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WO1996018126A1 - Casque virtuel et systeme optique utilise pour celui-ci - Google Patents

Casque virtuel et systeme optique utilise pour celui-ci Download PDF

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Publication number
WO1996018126A1
WO1996018126A1 PCT/JP1995/002512 JP9502512W WO9618126A1 WO 1996018126 A1 WO1996018126 A1 WO 1996018126A1 JP 9502512 W JP9502512 W JP 9502512W WO 9618126 A1 WO9618126 A1 WO 9618126A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
image
combiner
display means
image display
optical system
Prior art date
Application number
PCT/JP1995/002512
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Shigeru Nakayama
Kenji Tozaki
Original Assignee
Enplas Corporation
Sega Enterprises, Ltd.
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 Enplas Corporation, Sega Enterprises, Ltd. filed Critical Enplas Corporation
Priority to US08/687,616 priority Critical patent/US5808801A/en
Priority to EP95939395A priority patent/EP0752606B1/en
Priority to JP51748896A priority patent/JP3487859B2/ja
Priority to DE69509645T priority patent/DE69509645T2/de
Publication of WO1996018126A1 publication Critical patent/WO1996018126A1/ja

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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
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • 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
    • 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
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    • 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
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to a head mount display device.
  • the present invention relates to an optical system for superimposing and observing an image from image information means and an image of the outside world on a display such as a head mount display device or an eyeglass type display device. It is.
  • the head mount display device includes a front housing 12 and a rear housing 14 so that the front housing 12 can be positioned near a human eye in use.
  • the rear housing is located on the back of the head and fixed to the head, and the image information displayed on the image display means in the front housing is magnified and observed.
  • An image display / observation unit is built in the portion indicated by reference numeral 16 of the front housing 12 of the head mount display device.
  • the configuration of the image display / observation unit is, for example, provided with an optical system shown in an enlarged scale in FIG. 2.
  • 1 denotes a liquid crystal display (hereinafter, LCD) or a cathode ray tube (hereinafter, CRT).
  • 2 is a refraction lens (so-called loupe)
  • 3 is a semi-transmissive mirror (hereinafter referred to as a combiner) that has the function of combining light from at least two directions
  • 4 is the eye of the observer.
  • the image display / observation section having such a configuration, light from an image by the image display means 1 passes through the lens system 2 and is further reflected by the combiner 3 and directed to the observer's eye 4.
  • the image information is observed by being enlarged by the lens system 2.
  • the light 10 from the outside world The image of the outside world is directly observed by the observer through the combiner 3 after entering from the front surface 15 of the gang 12.
  • the image of the outside world and the image of the image information means can be superimposed and viewed through the compiler.
  • the optical system shown in FIG. 3 is known as another image display / observation unit of the head mount display device. That is, in FIG. 3, 1 is image information means such as LCD, CRT, 3 is a combiner, and 5 is a concave combiner.
  • image information means such as LCD, CRT
  • 3 is a combiner
  • 5 is a concave combiner.
  • this conventional head mount display device light from an image by the image information means is reflected by the combiner 3 and directed to the concave combiner 5 side opposite to the viewer.
  • the light is reflected by the concave combiner 5 and is directed to the observer side through the comparator 13.
  • Light 10 from the outside passes through the combiner 5 having a concave shape, passes through the combiner 3, and is directed toward the eye 4 of the observer. Then, the image from the video information means and the image of the outside world are superimposed and observed.
  • a head mount display device having an image display / observation unit as shown in FIG. 2 is constructed so that the image of the image information means 1 is enlarged and observed by the lens system 2.
  • the lens system 2 When observing an image by enlarging it with the lens system 2, the lens system 2 must be properly corrected for various aberrations so that the enlarged image becomes a good image.
  • the lens constituting the lens system 2 requires a complicated optical component configuration using a large number of lenses, as the optical system requires high quality images with high image quality.
  • the lens system needs to have a good correction of the color difference.
  • video information means 1 and lens system 2 Is located above the combiner 3, and as is clear from the drawing, the relatively heavy video information means 1 and the heavy lens system 2 as described above are relatively close to each other.
  • the display device has unbalanced optical members.
  • the head mount display device equipped with a video display and observation unit shown in Fig. 3 has a concave-shaped combiner arranged on the outside of the combiner, and has higher aberration than the one shown in Fig. 2.
  • the light from the image of the image information means 1 is combined with the combiner 3 and the non-spherical concave combiner, as can be seen from the drawing.
  • the amount of light decreases each time the light passes through and reflects through the combiner, and the amount of light reaching the observer is reduced to about 1/10.
  • the reflection optical system including the present invention is more severe with respect to the axis deviation than the transmission type optical system, the assembly of the optical components on the orthogonal axis compared with the assembly on the vertical axis of the present invention has a higher yield. Inevitably, cost reduction and cost reduction are inevitable.
  • an object of the present invention is to provide a head mount display device in which the image of the image display means and the image of the outside world are superimposed and observed.
  • another object of the present invention is to provide a head mount display device for observing an image by an image display unit superimposed on an image of the outside world, wherein the compensator transmits and reflects light from the image of the image display unit;
  • An image forming apparatus comprising: a magnifying mirror disposed on the opposite side of the image unit with respect to the compensator; and by disposing a lens having a low aberration correcting power between the image display unit and the complier.
  • the light from the image of the image display means passes through the aberration correcting lens, passes through the combiner, is reflected by the magnifying mirror, is reflected by the combiner, and is directed toward the observer's eyes.
  • light from the outside passes through the combiner and is directed toward the eyes of the observer, whereby the image of the image display means and the image of the outside are superimposed and observed.
  • the magnifying reflector in the present invention refers to a concave reflector, a Fresnel reflector, or the like, and is formed by giving a concave or Fresnel surface a reflecting function.
  • Another object of the present invention is to provide a video display unit, a complier for transmitting and reflecting light from the video display unit, and a magnifying mirror disposed on the opposite side of the combiner from the video display unit.
  • the image display hand An auxiliary lens disposed between a step and the combiner; light from an image of the image display means passes through the auxiliary lens and the combiner, is reflected by a reflecting mirror, and is then observed by the combiner; An optical system that is directed toward the eyes of the observer, and the external light passes through the combiner and is directed toward the eyes of the observer, and superimposes and observes the image of the image display means and the image of the external world.
  • An object of the present invention is to provide a display optical system that satisfies the following conditional expressions (1) and (2).
  • ⁇ is the focal length of the entire optical system
  • f R is the focal length of only the concave reflecting mirror
  • d is the temporary gap between the concave reflecting mirror and the surface of the compensator on one side of the auxiliary lens, which is a temporary zero diopter.
  • Another object of the present invention is to provide an image display means, a complier, and a concave reflector arranged on the opposite side of the box-self image display means with respect to the combiner, and a combiner provided by the image display means.
  • Light that is transmitted through the concave reflector and reflected by the combiner and then directed toward the observer's eye, and transmitted through the combiner from the outside world and directed toward the observer's eye In an optical system in which light is superimposed and observed, a concave reflecting mirror is positioned between the elliptical rotation surface S expressed by the following equation (3) and the elliptical rotation plane S 2 expressed by the following equation (4).
  • An object of the present invention is to provide an existing aspherical display optical system. (3)
  • Equation (3) a k ,, k 2 are aspherical coefficients in (4), C is a surface curvature (reciprocal of the radius of curvature).
  • Another object of the present invention is to provide an image display means, a combiner for transmitting and reflecting light from the image display means, a Fresnel mirror disposed on the opposite side of the combiner from the image display means, and the image.
  • An auxiliary lens is provided between the display means and the combiner, and light from the image of the image display means passes through the combiner, is reflected by a Fresnel reflector, and is observed by the observer at the combiner.
  • the optical system is directed toward the eyes of the observer, and the external light passes through the combiner and is directed toward the eyes of the observer.
  • the optical system superimposes and observes the image of the image display means and the image of the external world. Provide a display optical system that satisfies conditional expressions (5) and (6).
  • f is the focal length of the entire optical system
  • the focal length of f R is the Fresnel reflecting mirror only
  • d is the spacing at 0 Doputa combiner side surface of the auxiliary lens Fresnel reflection mirror.
  • Still another object of the present invention is to provide a video display unit, a combiner that transmits and reflects light from the video display unit, and a Fresnel reflector disposed on the opposite side of the combiner from the video display unit.
  • the light from the image of the video display means passes through the compensator, is reflected by a Fresnel reflector, is directed toward the observer's eye by the combiner, and the external light is
  • An optical system that passes through the combiner and is directed toward the eyes of the observer, superimposing and observing the image of the image display means and the image of the outside world.
  • the Fresnel surface of the Fresnel reflector is restored to a continuous single surface Place
  • the display optical system is a non-spherical surface exists between the ellipse rotation surface S 3 and elliptic rotation surface S 4 represented by the formula (8) represented by the formula if (7) is in providing Hisage.
  • k 3 and k * are aspherical coefficients
  • C is the curvature of the surface (the reciprocal of the radius of curvature).
  • FIG. 1 shows the outline of the head mount display device
  • Fig. 2 shows the image display of the conventional head mount display device
  • Fig. 3 shows the configuration of the observation unit
  • Fig. 3 shows the conventional head mount display device.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of the configuration of the image display / observation unit of the display device
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the head mount display device of the present invention
  • FIG. 5 is a head mount device of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of an image display / observation unit of a display device.
  • FIGS. 6 to 10 are aberration curve diagrams of an optical system according to first to fifth embodiments of the present invention, respectively.
  • FIG. 11 is a diagram showing another configuration of the image display / observation section of the head mount display device of the present invention.
  • FIGS. 12 and 13 are a sixth embodiment and a sixth embodiment of the optical system of the present invention, respectively.
  • FIG. 7 is an aberration curve diagram when an aspherical surface is used.
  • FIG. 4 is an overall view of the head mount display device of the present invention, wherein 12 is a front housing, 14 is a rear housing, and 16 is a video display housed in a front housing 12.
  • 12 is a front housing
  • 14 is a rear housing
  • 16 is a video display housed in a front housing 12.
  • 22 is a support member
  • pad material that can be pressed against the top of the head
  • 26 is a pad material that can be pressed against the forehead, both of which are provided on the support member.
  • 4 5 is an occipital pad material provided in the rear housing 14
  • 51 is a hollow housing having a curved inner surface corresponding to the temporal region
  • 52 is a slider of a fixed width provided in the hollow housing 51
  • Reference numeral 61 denotes a rail
  • reference numeral 62 denotes a hollow housing attached to the hollow housing 51 so as to be able to move forward and backward.
  • This head mount display device is mounted on the user's head as shown in the figure, and the hollow housing 62 is inserted into the housing 51 so that the pad 45 is pressed against the back of the head. .
  • the image display / observation section in the front housing of the head mount display device shown in the figure is as shown in Fig. 5, 1 is image information means such as LCD and CRT, 3 is a complier, and 6 is magnified reflection.
  • a concave reflecting mirror as a mirror, 7 is an auxiliary lens composed of an aberration correction lens having almost no power, and is used as necessary.
  • the image display / observation section has the above-described configuration, and light from the image of the image information means passes through the auxiliary lens 7 and the combiner 3.
  • the concave surface is configured to be reflected by the reflecting mirror 6, returned to the original direction, reflected by the combiner 45 by 45 °, and directed toward the eye 4 of the observer. This Here, the enlarged virtual image formed by the concave reflecting mirror 6 is observed by the observer.
  • the light 10 from the outside passes through the combiner 3 and is directed directly toward the observer's eye 4 for observation.
  • a light-shielding plate for blocking light from the external world may be attached to the opening through which light from the external world is incident so that the light can be opened and closed, a filter may be provided instead of the light-shielding plate, or a liquid crystal shutter may be used.
  • the amount of light from the outside world is controlled, and the image of the image information means and the image of the outside world are superimposed with a well-balanced brightness. You can observe the image.
  • the head mount display device has a structure in which the image display and observation unit has the image information means 1 and the auxiliary lens 7 and the concave reflecting mirror 6 arranged substantially symmetrically with respect to the combiner 3.
  • the arrangement is extremely well-balanced.
  • the light from the image information means 1 passes through and reflects through the compensator 13 once, so that, for example, about 50% of the light passing through the combiner 3 is reflected by the concave reflecting mirror and then reflected by the concave mirror.
  • the light reflected by (1) (3) is about 50% of that, and the decrease in light by the combiner (3) is relatively small, and the light reaching the observer's eye (4) is about 25%, and a bright image is observed. be able to.
  • the auxiliary lens also serves as a stray light shielding plate that prevents light from image information means such as LCD from directly entering the eyes, in addition to being used as a lens for aberration correction.
  • the head mount display device of the present invention observes images from individual image information means with both eyes, not only can the observer easily experience a three-dimensional image, but also the liquid crystal shirt can be used.
  • the outside world information that is a real image
  • the image of the image information means that is a virtual reality as images as if they are the same image information. it can.
  • the display optical system of the present invention comprises: an image display means; a combiner for transmitting and reflecting light from the image display means; a concave reflecting mirror disposed on the opposite side of the combiner from the image display means; It has an auxiliary lens arranged between the image display means and the combiner, and satisfies the following conditional expressions (1) and (2).
  • f is the focal length of the entire optical system
  • f R is the focal length of only the concave reflecting mirror
  • d is the distance between the concave reflecting mirror and the surface of the auxiliary lens on the combiner side.
  • the display optical system of the present invention has the optical elements arranged as described above, and the light from the image display means passes through the auxiliary lens and the combiner arranged at an angle of about 45 ° with respect to the optical axis.
  • the light passes through, is reflected by the concave reflector, is reflected back by the combiner, and reaches the observer's eyes.
  • the observer mainly observes the image of the image display means enlarged by the concave reflecting mirror.
  • light from the outside passes through the combiner to reach the eyes, and the image of the outside is also observed by the observer.
  • the magnified image of the image display means and the image of the outside world are superimposed and observed.
  • the magnified image of the image information means is observed through a combiner. Therefore, in order to secure the apparent field of view of the magnified image to a certain degree or more with respect to the position of the observer's eyes, the aperture of the complier is required. Requires a certain size. In addition, because the scene from the outside is viewed through the combiner and superimposed on the image of the image display means, the combiner also needs a certain opening. It is necessary to provide a space for interposing such a fixed size comparator between the auxiliary lens and the concave reflecting mirror.
  • the concave reflector In order to adjust the diopter as a magnifying loupe, there are two methods, a method of raising and lowering the concave reflector and a method of raising and lowering the image display means. To get the right degree, the concave reflector must be moved upward. That is, the concave reflecting mirror is moved in a direction closer to the combiner. For this reason, it is necessary to provide a larger space between the auxiliary lens and the concave reflecting mirror.
  • conditional expression (1) When the value of conditional expression (1) becomes 1.0, that is, when the concave reflecting mirror occupies the power of the entire optical system, the power of the auxiliary lens becomes 0 and the plane becomes a parallel plane plate. When the value of (1) is less than 1.0, the auxiliary lens becomes a weak convex lens. The closer the value of equation (1) becomes to the upper limit, the more the concave reflector and the image display means increase the space between the concave reflector and the auxiliary lens and between the auxiliary lens and the image display means. However, it is advantageous when a system without diopter adjustment is used. However, in general, the value of equation (1) is more preferably 0 ⁇ 95 or less.
  • the conditional expression (2) is a condition for setting the opening of the combiner to a required value as described above.
  • the method of moving the concave reflecting mirror 6 up and down is used as the diopter adjusting means, it is necessary to select a value close to the upper limit of equation (2), and when the method of moving the image display means up and down is used, select a value close to the lower limit. There is.
  • the auxiliary lens not only plays a role in power distribution and aberration correction of the system according to equation (1), but also plays a role of blocking stray light that reaches the eyes directly from the LCD and a role of dust prevention.
  • the optical system of the present invention since the optical system of the present invention has a simple configuration, a positive aberration correction becomes almost impossible if the power distribution is determined. Therefore, it is effective to introduce an aspheric surface into the concave reflecting mirror and / or the auxiliary lens. You. In this case, it is possible to introduce an aspheric surface even if the auxiliary lens is a plane-parallel plate.
  • the Petzval sum of the optical system becomes negative, and the image surface is curved to an excessive side. Therefore, the image surface is corrected to the negative side by introducing an aspheric surface, and the asphericity of the concave reflecting mirror becomes particularly important.
  • the aspherical surface used in the optical system of the present invention falls between two surfaces of an ellipsoidal rotation surface represented by the following expression (3) and an ellipsoidal rotation surface S represented by the following expression (4). It is an aspheric surface.
  • k, C 2 7.5 x 10
  • k 2 C 2 1.0 x 1 0 3
  • Equation (3) a k ,, k 2 are aspherical coefficients in (4), C is a surface curvature (reciprocal of the radius of curvature).
  • the auxiliary lens Can correct astigmatism and coma caused by field curvature due to the combination of force and distortion.
  • the distortion becomes strongly pincushion-shaped when viewed by the observer. Becomes When asphericity conversely too strong beyond the spheroid S 2 although any better for directional characteristic of the image display means, the correction of aberrations becomes difficult.
  • Mosquitoes concave reflecting mirror only be performed aberration correction of the optical system when the aspherical surface is between two oval rotational plane and s 2 of the can, to the auxiliary lens by using the aspherical surface, further aberrations good Can be corrected.
  • aberration can be corrected satisfactorily by introducing an aspherical surface only in the auxiliary lens and using a concave reflecting mirror as a spherical surface, but the residual image surface is slightly larger.
  • the display optical system of the present invention has a configuration as shown in FIG. 5, and is composed of a video display means 1, a combiner 3, a concave reflecting mirror 6, and an auxiliary lens 7. 4 is the observer's eye.
  • the optical system of the present invention has a small t, a small number of elements, and a compact configuration. Further, by providing the above-mentioned requirements such as satisfying conditional expressions as in the following first to fifth example data, aberrations can be corrected in a wide apparent field of view while maintaining compactness. Observation with good images is possible.
  • the surface number 1 is the observer's eye
  • 2 is the camera's eye
  • 3 is the concave reflector
  • 4 is the combiner side of the auxiliary lens
  • 5 is the position of the auxiliary lens on the image display means side. It is.
  • the minus sign of the interval and the refractive index means that light travels in the opposite direction.
  • the sag value of the aspherical surface of the concave reflecting mirror and the sag value of the elliptical rotation surface SlTS 2 are as follows. Note that the fourth embodiment is an example in which the concave reflecting mirror is a spherical surface, and the above sag value is not described.
  • the aspherical surface is the sag value and the ellipsoidal rotation surface.
  • the aberration diagram is a diagram when an image is formed by inserting light rays from the eye side, and the height to the edge of the pupil is set to the maximum value on the vertical axis.
  • the aspheric shape in the embodiment is represented by the following equation.
  • the optical system using the Fresnel reflecting mirror of the present invention is such that the above-mentioned image display means and the concave reflecting mirror arranged on the opposite side of the combiner are Fresnel reflecting mirrors. 5) and (6) are satisfied.
  • the reason for setting the above conditional expressions (5) and (6) is based on almost the same reason as the conditional expressions (1) and (2) when using the above-mentioned general concave reflector. For the following reasons.
  • conditional expression (5) When the value of conditional expression (5) becomes 1.0, that is, when the concave reflecting mirror occupies the power of the entire optical system, the power of the auxiliary lens becomes 0 and the plane becomes a parallel plane plate. When the value of (5) is less than 1.0, the auxiliary lens becomes a weak convex lens. The closer the value of equation (5) is to the upper limit, the closer the Fresnel reflector and the image display means are, and the space between the Fresnel reflector and the auxiliary lens and between the auxiliary lens and the image display means should be secured. Although it becomes difficult, it is advantageous in a system without diopter adjustment and when the magnification is as large as possible.
  • the conditional expression (6) is a condition for setting the opening of the combiner to a required value as described above.
  • the value near the upper limit of equation (6) is used. You need to choose
  • the auxiliary lens has a role of blocking stray light that reaches the eyes directly from the LCD and a role of dust protection, in addition to the role of power distribution of the system according to the formula (5).
  • the shape of the aspherical surface when the Fresnel surface is restored to a continuous single surface is represented by the elliptical rotating surface expressed by the following equation (7). and S 3, it is desirable that the aspherical falling between the two faces of the ellipsoidal rotation surface S 4 represented by the following formula (8).
  • k 3 and k 4 are aspherical coefficients, and C is the curvature of the surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical system using the Fresnel reflector of the present invention, wherein 1 is image information means, 3 is a combiner, 4 is an observer's eye, 7 is an auxiliary lens, and 8 is a Fresnel.
  • the reflecting mirror 9 is a transparent parallel flat plate for dust protection.
  • the light emitted from the image information means 1 passes through the auxiliary lens 7 and the combiner 3, is reflected by the Fresnel reflector 8, is further reflected by the combiner 3, and is reflected by the observer's eyes. Reach. Thereby, the image of the video information means 1 is magnified and observed by the observer.
  • the external light 10 passes through the comparator 13 and reaches the observer's eye 4, where the magnified image of the image information means and the external image are superimposed and observed.
  • the surface of the Fresnel reflector When the Fresnel surface of the Fresnel reflector is restored to a continuous single surface, the surface is made aspherical, so that various aberrations of the optical system are corrected well as described above, and observation with a very good magnified image is performed. Becomes possible.
  • the aspherical shape is a surface that falls between the elliptical rotation surface represented by the conditional expression (7) and the elliptical rotation surface represented by the conditional expression (8), as described above.
  • the Fresnel reflection mirror is aspheric, the ellipse rotation aspherical shape when restored to a continuous single plane represented by ellipse rotation surface S 3 and formula represented by the above formula (7) (8) aspherical der Rukoto falling between the two faces of the surface S 4 is desirable.
  • the reason for using the Fresnel mirror is to eliminate shortage of space when increasing the magnification of the optical system. Therefore, the image information means approaches the direction of the compa 2f Become smaller. In this case, the power of the auxiliary lens becomes small, and the conditional expression
  • At least one surface of the parallel plane plate 9 may be made aspherical in order to further improve the aberration.
  • the aspheric surface in this case also affects the light 10 from the outside because the light 10 from the outside reaches the observer's eye 4 after passing through the plane-parallel plate 9. In other words, as a result of observing the image from the outside through the aspherical surface, it looks distorted. Therefore, it is desirable that the aspherical surface formed on the parallel plane plate 9 is a weak aspherical surface that does not cause significant distortion in the image of the outside world.
  • the aspherical surface used in the plane-parallel plate is desirably an aspherical surface having a sag amount within 0.05 mm in absolute value within a range of 22 mm in diameter around the optical axis.
  • a parallel plane plate may be provided also on the external side of the optical system, and an aspheric surface having an effect of canceling the influence of the aspheric surface of the parallel plane plate 9 may be used as the parallel plane plate.
  • surface number 1 is the observer's eye
  • 2 and 3 are the eye-side and combiner-side surfaces of the parallel plane plate on the eye side
  • 4 is the combiner
  • 5 is the Fresnel reflector
  • 6 is the auxiliary lens.
  • the surface 7 on the combiner side is the position of the surface of the auxiliary lens on the image display means side.
  • Minus signs of the distance and the refractive index mean that light travels in the opposite direction.
  • a Fresnel reflector is used, and the Fresnel surface is aspheric when restored to a continuous single surface, thereby correcting aberrations and simultaneously performing a plane-parallel plate on the eye side.
  • the surface on the eye side of the lens is made aspherical, thereby compensating for aberration correction by the aspherical surface of the Fresnel reflecting mirror so that a good image can be observed.
  • the absolute value of the sag amount of the aspherical surface of the plane-parallel plate on the eye side is 0.05 mm or less, and the observer can see the outside world through this plane-parallel plate.
  • the distortion is extremely small and does not hinder the observation.
  • the amount of sag of the aspherical surface of the plane-parallel plate on the eye side is increased so that the aberration of the entire optical system is further reduced, and the outside world is observed through the plane-parallel plate. In this case, the image looks slightly distorted.
  • the parallel plane plate provided on the outside world side that is, on the outside world side of the combiner, is also required. An aspheric surface is introduced. As a result, the image displayed on the image display section can be observed as a good image with little aberration, and the image of the outside world, which is not affected by the aspherical surface, can be superimposed and observed.
  • the sag values of the aspheric surfaces of the Fresnel reflecting mirrors of the sixth and seventh embodiments and the sag values of the elliptical rotating surfaces S 3 and S 4 are as follows.
  • the following data shows the system between the entrance of light from the outside world and the eye as shown in Fig. 14.
  • the ideal lens is located at the position of the eye shown as the sixth surface. Is placed.
  • the sixth embodiment does not have an aspheric surface on the parallel plane plate on the outside world, but the seventh embodiment has an aspherical amount of the aspheric surface of the parallel plane plate on the eye side. Is large, so the external image is distorted, and an aspheric surface for correcting this is provided on the parallel plane plate on the external side.
  • the aspherical surface coefficients of the aspherical surfaces provided on the parallel plane plate on the outside world in the seventh embodiment are as follows.
  • the fourth surface is the aspherical surface shown in the sixth and seventh embodiments.
  • FIG. 15 shows the aberration caused by the light from the outside in the sixth embodiment.
  • FIG. 16 shows the seventh embodiment in which the aspheric surface is not provided on the parallel plane plate on the outside.
  • FIG. 7 shows aberrations in the seventh embodiment in which an aspherical surface having the above-mentioned aspherical surface coefficient is provided on the external parallel flat plate.
  • the aberration is large due to the aspherical surface of the plane-parallel plate on the eye side.
  • the aberration is reduced.
  • the head mount display device of the present invention has a small and well-balanced configuration and is desirable in use.
  • the optical system has little color difference and maintains a well-balanced state of various aberrations other than chromatic aberration, so that a good image can be observed. High magnification and miniaturization are possible.

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Description

明細書
へッ ドマゥン 卜ディスプレー装置及び該装置に用いるディスプレー用 光学系
技術分野
本発明は、 へッ ドマゥン 卜ディスプレー装置に関するものであ る。
又、 本発明は、 へッ ドマウン トディスプレー装置や眼鏡式デイ ス プレー装置等のデイスプレーにお 、て映像情報手段よりの映像と外界の 像とを重ね合わせて観察するための光学系に関するものである。
背景技術
へッ ドマゥントディスプレー装置は、 第 1図に示すように、 前部 ハウジング 1 2と後部ハウジング 1 4とよりなり、 使用時前部ハウジン グ 1 2が人間の眼の付近に位置するように又後部ハウジングが後頭部に 位置するようにして頭部に固定し、 前部ハウジング内の映像表示手段に 表示された映像情報を拡大観察する装置である。 このへッ ドマゥン 卜デ イスプレー装置の前部ハウジング 1 2の符号 1 6にて示す部分には映像 表示 ·観察部が内蔵されている。
この映像表示 ·観察部の構成は、 例えば第 2図に拡大して示す通 りの光学系を備えたもので、 第 2図において、 1は液晶表示装置 （以下 L C D ) や陰極線管 （以下 C R T ) 等の映像表示手段、 2は屈折型レン ズ （いわゆるルーペ） 、 3は少なくとも 2方向よりの光を結合する役割 をもつ半透過鏡 （以下コンバイナーと呼ぶ） 、 4は観察者の眼である。 このような構成の映像表示 ·観察部において、 映像表示手段 1による映 像よりの光はレンズ系 2を通り更にコンバイナー 3により反射され観察 者の眼 4の方向にむけられる。 このようにして、 映像情報はレンズ系 2 により拡大して観察される。 一方、 外界よりの光 1 0は、 前部ハウジン グ 1 2の前面 1 5より入射しコンバイナー 3を透過して外界の像が直接 観察者により観察される。 つまり、 第 1図に示す従来のへッ ドマゥン 卜 ディスプレー装置によれば、 外界の像と映像情報手段の映像とをコンパ イナ一を介して重ね合わせて見ることが出来る。
へッ ドマゥン卜ディスプレー装置の他の映像表示 ·観察部として 第 3図に示す光学系が知られている。 即ち第 3図において、 1 は L C D , C R T等の映像情報手段、 3はコンバイナー、 5は凹面形状の コンバイナーである。 この従来のへッ ドマゥン 卜ディスプレー装置は、 映像情報手段による映像よりの光がコンバイナー 3により反射されて観 察者とは反対側の凹面形状のコンバイナー 5側へ向けられる。 ここで、 凹面形状のコンバイナー 5にて反射されてコンパ'イナ一 3を通って観察 者の側へ向けられる。 又、 外界よりの光 1 0は、 凹面形状のコンバイ ナー 5を透過し、 更にコンバイナー 3を透過して観察者の眼 4の方向に 向けられる。 そして、 映像情報手段からの画像と外界の像とが重ね合わ さって観察される。
上記従来例のうち第 2図に示すような映像表示 ·観察部を備 えたへッ ドマゥントディスプレー装置は、 レンズ系 2により映像情報手 段 1の画像を拡大して観察を行なうようにしている。 レンズ系 2により 像を拡大して観察する場合、 拡大された像が良好な画像になるように、 レンズ系 2は各種収差が良好に補正されなければならない。 その為に は、 レンズ系 2を構成するレンズは、 良好な画質で高倍率な映像を要す る光学系程、 多数のレンズを使用した複雑な光学部品構成が必要にな る。 特に、 観察する像がカラー画像である場合には、 レンズ系は、 色収 差をも良好に補正されている必要がある。 その為に、 接合レンズを含め て多くのレンズを必要とし、 レンズ系 2が大型で重くなり組立が複雑に なることによりコスト高になる。 その上、 映像情報手段 1とレンズ系 2 とがコンバイナー 3の上方に位置し、 図面から明らかなように比較的重 量のある映像情報手段 1と上記のように重いレンズ系 2とが比較的接近 して配置される為、 へッ ドマゥン卜ディスプレー装置としてはアンバラ ンスな光学部材の配置になっている。
又第 3図に示す映像表示 ·観察部を備えたへッ ドマウン トデ ィスプレー装置は、 コンバイナーの外界側に凹面形状のコンバイナーを 配置したもので、 第 2図に示すものに比べれば高倍率で収差が良く補正 された画像が少な 、光学部品にて得られる配置になっている力く、 図面か ら判かるように映像情報手段 1の画像からの光はコンバイナー 3と非球 面凹面形状のコンバイナーにて反射され更にコンバイナー 3を透過する と、 コンバイナーを透過及び反射する度に光量が減少し、 観察者に達す る光量が 1 / 1 0程度までになってしまう。 その為に、 L C Dの背面の バックライ トや C R Tの輝度を本発明と同等にするには輝度を倍にしな ければならない。 更に、 凹面形状のコンパイナ一において収差補正効果 が大き t、非球面を用レ、る場合、 プラスチックの使用が安価で大量生産に 向いている。 しかし、 プラスチックをベースにしたコンバイナーは基板 上に多層コーティ ングを行なう困難さから性能の低下と歩留りの低下お よびコス トアップを招く。 また、 光学系の組立は |ΐίΙ己映像表示手段の中 心軸に対して第 3図に示すように直交する軸に凹面形状のコンバイナー を精度良く組立なければならない。 特に本発明を含めた反射光学系は軸 ずれに対する精度が透過型光学系に比較してシビアであるので、 本発明 の垂直軸上の組立と比較して直交軸上の光学部品の組立は歩留りの低下 やコス トアツプが避けられない。
発明の開示
本発明の目的は、 映像表示手段による画像を外界の像と重ね合わ せて観察するへッ ドマウン トディスプレー装置において、 前記映像表示 手段の画像からの光を透過及び反射するコンバイナーと、 前記コンバイ ナーに関して前記映像手段と反対側に配置された拡大反射鏡とよりな り、 前記映像表示手段の画像からの光が前記コンバイナーを透過し、 拡 大反射鏡にて反射の後コンバイナーにて反射されて観察者の眼の方向へ 向けられ、 一方外界よりの光はコンバイナーを透過して観察者の眼の方 向へ向けられ、 これによつて映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わ せて観察するようにしたへッ ドマゥン卜ディスプレー装置を提供するこ とにある。
また本発明の他の目的は、 映像表示手段による画像を外界の像と 重ね合わせて観察するへッ ドマウントディスプレー装置において、 前記 映像表示手段の画像からの光を透過及び反射するコンパイナ一と、 前記 コンパ'イナ一に関して前記映像手段と反対側に配置された拡大反射鏡と よりなり、 また、 前記映像表示手段とコンパイナ一との間に収差補正用 のパワーの弱いレンズを配置する事により、 前記映像表示手段の画像か らの光が前記収差補正用レンズを透過の後、 前記コンバイナーを透過 し、 拡大反射鏡にて反射の後コンパイナ一にて反射されて観察者の眼の 方向へ向けられ、 一方外界よりの光はコンバイナーを透過して観察者の 眼の方向へ向けられ、 これによつて映像表示手段の像と外界の像とを重 ね合わせて観察するようにしたへッ ドマゥン卜ディスプレー装置を提供 3 ることにある。
尚、 本発明でいう拡大反射鏡とは、 凹面反射鏡、 フレネル反射鏡等 を指すものであり、 その凹面あるいはフレネル面に反射機能を持たせる ことにより形成されているものである。
また本発明の他の目的は、 映像表示手段と、 前記映像表示手段よ りの光を透過及び反射させるコンパイナ一と、 前記コンバイナーに関し 前記映像表示手段と反対側に配置された拡大反射鏡と、 前記映像表示手 段と前記コンバイナーとの間に配置された補助レンズとよりなり、 前記 映像表示手段の画像からの光は、 前記補助レンズと前記コンバイナーを 通過し反射鏡にて反射された後に前記コンバイナーにて観察者の眼の方 向に向けられ、 又外界の光は前記コンバイナーを透過して観察者の眼の 方向に向けられ、 映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する 光学系で、 下記条件式 （1) と （2) を満足するディスプレー用光学系 を提供することにある。
0. 8< f /f R≤ 1. 0 (1)
0. 65 < dX f R< 0. 9 (2)
上記式で ίは光学系全体の焦点距離、 f Rは凹面反射鏡のみの焦 点距離、 dは凹面反射鏡と補助レンズのコンパイナ一側の面の 0ディォ プタ一時の間隔である。
また本発明の他の目的は、 映像表示手段と、 コンパイナ一と、 前 記コンバイナーに関して箱己映像表示手段とは反対側に配置されている 凹面反射鏡とよりなり、 映像表示手段よりのコンバイナ―を透過して凹 面反射鏡にて反射された後コンバイナーにて反射されて観察者の眼の方 向へ向けられる光と、 外界よりコンバイナーを透過して観察者の眼の方 向に向けられる光とを重ね合わせて観察するようにした光学系で、 凹面 反射鏡が次の式 （3) で表わされる楕円回転面 S，と式 （4) で表わさ れる楕円回転面 S 2との間に存在する非球面であるディスプレー用光学 系を提供することにある。 (3)
Figure imgf000007_0001
で k , C2= 7. 5 x 10
Cy2
z=
l+ l-(k2+l)C:y2 (4) ここで k2C2= l. 0 x 1 0-3
尚上記の （3) 式、 （4) 式において k，， k2は非球面係数、 C は面の曲率 （曲率半径の逆数） である。
また本発明の他の目的は、 映像表示手段と、 該映像表示手段より の光を透過及び反射させるコンバイナーと、 前記コンバイナーに関し前 記映像表示手段と反対側に配置されたフレネル反射鏡と前記映像表示手 段と前記コンバイナーとの間に配置された補助レンズよりなり、 前記映 像表示手段の画像からの光は、 前記コンバイナーを通過しフレネル反射 鏡にて反射された後に前記コンバイナーにて観察者の眼の方向に向けら れ、 又外界の光は前記コンバイナーを透過して観察者の眼の方向に向け られ、 映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学系で、 下記条件式 （5) と （6) を満足するディスプレー用光学系を提供する >-とにめる。
0. 8く f ノ" 1. 0 (5)
0. 65 < d/f R< 0. 95 (6)
上記式で f は光学系全体の焦点距離、 f Rはフレネル反射鏡のみ の焦点距離、 dはフレネル反射鏡と補助レンズのコンバイナー側の面の 0ディォプター時の間隔である。
また本発明の更に他の目的は、 映像表示手段と、 該映像表示手段 よりの光を透過及び反射させるコンバイナーと、 前記コンバイナーに関 し前記映像表示手段と反対側に配置されたフレネル反射鏡とよりなり、 前記映像表示手段の画像からの光は、 前記コンパイナ一を通過しフレネ ル反射鏡にて反射された後に前記コンバイナーにて観察者の眼の方向に 向けられ、 又外界の光は前記コンバイナーを透過して観察者の眼の方向 に向けられ、 映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学 系で、 フレネル反射鏡のフレネル面がその面を連続単一面に復元した場 合の式 （7) で表わされる楕円回転面 S3と式 （8) で表わされる楕円 回転面 S4との間に存在する非球面であるのディスプレー用光学系を提 供することにある。
Figure imgf000009_0001
ここで k3C2=— 7. 5x 10
Figure imgf000009_0002
ここで k4C2=— 1. 0 x 1 (J-3
尚上記の （7) 式、 (8) 式において k 3, k *は非球面係数、 C は面の曲率 （曲率半径の逆数） である。
図面の簡単な説明
第 1図はへッ ドマウン トディスプレー装置の概要を示す図、 第 2 図は従来のへッ ドマゥントディスプレー装置の映像表示.観察部の構成 を示す図、 第 3図は従来のへッ ドマウン トディスプレー装置の映像表 示 ·観察部の構成の他の例を示す図、 第 4図は本発明のへッ ドマゥン 卜 ディスプレー装置の構成を示す図、 第 5図は本発明のへッ ドマウン トデ ィスプレ-装置の映像表示 ·観察部の第 1の実施の形態の構成を示す 図、 第 6図乃至第 10図は夫々本発明の第 1乃至第 5実施例の光学系の 収差曲線図、 第 1 1図は本発明のへッ ドマウントディスプレー装置の映 像表示 ·観察部の他の構成を示す図、 第 12図及び第 13図は夫々本発 明の光学系の第 6実施例及び第 7実施例の収差曲線図、 第 14図は第 6、 7実施例における外界から眼に至る系の構成を示す図、 第 15図は 第 6実施例における外界から眼に至る系の収差曲線図、 第 16図は第 7 実施例における外界から眼に至る系の外界側平行平面板に非球面を用い ない場合の収差曲線図、 第 1 7図は第 7実施例における外界から眼に至 る系の外界側平行平面板に非球面を用いた場合の収差曲線図である。
発明を実施するための最良の形態
第 4図は本発明のへッ ドマウントディスプレー装置の全体図で あって、 1 2は前部ハウジング、 1 4は後部ハウジング、 1 6は前部ハ ウジング 1 2内に収納されている映像表示 ·観察部で、 後に詳細に述べ るようなものである。 又 2 2はサポート部材、 頭頂部に圧接可能なパッ ド材、 2 6は前頭部に圧接可能なパッ ド材でいずれもサポー卜部材に設 けられている。 4 5は後部ハウジング 1 4に設けられた後頭部パッ ド 材、 5 1は側頭部に対応した内側が曲面をなす中空ハウジング、 5 2は 中空ハウジング 5 1に設けられている一定幅のスライダー、 6 1はレー ル、 6 2は中空ハウジング 5 1に進退自在に取り付けられた中空ハウジ ングである。
このへッ ドマウントディスプレー装置は、 図示するように使用 者の頭部に取り付けられ、 中空ハウジング 6 2をハウジング 5 1内に挿 入してパッ ド 4 5が後頭部に圧着されるようにして取り付ける。
この図示するへッ ドマウントディスプレー装置の前部ハウジン グ内の映像表示観察部は、 第 5図に示す通りで、 1は L C D、 C R T等 の映像情報手段、 3はコンパイナ一、 6は拡大反射鏡としての凹面反射 鏡、 7は殆どパワーのない収差補正レンズにより構成される補助レンズ であり必要に応じて用いる。 この本発明の実施例のへッ ドマウン トディ スプレー装置は、 映像表示 ·観察部が前記の構成であって、 映像情報手 段の像よりの光は補助レンズ 7を透過し、 コンバイナー 3を透過し凹面 反射鏡 6にて反射され、 元の方向に戻され、 コンバイナー 3にて 4 5 ° 反射されて観察者の眼 4の方向に向けられるように構成されている。 こ こで、 凹面反射鏡 6により形成される拡大された虚像が観察者に観察さ れる。
一方、 外界からの光 1 0は、 コンバイナー 3を透過して直接観察 者の眼 4の方向に向けられ観察される。
このようにして、 映像情報手段による像と外界の像とが重ね合わ された状態にて観察される。 尚、 外界からの光を入射させる開口部に外 界からの光を遮断する遮光板を開閉可能に取り付けたり、 遮光板の代わ りにフィルターを設けたり、 または、 液晶シャッターを用いても良い。 このように遮光板等を配置すれば外界からの光は遮断され、 映像情報手 段の像のみが観察される。 また遮光板の代わりに適当なフィルターや液 晶シャッターを配置することにより、 外界からの光の量をコン卜ロール して映像情報手段の像と外界の像とをバランスよい明るさで重ね合わせ た像を観察出来る。
この本発明のへッ ドマゥントディスプレー装置は、 映像表示 .観 察部が映像情報手段 1及び補助レンズ 7と凹面反射鏡 6とをコンバイ ナー 3に関してほぼ対称に配置した構成になつており、 極めてバランス の良い配置になっている。
また、 映像情報手段 1よりの光は、 コンパイナ一 3を 1回ずつ透 過および反射するので、 例えばコンバイナー 3を透過する光は約 5 0 % 又凹面反射鏡にて反射された後にコンパ'イナ一 3にて反射される光は更 にその約 5 0 %であって、 コンバイナー 3による光の減少が比較的少な く観察者の眼 4に達するのは約 2 5 %で明るい像を観察することができ る。
更に、 凹面反射鏡を用いて像を拡大するので色収差は発生せず、 又補助レンズは殆どパワーを持たないため色収差の発生は極めて少な い。 その場合、 色収差以外の収差は凹面反射鏡の非球面と補助レンズと 96/18126
1 0 により補正する事ができる。 尚、 補助レンズは収差補正用のレンズと言 う用途以外にも L C D等の映像情報手段からの光が眼に直接入るのを防 ぐ迷光遮光板の役割も兼ねている。
本発明のへッ ドマウン トディスプレー装置は、 両眼で個々の映像 情報手段からの映像を観察するため、 容易に三次元映像を観察者に体験 させられることはもちろん、 前記液晶シャツ夕一を用いれば、 外界の光 の変化を随時コントロールすることにより、 現実の映像である外界情報 と仮想現実である映像情報手段の映像とをあたかも同一の映像情報であ るかのような画像として与えることができる。
次に本発明のディスプレー用光学系は、 映像表示手段と、 映像表 示手段よりの光を透過および反射させるコンバイナーと、 コンバイナー に関して映像表示手段とは反対側に配置されている凹面反射鏡と、 映像 表示手段とコンバイナーとの間に配置された補助レンズとを備えたもの で、 次の条件式 （1 ) 、 （2 ) を満足するようにしている。
0 . 8 < f / f κ≤ 1 . 0 ( 1 )
0 . 6 5 < d / f R < 0 . 9 ( 2 )
上の式の f は光学系全体の焦点距離、 f Rは凹面反射鏡のみの焦 点距離、 dは凹面反射鏡と補助レンズのコンバイナー側の面との間隔で ある。
本発明のディスプレー用光学系は、 上に述べた通りに光学要素を 配置したもので、 映像表示手段よりの光は、 補助レンズ及び光軸に対し ほぼ 4 5 ° 傾斜させ配置されたコンバイナーとを透過し、 凹面反射鏡に より反射され戻された後コンバイナーにて反射されて観察者の眼に達す る。 これにより観察者は、 主として凹面反射鏡により拡大された映像表 示手段の像を観察する。 一方外界よりの光は、 コンバイナーを透過して 眼に達し、 外界の像も観察者により観察される。 このように観察者は、 映像表示手段の拡大像と外界の像とを重ね合わせて観察する。
この光学系では、 映像情報手段の拡大像を、 コンバイナーを通し て観察するので、 観察者の眼の位置に対して拡大像の見掛けの視野を或 る程度以上に確保するにはコンパイナ一の開口は一定の大きさが必要に なる。 また、 外界からの光景をコンバイナーを通して映像表示手段の像 と重ねて見るので、 そのためにもコンバイナーは一定の開口が必要にな る。 このような一定の大きさのコンパ'イナ一を補助レンズと凹面反射鏡 との間に介在させるスペースが必要になる。
又拡大ルーペとしての視度調節をするためには、 凹面反射鏡を上 下させる方法と映像表示手段を上下させる方法の二つの方法が考えられ 前者の方法により、 ルーペとして実際上重要なマイナス視度を得 るには、 凹面反射鏡を上方へ移動させることになる。 即ち凹面反射鏡を コンバイナーに近くなる方向へ移動させることになる。 そのためにも補 助レンズと凹面反射鏡との間は、 更に大きな間隔をとることが必要であ る。
また、 視度調節の方法として後者の方法をとる場合、 マイナス視 度を得るには、 映像表示手段を下方へ移動させ、 これが補助レンズに近 づく方向に移動させる必要があり、 補助レンズと光学系の結像面である 映像表示手段の間もスペースをとる必要がある。
一方、 映像表示手段の拡大像の拡大率を上げるには凹面反射鏡と 補助レンズの合成焦点距離を短くする必要がある。 この合成焦点距離を 短くすると凹面反射鏡と光学系全体の結像点である映像表示手段とが接 近することになり、 両者間のスペースをとることと相容れない関係にな る。
以上述べた関係を併立させるため、 本発明の光学系は、 前記の条 件式 （1) 、 （2) を満足するようにした。
条件式 （1) の値が 1. 0になると、 即ち凹面反射鏡が光学系全 体のパワーを占めるとき、 補助レンズのパワーは 0になり、 平行平面板 になる。 又 （1) の値が 1. 0未満の時、 補助レンズは弱い凸レンズに なる。 （1) 式の値が上限に近くなる程凹面反射鏡と映像表示手段とが &し、 凹面反射鏡と補助レンズとの間および補助レンズと映像表示手 段との間のスペースを確保することが困難になるが、 視度調節なしの系 にする場合等には有利である。 しかし一般には （1) 式の値は 0· 95 以下がより望ましい。
一方 （1) 式の下限以下になると素子間隔は十分得られるが映像 表示手段より著しく斜め方向に発する光を観察者の眼が受けることにな り、 映像表示手段として LCDのように指向特性の強いものを用いた場 合、 系としての性能が劣化する。 また、 補助レンズのパワーが強くな り、 色収差が問題になる。
このような理由から （1 ) 式のより望ましい範囲としては、 0. 85〜0. 95である。
( 2 ) の条件式は前記のようにコンバイナ一の開口を必要な値に するための条件である。 視度調節手段として凹面反射鏡 6を上下させる 方法をとつた場合は、 （2) 式の上限近くを、 又映像表示手段を上下さ せる方法をとつた場合は、 下限に近い値を選ぶ必要がある。
補助レンズは、 （1) 式に伴う系のパワー配分や収差補正として の役割の外、 L CDより直接眼に達する迷光を遮断する役割や防塵の役 割も兼ねている。
次に、 本発明の光学系は、 単純な構成であるため、 パワー配分を 決めると積極的収差補正は殆ど不可能になる。 そのため、 凹面反射鏡又 は補助レンズあるいはその両方に非球面を導入することは効果的であ る。 この場合、 補助レンズが平行平面板であっても非球面の導入は可能 である。
凹面反射鏡に主パワーが存在するので光学系のペッツバール和は 負になり、 像面は過剰側に湾曲する。 そこで非球面の導入により負側へ 像面を補正することになり、 凹面反射鏡の非球面度が特に重要になる。
次に本発明の光学系中に非球面を導入する場合の、 その望ましい 形状について説明する。
本発明の光学系に用いる非球面としては、 下記の式 （3) にて表 わされる楕円回転面 と下記の式 （4) にて表わされる楕円回転面 S の二つの面の間に入る非球面である。
Figure imgf000015_0001
ここで k，C2= 7. 5 x 1 0
Figure imgf000015_0002
ここで k2C2= 1. 0 x 1 0 3
尚上記の （3)式、 （4) 式において k,， k2は非球面係数、 C は面の曲率 （曲率半径の逆数） である。
このようにして、 （3) 、 (4) にて夫々表わされる二つの楕円 回転面 S，および S 2の間にすベての面が存在するような所定の非球面を 凹面反射鏡の凹面として用いれば、 諸収差をバランス良く補正すること が出来る。
非球面がその非球面度が弱く楕円回転面 S ,よりも楕円回転面 S 2 の側とは反対側 （曲率 Cの球面の側） に位置する面になると、 補助レン ズとの組み合わせにより像面湾曲に由来する非点収差やコマ収差は補正 可能である力 歪曲収差が観察者より見て強く糸巻き状になり、 また、 映像表示手段の指向特性と著しく相反する結果となる。 逆に非球面度が 強すぎて回転楕円面 S 2を越えると映像表示手段の指向特性に対しては 良くなる反面、 諸収差の補正が困難になる。
凹面反射鏡のみを上記の両楕円回転面 と s 2の間にある非球面 にしたとき光学系の収差補正を行なうことが出来るカ、 補助レンズにも 非球面を用いれば、 更に収差を良好に補正出来る。
更に補助レンズのみに非球面を導入し、 凹面反射鏡を球面として も収差を良好に補正できるがサジ夕ル像面の残存がやや大き t、。
本発明のディスプレ用光学系は、 第 5図に示す通りの構成で、 映 像表示手段 1、 コンバイナー 3、 凹面反射鏡 6、 補助レンズ 7とより構 成されている。 尚 4は観察者の眼である。
この光学系において、 映像表示手段 1よりの光は、 補助レンズ 7 とコンバイナー 3を透過し、 凹面反射鏡 6により反射され更にコンバイ ナー 3にて反射されて眼 4の方向に進む。 これにより観察者にて映像表 示手段 1の拡大像が観察される。 又外界よりの光 1 0は、 ガラス窓 8を 通って入射され、 コンバイナー 3を透過し眼 4に向けられる。 このよう に観察者は外界の像も観察し得る。 即ち、 映像表示手段 1の拡大像と外 界の像とを重ね合わせて観察し得る。
本発明の光学系は、 第 5図の通り少な t、素子よりなりかつコ ンパ ク 卜な構成である。 更に次に示す第 1〜第 5の実施例データーのよう に、 条件式を満たす等の前述の要件を備えることにより、 コ ンパク 卜性 を保ったまま、 広い見掛けの視野で収差の補正をされた良好な画像での 観察が可能である。
第 1実施例 面番号 曲率半径 （mm) 面間隔 （mm) 屈折率 ァッべ数
1 0.000 26.0000 1.00000
2 0.000 -12.5000 -1.00000
3 57.971 20.5000 1.00000
4 36.354 2.6000 1.49194 56.09 5 0.000 5.8688 1.00000
非球面係数 r
aw K=0.2073932
Α2 = 0.7371736 xlO"6
A3 = -0.1855806x 10'
A,=0.3400349 xlO"12 第 4面 K=-0.6006190
A2 =-0.3082918x10"
A3 = 0.1129399x10 s
A4 = 0.1861033 xlO-9 f /f R=0. 897
d/f R=0. 707
第 2実施例
面番号 曲率半径 （mm) 面間隔 （mm) 屈折率 アッベ数
1 0.000 26.0000 1.00000
2 0.000 -12.5000 -1.00000
3 61.177 20.5000 1.00000
28.124 3.5000 1.49194 56.09 0.000 6.2293 非球面係数
第 3面 K=0.8034292
A 2=0.3128657x 106
A3=- 0.1860154 x 10 第 4面 K=-0.1011022x 10
Α2=-0.2110857x 10"'
A3 = 0.1310162xlOf f /f R = 0.850
d/f R = 0.670
第 3実施例
面番号 曲率半径 （mm) 面間隔 （mm) 屈折率 アツベ数
1 0.000 26.0000 1.00000
2 0.000 -12.5000 -1.00000
3 57.971 20.5000 1.00000
4 36.354 2.8000 1.49194 56.09 5 0.000 5.8688 1.00000
非球面係数
05面 K=-0.5609107
Α2 = 0.7626161 x 106
Α3 = -0.1936394 x 10
Α4 = -0.4240364x 10 ί / ϊ η = 0.897
d/f R = 0.707 第 4実施例
面番号 曲率半径 （mm) 面間隔 （mm) 屈折率 ァッべ数
1 0.000 26.0000 1.00000
2 0.000 -12.5000 -1.00000
3 57.971 20.5000 1.00000
4 36.354 2.6000 1.49194 56.09 5 0.000 5.8688 1.00000
非球面係数
第 4面 K = 0.1556867x 10
Α2=-0.3047007 x 10 Α3 = 0.5961372 106
Α4 = -0.3985710 lO 8 Α5 = 0.9794985x 10" f f R = 0.897
d f R = 0.707
第 5実施例
面番号 曲率半径 （mm 面間隔 (mm) 屈折率 アッベ数
1 0.000 26.0000 1.00000
2 0.000 -16.1100 -1.00000
3 59.001 24.1100 1.00000
4 19.697 3.5000 1.49194 56.09
5 0.000 2.4048 1.00000
非球面係数
^ 3 tH K = -0.5219198
Α2 = =0.1451053x 10 13
A3 = -0.5070955 xlO"8 A, = 0.1545496 xlO'0 As = -0.1811484 x 10-' 第 4面 K=-0.1000000 xlO2 f / f R = 0.881
d/ f R = 0.817
これらのデーターで面番号 1は観察者の眼、 2はコンパ'イナ一、 3は凹面反射鏡、 4は補助レンズのコンバイナー側の面、 5は補助レン ズの映像表示手段側の面の位置である。 又間隔、 屈折率のマイナス符号 は光が逆向きに進むことを意味する。
これら実施例の凹面反射鏡の非球面のサグ値および、 楕円回転面 S lT S2のサグ値は、 下記の通りである。 尚第 4実施例は、 凹面反射鏡 が球面の例で、 上のサグ値は記載していない。
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000022_0001
sz
9ί 2一9/6 OAV
Figure imgf000023_0001
00000
0 ミ卜
91B80
N sooo
Figure imgf000024_0001
i 上に示す各実施例は、 前述の条件式を満足することはデーターか ら明らかである。 又各実施例の非球面は、 そのサグ値と楕円回転面
S , , S 2のサグ値とから面 S s 2の間にあることが明らかである。 又 第 6図乃至第 1 0図の収差図からは、 諸収差がバランス良く補正されて いることがわかる。 尚収差図は眼側より光線を入れて結像させた時の図 で、 瞳孔の縁までの高さを縦軸の最大値にしてある。
実施例中の非球面形状は次の式で表わされる。
Cy2
W卜 (k+ DCy 次に本発明のディスプレー用光学系において、 一層高倍率な 構成にするためには、 拡大反射鏡としてフレネル反射鏡を用いることが 望ましい。 即ち、 拡大反射鏡として凹面反射鏡を用いた場合、 その反射 面は凹面であるため、 光軸反射点に対して凹面反射鏡の周辺部はコンパ イナ-に ¾ά£する。 この凹面の深さ （サグ） は、 径の倍率を上げる場合 に障害となる。 光学系倍率を上げるためには、 凹面反射鏡の焦点距離 f Rを小さくする必要があるので、 サグはより深くなる。 一方、 コンパ イナ一は、 視野角のためにむしろ大きくする必要があり、 これら点から 光学系を配置するためのスペースは大きくならざるを得ない。
そこで、 この点を解決するものとして、 拡大反射鏡としてフレネ ル反射鏡を用いる構成とすれば、 上記サグ量が実質的にゼロとなり、 極 めて有効である。 即ち、 本発明のフレネル反射鏡を用いた光学系は、 前 記コンバイナーに関して前記の映像表示手段と、 反対側に配置された凹 面反射鏡をフレネル反射鏡としたもので、 下記の条件式 （5 ) 、 ( 6 ) を満足するものである。
( 5 ) 0 . 8 < ί / ί ≤ l . 0 2
(6) 0. 65 < d/ f R< 0. 95
上記条件式 （5) 、 (6) を設定した理由は、 前述の一般の凹面 反射鏡を用いた場合の条件式 （1) 、 （2) とほぼ同様の理由にもとづ く もので、 下記の理由による。
条件式 （5) の値が 1. 0になると、 即ち凹面反射鏡が光学系全 体のパワーを占めるとき、 補助レンズのパワーは 0になり、 平行平面板 になる。 又 （5) の値が 1. 0未満の時、 補助レンズは弱い凸レンズに なる。 （5) 式の値が上限に近くなる程フレネル反射鏡と映像表示手段 とが接近し、 フレネル反射鏡と補助レンズとの間および補助レンズと映 像表示手段との間のスペースを確保することが困難になるが、 視度調節 なしの系でしかも倍率を出来るだけ大にする場合には有利である。
一方 （5) 式の下限以下になると素子間隔は十分得られるが映像 表示手段より著しく斜め方向に発する光を観察者の眼が受けることにな り、 映像表示手段として LCDのように指向特性の強いものを用いた場 合、 系としての性能が劣化する。 また、 補助レンズのパワーが強くな り、 色収差が問題になる。
このような理由から （5) 式のより望ましい範囲としては、 0. 85〜1. 0である。
( 6 ) の条件式は前記のようにコンバイナーの開口を必要な値に するための条件である。 視度調節手段としてフレネル反射鏡 6を上下さ せる方法をとつた場合は、 （6) 式の上限近くを、 又映像表示手段を上 下させる方法をとった場合は、 下限に近 t、値を選ぶ必要がある。
補助レンズは、 （5) 式に伴う系のパワー配分の役割の外、 L C Dより直接眼に達する迷光を遮断する役割や防塵の役割も兼ねてし、 る。
又、 前記のフレネル反射鏡を用いたディスプレー用光学系におい て、 収差を一層補正するために非球面を導入する場合、 フレネル面を連 続した単一面に復元した場合の非球面の形状は、 下記の式 （7) にて表 わされる楕円回転面 S3と、 下記の式 （8) にて表わされる楕円回転面 S4の二つの面の間に入る非球面であることが望ましい。
Cy2
(7)
1+ -(k3+l)CV こで k3C2 =— 7. 5 x 1 0
Figure imgf000027_0001
ここで k<C2=— 1. O x l O—3
尚上記の式 （7) 、 (8) において、 k3、 k4は非球面係数、 C は面の曲率である。
上記のような、 フレネル反射鏡を用いる場合、 凹面反射鏡を用い た場合とは異なり、 ペッツバール和が負になる要因がなくなる。 そのた め通常の屈折光学系と同様に、 像面は補正不足の方向に湾曲する。 した がって、 フレネル面 （フレネル凹面） に導入する非球面は、 像面を正の 側へ補正する方向になる。
そのため本発明で用いる非球面は、 フレネル面を連続した単一面 に復元したときに、 前記の式 （7) にて表わされる楕円回耘面 S3と式 (8) にて表わされる楕円回転面 S4との二つの面の間に入る非球面で あることが望ましい。
本発明のディスプレー用光学系で、 一層の高倍率化のためにフレ ネル反射鏡を用いた光学系の実施例について説明する。 第 1 1図は、 本発明のフレネル反射鏡を用いた光学系の構成を示 す図で、 1は映像情報手段、 3はコンバイナー、 4は観察者の眼、 7は 補助レンズ、 8はフレネル反射鏡、 9は防塵用の透明な平行平面板であ 。
この図に示す光学系も、 映像情報手段 1より発する光は、 補助レ ンズ 7とコンバイナー 3を透過した後、 フレネル反射鏡 8にて反射され コンバイナー 3にて更に反射されて観察者の眼に達する。 これにより映 像情報手段 1の画像は、 観察者により拡大観察される。 一方外界の光 1 0はコンパ'イナ一 3を透過し観察者の眼 4に達し、 映像情報手段】の 拡大像と外界の映像とが重ね合わせられて観察される。
このフレネル反射鏡を用いた第 1 1図に示す光学系は、 通常の凹 面反射鏡を用いた第 5図に示す光学系と比較して極めて小型化し得るこ とは明らかである。 しかも、 フレネル反射鏡の曲率半径を小にして拡大 率を高く しても光学系が大型化することはない。
このフレネル反射鏡のフレネル面を連続単一面に復元した場合の 面を非球面とすることにより、 前述のように光学系の諸収差を良好に補 正して、 極めて良好な拡大像での観察が可能になる。 その場合の非球面 形状は、 前述のように条件式 （7 ) にて表わされる楕円回転面と条件式 ( 8 ) にて表わされる楕円回転面の間に入る面である。
フレネル反射鏡を非球面にする場合、 その非球面を連続単一面に 復元した時の形状が前記の式 （7 ) にて表わされる楕円回転面 S 3と式 ( 8 ) にて表わされる楕円回転面 S 4の二つの面の間に入る非球面であ ることが望ましい。
前述のように、 フレネル反射鏡を用いるのは、 光学系の倍率を高 くする時にスペース不足を生ずるのを解消するためである。 そのため、 映像情報手段は、 コンパ'イナ一の方向に接近し、 補助レンズとの間隔も 2フ 小になる。 この場合、 補助レンズのパワーは小になり、 前記条件式
( 5 ) の f / f Rは限りなく 1に近づく。 それは、 補助レンズにパワー を持たせると映像情報手段の指向特性と著しく矛盾することになるため である。 そして f Z f R = 1になると補助レンズは、 平行平面板とな る。 平行平面板であってもその面に非球面を導入することは出来る。
本発明のフレネル反射鏡を用いた光学系において、 その収差が一 層良好になるようにするためには、 平行平面板 9の少なくとも一方の面 を非球面にすることが考えられる。 この場合の非球面は、 外界からの光 1 0がこの平行平面板 9を透過した後に観察者の眼 4に達するため、 こ の外界からの光 1 0にも影響を及ぼす。 つまり、 外界からの像を非球面 を通して観察する結果、 歪んで見える。 したがって平行平面板 9に形成 する非球面は、 外界の像に著しい歪みを発生させない程度の弱い非球面 であることが望ましい。
この平行平面板にて用いる非球面は、 光軸を中心とする直径 2 2 mmの範囲内で平面に対するサグ量が絶対値で 0 . 0 5 mm以内の 非球面であることが望ましい。
もし、 サグ量の絶対値が 0 . 0 5 mmを越える非球面を用いる場 合は、 フレネル反射鏡の非球面と合わせて収差補正がなされ、 光学系の 収差を極めて良好に補正出来、 映像情報の拡大像の質を一層向上させる ことが出来る。 しかし前記の歪みが大になり好ましくない。 また、 光学 系の外界側にも平行平面板を設けておき、 この平行平面板に前記の平行 平面板 9の非球面による影響を打ち消す作用を有する非球面を用いるよ うに構成してもよい。
次にフレネル反射鏡を用いた本発明光学系の実施例を示す。
第 6実施例
面番号 曲率半径 （mm) 面間隔 （m nr) 屈折率 アッベ数 ：1
1 0.000 11.7000 1.00000
2 0.000 1.5000 1.49149 56.09 3 0.000 11.7500 1.00000
4 0.000 11.0000 1.00000
5 43.333 19.5600 1.00000
6 0.000 1.5000 1.49149 56.09 7 0.000 0.8647 1.00000
非球面係数 第 2面 K = 0
A 2 =-1.556534 xlO'5
A 3 = 2.850750 x 107
A4 =-1.380076 xl0"sx 10"
第 5面 K =-9.494072x10-'
A 2 = -4.039607x10"'
A3= 1.789172X109
A, = -1.80002xl0"12 d/f R=0. 903
第 7実施例
面番号 曲率半径 （mm) 面間隔 （mm) 屈折率 アッベ数
1 0.000 11.7000 1.00000
2 0.000 1.5000 1.49149 56.09 3 0.000 11.7500 1.00000
4 0.000 -11.0000 1.00000
5 43.333 19.5600 1.00000 6 0.000 1.5000 1.49149 56.09
7 0.000 0.8646 1.00000
非球面係数
第 1面 K =0
A 2 = 0.9103500 xlO"6
A3 = 0.1572960 x 10— 6
A, = 0.6706500XI0-9
第 3面 K =-0.9437329
Α2 = 0.2296511 x 106
Α3 = 0.8375823 xlO—9
A =-0.5532406 xlO12
f /f R= 1
d/f R=0. 903
これらのデーターで面番号 1は観察者の眼、 2、 3は夫々眼側の平 行平面板の眼側及びコンバイナー側の面、 4はコンバイナー、 5はフレ ネル反射鏡、 6は補助レンズのコンバイナー側の面、 7は補助レンズの 映像表示手段側の面の位置である。 又間隔、 屈折率のマイナス符号は光 が逆向きに進むことを意味する。
第 6、 第 7実施例は、 いずれもフレネル反射鏡を用いそのフレネ ル面がそれを連続した単一面に復元した時に非球面であり、 これにより 収差補正を行なうと同時に眼側の平行平面板の眼側の面を非球面とし、 これによりフレネル反射鏡の非球面による収差補正を補って良好な像で の観察が出来るようにしている。 これら実施例のうち、 第 6実施例は、 眼側の平行平面板の非球面のサグ量の絶対値が 0. 05 mm以下であつ て、 観察者がこの平行平面板を透して外界を観察しても歪みは極めて小 さく観察に支障はない。 又第 7実施例は、 眼側の平行平面板の非球面のサグ量を大きく し て光学系全体の収差が一層少なくなるようにしたもので、 この平行平面 板を透して外界を観察した場合、 像が若干歪んで見える。 この問題を解 決するために、 この実施例では、 前述のような眼側の平行平面板の非球 面による収差を打ち消すために外界側つまりコンバイナーよりも外界側 に設けられた平行平面板にも非球面を導入してある。 これによつて、 映 像表示部による映像を収差の少ない良い画像にて観察すると共に非球面 による影響のない外界の像を重ね合わせて観察出来る。
これら第 6、 第 7実施例のフレネル反射鏡の非球面のサグ値およ び、 楕円回転面 S 3， S 4のサグ値は、 下記の通りである。
Figure imgf000033_0001
¾ H 32 眼側平行平面板 （第 2面）
yfct)の値 サグ値
0 .00000 0 .00000
1 .00000 -0 .00002
2 .00000 -0 - 00023
3 .00000 -0 .00106
4 .00000 -0 • 00291
5 .00000 -0 .00581
6 .00000 - 0. 00919
1 00000 - 0. 01179
8. 00000 -0. 01218
9. 00000 - 0. 01003
10. 00COO -0. 00859
11. 00000 -0. 01870
i819sd 92/6 o一
οοοο
τΐ
Figure imgf000035_0001
3
ト
so 0 00000.
00000 第 6実施例及び第 7実施例における収差状況は、 第 1 2図及び第 1 3図に示す通りである。
次に、 前記第 6実施例及び第 Ί実施例において外界の像が非球面 を有する眼側の平行平面板の非球面による見えがどのようになるかを収 差により述べる。
下記のデ—ターは、 第 1 4図に示すような外界側から光を入射さ せてから眼までの間の系を示すもので、 第 6面として示されている眼の 位置に理想レンズを置いてある。
面番号 曲率 間隔 屈折率 ァッベ数
1 0. 000 1960. 1500
2 0. 000 2. 0000 1. 49194 56. 09
3 0. 000 25. 7500
4 0. 000 1. 5000 1. 49194 56. 09
5 0. 000 11. 7500
6 20. 000 20. 2020
7 0. 000 0. 0000
上記デ-タ -で、 第 6実施例は外界側の平行平面板には非球面が設 けられていな L、が、 第 7実施例は眼側の平行平面板の非球面の非球面量 が大であり、 そのため外界像がひずみ、 これを捕正するための非球面が 外界側の平行平面板に設けられている。 この第 7実施例の外界側の平行 平面板に設けられた非球面の非球面係数は下記のとうりである。 尚、 第 4面は、 前記第 6実施例及び第 7実施例で示した非球面である。
第 3面 K = 0
A 2 = 7. 548915 x lO 9
A 3 = -7. 011273 x lO 9
A 4 = 1. 160533 x lO 12 上記データ—の収差図つまり外界から一 0 . 5ディオプターの位 置から光を入射させ外界側平行平面板を通り眼側平行平面板を通つて無 収差の理想レンズにより結像させた時の収差図は、 第 1 5図乃至第 1 7 図に示す通りである。 これら収差図のうち第 1 5図は第 6実施例におい て上記外界からの光による収差、 第 1 6図は第 7実施例で外界側の平行 平面板に非球面を設けないもの、 第 1 7図は第 7実施例で外界側平行平 面板に上記非球面係数を有する非球面を設けたものの収差を示す。
図に示すように、 第 6実施例では外界の像を見た時あまり収差の 無い像で観察できる。 また第 7実施例では眼側の平行平面板の非球面に より収差が大である。 しかし、 この第 7実施例の外界側の平行平面板に 非球面を設けることにより収差は小になる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明のへッ ドマウントディスプレー装置は、 小型で バランスのとれた構成であり使用上望ましい。 またその光学系は、 色収 差が殆どなく色収差以外の各収差もバランスの良い状態を保ち良好な像 での観察が出来また拡大反射鏡をフレネル反射鏡にすれば良い像を保つ たまま一層高倍率化及び小型化出来る。

Claims

請求の範囲
1 . 映像表示手段による画像を外界の像と重ね合わせて観察す るへッ ドマウン トディスプレーにおいて、 前記映像表示手段の画像から の光を透過及び反射するコンパイナ一と、 前記コンバイナーに関して前 記映像手段と反対側に配置された拡大反射鏡とよりなり、 前記映像表示 手段の画像からの光が前記コンパイナ一を透過し、 拡大反射鏡にて反射 の後コンバイナーにて反射されて観察者の眼の方向へ向けられ、 一方外 界よりの光はコンバイナーを透過して観察者の眼の方向へ向けられ、 こ れによって映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせて観察するよう にしたへッ ドマゥン 卜ディスプレー装置。
2 . 映像表示手段による画像を外界の像と重ね合わせて観察す るへッ ドマウン トディスプレーにおいて、 前記映像表示手段の画像から の光を透過及び反射するコンバイナーと、 前記コンバイナーに関して前 記映像手段と反対側に配置された拡大反射鏡とよりなり、 また、 前記映 像表示手段とコンパイナ一との間に収差補正用のパワーの弱いレンズを 配置する事により、 前記映像表示手段の画像からの光が it己収差補正用 レンズを透過の後、 前記コンパ'イナ一を透過し、 拡大反射鏡にて反射の 後コンパイナ一にて反射されて観察者の眼の方向へ向けられ、 一方外界 よりの光はコンバイナーを透過して観察者の眼の方向へ向けられ、 これ によって映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせて観察するように したへッ ドマゥン卜ディスプレー装置。
3 . 前記拡大反射鏡が凹面反射鏡であることを特徴とする請求 の範囲第 1項又は請求の範囲第 2項記載のへッ ドマゥン卜ディスプレ-
4 . 前記拡大反射鏡がフレネル反射鏡であることを特徴する請 求の範囲第 1項又は請求の範囲第 2項記載のへッ ドマウントディスプレ 3フ 一装置。
5. 映像表示手段と、 該映像表示手段よりの光を透過及び反射 させるコンバイナーと、 該コンバイナーに関し前記映像表示手段と反対 側に配置された凹面反射鏡と、 前記映像表示手段と前記コンパ'イナ—と の間に配置された補助レンズとよりなり、 前記映像表示手段の画像から の光は、 前記補助レンズと前記コンバイナーを通過し凹面反射鏡にて反 射された後に前記コンバイナーにて観察者の眼の方向に向けられ、 又外 界の光は前記コンバイナーを透過して観察者の眼の方向に向けられ、 映 像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学系で、 下記条件 式 （1 ) と （2) を満足するディスプレー用光学系。
0. 8 < f /f R≤ 1. 0 (1)
0. 6 δ < d/ f R< 0. 9 (2)
上記式で f は光学系全体の焦点距離、 f Rは凹面反射鏡のみの焦 点距離、 dは凹面反射鏡と補助レンズのコンバイナ一側の面の 0ディォ プタ一時の間隔である。
6. 凹面反射鏡が次の式 （3) で表わされる楕円回転面 と 式 （4) で表わされる楕円回転面 S2との間に存在する非球面である請 求の範囲第 5項記載のディスプレー用光学系。
Cr
" y (3)
l+Vl-{k,+ l)CV
こで k,C2=7. 5 x 1 0
― Cr =
(4)
1+ 】— (k2+l)C:y:
ここで k2C:= l. 0 x 10 尚上記の （3) 式、 （4) 式において k,， k2は非球面係数、 C は面の曲率 （曲率半径の逆数） である。
7. 映像表示手段と、 該映像表示手段よりの光を透過及び反射 させるコンバイナーと、 該コンバイナーに関し上記映像表示手段と反対 側に配置されたフレネル反射鏡と、 前記映像表示手段と前記コンパイナ —との間に配置された補助レンズとよりなり、 上記映像表示手段の画像 からの光は、 前記コンバイナーを通過しフレネル反射鏡にて反射された 後に前記コンバイナーにて観察者の眼の方向に向けられ、 又外界の光は 前記コンバイナーを透過して観察者の眼の方向に向けられ、 映像表示手 段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学系で、 下記条件式 （5) と （6) を満足するディスプレー用光学系。
0. 8 < f / f R≤ 1. 0 (5)
0. 65<d/f R< 0. 95 (6)
上記式で ίは光学系全体の焦点距離、 f Rはフレネル反射鏡のみ の焦点距離、 dはフレネル反射鏡と補助レンズのコンバイナー側の面の 0ディオプター時の間隔である。
8. フレネル反射鏡を連続単一面に復元した場合のが次の式 (7) で表わされる楕円回転面 S3と式 （8) で表わされる楕円回転面 S4との間に存在する非球面である請求の範囲第 7項記載のディスプ レー用光学系。
—― (7)
l+、l-(k,+ l)C
ここで k3C2=— 7. 5 x 1 0 z=- Cy2 (8)
l+^l-d^+DCV ここで k4C2=— 1. 0 x 1 (Γ3
尚上記の （7) 式、 （8) 式において ， k ま非球面係数、 C は面の曲率 （曲率半径の逆数） である。
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