CN105593745B - 头戴式显示器用光学***和头戴式显示器 - Google Patents

头戴式显示器用光学***和头戴式显示器 Download PDF

Info

Publication number
CN105593745B
CN105593745B CN201480054292.5A CN201480054292A CN105593745B CN 105593745 B CN105593745 B CN 105593745B CN 201480054292 A CN201480054292 A CN 201480054292A CN 105593745 B CN105593745 B CN 105593745B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
axis
light
optical
free
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201480054292.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105593745A (zh
Inventor
渡边畅章
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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 Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Publication of CN105593745A publication Critical patent/CN105593745A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105593745B publication Critical patent/CN105593745B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • G02B13/16—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use in conjunction with image converters or intensifiers, or for use with projectors, e.g. objectives for projection TV
    • 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
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • 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
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0273—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G02B5/0294—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use adapted to provide an additional optical effect, e.g. anti-reflection or filter
    • 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
    • G02B2027/0112—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display
    • G02B2027/0116—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display comprising devices for correcting chromatic aberration
    • 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
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices
    • 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
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/0152—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get lighter or better balanced devices
    • 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
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Abstract

头戴式显示器用光学***从光源侧开始依次具有：光偏转元件，其使来自光源的光的行进方向变化；第1透镜组，其作为整体具有正的屈光力，由关于光轴旋转对称地形成的多个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成，会聚经由光偏转元件入射的光；第2透镜组，其由配置在由第1透镜组形成的中间像的成像位置附近的、具有正的屈光力的1个透镜构成；第3透镜组，其由关于光轴旋转对称地形成的1个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成；以及光反射元件，其是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过第3透镜组后的光反射的反射面，头戴式显示器用光学***构成为，根据由光偏转元件引起的来自光源的光的行进方向的变化，在由反射面反射并到达假定位于使用者的视网膜上的描绘面上的光在描绘面上移动，在描绘面上描绘图像。

Description

头戴式显示器用光学***和头戴式显示器
技术领域
本发明涉及头戴式显示器用光学***和头戴式显示器。
背景技术
公知有头部搭载型的显示器(head-mounted display，头戴式显示器)(参照专利文献1)。在头戴式显示器中，例如有如下构成的头戴式显示器：通过使用检流计镜等的光偏转元件而使来自光源的光高速移动，在视网膜上描绘图像。当要使用这样的头戴式显示器提高光学性能时，透镜的个数增加，此外为了充分校正色像差而不得不使用比重大的玻璃，导致光学***的大型化和重量化，从而使用便利性和设计性显著受损。特别是，仅对于如球面透镜那样旋转对称透镜元件来说，这样的倾向变强。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利第3382683号公报
发明内容
发明要解决的课题
这样，在现有的头戴式显示器中，难以同时实现小型轻量化和光学性能两者。
用于解决问题的手段
根据本发明的第1方式，头戴式显示器用光学***从光源侧开始依次具有：光偏转元件，其使来自光源的光的行进方向变化；第1透镜组，其作为整体具有正的屈光力，由关于光轴旋转对称地形成的多个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成，会聚经由光偏转元件入射的光；第2透镜组，其配置在由第1透镜组形成的中间像的成像位置附近，由具有正的屈光力的1个透镜构成；第3透镜组，其由关于光轴旋转对称地形成的1个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成；以及光反射元件，其是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过第3透镜组后的光反射的反射面，头戴式显示器用光学***构成为，根据由光偏转元件引起的来自光源的光的行进方向的变化，由反射面反射并到达假定位于使用者的视网膜上的描绘面上的光在描绘面上移动，在描绘面上描绘图像。
根据本发明的第2方式，优选的是，在第1方式的头戴式显示器用光学***中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y轴，将与z轴和y轴垂直的坐标轴设为x轴时，构成第2透镜组的透镜中的至少一方的透镜面由在x轴方向上具有非球面形状的X环形面构成。
根据本发明的第3方式，优选的是，在第2方式的头戴式显示器用光学***中，构成第2透镜组的透镜的光反射元件侧的透镜面由X环形面构成，当设x轴方向的曲率半径为Rx，设y轴方向的曲率半径为Ry时，满足实施方式的式(6)。
根据本发明的第4方式，优选的是，在第1～3中任一方式的头戴式显示器用光学***中，构成第2透镜组的透镜具有作为扩散板的功能，该扩散板具有凸向光反射元件侧的弯月形状，而且接近中间像的成像位置的透镜面使来自光源的光扩散，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过第1透镜组与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y轴，在构成第2透镜组的透镜中，设具有作为扩散板的功能的透镜面的y轴方向的曲率半径为Ry1，设该透镜面相反侧的透镜面的y轴方向的曲率半径为Ry2时，满足实施方式的式(7)。
根据本发明的第5方式，优选的是，在第1～4中任一方式的头戴式显示器用光学***中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y轴，将与z轴和y轴垂直的坐标轴设为x轴，在第3透镜组中，定义以自由曲面透镜的透镜面和光轴的交点为原点的坐标系(x，y，z)，将在自由曲面透镜的透镜面的垂度量z由x、y的多项式表示的情况下的自由曲面透镜的旋转对称透镜侧的透镜面的x的2乘项的系数设为fC4、将x的4乘项的系数设为fC11、将y的2乘项的系数设为fC6、将y的4乘项的系数设为fC15、将该透镜面相反侧的透镜面的x的2乘项的系数设为rC4、将x的4乘项的系数设为rC11、将y的2乘项的系数设为rC6、将y的4乘项的系数设为rC15，定义实施方式的式(8)和(9)时，满足实施方式的式(10)，而且，在第3透镜组中，设旋转对称透镜中的自由曲面透镜侧的透镜面的曲率半径为Rrot，设旋转对称透镜与自由曲面透镜之间的光轴上的距离为D时，满足实施方式的式(40)和(41)。
根据本发明的第6方式，优选的是，在第1～5中任一方式的头戴式显示器用光学***中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y轴，将与z轴和y轴垂直的坐标轴设为x轴，在第1透镜组中，定义以自由曲面透镜的透镜面和光轴的交点为原点的坐标系(x，y，z)，将在自由曲面透镜的透镜面的垂度量z由x、y的多项式表示的情况下的x的2乘项的系数设为C4、将y的2乘项的系数设为C6时，在自由曲面透镜的前后双方的透镜面中满足实施方式的式(43)。
根据本发明的第7方式，优选的是，在第1～6中任一方式的头戴式显示器用光学***中，当设第1透镜组整体的焦距为f1，设光偏转元件与光反射元件之间的光轴上的距离为L时，满足实施方式的式(44)。
根据本发明的第8方式，优选的是，在第1～7中任一方式的头戴式显示器用光学***中，设相对于d线的折射率为Nd，设相对于F线的折射率为NF，设相对于C线的折射率为NC，根据实施方式的式(47)来定义阿贝数υd，当设第1透镜组的多个旋转对称透镜中的阿贝数υd的差的最大值为Δυd1，设第3透镜组的旋转对称透镜与自由曲面透镜中的阿贝数υd的差为Δυd2时，满足实施方式的式(45)和(46)。
根据本发明的第9方式，优选的是，在第1～8中任一方式的头戴式显示器用光学***中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y轴，设y轴的负方向是光反射元件使光轴折弯一侧的方向时，在光反射元件中，当将到达反射面的光线中与图像的4角对应的视场角的主光线的到达位置4点连结而形成的图形是梯形形状，设梯形形状的底边中y轴的正方向侧为上底，设负方向侧为下底，设上底的长度为Lup，设下底的长度为Lund时，满足实施方式的式(48)。
根据本发明的第10方式，优选的是，在第1～9中任一方式的头戴式显示器用光学***中，光反射元件由透射光的材质构成，构成为能够使从反射面相反侧的面入射的光透射，与由透射光反射元件而到达描绘面上的光所成像的像重合地图像被描绘在描绘面上。
根据本发明的第11方式，头戴式显示器具有第1～10中任一方式的头戴式显示器用光学***。
发明的效果
根据本发明，能够得到小型轻量优异的光学性能。
附图说明
图1是说明头戴式显示器的结构的图。
图2是说明在y－z平面中的头戴式显示器用光学***的结构的图。
图3是说明在x－z平面中的头戴式显示器用光学***的结构的图。
图4是说明局部坐标系的一例的图。
图5是头戴式显示器用光学***的横向像差图。
图6是头戴式显示器用光学***的横向像差图。
图7是头戴式显示器用光学***的横向像差图。
图8是头戴式显示器用光学***的畸变像差图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。图1是说明具有本发明的一实施方式的头戴式显示器用光学***(以下称为HMD用光学***)LS的头戴式显示器DSP的概略结构的图。头戴式显示器DSP构成为具有：眼镜型框架FL、光源单元SU、以及投影单元PU。眼镜型框架FL保持着光源单元SU和投影单元PU而与光源单元SU和投影单元PU一起装设在使用者的头部。光源单元SU根据从外部输入装置(未图示)输入的图像信息生成图像信号，将与该图像信号对应的强度的激光(以下也称为“图像光”)射出到投影单元PU。
投影单元PU在二维方向上扫描从光源单元SU射出的图像光，并投射到使用者的眼E。由此，在头戴式显示器DSP的装设时，图像光在二维方向上被扫描，图像被投影到使用者的眼E的视网膜上，使用者可以目视辨认与图像信号对应的图像。并且，在投影单元PU上，在与使用者的眼E对置的位置设置有半反射镜HM。外部光线La透过半反射镜HM而入射到使用者的眼E，从投影单元PU射出的图像光Lb由半反射镜HM反射而入射到使用者的眼E。由此，使用者可以使由图像光Lb产生的图像与由外部光线La产生的外景重合来目视辨认。
投影单元PU具有HMD用光学***LS。以下，对该HMD用光学***LS进行具体说明。
图2和图3是说明HMD用光学***LS的结构的图。图2示出y－z平面内的结构，图3示出x－z平面内的结构。HMD用光学***LS从射出上述图像光的光源(未图示)侧开始依次具有：光偏转元件M1、第1透镜组G1、第2透镜组G2、第3透镜组G3、以及光反射元件M2。
光偏转元件M1使来自上述光源的光的行进方向变化。另外，为了容易说明，在图2和图3中，使用以多种入射角通过光圈(将该光圈表示为光偏转元件M1)的光来表示在光偏转元件M1中光的行进方向变化的状况。
第1透镜组G1作为整体具有正的屈光力，由关于光轴旋转对称地形成的2个旋转对称透镜L11、L12和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜13构成，对经由光偏转元件M1入射的光进行会聚。
第2透镜组G2由配置在第1透镜组G1所形成的中间像的成像位置(中间成像位置)附近的、具有正的屈光力的1个透镜L21构成。
第3透镜组G3由关于光轴旋转对称地形成的1个旋转对称透镜L31和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜L32构成。
光反射元件M2是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过第3透镜组G3后的光反射的反射面。另外，在本实施方式中的头戴式显示器DSP中，光反射元件M2相当于图1中的半反射镜HM。
在HMD用光学***中构成为，根据由光偏转元件M1引起的来自光源的光的行进方向的变化，在光反射元件M2的反射面反射而到达假定位于使用者的视网膜处的描绘面I上的光在描绘面I上高速移动，在描绘面I上描绘了图像。
HMD用光学***LS通过使从光源射出且由光偏转元件M1改变了行进方向、且透过第1透镜组G1～第3透镜组G3后的光在光反射元件M2朝斜方向反射并使该光的光路折弯，可以使整体小型化。并且，HMD用光学***LS通过设置关于光轴旋转非对称的自由曲面透镜(第1透镜组G1的自由曲面透镜L13和第3透镜组G3的自由曲面透镜L32)，可以校正通过在光反射元件M2使来自上述光源的光朝斜方向反射产生的旋转非对称的像差，而且减少透镜个数并使整体轻量化。
这里，对本实施方式的说明中使用的各种定义进行说明。首先，对HMD用光学***LS的各透镜和反射面中的三维正交坐标系(局部坐标系)进行说明。例如如图4所示，将各透镜和反射面的局部坐标系设定为以各透镜面或反射面与光轴的交点为原点的(x，y，z)坐标系(右手系)。假定局部坐标系的z轴是光偏转元件M1与光反射元件M2之间的光轴方向的坐标轴。z轴的正方向是从光偏转元件M1朝向光反射元件M2的方向。假定局部坐标系的y轴是在通过光偏转元件M1与光反射元件M2之间的光轴以及光反射元件M2与描绘面I之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴。假定y轴的负方向是光反射元件M2折弯光轴一侧的方向。假定局部坐标系的x轴是与z轴和y轴垂直的坐标轴。将包含x轴和z轴的面称为x－z平面，将包含y轴和z轴的面称为y－z平面，将包含x轴和y轴的面称为x－y平面。
另外，在HMD用光学***LS中，假定光轴是通过各旋转对称透镜的曲率中心、由光反射元件M2的反射面反射(依照反射的法则)、且贯通使用者的眼的中心点的1根轴。
并且，对于关于光轴旋转对称的非球面，由下式(1)定义。在式(1)中，Z是平行于光轴的面的垂度(sag)量，c是曲率(中心在光轴上)，K是圆锥系数，h是距离光轴的与其垂直的距离，A4～A20是h的各幂级数项相关的系数。
[数式1]
【数1】
而且，关于X环形面，如下定义。X环形面是x轴方向的曲率Xc与y轴方向的曲率Xy不同的面。根据该条件，考虑在x－z平面内由下式(2)表述的面。在式(2)中，Z是X环形面中的x－z平面的垂度量，Xc是曲率(中心在光轴上)，K是圆锥系数，x是x轴方向的距离，T4～T10是x的各幂级数项相关的系数。
[数式2]
【数2】
X环形面是使配置在从局部坐标系的原点在y轴方向移动了曲率半径Ry的位置处的、以平行于x－z平面的旋转轴为中心、由式(2)表述的面旋转而成的面。
而且，对于关于光轴旋转非对称的自由曲面，由下式(3)定义。式(3)表示通过由x和y的组合而成的多个项形成的x－y多项式面(自由曲面)。在式(3)中，Z是平行于光轴的面的垂度量，c是曲率(中心在光轴上)，K是圆锥系数，h是在光轴上的原点处与其垂直相交的平面内的距原点的距离，Cj是xy多项式的系数。
[数式3]
【数3】
另外，在式(3)中的j、m、n之间，由下式(4)和(5)表示的关系成立。
[数式4]
【数4】
[数式5]
【数5】
m+n≤10 …(5)
下面，对在本实施方式的HMD用光学***LS中期望满足的条件进行说明。
首先，在本实施方式的HMD用光学***LS中，期望的是，第2透镜组G2的透镜L21的至少一方的透镜面由在x轴方向上具有非球面形状的X环形面构成。
在透镜L21的至少一方的透镜面由X环形面构成的情况下，由X环形面构成的透镜面形成具有在x轴方向和y轴方向上不同的面形状的曲面，因而能够有效地校正在光反射元件M2的反射面要发生的在x轴方向和y轴方向上不同的像差成分(像散成分)。并且，由于该透镜面在x方向、y方向上分别具有不同的倍率，因而可以调整在描绘面(像面)I产生的梯形失真的平衡，能够减少自由曲面透镜L13、L32和光反射元件M2具有的自由曲面的负载。在透镜L21的双方的透镜面均未由X环形面构成的情况下，上述像散成分的校正变得困难，而且梯形失真的平衡调整变得不可能，对自由曲面透镜L13、L32和光反射元件M2具有的自由曲面的负担增大，因而不是优选。
而且，当透镜L21的光反射元件M2侧的透镜面由上述X环形面构成、设x轴方向的曲率半径为Rx、设y轴方向的曲率半径为Ry时，更期望的是满足下式(6)。
[数式6]
【数6】
通过使透镜L21在光反射元件M2侧的透镜面由X环形面构成，能够在透镜面的更宽的区域内接受来自各视场角的光线。而且，通过满足式(6)，能够使该透镜面采用在x轴方向、y轴方向上大幅不同的面形状，能够更细致地进行像差的像散成分的校正和梯形失真的调整。
并且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，第2透镜组G2的透镜L21具有作为扩散板的功能，该扩散板具有凸向光反射元件M2侧的弯月形状，而且在透镜L21中接近第1透镜组G1的中间成像位置的透镜面使来自光源的光扩散，期望的是满足下式(7)。在式(7)中，设接近透镜L21中的中间成像位置的透镜面的y轴方向的曲率半径为Ry1，设该透镜面的相反侧的透镜面的y轴方向的曲率半径为Ry2。
[数式7]
【数7】
另外，为了实现作为扩散板的功能，在接近透镜L21的中间成像位置的透镜面，例如在透镜面的表面一面配置有微透镜阵列。
在接近透镜L21的中间成像位置一方的透镜面具有作为扩散板的功能的情况下，由于扩散后的光束径较宽，因而瞳孔直径增大。由此，由于眼部运动区域(当眼移动时没有暗角的区域)较大，因而在将头戴式显示器DSP用作移动设备的情况下是优选的。
并且，为了使光良好扩散，优选的是，来自第1透镜组G1的主光线关于透镜L21的透镜面尽可能垂直入射。鉴于这一点，通过满足式(7)，并使透镜L21成为凸向光反射元件M2侧的弯月形状，尽可能不向其它透镜组施加负载而能够使光扩散。在超过式(7)的上限的情况下，接近透镜L21的中间成像位置的透镜面的曲率过大，若第1透镜组G1的中间像的成像面(一次成像面)不具有大的曲率，则无法使光良好扩散，对第1透镜组G1施加大的负载，因而不是优选的。另一方面，在低于式(7)的下限的情况下，接近透镜L21的中间成像位置的透镜面的曲率过小，若第1透镜组G1的一次成像面和扩散面(接近透镜L21的中间成像位置的透镜面)的匹配变得非常困难。
并且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，当定义了下式(8)和(9)时，期望的是满足下式(10)。另外，在式(8)中，设在第3透镜组G3的自由曲面透镜L32中的旋转对称透镜L31侧的透镜面(以下，称为前侧透镜面)的自由曲面形状由式(3)表示的情况下的、x的2乘项的系数为fC4、x的4乘项的系数为fC11、y的2乘项的系数为fC6、y的2乘项的系数为fC15。在式(9)中，设在自由曲面透镜L32中的前侧透镜面的相反侧的透镜面(以下，称为后侧透镜面)的自由曲面形状由式(3)表示的情况下的、x的2乘项的系数为rC4、x的4乘项的系数为rC11、y的2乘项的系数为rC6、y的4乘项的系数为rC15。
[数式8]
【数8】
[数式9]
【数9】
[数式10]
【数10】
|fΔ|＜|rΔ|…(10)
以下对这些式(8)～(10)的意义进行说明。首先，曲率半径是r的球面的垂度量Sag使用以包含球面的中心点的轴为z轴(光轴)的xyz右手系正交坐标由下式(11)表示。另外，垂度量是当在光轴上设定0时的、针对垂直于光轴的方向的某距离(高度)h的、面位置的光轴方向的变化量。
[数式11]
【数11】
此时，式(11)中的h由下式(12)决定。
[数式12]
【数12】
因此，式(11)通过将整个式子有理化并使根移动到分母，能够变形为在将K(圆锥常数)＝0(表示球面的数值)代入到圆锥面的式(13)的情况下的形式。圆锥面的式(13)在表示非球面形状等时非常良好的用作第1项。另外，在式(13)中，c＝1/r。
[数式13]
【数13】
这里，关于式(11)，将h当作变量进行泰勒展开(准确地，麦克劳林展开)，近似到h的4乘项时，球面的垂度量Z(＝Sag(h))由下式(14)表示。
[数式14]
【数14】
当将式(12)代入到该式(14)，改写为x和y的式时，球面的垂度量Sag(x，y)由下式(15)表示。
[数式15]
【数15】
另一方面，关于自由曲面的垂度量Z，当从上述的式(3)中设曲率c＝0并省略圆锥面的式(13)时，由下式(16)表示。
[数式16]
【数16】
Z＝C2x+C3y+C4x2+C5xy+C6y2+…+C11x4+…+C13x2y2+…+C15y4+… …(16)
这里，当将式(15)和式(16)进行比较可知，在表示自由曲面的式(16)中包含有与球面有关系的项(即，与式(15)内包含的项对应的项)。在式(16)中，当将与球面有关系的项写出到4次项时，如式(17)表示。
[数式17]
【数17】
Z(TermforSphere)＝C4x2+C6y2+C11x4+C13x2y2+C15y4 …(17)
然后，当针对上述式(15)和式(17)分别假定对应的项的系数相同时，如下式(18)～(22)表示。
[数式18]
【数18】
[数式19]
【数19】
[数式20]
【数20】
[数式21]
【数21】
[数式22]
【数22】
而且，当针对r整理式(18)～(22)时，如下式(23)～(27)表示。
[数式23]
【数23】
[数式24]
【数24】
[数式25]
【数25】
[数式26]
【数26】
[数式27]
【数27】
此时，在式(23)～式(27)严格成立的情况下，即，在以满足以下的式(28)的方式决定了各自由曲面系数C4～C15的情况下，式(17)成为作为到4次的近似而表示球面的式。
[数式28]
【数28】
而且在该情况下，与由完全包含式(17)的式(16)表示的自由曲面不满足式(28)的情况相比较，尤其在接近光轴的区域内较强地具有旋转对称的球面的性质，缺乏作为自由曲面的自由度。以满足该式(28)的状态为基准，使用式(23)～式(27)调查低次的自由曲面系数C4～C15的值，从而能够简单地估计自由曲面的非旋转对称性的大致优劣。
因此，在本实施方式中，通过应用上述的想法，调查低次的自由曲面系数，简单地调查该自由曲面的大致有效性。在本实施方式中，进一步简化上述的想法，在被认为特别重要的x－z平面内和y－z平面内分别单独求出与球面的偏差，求出这些偏差量的差，从而进行该自由曲面的有效性的评价。即，判断为，在x－z平面内和y－z平面内该偏差量的差大，而作为自由曲面的自由度优异。以下描述该简单的说明。
首先，当从表示自由曲面的垂度量Z的式(16)将与球面有关系的自由曲面的项抽出到4次并分为x－z平面内和y－z平面内时，如下式(29)和(30)表示。
[数式29]
【数29】
Z＝C4x2+C11x4 …(29)
[数式30]
【数30】
Z＝C6y2+C15y4 …(30)
并且，当关于表示球面的垂度量Z的式(15)分为x－z平面内和y－z平面内时，如下式(31)和(32)表示。
[数式31]
【数31】
[数式32]
【数32】
上述同样，当将式(29)～(32)的对应项的系数彼此之间用等式连结，进而将它们关于r进行整理时，如下式(33)～(36)表示。
[数式33]
【数33】
[数式34]
【数34】
[数式35]
【数35】
[数式36]
【数36】
这里，当设式(33)与(34)之差为Δx，设式(35)与(36)之差为Δy时，Δx和Δy由下式(37)和(38)表示。
[数式37]
【数37】
[数式38]
【数38】
式(37)和(38)分别表示与x－z平面内和y－z平面内的球面相关联的项的系数中的距球面的偏差情况，由于这些Δx和Δy的值为“0”的情况表示球面，因而这些Δx和Δy的值的绝对值越大，则非球面的程度就越大。
而且，式(37)与(38)的绝对值之差Δ由下式(39)表示。
[数式39]
【数39】
由式(39)表示的值Δ为x－z平面内的非球面形状与y－z平面内的非球面形状的偏差量，即，表示旋转非对称的非球面的程度，这可以认为是简略地表示面的自由曲面的程度的量。因此，可以评价为，该值Δ越大，则面就越强地具有作为自由曲面、即旋转非对称的非球面的性质。反之在Δ＝0的情况下，x－z平面内的非球面形状与y－z平面内的非球面形状都相等，认为面较强地具有作为旋转对称面的性质。
鉴于以上方面，由上述式(8)表示的fΔ表示针对第3透镜组G3的自由曲面透镜L32的前侧透镜面的自由曲面的程度(式(39)中的Δ)。另一方面，由上述式(9)表示的rΔ表示针对自由曲面透镜L32的后侧透镜面的自由曲面的程度(式(39)中的Δ)。在自由曲面透镜L32中，满足上述式(10)，即后侧透镜面与前侧透镜面相比，其自由曲面的程度大，从而后侧透镜面较强地具有作为自由曲面的性质，前侧透镜面具有作为旋转对称的面的性质较强地保留的形状。
而且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，期望的是，满足上述式(10)，并满足下式(40)和(41)。另外，在式(40)中，将在第3透镜组G3的自由曲面透镜L32的前侧透镜面的自由曲面形状由式(3)表示的情况下的、x的2乘项的系数设为fC4、x的4乘项的系数设为fC11、y的2乘项的系数设为fC6、y的4乘项的系数设为fC15。并且，将第3透镜组G3的旋转对称透镜L31中的自由曲面透镜L32侧的透镜面的曲率半径设为Rrot。并且，在式(41)中，将旋转对称透镜L31与自由曲面透镜L32之间的光轴上的距离设为D。
[数式40]
【数40】
[数式41]
【数41】
0＜D≤1 …(41)
以下对这些式(40)～(41)的意义进行说明。与上述相同，当将表示球面的垂度量的式(15)与表示自由曲面的垂度量的式(16)进行比较，若2次以下的项的系数相同，则在曲率半径r与自由曲面系数C4、C6之间，由式(33)和式(35)表示的关系成立。在针对自由曲面透镜L32的前侧透镜面的自由曲面形状，假定式(33)和式(35)成立的情况下，自由曲面透镜L32的前侧透镜面的曲率半径Frot的平方可以由下式(42)表示。另外，式(42)是将由式(33)表示的r和由式(35)表示的r逐一代入到Frot·Frot得到的式。
[数式42]
【数42】
在该情况下，式(40)为规定(Frot)2/(Rrot)2的值的范围的式子。在自由曲面透镜L32的前侧透镜面中的x的2乘项的系数fC4与y的2乘项的系数fC6相等、而且据此求出的曲率半径Frot与旋转对称透镜L31中的自由曲面透镜L32侧的透镜面的曲率半径Rrot相等的情况下，(Frot)2/(Rrot)2的值为“1”。(Frot)2/(Rrot)2的值越接近1，则自由曲面透镜L32的前侧透镜面的特别是光轴附近的形状具有接近旋转对称透镜L31中的自由曲面透镜L32侧的透镜面的形状的形状。
因此，通过满足式(40)，旋转对称透镜L31中的自由曲面透镜L32侧的透镜面与自由曲面透镜L32的前侧透镜面具有比较接近的形状。而且，通过满足式(41)，旋转对称透镜L31与自由曲面透镜L32在光轴上的距离D比较短。因此，通过满足式(40)和(41)，能够在旋转对称透镜L31中的自由曲面透镜L32侧的透镜面和自由曲面透镜L32的前侧透镜面校正色像差，能够具有第3透镜组G3整体的程度的色像差校正能力。
并且，除了式(40)和(41)以外，还通过满足上述的式(10)，使得在自由曲面透镜L32中，后侧透镜面较强地具有作为自由曲面的性质，前侧透镜面具有作为旋转对称的面的性质较强地保留的形状。因此，在自由曲面透镜L32中，由于能够在前侧透镜面和后侧透镜面进行作用分担，使得在前侧透镜面和旋转对称透镜L31主要进行色像差和旋转对称的像差的校正，在后侧透镜面主要进行要由光反射元件M2产生的旋转非对称的像差的校正，因而是非常优选的。也就是说，可以优化自由曲面透镜L32的前后面形状的平衡，能够有效地校正旋转对称的像差成分和旋转非对称的像差成分。在不满足上述式(40)、(41)和(10)的情况下，像差的校正变得困难，不是优选的。特别是，旋转非对称的像差校正变得困难。
并且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，当将在第1透镜组G1的自由曲面透镜L13的自由曲面形状由式(3)表示的情况下的、x的2乘项的系数设为C4、y的2乘项的系数为C6时，在自由曲面透镜L13的前后双方的透镜面中，期望的是满足下式(43)。
[数式43]
【数43】
第1透镜组G1内的自由曲面透镜L13被设置用于辅助在光反射元件M2产生的梯形失真的校正。因此，需要使用自由曲面透镜L13自身校正通过校正梯形失真而产生的旋转非对称的像差，在第1透镜组G1的一次成像面形成良好的像。式(43)是用于满足这一点的式子，是规定了对于x的2乘项的系数C4和y的2乘项的系数C6来说正负的符号不同的条件的式子。从上述的式(28)还可知，当仅着眼于2乘项的系数时认为，x的2乘项的系数C4和y的2乘项的系数C6越为接近的值，则旋转对称的球面的性质就越强，反之，x的2乘项的系数C4和y的2乘项的系数C6越为不同的值，则作为自由曲面的性质就越强。在不满足式(43)的情况下，自由曲面透镜L13的透镜面的作为自由曲面的性质不足，难以同时校正梯形失真和光线像差，因而不是优选的。
并且，在本实施方式的HMD用光学***中，当设第1透镜组G1整体的焦距为f1，设光偏转元件M1与光反射元件M2之间的光轴上的距离为L时，期望的是满足下式(44)。
[数式44]
【数44】
式(44)是与HMD用光学***LS的大小有关的条件式。在超过式(44)的上限的情况下，针对HMD用光学***LS的全长，第1透镜组G1的折射率过强，HMD用光学***LS的有效直径变大，HMD用光学***LS的小型化变得困难，因而不是优选的。并且，像差的校正也变得困难。另一方面，在低于式(44)的下限的情况下，第1透镜组G1的焦距f1相对于HMD用光学***LS的全长过长，与其它组的功率平衡大幅破坏，像差校正变得困难，因而不是优选的。
并且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，当设第1透镜组G1的2个旋转对称透镜L11、L12中的阿贝数υd之差为Δυd1时，期望的是满足下式(45)。
[数式45]
【数45】
8<Δvd1<40 …(45)
而且，当设第3透镜组G3的旋转对称透镜L31与自由曲面透镜L32中的阿贝数υd之差为Δυd2时，期望的是满足下式(46)。
[数式46]
【数46】
8<Δvd2＜40 …(46)
另外，假定在各透镜组中，关于阿贝数υd，当设针对d线的折射率为Nd，设针对F线的折射率为NF，设针对C线的折射率为NC时，该阿贝数υd由下式(47)定义。
[数式47]
【数47】
式(45)和(46)是用于在第1透镜组G1和第3透镜组G3中分别有效地校正色像差的同时而极力抑制其它像差的发生的式子。在超过式(45)和(46)的上限的情况下，在负透镜侧不得不使用高折射率的材料，容易损害像面的平坦性。并且，由于高折射率的材料存在比重大的倾向，因而容易招致HDM用光学***LS整体的重量化，因而不是优选的。另一方面，在低于式(45)和(46)的下限的情况下，色像差校正能力缺乏，因而不是优选的。
并且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，在光反射元件M2中，使到达反射面的光线中与描绘面I上描绘的图像的4角对应的视场角的主光线的到达位置4点连结而形成的图形是梯形形状，以该梯形形状的底边中y轴的正方向侧为上底，以负方向侧为下底，设上底的长度为Lup，设下底的长度为Lund时，期望的是满足下式(48)。
[数式48]
【数48】
在上述的眼运动区域的关系上，在描绘面I上描绘的图像的各视场角的主光线在使用者的眼(和角膜)的位置交于一点是理想的，现实中能够使用的头戴式显示器DSP需要大致满足该条件(最差也收在直径4mm以内)。式(48)是用于同时满足该条件和描绘面(像面)I上的梯形失真校正的式子。在不满足式(48)的情况下，不能同时满足梯形失真的校正和各主光线在眼的位置处的会聚，因而不是非常优选的。
并且，在本实施方式的HMD用光学***LS中，期望的是，光反射元件M2由透过光的材质构成，并构成为能够使从反射来自第3透镜组G3的光的反射面的相反侧入射的光透过。然后，期望的是，HMD用光学***LS构成为，与利用透过光反射元件M2并到达描绘面I(视网膜)上的光成像的像(外景)重合，在描绘面I上描绘图像。由此，使用者可以在头戴式显示器DSP的装设时，使上述图像重合在由透过光反射元件M2后的光产生的像(外景)上来目视辨认。
实施例
下面，对本实施方式的实施例进行说明。图2和图3是说明本实施例的HMD用光学***LS的结构的图。本实施例的HMD用光学***LS从光源(未图示)侧依次具有：光偏转元件M1、第1透镜组G1、第2透镜组G2、第3透镜组G3、以及光反射元件M2。
在本实施例中，光偏转元件M1具有可动部，该可动部能够迅速地切换来自光源的光(例如，激光、LED光等的大致平行光)的行进方向，例如使用检流计反射镜。检流计反射镜以与从***部的驱动电路输入的驱动电压对应的量转动而使反射角(即，来自光源的光的行进方向)变化。根据该机构，通过在使用者的视网膜上在二维方向上高速扫描成像点，能够在使用者的视网膜上形成图像。
在本实施例中，第1透镜组G1从光源侧依次由以下的共计4个构成：具有负的屈光力的旋转对称透镜L11、具有正的屈光力的旋转对称透镜L12、用于减少从光偏转元件M1入射的光的、相对于光轴在y－z平面内倾斜－5度而配置的减光滤光片F、以及旋转非对称的自由曲面透镜L3。
在本实施例中，第2透镜组G2由透镜L21构成，该透镜L21配置在第1透镜组G1的中间成像位置附近，在y－z平面内具有正的屈光力，光偏转元件M1侧的透镜面是球面，光反射元件M2侧的透镜面是X环形面。透镜L21具有在y－z平面中凸向光反射元件M2侧的弯月形状。并且，在透镜L21的光偏转元件M1侧的透镜面，在一面配置有微透镜阵列，作为整体透镜L21也承担用于使来自光源的光扩散而扩大各视场角的光线的有效直径的、作为扩散板的作用。另外，透镜L21的光偏转元件M1侧的透镜面为接近中间成像位置的透镜面。
在本实施例中，第3透镜组G3从光源侧依次由具有负的屈光力的旋转对称透镜L31和旋转非对称的自由曲面透镜L32构成。
在本实施例中，光反射元件M2具有反射面，该反射面相对于光轴在y－z平面内倾斜25度配置，使通过了第3透镜组的光反射，具有用于引导到使用者的眼的旋转非对称的自由曲面形状。
并且，在本实施例中，光反射元件M2是所谓的半反射镜，该半反射镜由使光透过的透明材质构成，构成为除了用于使透过第3透镜组G3后的光反射的反射面以外，还在该反射面的相反侧具有透射面，可以使从该透射面入射的光透射，入射到使用者的眼。光反射元件M2的透射面与反射面一样具有关于光轴旋转非对称的自由曲面形状。
而且，以使用者的眼的中心配置在光反射元件M2的反射后的光轴上为前提，在本实施例中，将该眼置换为焦距17mm的无像差透镜进行设计。
以下的表1示出本实施例的HMD用光学***LS的数值数据。另外，在表1中，面编号表示从光源侧起的各光学面的编号，Ry是y轴方向的曲率半径，Rx是x轴方向的曲率半径，D表示面间隔(从光学面到下一光学面的光轴上的距离)，Nd表示针对d线的折射率。
<表1>
如上述表1所示，面s2～s5、s12、s13分别是非球面。以下的表2分别示出这些非球面中的非球面系数的值。
<表2>
(非球面数据1)
(非球面数据2)
并且，如上述表1所示，面s11是X环形面。以下的表3示出该X环形面的非球面系数的值。
<表3>
并且，如上述表1所示，面s8、s9、s14～s16是旋转非对称的自由曲面。另外，面s16是反射面。以下的表4示出这些自由曲面的xy多项式的系数的值。
<表4>
(自由曲面数据1)
(自由曲面数据2)
并且，以下示出与期望在本实施方式中满足的条件即上述式(6)～(10)、(40)、(41)、(43)～(46)、(48)对应的值。
式(6) 9.40250/(-43.68784)＝-0.21522-0.5<-0.21522<0
式(7) -|-43.68784|/(-100)＝0.43688 0<0.43688<1
[数式49]
【数49】
式(8)
[数式50]
【数50】
式(9)
式(10) |-8.33084|<|-14.07578|
式(40) 1/(4*0.03387*0.03364*16.61681*16.61681)＝0.79465
0.5<0.79465<1.2
式(41) D＝0.808730<0.80873<1
式(43) s8面：(-0.04795)/0.02395＝-2.00209<0
S9面：(-0.07681)/0.03022＝-2.54169<0
式(44) L＝90.0000f1＝20.6758L/f1＝4.3529
式(45) L11：νd＝(1.61420-1)/(1.63140-1.60740)＝25.59167
L12：νd＝(1.53113-1)/(1.53783-1.52830)＝55.73243
L12νd-L11νd＝30.140768<30.14076<40
式(46) L31：νd＝(1.61420-1)/(1.63140-1.60740)＝25.59167
L32：νd＝(1.49080-1)/(1.49600-1.48830)＝63.74026
L32νd-L31νd＝38.148598<38.14859<40
式(48) Lup/Lund＝8.1015/7.01762＝1.154451<1.15445<1.5
如以上所述，本实施例的HMD用光学***LS满足全部的条件式(6)、(7)、(10)、(40)、(41)、(43)～(46)、(48)，因而可以得到上述的效果。
图5～7示出本实施例的HMD用光学***LS的横向像差图。图8示出本实施例的HMD用光学***LS的失真像差图。根据以上的图5～图8，在本实施例的HMD用光学***LS中可知，良好校正了梯形失真，具有优异的成像性能。
根据以上说明的实施方式，得到以下的效果。
(1)HMD用光学***LS从光源侧开始依次具有：光偏转元件M1、第1透镜组G1、第2透镜组G2、第3透镜组G3、以及光反射元件M2。第1透镜组G1由多个旋转对称透镜L11、L12和1个自由曲面透镜L13构成。第2透镜组G2由配置在第1透镜组G1的中间成像位置附近的透镜L21构成。第3透镜组G3由1个旋转对称透镜L31和1个自由曲面透镜L32构成。这样，HMD用光学***LS使来自光源的光在光反射元件M2朝斜方向反射，因而可以使整体小型化。并且，HMD用光学***LS可以利用自由曲面透镜L13、L32和光反射元件M2的自由曲面，校正通过使来自光源的光朝斜方向反射而产生的旋转非对称的像差和梯形失真，而且可以减少透镜个数而使整体轻量化。因此，根据以上的结构，HMD用光学***LS可以得到小型轻量、优异的光学性能。
(2)在HMD用光学***LS中，构成第2透镜组G2的透镜L21的光反射元件M2侧的透镜面由X环形面构成，满足式(6)的条件。这样通过使透镜L21的透镜面由X环形面构成，可以有效地校正通过光反射元件M2的斜反射而产生的在x轴方向和y轴方向上不同的像差成分(像散成分)。并且，通过将光反射元件M2侧设为X环形面，可以在透镜面的更宽的区域内接收来自各视场角的光线。而且，通过满足式(6)，可以更细致地进行像差的像散成分的校正和梯形失真的调整。
(3)在HMD用光学***LS中，构成第2透镜组G2的透镜L21具有凸向光反射元件侧的弯月形状，接近中间成像位置的透镜面具有作为扩散板的功能，满足式(7)的条件。由此，不向其它透镜组施加负载而能够使光扩散，使扩散后的光束直径扩宽而能够将眼运动区域取得较大。
(4)在HMD用光学***LS中，在第3透镜组G3的旋转对称透镜L31和自由曲面透镜L32中，满足式(10)、(40)和(41)的条件。由此，可以在自由曲面镜L32的前侧透镜面和旋转对称透镜L31主要进行色像差和旋转对称的像差的校正，在自由曲面透镜L32的后侧透镜面主要进行将在光反射元件M2产生的旋转非对称的像差的校正，可以有效地校正旋转对称的像差成分和旋转非对称的像差成分。
(5)在HMD用光学***LS中，在第1透镜组G1的自由曲面透镜L13的前后双方的透镜面中满足式(43)的条件。由此，自由曲面透镜L13校正在光反射元件M2产生的梯形失真，并且在该校正时产生的旋转非对称的像差利用自由曲面透镜L13自身校正，可以在第1透镜组G1的一次成像面上形成良好的像。
(6)在HMD用光学***LS中，第1透镜组G1整体的焦距f1、以及光偏转元件M1与光反射元件M2之间的光轴上的距离L满足式(44)的条件。由此，可以使HMD用光学***LS小型化，并可以适当进行像差校正。
(7)在HMD用光学***LS中，第1透镜组G1的2个旋转对称透镜L11、L12的阿贝数之差υd1满足式(45)的条件，第3透镜组G3的旋转对称透镜L31和自由曲面透镜L32的阿贝数之差υd2满足式(46)的条件。由此，可以在有效地校正色像差的同时，极力抑制其它像差的产生。
(8)在HMD用光学***LS中，在光反射元件M2中，使到达反射面的光线中与在描绘面I上描绘的图像的4角对应的视场角的主光线的到达位置4点连结而形成的图形是梯形形状，该梯形形状满足式(48)的条件。由此，可以使在描绘面I上描绘的图像的各视场角的主光线在使用者的眼的位置会聚为一点，并可以校正描绘面I上的梯形失真。
变型例
在上述实施例中，对在第1透镜组G1处设置2个旋转对称透镜L11、L12的例子作了描述，然而也可以在第1透镜组G1处设置3个以上的旋转对称透镜。在该情况下，设第1透镜组G1中的多个旋转对称透镜的阿贝数υd之差的最大值为Δυd1，期望的是满足上述式(45)。
在上述实施例中，对第2透镜组G2透镜L21的光反射元件M2侧的透镜面由X环形面构成的例子作了说明，然而透镜L21的光偏转元件M1侧的透镜面也可以由X环形面。
在上述实施方式中，对光反射元件M2是半反射镜而使得能够使图像重叠在由透过光反射元件M2后的光产生的像(外景)上进行目视辨认的例子作了说明。然而，也可以将本发明应用于光反射元件M2是非透射面的头戴式显示器。
以上说明仅仅是一例，丝毫不限定于上述结构，也可以变更为各种方式。例如，也可以适当变更构成各透镜组的透镜的曲率半径、面间隔、玻璃材料等。
以下的优先权基础申请的公开内容作为对比文件引入本文。
日本专利申请2013年第207295号(2013年10月2日申请)
标号说明
DSP：头戴式显示器；LS：HMD用光学***；M1：光偏转元件；M2：光反射元件；G1：第1透镜组；G2：第2透镜组；G3：第3透镜组；L11、L12、L31：旋转对称透镜；L21：透镜；L13、L32：自由曲面透镜。

Claims (11)

1.一种头戴式显示器用光学***，所述头戴式显示器用光学***从光源侧开始依次具有：
光偏转元件，其使来自所述光源的光的行进方向变化；
第1透镜组，其作为整体具有正的屈光力，由关于光轴旋转对称地形成的多个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成，会聚经由所述光偏转元件入射的光；
第2透镜组，其配置在由所述第1透镜组形成的中间像的成像位置附近，由具有正的屈光力的1个透镜构成；
第3透镜组，其由关于光轴旋转对称地形成的1个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成；以及
光反射元件，其是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过所述第3透镜组后的光反射的反射面，
所述头戴式显示器用光学***构成为，根据由所述光偏转元件引起的来自所述光源的光的行进方向的变化，由所述反射面反射并到达假定位于使用者的视网膜上的描绘面上的光在所述描绘面上移动，在所述描绘面上描绘图像。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器用光学***，其中，当将所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴和所述光反射元件与所述描绘面之间的光轴的截面中与所述z轴垂直的坐标轴设为y轴，将与所述z轴和所述y轴垂直的坐标轴设为x轴时，构成所述第2透镜组的透镜中的至少一方的透镜面由在所述x轴方向上具有非球面形状的X环形面构成。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示器用光学***，其中，构成所述第2透镜组的透镜的所述光反射元件侧的透镜面由所述X环形面构成，当设所述x轴方向的曲率半径为Rx，设所述y轴方向的曲率半径为Ry时，满足下式(1)：
[数式1]
<mrow> <mo>-</mo> <mn>0.5</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>y</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&lt;</mo> <mn>0</mn> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
4.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，构成所述第2透镜组的透镜具有作为扩散板的功能，所述扩散板具有凸向所述光反射元件侧的弯月形状，而且接近所述中间像的成像位置的透镜面使来自所述光源的光扩散，
当将所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过所述第1透镜组与所述光反射元件之间的光轴和所述光反射元件与所述描绘面之间的光轴的截面中与所述z轴垂直的坐标轴设为y轴，在构成所述第2透镜组的透镜中，设具有作为所述扩散板的功能的透镜面的所述y轴方向的曲率半径为Ry1，设该透镜面相反侧的透镜面的所述y轴方向的曲率半径为Ry2时，满足下式(2)：
[数式2]
<mrow> <mn>0</mn> <mo>&lt;</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>R</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mn>1</mn> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
5.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，当将所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴和所述光反射元件与所述描绘面之间的光轴的截面中与所述z轴垂直的坐标轴设为y轴，将与所述z轴和所述y轴垂直的坐标轴设为x轴，在所述第3透镜组中，定义以所述自由曲面透镜的透镜面和光轴的交点为原点的坐标系(x，y，z)，将在所述自由曲面透镜的透镜面的垂度量z由x、y的多项式表示的情况下的所述自由曲面透镜的所述旋转对称透镜侧的透镜面的x的2乘项的系数设为fC4、将x的4乘项的系数设为fC11、将y的2乘项的系数设为fC6、将y的4乘项的系数设为fC15、将该透镜面相反侧的透镜面的x的2乘项的系数设为rC4、将x的4乘项的系数设为rC11、将y的2乘项的系数设为rC6、将y的4乘项的系数设为rC15并定义下式(3)和(4)时，
[数式3]
<mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi> <mi>C</mi> <mn>4</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mroot> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>8</mn> <mi>f</mi> <mi>C</mi> <mn>11</mn> </mrow> </mfrac> <mn>3</mn> </mroot> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi> <mi>C</mi> <mn>6</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mroot> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>8</mn> <mi>f</mi> <mi>C</mi> <mn>15</mn> </mrow> </mfrac> <mn>3</mn> </mroot> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
[数式4]
<mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>r</mi> <mi>C</mi> <mn>4</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mroot> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>8</mn> <mi>r</mi> <mi>C</mi> <mn>11</mn> </mrow> </mfrac> <mn>3</mn> </mroot> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>r</mi> <mi>C</mi> <mn>6</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mroot> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>8</mn> <mi>r</mi> <mi>C</mi> <mn>15</mn> </mrow> </mfrac> <mn>3</mn> </mroot> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mi>r</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
满足下式(5)：
[数式5]
|fΔ|＜|rΔ|…(5)
而且，在所述第3透镜组中，当设所述旋转对称透镜中的所述自由曲面透镜侧的透镜面的曲率半径为Rrot，设所述旋转对称透镜与所述自由曲面透镜之间的光轴上的距离为D时，满足下式(6)和(7)，其中D的单位为mm：
[数式6]
<mrow> <mn>0.5</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>4</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mi>C</mi> <mn>4</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>f</mi> <mi>C</mi> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mn>1.2</mn> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
[数式7]
0＜D≤1…(7)。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，当将所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴和所述光反射元件与所述描绘面之间的光轴的截面中与所述z轴垂直的坐标轴设为y轴，将与所述z轴和所述y轴垂直的坐标轴设为x轴，在所述第1透镜组中，定义以所述自由曲面透镜的透镜面和光轴的交点为原点的坐标系(x，y，z)，并将所述自由曲面透镜的透镜面的垂度量z由x、y的多项式表示的情况下的x的2乘项的系数设为C4、将y的2乘项的系数设为C6时，在所述自由曲面透镜的前后双方的透镜面中满足下式(8)：
[数式8]
<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mn>4</mn> </mrow> <mrow> <mi>C</mi> <mn>6</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&lt;</mo> <mn>0</mn> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
7.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，当设所述第1透镜组整体的焦距为f1，设所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴上的距离为L时，满足下式(9)：
[数式9]
<mrow> <mn>3.5</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mn>5.5</mn> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
8.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，设相对于d线的折射率为Nd，设相对于F线的折射率为NF，设相对于C线的折射率为NC，根据下式(10)来定义阿贝数υd，
[数式10]
<mrow> <mi>v</mi> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>N</mi> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mi>F</mi> <mo>-</mo> <mi>N</mi> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
当设所述第1透镜组的所述旋转对称透镜中的阿贝数υd的差的最大值为Δυd1，设所述第3透镜组的所述旋转对称透镜与所述自由曲面透镜中的阿贝数υd的差为Δυd2时，满足下式(11)和(12)：
[数式11]
8＜Δvd1＜40…(11)
[数式12]
8＜Δvd2＜40···(12)。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，当将所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过所述光偏转元件与所述光反射元件之间的光轴和所述光反射元件与所述描绘面之间的光轴的截面中与所述z轴垂直的坐标轴设为y轴，设所述y轴的负方向是所述光反射元件使光轴折弯一侧的方向时，在所述光反射元件中，将到达所述反射面的光线中与所述图像的4角对应的视场角的主光线的到达位置4点连结而形成的图形是梯形形状，设所述梯形形状的底边中所述y轴的正方向侧为上底，设负方向侧为下底，设上底的长度为Lup，设下底的长度为Lund时，满足下式(13)：
[数式13]
<mrow> <mn>1</mn> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mn>1.5</mn> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>13</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
10.根据权利要求1～3中任一项所述的头戴式显示器用光学***，其中，所述光反射元件由透射光的材质构成，构成为能够使从所述反射面相反侧的面入射的光透射，
与由透射所述光反射元件而到达所述描绘面上的光所成像的像重合地，所述图像被描绘在所述描绘面上。
11.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器具有权利要求1～10中任一项所述的头戴式显示器用光学***。
CN201480054292.5A 2013-10-02 2014-10-02 头戴式显示器用光学***和头戴式显示器 Expired - Fee Related CN105593745B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-207295 2013-10-02
JP2013207295 2013-10-02
PCT/JP2014/076385 WO2015050194A1 (ja) 2013-10-02 2014-10-02 ヘッドマウントディスプレイ用光学系、およびヘッドマウントディスプレイ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105593745A CN105593745A (zh) 2016-05-18
CN105593745B true CN105593745B (zh) 2018-03-27

Family

ID=52778779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480054292.5A Expired - Fee Related CN105593745B (zh) 2013-10-02 2014-10-02 头戴式显示器用光学***和头戴式显示器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10175486B2 (zh)
JP (1) JP6387967B2 (zh)
CN (1) CN105593745B (zh)
WO (1) WO2015050194A1 (zh)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10670864B2 (en) 2015-10-27 2020-06-02 Maxell, Ltd. Information display device
TWI588534B (zh) * 2015-11-12 2017-06-21 財團法人國家實驗研究院 投影機及其成像模組
TWI585462B (zh) * 2015-12-01 2017-06-01 中強光電股份有限公司 頭戴型顯示裝置
EP3405828A1 (en) 2016-01-22 2018-11-28 Corning Incorporated Wide field personal display
US20170262020A1 (en) * 2016-03-10 2017-09-14 The Void Llc Head Mount Display with Near-Eye Projection for Virtual Reality System
JP2017161789A (ja) * 2016-03-10 2017-09-14 富士通株式会社 網膜描画表示装置、網膜描画表示方法および網膜描画表示プログラム
CN105974592A (zh) * 2016-07-14 2016-09-28 南京通孚轻纺有限公司 一种非均匀倍率光学镜片以及包含其的vr眼镜
CN107664842A (zh) * 2016-07-28 2018-02-06 中强光电股份有限公司 头戴式显示装置
JP2018018077A (ja) 2016-07-28 2018-02-01 中強光電股▲ふん▼有限公司 ヘッドマウントディスプレイ
JP7018961B2 (ja) * 2017-06-06 2022-02-14 アップル インコーポレイテッド ディスプレイを備えた電子デバイス用光学システム
CN107300773A (zh) * 2017-06-30 2017-10-27 北京铠博德科技有限公司 一种增强现实的智能眼镜
US10976551B2 (en) 2017-08-30 2021-04-13 Corning Incorporated Wide field personal display device
CN109932820A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 中强光电股份有限公司 显示器
CN107861247B (zh) * 2017-12-22 2020-08-25 联想(北京)有限公司 光学部件及增强现实设备
CN109996060B (zh) * 2017-12-30 2021-09-03 深圳多哚新技术有限责任公司 一种虚拟现实影院***及信息处理方法
CN109212756A (zh) * 2018-09-06 2019-01-15 上海麦士信息技术有限公司 一种基于Micro LED实现AR直接投射显示的方法
WO2020188487A1 (en) * 2019-03-20 2020-09-24 Ricoh Company, Ltd. Virtual image display device
JP7076160B2 (ja) * 2019-07-29 2022-05-27 深▲ゼン▼納徳光学有限公司 接眼レンズ光学システム及び頭部装着型ディスプレイ
CN112394509B (zh) * 2019-08-13 2022-07-19 宏达国际电子股份有限公司 头戴式显示装置
TWI688791B (zh) * 2019-08-13 2020-03-21 宏達國際電子股份有限公司 頭戴式顯示裝置
US11366313B2 (en) 2019-08-13 2022-06-21 Htc Corporation Head-mounted display device
TWI706185B (zh) 2019-11-01 2020-10-01 大立光電股份有限公司 成像用光學系統、取像裝置及電子裝置
JP7090127B2 (ja) * 2020-07-22 2022-06-23 マクセル株式会社 光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
CN113970849A (zh) * 2020-07-22 2022-01-25 株式会社理光 传播光学***和虚像显示装置以及头戴式显示器
CN113341559B (zh) * 2021-08-02 2022-08-05 深圳纳德光学有限公司 一种反射式目镜光学***及头戴近眼显示装置
CN113325566B (zh) * 2021-08-02 2022-08-05 深圳纳德光学有限公司 一种反射式目镜光学***及头戴近眼显示装置
CN113341558B (zh) * 2021-08-02 2022-08-05 深圳纳德光学有限公司 一种反射式目镜光学***及头戴近眼显示装置
CN113341555B (zh) * 2021-08-02 2022-08-05 深圳纳德光学有限公司 一种反射式目镜光学***及头戴近眼显示装置
CN113341557B (zh) * 2021-08-02 2022-08-02 深圳纳德光学有限公司 一种反射式目镜光学***及头戴近眼显示装置
CN113325567B (zh) * 2021-08-02 2022-08-02 深圳纳德光学有限公司 一种反射式目镜光学***及头戴近眼显示装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5926321A (en) * 1996-12-24 1999-07-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Ocular optical system and ocular image display apparatus
CN101444087A (zh) * 2006-05-09 2009-05-27 株式会社尼康 头戴式显示器

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3382683B2 (ja) 1993-10-22 2003-03-04 オリンパス光学工業株式会社 共心光学系
US6480337B2 (en) * 1999-03-04 2002-11-12 Mixed Reality Systems Laboratory Inc. Image display apparatus
JP2002258208A (ja) * 2001-03-01 2002-09-11 Mixed Reality Systems Laboratory Inc 光学素子及びそれを用いた複合表示装置
JP3761834B2 (ja) * 2002-04-18 2006-03-29 三菱電機株式会社 画像表示装置
JP2008511874A (ja) * 2004-09-01 2008-04-17 アプティカル リサーチ アソシエイツ 傾斜／偏心レンズ素子を有する小形ヘッド取付け表示装置
JP5031272B2 (ja) * 2006-06-06 2012-09-19 キヤノン株式会社 表示光学系及びそれを有する画像表示装置
JP5371180B2 (ja) * 2006-06-15 2013-12-18 日立コンシューマエレクトロニクス株式会社 投写型映像表示装置
JP5483796B2 (ja) * 2006-08-31 2014-05-07 キヤノン株式会社 画像表示装置および画像表示システム
JP5217146B2 (ja) * 2006-10-13 2013-06-19 株式会社日立製作所 光学ユニット
JP5311887B2 (ja) * 2008-06-09 2013-10-09 キヤノン株式会社 走査型表示装置
JP5283976B2 (ja) * 2008-06-09 2013-09-04 キヤノン株式会社 光走査装置
US8837050B2 (en) * 2011-04-05 2014-09-16 Microvision, Inc. Optical wedge redirection apparatus and optical devices using same
JP6111635B2 (ja) * 2012-02-24 2017-04-12 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
EP2884323B1 (en) * 2012-08-08 2017-10-11 Nikon Corporation Head-mounted display optical assembly and head-mounted display

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5926321A (en) * 1996-12-24 1999-07-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Ocular optical system and ocular image display apparatus
CN101444087A (zh) * 2006-05-09 2009-05-27 株式会社尼康 头戴式显示器

Also Published As

Publication number Publication date
US20160320619A1 (en) 2016-11-03
US10175486B2 (en) 2019-01-08
JP6387967B2 (ja) 2018-09-12
CN105593745A (zh) 2016-05-18
WO2015050194A1 (ja) 2015-04-09
JPWO2015050194A1 (ja) 2017-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105593745B (zh) 头戴式显示器用光学***和头戴式显示器
US10274717B2 (en) Optical system, stereoscopic imaging device, and endoscope
EP2908165B1 (en) Imaging optical system and image projection apparatus including the same
US9581795B2 (en) Projection-type video display device
US20170199361A1 (en) Zoom lens system and imaging apparatus
JP2011033737A (ja) 投写光学系およびこれを用いた投写型表示装置
JP2006519421A (ja) 回折レンズ
JP6393906B2 (ja) 投写光学系および画像投写装置
WO2019008684A1 (ja) 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
WO2017022670A1 (ja) 接眼光学系および電子ビューファインダー
CN113419333B (zh) 投影镜组和投影装置
US10877359B2 (en) Projection optical system, image projection apparatus, and image projection system for a laser scanning projector
JP2004138822A (ja) 網膜走査型表示装置
CN117406441A (zh) 虚像显示装置用光学***、虚像显示装置以及头戴式显示器
CN116626895A (zh) 虚像显示装置用光学***、虚像显示装置及头戴式显示器
CN105759405B (zh) 能增大视场角的光学***及投影镜头
JP4211373B2 (ja) 投射レンズ及びこれを備えたプロジェクター
WO2019065259A1 (ja) 画像投写装置
CN105785553B (zh) 可小型化的短焦投影镜头
WO2009107744A1 (ja) 投影光学系および投影装置
WO2020026813A1 (ja) 表示装置
JP2021173788A (ja) 光学系および撮像装置
JP2021189370A (ja) 投射光学系および照明装置
JP2022190206A (ja) 伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ
JP4533409B2 (ja) 走査型表示光学系

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180327

Termination date: 20201002