WO2021149628A1 - ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ - Google Patents

ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ Download PDF

Info

Publication number
WO2021149628A1
WO2021149628A1 PCT/JP2021/001443 JP2021001443W WO2021149628A1 WO 2021149628 A1 WO2021149628 A1 WO 2021149628A1 JP 2021001443 W JP2021001443 W JP 2021001443W WO 2021149628 A1 WO2021149628 A1 WO 2021149628A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
eye
lens
virtual image
power
image imaging
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/001443
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
泰史 宮島
康博 高木
Original Assignee
国立大学法人東京農工大学
伊藤光学工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人東京農工大学, 伊藤光学工業株式会社 filed Critical 国立大学法人東京農工大学
Priority to CN202180010447.5A priority Critical patent/CN115004084B/zh
Priority to JP2021572714A priority patent/JP7393755B2/ja
Priority to US17/791,736 priority patent/US20230032859A1/en
Priority to EP21744814.1A priority patent/EP4095586A4/en
Publication of WO2021149628A1 publication Critical patent/WO2021149628A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/001—Eyepieces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0075—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. increasing, the depth of field or depth of focus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/144—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using partially transparent surfaces without spectral selectivity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/10—Bifocal lenses; Multifocal lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0127—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the depth of field
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G02B2027/0134—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems of stereoscopic type

Definitions

  • the present invention relates to a head-mounted display that displays a stereoscopic image to a user and a virtual image imaging lens used for the head-mounted display.
  • VR virtual reality
  • AR augmented reality
  • a head-mounted display HMD is used as a display device to be worn on the head (see, for example, Patent Document 1).
  • the head-mounted display is equipped with a display device that displays images for the left eye and the right eye on the screen, and displays parallax images corresponding to each of the left and right eyes on the screen of the display device for the user. Project a three-dimensional image.
  • a stereoscopic display method for displaying parallax images corresponding to the left and right eyes in this way is called a binocular stereoscopic display.
  • the head-mounted display displays images in a wide-angle range in order to give the user a high degree of immersion. Therefore, it is desired that the user can clearly see the image not only when the image displayed on the screen is visually recognized by the front view but also when the image is visually recognized by the side view.
  • an object of the present invention is to provide a head-mounted display capable of expanding the range in which a user can clearly see an image and a virtual image imaging lens used for the head-mounted display.
  • the present invention was made in view of the above-mentioned problems, and the first aspect thereof is defined as follows.
  • the head mount display defined in the first aspect is arranged for a display device for displaying left-eye and right-eye images on the screen and for the left-eye and right-eye images on the screen, respectively.
  • a virtual image imaging optical system for the left eye and a right eye is provided, and the virtual image imaging optical system has a positive power set in each region through which the user's line of sight passes, and is in a direction orthogonal to the optical axis with respect to the optical center.
  • a power adjustment region in which a power on the minus side of the power of the optical center is set is provided on the outside.
  • the outside in the direction orthogonal to the optical axis is a direction orthogonal to the optical axis of the virtual image imaging optical system and a direction away from the optical axis.
  • a virtual image imaging optical system in which a predetermined positive power is set is used in order to obtain a virtual image (enlarged erect image) of the left eye and right eye images displayed on the display device.
  • a spherical design lens or an aspherical lens having a constant power is used for this virtual image imaging optical system, so that the distance from the user's eye to the screen of the display device is longer than in the case of front view.
  • the difference between the position of the screen of the display device and the position of the focal point at which the user can clearly see the image becomes large, and the resolution of the image seen by the user is lowered.
  • a power on the minus side of the power of the optical center is set outside the optical center of the virtual image imaging optical system in the direction orthogonal to the optical axis. Since the frequency adjustment area is set, the position of the focal point when the user looks sideways (the position where the user can clearly see the image) is extended far away, and the image located at the periphery of the screen of the display device is displayed. It can be visually recognized more clearly than before. That is, the image displayed on the screen of the display device can be clearly viewed not only when viewed from the front view but also when viewed from the side view, and the range in which the user can clearly see the image can be expanded. be.
  • the power adjustment region includes a region in which the power changes to the minus side toward the outside in the direction orthogonal to the optical axis (second aspect).
  • the head-mounted display specified in the third aspect is the head-mounted display specified in any of the first and second aspects, wherein the virtual image imaging optical system is used with the first lens having a positive power set and the first lens. It is a lens separate from the one lens, and is composed of a combination lens including the second lens having the power adjustment region and being arranged so as to overlap the first lens in the optical axis direction.
  • the first lens includes a spherical design lens and an aspherical lens having a constant power, which have been conventionally used in the virtual image imaging optical system. That is, by adding the second lens to the conventional virtual image imaging optical system, the same effect as that of the first aspect can be obtained.
  • the edge thickness of the second lens is set to be thicker than that of the spherical design lens in which the dioptric power and the lens center thickness at the optical center are equal to those of the second lens (fourth aspect).
  • the head-mounted display specified in the fifth aspect is the head-mounted display specified in any of the first and second aspects, and the virtual image imaging optical system is composed of a single lens.
  • the edge thickness of the single lens is set to be thicker than that of the spherical design lens in which the power at the optical center and the lens center thickness are equal to those of the single lens (sixth aspect).
  • the head-mounted display specified in the seventh aspect is the head-mounted display specified in any of the first to sixth aspects, and the display device is the left eye that displays the left eye and right eye images, respectively.
  • a half mirror for the left eye which has screens for the left eye and a screen for the right eye, and is arranged on the opposite side of the screen for the left eye and in front of the user's left eye of the virtual image imaging optical system for the left eye, and for the right eye.
  • a half mirror for the right eye which is arranged on the opposite side of the imaginary image imaging optical system with respect to the screen for the right eye and in front of the user's right eye, is further provided.
  • the virtual image imaging lens defined in the eighth aspect is a lens used in the virtual image imaging optical system of the head mount display, and a plus power is set in each region through which the user's line of sight passes, and an optical center is set. It is provided with a power adjustment region in which a power on the minus side of the power of the optical center is set on the outer side in the direction orthogonal to the optical axis.
  • the virtual image imaging lens of the eighth aspect is used for a head-mounted display and has the same effect as the first aspect.
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing a change in average frequency different from that in FIG. 2B.
  • FIG. 6 is a figure schematically showing the change of the average frequency different from FIG. 2 (B) and FIG. 4 (A). It is the schematic of the virtual image imaging optical system composed of a combination lens. It is a figure which showed the schematic structure of the image observation apparatus used for confirming the effect of this invention.
  • (A) is a combination lens consisting of a first lens and a second lens, and (B) is only the first lens. The case where it is used is shown.
  • FIG. 7 In the photograph taken by the image observing apparatus of FIG. 6, (A) is the virtual image forming optical system of FIG. 7 (A), and (B) is the virtual image forming of FIG. 7 (B). The case where an optical system is used is shown. It is a figure which showed the schematic structure of the HMD for AR which concerns on other embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a VR HMD (simply referred to as an HMD unless there is confusion) 1 according to the first embodiment.
  • the user's left eye Ea and right eye Eb are arranged in the vertical direction of the drawing, and this direction is the left-right direction and the left-right direction of the drawing is the front-back direction.
  • the reference line extending in the anteroposterior direction through the centers of the left eye Ea and the right eye Eb is the center line L
  • the reference line extending from each of the left eye Ea and the right eye Eb to the left of the drawing in parallel with the center line L is the main line of sight. Let it be La and Lb.
  • the HMD 1 includes a frame 2, a display device 3, and virtual image imaging optical systems 4a and 4b for the left eye and the right eye.
  • the frame 2 is a housing that holds the display device 3 and other constituent parts.
  • the shape of the frame 2 is such that the front side is closed so as to hold the display device 3 inside, the back side is opened so that the display surface (screen) of the display device 3 can be seen from the back side, and the periphery of both eyes looking into the display device 3 is opened. Any shape may be used as long as the side surface surrounds the front surface so as to cover the surface.
  • a wearing band (not shown) for mounting the HMD 1 in front of the user's face may be provided by connecting one side surface of the frame 2 to the other side surface around the back of the head of the user.
  • the main lines of sight La and Lb of the left eye Ea and the right eye Eb overlap or substantially overlap the optical axes of the left eye and right eye virtual image imaging optical systems 4a and 4b, respectively. It is assumed that the virtual image imaging optical systems 4a and 4b for the left eye and the right eye are held in the frame 2.
  • the display device 3 is a device that displays images 3a and 3b for the left eye and the right eye on the screen 3c.
  • a flat panel display such as a liquid crystal display or an organic EL display can be used.
  • the display device 3 is held on the front back side of the frame 2 with the screen 3c facing the back side.
  • the screen 3c of the display device 3 includes two regions located on the main lines of sight La and Lb of the left eye Ea and the right eye Eb and displaying the left eye and right eye images 3a and 3b, respectively.
  • two display devices for displaying the left-eye image and the right-eye image 3a and 3b may be used.
  • the left-eye and right-eye virtual image imaging optical systems (also simply referred to as virtual image imaging optical systems) 4a and 4b refer to the left and right eye images 3a and 3b on the screen 3c of the display device 3.
  • the virtual image imaging optical systems 4a and 4b for the left eye and the right eye are each composed of a single virtual image imaging lens 50, but a plurality of lenses may be combined and configured.
  • the left-eye and right-eye virtual image imaging optical systems 4a and 4b are arranged rearward with respect to two regions on the screen 3c on which the left-eye and right-eye images 3a and 3b are displayed, respectively. ..
  • the left eye and right eye images 3a and 3b on the screen 3c are viewed through the left eye and right eye virtual image imaging optical systems 4a and 4b by the left eye Ea and the right eye Eb, respectively, they are viewed.
  • the virtual image is projected on the virtual image display surfaces Va and Vb, respectively.
  • a differential image is given as the left-eye and right-eye images 3a and 3b
  • the virtual image on the virtual image display surface Va is viewed by the left eye Ea in the overlapping region of the virtual image display surfaces Va and Vb, and at the same time, the virtual image display surface is viewed.
  • the virtual image on Vb with the right eye Eb the virtual image can be viewed stereoscopically in the region As that faces the overlapping region from both eyes.
  • a stereoscopic image is projected in the area As. Since the virtual image cannot be viewed binocularly in the regions on the virtual image display surfaces Va and Vb other than the overlapping region, the virtual image on the virtual image display surface Va is simply viewed two-dimensionally by the left eye Ea and is viewed on the virtual image display surface Vb. The virtual image is viewed two-dimensionally by the right eye Eb. That is, the stereoscopic image is not projected in the area Am.
  • FIG. 2A shows half of the lenses (virtual image imaging lenses) 50 of the virtual image imaging optical systems 4a and 4b.
  • the virtual image imaging lens 50 of this example is a biconvex lens in which both the front surface (display device side) 53 and the rear surface (eyeball side) 52 are convex.
  • the rear surface 52 is an aspherical convex surface defined by the following equation (1)
  • the front surface 53 is a spherical convex surface defined by the following equation (2).
  • the axis in the front-rear direction passing through the optical center O of the virtual image imaging lens 50 (base point O 1 on the rear surface 52 and base point O 2 on the front surface 53) is defined as the z-axis, and the z-axis coincides with the optical axis of the lens 50.
  • z r 2 / (R 1 + (R 1 2- Kr 2 ) 1/2 ) + ⁇ ...
  • z r 2 / (R 2 + (R 2 2- Kr 2 ) 1/2 )... (2)
  • R in equations (1) and (2) is a distance from the z-axis.
  • ⁇ ⁇ is a symbol indicating the sum in ⁇ .
  • the above equations (1) and (2) can be applied to a meniscus-shaped lens by setting the direction toward the rear of the lens to be the positive direction of the z-axis, but are applicable to the rear surface of a biconvex lens as in this example. If so, the sign of the z-axis is reversed.
  • the aspherical component ⁇ may be represented by A 4 r 4 + A 6 r 6 + A 8 r 8 + A 10 r 10 or A 3 r 3. There may be.
  • Aspherical coefficients A n for specifying a non-spherical component ⁇ can be appropriately determined by simulation using ray tracing as desired optical properties (frequency change) is obtained.
  • FIG. 2B is a diagram showing a change in power along the direction orthogonal to the optical axis of the virtual image imaging lens 50 (specifically, a change in average power which is the average of the refractive power in the meridional direction and the refractive power in the sagittal direction).
  • the power change in the virtual image imaging lens 50 can be measured by injecting the measured luminous flux of the lens meter perpendicularly to the back surface of the virtual image imaging lens 50.
  • the average frequency is given in units of Diopter [D], which is the reciprocal of the distance expressed in meters.
  • each region of the lens (each region through which the user's line of sight passes) is set to a positive power.
  • the virtual image imaging lens 50 of this example is on the outside of the optical center O in the direction orthogonal to the optical axis and on the minus side of the optical center dioptric power S 0 (in this example, it is the side where the absolute value of the dioptric power becomes smaller).
  • It has a frequency adjustment region 55 in which the frequency is set. In this example, in the power adjustment region 55, the power changes to the minus side toward the outside in the direction orthogonal to the optical axis.
  • the absolute value ⁇ S of the dioptric power change amount in the dioptric power adjustment region 55 is 0. It is preferably in the range of 10 to 3.00D.
  • FIG. 2 spherical radius of curvature R 1 represented by the two-dot chain line in (A) (hereinafter, referred to as the original sphere, by the symbol S in FIG. 2 (A) From (shown), the thickness of the lens increases by the thickness corresponding to the aspherical component ⁇ , and the amount of increase in the thickness increases as it is closer to the edge of the lens.
  • the amount of increase in thickness at the edge of the lens is represented by T 1. That is, the virtual image imaging lens 50 has a thicker edge thickness when compared with a spherical design lens in which the optical center power S 0 and the lens center thickness T 0 are equal to the virtual image imaging lens 50.
  • the lens center thickness can be made thinner than that of the spherical design lens. .. That is, it is possible to reduce the weight of the lens (in other words, the weight of the HMD).
  • FIG. 3B shows the relationship between the focal position and the screen 3c when a spherical design lens (a lens in which two refracting surfaces are both formed of a spherical surface) 50B is used for the virtual image imaging optical system of the VR HMD. ing.
  • a spherical design lens a lens in which two refracting surfaces are both formed of a spherical surface
  • the focal position is set to be substantially circular as shown by the two-dot chain line J.
  • the screen 3c is viewed from the user's eyes. Since the peripheral portion is located farther than the central portion, the deviation between the peripheral portion of the screen 3c and the focal position J where the user can clearly see the image becomes large, and the resolution of the image viewed by the user is lowered. ..
  • the focal position Q moves farther as it approaches the edge of the lens 50, so that in lateral view. Even the image displayed in the peripheral portion of the screen 3c to be visually recognized can be clearly visually recognized.
  • the virtual image imaging lens 50 is obtained by gradually changing the dioptric power from the optical center O toward the edge of the lens, but the mode of dioptric power change is limited to this. It can be changed as appropriate without being done.
  • the dioptric power of the lens central portion 56 within the distance r 0 from the optical center O is S 0
  • the dioptric power of the region outside the lens central portion 56 is set to the minus side of S 0. It is also possible to set it as the changed frequency adjustment area 55. Further, as shown in FIG.
  • Region 55b may be included.
  • the virtual image imaging optical systems 4a and 4b of the HMD1 can be configured by combining a plurality of lenses instead of the single lens 50.
  • the virtual image imaging optical systems 4a and 4b are composed of a combination lens including a first lens 60 and a second lens 62.
  • the first lens 60 is a single focus lens in which a positive power S 0 is set.
  • the dioptric power of the optical center O is 0D, and the dioptric power is on the negative side toward the edge of the lens toward the outside in the direction perpendicular to the optical axis from the optical center O (in this example, the side where the absolute value of the dioptric power increases).
  • the frequency adjustment region 55 that changes to) is provided.
  • the aspherical component ⁇ is added to the rear surface 52 of the second lens 62, and the thickness of the lens increases by the thickness corresponding to the aspherical component ⁇ , and the amount of increase in the thickness increases as it is closer to the edge of the lens. .. That is, the second lens 62 has a thicker edge thickness when compared with a spherical design lens in which the power of the optical center (0D) and the lens center thickness T 0 are equal to those of the second lens 62.
  • the first lens 60 and the second lens 62 are arranged so as to overlap or substantially overlap with each other in the optical axis direction. Even when the combination lens configured as described above is used, it is possible to obtain the same effect as when the virtual image imaging lens 50 is used.
  • reference numeral 70 denotes an image observation device in which the display device 71 and the virtual image imaging optical systems 74a and 74b are arranged to face each other.
  • a combination lens including the first lens 60 and the second lens 62 is used as the virtual image imaging optical systems 74a and 74b (see FIG. 7 (A)), and when only the first lens 60 is used (FIG. 7 (B). )
  • FIG. 7 (A) a combination lens including the first lens 60 and the second lens 62
  • FIG. 7 (B) when only the first lens 60 is used
  • the virtual image display distance is approximately 1000 mm from the first lens 60.
  • the specifications of the second lens 62 are as follows.
  • Refractive index 1.608
  • power at optical center 0.00D
  • center thickness 1.80 mm
  • Power change The power was changed to ⁇ 0.75D at a position 15 mm outside from the optical center O in the direction orthogonal to the optical axis.
  • the lens thickness at a position 25 mm outside in the direction orthogonal to the optical axis from the optical center O is 260 ⁇ m thicker than the spherical design lens.
  • a smartphone Google Pixel 3 was used as the display device 71.
  • FIG. 8 is a photograph of the image of the display device 71 observed by the image observation device 70.
  • FIG. 8A is an image when the first lens 60 and the second lens 62 are used as the virtual image imaging optical system (see FIG. 7A).
  • FIG. 8B is an image when only the first lens 60 is used as the virtual image imaging optical system (see FIG. 7B). Comparing FIGS. 8 (A) and 8 (B), it can be seen that FIG. 8 (A) has a higher resolution of the image in the peripheral portion. Further, when FIG. 8 (A) and FIG. 8 (B) are compared, it can be seen that the photographed range is wider. These are the effects of using the second lens 62 provided with the power adjustment region 55 for the virtual image imaging optical systems 74a and 74b.
  • FIG. 9 shows a schematic configuration of an AR HMD (simply referred to as an HMD unless there is confusion) 11 according to the second embodiment.
  • the HMD 11 includes a frame 12, left-eye and right-eye display devices 13a and 13b, left-eye and right-eye half mirrors 17a and 17b, and left-eye and right-eye virtual image imaging optical systems 4a and 4b. ..
  • the configurations common to the configurations of the HMD1 according to the first embodiment are shown using the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the frame 12 is a housing that holds the left-eye and right-eye display devices 13a and 13b and other constituent parts.
  • the frame 12 holds the left-eye and right-eye display devices 13a and 13b inside the left and right sides, respectively, and when the back side is opened so that the inside can be seen from the back side and the inside is seen from the back side.
  • It has a translucent front surface so that it can face forward, and on the main lines of sight La and Lb of the left eye Ea and right eye Eb so that the screens of the left eye and right eye display devices 13a and 13b can be seen, respectively. Holds the left eye and right eye half mirrors 17a and 17b.
  • the main lines of sight La and Lb of the left eye Ea and the right eye Eb that bend through the left eye and right eye half mirrors 17a and 17b are for the left eye and the right eye, respectively. It is assumed that the virtual image imaging optical systems 4a and 4b for the left eye and the right eye are held in the frame 12 so as to overlap or substantially overlap the optical axes 4a 0 and 4b 0 of the virtual image imaging optical systems 4a and 4b. ..
  • the left-eye and right-eye display devices 13a and 13b are devices for displaying the left-eye and right-eye images 3a and 3b on their respective screens (also referred to as left-eye and right-eye screens), respectively.
  • a flat panel display such as a liquid crystal display or an organic EL display can be used.
  • the left eye display device 13a is held inside the left side surface of the frame 12 with the screen facing the right side.
  • the right-eye display device 13b is held inside the right side surface of the frame 12 with the screen facing the left side.
  • the left-eye and right-eye half mirrors 17a and 17b reflect the left-eye and right-eye images 3a and 3b displayed on the screens of the left-eye and right-eye display devices 13a and 13b, respectively. It is an optical member for realizing a see-through function of transmitting light from a front target object so as to be superimposed on each other and projected onto the left eye Ea and the right eye Eb.
  • the left eye half mirror 17a is located on the opposite side of the left eye virtual image imaging optical system 4a with respect to the left eye screen (left eye display device 13a) and in front of the user's left eye Ea (that is, on the main line of sight La). Be placed.
  • the right eye half mirror 17b is located on the opposite side of the right eye virtual image imaging optical system 4b with respect to the right eye screen (right eye display device 13b) and in front of the user's right eye Eb (that is, on the main line of sight Lb). Be placed.
  • the left-eye and right-eye virtual image imaging optical systems 4a and 4b are arranged on the left and right sides of the frame 12 toward the screens of the left-eye and right-eye display devices 13a and 13b, respectively, and are for the left eye.
  • the images 3a and 3b for the right eye and the images 3a and 3b for the right eye are formed into virtual images on the front virtual image display surfaces Va and Vb, respectively, and their magnified upright images are projected on the left eye Ea and the right eye Eb.
  • the left eye Ea and the right eye Eb pass through the left eye half mirror 17a, the left eye virtual image imaging optical system 4a, the right eye half mirror 17b, and the right eye virtual image imaging optical system 4b, respectively.
  • the left-eye and right-eye images 3a and 3b on the screens of the right-eye display devices 13a and 13b are viewed, their virtual images are projected on the front virtual image display surfaces Va and Vb, respectively.
  • a differential image is given as the left-eye and right-eye images 3a and 3b
  • the virtual image on the virtual image display surface Va is viewed by the left eye Ea in the overlapping region of the virtual image display surfaces Va and Vb, and at the same time, the virtual image display surface is viewed.
  • the virtual image By viewing the virtual image on Vb with the right eye Eb, the virtual image can be stereoscopically viewed by superimposing it on a target actually existing in the region As in the region As facing the overlapping region from both eyes. That is, a stereoscopic image is projected on the target object in the area As.
  • the left eye display device 13a and the left eye virtual image imaging optical system 4a are arranged to the left of the left eye half mirror 17a on the main line of sight La in the frame 12. However, instead of this, it may be arranged above or below the left eye half mirror 17a.
  • the right eye display device 13b and the right eye virtual image imaging optical system 4b are arranged to the right of the right eye half mirror 17b on the main line of sight Lb in the frame 12. However, instead of this, it may be arranged above or below the right eye half mirror 17b.
  • the left-eye and right-eye display devices 13a, 13b, left which display the left-eye and right-eye images 3a, 3b on the screen, respectively.
  • the opposite sides of the left-eye and right-eye imaginary imaging optical systems 4a and 4b and the left-eye imaginary imaging optical system 4a arranged for the eye and right-eye images 3a and 3b, respectively, with respect to the left-eye screen.
  • the left eye half mirror 17a arranged in front of the user's left eye Ea, and the right eye arranged on the opposite side of the right eye screen of the right eye virtual image imaging optical system 4b and in front of the user's right eye Eb.
  • a half mirror 17b for use is provided.
  • the virtual image imaging lens 50 used in the virtual image imaging optical systems 4a and 4b is a power adjustment in which a power on the negative side of the power of the optical center O is set outside the optical center O in the direction orthogonal to the optical axis. Since the region 55 is set, the position of the focal point when viewed sideways is extended to a distant position, and the images located at the peripheral portion of the screen of the display devices 13a and 13b can be clearly visually recognized. That is, the image displayed on the screens of the display devices 13a and 13b can be clearly viewed not only when viewed from the front view but also when viewed from the side view, and the range in which the user can clearly see the image is expanded. Is possible.
  • the left eye and right eye half mirrors 17a and 17b are used to provide the see-through function, but instead of this, a planar waveguide is used to reduce the size of the device. And holographic optical elements may be used in combination.
  • the left-eye and right-eye images 3a and 3b displayed by the display device 3 and the left-eye and right-eye display devices 13a and 13b may be in color. It may be monochrome. In the case of color, an optical system for correcting chromatic aberration may be further provided. ⁇ Other modifications / applications>
  • the power adjustment region of the virtual image imaging optical system may be provided over the entire circumference around the optical axis of the virtual image imaging optical system, or may be provided only in a part in the circumferential direction.
  • the virtual image imaging lens of the above embodiment has a biconvex shape, it can also be configured in a plano-convex shape or a meniscus shape, and in some cases, a Fresnel shape may be adopted in order to reduce the thickness of the lens. It is possible.
  • the above embodiment is an example in which the aspherical component ⁇ for changing the power is added to the rear surface of the virtual image imaging lens or the second lens, but the aspherical component ⁇ is added to the front surface of the lens. It is also possible to add it to both the front surface and the rear surface.
  • Head-mounted display (HMD for VR) 3,13a, 13b Display device 3a Left eye image 3b Right eye image 3c Screen 4a, 4b Virtual image imaging optical system 11 Head-mounted display (HMD for AR) 17a Left eye half mirror 17b Right eye half mirror 50 Virtual image imaging lens 52 Rear 53 Front front 55 Degree adjustment area 60 1st lens 62 2nd lens Ea Left eye Eb Right eye ⁇ Aspherical component

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)

Abstract

ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能なヘッドマウントディスプレイを提供する。　ヘッドマウントディスプレイ１は、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを画面３ｃ上に表示する表示装置３と、画面３ｃ上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂに対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂと、を備え、虚像結像光学系４ａ，４ｂは、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域５５を備えている。

Description

ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ
　本発明は、ユーザに対して立体像を映し出すヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズに関する。
　近年、仮想現実（ＶＲ）技術及び拡張現実（ＡＲ）技術の研究開発が進み、医療、設計などのプロフェッショナル分野からゲーム、娯楽などの一般コンシューマ分野までの幅広い分野における利用が期待されるようになった。ＶＲ技術及びＡＲ技術では、頭部に装着するディスプレイ装置としてのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が使用される（例えば、特許文献１参照）。
　ヘッドマウントディスプレイは、左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置を備えており、左右の眼のそれぞれに対応する視差画像を表示装置の画面上に表示することでユーザに対して立体像を映し出す。このように左右の眼に対応する視差画像を表示する立体表示方式を二眼式立体表示と呼ぶ。
国際公開第２０１５／１３７１６５号
　ヘッドマウントディスプレイでは、ユーザに高い没入感を与えるため、広角な範囲で画像を表示させる。このため、画面上に表示された画像を正面視により視認する場合のほか、側方視により視認する場合においても、ユーザが画像を明瞭に視認できることが望まれている。
　本発明は以上のような事情を背景とし、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能なヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズを提供することを目的とする。
　この発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の局面は次のように規定される。
　第１の局面に規定されるヘッドマウントディスプレイは、左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置と、前記画面上の左眼用及び右眼用画像に対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系と、を備え、前記虚像結像光学系は、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備えている。ここで光軸直交方向外側とは、虚像結像光学系の光軸と直交する方向であって、光軸から離間する方向である。
　ヘッドマウントディスプレイでは、表示装置に表示された左眼用および右眼用画像の虚像（拡大正立像）を得るため所定のプラス度数が設定された虚像結像光学系が用いられる。一般的なヘッドマウントディスプレイでは、この虚像結像光学系に球面設計レンズもしくは度数一定の非球面レンズが用いられていたため、正面視の場合に比べてユーザの眼から表示装置の画面までの距離が遠くなる側方視の場合に、表示装置の画面の位置とユーザが画像を明瞭に視認できる焦点の位置とのずれが大きくなり、ユーザが視認する画像の解像度が低下してしまう。
　これに対し、第１の局面に規定されるヘッドマウントディスプレイでは、虚像結像光学系の光学的中心よりも光軸直交方向外側に、光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域が設定されているため、ユーザが側方視した際の焦点の位置（ユーザが画像を明瞭に視認できる位置）が遠方に延長され、表示装置の画面の周辺部に位置する画像を従来よりも明瞭に視認することができる。即ち、表示装置の画面に表示された画像を正面視により視認する場合のほか、側方視により視認する場合においても明瞭に視認でき、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能である。
　ここで前記度数調整領域は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域を含んでいる（第２の局面）。
　第３の局面に規定のヘッドマウントディスプレイは、第１、第２の何れかの局面に規定のヘッドマウントディスプレイにおいて、虚像結像光学系を、プラス度数が設定された第１レンズと、前記第１レンズとは別体のレンズで、前記度数調整領域を備え、前記第１レンズに対して光軸方向に重ねて配置されている第２レンズと、を備えた組み合わせレンズで構成する。
　ここで第１レンズには、従来から虚像結像光学系に用いられていた球面設計レンズや度数一定の非球面レンズが含まれる。即ち、従来の虚像結像光学系に前記第２レンズを追加することで第１の局面と同等の効果を奏する。
　この場合、前記光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記第２レンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記第２レンズの縁厚が厚く設定されている（第４の局面）。
　第５の局面に規定のヘッドマウントディスプレイは、第１、第２の何れかの局面に規定のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記虚像結像光学系を単一のレンズで構成する。
　このようにすることで、虚像結像光学系を組み合わせレンズで構成した場合に比べて軽量化を図ることができる。
　この場合、光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記単一のレンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記単一のレンズの縁厚が厚く設定されている（第６の局面）。
　第７の局面に規定のヘッドマウントディスプレイは、第１～第６の何れかの局面に規定のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記表示装置は、前記左眼用及び右眼用画像をそれぞれ表示する左眼用及び右眼用画面を有し、前記左眼用虚像結像光学系の前記左眼用画面に対する逆側且つユーザの左眼の前方に配置される左眼用ハーフミラーと、前記右眼用虚像結像光学系の前記右眼用画面に対する逆側且つユーザの右眼の前方に配置される右眼用ハーフミラーと、をさらに備える。
　第８の局面に規定される虚像結像レンズは、ヘッドマウントディスプレイの虚像結像光学系に用いられるレンズであって、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備えている。
　このように規定される第８の局面の虚像結像レンズによれば、ヘッドマウントディスプレイに用いられて第１の局面と同等の効果を奏する。
本発明の実施形態に係るＶＲ用ＨＭＤの概略構成を示した図である。 （Ａ）は同実施形態のＶＲ用ＨＭＤの虚像結像レンズの半分を示した概略図、（Ｂ）は同レンズにおけるレンズの光軸直交方向に沿った平均度数の変化を模式的に示した図である。 （Ａ）は同実施形態のＶＲ用ＨＭＤにおける焦点の位置と画面の関係を示した図である。（Ｂ）は比較例として虚像結像光学系に球面設計レンズを用いた場合における焦点の位置と画面との関係を示した図である。 （Ａ）は図２（Ｂ）とは異なる平均度数の変化を模式的に示した図である。（Ｂ）は図２（Ｂ）および図４（Ａ）とは異なる平均度数の変化を模式的に示した図である。 組み合わせレンズで構成された虚像結像光学系の概略図である。 本発明の効果を確認するために使用された画像観察装置の概略構成を示した図である。 図６の画像観察装置で用いられた虚像結像光学系の概略構成図で、（Ａ）は第１レンズと第２レンズからなる組み合わせレンズを用いた場合、（Ｂ）は第１レンズのみを用いた場合を示している。 図６の画像観察装置で観察された画像を撮影した写真で、（Ａ）は図７（Ａ）の虚像結像光学系を用いた場合、（Ｂ）は図７（Ｂ）の虚像結像光学系を用いた場合を示している。 本発明の他の実施形態に係るＡＲ用ＨＭＤの概略構成を示した図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１に、第１の実施形態に係るＶＲ用ＨＭＤ（混乱のない限り、単にＨＭＤと呼ぶ）１の概略構成を示す。図１及びその他の図面において、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂを図面上下方向に並べ、この方向を左右方向、図面左右方向を前後方向とする。なお、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの中心を通って前後方向に延びる基準線を中心線Ｌ、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのそれぞれから中心線Ｌに平行に図面左に延びる基準線を主視線Ｌａ，Ｌｂとする。また、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの離間距離Ｐとし、例えば成人の平均的な左右眼の離間距離（典型的に６５ｍｍ）で与えるとする。ＨＭＤ１は、フレーム２、表示装置３、及び左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂを備える。
　フレーム２は、表示装置３及びその他の構成各部を保持する筐体である。フレーム２の形状は、表示装置３を内側に保持するよう前面が閉じ、表示装置３の表示面（画面）を背面側から覗くことができるよう背面が開き、表示装置３を覗く両眼の周囲を覆うよう前面の周囲を側面が囲む形状であれば任意の形状であってよい。また、フレーム２の一側面からユーザの後頭部を周って他側面に接続することで、ＨＭＤ１をユーザの顔前に装着する装着バンド（不図示）を設けてもよい。なお、ユーザがＨＭＤ１を装着した状態において、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂがそれぞれ左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂの光軸と重なる又はほぼ重なるよう、左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂがフレーム２内に保持されているものとする。
　表示装置３は、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを画面３ｃ上に表示する装置である。表示装置３として、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイを使用することができる。表示装置３は、フレーム２の前面裏側に、画面３ｃを背面側に向けて保持されている。表示装置３の画面３ｃは、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂ上に位置して左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ表示する２つの領域を含む。なお、単一の画面３ｃを有する表示装置３に代えて、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ表示する２つの表示装置を使用してもよい。
　左眼用及び右眼用虚像結像光学系（単に、虚像結像光学系とも呼ぶ）４ａ，４ｂは、表示装置３の画面３ｃ上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂに対してそれぞれ配置され、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に虚像結像してそれらの拡大正立像を左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂに映し出す光学系である。本実施形態では、左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂは、それぞれ単一の虚像結像レンズ５０より構成されるが、複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂは、それぞれ、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂがそれぞれ表示される画面３ｃ上の２つの領域に対して後方に配置される。
　左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂを介して、画面３ｃ上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。ここで、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂとして視差画像を与えると、虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域Ａｓ内で虚像を立体視することができる。つまり、領域Ａｓ内に立体像が映し出される。重複領域以外の虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上の領域では虚像を両眼視することができないため、単に、虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより二次元視し、虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより二次元視することとなる。つまり、領域Ａｍでは立体像は映し出されない。
　図２（Ａ）は、虚像結像光学系４ａ，４ｂのレンズ（虚像結像レンズ）５０の半分を示している。本例の虚像結像レンズ５０は、前面（表示装置側）５３および後面（眼球側）５２がともに凸形状の両凸レンズである。後面５２が下記式（１）で定義される非球面の凸面とされ、前面５３が下記式（２）で定義される球面の凸面とされている。なお、虚像結像レンズ５０の光学的中心Ｏ（後面５２では基点Ｏ1、前面５３では基点Ｏ2）を通る前後方向の軸をｚ軸とし、ｚ軸はレンズ５０の光軸に一致する。
ｚ＝ｒ2／（Ｒ1＋（Ｒ1 2－Ｋｒ2）1/2）＋δ　…（１）
ｚ＝ｒ2／（Ｒ2＋（Ｒ2 2－Ｋｒ2）1/2）　…（２）
　式（１）、式（２）のｒは、ｚ軸からの距離である。すなわち、後面５２では基点Ｏ1、前面５３では基点Ｏ2を中心として、ｚ軸に直交する左右方向、上下方向の軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸とする直交座標系を考えた場合、ｒ＝（ｘ2＋ｙ2）1/2である。Ｒ1、Ｒ2は面の頂点における曲率半径、Ｋ（コーニック係数）は１、である。また、後面５２を定義する式（１）において、δは、Σ｛Ａnｒn｝で表される非球面成分である。但し、Ａn：非球面係数、ｎ：正の整数である。Σ｛  ｝は、｛  ｝内の総和を示す記号である。なお、上記式（１）、式（２）はレンズの後方に向かう方向をｚ軸の正方向とすることで、メニスカス形状のレンズに適用できるが、本例のような両凸レンズの後面に適用する場合はｚ軸の符号が逆となる。
　例えば、非球面成分δは、Ａ4ｒ4＋Ａ6ｒ6＋Ａ8ｒ8＋Ａ10ｒ10で表されるされるものであってもよく、またＡ3ｒ3で表されるされるものであってもよい。非球面成分δを特定するための非球面係数Ａnは、所望の光学特性（度数変化）が得られるように光線追跡によるシミュレーションによって適宜決定することができる。
　図２（Ｂ）は虚像結像レンズ５０の光軸直交方向に沿った度数変化（詳しくはメリジオナル方向の屈折力とサジタル方向の屈折力との平均である平均度数の変化）を示した図である。虚像結像レンズ５０における度数変化は、レンズメータの測定光束を虚像結像レンズ５０の裏面に対し垂直に入射することにより測定することができる。またＨＭＤ１の装用状態を反映した光学特性を得るべく、眼の回旋中心を基準として被検レンズ（虚像結像レンズ５０）の光学特性を測定可能なレンズメータを用いて測定したものであってもよい。ここで平均度数は、距離の逆数をメートルで表したディオプター（Diopter [D]）を単位として与えられる。
　図２（Ｂ）で示すように、虚像結像レンズ５０はレンズの各領域（ユーザの視線が通過する各領域）がプラス度数に設定されている。また本例の虚像結像レンズ５０は光学的中心Ｏよりも光軸直交方向外側に、光学的中心の度数Ｓ0よりもマイナス側（本例では度数の絶対値が小さくなる側である）の度数が設定された度数調整領域５５を有している。本例では、この度数調整領域５５において、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化している。
　ここで、度数調整領域５５における度数変化量、詳しくは光学的中心の度数Ｓ0に対する度数変化量の絶対値ΔＳ（図２（Ｂ）参照）は、光学的中心から１５ｍｍ離れた位置で０．１０～３．００Ｄの範囲内であることが好ましい。
　度数調整領域５５を有する虚像結像レンズ５０の場合、図２（Ａ）において二点鎖線で示される曲率半径Ｒ1の球面（以下、元の球面ともいい、図２（Ａ）に符号Ｓで示す。）から非球面成分δに対応する厚み分だけレンズの厚みが増加し、その厚みの増加量はレンズの縁に近い程大きくなる。ここではレンズの縁における厚みの増加量がＴ1で表されている。即ち、虚像結像レンズ５０は、光学的中心の度数Ｓ0及びレンズ中心厚Ｔ0が虚像結像レンズ５０と等しい球面設計レンズと比較した場合、レンズの縁厚が厚くなっている。このような形態の虚像結像レンズ５０は、レンズ中心厚を更に薄くしても所定の縁厚が維持されることから、球面設計レンズよりもレンズ中心厚が薄いレンズとすることが可能である。即ち、レンズの重量（換言すればＨＭＤの重量）を軽減することが可能である。
　以上のように構成された第１の実施形態に係るＶＲ用ＨＭＤにおいては、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能である。図３（Ｂ）はＶＲ用ＨＭＤの虚像結像光学系に球面設計レンズ（２つの屈折面を共に球面で構成したレンズ）５０Ｂを用いた場合における、焦点の位置と画面３ｃとの関係を示している。同図で示すように虚像結像光学系に球面設計レンズ５０Ｂを用いた場合、焦点の位置は２点鎖線Ｊで示すように略円形に設定される。このため、ユーザの正面に広がる平面状の画面３ｃの中央部にピントが合った状態（正面視の状態）から更に視線を側方に移動させ側方視すると、ユーザの眼に対し画面３ｃの周辺部は中央部よりも遠い位置にあるため、画面３ｃの周辺部とユーザが画像を明瞭に視認できる焦点の位置Ｊとのずれが大きくなり、ユーザが視認する画像の解像度が低下してしまう。
　これに対し度数調整領域５５を備えた虚像結像レンズ５０では、図３（Ａ）に示すように、レンズ５０の縁に近づく程、焦点の位置Ｑが遠方に移動するため、側方視において視認される画面３ｃの周辺部に表示された画像であっても明瞭に視認することができる。
　なお、上記虚像結像レンズ５０は、図２（Ｂ）で示すように、光学的中心Ｏからレンズの縁に向けて度数を漸次変化させたものであるが、度数変化の態様はこれに限定されるものなく適宜変更可能である。例えば図４（Ａ）に示すように、光学的中心Ｏから距離ｒ0内のレンズ中央部５６の度数をＳ0とし、レンズ中央部５６より外側の領域をＳ0よりもマイナス側に度数を変化させた度数調整領域５５として設定することも可能である。また図４（Ｂ）で示すように、度数調整領域５５は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域５５ａのほか、所定の度数が維持されている（度数変化の無い）領域５５ｂが含まれていてもよい。
　またＨＭＤ１の虚像結像光学系４ａ，４ｂは、単一のレンズ５０に代えて、複数のレンズを組み合わせて構成することも可能である。
　図５に示す例において、虚像結像光学系４ａ，４ｂは、第１レンズ６０と第２レンズ６２からなる組み合わせレンズで構成されている。第１レンズ６０はプラス度数Ｓ0が設定された単焦点レンズである。第２レンズ６２は光学的中心Ｏの度数が０Ｄで、光学的中心Ｏよりも光軸直交方向外側に、レンズの縁に向かうにつれて度数がマイナス側（本例では度数の絶対値が大きくなる側である）に変化する度数調整領域５５を備えている。
　第２レンズ６２は、後面５２に非球面成分δが付加されており、非球面成分δに対応する厚み分だけレンズの厚みが増加し、その厚みの増加量はレンズの縁に近い程大きくなる。即ち第２レンズ６２は、光学的中心の度数（０Ｄ）及びレンズ中心厚Ｔ0が第２レンズ６２と等しい球面設計レンズと比較した場合、レンズの縁厚が厚くなっている。
　これら第１レンズ６０及び第２レンズ６２は、その光軸が重なる又はほぼ重なるように、光軸方向に重ねて配置されている。このように構成された組み合わせレンズを用いた場合であっても、上記虚像結像レンズ５０を用いた場合と同様の効果を得ることが可能である。
　＜実施例＞
　図６において、７０は、表示装置７１と虚像結像光学系７４ａ，７４ｂとを対向配置させた画像観察装置である。虚像結像光学系７４ａ，７４ｂとして、第１レンズ６０と第２レンズ６２からなる組み合わせレンズを用いた場合（図７（Ａ）参照）、第１レンズ６０のみを用いた場合（図７（Ｂ）参照）のそれぞれにおいて、虚像結像光学系７４ａ，７４ｂを介して表示装置７１に表示された画像を観察することで、度数調整領域５５を備えた第２レンズ６２を用いたことによる効果を確認した。
　なおここでは、第１レンズ６０としてＧｏｏｇｌｅ　Ｃａｒｄｂｏａｒｄ（登録商標）用のレンズ（φ３４ｍｍ）を使用した。虚像表示距離は第１レンズ６０から略１０００ｍｍである。
　第２レンズ６２の仕様は以下の通りである。
　屈折率：１．６０８、光学的中心における度数：０．００Ｄ、中心厚：１．８０ｍｍ、
　度数変化：光学的中心Ｏから光軸直交方向外側１５ｍｍの位置で度数を－０．７５Ｄに変化させた。
　その他：光学的中心Ｏから光軸直交方向外側２５ｍｍの位置でのレンズ厚は球面設計レンズよりも２６０μｍ厚い。
　また表示装置７１として、スマートフォン（Ｇｏｏｇｌｅ　Ｐｉｘｅｌ　３）を使用した。
　図８は、画像観察装置７０で観察された表示装置７１の画像を撮影した写真である。図８（Ａ）は、虚像結像光学系として第１レンズ６０及び第２レンズ６２を用いた場合（図７（Ａ）参照）の画像である。図８（Ｂ）は、虚像結像光学系として第１レンズ６０のみを用いた場合（図７（Ｂ）参照）の画像である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）を比較すると、図８（Ａ）の方が周辺部における画像の解像度が高いことが分かる。また図８（Ａ）と図８（Ｂ）を比較すると撮影された範囲が広くなっていることが分かる。これらは度数調整領域５５を備えた第２レンズ６２を虚像結像光学系７４ａ，７４ｂに用いたことによる効果である。
　図９に、第２の実施形態に係るＡＲ用ＨＭＤ（混乱のない限り、単にＨＭＤと呼ぶ）１１の概略構成を示す。ＨＭＤ１１は、フレーム１２、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂ、左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂ、及び左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂを備える。これらの構成各部のうち、第１の実施形態に係るＨＭＤ１の構成と共通する構成については同じ符号を用いて示すとともに、その説明を省略する。
　フレーム１２は、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂ及びその他の構成各部を保持する筐体である。フレーム１２は、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂをそれぞれ左及び右側面の内側に保持し、背面側から内部を覗くことができるよう背面が開き、背面側から内部を覗いた際に前方を臨めるよう透光性の前面を有するとともに左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面を視ることができるよう左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂ上にそれぞれ左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂを保持する。なお、ユーザがＨＭＤ１１を装着した状態において、左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂを介してそれぞれ折れ曲がる左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂがそれぞれ左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂの光軸４ａ0，４ｂ0と重なる又はほぼ重なるよう、左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂがフレーム１２内に保持されているものとする。
　左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂは、それぞれ左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれの画面（左眼用及び右眼用画面とも呼ぶ）上に表示する装置である。表示装置１３ａ，１３ｂとして、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイを使用することができる。左眼用表示装置１３ａは、フレーム１２の左側面の内側に、画面を右側に向けて保持されている。右眼用表示装置１３ｂは、フレーム１２の右側面の内側に、画面を左側に向けて保持されている。
　左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂは、それぞれ、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面上に表示される左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを反射するとともに前方の目標物からの光を透過することにより互いに重ねて左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂに映し出すシースルー機能を実現するための光学部材である。左眼用ハーフミラー１７ａは、左眼用虚像結像光学系４ａの左眼用画面（左眼用表示装置１３ａ）に対する逆側且つユーザの左眼Ｅａの前方（すなわち、主視線Ｌａ上）に配置される。右眼用ハーフミラー１７ｂは、右眼用虚像結像光学系４ｂの右眼用画面（右眼用表示装置１３ｂ）に対する逆側且つユーザの右眼Ｅｂの前方（すなわち、主視線Ｌｂ上）に配置される。
　左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂは、それぞれ、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面に向けてフレーム１２内の左側及び右側に配置され、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ前方の虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に虚像結像してそれらの拡大正立像を左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂに映し出す。
　左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用ハーフミラー１７ａと左眼用虚像結像光学系４ａ及び右眼用ハーフミラー１７ｂと右眼用虚像結像光学系４ｂを介して、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ前方の虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。ここで、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂとして視差画像を与えると、虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域Ａｓ内で、その領域内に実際に存在する目標物に重ねて虚像を立体視することができる。つまり、領域Ａｓ内の目標物に重ねて立体像が映し出される。
　なお、本実施形態に係るＨＭＤ１１では、フレーム１２内で、左眼用表示装置１３ａ及び左眼用虚像結像光学系４ａを主視線Ｌａ上の左眼用ハーフミラー１７ａに対して左に配置したが、これに代えて、左眼用ハーフミラー１７ａの上方又は下方に配置してもよい。また、本実施形態に係るＨＭＤ１１では、フレーム１２内で、右眼用表示装置１３ｂ及び右眼用虚像結像光学系４ｂを主視線Ｌｂ上の右眼用ハーフミラー１７ｂに対して右に配置したが、これに代えて、右眼用ハーフミラー１７ｂの上方又は下方に配置してもよい。
　以上説明したように、第２の実施形態に係るＨＭＤ１１によれば、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ画面上に表示する左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂ、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂに対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂ、左眼用虚像結像光学系４ａの左眼用画面に対する逆側且つユーザの左眼Ｅａの前方に配置される左眼用ハーフミラー１７ａ、右眼用虚像結像光学系４ｂの右眼用画面に対する逆側且つユーザの右眼Ｅｂの前方に配置される右眼用ハーフミラー１７ｂを備える。虚像結像光学系４ａ，４ｂに用いられた虚像結像レンズ５０は、光学的中心Ｏよりも光軸直交方向外側に、光学的中心Ｏの度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域５５が設定されているため、側方視した際の焦点の位置が遠方に延長され、表示装置１３ａ，１３ｂの画面の周辺部に位置する画像を明瞭に視認することができる。即ち、表示装置１３ａ，１３ｂの画面に表示された画像を正面視により視認する場合のほか、側方視により視認する場合においても明瞭に視認でき、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能である。
　なお、第２の実施形態に係るＨＭＤ１１では、シースルー機能を備えるために左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂを使用したが、これに代えて、装置の小型化のために平面導波路及びホログラフィック光学素子を組み合わせて使用してもよい。
　なお、第１及び第２の実施形態に係るＨＭＤ１，１１において、表示装置３並びに左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂが表示する左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂはカラーでもモノクロでもよい。カラーの場合に、色収差を補正する光学系をさらに備えてもよい。
＜その他の変形例・適用例＞
　虚像結像光学系の度数調整領域は、虚像結像光学系の光軸周りの全周に亘って設けてもよいし、周方向の一部にのみ設けることも可能である。
　上記実施形態の虚像結像レンズは両凸形状としたが、平凸形状やメニスカス形状で構成することも可能であり、また場合によってはレンズの厚みを低減するためにフレネル形状を採用することも可能である。
　また上記実施形態は、度数を変化させるための非球面成分δを虚像結像レンズや第２レンズの後面に付加した例であったが、非球面成分δはレンズの前面に付加することや、前面及び後面の両面に付加することも可能である。
　　　　１　ヘッドマウントディスプレイ（ＶＲ用ＨＭＤ）
　　　　３，１３ａ，１３ｂ　表示装置
　　　　３ａ　左眼用画像
　　　　３ｂ　右眼用画像
　　　　３ｃ　画面
　　　　４ａ，４ｂ　虚像結像光学系
　　　　１１　ヘッドマウントディスプレイ（ＡＲ用ＨＭＤ）
　　　　１７ａ　左眼用ハーフミラー
　　　　１７ｂ　右眼用ハーフミラー
　　　　５０　虚像結像レンズ
　　　　５２　後面
　　　　５３　前面
　　　　５５　度数調整領域
　　　　６０　第１レンズ
　　　　６２　第２レンズ
　　　　Ｅａ　左眼
　　　　Ｅｂ　右眼
　　　　δ　非球面成分

Claims (8)

  1. 　左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置と、
    　前記画面上の左眼用及び右眼用画像に対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系と、
    　を備え、
    　前記虚像結像光学系は、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備えている、ヘッドマウントディスプレイ。
  2. 　前記度数調整領域は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域を含んでいる、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  3. 　前記虚像結像光学系は、
    　プラス度数が設定された第１レンズと、
    　前記第１レンズとは別体のレンズで、前記度数調整領域を備え、前記第１レンズに対して光軸方向に重ねて配置されている第２レンズと、
    　を備えた組み合わせレンズで構成されている、請求項１，２の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
  4. 　前記光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記第２レンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記第２レンズの縁厚が厚く設定されている、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  5. 　前記虚像結像光学系は単一のレンズで構成されている、請求項１，２の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
  6. 　光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記単一のレンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記単一のレンズの縁厚が厚く設定されている、請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  7. 　前記表示装置は、前記左眼用及び右眼用画像をそれぞれ表示する左眼用及び右眼用画面を有し、
    　前記左眼用虚像結像光学系の前記左眼用画面に対する逆側且つユーザの左眼の前方に配置される左眼用ハーフミラーと、
    　前記右眼用虚像結像光学系の前記右眼用画面に対する逆側且つユーザの右眼の前方に配置される右眼用ハーフミラーと、
    　をさらに備えている、請求項１～６の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
  8. 　ヘッドマウントディスプレイの虚像結像光学系に用いられるレンズであって、
    　ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備えている、虚像結像レンズ。
PCT/JP2021/001443 2020-01-23 2021-01-18 ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ WO2021149628A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202180010447.5A CN115004084B (zh) 2020-01-23 2021-01-18 头戴式显示器以及在该头戴式显示器中使用的虚像成像透镜
JP2021572714A JP7393755B2 (ja) 2020-01-23 2021-01-18 ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ
US17/791,736 US20230032859A1 (en) 2020-01-23 2021-01-18 Head-mounted display and virtual image forming lens to be used for the head-mounted display
EP21744814.1A EP4095586A4 (en) 2020-01-23 2021-01-18 HEADWEARED DISPLAY AND VIRTUAL IMAGING LENS USING THE SAME

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020009320 2020-01-23
JP2020-009320 2020-01-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021149628A1 true WO2021149628A1 (ja) 2021-07-29

Family

ID=76992369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/001443 WO2021149628A1 (ja) 2020-01-23 2021-01-18 ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230032859A1 (ja)
EP (1) EP4095586A4 (ja)
JP (1) JP7393755B2 (ja)
CN (1) CN115004084B (ja)
WO (1) WO2021149628A1 (ja)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996018126A1 (fr) * 1994-12-09 1996-06-13 Enplas Corporation Casque virtuel et systeme optique utilise pour celui-ci
WO2013076994A1 (ja) * 2011-11-24 2013-05-30 パナソニック株式会社 頭部装着型ディスプレイ装置
WO2015137165A1 (ja) 2014-03-14 2015-09-17 株式会社ソニー・コンピュータエンタテインメント ヘッドマウントディスプレイ
DE102014107938A1 (de) * 2014-06-05 2015-12-17 Carl Zeiss Ag Anzeigevorrichtung
JP2018084788A (ja) * 2016-11-25 2018-05-31 伊藤光学工業株式会社 累進屈折力レンズの設計方法及び累進屈折力レンズ
CN109407301A (zh) * 2018-11-30 2019-03-01 重庆爱奇艺智能科技有限公司 一种目镜及头戴式设备
WO2020008804A1 (ja) * 2018-07-03 2020-01-09 国立大学法人東京農工大学 立体メガネ、これに用いられる眼鏡レンズの設計方法および立体画像の観察方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5543816A (en) * 1993-10-07 1996-08-06 Virtual Vision Head mounted display system with aspheric optics
JP2012078670A (ja) * 2010-10-04 2012-04-19 Hoya Corp 立体映像観察用眼鏡
CN104090354B (zh) 2014-06-28 2016-09-07 青岛歌尔声学科技有限公司 一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头及头戴设备
CN205450452U (zh) 2015-12-31 2016-08-10 北京小鸟看看科技有限公司 一种目镜镜头、头戴显示光学系统和头戴设备
CN106526852B (zh) 2016-09-29 2019-05-03 玉晶光电(厦门)有限公司 目镜光学系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996018126A1 (fr) * 1994-12-09 1996-06-13 Enplas Corporation Casque virtuel et systeme optique utilise pour celui-ci
WO2013076994A1 (ja) * 2011-11-24 2013-05-30 パナソニック株式会社 頭部装着型ディスプレイ装置
WO2015137165A1 (ja) 2014-03-14 2015-09-17 株式会社ソニー・コンピュータエンタテインメント ヘッドマウントディスプレイ
DE102014107938A1 (de) * 2014-06-05 2015-12-17 Carl Zeiss Ag Anzeigevorrichtung
JP2018084788A (ja) * 2016-11-25 2018-05-31 伊藤光学工業株式会社 累進屈折力レンズの設計方法及び累進屈折力レンズ
WO2020008804A1 (ja) * 2018-07-03 2020-01-09 国立大学法人東京農工大学 立体メガネ、これに用いられる眼鏡レンズの設計方法および立体画像の観察方法
CN109407301A (zh) * 2018-11-30 2019-03-01 重庆爱奇艺智能科技有限公司 一种目镜及头戴式设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4095586A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP4095586A4 (en) 2024-02-21
CN115004084A (zh) 2022-09-02
EP4095586A1 (en) 2022-11-30
CN115004084B (zh) 2024-09-20
US20230032859A1 (en) 2023-02-02
JP7393755B2 (ja) 2023-12-07
JPWO2021149628A1 (ja) 2021-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3599828B2 (ja) 光学装置
JP5290092B2 (ja) 眼鏡型画像表示装置
EP0660155B1 (en) Image display apparatus
CN102782562B (zh) 宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置
JP3683317B2 (ja) 画像表示装置
JP3537230B2 (ja) 接眼光学系及びそれを用いた画像表示装置
US10670805B2 (en) Optical waveguide using overlapping optical elements coupling light beam
US11740459B2 (en) Head-mounted display and method for designing wide-focus lens to be used for the head-mounted display
JPH1075407A (ja) 画像表示装置
JP2011133633A (ja) 視覚表示装置
JPH10186245A (ja) 接眼光学系、及び接眼映像表示装置
JP2003241100A (ja) 偏心光学系
JP2015034925A (ja) 接眼レンズ系および画像観察装置
WO2021149628A1 (ja) ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ
JP4790547B2 (ja) 視覚表示装置
CN117957479A (zh) 使用空间定位的自由形式光学部件进行失真补偿和图像清晰度增强的紧凑型成像光学器件
JP3542214B2 (ja) 画像表示装置
JP2022095362A (ja) 光学系および表示装置
JP3542213B2 (ja) 画像表示装置
WO2012132959A1 (ja) 視覚表示装置
JP2008176180A (ja) 視覚表示装置
JP2019179083A (ja) 画像表示装置
JP3607736B2 (ja) 画像表示装置
JP3597456B2 (ja) 偏心光学系及びそれを用いた視覚表示装置
JP2015094917A (ja) 眼鏡レンズ評価方法、眼鏡レンズ、眼鏡レンズ製造方法および表示方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21744814

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021572714

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021744814

Country of ref document: EP

Effective date: 20220823