JP2005099788A - 非球面を含む画像形成光学系を備えるｈｍｄデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で優れた画像形成品質を実現することができるようにＨＭＤデバイスを提供する。
【解決手段】画像を生成するための画像素子４、およびＨＭＤデバイスを装着しているユーザが視認可能となるように画像を投影するための画像形成光学系を備える。画像形成光学系は、負の屈折力を有する第１のレンズ７と正の屈折力を有する第２のレンズ８とを含む第１の光学グループ６と、第１の光学グループ６の後に位置する偏向素子９と、偏向素子９の後に位置する第２の光学グループ１０とを備え、第２の光学グループが第３のレンズ１１を備え、非点収差および歪みを修正するために、第１および第２のレンズ７，８の少なくとも１つの面が非球面であり、球面収差を修正するために、第３のレンズ１１の少なくとも一つの面Ｆ６，Ｆ７が非球面になっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、画像を生成するための画像素子と、ＨＭＤデバイスを装着しているユーザが視認可能となるように画像を投影するための画像形成光学系とを備えるＨＭＤデバイス（頭部装着ディスプレイ・デバイス）に関する。この場合、上記画像形成光学系は、負の屈折力を有する第１のレンズと正の屈折力を有する第２のレンズとを含む第１の光学グループと、上記第１の光学グループの後に位置する偏向素子と、上記偏向素子の後に位置する第２の光学グループとを備え、上記第２の光学グループは第３のレンズを備える。

このようなＨＭＤデバイスは、ＷＯ９８／１８０３８に開示されている。

このような周知のＨＭＤデバイスの欠点は、画像形成光学系の射出ひとみを、上記ＨＭＤデバイスを装着しているユーザが、この位置に自分の目を移動させることができるように位置させなければならないことであり、同時に、射出ひとみの直径をユーザの目が移動している場合でも、全画像を視認可能となるように十分大きくしなければならないことである。それ故、射出ひとみの直径は、少なくとも８ｍｍでなければならず、同時に、視野の角度は２５度でなければならない。この場合、上記視野および上記射出ひとみは、優れた光学的画像品質を実現できるものでなければならない。このような要件は、追加のレンズを使用することにより満たすことができる。しかし、レンズの数が多くなると、都合の悪いことに、重量およびサイズが増大する。

それ故、本発明の１つの目的は、小形軽量で優れた画像形成品質を実現することができるように上記タイプのＨＭＤデバイスを改良することである。

本発明によれば、上記目的は、非点収差および歪みを修正するために、第１および第２のレンズの少なくとも１つの面が非球形であり、球面収差を修正するために、第３のレンズの少なくとも１つの面が非球形である上記タイプのＨＭＤデバイスにより達成される。

第１の光学グループが、とりわけ非点収差および歪みを修正することができ、とりわけ球面収差の修正が第２の光学グループにより行われる限りは、第１の光学グループ内に非球面を設け、第２の光学グループ内に非球面を設けることは有利である。それ故、異なる画像形成誤差の修正は、両方の光学グループの間で分割され、その結果、都合のよいことに、ユーザに対して優れた修正、ひいては優れた光学的画像品質が達成される。アパーチャの直径が８ｍｍであり、視野の角度が２５度である場合には、球面収差の修正を±０．２５ｄｐｔより良好にすることができ、非点収差の修正を±０．２５ｄｐｔより良好にすることができ、歪みの修正を±５％より良好にすることができる。

本発明によるＨＭＤデバイスの有利な実施形態では、像面曲率（ｆｉｅｌｄ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を修正するために、第１のレンズは、第２のレンズよりも、生成した画像を含む画像面の近傍に位置し、更に偏向素子よりも上記画像面の近傍に位置する。それ故、第１のレンズから生成画像までの距離を非常に短くすることができ、そのため優れた像面曲率の修正を行うことができる。

本発明によるＨＭＤデバイスでは、横方向の色収差を修正するために、第１のレンズの材料の分散を第２のレンズの材料の分散よりも大きいものにすることができる。第１の光学グループは、偏向素子と画像面との間に配置されているので、第１の光学グループは、相対的に画像に近く（第２の光学グループと比較した場合）、それにより横方向の色収差の優れた修正を行うことが可能となる。

本発明によるＨＭＤデバイスの特に好適な実施形態の場合、縦方向の色収差を修正するために、第２の光学グループは回折面および／またはアクロマートを備える。第２の光学グループは、第１の光学グループよりも画像形成光学系の射出ひとみの近傍に位置しているので、非常に優れた縦方向の色収差の修正を行うことができる。

縦方向の色収差の修正のために第２の光学グループ内に回折面を設けると、追加の光学素子を使用しなくてすむという利点がある。それ故、第３のレンズの面上に、特には、第３のレンズの非球面上に回折面を形成することができる。もちろん、回折面を平面とすることもできる。この平面は薄い平面平行面上に設けることもでき、あるいは偏向プリズムが偏向素子として設けられている場合には、上記面は第２の光学グループの方を向く偏向プリズムの面上に形成することもできる。

本発明によるＨＭＤデバイスは、第１のレンズの一方の面および第２のレンズの一方の面が、非点収差および歪みを修正するために非球形に設計されるように具体化することもできる。第１の光学グループ内に２つの非球面を形成することにより、特に非点収差および歪みの修正の見地からいって、画像形成品質を更に改善することができる。

本発明によるＨＭＤデバイスの有利な実施形態の場合、第２のレンズおよび第３のレンズは、同じ設計になっている。そうすることにより、異なる光学素子の数が減り、製造コストを低減することができる。

第２のレンズおよび第３のレンズは、これらレンズが、光軸に沿って相互に単にずれているか、更に、これらのレンズも相互に鏡像関係で位置するように配置することができる。

本発明によるＨＭＤデバイスの場合には、偏向素子は、１回の反射で、光路を約７０〜１１０度、好適には、９０度曲げることができる。その結果、画像形成光学系を非常に小さくすることができ、それによりＨＭＤデバイスを小くコンパクトに設計することもできる。偏向素子としては、例えば、偏向プリズムを使用することができる。このことは、偏向ミラーと比較すると、（プリズム材料の屈折率が１より大きいので）光路を同じ長さにするために、偏向素子として使用するプリズムをより小さくすることができるという利点を有する。その結果、装置がより小形軽量になる。

偏向素子として偏向ミラーを使用すると、このような偏向ミラーを必要な精度で、非常に低コストで製造できるという利点がある。それにより、本発明によるＨＭＤデバイスの製造コストを低減することができる。

更に、本発明によるＨＭＤデバイスは、２つの光学グループのすべての光学面が、回転対称であり、かつ画像形成光学系の光軸に対して心合せされているように具体化することもできる。それ故、優れた画像形成特性を有するコンパクトな画像形成光学系ができる。より詳細に説明すると、２つの光学グループのすべてのレンズをプラスチックから作ることができ、そのため画像形成光学系の重量を非常に軽くすることができる。

第２の光学グループは、好適には、正の屈折力を有する。そうすることによりＨＭＤデバイスをコンパクトにすることができる。
具体的には、生成した画像だけをユーザが視認可能となるようにＨＭＤデバイスを提供することができる。別の方法としては、ＨＭＤデバイスの表示面積を大きくすることができる。その場合、ユーザは周囲環境の上に画像を重畳して視認することになる。この場合、好適には、周囲の光は、偏向素子および第２の光学グループを通過する（第１の光学グループを通過しない）。偏向素子の前に、周囲の光が偏向素子および第２の光学グループを通過する前に通過する第３の光学グループを設置することもできる。

画像形成光学系は、好適には、画像素子が生成した画像の仮想画像を生成する。この場合、具体的には、無限遠に画像を形成することができる。
画像形成光学系の射出ひとみは、第２の光学グループの後ろ（すなわち、空中）に位置し、その結果、ＨＭＤデバイスを装着している使用は、何の問題もなく、自分の目を射出ひとみの位置に移動することができる。

当然、本発明によるＨＭＤデバイスは、例えば、ＯＬＥＤ（有機ＬＥＤ）のような発光画像素子であるか、あるいは、反射性または透過性の（例えば、ＬＣＤモジュール、傾斜ミラー・マトリックスなど）非発光画像素子である画像素子により所定の画像データに基づいて画像素子を制御するための制御ユニットを含むことができる。画像が生成される画像面を画像素子自身により供給することもでき、画像素子から間隔を置いて設置することもできる。後者の場合、画像素子と画像面との間に中間画像形成光学系を置くことができる。更に、本発明によるＨＭＤデバイスは、適当な保持デバイスまたは適当なフレームを備えることもでき、それを使用して、ＨＭＤデバイスをユーザの頭に装着することができる。上記フレームは、眼鏡のフレームと同じ設計のものであってもよい。もちろん、ＨＭＤデバイスは、一方の目または両方の目に対して画像を表示するようにすることができ、画像素子は単色または多色の画像を生成することができる。

図面を参照しながら本発明について以下に更に詳細に説明するが、これは単に例示としてのものに過ぎない。

図１は、本発明によるＨＭＤデバイス１を頭の上に装着しているユーザを上方から見た概略図である。ＨＭＤデバイスは、ユーザの鼻および両方の耳（図示せず）の上に支持される眼鏡タイプのフレーム２を備える。１つの画像生成手段３が、ユーザのそれぞれの目Ａ１、Ａ２の前のフレーム２にそれぞれ取り付けられている。図１に示すように、左の目Ａ１の場合、画像生成手段３は、ここでは発光マイクロディスプレイである画像素子４、および画像素子４が生成した画像が、ユーザが左の目Ａ１で視認可能となるように、無限遠のところに画像を形成する画像形成光学系５を備える。この目的のために、画像形成光学系５の射出ひとみＰは、目Ａ１の瞳の面内に位置する。

図２は、画像生成手段３の実施形態の詳細図である。画像素子４の後には、負の屈折力を有する第１のレンズ７と正の屈折力を有する第２のレンズ８とを備える第１の光学グループ６、９０度偏向プリズム９、およびレンズ１１を備える第２の光学グループ１０がこの順序で配置されている。第１の光学グループにおいては、画像素子の方を向いている第１および第２のレンズ７および８の各面は、非球面を形成し、射出ひとみＰの方を向いている第２の光学グループの第３のレンズ１１の面も非球面を形成する。加えて、この非球面は、更に回折面を形成しており、この回折面はキノフォーム（ｋｉｎｏｆｏｒｍ）のプロファイルを有する。より詳細には、回折面は、その中心が射出ひとみの方を向いている第３のレンズの面のレンズ頂点である同心リングを備える。各リングは、内半径および外半径を有する。第１のリングの内半径はゼロである。ｍ番目のリングの外半径はｍ＋１番目のリングの内半径である。リングの幅は、レンズの中心から縁部に向かって連続的に狭くなっている。内半径での溝の深さはゼロである。外半径では、溝の深さはｄである。それ故、ｍ番目のリングからｍ＋１番目のリングへの通路には、高さｄの段が存在する。回折面は、下記の位相プロファイル関数φで表すことができる。

ここで、λ₀は基準波長であり、Ｃ_nは位相多項式の係数である。ｍ番目のリングの半径ｒは、下式により計算される。

Ｎ個のリングの最大のものは下式で表される。

ここで、ｒ_maxはレンズの直径の半分である。

各リングの溝の深さは、下式で表される。

ここで、ｎ₀は、λ₀の場合の材料の屈折率である。上記実施形態の場合には、係数Ｃ₁で回折面を記述すれば十分であることが分かった。上記係数は下記の表３に示されている。
非球面は下式（サジッタ式）により表される。

ｚ：サジッタ（ｓａｇｉｔｔａ）
Ｋ：偏心
ρ：頂点の曲率
ｈ：高さ
Ａ、Ｂ、Ｃ：高次の項に対する係数
下記の表１〜４を見れば、画像形成光学系５の詳細な光学的設計がはっきり分かる。ここで、表１はレンズおよび偏向プリズムについて記載している。表２は非球面について明記し、表３は回折面についてより正確に明記し、表４は使用した材料の特性を示す（表１の「材料」欄参照）。

表４では、ｎ_dは５８７．５６ｎｍでの屈折率であり、ｖ_dは対応するアッベ（Ａｂｂｅ）係数であり、ρ₁は密度である。

図２の実施形態では、第２および第３のレンズ８、１１は、偏向プリズム９上に固定されている。このような構成は、画像形成光学系５の製造の際に調整の複雑さを低減することができるという利点がある。それ故、図に示す画像形成光学系は、単に、（正確に）３つのレンズしか備えていないが、射出ひとみが直径１０ｍｍであり、および射出ひとみから第３のレンズ１１の最後のレンズ頂点までの距離が約１５ｍｍであるという優れた画像品質を確保する。

第１の光学グループは、非点収差および歪みおよび横方向の色収差を修正する働きをする。第２の光学グループ、特に第３のレンズ１１の非球形回折面Ｆ７は、縦方向の色収差および球面収差を修正する働きをする。

図２の実施形態およびすべての以降の実施形態では、画像形成光学系５の焦点距離をｆで、第１のレンズ７の焦点距離をｆ₁で、第２のレンズの焦点距離をｆ₂で示した場合、−１．２ｆ＜ｆ₁＜−０．３ｆ、かつ０．６ｆ＜ｆ₂＜１．５ｆという関係になるように光学グループが設けられる。第２の光学グループは、正の焦点距離を有し、第２の光学グループの焦点距離をｆ₃で表した場合には、０．６ｆ＜ｆ₃＜１．７ｆという関係になる。（光軸に沿う）画像素子４から射出ひとみＰまでの画像形成光学系の構造上の長さＬに関しては、画像素子４から偏向素子９の頂点までの構造上の長さをＬ₁で表し、偏向素子９の頂点から射出ひとみＰまでの構造上の長さをＬ₂で表した場合、０．６ｆ＜Ｌ₁＜１．２ｆ、かつ０．８ｆ＜Ｌ₂＜１．５ｆ、かつ１．２ｆ＜Ｌ＜２．６ｆという関係になる。

図３は、画像形成光学系５の別の実施形態を示す。この実施形態は、第２のレンズ８および第３のレンズ１１が同じ設計になっているという点で図２の実施形態とは異なる。このような構造であるので、異なるレンズの数を少なくすることができ、その結果、製造コストを低減することができる。画像形成光学系５の正確な構造は、表１〜３と同じ構成の下記の表５〜７から明らかである。

図４は、画像形成光学系５の別の実施形態を示す。この場合も、第２のレンズ８および第３のレンズ１１の設計は同じである。上記実施形態３とは対照的に、両方のレンズ８および１１は、単にその間の軸がずれた状態で配置されており、図３の実施形態の場合のように相互に鏡像関係になっていない。更に、第２および第３のレンズ８および１１の非球面上に、図３の実施形態と同じ方法で回折面が形成されている。図４の画像形成光学系の正確な構造は、下記の表８〜１０から明らかである。

図５は、画像形成光学系５の別の実施形態を示す。上記実施形態とは対照的に、この場合には、回折面は平面平行プレート１２の一方の面上に設けられている。平面平行プレート１２は、射出ひとみＰと第２の光学グループ１０の第３のレンズ１１との間に配置されており、回折面は射出ひとみＰから遠い面上に設けられている。この場合も、第２および第３のレンズは、偏向プリズム９に固定されている。図５の画像形成光学系の正確な構造は、下記の表１１〜１３から明らかである。

図６は、本発明による画像形成光学系の別の実施形態を示す。この実施形態は、第２の光学グループ１０内に回折面が設けられておらず、２つのレンズ１３および１４の固定されたグループが色消し効果を有している点で上記実施形態とは異なる。この固定されたグループにより縦方向の色収差が修正される。

この画像形成光学系の正確な構造は、下記の表１４および１５から明らかである。

本発明によるＨＭＤデバイスの概略図。 第１の実施形態による図１のＨＭＤデバイスの画像形成光学系内のレンズ・セクションの図。 第２の実施形態による図１のＨＭＤデバイスの画像形成光学系内のレンズ・セクションの図。 第３の実施形態による図１のＨＭＤデバイスの画像形成光学系内のレンズ・セクションの図。 第４の実施形態による図１のＨＭＤデバイスの画像形成光学系内のレンズ・セクションの図。 第５の実施形態による図１のＨＭＤデバイスの画像形成光学系内のレンズ・セクションの図。

Claims (10)

1. ＨＭＤデバイスであって、画像を生成するための画像素子（４）と、前記ＨＭＤデバイスを装着しているユーザが視認可能となるように、画像を投影するための画像形成光学系（５）とを備え、前記画像形成光学系（５）が、負の屈折力を有する第１のレンズ（７）と正の屈折力を有する第２のレンズ（８）とを含む第１の光学グループ（６）と、前記第１の光学グループ（６）の後に位置する偏向素子（９）と、前記偏向素子（９）の後に位置する第２の光学グループ（１０）とを備え、前記第２の光学グループが第３のレンズ（１１）を備え、非点収差および歪みを修正するために、第１および第２のレンズ（７，８）の少なくとも１つの面（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）が非球面であり、球面収差を修正するために、前記第３のレンズ（１１）の少なくとも一つの面（Ｆ６，Ｆ７）が非球面であることを特徴とするＨＭＤデバイス。
2. 像面湾曲を修正するために、前記第１のレンズ（７）は、前記第２のレンズ（８）よりも、前記生成した画像を含む画像面の近傍に位置し、更に、前記偏向素子（９）よりも前記画像面の近傍に位置することを特徴とする、請求項１に記載のＨＭＤデバイス。
3. 横方向の色収差を修正するために、前記第１のレンズ（７）の材料が、前記第２のレンズ（８）の材料よりも高い分散を有することを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載のＨＭＤデバイス。
4. 縦方向の色収差を修正するために、前記第２の光学グループ（１０）が、回折面および／またはアクロマートを備えることを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載のＨＭＤデバイス。
5. 前記回折面が、前記第３のレンズ（１１）の非球面上に設けられることを特徴とする、請求項４に記載のＨＭＤデバイス。
6. 前記回折面が平面として設けられることを特徴とする、請求項４に記載のＨＭＤデバイス。
7. 非点収差および歪みを修正するために、前記第１のレンズ（７）の一つの面および前記第２のレンズ（８）の一つの面が非球形状に設計されていることを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載のＨＭＤデバイス。
8. 前記第２のレンズ（８）および前記第３のレンズ（１１）が同じ設計であることを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載のＨＭＤデバイス。
9. 前記偏向素子（９）が、１回の反射で、光路を約７０〜１１０度、好適には、９０度折り曲げることができることを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載のＨＭＤデバイス。
10. 前記２つの光学グループ（６，１０）のすべての光学面は、回転対称であり、かつ前記画像形成光学系の光軸に対して心合せされていることを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載のＨＭＤデバイス。

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