JP3263062B2

JP3263062B2 - 視覚表示装置

Info

Publication number: JP3263062B2
Application number: JP2000111691A
Authority: JP
Inventors: 修小沼
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2002-03-04
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JP2000352690A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、視覚表示装置に関
し、特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持することが
可能なポータブル型の頭部又は顔面装着式視覚表示装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティー用、ある
いは、個人的に大画面の映像を楽しむことを目的とし
て、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部又は顔面に保持す
る視覚表示装置が開発されている。例えば、液晶表示素
子等の小型の表示素子上の像をレンズ等の接眼光学系で
眼球に拡大投影するものがある。そのような頭部装着式
視覚表示装置の光学系を図９に示す。図９において、２
次元表示素子を５、２次元表示素子５を空中に拡大投影
する接眼レンズを２、観察者眼球位置を１０とする。

【０００３】接眼光学系の従来技術としては、顕微鏡、
双眼鏡、望遠鏡、ファインダー等の接眼レンズがある
（特開昭５１−１２０２３１号、特開昭６０−２２７２
１５号、特開昭６１−４８８１０号、特開昭６３−３１
８５１号、特開平３−８７７０９号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】頭部もしくは顔面装着
式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを小さくす
ることと、重量を軽量化することが、装着性を向上させ
る上で重要である。また、大きな画角を確保することが
画面の臨場感を増す上で必要であり、臨場感は提示画角
で決まってしまうと言っても過言でない（テレビジョン
学会誌,Vol.45, No.12, pp.1589-1596(1991)）。

【０００５】立体感、迫力感等の臨場感を観察者に与え
るためには、観察水平方向で３０°（±１５°）以上の
提示画角を確保することが必要であると同時に、１２０
°（±６０°）付近でその効果は飽和してしまうことが
知られている。つまり、３０°以上でなるべく１２０°
に近い観察画角にすることが望ましい。

【０００６】また、接眼光学系のアイポイントにおける
設計瞳径が小さいと、瞳の自由度が小さく、装置を密着
した状態が少しずれるだけで観察視野周辺に暗黒部が生
じ、臨場感を損なうこととなり、好ましくない。つま
り、接眼光学系のＦナンバーを小さくすることが要求さ
れる。

【０００７】しかし、接眼光学系の画角を大きくし、さ
らに、Ｆナンバーを小さくすると、光学系の周辺部を光
線が通過するため、収差の発生が大きくなり、コンパク
トな構成では収差の補正が困難となり、周辺画像の解像
度が低下したり、像歪みの発生が大きくなり観察像が歪
んだりする問題が発生する。特に、像面湾曲について
は、レンズ枚数の少ないコンパクトな接眼レンズでは、
光線高の高い箇所に正レンズ、低い箇所に負レンズを配
置して、正負のパワー配分によってペッツバール和を小
さくするような構成をとることができず、その補正が困
難である。

【０００８】上記した従来の接眼レンズは、大きな画角
を確保してはいるものの、Ｆナンバーが大きいものか、
又は、Ｆナンバーが小さく設計されていても、収差補正
が不足するものかの何れかであり、３０°以上の大きな
画角と小さいＦナンバーを同時に確保しながら、良好な
収差補正を達成するのは困難であった。したがって、視
覚表示装置として重要な、大きな観察画角と大きな瞳位
置の自由度と周辺まで平坦性の良い鮮明な画像とを同時
に提供することはできない。

【０００９】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたものであり、その目的は、３０°以上の大き
な観察画角を提示でき、瞳位置の自由度が大きく、か
つ、周辺までフラットで鮮明な観察画像を提示できる視
覚表示装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の視覚表示装置は、画像表示面が略平面形
状に構成された画像表示素子と、前記画像表示素子の形
成した平面像を湾曲形状を備えた中間像として結像させ
るリレー光学系と、前記中間像を観察者が虚像として観
察できるように導く接眼光学系とを含み、前記リレー光
学系と前記接眼光学系とが総じて相殺されるような符号
の反転した像面湾曲収差を発生されるように構成され、
前記接眼光学系が、前記リレー光学系側に配置された第
１群と、前記第１群とは空気を挟んで分離され瞳側に配
置された第２群とから構成され、前記リレー光学系と前
記接眼光学系との構成により、前記中間像が湾曲形状を
有するも前記観察者が観察する虚像における像面湾曲収
差は補正され、かつ、前記第１群と前記第２群とによる
機能分担から設計の自由度を増しつつ観察者画角３０°
以上の高性能を達成し得るように構成され、下記の条件
（１）を満足することを特徴とするものである。０．５＜｜Ｒ／Ｆ｜＜２．５ …（１）ただし、リレー光学系により湾曲した物体面の曲率半径
をＲ、接眼光学系の焦点距離をＦとする。

【００１１】以下、上記構成をとる理由と作用について
説明する。

【００１２】本発明のポイントは以下の２点にある。

【００１３】第１点目は、像面湾曲収差を良好に補正す
るために、２次元表示素子上の平面像を曲面像に変換す
るリレー光学系を用いることにより、接眼光学系では、
曲面を物点として眼球に虚像の拡大平面像を投影すると
いう構成をとったことである。この構成の中で、平面で
ある２次元表示素子上の物体面を、接眼光学系の像面湾
曲で打ち消すように、予めリレー光学系で曲面物点にす
ることが重要である。これにより、像面湾曲収差を接眼
レンズ系で補正する必要がなくなり、本発明のような２
群のレンズ系で像面湾曲収差つまりペッツバール和の補
正をしなくても、非点収差のみが補正されていれば、フ
ラットな空中拡大像を提供することができる。

【００１４】さらに、リレー光学系による曲面像は、接
眼レンズ側に凹面を向けた曲面であることが好ましく、
例えば球面であってもよい。上記構成をとる理由は、一
般的に言って、レンズ枚数の少ないコンパクトな接眼レ
ンズでは、光線高の高い箇所に正レンズ、低い箇所に負
レンズを配置して、正負のパワー配分によってペッツバ
ール和を小さくするような構成をとることができず、像
面湾曲が発生するからである。その湾曲方向はペッツバ
ール像面の湾曲方向に相当し、正のペッツバールが過剰
の接眼レンズでは、眼球側に凹面を向けた球面となる。
したがって、リレー光学系による曲面像を、接眼レンズ
側に凹面を向けた球面とすることによって、接眼レンズ
の像面湾曲は打ち消されて、結果的にフラットな空中拡
大像を提供できる。

【００１５】以下、上記のリレー光学系について説明す
る。リレー光学系がない場合は、像面湾曲を補正するた
めには、２次元表示素子を曲面に製作しなけらばならな
いが、これは製作上非常に難しい。したがって、前に述
べたように、リレー光学系は、２次元表示素子に表示さ
れた２次元平面画像を曲面画像に変換する作用を持つも
のが要求される。このリレー光学系は、例えば、意図的
に像面湾曲を発生させたリレーレンズ系で構成すること
ができる。

【００１６】本発明の第２点目のポイントは、曲面物点
を平面像点として、空中に拡大投影する接眼光学系の構
成として、正の単レンズの第１レンズ群と負レンズと正
レンズの接合レンズの第２レンズ群とから構成すると共
に、各面の少なくとも１つを非球面とする構成をとった
ことである。

【００１７】以下、説明の便宜上、眼球瞳孔を物体側と
し、リレー光学系による曲面像を像点とした逆光線追跡
で説明することとする。瞳孔から射出する光線は、画角
が大きい程、もしくは、Ｆナンバーが小さい程、接眼レ
ンズ系に入射する光線高が高くなるので、強い正のパワ
ーを持ったレンズをまず配置する。このレンズは、正の
単レンズとすることで光線高を低くし、その後に入射す
るレンズ系で収差の発生をなるべく小さくする。第２レ
ンズ群は、色収差を補正するために、アッベ数の離れた
負と正のレンズの接合レンズとする。さらに、画角が大
きいことによる各レンズ面で発生する収差を補正するた
めに、各面の少なくとも１つに非球面を採用する。これ
により、コンパクトな構成で、像面湾曲以外の諸収差、
特にコマ収差と非点収差を補正することができる。

【００１８】さらに、非球面は、水平方向の画角が５０
°以上の接眼レンズでは、少なくとも最も眼球側の面に
採用するのが好ましい。この理由は、画角が５０°を越
えると、最も眼球側の面に入射する光線高と入射角が大
きくなり、この面でのコマ収差、非点収差の発生が極め
て大きくなり、他のレンズ面では補正しきれなくなるた
めである。

【００１９】次に、リレー光学系による湾曲した物体面
の曲率半径に関する条件式について説明する。リレー光
学系により湾曲した物体面の曲率半径をＲ、接眼光学系
の焦点距離をＦとすると、０．５＜｜Ｒ／Ｆ｜＜２．５ …（１）なる条件を満足することが重要である。この条件式の下
限の０．５を越えると、逆追跡での接眼レンズ系の像面
湾曲を補正するための物体面の曲率半径が小さくなりす
ぎ、この物体面に接眼レンズ系の像面湾曲を合わせよう
とすると、非点収差が大きくなりすぎ、周辺画像の解像
力が低下する。上限の２．５を越えると、今度は非点収
差が逆方向に大きくなり、やはり周辺画像の解像力が低
下する。このように、非点収差と像面湾曲のバランスを
とる上で、上記条件を満足すると良い結果を得られる。

【００２０】さらに、上記の条件の範囲を、１＜｜Ｒ／Ｆ｜＜２ …（１）’ にすると、より望ましい。

【００２１】この条件の下限以内であれば、リレー光学
系によって湾曲した物体面の曲率半径をある程度緩めに
（曲率半径を大きく）とれるので、リレー光学系の設計
上の自由度が増し、その製作が簡単にでき、生産性も向
上できる。また、この条件の上限以内であれば、接眼光
学系の焦点距離をある程度大きくとれるので、観察者眼
球と接眼光学系との間にゆとりが持て、使い勝手が向上
できる。

【００２２】さらに好ましくは、接眼光学系の焦点距離
は、装置全体の大きさから短くするほうが有利となる
が、接眼光学系と観察者の瞳孔位置との距離（アイポイ
ント）が１２ｍｍ以上必要であることから、接眼光学系
の焦点距離Ｆは、１２＜Ｆ＜３０〔ｍｍ〕 …（２）なる条件を満足することが重要である。この条件式の下
限の１２を越えると、アイポイントを１２ｍｍ以上確保
することが不可能となり、観察者の睫毛がレンズに当た
ってしまい、観察し難くなる。また、上限の３０を越え
ると、接眼レンズが大きくなり、観察者の顔前に突き出
し、また、重くなるために、装置を装着したときに観察
者に違和感や疲労感を与えてしまう。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照にして本発明の
視覚表示装置の接眼レンズの実施例１〜５とリレー光学
系の実施例について説明する。

【００２４】図１に実施例１の、図２に実施例４の接眼
レンズのレンズ断面図を示すが、実施例２、３、５のレ
ンズ構成は実施例１とほぼ同じであるので、図示は省
く。

【００２５】図１において、符号１は観察者眼球の瞳孔
にあたる接眼レンズの入射瞳位置、２は接眼レンズ、３
は湾曲した像面であり、実際の使用に際しては、像面３
には、後で例示するリレー光学系４（図８）等のリレー
光学系による曲面像を配する。

【００２６】さて、接眼レンズ２は、実施例１〜３、５
においては、図１に示すように、瞳孔１側から、両凸レ
ンズと、瞳孔１側に凸面を向けた負メニスカスレンズと
両凸レンズの接合レンズとからなっており、実施例４に
おいては、図２に示すように、瞳孔１側から、瞳孔１側
に凸面を向けた正メニスカスレンズと、瞳孔１側に凸面
を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズの接合レンズ
とからなっている。

【００２７】接眼レンズ２の非球面については、実施例
１においては、単レンズの両面に、実施例２において
は、単レンズの瞳孔１側の面と接合レンズの像面３側の
面の２面に、実施例３においては、単レンズの瞳孔１側
の面１面に、実施例４においては、接合レンズの像面３
側の面１面に、実施例４においては、接合レンズの瞳孔
１側の面１面にそれぞれ用いている。

【００２８】実施例１と２は、観察水平方向画角５０°
（±２５°）、対角方向画角６３°の例であり、実施例
３〜５は、観察水平方向画角４０°（±２０°）、対角
方向画角５０°の例であり、全実施例とも、瞳孔径はφ
８ｍｍである。

【００２９】以下、上記実施例１〜５の逆追跡のレンズ
データを示すが、記号は、上記の外、ｒ₀は瞳孔１を、
ｄ₀はアイポイントを、ｒ₁〜ｒ₅は接眼レンズ２の各
レンズ面の曲率半径を、ｄ₁〜ｄ₄は接眼レンズ２の各
レンズ面間の間隔を、ｎ_d1〜ｎ_d3は接眼レンズ２の各レ
ンズのｄ線の屈折率、ν_d1〜ν_d3は接眼レンズ２の各レ
ンズのアッベ数を表し、ｄ₅は接眼レンズ２の最終面
（第５面）と像面３の間の間隔を、ｒ₆は像面３を表
す。また、非球面形状は、その非球面上の任意の点から
非球面頂点の接平面までの距離をＺ、この任意の点から
光軸までの距離をｈ、基準曲率半径をｒ、円錐定数を
Ｋ、非球面係数をＡ、Ｂ…とした時に、下記の式によっ
て表せられる。

【００３０】Ｚ＝（ｈ²／ｒ）／｛１＋〔１−（１＋Ｋ）（ｈ／ｒ）²〕^1/2｝＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋・・・・。実施例１ｒ₀= ∞ ｄ₀=15.000000 ｒ₁= 19.16777(非球面) ｄ₁=17.282117 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂= -17.96050(非球面) ｄ₂= 0.603569 ｒ₃= 74.17377 ｄ₃= 2.000000 ｎ_d2 =1.8466 ν_d2 =23.9 ｒ₄= 13.36589 ｄ₄=14.889812 ｎ_d3 =1.5163 ν_d3 =64.1 ｒ₅= -28.46670 ｄ₅= 4.673707 ｒ₆= -27.57725 非球面係数第１面Ｋ = -2.895470 Ａ = 0.183708×10^-4 Ｂ = -0.911517×10^-8 第２面Ｋ = -1.518426 Ａ = 0.294718×10^-4 Ｂ = -0.265912×10^-7 。

【００３１】実施例２ｒ₀= ∞ ｄ₀=15.000000 ｒ₁= 21.09188(非球面) ｄ₁=12.729671 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂= -98.25692 ｄ₂= 0.795885 ｒ₃= 31.10831 ｄ₃= 2.000000 ｎ_d2 =1.8466 ν_d2 =23.9 ｒ₄= 14.16702 ｄ₄=16.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅= -22.08546(非球面) ｄ₅= 8.474444 ｒ₆= -32.00736 非球面係数第１面Ｋ = -0.980510 Ａ = 0.138364×10^-5 Ｂ = 0.188699×10^-8 第５面Ｋ =-14.627343 Ａ = -0.180394×10^-4 Ｂ = 0.986111×10^-7 。

【００３２】実施例３ｒ₀= ∞ ｄ₀=15.000000 ｒ₁= 19.42583(非球面) ｄ₁=13.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂= -39.06931 ｄ₂= 2.853699 ｒ₃= 30.82547 ｄ₃= 2.000000 ｎ_d2 =1.8466 ν_d2 =23.9 ｒ₄= 11.35921 ｄ₄=13.000000 ｎ_d3 =1.5163 ν_d3 =64.1 ｒ₅= -44.22965 ｄ₅= 6.686127 ｒ₆= -26.09666 非球面係数第１面Ｋ = -1.202641 Ａ = -0.439027×10^-5 Ｂ = 0.778743×10^-8 。

【００３３】実施例４ｒ₀= ∞ ｄ₀=15.000000 ｒ₁= 20.33823 ｄ₁= 6.050349 ｎ_d1 =1.6204 ν_d1 =60.27 ｒ₂= 45.00722 ｄ₂= 0.200000 ｒ₃= 21.95813 ｄ₃= 2.000000 ｎ_d2 =1.8466 ν_d2 =23.9 ｒ₄= 12.20347 ｄ₄=13.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅= -28.27427(非球面) ｄ₅=13.758914 ｒ₆= -37.35309 非球面係数第５面Ｋ =-16.260810 Ａ = -0.281706×10^-5 Ｂ = 0.100959×10^-6 。

【００３４】実施例５ｒ₀= ∞ ｄ₀=15.000000 ｒ₁= 20.68370 ｄ₁=12.837937 ｎ_d1 =1.6204 ν_d1 =60.27 ｒ₂= -119.37864 ｄ₂= 2.123186 ｒ₃= 61.75341(非球面) ｄ₃= 2.000000 ｎ_d2 =1.8466 ν_d2 =23.9 ｒ₄= 17.08252 ｄ₄=13.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅= -32.09057 ｄ₅=10.038296 ｒ₆= -33.95088 非球面係数第３面Ｋ =-82.607990 Ａ = 0.662382×10^-5 Ｂ = -0.201298×10^-6 。

【００３５】次に、上記実施例１〜５の球面収差、非点
収差、歪曲収差、横収差を表す収差図をそれぞれ図３〜
図７に示す。

【００３６】なお、実施例１〜５の前記条件式（１）、
（２）に対応する値は次の表１の通りである。

【００３７】

【００３８】このような湾曲した像面３は、図８に示し
たような像面湾曲を意図的に発生させたリレー光学系４
等からなる変換光学素子によって、２次元表示素子５の
平面画像面を変換することにより得られる。なお、２次
元表示素子５の表示面を湾曲させて曲面像面３とするこ
ともできる。

【００３９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の視覚表
示装置によれば、３０°以上の大きな観察画角を提示で
き、瞳位置の自由度が大きく、かつ、周辺までフラット
で鮮明な観察画像を提示できる視覚表示装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による視覚表示装置の実施例１の接眼レ
ンズのレンズ断面図である。

【図２】実施例４の接眼レンズのレンズ断面図である。

【図３】実施例１の接眼レンズの球面収差、非点収差、
歪曲収差、横収差を表す収差図である。

【図４】実施例２の接眼レンズの図３と同様な収差図で
ある。

【図５】実施例３の接眼レンズの図３と同様な収差図で
ある。

【図６】実施例４の接眼レンズの図３と同様な収差図で
ある。

【図７】実施例５の接眼レンズの図３と同様な収差図で
ある。

【図８】変換光学素子としてリレー光学系を用いた本発
明の視覚表示装置の光学系を示す図である。

【図９】従来の頭部装着式視覚表示装置の光学系を示す
図である。

【符号の説明】

１…接眼レンズの入射瞳位置２…接眼レンズ３…曲面像面４…リレー光学系５…２次元表示素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画像表示面が略平面形状に構成された画
像表示素子と、前記画像表示素子の形成した平面像を湾
曲形状を備えた中間像として結像させるリレー光学系
と、前記中間像を観察者が虚像として観察できるように
導く接眼光学系とを含み、前記リレー光学系と前記接眼光学系とが総じて相殺され
るような符号の反転した像面湾曲収差を発生されるよう
に構成され、前記接眼光学系が、前記リレー光学系側に配置された第
１群と、前記第１群とは空気を挟んで分離され瞳側に配
置された第２群とから構成され、前記リレー光学系と前記接眼光学系との構成により、前
記中間像が湾曲形状を有するも前記観察者が観察する虚
像における像面湾曲収差は補正され、かつ、前記第１群
と前記第２群とによる機能分担から設計の自由度を増し
つつ観察者画角３０°以上の高性能を達成し得るように
構成され、下記の条件（１）を満足することを特徴とする視覚表示
装置。０．５＜｜Ｒ／Ｆ｜＜２．５ …（１）ただし、リレー光学系により湾曲した物体面の曲率半径
をＲ、接眼光学系の焦点距離をＦとする。
【請求項２】前記接眼光学系の前記第１群は、前記リ
レー光学系と空気を挟んで分離配置され、前記リレー光
学系から射出された光を入射する入射面と、前記入射し
た光が硝材内を進み空気媒質に射出する射出面とを有し
て構成されていることを特徴とする請求項１記載の視覚
表示装置。
【請求項３】前記接眼光学系の前記第２群が、瞳側面
を非球面形状とした正レンズにて構成されていることを
特徴とする請求項２記載の視覚表示装置。
【請求項４】前記接眼光学系の前記第１群が、前記入
射面と前記射出面との間に光束にパワーを与える光学面
を有することを特徴とする請求項２記載の視覚表示装
置。
【請求項５】前記第１群の有する光学面が異なった硝
材を接合することによって形成された屈折面にて構成さ
れていることを特徴とする請求項４記載の視覚表示装
置。
【請求項６】前記画像表示素子と前記接眼光学系によ
って形成される瞳との間に、色収差補正手段を配置した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の視覚表示装置。