JP6387967B2 - 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 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様によると、ヘッドマウントディスプレイは、第1の態様のヘッドマウントディスプレイ用光学系を備える。
次に、本実施形態に係る実施例について説明する。図2および図3は、本実施例に係るHMD用光学系LSの構成を説明する図である。本実施例に係るHMD用光学系LSは、光源(不図示)側から順に、光偏向素子M1と、第1レンズ群G1と、第2レンズ群G2と、第3レンズ群G3と、光反射素子M2と、を備える。
<表1>
面番号 Surface Type Ry Rx D Nd
s0 物体面 無限 ← 無限
s1 絞り面 無限 ← 8.00000
s2 非球面 29.22450 ← 3.60000 1.61420
s3 非球面 6.82988 ← 0.50000
s4 非球面 9.52201 ← 4.64956 1.53113
s5 非球面 -11.55702 ← 0.50000
s6 フィルター面 無限 ← 0.10038 1.51680
s7 フィルター面 無限 ← 4.24326
s8 自由曲面 12.66031 ← 3.60000 1.53113
s9 自由曲面 14.97916 ← 11.83267
s10 球面 -100.00000 ← 1.65000 1.49080
s11 Xトロイダル面 -43.68784 9.40251 6.87359
s12 非球面 -61.51808 ← 8.44181 1.61420
s13 非球面 16.61681 ← 0.80873
s14 自由曲面 無限 ← 11.20000 1.49080
s15 自由曲面 無限 ← 24.00000
refl_s16 自由曲面 無限 ← -45.00000 反射面
s17 像面(描画面) 無限 ← -
<表2>
(非球面データ1)
係数 s2 s3 s4 s5
Ry 29.22450 6.82988 9.52201 -11.55702
K 0 0 0 0
A4 -5.48866E-04 -1.31081E-03 -4.43283E-04 -3.85018E-05
A6 3.40408E-07 -7.12036E-06 -7.34656E-06 1.60928E-06
A8 2.09680E-07 1.71298E-08 -7.12654E-08 4.68098E-10
A10 -5.06819E-09 1.16043E-09 9.65326E-10 -2.04229E-10
A12 -4.11852E-10 -4.81902E-11 4.74224E-11 -1.58292E-11
(非球面データ2)
係数 s12 s13
Ry -61.51808 16.61681
K 0 0
A4 -4.30748E-05 -5.47315E-05
A6 9.98383E-07 -3.49955E-07
A8 -4.83228E-09 -7.40161E-10
A10 2.04352E-11 3.24607E-12
A12 -3.54814E-13 -1.83364E-15
A14 -2.96196E-15 4.31121E-17
A16 -3.47413E-17 2.65999E-19
A18 9.15311E-20 -4.45791E-22
A20 5.08369E-21 -5.50057E-24
<表3>
係数 s11
Rx 9.40251
Ry -43.68784
K 0
T4 -2.87802E-03
T6 -2.95453E-06
T8 1.41755E-05
T10 -5.66466E-07
(自由曲面データ1)
係数 S8 s9
c(曲率) 12.66030735 14.97916071
C1(K) 0.00000E+00 2.37722E+00
C3(y) -1.22412E-02 -2.04538E-02
C4(x2) -4.79507E-02 -7.68109E-02
C5(xy) 0.00000E+00 0.00000E+00
C6(y2) 2.39493E-02 3.02232E-02
C7(x3) 0.00000E+00 0.00000E+00
C8(x2y) 4.90430E-03 6.46110E-03
C9(xy2) 0.00000E+00 0.00000E+00
C10(y3) -6.67628E-04 -1.51376E-03
C11(x4) 1.37514E-03 1.43214E-03
C12(x3y) 0.00000E+00 0.00000E+00
C13(x2y2) 2.24698E-04 1.92804E-04
C14(xy3) 0.00000E+00 0.00000E+00
C15(y4) -1.29326E-04 -2.83018E-04
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C18(x3y2) 0.00000E+00 0.00000E+00
C19(x2y3) -3.37239E-05 3.24514E-07
C20(xy4) 0.00000E+00 0.00000E+00
C21(y5) 1.74109E-05 4.75077E-05
C22(x6) -1.16028E-05 1.57429E-05
C23(x5y) 0.00000E+00 0.00000E+00
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C36(y7) -1.21878E-07 -4.54383E-07
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C41(x4y4) -2.01362E-08 8.40335E-08
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C43(x2y6) -5.90430E-08 -2.97768E-07
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(自由曲面データ2)
係数 s14 s15 s16(反射面)
c(曲率) 無限 無限 無限
C1(K) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C3(y) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C4(x2) 3.38664E-02 -4.54002E-02 -6.15738E-04
C5(xy) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C6(y2) 3.36434E-02 -3.37166E-02 -2.35402E-03
C7(x3) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C8(x2y) -5.58385E-04 -1.02305E-04 -3.08743E-05
C9(xy2) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C10(y3) 4.21932E-04 2.72980E-04 -1.99563E-05
C11(x4) -2.29481E-05 8.02671E-05 -7.08460E-05
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C35(xy6) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C36(y7) 1.00627E-08 -9.06014E-09 -9.31799E-09
C37(x8) 4.29560E-09 4.28135E-10 -1.44084E-09
C38(x7y) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C39(x6y2) 1.51442E-09 -1.78074E-08 2.31693E-08
C40(x5y3) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
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C43(x2y6) 4.03754E-09 2.28979E-09 -1.13335E-09
C44(xy7) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C45(y8) 2.72814E-10 -2.48776E-09 5.58966E-10
C46(x9) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C47(x8y) -1.95707E-09 -1.70257E-09 -1.46366E-09
C48(x7y2) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C49(x6y3) -6.44138E-11 -1.19312E-10 1.23046E-09
C50(x5y4) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C51(x4y5) -1.36849E-11 4.47695E-10 6.19476E-10
C52(x3y6) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C53(x2y7) 1.24875E-10 -2.30615E-11 3.21687E-10
C54(xy8) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C55(y9) -6.91918E-11 -8.94855E-12 4.96633E-11
C56(x10) 1.70282E-10 7.42339E-11 -1.23571E-10
C57(x9y) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C58(x8y2) 2.24934E-12 2.37601E-10 -3.04716E-10
C59(x7y3) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C60(x6y4) 3.37067E-12 -7.07739E-12 -1.54154E-10
C61(x5y5) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C62(x4y6) -2.27418E-11 5.91122E-12 1.03088E-11
C63(x3y7) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C64(x2y8) 2.82575E-13 -1.18488E-11 -9.79045E-12
C65(xy9) 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
C66(y10) -5.02534E-12 -8.25320E-13 -4.54704E-12
式(6) 9.40250 / (-43.68784) = -0.21522 -0.5 < -0.21522 < 0
式(7) -|-43.68784| / (-100) = 0.43688 0 < 0.43688 < 1
式(40) 1 / (4*0.03387*0.03364*16.61681*16.61681) = 0.79465
0.5 < 0.79465 < 1.2
式(41) D = 0.80873 0 < 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=90.0000 f1=20.6758 L/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 = 30.14076 8 < 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 = 38.14859 8 < 38.14859 < 40
式(48) Lup / Lund = 8.1015 / 7.01762 = 1.15445 1 < 1.15445 < 1.5
(1)HMD用光学系LSは、光源側から順に、光偏向素子M1と、第1レンズ群G1と、第2レンズ群G2と、第3レンズ群G3と、光反射素子M2と、を備える。第1レンズ群G1は、複数の回転対称レンズL11,L12と1枚の自由曲面レンズL13とで構成される。第2レンズ群G2は、第1レンズ群G1による中間結像位置近傍に配置されたレンズL21により構成される。第3レンズ群G3は、1枚の回転対称レンズL31と1枚の自由曲面レンズL32とで構成される。このようにHMD用光学系LSは、光源からの光を光反射素子M2で斜め方向に反射するので、全体を小型化できる。また、HMD用光学系LSは、自由曲面レンズL13,L32および光反射素子M2の自由曲面によって、光源からの光を斜め方向に反射することで発生する回転非対称な収差および台形歪みを補正でき、且つレンズ枚数を減らして全体を軽量化することができる。したがって、以上の構成により、HMD用光学系LSは、小型軽量で優れた光学性能を得ることができる。
上述した実施例では、第1レンズ群G1に2枚の回転対称レンズL11,L12が設けられている例について述べたが、第1レンズ群G1に3枚以上の回転対称レンズが設けられていてもよい。この場合は、第1レンズ群G1における複数の回転対称レンズのアッベ数νdの差の最大値をΔνd1とし、上記式(45)を満足することが望ましい。
日本国特許出願2013年第207295号(2013年10月2日出願)
Claims (12)
- 光源側から順に、
前記光源からの光の進行方向を変化させる光偏向素子と、
全体として正の屈折力を有し、光軸に対して回転対称に形成された回転対称レンズと光軸に対して回転非対称に形成された自由曲面レンズとを有し、前記光偏向素子を介して入射した光を集光する第1レンズ群と、
前記第1レンズ群により形成される中間像の結像位置近傍に配置された、正の屈折力を有するレンズを有する第2レンズ群と、
光軸に対して回転対称に形成された回転対称レンズと光軸に対して回転非対称に形成された自由曲面レンズとを有する第3レンズ群と、
光軸に対して回転非対称に形成された自由曲面形状であり、前記第3レンズ群を透過した光を反射させる反射面を有する光反射素子と、
を備えるヘッドマウントディスプレイ用光学系。 - 請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記光偏向素子による前記光源からの光の進行方向の変化に応じて、前記反射面で反射して使用者の網膜に位置すると想定される描画面上に達する光が前記描画面上で移動し、前記描画面上に画像が描画されるように構成されているヘッドマウントディスプレイ用光学系。 - 請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸方向の座標軸をz軸とし、前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸および前記光反射素子と前記描画面との間の光軸を通る断面において前記z軸と垂直な座標軸をy軸とし、前記z軸および前記y軸と垂直な座標軸をx軸としたとき、前記第2レンズ群を構成するレンズの少なくとも一方のレンズ面が前記x軸方向に非球面形状を有するXトロイダル面で構成されているヘッドマウントディスプレイ用光学系。 - 請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記第2レンズ群を構成するレンズの前記光反射素子側のレンズ面が、前記Xトロイダル面で構成され、前記x軸方向の曲率半径をRx、前記y軸方向の曲率半径をRyとしたとき、次式(1)
- 請求項2〜4のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記第2レンズ群を構成するレンズは、前記光反射素子側に凸のメニスカス形状を有し、且つ前記中間像の結像位置に近い方のレンズ面が前記光源からの光を拡散させる拡散板としての機能を有し、
前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸方向の座標軸をz軸とし、前記第1レンズ群と前記光反射素子との間の光軸および前記光反射素子と前記描画面との間の光軸を通る断面において前記z軸と垂直な座標軸をy軸とし、前記第2レンズ群を構成するレンズにおいて、前記拡散板としての機能を有するレンズ面の前記y軸方向の曲率半径をRy1とし、当該レンズ面と反対側のレンズ面の前記y軸方向の曲率半径をRy2としたとき、次式(2)
- 請求項2〜5のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸方向の座標軸をz軸とし、前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸および前記光反射素子と前記描画面との間の光軸を通る断面において前記z軸と垂直な座標軸をy軸とし、前記z軸および前記y軸と垂直な座標軸をx軸とし、前記第3レンズ群において、前記自由曲面レンズのレンズ面と光軸との交点を原点とする座標系(x,y,z)を定義し、前記自由曲面レンズのレンズ面のサグ量zをx,yの多項式で表した場合における、前記自由曲面レンズの前記回転対称レンズ側のレンズ面のx2乗項の係数をfC4、x4乗項の係数をfC11、y2乗項の係数をfC6、y4乗項の係数をfC15とし、当該レンズ面と反対側のレンズ面のx2乗項の係数をrC4、x4乗項の係数をrC11、y2乗項の係数をrC6、y4乗項の係数をrC15とし、次式(3)および(4)
前記第3レンズ群において、前記回転対称レンズにおける前記自由曲面レンズ側のレンズ面の曲率半径をRrotとし、前記回転対称レンズと前記自由曲面レンズとの間の光軸上の距離をDとしたとき、次式(6)および(7)
- 請求項2〜6のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸方向の座標軸をz軸とし、前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸および前記光反射素子と前記描画面との間の光軸を通る断面において前記z軸と垂直な座標軸をy軸とし、前記z軸および前記y軸と垂直な座標軸をx軸とし、前記第1レンズ群において、前記自由曲面レンズのレンズ面と光軸との交点を原点とする座標系(x,y,z)を定義し、前記自由曲面レンズのレンズ面のサグ量zをx,yの多項式で表した場合における、x2乗項の係数をC4、y2乗項の係数をC6としたとき、前記自由曲面レンズの前後両方のレンズ面において次式(8)
- 請求項2〜7のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記第1レンズ群全体の焦点距離をf1とし、前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸上の距離をLとしたとき、次式(9)
- 請求項2〜8のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
d線に対する屈折率をNd、F線に対する屈折率をNF、C線に対する屈折率をNCとし、アッベ数νdを次式(10)
- 請求項2〜9のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸方向の座標軸をz軸とし、前記光偏向素子と前記光反射素子との間の光軸および前記光反射素子と前記描画面との間の光軸を通る断面において前記z軸と垂直な座標軸をy軸とし、前記y軸の負方向を、前記光反射素子によって光軸が折り曲げられる側の方向であるとしたとき、
前記光反射素子において、前記反射面に到達する光線のうち前記画像の4隅に対応する画角の主光線の到達位置4点を結んで形成される図形が台形形状であり、前記台形形状の底辺のうち前記y軸の正方向側を上底とし、負方向側を下底とし、上底の長さをLupとし、下底の長さをLundとしたとき、次式(13)
- 請求項2〜10のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系において、
前記光反射素子は、光を透過する材質で構成され、前記反射面と反対側の面から入射した光を透過させることが可能に構成され、
前記光反射素子を透過して前記描画面上に達した光により結像される像と重なって、前記画像が前記描画面上に描画されるヘッドマウントディスプレイ用光学系。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ用光学系を備えるヘッドマウントディスプレイ。
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