JPH10253899A

JPH10253899A - 接眼光学系及び接眼映像表示装置

Info

Publication number: JPH10253899A
Application number: JP9054970A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Shikama; 信介鹿間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-10
Also published as: JP3647185B2

Abstract

(57)【要約】【課題】単眼で１１０°以上の大きな観察画角と周辺
まで均一で鮮明な画像表示が実現でき、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い接眼
光学系と、この接眼光学系により拡大虚像を形成する接
眼映像表示装置を提供する。【解決手段】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と軸上屈折力が正の両面非球面レンズＬ２と軸
上屈折力が正で中心近傍が両凸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，軸上屈折力が負
で中心近傍が両凹の非球面レンズＬ４より構成される第
２レンズ群Ｇ２より構成される。また、接眼映像表示装
置は上記接眼光学系を搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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２２に示す。図２２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１
０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５０−１５１１
６３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】本発明は上述のような問題点を解決するた
めになされたものであり、その第１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】本発明の接眼光学系は、
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と軸上屈折
力が正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、 0.25 ＜ｆ１３／ｆ＜ 0.45 -0.3 ＜ｆ４／ｆ＜ -0.1 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、 -2.7 ＜ｆ１３／ｆ４＜ -1.2 なる条件を満足するものげある。

【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、 -2.7 ＜ｆ３／ｆ４＜ -1.2 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，Ｌ
３を構成する硝材のアッベ数の平均値をν１３、及びＧ
２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＞４０ 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と軸上屈折力が正の両面
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より構成されるもの
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１
〜１０につき説明する。図１〜図１０は各々実施の形態
１〜１０の接眼光学系の断面図である。また、図１〜図
１０は各々後に記載する数値実施例１〜１０に対応する
ものである。なお、実施の形態１〜１０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につき以下説明し、実施の形態２
〜１０については構成の説明を省略する。

【００１９】実施の形態１．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 (Liqu
id Crystal Display)、ＥＬＤ(Electroluminescent Dis
play)、ＦＥＤ (Field Emission Display)、ＣＲＴ(Cat
hode Ray tube)等の小型２次元表示素子の画像表示面で
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、軸上屈折力が正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、Ｇ
２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、正レンズであるＬ
１，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，Ｌ
２，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、ν
１３，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、Ｌ
３，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＞４０（３） ν４＜３０（４）

【００２２】レンズＬ２は中心近傍が正のパワーを有す
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大
きく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。このために、後に
数値実施例１〜１０の表中に示すように、第４面の６次
の非球面係数[Ａ６]_S4，第５面の４次の非球面係数[Ａ
４]_S5に関して下記（５）式，（６）式の条件を満足し
ている。 -1.3e-6 ＜[Ａ６]_S4＜ -2e-7 (５) -1.4e-4 ＜[Ａ４]_S5＜ +7e-5 (６) （５）式の上限値を超えると、第４面周辺部が入射瞳１
側と反対側に湾曲してしまう。また（５）式の下限値を
超えると、第４面周辺部が入射瞳１側に湾曲しすぎて実
用性を失う。（６）式の上限値を超えると、第５面周辺
部が入射瞳１側と反対側に湾曲してしまう。また（６）
式の下限値を超えると、第５面周辺部が入射瞳１側に湾
曲しすぎて実用性を失う。

【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，ｆ
４とし、全系の焦点距離をｆとした場合、下記（７），
（８）式を満足している。 0.25 ＜ｆ１３／ｆ＜ 0.45 （７） -0.3 ＜ｆ４／ｆ＜ -0.1 （８）（７）式，（８）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。（７）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（７）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。（８）式の上限値を超えると、Ｇ
２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。（８）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、（９）式を満足する。 -2.7 ＜ｆ１３／ｆ４＜ -1.2 （９）（９）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。（９）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。（９）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、（１０）式を満足す
る。 -2.7 ＜ｆ３／ｆ４＜ -1.2 （１０）（１０）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。（１０）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。（１
０）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１〜１０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１〜１０
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５
８７．６ｎｍ(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、(１１)式，(１５)式で定義される。Ｚ＝（ｈ² ／ｒ）／｛１＋〔１−（１＋Ｋ）・（ｈ／ｒ）² 〕^1/2 ｝＋Ａ４ｈ⁴ ＋Ａ６ｈ⁶ ＋Ａ８ｈ⁸＋Ａ１０ｈ¹⁰ (１１) ｈ² ＝Ｘ² ＋Ｙ² (１２) 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】＜数値実施例１＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 21.81 mm F/# = 3.63 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -45.04546 3.316455 1.8160 46.6 3 -22.75357 0.25 4 -133.9276 4.01756 1.8348 42.7 ASP 5 -26.32556 0.25 ASP 6 93.36159 9.329371 1.8155 44.3 ASP 7 -6.144569 0.2018781 ASP 8 -80.05402 3.674136 1.9525 20.4 ASP 9 4.31012 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -45.9858 7.043159e-05 -1.025554e-06 2.338535e-09 -1.744236e-12 5 -45.33062 -7.586274e-05 1.134576e-07 -1.768406e-09 3.166384e-12 6 -339.5848 -1.030614e-05 9.367678e-09 4.62516e-11 -8.498515e-15 7 -7.568682 -5.466875e-06 -1.858385e-08 -3.665305e-11 2.194468e-13 8 1.002814 3.82159e-06 4.282619e-08 -4.547165e-11 4.919197e-14 9 -7.516429 9.578363e-06 5.980394e-08 -1.755436e-10 -2.087746e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００２９】＜数値実施例２＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 20.31 mm F/# = 3.38 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -44.24487 3.804162 1.8807 41.0 3 -21.07042 0.25 4 -166.652 3.720332 1.8160 46.6 ASP 5 -32.513 0.25 ASP 6 35.46585 11.50201 1.8040 46.6 ASP 7 -5.99761 0.25 ASP 8 -33.63471 1.5 1.9525 20.4 ASP 9 5.341317 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -304.1157 5.561548e-05 -7.733623e-07 1.455519e-09 -1.366414e-12 5 -60.878 -6.651137e-05 8.860424e-08 -1.671758e-09 3.012685e-12 6 -15.07173 -1.154789e-05 1.205128e-08 2.367042e-11 -2.393953e-14 7 -11.57439 -9.521767e-06 -1.117273e-08 -3.194844e-11 1.247825e-13 8 -0.078735 9.979756e-06 4.632095e-08 -3.620031e-11 3.641832e-14 9 -9.636816 8.426464e-06 5.165409e-08 -9.141098e-11 -3.060515e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００３０】＜数値実施例３＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 21.16 mm F/# = 3.53 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -51.444 4.340254 1.8830 40.8 3 -21.24836 0.25 4 -179.3775 3.950254 1.8160 46.6 ASP 5 -27.7324 0.25 ASP 6 35.65293 11.07466 1.7950 45.3 ASP 7 -7.162459 0.25 ASP 8 -31.29718 1.5 1.9525 20.4 ASP 9 5.683252 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -143.4814 6.745549e-05 -6.871236e-07 1.222572e-09 -1.148494e-12 5 -49.40098 -5.573695e-05 9.86958e-08 -1.395416e-09 2.50521e-12 6 -18.73 -1.200476e-05 1.381205e-08 2.363223e-11 -3.204663e-14 7 -13.47776 -1.183764e-05 -1.055019e-08 -2.581809e-11 1.097464e-13 8 -0.057453 8.105864e-06 5.377566e-08 -4.00196e-11 3.603745e-14 9 -9.976727 9.04482e-06 4.509675e-08 -9.557288e-11 -2.718622e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００３１】＜数値実施例４＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 21.37 mm F/# = 3.56 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -45.64594 3.612241 1.8830 40.8 3 -22.00113 0.25 4 -209.0151 4.229248 1.8160 46.6 ASP 5 -33.55573 0.25 ASP 6 31.59407 11.86347 1.7725 49.6 ASP 7 -6.132337 0.25 ASP 8 -24.82141 1.5 1.8467 23.8 ASP 9 4.947096 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -325.4723 6.868719e-05 -7.776098e-07 1.491398e-09 -1.194678e-12 5 -78.39335 -6.444426e-05 5.811913e-08 -1.235044e-09 2.192964e-12 6 -10.40482 -1.391581e-05 1.571315e-08 1.740211e-11 -2.099345e-14 7 -13.23207 -1.470683e-05 -6.375473e-09 -1.023147e-11 9.043581e-14 8 -0.50721 1.496252e-05 4.950097e-08 -2.674522e-11 1.840937e-14 9 -11.52178 1.245852e-05 5.161963e-08 -3.914282e-11 -4.67683e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００３２】＜数値実施例５＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 24.03 mm F/# = 3.77 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -38.91415 3.35187 1.8830 40.8 3 -20.88553 0.25 4 92.68053 4.185537 1.8830 40.8 ASP 5 -140.6171 0.25 ASP 6 23.22259 12.35904 1.7550 52.3 ASP 7 -6.365386 0.25 ASP 8 -17.91562 1.5 1.8080 22.6 ASP 9 4.585392 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -867.2811 4.337649e-05 -6.487407e-07 9.97106e-10 -6.556957e-13 5 -14.50158 -8.464131e-05 1.564963e-07 -1.363914e-09 1.711589e-12 6 -30.2371 -2.933368e-06 5.176864e-09 1.398831e-12 1.46902e-14 7 -10.49072 -1.613988e-05 -9.294655e-09 1.83324e-11 7.250452e-14 8 -0.81158 3.251414e-05 4.735746e-08 -5.409327e-11 3.235442e-14 9 -12.98792 5.554229e-06 8.443178e-08 4.238982e-12 -6.828975e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００３３】＜数値実施例６＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 23.78 mm F/# = 3.96 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -38.73229 3.411368 1.8830 40.8 3 -20.66834 0.25 4 97.37884 4.206376 1.8830 40.8 ASP 5 -137.67 0.25 ASP 6 23.5455 12.2262 1.7725 49.6 ASP 7 -6.512027 0.25 ASP 8 -17.65735 1.5 1.8052 25.5 ASP 9 4.625096 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -1055.646 4.513538e-05 -6.367015e-07 9.77353e-10 -7.034807e-13 5 -0.7327996 -8.316975e-05 1.621777e-07 -1.334093e-09 1.612616e-12 6 -30.15695 -2.679588e-06 4.889545e-09 2.915183e-12 2.191352e-14 7 -10.94277 -1.663278e-05 -7.274563e-09 2.215106e-11 7.487705e-14 8 -0.8291359 3.222649e-05 4.825236e-08 -5.335299e-11 2.792985e-14 9 -12.76251 3.450712e-06 9.454087e-08 1.800087e-11 -7.525266e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００３４】＜数値実施例７＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 25.90 mm F/# = 4.32 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -41.60902 3.789276 1.8830 40.8 3 -21.02333 0.25 4 94.15902 5.071245 1.8350 43.0 ASP 5 -181.9018 0.25 ASP 6 19.15764 11.67284 1.7725 49.6 ASP 7 -6.261615 0.25 ASP 8 -15.06552 1.5 1.8052 25.5 ASP 9 3.868246 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -114.0167 3.57517e-05 -6.08741e-07 1.13578e-09 -9.315231e-13 5 -441.5641 -0.0001110253 2.185218e-07 -1.043809e-09 1.102465e-12 6 -40.41946 -4.69264e-06 -9.30649e-11 7.101406e-12 5.140128e-14 7 -9.93582 -1.526413e-05 -4.711264e-09 2.057711e-11 8.296913e-14 8 -1.00475 4.258582e-05 4.678459e-08 -7.362437e-11 2.191701e-14 9 -14.22058 8.555006e-06 8.898327e-08 2.824739e-11 -7.848033e-13 ----------------------------------------------------------------------

【００３５】＜数値実施例８＞ ---------------------------------------------------------------------- EPD = 6 mm ｆ = 26.23 mm F/# = 4.37 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -45.01053 4.095558 1.8830 40.8 3 -21.15416 0.25 4 86.79655 5.219285 1.8061 40.7 ASP 5 -173.4184 0.25 ASP 6 19.52489 12.02728 1.7292 54.7 ASP 7 -6.034705 0.25 ASP 8 -14.64168 1.5 1.8052 25.5 ASP 9 3.870792 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -95.02695 3.691175e-05 -5.900483e-07 1.114434e-09 -9.953088e-13 5 -464.5414 -0.0001080843 2.10129e-07 -1.010438e-09 1.158115e-12 6 -39.54762 -4.506781e-06 1.334795e-10 7.40027e-12 5.168014e-14 7 -10.03744 -1.588742e-05 -4.665028e-09 2.058264e-11 8.253717e-14 8 -0.989521 4.329757e-05 4.77817e-08 -7.236744e-11 1.996345e-14 9 -15.18225 7.620036e-06 9.010817e-08 ２．９７３４１９ｅ−１１ −
７．９６９８１９ｅ−１３ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００３６】＜数値実施例９＞ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− EPD = 6 mm ｆ = 24.17 mm F/# = 4.03 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -60.59758 4.790476 1.8830 40.8 3 -21.63433 0.25 4 74.16574 3.907311 1.7859 43.9 ASP 5 -171.287 0.25 ASP 6 25.68461 12.11108 1.7130 53.9 ASP 7 -6.21696 0.25 ASP 8 -13.65374 1.5 1.8052 25.5 ASP 9 5.005129 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -235.1343 4.990294e-05 -6.218591e-07 9.885815e-10 -1.550543e-12 5 -4799.484 -0.0001008259 2.470179e-07 -1.353647e-09 1.216031e-12 6 -52.81693 -2.733744e-06 -5.3756e-10 7.702574e-13 6.655573e-14 7 -7.851063 -1.739428e-05 -3.02908e-09 2.334678e-11 1.006921e-13 8 -0.957450 5.762577e-05 3.409564e-08 -6.923643e-11 2.146387e-14 9 -16.95332 1.102747e-05 7.821638e-08 ３．３７３７３８ｅ−１１
−７．５５３７３４ｅ−１３ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００３７】＜数値実施例１０＞ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− EPD = 6 mm ｆ = 21.66 mm F/# = 3.61 ω = 56 deg ---------------------------------------------------------------------- m ri di ni νi 1 Infinity 10.5 AST 2 -83.94958 5.591225 1.8830 40.8 3 -22.0421 0.25 4 78.22017 3.043829 1.7859 43.9 ASP 5 -260.3543 0.25 ASP 6 34.5409 11.89978 1.7130 53.9 ASP 7 -5.852684 0.5 ASP 8 -16.05312 1.0 1.8052 25.5 ASP 9 5.467511 ASP ---------------------------------------------------------------------- <Aspherical Coefficient> m K A4 A6 A8 A10 4 -214.0301 3.087361e-05 -4.692963e-07 8.720126e-10 -2.358515e-12 5 -27509 -7.97848e-05 1.990878e-07 -1.416872e-09 1.455528e-12 6 -17.17738 -2.673446e-06 -3.643e-10 -3.132968e-13 5.020345e-14 7 -12.9347 -1.674952e-05 -6.40618e-09 2.007374e-11 8.914182e-14 8 -0.91542 4.112962e-05 4.345367e-08 -5.467466e-11 1.621502e-14 9 -15.7538 5.456956e-06 9.362635e-08 2.322972e-11 −７．３４６１
１３ｅ−１３ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００３８】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。

【００３９】

【表１】

【００４０】図１１〜図２０に上記数値実施例１〜１０
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，Ｗ
Ｌ２，ＷＬ３は各々波長４７０ｎｍ，５４６ｎｍ，６１
０ｎｍ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１１〜図２０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。

【００４１】実施の形態１１．つぎに、上記実施の形態
１〜１０で述べた接眼光学系を実装した接眼映像表示装
置の構成につき、図２１により説明する。図２１におい
て、３は２次元表示素子、２は数値実施例１〜１０にて
説明した本発明に係る接眼光学系、２０は接眼光学系２
を実装した接眼光学装置、１０は観察者Ｈの眼球、３０
Ｌ，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３０
Ｌ，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２２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、ＬＣ
Ｄは自発光でない表示素子ゆえ、例えば蛍光灯，ＬＥ
Ｄ，ＥＬ等からなる光源（図示せず）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。

【００４２】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２１の接眼表示
装置は本発明に係る接眼光学系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。

【００４３】左右各々の目に呈示される画像を１００％
重ね合わせても本発明に係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１０
０％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１０
０％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。

【００４４】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２１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。

【００４５】

【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。

【００４６】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１
１０°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。

【００４７】また、本発明に係る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・
軽量の接眼映像表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の数値実施例１による接眼光学系の断
面図である。

【図２】本発明の数値実施例２による接眼光学系の断
面図である。

【図３】本発明の数値実施例３による接眼光学系の断
面図である。

【図４】本発明の数値実施例４による接眼光学系の断
面図である。

【図５】本発明の数値実施例５による接眼光学系の断
面図である。

【図６】本発明の数値実施例６による接眼光学系の断
面図である。

【図７】本発明の数値実施例７による接眼光学系の断
面図である。

【図８】本発明の数値実施例８による接眼光学系の断
面図である。

【図９】本発明の数値実施例９による接眼光学系の断
面図である。

【図１０】本発明の数値実施例１０による接眼光学系
の断面図である。

【図１１】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１２】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１３】本発明の数値実施例３の接眼光学系の横収
差図である。

【図１４】本発明の数値実施例４の接眼光学系の横収
差図である。

【図１５】本発明の数値実施例５の接眼光学系の横収
差図である。

【図１６】本発明の数値実施例６の接眼光学系の横収
差図である。

【図１７】本発明の数値実施例７の接眼光学系の横収
差図である。

【図１８】本発明の数値実施例８の接眼光学系の横収
差図である。

【図１９】本発明の数値実施例９の接眼光学系の横収
差図である。

【図２０】本発明の数値実施例１０の接眼光学系の横
収差図である。

【図２１】本発明の実施の形態１１による接眼映像表
示装置の構成図である。

【図２２】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、Ｇ１第１レンズ群、Ｇ２第２レ
ンズ群。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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と軸上屈折力が正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。
【請求項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。
【請求項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、 0.25 ＜ｆ１３／ｆ＜ 0.45 -0.3 ＜ｆ４／ｆ＜ -0.1 なる条件を満足する請求項１記載の接眼光学系。
【請求項４】前記Ｇ１群，Ｇ２群の軸上焦点距離を各
々ｆ１３，ｆ４とした場合、 -2.7 ＜ｆ１３／ｆ４＜ -1.2 なる条件を満足する請求項１記載の接眼光学系。
【請求項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、 -2.7 ＜ｆ３／ｆ４＜ -1.2 なる条件を満足する請求項１記載の接眼光学系。
【請求項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。
【請求項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＞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。
【請求項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
と軸上屈折力が正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。