして高解像化しようとすると、製造が難しくなり、歩留まりが悪いためコストがあがってしまう欠点があった。一方で、マイクロディスプレイと呼ばれる1インチ(対角25.4mm)程度の小型サイズの4Kパネルの開発が最近進んでいるので、ヘッドマウントディスプレイの高解像化には、この4Kパネルを使用することが合理的である。
しかし、従来のような単レンズを使った観察光学系のヘッドマウントディスプレイでマイクロディスプレイを使う場合、パネルサイズが小さくなった分だけ視野角も小さくなってしまう。この欠点を補うため、小さなパネルサイズで大きな視野角が得られる観察光学系の開発が以前から行われてきた。
その中で、タイリング技術など、観察光学系と表示パネルとを複数組み合わせて全体で大きな視野角を得る技術も増えてきている。これに対して、後述する本開示の一実施の形態では、1インチ(対角25.4mm)以下のサイズの表示パネルを片眼1枚(両眼で2枚)だけ使って110度以上の大きな水平視野角を実現し、なおかつヘッドマウントディスプレイとして必要な小型軽量化を実現する観察光学系を提示する。1インチパネルの対角の半分は12.7mmなので、半視野角55度を使って、近軸計算で求めた焦点距離は8.9mmになる。眼球回転まで考慮した瞳径は12mmくらい必要なので、カメラレンズでいうFナンバーは0.8以下の広角レンズ同等の仕様になり、レンズとしてかなり難しい仕様といえる。
特許文献1(特開2017-211474号公報)および特許文献2(特開2018-106167号公報)に記載の観察光学系は、現在商品化されている光学タイプを発展させたものである。
特許文献1(特開2017-211474号公報)に記載の観察光学系は、フレネルレンズ2枚を用いて、半視野角45度を達成している。特許文献1に記載の技術は、パネルサイズの小型化を目指したものではないため、そのパネルサイズで高解像化する(画素数を増やす)とかなり高価なものになってしまう。
特許文献2(特開2018-106167号公報)に記載の観察光学系は、フレネルレンズを含む3枚のレンズを使って、対角19.9mmの像面サイズ(パネルサイズ)で視野角80度を実現し、小さな表示パネルの使用を可能にしている。しかしながら、特許文献2に記載の観察光学系の構成で、大きな視野角を小さな表示パネルで実現しようとすると、光路が途中で複数回大きく曲がる設計になり、そこで大きな収差が発生する場合がある。特許文献2には水平視野角を110度以上に拡大する旨の記述はなく、小さな表示パネルのまま110度以上の大きな視野角を得ることは困難である。
一方で商品化はあまりされていないが、小さな表示パネルで広い視野角を実現する別の方法として、観察光学系内で一旦、中間像を形成するようにしたリレー光学系を用いる方法がある。
特許文献3(特開平10-153748号公報)、および特許文献4(特開2004-341411号公報)には、自由曲面プリズムを使ったリレー光学系が開示されている。特許文献3および特許文献4に記載のリレー光学系は、プリズム内に中間像を作り、その中間像をその後の光学系でパネル位置に縮小して結像させる構成となっている。このリレー光学系の不利な点は、リレー光学系の小型化を図ろうとすると、多くの場合光路が重なる光学面が存在し、例えば左から入射時には光を透過し、右から入射時には光を反射するような特性の反射面が必要になってくることである。その場合、反射時に全反射条件を満たしていれば一番光量の効率はよくなるが、視野角が大きくなるとすべての光線で全反射条件を満たすことは非常に難しく、現実的には反射面に半透過の特性を持つ膜を使うしかない。そのため、ほとんどの場合光量損失と迷光が避けられない。
また、特許文献3、および特許文献4に記載のリレー光学系では、眼に一番近い光学素子(自由曲面プリズム)に反射面が配置されているが、光が一番広がった場所なので、視野角が大きくなると、自由曲面プリズムは急激に大きくなってしまう。また、水平視野角は50度となっているが、さらなる視野角拡大は非常に難しい。
特許文献5(特開2013-25102号公報)には、自由曲面プリズムを2枚を使ったリレー光学系が開示されている。特許文献5に記載のリレー光学系においても、眼に一番近い光学素子(自由曲面プリズム)に凹面の反射面があり、やはり光が一番広がった場所なので、視野角が大きくなると、自由曲面プリズムは急激に大きくなってしまう。また自由曲面プリズム内で光を1回反射させているだけなので、光は顔の方向に戻り眼の近くを反射光が通過していく。そのため、眼と自由曲面プリズムとの距離をかなり大きくしないとめがねを着用した使用は難しい。水平視野角は80度あるが、かなり光学系サイズを大きくしない限り、このリレー光学系でさらなる視野角拡大は難しい。
<1.概要>
[1.1 本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の概要]
図1は、本開示の一実施の形態に係る観察光学系1を用いた画像表示装置を観察者4の頭部に装着した状態の一例を示している。また、図5には、一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置の断面構成例を示す。
[1.1 本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の概要]
図1は、本開示の一実施の形態に係る観察光学系1を用いた画像表示装置を観察者4の頭部に装着した状態の一例を示している。また、図5には、一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置の断面構成例を示す。
一実施の形態に係る画像表示装置は、画像表示部と、画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系1とを備える。画像表示部は、例えば、液晶ディスプレイやOLED(有機EL)ディスプレイ等の表示パネル2を含んでいる。表示パネル2は、本開示の技術における「画像表示部」の一具体例に相当する。
一実施の形態に係る観察光学系1は、入射瞳(アイポイント)E.P.に近い側から順に、前側光学系10と、少なくとも反射面31を1面含む反射光学素子30と、後ろ側光学系20とを備える。前側光学系10は、本開示の技術における「第1レンズ群」の一具体例に相当する。後ろ側光学系20は、本開示の技術における「第2レンズ群」の一具体例に相当する。
前側光学系10は、反射光学素子30よりも入射瞳E.P.に近い位置に配置され、反射面31上または反射面31よりも入射瞳E.P.に近い位置に、表示パネル2に表示された画像に相当する虚像の中間像40を形成する。なお、反射光学素子30は反射面31を複数、有していてもよい。この場合、入射瞳E.P.側から光線追跡をした場合における、最初に光が入射する反射面31よりも入射瞳E.P.に近い位置に中間像40が形成される。
後ろ側光学系20は、入射瞳E.P.側から光線追跡をした場合における、前側光学系10、中間像40、および反射光学素子30の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面31によって光が反射された後の光路上に入射瞳E.P.の像が形成されるように配置されている。
本開示では、一実施の形態として、1インチ(対角25.4mm)以下のサイズの表示パネル2を片側の眼3に対し1枚(両眼で2枚)だけ使って110度以上の大きな水平視野角を実現し、なおかつヘッドマウントディスプレイとして必要な小型軽量化を実現できる観察光学系1を提示する。
ヘッドマウントディスプレイは一般に薄い(特に眼3から前方方向の厚さが小さい)ものが好まれる。厚いヘッドマウントディスプレイは重心が顔から離れているため、使用時に顔の一部分に圧力がかかりやすく不快であるとともに、使用時のずり落ちが問題になる。上記特許文献1および特許文献2に記載の観察光学系のように、単レンズを使用(収差を補正するための複数使用も含む)した観察光学系であれば、薄いヘッドマウントディスプレイは実現しやすいが、1インチ(対角25.4mm)以下の表示パネル2で110度以上の大きな水平視野角を実現したものは今のところ知られていない。
したがって、一実施の形態に係る観察光学系1では、入射瞳E.P.側から光線追跡をした場合において、一度、表示パネル2より大きいサイズの中間像40を作り、その後、中間像40をリレーして所望のパネルサイズに再結像させる構成としている。なお、本開示の一実施の形態では、特に断りのない限り、虚像を物体面、表示パネル2を像面とし、観察者4が観察する実際の光路とは逆向きに光が進むものとして説明を行う。
一実施の形態に係る観察光学系1では、一般の観察光学系では表示パネル2の位置にできる像が一旦、中間像40になり、その後ろにリレーする光学系が必要となる。このため、全長は一般の観察光学系に比べて非常に長くなり装着感に問題が出やすい。したがって、図1に示すように、一実施の形態に係る観察光学系1では、顔の幅方向には大きくなるが、途中で耳の方向に光路を折り曲げる配置を取っている。中間像40より後ろに光学系が追加されるため、少し重いヘッドマウントディスプレイになるが、折り曲げないときに比べ重心が顔に近づき、装着時の圧力も頭の広い面積で分散できるためヘッドマウントディスプレイの装着感およびその安定性は問題にならなくなる。一実施の形態に係る観察光学系1では、図1に示すように、頭部に装着したときに、顔の正面から見て表示パネル2が眼3より耳側、顔の横から見て表示パネル2が反射光学素子30の反射面31より顔側に配置されるように構成されている。
一実施の形態に係る観察光学系1において、光路を折り曲げる反射面31が正のパワーを持てば像面湾曲を抑える方向に働くので、広い視野角実現に有利になってくる。上記特許文献3等に記載のリレー光学系においても反射面31が含まれているが、眼3から出た光が最初に届く、眼3に一番近い光学素子(自由曲面プリズム)に反射面31が配置されている。
ここで、反射面31が眼3(入射瞳E.P.)に一番近い場所にあると視野角拡大が難しいことを図2~図4に示す簡易シミュレーションで説明する。
図2には、平面鏡310を傾き角0度で用いた観察光学系における反射光の状態の一例を示す。図3には、平面鏡310を傾き角15度で用いた観察光学系における反射光の状態の一例を示す。図4には、楕円面鏡320を用いた観察光学系の反射光における状態の一例を示す。
図2および図3には、平面鏡310に、入射角度0度の光Lin(0°)、入射角度+55度の光Lin(+55°)、および入射角度-45度の光Lin(-45°)を入射させた場合のそれぞれの反射光Lref(0°),Lref(+55°),Lref(-45°)の光路を示す。図4には、楕円面鏡320に、入射角度0度の光Lin(0°)、入射角度+60度の光Lin(+60°)、および入射角度-45度の光Lin(-45°)を入射させた場合のそれぞれの反射光Lref(0°),Lref(+60°),Lref(-45°)の光路を示す。
視野角が大きいと反射面31の傾きを変えただけでは反射光を眼3の方向へ一切戻らないようにすることはできない。なお、特許文献5(特開2013-25102号公報)に記載の観察光学系では、1つの屈折面を通した裏面反射であり反射面31にも曲率がついているため、図2および図3に示す例のようには極端ではないが、それでもやはり視野角が大きくなると眼3の方向へ戻る光がないようにすることは難しい。
ただし、図4に示す例のように偏心した楕円面鏡320を考えれば、主光線を焦点に集めることができるので、焦点位置を適切に選べば眼3に戻らない配置は可能である。例えば、図4に示したように、1つの楕円焦点F1の位置に中間像40、もう1つの楕円焦点F2の位置が入射瞳E.P.となるような配置が可能である。しかしながらこの場合、結像性能が低すぎて(主光線以外の光線が主光線に集まらなさすぎて)、反射面31の後ろに配置される光学系は非常に困難なものになる。
このように、従来の光学タイプのように、眼3に近い位置に配置される光学素子に反射面31を入れる構成では視野角拡大を目指すことは非常に難しい。そのため、一実施の形態に係る観察光学系1では、従来と異なる新しい光学系タイプの構成となっている。
一実施の形態に係る観察光学系1において、前側光学系10、反射光学素子30、および後ろ側光学系20はそれぞれ、正のパワーを有する。
前側光学系10は、反射光学素子30内の反射面31と同じ位置、または反射面31よりも眼3側の位置に中間像40を作り、同時に反射光学素子30内の反射面31より後ろ(表示パネル2側)の位置に瞳を作る。
中間像40は、観察光学系1による虚像と共役である。また、この中間像40は実像である。中間像40のサイズは表示パネル2のパネルサイズ(表示パネル2に表示される像のサイズ)よりも大きいが、反射光学素子30と後ろ側光学系20で縮小されて所望のパネルサイズで表示パネル2上に結像されることになる。
前側光学系10は、1枚または複数の軸対称レンズを含む軸対称光学系で構成される。図5の構成例では、前側光学系10が、第1レンズL11、第2レンズL12、および第3レンズL13の3枚構成の例を示す。前側光学系10は、フレネル面を有していてもよい。図5の構成例では、第1レンズL11における第2レンズL12に対向する面が第1フレネル面Fr1であり、第2レンズL12における第1レンズL11に対向する面が第2フレネル面Fr2となっている。
反射光学素子30および後ろ側光学系20は、前側光学系10に対し、偏心およびチルトしている。反射光学素子30は、前側光学系10に対しチルトした軸対称形状、もしくは自由曲面形状を有する。
後ろ側光学系20は自由曲面を少なくとも1面有する。後ろ側光学系20は全体として軸対称な軸を持たない偏心光学系となっている。反射光学素子30では眼3の方向を避けるようにチルトして光を反射させる必要がある。このため、一般に反射光学素子30では非軸対称な収差が発生してしまう。その収差を補正するため後ろ側光学系20にも偏心、または自由曲面を有する必要がある。
一実施の形態に係る観察光学系1では、反射光学素子30内の反射面31よりも眼3側(前側光学系10側)に中間像40を作ることが重要である。そうすることで反射光学素子30の作用によって、反射面31の後方(反射面31と後ろ側光学系20との間、または後ろ側光学系20の内部)に瞳の実像(入射瞳E.P.の像)50ができるので、中間像40と瞳の実像50とにはさまれた場所に反射面31が配置されることになり、反射光学素子30のサイズ、および反射光学素子30の前後を通る光の広がり範囲を小さく制限できるようになる。その結果、大きな視野角でも小型のヘッドマウントディスプレイの実現が可能になる。従来の観察光学系のように中間像40ができる前に光が反射光学素子30に入射すると、光は大きく広がっているため、反射面31が大きくなりすぎて大きな視野角にすることは難しくなる。また、たとえそのような設計ができたとしてもヘッドマウントディスプレイ全体は非常に大きなものになってしまう。
図6および図7には、第1および第2の比較例に係る観察光学系および画像表示装置の一構成例を概略的に示す。
図6に示した第1の比較例に係る観察光学系は、上記特許文献5に記載の観察光学系の構成に相当する。第1の比較例に係る観察光学系は、眼3側から順に、自由曲面プリズム110と、自由曲面プリズム120とを備えている。自由曲面プリズム110は反射面111を有する。
図7に示した第2の比較例に係る観察光学系は、上記特許文献3に記載の観察光学系の構成に相当する。第2の比較例に係る観察光学系は、眼3側から順に、自由曲面プリズム210と、集光光学系220とを備えている。自由曲面プリズム210は反射面211を有する。
図6および図7に示した第1および第2の比較例に係る観察光学系では、眼3側から光を入射すると、反射面111,211によって光が反射された後に中間像40が形成されるが、この場合、視野角の拡大は難しい。これに対し、一実施の形態に係る観察光学系1では、眼3側から光を入射すると、図5に示すように中間像40が形成された後に光が反射面31によって反射されるので視野角の拡大が容易となる。
[1.2 効果および変形例]
以上説明したように、一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置によれば、視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能となる。
以上説明したように、一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置によれば、視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能となる。
一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置によれば、高解像度マイクロディスプレイを使った大きな水平視野角の小型ヘッドマウントディスプレイを実現できる。
図8は、一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置の第1の変形例を概略的に示している。一実施の形態に係る観察光学系1は、前側光学系10と反射面31との間に空間があるため、視線検出光学系を配置することは比較的容易である。
例えば、図8に示した第1の変形例のように、赤外LED(Light Emitting Diode)等の光源61で観察者4の眼3を照射し、前側光学系10と反射面31との間の空間に撮像光学系(結像光学系60)を入れて、撮像素子63に眼3の像を常に取り込み、眼3の動きをモニタすることができる。この場合、前側光学系10と反射光学素子30との間の光路中に光分離素子としてダイクロイックミラー62を配置する。ダイクロイックミラー62は、理想的には赤外光を100%反射し、可視光を100%透過する特性を有する。これにより、ダイクロイックミラー62は、観察者4の眼3によって反射された、光源61からの光の反射光(赤外光)と観察画像の光(可視光)とを分離する。結像光学系60は、ダイクロイックミラー62によって分離された反射光の光路中において、観察光学系1の射出瞳66に相当する位置に配置する。結像光学系60および撮像素子63よりも眼3側には、観察者4から結像光学系60および撮像素子63を見えないようにするための目隠し板65を配置することが好ましい。撮像素子63には、観察者4の眼3によって反射された、光源61からの光の反射光が結像光学系60を介して入射する。視線位置算出部64は、撮像素子63による撮像結果に基づいて、観察者4の視線位置を算出する。
図9は、一実施の形態に係る観察光学系1および画像表示装置の第2の変形例を概略的に示している。
図9に示したように、一実施の形態に係る観察光学系1において、反射光学素子30を、外部の光を透過する半透過特性を有する半透過鏡等の反射光学素子30Aで構成するようにしてもよい。この場合、反射光学素子30Aの後ろに適切な追加光学系(結像光学系)80を追加すれば、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現できる。これにより、観察者4は例えば、表示パネル2に表示された表示画像70に、外部画像71が重畳された観察画像72を観察することが可能となる。外部画像71は、外の景色であってもよいし、外部の表示パネルに表示された表示画像であってもよい。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
<2.光学系の数値実施例>
[実施例1]
図10は、実施例1に係る観察光学系1Aおよび画像表示装置の断面構成を示す。
[実施例1]
図10は、実施例1に係る観察光学系1Aおよび画像表示装置の断面構成を示す。
実施例1に係る観察光学系1Aは、図10に示したように、反射光学素子30が反射鏡1枚で構成されている。実施例1に係る観察光学系1Aでは、反射面31の前(眼3側)に3枚の軸対称レンズ(第1レンズL11、第2レンズL12、および第3レンズL13)を配置してその直後に中間像40を作っている。中間像40は反射面31より眼3側にあり、反射面31の後ろには瞳の実像50ができている。
実施例1に係る観察光学系1Aでは、前側光学系10が、眼3側から順に、第1レンズL11、第2レンズL12、および第3レンズL13が配置された、3枚レンズの構成となっている。前側光学系10には、フレネル面が2面含まれ、薄型化に貢献している。具体的には、第1レンズL11における第2レンズL12に対向する面が第1フレネル面Fr1であり、第2レンズL12における第1レンズL11に対向する面が第2フレネル面Fr2となっている。フレネル面は、例えば平面状の基板面に形成され、そのサグ量は2つの互いに平行な平面で上限下限が決まっている。第1フレネル面Fr1および第2フレネル面Fr2は一般には曲面でもよく、互いに平行でなくても構わない。
実施例1に係る観察光学系1Aでは、瞳の実像50は後ろ側光学系20の中にできている。後ろ側光学系20は自由曲面を2面含み、反射面31で発生した非軸対称な収差を補正している。
なお、実施例1に係る観察光学系1Aでは、眼3で追いにくい鼻側、上下方向(特に上)より耳側の視野角が大きいが、これに限定されるものではない。視野角は以下のとおりである。
・視野角
Y方向(水平):-57.5度(耳側)~+45度(鼻側)
X方向(垂直):-30度~+30度
・視野角
Y方向(水平):-57.5度(耳側)~+45度(鼻側)
X方向(垂直):-30度~+30度
前側光学系10にフレネルレンズを含む場合、以下の条件式(1),(2)の2つの不等式を満足することで、小型軽量でありながら良好な光学性能を持つ画像表示装置が実現可能になる。なお、条件式(1)において、前側光学系10の焦点距離をfb、アイレリーフの長さをEとする。条件式(2)では、入射瞳E.P.側から光線追跡をした場合において、中間像40の垂直方向の像の高さをA、中間像40を反射光学素子30および後ろ側光学系20によって表示パネル2に結像させたときの垂直方向の像の高さをBとする。
1<fb/E<1.25 ……(1)
0.55<B/A<0.85 ……(2)
1<fb/E<1.25 ……(1)
0.55<B/A<0.85 ……(2)
条件式(1)は、前側光学系10によって形成される中間像40の位置に制限を与える条件であり、fb/Eが1より小さいと収差が悪化し、fb/Eが1.25より大きいと光学系サイズが大きくなってしまう。
条件式(2)は、中間像40と表示パネル2との間の垂直方向の横倍率に制限を与える条件になっている。B/Aが条件式(2)の下限を下回ると光学系が大型化してしまう。一方上限をこえてしまうと、収差が悪化してしまう。
なお、実施例1に係る観察光学系1Aは軸対称でないため、水平方向の倍率と垂直方向の倍率は一般に異なり、水平方向の倍率は垂直方向の倍率に比べ偏心等で比較的自由度がある。
実施例1に係る観察光学系1Aでは、波長536nmの光の場合、前側光学系10の焦点距離fbは、fb=14.32mmとなる。アイレリーフの長さE=13mmであるから、fb/E=1.10となり、条件式(1)を満足している。
実施例1に係る観察光学系1Aでは、水平0度、垂直±30度の主光線が垂直方向の像サイズを決めている。実施例1に係る観察光学系1Aにおいて、実光線追跡を行うと、中間像40の垂直方向の像の高さA=±7.36mm、表示パネル2上での垂直方向の像の高さB=±5.50mmであり、B/A=0.747となり、条件式(2)を満足している。
[表1]に、実施例1に係る観察光学系1Aの基本的なレンズデータを示す。[表1]において、0面は物体面(虚像)、1面は入射瞳E.P.(直径12mm)、8面は中間像40、15面は表示パネル面(0.93インチ)を示す。
[表1]において、Rは面の曲率半径、Dは光軸上の面間隔、Ndはd線に対する屈折率、νdはd線に対するアッベ数を示す。また、[表1]において、面タイプがSPHでRの値が1e+18の面は平面を表す。REFRは屈折面、REFLは反射面31を表す。また、[表1]において、「SPH」は球面、「ASP」は非球面を表す。非球面の式は以下のとおりである。ただし、球面の場合、非球面の式において、k=A=B=C=D=E=F=G=H=J=0とする。後述する他の実施例についても同様である。
また、[表1]において、「ASP-FRESNEL」は薄肉フレネル面を表す。薄肉フレネル面の場合、面のサグ量は常に0だが、面の法線を計算するときだけ上記非球面の式(の微分値)から計算する。薄肉フレネル面は実形状を考慮しないで光線追跡を行う理想的な場合で、立ち壁を無視しているため、迷光が発生しない。また、[表1]において、「SPS XYP」は、XY多項式面を表す。XY多項式面の式は以下のとおりである(10次式の場合)。後述する他の実施例についても同様である。
[表2]には、実施例1に係る観察光学系1Aにおける非球面係数を示す。[表3]には、実施例1に係る観察光学系1Aにおける偏心データを示す。偏心データは、各面について、各面の1つ前の面基準の座標(XDE,YDE,ZDE)とオイラー角(ADE,BDE,CDE)とを示す。XDE,YDE,ZDEは偏心量、ADE,BDE,CDEはチルト角に相当する。ADEとは、ミラーもしくはレンズをX軸を中心にZ軸方向からY軸方向に回転した量を意味する。BDEとはY軸を中心にX軸方向からZ軸方向に回転した量を意味する。CDEとはZ軸を中心にX軸方向からY軸方向に回転した量を意味する。なお、表示パネル2の表示面の横方向をX軸、縦方向をY軸、表示面に対して垂直な方向をZ軸とする。後述する他の実施例についても同様である。
また、以下に、実施例1に係る観察光学系1AにおけるXY多項式面の係数を示す。
(実施例1・XY多項式面の係数Cj)
・9面
C3:7.604e-002
C4:-6.646e-003
C6:-7.025e-003
C8:-8.774e-005
C10:6.387e-006
C11:-2.935e-007
C13:1.427e-006
C15:-8.103e-007
C17:-2.074e-008
C19:-5.927e-008
C21:-4.857e-009
・9面
C3:7.604e-002
C4:-6.646e-003
C6:-7.025e-003
C8:-8.774e-005
C10:6.387e-006
C11:-2.935e-007
C13:1.427e-006
C15:-8.103e-007
C17:-2.074e-008
C19:-5.927e-008
C21:-4.857e-009
・10面
C3:1.768e-001
C4:-2.533e-002
C6:-1.855e-002
C8:1.254e-004
C10:-1.291e-004
C11:-6.278e-006
C13:3.311e-006
C15:1.098e-005
C17:-1.242e-007
C19:-3.804e-007
C21:-2.045e-007
C3:1.768e-001
C4:-2.533e-002
C6:-1.855e-002
C8:1.254e-004
C10:-1.291e-004
C11:-6.278e-006
C13:3.311e-006
C15:1.098e-005
C17:-1.242e-007
C19:-3.804e-007
C21:-2.045e-007
・12面
C3:9.553e-001
C4:-3.234e-002
C6:-5.075e-002
C8:5.306e-004
C10:1.077e-003
C11:1.275e-005
C13:-3.044e-005
C15:-2.071e-005
C17:-3.523e-007
C19:-1.891e-008
C21:-7.865e-009
C3:9.553e-001
C4:-3.234e-002
C6:-5.075e-002
C8:5.306e-004
C10:1.077e-003
C11:1.275e-005
C13:-3.044e-005
C15:-2.071e-005
C17:-3.523e-007
C19:-1.891e-008
C21:-7.865e-009
[実施例2]
図11は、実施例2に係る観察光学系1Bおよび画像表示装置の断面構成を示す。
図11は、実施例2に係る観察光学系1Bおよび画像表示装置の断面構成を示す。
実施例2に係る観察光学系1Bは、図11に示したように、実施例1に係る観察光学系1Aの構成に対して、反射光学素子30を自由曲面プリズムからなる反射光学素子30Bに変更した構成例である。反射光学素子30Bは反射面31と屈折面とを1つずつ持ち、リトロー配置(入射面と射出面とが同一面の配置)となっている。この実施例2に係る観察光学系1Bでは、反射面31が凹面(裏面反射)であるが、反射光学素子30Bの全体のパワーが正であれば、反射面31自体は平面や凸面でも構わない。
実施例2に係る観察光学系1Bの視野角は以下のとおりである。
・視野角
Y方向(水平):-57.5度(耳側)~+45度(鼻側)
X方向(垂直):-30度~+30度
・視野角
Y方向(水平):-57.5度(耳側)~+45度(鼻側)
X方向(垂直):-30度~+30度
実施例2に係る観察光学系1Bでは、波長536nmの光の場合、前側光学系10の焦点距離fbは、fb=13.36mmとなる。アイレリーフの長さE=13mmであるから、fb/E=1.03となり、条件式(1)を満足している。
実施例2に係る観察光学系1Bでは、水平0度、垂直±30度の主光線が垂直方向の像サイズを決めている。実施例2に係る観察光学系1Bにおいて、実光線追跡を行うと、中間像40の垂直方向の像の高さA=±6.84mm、表示パネル2上での垂直方向の像の高さB=±4.50mmであり、B/A=0.658となり、条件式(2)を満足している。
なお、実施例2に係る観察光学系1Bは軸対称でないため、水平方向の倍率と垂直方向の倍率は一般に異なり、水平方向の倍率は垂直方向の倍率に比べ偏心等で比較的自由度がある。
[表4]に、実施例2に係る観察光学系1Bの基本的なレンズデータを示す。[表4]において、0面は物体面(虚像)、1面は入射瞳E.P.(直径12mm)、8面は中間像40、15面は表示パネル面(0.93インチ)を示す。[表4]において、Rは面の曲率半径、Dは光軸上の面間隔、Ndはd線に対する屈折率、νdはd線に対するアッベ数を示す。また、[表4]において、面タイプがSPHでRの値が1e+18の面は平面を表す。REFRは屈折面、REFLは反射面31を表す。[表4]において、「SPH」は球面、「ASP」は非球面を表す。非球面の式は実施例1と同様である。「ASP-FRESNEL」は、実施例1と同様に薄肉フレネル面を表す。[表4]において、「SPS XYP」は、XY多項式面を表す。XY多項式面の式は実施例1と同様である。
[表5]には、実施例2に係る観察光学系1Bにおける非球面係数を示す。[表6]には、実施例2に係る観察光学系1Bにおける偏心データを示す。偏心データは、各面について、各面の1つ前の面基準の座標とオイラー角とを示す。
また、以下に、実施例2に係る観察光学系1BにおけるXY多項式面の係数を示す。
(実施例2・XY多項式面の係数Cj)
・9面
C3:2.224e-001
C4:1.243e-003
C6:-1.040e-002
C8:2.434e-004
C10:4.386e-006
C11:-4.386e-006
C13:-1.198e-005
C15:-3.244e-006
C17:-7.329e-008
C19:1.500e-007
C21:2.618e-008
・9面
C3:2.224e-001
C4:1.243e-003
C6:-1.040e-002
C8:2.434e-004
C10:4.386e-006
C11:-4.386e-006
C13:-1.198e-005
C15:-3.244e-006
C17:-7.329e-008
C19:1.500e-007
C21:2.618e-008
・10面
C3:8.089e-002
C4:-4.965e-003
C6:-7.940e-003
C8:9.300e-005
C10:-3.885e-005
C11:-1.196e-006
C13:-4.240e-006
C15:-8.251e-007
C17:-6.626e-008
C19:-1.555e-009
C21:2.364e-009
C3:8.089e-002
C4:-4.965e-003
C6:-7.940e-003
C8:9.300e-005
C10:-3.885e-005
C11:-1.196e-006
C13:-4.240e-006
C15:-8.251e-007
C17:-6.626e-008
C19:-1.555e-009
C21:2.364e-009
・11面
C3:2.224e-001
C4:1.243e-003
C6:-1.040e-002
C8:2.434e-004
C10:4.386e-006
C11:-4.386e-006
C13:-1.198e-005
C15:-3.244e-006
C17:-7.329e-008
C19:1.500e-007
C21:2.618e-008
C3:2.224e-001
C4:1.243e-003
C6:-1.040e-002
C8:2.434e-004
C10:4.386e-006
C11:-4.386e-006
C13:-1.198e-005
C15:-3.244e-006
C17:-7.329e-008
C19:1.500e-007
C21:2.618e-008
・12面
C3:-1.867e-001
C4:-3.526e-002
C6:-3.206e-002
C8:-3.402e-004
C10:-2.008e-004
C11:-2.036e-006
C13:-6.142e-006
C15:-5.528e-006
C17:-3.819e-007
C19:-5.592e-007
C21:3.134e-008
C3:-1.867e-001
C4:-3.526e-002
C6:-3.206e-002
C8:-3.402e-004
C10:-2.008e-004
C11:-2.036e-006
C13:-6.142e-006
C15:-5.528e-006
C17:-3.819e-007
C19:-5.592e-007
C21:3.134e-008
[実施例3]
図12は、実施例3に係る観察光学系1Cおよび画像表示装置の断面構成を示す。
図12は、実施例3に係る観察光学系1Cおよび画像表示装置の断面構成を示す。
実施例1,2に係る観察光学系1A,1Bではフレネルレンズを使っているが、本開示の技術は必ずフレネルレンズが必要というわけではない。フレネルレンズを使用しない場合は、迷光がなくなる利点があるため、場合によってはフレネルレンズがない方が好ましいこともある。実施例3に係る観察光学系1Cでは、前側光学系10が、第1レンズL11、および第2レンズL12の2枚構成となっている。
実施例3に係る観察光学系1Cでは、図12に示したように、実施例1,2に比べ中間像40は反射面31に近いところにできている。一方、瞳の実像50は反射面31から遠いところにできている。これは前側光学系10をフレネルレンズでない屈折率の低い樹脂レンズを使ったためおきたことで、重くなるが高屈折率ガラスを前側光学系10に使用すれば中間像40を前側光学系10に近づけられ、小型化できるようになる。
実施例3に係る観察光学系1Cの視野角は以下のとおりである。
・視野角
Y方向(水平):-60度(耳側)~+45度(鼻側)
X方向(垂直):-30度~+30度
・視野角
Y方向(水平):-60度(耳側)~+45度(鼻側)
X方向(垂直):-30度~+30度
実施例3に係る観察光学系1Cでは、波長536nmの光の場合、前側光学系10の焦点距離fbは、fb=45.70mmとなる。アイレリーフの長さE=13.7352mmであるから、fb/E=3.33となり、条件式(1)を満たしていない。
実施例3に係る観察光学系1Cでは、水平0度、垂直±30度の主光線が垂直方向の像サイズを決めている。実施例3に係る観察光学系1Cにおいて、実光線追跡を行うと、中間像40の垂直方向の像の高さA=±24.48mm、表示パネル2上での垂直方向の像の高さB=±5.50mmであり、B/A=0.225となり、条件式(2)を満たしていない。
実施例3に係る観察光学系1Cでは、前側光学系10にフレネルレンズを含まず、小型化をある程度割り切っているため、条件式(1),(2)を満たしていない。
[表7]に、実施例3に係る観察光学系1Cの基本的なレンズデータを示す。[表7]において、0面は物体面(虚像)、1面は入射瞳E.P.(直径14mm)、6面は中間像40、14面は表示パネル面(0.93インチ)を示す。[表7]において、Rは面の曲率半径、Dは光軸上の面間隔、Ndはd線に対する屈折率、νdはd線に対するアッベ数を示す。また、[表7]において、面タイプがSPHでRの値が1e+18の面は平面を表す。REFRは屈折面、REFLは反射面31を表す。[表7]において、「SPH」は球面、「ASP」は非球面を表す。非球面の式は実施例1と同様である。[表7]において、「SPS XYP」は、XY多項式面を表す。XY多項式面の式は実施例1と同様である。
[表8]には、実施例3に係る観察光学系1Cにおける非球面係数を示す。[表9]には、実施例3に係る観察光学系1Cにおける偏心データを示す。偏心データは、各面について、各面の1つ前の面基準の座標とオイラー角とを示す。
また、以下に、実施例3に係る観察光学系1CにおけるXY多項式面の係数を示す。
(実施例3・XY多項式面の係数Cj)
・12面
C3:7.842e-003
C4:-2.448e-002
C6:-2.941e-002
C8:-5.076e-005
C10:-7.779e-005
C11:5.136e-008
C13:6.971e-006
C15:-3.290e-006
C17:1.537e-006
C19:6.635e-007
C21:-1.512e-007
C22:1.169e-007
C24:5.023e-008
C26:-6.346e-008
C28:-3.025e-008
・12面
C3:7.842e-003
C4:-2.448e-002
C6:-2.941e-002
C8:-5.076e-005
C10:-7.779e-005
C11:5.136e-008
C13:6.971e-006
C15:-3.290e-006
C17:1.537e-006
C19:6.635e-007
C21:-1.512e-007
C22:1.169e-007
C24:5.023e-008
C26:-6.346e-008
C28:-3.025e-008
・13面
C1:-3.589e+000
C3:1.736e-001
C4:-9.703e-003
C6:-2.240e-002
C8:3.508e-004
C10:2.776e-004
C11:-1.040e-005
C13:3.531e-005
C15:3.779e-006
C17:4.526e-007
C19:-1.386e-006
C21:-4.068e-007
C22:3.216e-007
C24:1.337e-008
C26:-8.717e-008
C28:1.114e-008
C1:-3.589e+000
C3:1.736e-001
C4:-9.703e-003
C6:-2.240e-002
C8:3.508e-004
C10:2.776e-004
C11:-1.040e-005
C13:3.531e-005
C15:3.779e-006
C17:4.526e-007
C19:-1.386e-006
C21:-4.068e-007
C22:3.216e-007
C24:1.337e-008
C26:-8.717e-008
C28:1.114e-008
<3.その他の実施の形態>
本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能となる。
以下の構成の本技術によれば、視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能となる。
(1)
少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第1レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群と
を備える
観察光学系。
(2)
前記第1レンズ群、前記反射光学素子、および前記第2レンズ群はそれぞれ、正のパワーを有する
上記(1)に記載の観察光学系。
(3)
前記中間像のサイズは、前記画像表示部に表示される像のサイズより大きい
上記(1)または(2)に記載の観察光学系。
(4)
前記反射光学素子および前記第2レンズ群はそれぞれ、前記第1レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
上記(1)ないし(3)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(5)
前記反射光学素子および前記第2レンズ群はそれぞれ、前記第1レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
上記(1)ないし(4)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(6)
前記反射光学素子および前記第2レンズ群のうち少なくとも一方は、非軸対称な自由曲面を有する
上記(5)に記載の観察光学系。
(7)
頭部に装着したときに、顔の正面から見て前記画像表示部が眼より耳側に配置され、かつ、顔の横から見て前記画像表示部が前記反射光学素子の反射面より顔側に配置されるように構成されている
上記(1)ないし(6)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(8)
前記第1レンズ群の焦点距離をfb、アイレリーフの長さをEとしたとき、
1<fb/E<1.25 ……(1)
を満足する
上記(1)ないし(7)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(9)
前記入射瞳側から光線追跡をした場合において、前記中間像の垂直方向の像の高さをA、前記中間像を前記反射光学素子および前記第2レンズ群によって前記画像表示部に結像させたときの垂直方向の像の高さをBとしたとき、
0.55<B/A<0.85 ……(2)
を満足する
上記(1)ないし(8)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(10)
観察者の眼に照射される光を発する光源と、
前記第1レンズ群と前記反射光学素子との間の光路中に配置され、前記観察者の眼によって反射された前記光源からの光の反射光を分離する光分離素子と、
前記光分離素子によって分離された前記反射光の光路中に配置された撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して前記反射光が入射する撮像素子と
をさらに備える
上記(1)ないし(9)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(11)
前記反射面は、外部の光を透過する半透過特性を有する
上記(1)ないし(10)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(12)
画像表示部と、
前記画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系と
を含み、
前記観察光学系は、
少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に前記画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第1レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群と
を備える
画像表示装置。
少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第1レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群と
を備える
観察光学系。
(2)
前記第1レンズ群、前記反射光学素子、および前記第2レンズ群はそれぞれ、正のパワーを有する
上記(1)に記載の観察光学系。
(3)
前記中間像のサイズは、前記画像表示部に表示される像のサイズより大きい
上記(1)または(2)に記載の観察光学系。
(4)
前記反射光学素子および前記第2レンズ群はそれぞれ、前記第1レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
上記(1)ないし(3)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(5)
前記反射光学素子および前記第2レンズ群はそれぞれ、前記第1レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
上記(1)ないし(4)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(6)
前記反射光学素子および前記第2レンズ群のうち少なくとも一方は、非軸対称な自由曲面を有する
上記(5)に記載の観察光学系。
(7)
頭部に装着したときに、顔の正面から見て前記画像表示部が眼より耳側に配置され、かつ、顔の横から見て前記画像表示部が前記反射光学素子の反射面より顔側に配置されるように構成されている
上記(1)ないし(6)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(8)
前記第1レンズ群の焦点距離をfb、アイレリーフの長さをEとしたとき、
1<fb/E<1.25 ……(1)
を満足する
上記(1)ないし(7)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(9)
前記入射瞳側から光線追跡をした場合において、前記中間像の垂直方向の像の高さをA、前記中間像を前記反射光学素子および前記第2レンズ群によって前記画像表示部に結像させたときの垂直方向の像の高さをBとしたとき、
0.55<B/A<0.85 ……(2)
を満足する
上記(1)ないし(8)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(10)
観察者の眼に照射される光を発する光源と、
前記第1レンズ群と前記反射光学素子との間の光路中に配置され、前記観察者の眼によって反射された前記光源からの光の反射光を分離する光分離素子と、
前記光分離素子によって分離された前記反射光の光路中に配置された撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して前記反射光が入射する撮像素子と
をさらに備える
上記(1)ないし(9)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(11)
前記反射面は、外部の光を透過する半透過特性を有する
上記(1)ないし(10)のいずれか1つに記載の観察光学系。
(12)
画像表示部と、
前記画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系と
を含み、
前記観察光学系は、
少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に前記画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第1レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群と
を備える
画像表示装置。
本出願は、日本国特許庁において2018年11月9日に出願された日本特許出願番号第2018-211711号、および日本国特許庁において2019年3月14日に出願された日本特許出願番号第2019-047459号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
Claims (12)
- 少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第1レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群と
を備える
観察光学系。 - 前記第1レンズ群、前記反射光学素子、および前記第2レンズ群はそれぞれ、正のパワーを有する
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記中間像のサイズは、前記画像表示部に表示される像のサイズより大きい
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記第1レンズ群は、フレネル面を有する軸対称レンズを含む軸対称光学系である
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記反射光学素子および前記第2レンズ群はそれぞれ、前記第1レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記反射光学素子および前記第2レンズ群のうち少なくとも一方は、非軸対称な自由曲面を有する
請求項5に記載の観察光学系。 - 頭部に装着したときに、顔の正面から見て前記画像表示部が眼より耳側に配置され、かつ、顔の横から見て前記画像表示部が前記反射光学素子の反射面より顔側に配置されるように構成されている
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記第1レンズ群の焦点距離をfb、アイレリーフの長さをEとしたとき、
1<fb/E<1.25 ……(1)
を満足する
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記入射瞳側から光線追跡をした場合において、前記中間像の垂直方向の像の高さをA、前記中間像を前記反射光学素子および前記第2レンズ群によって前記画像表示部に結像させたときの垂直方向の像の高さをBとしたとき、
0.55<B/A<0.85 ……(2)
を満足する
請求項1に記載の観察光学系。 - 観察者の眼に照射される光を発する光源と、
前記第1レンズ群と前記反射光学素子との間の光路中に配置され、前記観察者の眼によって反射された前記光源からの光の反射光を分離する光分離素子と、
前記光分離素子によって分離された前記反射光の光路中に配置された撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して前記反射光が入射する撮像素子と
をさらに備える
請求項1に記載の観察光学系。 - 前記反射面は、外部の光を透過する半透過特性を有する
請求項1に記載の観察光学系。 - 画像表示部と、
前記画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系と
を含み、
前記観察光学系は、
少なくとも反射面を1面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に前記画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第1レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第1レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第2レンズ群と
を備える
画像表示装置。
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|---|
US20230088184A1 (en) * | 2021-09-16 | 2023-03-23 | Yoshifumi Sudoh | Propagation optical system, virtual image display apparatus, and head-mounted display |
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---|---|---|---|---|
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JP2016166931A (ja) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | セイコーエプソン株式会社 | 画像表示装置 |
US20170115486A1 (en) * | 2015-10-22 | 2017-04-27 | Osterhout Group, Inc. | Control of grazing angle stray light |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9406166B2 (en) * | 2010-11-08 | 2016-08-02 | Seereal Technologies S.A. | Display device, in particular a head-mounted display, based on temporal and spatial multiplexing of hologram tiles |
US11640050B2 (en) * | 2011-10-19 | 2023-05-02 | Epic Optix Inc. | Microdisplay-based head-up display system |
IN2015DN02476A (ja) * | 2012-10-18 | 2015-09-11 | Univ Arizona State | |
US10247943B1 (en) * | 2015-05-18 | 2019-04-02 | Rockwell Collins, Inc. | Head up display (HUD) using a light pipe |
-
2019
- 2019-10-18 WO PCT/JP2019/041041 patent/WO2020095652A1/ja active Application Filing
- 2019-10-18 US US17/290,121 patent/US20210396978A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007011168A (ja) * | 2005-07-04 | 2007-01-18 | Canon Inc | 画像表示装置および撮像装置 |
JP2016166931A (ja) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | セイコーエプソン株式会社 | 画像表示装置 |
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