JP3617257B2 - 接眼光学系及び接眼映像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の頭部もしくは顔面に保持することが可能な頭部又は顔面装着式視覚表示装置に適用可能な接眼光学系と、この接眼光学系を搭載した接眼映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バーチャルリアリティー用、あるいは、個人的に大画面の映像を楽しむことを目的として、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部又は顔面に保持する視覚表示装置が開発されている。例えば、液晶表示素子，ＥＬ表示素子等の小型の表示素子上の像をレンズ等の接眼光学系で眼球に拡大投影するものがある。そのような接眼表示装置の光学系を図６に示す。図６において、２次元表示素子を３、２次元表示素子３を空中に拡大投影する接眼レンズを２０、観察者Ｈの眼球を１０とする。従来装置では、２次元表示素子３に形成された原画像の拡大虚像を接眼レンズ２０により形成し、眼球１０でこの拡大虚像を鑑賞するよう構成されていた。
【０００３】
接眼光学系の従来技術としては、顕微鏡、双眼鏡、望遠鏡、ファインダー等の接眼レンズがある（実公昭４０−９０９０号公報，特開昭５０−１５１１６３号公報，特開昭５１−１２０２３１号公報，特開昭５２−７２２４２号公報，特開平３−８７７０９号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
頭部もしくは顔面装着式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを小さくすることと軽量化が装着性を向上させる上で重要である。また、大きな画角を確保することが画面の臨場感を増す上で必要であり、臨場感は提示画角で決まってしまうと言っても過言でない。立体感、迫力感、没入感等の臨場感を観察者に与えるためには対角方向で１００度以上の表示画角を実現することが望ましい。
【０００５】
また、接眼光学系のアイポイントにおける設計瞳径が小さいと、瞳の自由度が小さく、装置の最適装着状態から少しずれるだけで観察視野周辺に暗黒部が生じ、臨場感を損なうこととなり、好ましくない。つまり、接眼光学系のＦナンバーを小さくすることが要求される。
【０００６】
しかし、接眼光学系の画角を大きくし、さらに、Ｆナンバーを小さくすると、光学系の周辺部を光線が通過するため、収差の発生が大きくなり、コンパクトな構成では収差の補正が困難となり、さらに像面湾曲の影響もあいまって周辺画像の解像度が低下することが問題となる。特に像面湾曲については、レンズ枚数の少ないコンパクトな接眼レンズでは、光線高の高い箇所に正レンズ、低い箇所に負レンズを配置して、正負のパワー配分によってペッツバール和を小さくするような構成をとることができず、その補正が困難である。
【０００７】
本発明によって提供する接眼光学系は、下記の条件を同時に満たすものである。
（１） 対角１１０°以上の大きな画角
（２） 小さいＦナンバー（大きな瞳径）
（３） 適切なアイリリーフ（観察者の目〜接眼レンズ第１面間の距離）
（４） 良好な収差補正。
一方，上記した従来の接眼レンズは、５０°〜７０°程度の比較的大きな画角を確保してはいるものの、バーチャルリアリティ用途等において十分な臨場感と実使用上の容易性を実現する上で不可欠の上記条件を同時に満たしているとはいえない。従って、上記従来例の接眼レンズを接眼映像表示装置に搭載しても、大きな観察画角と大きな瞳位置の自由度と周辺まで平坦性の良い鮮明な画像とを同時に提供することはできない。
【０００８】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、単眼で対角１１０°以上の大きな観察画角を提示でき、適切な瞳径とアイリリーフを備えることで瞳位置の自由度が大きく、かつ、周辺まで均一で鮮明な観察画像を提示できるよう収差補正された接眼光学系を提供するものである。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は上記接眼光学系を接眼レンズとして搭載した広画角で臨場感に優れ、かつ鮮明な映像表示が可能な小型・軽量の接眼映像表示装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る接眼光学系においては、２群４枚構成のレンズ系より成り、眼球側から順に、眼球側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１と中心近傍が眼球側に凸面を向けたメニスカス形状で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ２と中心近傍が両凸で軸上屈折力が正の両面非球面レンズＬ３とより構成される正の第１レンズ群Ｇ１，中心近傍が両凹で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ４より成る第２レンズ群Ｇ２より構成され、２次元表示素子上の平面像を眼球に虚像として拡大投影するものである。
【００１１】
また、上記両面非球面レンズＬ２は両面の周辺部が眼球側に凹面を向けるように湾曲した形状より成るものである。
【００１２】
また、前記Ｇ１群、Ｇ２群の軸上焦点距離を各々ｆ１３、ｆ４とし、全系の焦点距離をｆとした場合、
０．２＜ｆ１３／ｆ＜０．４
−０．１８＜ｆ４／ｆ＜−０．０９
なる条件を満足するものである。
【００１３】
また、前記Ｇ１群、Ｇ２群の軸上焦点距離を各々ｆ１３、ｆ４とした場合、
−２．９＜ｆ１３／ｆ４＜−１．７
なる条件を満足するものである。
【００１４】
また、前記レンズＬ３、レンズＬ４の軸上焦点距離を各々ｆ３、ｆ４とした場合、
−２．８＜ｆ３／ｆ４＜−１．５
なる条件を満足するものである。
【００１５】
また、前記Ｇ１群のレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を構成する硝材のアッベ数の平均値をν１３、及びＧ２群のレンズＬ４を構成する硝材のアッベ数をν４とした場合、
ν１３＞ ４０
ν４＜ ３０
なる条件を満足するものである。
【００１６】
また、前記レンズＬ３，Ｌ４を構成する硝材のアッベ数を各々ν３，ν４とした場合、
ν３＞ ３５
ν４＜ ３０
なる条件を満足するものである。
【００１７】
また、本発明の接眼映像表示装置は、原画像を表示する１個もしくは２個の２次元表示素子と、該２次元表示素子上の平面像の各々を眼球に虚像として拡大投影する２次元表示素子と同個数の接眼光学系とからなり、該接眼光学系は眼球側から順に、眼球側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１と中心近傍が眼球側に凸面を向けたメニスカス形状で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ２と中心近傍が両凸で軸上屈折力が正の両面非球面レンズＬ３より構成される正の第１レンズ群Ｇ１，中心近傍が両凹で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ４より成る第２レンズ群Ｇ２より構成するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の接眼映像表示装置に用いられる接眼光学系の実施の形態について説明する。図１〜図２は各々実施の形態１〜２の接眼光学系の断面図である。また、図１〜図２は各々後に記載する数値実施例１〜２に対応するものである。
【００１９】
実施の形態１〜２の各断面図の構成は図面上では類似の構成であるので、代表例として実施の形態１を示す図１について以下に説明し、実施の形態２については構成の説明を省略する。
＜実施の形態１ （第１の発明）＞
図１において、１は観察者の眼球の瞳孔にあたる接眼光学系の入射瞳、２は本発明による接眼光学系、３は原画像を表示するＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＥＬＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、 ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）等の２次元表示素子（画像表示面）である。
【００２０】
接眼光学系２は、入射瞳１側から順に、第１レンズ群Ｇ１，第２レンズ群Ｇ２の順に配置されている。Ｇ１群は、入射瞳側１に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１と、中心近傍の両面が眼球側に凸面を向けたメニスカス形状で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ２と、中心近傍が両凸で軸上屈折力が正の両面非球面レンズＬ３とから構成され、正の屈折力を有する。また、Ｇ２群は中心近傍が両凹で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ４より構成され、負の屈折力を有する。
【００２１】
色収差の低減のために、正レンズＧ１群を構成するＬ１，Ｌ２，Ｌ３には低分散硝材が使用され、負レンズであるＬ４には高分散硝材が使用されている。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を構成する硝材のアッベ数平均値をν１３とし、Ｌ４を構成する硝材のアッベ数をν４とすると、ν１３，ν４は以下の不等式（１），（２）を同時に満たすことで色収差を良好に補正している。
ν１３＞ ４０ （１）
ν４＜ ３０ （２）
また、Ｇ１群の正の屈折力の殆どがＬ３にあるので、Ｌ３，Ｌ４を構成する硝材のアッベ数をν３，ν４とすると、ν３，ν４は以下の不等式（３），（４）を同時に満たすことで色収差が良好に補正される。
ν３＞ ３５ （３）
ν４＜ ３０ （４）
【００２２】
レンズＬ２は中心近傍の両面が眼球側に凸面を向けたメニスカス形状で、中心近傍が負のパワーを有する両面非球面レンズより構成されている。Ｌ２は周辺部が両面共入射瞳１側（眼球側）に凹面を向けるように湾曲する構成であり、大きな傾斜を有する周辺光線に対する入射角を小さく保っている。
【００２３】
また、前記Ｇ１群（レンズＬ１〜Ｌ３），Ｇ２群（レンズＬ４）の軸上焦点距離を各々ｆ１３，ｆ４とし、全系の焦点距離をｆとした場合、下記（５），（６）式を満足している。
０．２＜ｆ１３／ｆ＜０．４ （５）
−０．１８＜ｆ４／ｆ＜−０．０９ （６）
（５）式，（６）式は、本発明による接眼光学系のパワー配分を規定するものである。（５）式の上限値を超えると、Ｇ１群の正のパワーが弱くなって軸上色収差が補正過剰になる。また（５）式の下限値を超えるとＧ１群の正のパワーが強くなって、適切なバックフォーカル長が確保できなくなり表示素子の配置が困難になるとともに、軸上色収差が補正不足になり、また軸外の高次収差の補正が困難となる。（６）式の上限値を超えると、Ｇ２群の負のパワーが強くなって、軸上色収差が補正過剰になるとともに、レンズＬ４の作成精度，配置精度が厳しくなって実用性がなくなる。また軸外の高次収差の補正が困難になる。（６）式の下限値を超えると、Ｇ２群の負のパワーが弱くなって、適切なバックフォーカル長が確保できなくなり表示素子の配置が困難になるとともに、軸上色収差が補正不足となる。
【００２４】
また、前記Ｇ１群、Ｇ２群の軸上焦点距離を各々ｆ１３、ｆ４とした場合、下記（７）式を満足する。
−２．９＜ｆ１３／ｆ４＜−１．７ （７）
（７）式はＧ１群と、Ｇ２群の焦点距離の比の範囲を制限するものである。（７）式の下限値を超えるとＧ２群の負のパワーが相対的に強くなる。この結果、Ｇ２群（レンズＬ４）で生じる高次の軸外収差の補正が困難になり、また軸上色収差が補正過剰となる。（７）式の上限値を超えるとＧ１群の正のパワーが相対的に強くなり、全系のバックフォーカル長の確保が困難になるとともにＧ１群で生じる高次の軸外収差の補正が困難になる。
【００２５】
また、前記レンズＬ３，Ｌ４の軸上焦点距離を各々ｆ３，ｆ４とした場合、下記（８）式を満足する。
−２．８＜ｆ３／ｆ４＜−１．５ （８）
（８）式はＧ１群のパワーを支配するレンズＬ３と、Ｇ２群を構成するレンズＬ４の焦点距離の比の範囲を制限するものである。（８）式の下限値を超えるとレンズＬ４の負のパワーが相対的に強くなる。この結果、レンズＬ４で生じる高次の軸外収差の補正が困難になり、また軸上色収差が補正過剰となる。また、レンズＬ４の作成精度，配置精度が厳しくなり実用性を失う。（８）式の上限値を超えるとレンズＬ３の正のパワーが相対的に強くなり、全系のバックフォーカル長の確保が困難になるとともにレンズＬ３で生じる高次の軸外収差の補正が困難になる。また、レンズＬ３の作成精度，配置精度が厳しくなり実用性を失う。
【００２６】
以下、実施の形態１〜２に対応する数値実施例を示す。各数値実施例の断面図は各々図１〜２に対応する。又、表の記号の意味は以下の通りである。
【００２７】
ＥＰＤ：入射瞳径 （開口絞りＡＳＴの開口径と等しい）
ｆ： 全系の焦点距離 （ｍｍ）
Ｆ／＃：Ｆナンバ （無限共役時）
ω ：入射瞳側半画角 （無限共役時）
ｍ ：入射瞳から数えた面番号
ｒｉ ：入射瞳から数えて第ｉ面の曲率半径（ｍｍ）
ｄｉ ：入射瞳から数えて第ｉ面から第ｉ＋１面に至る距離（厚さ，空気間隔； （ｍｍ））
ｎｉ ：入射瞳から数えて第ｉ面直後の媒質の波長５８７．６ｎｍ（ｄ線）における屈折率
νｉ ：入射瞳面から数えて第ｉ面直後の媒質のアッベ数
ＡＳＴ：開口絞り面（入射瞳面と等価）
ＡＳＰ：非球面
上記焦点距離、Ｆナンバ、半画角は波長５４６ｎｍにおける値である。
また、上記ＡＳＰで示された非球面の形状は、（９）式，（１０）式で定義される。

但し、ｒは中心曲率半径，Ｋは円錐定数，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０は各々４次，６次，８次，１０次の非球面係数、ｈは光軸Ｚからの高さである。又、非球面の中心は座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点に位置し、光軸はＺ方向に合わせられているものとする。
【００２８】

【００２９】

【００３０】
次に各数値実施例に関する、レンズ系各部の焦点距離，焦点距離の比，アッベ数の平均値を下表にまとめて示す。但し、表の記号の意味は以下の通りである。
ｆ ： 全系の焦点距離（ｍｍ）
ｆ１： レンズＬ１の焦点距離（ｍｍ）
ｆ２： レンズＬ２の軸上焦点距離（ｍｍ）
ｆ３： レンズＬ３の軸上焦点距離（ｍｍ）
ｆ４： レンズＬ４（Ｇ２群）の軸上焦点距離（ｍｍ）
ｆ１３： Ｇ１群（レンズＬ１〜Ｌ３）の合成軸上焦点距離（ｍｍ）
ν１３： レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を構成する硝材のアッベ数の平均値
上記の各種焦点距離は波長５４６ｎｍにおける値である。
【００３１】

【００３２】
図３〜図４に上記数値実施例１〜２に対応する横収差図を示す。ＥＹはメリジオナル断面内、ＥＸはサジッタル断面内の収差を示す。ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３は各々波長４７０ｎｍ，５４６ｎｍ，６１０ｎｍに対する曲線であり、４種類の入射画角（無限遠入射）に対して小さな共役側（画像表示素子３）の面上の横収差をプロットした。図３〜図４より、本願の数値実施例はいずれも良好に横収差，色収差補正されており、対角１１０°以上の広画角で高解像な拡大虚像の形成が可能であることがわかる。
【００３３】
＜実施の形態３ （接眼映像表示装置）＞
次に、上記実施の形態１〜２で述べた接眼光学系を実装した接眼映像表示装置の構成について図により説明する。図５は本発明の実施の形態３である接眼映像表示装置を示す構成図である。図において、２は実施の形態１，２にて説明した接眼光学系、３は２次元表示素子、１０は観察者Ｈの眼球、２０は接眼光学系２を実装した接眼光学装置、３０Ｌ，３０Ｒは２次元表示素子３と接眼光学装置２０から成る表示ユニット、５０は左右の表示ユニット３０Ｌ，３０Ｒを観察者Ｈの頭部に固定するためのベルト機構である。２次元表示素子３は従来例を示す図６と同様にＬＣＤ，ＥＬＤ，ＦＥＤ，ＣＲＴ等の小型表示素子が用いられる。これらのうちＬＣＤを用いる場合、ＬＣＤは自発光でない表示素子ゆえ、例えば蛍光灯，ＬＥＤ，ＥＬ等からなる光源（図示省略）が表示素子３に組み込まれている。また、ＥＬＤ，ＦＥＤ，ＣＲＴ等の自発光表示素子を２次元表示素子に用いる場合には、このような光源の組み込みは不要である。
【００３４】
２次元表示素子３の画像形成面に形成された原画像は、接眼光学系２により拡大虚像に変換され、眼球１０でこの拡大虚像を鑑賞する。図５の接眼表示装置は第１の発明の接眼光学系２を実装しているので、１１０°以上の大きな観察画角を提示でき、適切な瞳径とアイリリーフを備えることで瞳位置の自由度が大きく、かつ、周辺まで均一で鮮明な観察画像を提示できる。この結果、広画角で臨場感に優れ、かつ鮮明な映像表示が可能である。
【００３５】
左右各々の目に呈示される画像を１００％重ねあわせても第１の発明による接眼光学系の画角は全角で１１０°以上と十分大きい。しかし公知のように水平方向外側に左右の提示画像をずらして表示することで、水平画角を拡大することができる。このために、（１）画像表示素子３の中心を接眼光学系２の光軸に対して水平方向にシフトさせ虚像を水平方向外側に移動させる、（２）接眼光学装置２０と２次元表示素子３を組み合わせた表示ユニット（３０Ｌ，３０Ｒ）全体を各々水平面内で傾斜させ虚像形成位置を見かけ上外側方向に移動させる、等の方法で左右の目に対応する形成画像を左右方向外側にシフトするのが望ましい。左右の拡大表示画像を１００％重ね合せた状態で双方の２次元表示素子に同一の画像を表示しても十分表示画像の画角が大きいので臨場感のよい結果が得られる。さらに、左右の拡大画像を１００％重ね合せた場合、及び水平方向外側にシフトして重ね合せた場合のいずれにおいても、左右の２次元表示素子に両眼視差画像を表示すれば、立体視の効果によりさらに臨場感が高まる。
【００３６】
なお、接眼光学装置２０と２次元表示素子３は、実際の装置では一体に組み込まれ、さらに装置全体を観察者Ｈの頭部に固定するベルト機構５０が設けられている。しかし表示ユニット３０Ｌ，３０Ｒを共通の匡体に収めた覗き込み型の接眼表示装置を構成する場合、必ずしもベルト機構５０は必要でない。また、接眼光学装置２０と２次元表示素子３の光軸方向間隔、及び表示ユニット３０Ｌ，３０Ｒ間の間隔は、観察者Ｈの目の特性及び瞳孔間隔に応じて適宜調整する機構（図示省略）を備えることで、観察者毎に最適の表示特性が提供できる。さらに、図５では接眼光学装置２０と２次元表示素子３を２組設け両眼で鑑賞する接眼映像表示装置を示したが、接眼光学装置２０と２次元表示素子３を１組設けた構成により単眼で鑑賞する装置にも変形可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００３８】
本発明に係る接眼光学系は、下記の条件を同時に満たすものである。
（１） 対角１１０°以上の大きな画角
（２） 小さいＦナンバー（大きな瞳径）
（３） 適切なアイリリーフ（観察者の目〜接眼レンズ第１面間の距離）
（４） 良好な収差補正。
この結果、本発明に係る接眼光学系によれば、単眼で１１０°以上の大きな観察画角を提示でき、適切な瞳径とアイリリーフを備えることで瞳位置の自由度が大きく、かつ、周辺まで均一で鮮明な観察画像を提示できるよう収差補正された接眼光学系を実現できる。
【００３９】
また、本発明の接眼映像表示装置によれば、上記接眼光学系を接眼レンズとして搭載した広画角で臨場感に優れ、かつ鮮明な映像表示が可能な小型・軽量の装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である接眼光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２である接眼光学系の断面図である。
【図３】本発明の数値実施例１の接眼光学系の横収差図である。
【図４】本発明の数値実施例２の接眼光学系の横収差図である。
【図５】本発明の実施の形態３である接眼映像表示装置を示す構成図である。
【図６】従来の接眼映像表示装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 入射瞳（観察者の眼球位置）、２ 接眼光学系、３ ２次元表示素子、１０ 眼球、２０ 接眼光学装置、３０Ｌ 左表示ユニット、３０Ｒ右表示ユニット、５０ ベルト機構、Ｇ１ 第１レンズ群、Ｇ２ 第２レンズ群。

Claims (8)

1. ２次元表示素子上の平面像を眼球に虚像として拡大投影する機能を有する光学系で、該光学系は眼球側から順に、眼球側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１と中心近傍が眼球側に凸面を向けたメニスカス形状で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ２と中心近傍が両凸で軸上屈折力が正の両面非球面レンズＬ３とより構成される正の第１レンズ群Ｇ１，中心近傍が両凹で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ４より成る第２レンズ群Ｇ２より構成されることを特徴とする接眼光学系。
2. 上記両面非球面レンズＬ２は両面の周辺部が眼球側に凹面を向けるように湾曲した形状であることを特徴とする、請求項１記載の接眼光学系。
3. 前記Ｇ１群，Ｇ２群の軸上焦点距離を各々ｆ１３，ｆ４とし、全系の焦点距離をｆとした場合、
   ０．２＜ｆ１３／ｆ＜ ０．４
   −０．１８＜ｆ４／ｆ＜−０．０９
   なる条件を満足する請求項１記載の接眼光学系。
4. 前記Ｇ１群，Ｇ２群の軸上焦点距離を各々ｆ１３，ｆ４とした場合、
   −２．９＜ｆ１３／ｆ４＜−１．７
   なる条件を満足する請求項１記載の接眼光学系。
5. 前記レンズＬ３，Ｌ４の軸上焦点距離を各々ｆ３，ｆ４とした場合、
   −２．８＜ｆ３／ｆ４＜−１．５
   なる条件を満足する請求項１記載の接眼光学系。
6. 前記Ｇ１群のレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を構成する硝材のアッベ数の平均値をν１３、及びＧ２群のレンズＬ４を構成する硝材のアッベ数をν４とした場合、
   ν１３＞ ４０
   ν４＜ ３０
   を満足することを特徴とする請求項１記載の接眼光学系。
7. 前記レンズＬ３，Ｌ４を構成する硝材のアッベ数を各々ν３，ν４とした場合、
   ν３＞ ３５
   ν４＜ ３０
   を満足することを特徴とする請求項１記載の接眼光学系。
8. 原画像を表示する１個もしくは２個の２次元表示素子と、該２次元表示素子上の平面像の各々を眼球に虚像として拡大投影する前記２次元表示素子と同個数の接眼光学系とからなり、該接眼光学系は眼球側から順に、眼球側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１と中心近傍が眼球側に凸面を向けたメニスカス形状で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ２と中心近傍が両凸で軸上屈折力が正の両面非球面レンズＬ３とより構成される正の第１レンズ群Ｇ１，中心近傍が両凹で軸上屈折力が負の両面非球面レンズＬ４より成る第２レンズ群Ｇ２より構成されることを特徴とする接眼映像表示装置。

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