JPH07151993A

JPH07151993A - 視覚表示装置

Info

Publication number: JPH07151993A
Application number: JP29967993A
Authority: JP
Inventors: Osamu Konuma; 修小沼
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-16
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: JP3573474B2

Abstract

(57)【要約】【目的】コンパクトなリレー光学系を用いた小型、軽
量の視覚表示装置。【構成】映像を表示する表示素子１と、表示素子１上
に表示された映像を再結像するリレー光学系２と、再結
像面４に結像した像を眼球に虚像として拡大投影する接
眼光学系３とを備えた視覚表示装置において、リレー光
学系２は、物像間距離が５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、
再結像面４に結像する像の大きさが対角長で１０ｍｍ以
上４０ｍｍ以下、再結像面４のリレー光学系２側の開口
数が０．０２以上０．０８以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、視覚表示装置に関し、
特に、観察者の頭部又は顔面に装着して用いるポータブ
ル型の視覚表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、頭部装着式視覚表示装置として、
例えば図１３に光路図を示したような光学系を用いるも
のが知られている（特開平３−３９９２５号）。これ
は、液晶表示装置、ＣＲＴ等の画像源１上の画像をリレ
ー光学系２により１度空中に結像し、更に接眼光学系３
により使用者の眼球に導いているもので、光学系はヘル
メットに取り付けられるように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、リレー光
学系を用いて１次像を結像し、接眼光学系でその１次像
を眼球に導く光学系を備えた視覚表示装置においては、
リレー光学系を備えていない視覚表示装置に比べて、以
下の点で優れている。接眼光学系で発生する収差をリレー光学系で補正する
ことができる。リレー光学系で高画素数の表示素子を縮小して結像す
れば、現在世の中に存在しないような高画素数で小サイ
ズの表示素子を実現できる。

【０００４】しかし、上記のような優位点を有しなが
ら、従来例においては、リレー光学系の全長が長いの
で、装置自体が大型になってしまう。特に、頭部又は顔
面装着式の視覚表示装置においては、使用者の頭部に極
めて大型の光学系を装着することになり、使用者の頭部
にその重量を負担させることになる。一般的に、頭部又
は顔面装着式の視覚表示装置においては、その軽量化、
小型化は、装着感の向上にとって極めて重要な問題であ
る。したがって、従来例ではこの問題が解決されておら
ず、頭部又は顔面装着式の視覚表示装置としては、特に
好ましくない。

【０００５】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、コンパクトなリ
レー光学系を用いた小型、軽量の視覚表示装置を提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の視覚表示装置は、映像を表示する表示素
子と、該表示素子上に表示された映像を再結像するリレ
ー光学系と、再結像面に結像した像を眼球に虚像として
拡大投影する接眼光学系とを備えた視覚表示装置におい
て、前記リレー光学系は、物像間距離が５０ｍｍ以上１
００ｍｍ以下、再結像面に結像する像の大きさが対角長
で１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、再結像面のリレー光学系
側の開口数が０．０２以上０．０８以下であることを特
徴とするものである。

【０００７】この場合、リレー光学系は、明るさ絞りを
挟んで物体面側と像面側にそれぞれ少なくとも１枚の正
レンズを含有し、明るさ絞りの両側に凹面を向かい合わ
せた面を含んだレンズ群を含有することが望ましい。

【０００８】また、リレー光学系は、表示素子を物点と
したときに等倍系若しくは拡大系として用いる場合に、
以下の条件式を満足することが望ましい。０．５＜ｆ₁／ｆ₂＜２・・・（１）ただし、ｆ₁：絞りに対して表示素子側に配置したレン
ズ群の焦点距離ｆ₂：絞りに対して１次像側に配置したレンズ群の焦点
距離である。

【０００９】

【作用】以下に、上記のような構成をとる理由と作用に
ついて詳細に説明する。視覚表示装置を構成する要素の
中で、接眼光学系よりも全長が長くなるリレー光学系
は、その全長を短くすることが、視覚表示装置の小型、
軽量化において重要となる。そこで、まず、本発明の視
覚表示装置のリレー光学系の物像間距離は、５０ｍｍ以
上１００ｍｍ以下とする。すなわち、物像間距離が１０
０ｍｍを越えると、例えばリレー光学系を接眼光学系の
上部、すなわち、使用者顔面の額側に配置すると、使用
者頭部より上に大きく突出するので好ましくなく、ま
た、５０ｍｍ以下であると、少数枚のレンズで構成する
場合、各面での結像光束の入射角を大きくしなければな
らず、実際に設計をした結果、後述の実施例に示すよう
に６枚程度の少ない枚数のレンズ構成で収差補正をする
ことが困難となり、収差補正のためにレンズ枚数が増
え、結果的に重量が増してしまうので好ましくない。し
たがって、リレー光学系の物像間距離は、上記の範囲内
であることが要求される。

【００１０】さらに、再結像面に結像する像の大きさを
対角長で１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とする。この長さが
４０ｍｍを越えると、リレー光学系のレンズ径が大きく
なるばかりでなく、接眼光学系の大きさも大きくなり、
装置の重量が増すので好ましくない。また、この長さが
１０ｍｍ以下であると、以下の点で好ましくない。すな
わち、接眼光学系の焦点距離ｆと再結像面に結像する像
の対角長ｙとの間には、観察画像の半画角をθとして、
ｙ＝２ｆ・ｔａｎθの関係があり、ｙはｆとθで決ま
る。一方、接眼光学系については、使用者の眼球配置誤
差と画面周辺を見る際の眼球回転による画像のケラレを
生じさせないために、瞳径をなるべく大きくとる必要が
あり、例えばその直径を８ｍｍφと仮定し、さらに、画
面均一に良好な像を得るためには、Ｆナンバー２．５よ
り小さいＦナンバーのレンズは設計が困難なことから、
その焦点距離ｆは最短で２０ｍｍが必要となる。ここ
で、再結像面に結像する像の対角長を１０ｍｍ以下とす
ると、観察画像の対角方向の半画角は１４°以下とな
り、臨場感向上のために必要な観察画像の水平方向の半
画角１５°と比べて、小さな提示画角となってしまう。
以上のことから、再結像面に結像する像の大きさが対角
長で１０ｍｍ以下であると、視覚表示装置の臨場感とい
う観点から好ましくない。したがって、リレー光学系に
よる再結像面に結像する像の対角長は、上記の範囲内で
あることが要求される。

【００１１】さらに、リレー光学系による再結像面のリ
レー光学系側の開口数を０．０２以上０．０８以下とす
る。この開口数０．０８を越えると、上記物像間距離の
範囲内でリレー光学系を構成すると、ここで発生する収
差が大きくなりすぎ、また、開口数０．０２以下となる
と、接眼光学系に入射する光線の開口数が余りにも小さ
すぎ、実際、上記の様に接眼光学系の焦点距離を２０ｍ
ｍとした場合、瞳径が０．８ｍｍφ以下となり、装置の
アイポイント位置合わせが極めて困難となり、さらに、
画像周辺の暗黒部の発生が大きくなり、視覚表示装置と
して使用不可能になる。したがって、リレー光学系によ
る再結像面のリレー光学系側の開口数は、上記の範囲内
であることが要求される。

【００１２】更に好ましくは、リレー光学系は、この光
学系の光路中に絞りを有し、表示素子を物点としたとき
に等倍系若しくは拡大系で使用した場合に、以下の条件
を満足するのがよい。０．５＜ｆ₁／ｆ₂＜２・・・（１）ただし、ｆ₁：絞りに対して表示素子側に配置したレン
ズ群の焦点距離ｆ₂：絞りに対して１次像側に配置したレンズ群の焦点
距離である。

【００１３】この条件式（１）は、リレー光学系におい
てはその倍率を規定するものであり、その上限の２を越
えると、リレー光学系に組み合わせる接眼光学系が大型
になったり、また、その下限の０．５を越えると、表示
素子に大サイズのものが必要になったりし、結局、どち
らの場合も視覚表示装置として大型になり好ましくな
く、上記条件式（１）の範囲内であることが好ましい。

【００１４】また、本発明のリレー光学系は、明るさ絞
りを挟んで表示素子側と再結像面側のそれぞれに少なく
とも１枚の正レンズを含有し、明るさ絞りの両側に凹面
を向かい合わせた面を含んだレンズ群を含有する構成を
とるのがよい。明るさ絞りを挟んで表示素子側と再結像
側のそれぞれに少なくとも１枚の正レンズを配置するの
は、短い物像間距離を確保したままで、これらの正レン
ズを軸外光線高が光軸から離れた高い位置において絞り
を挟んで対称に配置することになるために、歪曲収差と
倍率の色収差を相殺的に補正する作用を持つからであ
る。さらに、リレー光学系の物像間距離を短く構成しよ
うとすると、絞りに対する光線の入射角度が大きくな
り、絞りの周りのレンズ面で発生する収差、特にコマ収
差、非点収差が大きくなる。このため、本発明のリレー
光学系においては、絞りの両側に凹面を向かい合わせた
面を含んだレンズ群を配置することによって、アプラナ
ティックな面形状に近くし、絞りの両側のレンズ面の対
称性を増し、相殺的にコマ収差、非点収差を補正する。
以上の構成によって、物像間距離が短くても、収差補正
が良好に行えるのである。

【００１５】また、更に好ましくは、上記構成に係るリ
レー光学系は、表示素子を物点としたときに、等倍系若
しくは拡大系で使用した場合に、以下の条件式（２）、
（３）を同時に満足するのがよい。

【００１６】１＜｜ｒ_F／ｄ_F｜＜５・・・（２）３＜｜ｒ_B／ｄ_B｜＜７・・・（３）ただし、ｒ_F：絞りに対して表示素子側の凹面の曲率半
径ｒ_B：絞りに対して１次像側の凹面の曲率半径ｄ_F：表示素子側の凹面と絞りの間の光軸上距離ｄ_B：１次像側の凹面と絞りの間の光軸上距離である。

【００１７】これらの条件式は、絞りを挟んで向かい合
わせて配置する凹面の位置と形状に関するものであり、
特に、絞りを挟んで向かい合わせたことによるコマ収差
の収差補正を実現するものである。上記条件式（２）、
（３）を同時に満足することで、コマ収差を効果的に補
正できる。上記それぞれの条件式の値が１であれば、凹
面の曲率中心と絞りが一致し、凹面から射出する従属光
線が主光線に平行の場合にはコマ収差はこの凹面におい
ては発生しない。しかし、どのような場合でも従属光線
が主光線に平行であるわけではない。したがって、この
凹面においては、向かい合った凹面同士のコマ収差補正
のみならず、他の屈折面において発生するコマ収差、非
点収差、球面収差の補正作用も担うこととなり、上記条
件式（２）、（３）を満足する必要が生じるのである。

【００１８】上記条件式（２）の上限の５を越えると、
上記条件式（３）を満足していたとしても、このｒ_F面
における外コマ収差と、非点収差、正の球面収差の各発
生量が小さくなり、他の面との補正のバランスを崩すこ
とになりる。また、条件式（２）の下限の１を越える
と、条件式（３）を満足していたとしても、このｒ_F面
における外コマ収差と、非点収差、正の球面収差が大き
くなり、同様に他の面との補正バランスを崩すことにな
る。さらに、上記条件式（３）の上限の７を越えると、
条件式（２）を満足していたとしても、このｒ_B面にお
ける内コマ収差と、非点収差、負の球面収差の各発生量
が小さくなり、他の面との補正バランスを崩すことにな
り、また、条件式（３）の下限の３を越えると、条件式
（２）を満足していたとしても、このｒ_B面における内
コマ収差と、非点収差、負の球面収差が大きくなり、同
様に他の面との補正バランスを崩すことになる。

【００１９】なお、以上述べた構成の全てを頭部又は顔
面装着式の視覚表示装置に組み込むと、装置の小型、軽
量化が達成でき、使用者の頭部にその重量を負担させる
ことがないので、更に好ましい。

【００２０】

【実施例】以下に、まず本発明の視覚表示装置のリレー
光学系の実施例を示す。なお、各実施例において、面番
号は第１面を物体面、最終面を像面とし、図面中では、
その順序で各面をＲ１、Ｒ２・・で示し、面間隔をｄ
１、ｄ２・・で示す。

【００２１】〔実施例１〕面番曲率半径面間隔ｄ線屈折率アッベ数１（物体面） ∞ 12.2 ２ 25.513 5 1.7410 52.7 ３ -91.870 13.5 ４ 5.359 4.3 1.6968 55.5 ５ 8.721 1.8 ６（絞り） ∞ 1.2 ７ -4.521 2 1.8466 23.9 ８ 12.469 10 1.6030 65.5 ９ -8.365 2.6 １０ 29.719 5 1.7495 35.3 １１ -61.991 22.5 １２（像面） ∞ この実施例のレンズ系の光路図を図１に示す。また、そ
の球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図
を図５に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸
レンズ、物体面に凸面を向けた正メニスカスレンズ、絞
り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズ
の４群５枚からなっており、その物像間距離は８０ｍ
ｍ、倍率は１倍、物体高は９．１８ｍｍ（０．７インチ
角）、像面の物体側開口数は０．０４である。この開口
数は、接眼光学系に対しては、アイポイントで瞳径２ｍ
ｍφに相当する。本実施例では、物体面、像面のどちら
に表示素子を配置してもよい。

【００２２】図１２（ａ）、（ｂ）に、この実施例のリ
レー光学系２を液晶表示装置１と接眼光学系３に組み合
わせてゴーグルタイプに構成した頭部装着式視覚表示装
置１０を使用者の顔面に装着したときの斜視図と断面図
を示す。なお、図中、符号４は後記する開口数拡大光学
素子としての拡散板を示す。

【００２３】〔実施例２〕面番曲率半径面間隔ｄ線屈折率アッベ数１（物体面） ∞ 7.6 ２ 35.851 4.8 1.7410 52.7 ３ -479.714 0.1 ４ 13.658 10.2 1.7255 28.9 ５ -88.804 2 1.7847 25.7 ６ 11.605 9.8 ７（絞り） ∞ 0.8 ８ -3.253 1 1.7408 27.8 ９ 19.309 2.3 1.6030 65.5 １０ -4.274 0.1 １１ 166.534 1.5 1.7494 34.2 １２ -9.940 19.4 １３ 362.924 2.5 1.7410 52.7 １４ -25.302 3 １５（像面） ∞ この実施例のレンズ系の光路図を図２に示す。また、そ
の球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図
を図６に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸
レンズ、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズ、絞り、
両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズ、両
凸レンズの５群７枚からなっており、その物像間距離
は、６５ｍｍ、倍率は０．６倍、物体高は１６．１１６
ｍｍ（１．３インチ角）、物体側開口数は０．０３であ
る。この開口数は、接眼光学系においては、アイポイン
トで瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、像面に表
示素子を配置する。

【００２４】〔実施例３〕面番曲率半径面間隔ｄ線屈折率アッベ数１（物体面） ∞ 5 ２ 34.144 5 1.7410 52.7 ３ -409.766 6.8 ４ 11.890 10 1.7512 31.8 ５ 9.698 7 ６（絞り） ∞ 0.9 ７ -3.186 1 1.7408 27.8 ８ 17.965 2 1.6030 65.5 ９ -4.213 0.1 １０ 106.513 1.7 1.7510 32.0 １１ -9.858 17.4 １２ 52.933 2.7 1.7410 52.7 １３ -36.494 5.4 １４（像面） ∞ この実施例のレンズ系の光路図を図３に示す。また、そ
の球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図
を図７に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸
レンズ、物体面に凸面を向けた正メニスカスレンズ、絞
り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レン
ズ、両凸レンズの５群６枚からなっており、その物像間
距離は６５ｍｍ、倍率は０．６倍、物体高は１６．１１
６ｍｍ（１．３インチ角）、物体側開口数は０．０３で
ある。この開口数は、接眼光学系においては、アイポイ
ントで瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、像面に
表示素子を配置する。

【００２５】〔実施例４〕面番曲率半径面間隔ｄ線屈折率アッベ数１（物体面） ∞ 7.4 ２ 34.224 4.8 1.7410 52.7 ３ -1669.930 13.1 ４ 11.170 10 1.7519 30.8 ５ 10.519 4.8 ６（絞り） ∞ 0.9 ７ -5.995 1 1.8467 23.9 ８ 12.469 8 1.6030 65.5 ９ -7.397 0.1 １０ 47.452 3.5 1.7370 45.3 １１ -21.138 26.3 １２（像面） ∞ この実施例のレンズ系の光路図を図４に示す。また、そ
の球面収差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図
を図８に示す。この実施例は、物体面側から順に、両凸
レンズ、物体面に凸面を向けた正メニスカスレンズ、絞
り、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズ
の４群５枚からなっており、その物像間距離は８０ｍ
ｍ、倍率は０．６倍、物体高は１６．１１６ｍｍ（１．
３インチ角）、像面の物体側開口数は０．０３である。
この開口数は、接眼光学系に対しては、アイポイントで
瞳径２ｍｍφに相当する。本実施例では、像面に表示素
子を配置する。

【００２６】以上の各実施例においては、リレー光学系
を両側テレセントリック光学系としている。リレー光学
系を両側テレセントリック光学系にすると、以下の利点
がある。表示素子にコントラストの視野角依存性を持つものを
用いた場合、主光線が表示素子面に対して垂直になるた
め、視野角により画像のコントラストが変化するという
問題が生じない。再結像位置に開口数拡大光学素子を挿入した場合に、
この開口数拡大光学素子に主光線を垂直に入射させるこ
とができるので、射出する開口数が拡大された光線に角
度による光量ムラが生じない。リレー光学系を使わないものとして設計した接眼光学
系は、接眼光学系単独で設計する時に上記と同様の理
由から、表示素子からの射出光の主光線を表示素子面に
垂直に設計しているので、こうして設計した接眼光学系
を、このリレー光学系に組み合わせて使用することがで
きる。

【００２７】さらに、上記実施例１のリレーレンズ２と
観察水平画角３０度の接眼レンズ３とを組み合わせて視
覚表示装置の光学系として構成した例の光路図を図９
に、また、上記実施例４のリレーレンズ２と観察水平画
角４４度の接眼レンズ３とを組み合わせて視覚表示装置
の光学系として構成した例の光路図を図１０に示す。た
だし、何れもリレーレンズ２の像面を表示素子面１とし
ている。これらは、リレー光学系２による再結像位置に
開口数拡大光学素子として、図９では、瞳径２ｍｍφを
８ｍｍφに拡大すべく、開口数を４倍に拡大する拡散板
４を、図１０では、瞳径２ｍｍφを６ｍｍφに拡大すべ
く、開口数を３倍に拡大する拡散板４を配置した場合の
光線追跡をそれぞれ示している。

【００２８】以上の例のように、リレー光学系２の再結
像位置に開口数拡大光学素子４を配置すると、以下の利
点がある。すなわち、小さな開口数によりリレー光学系
２で発生する収差を小さく抑えた上で、この光学素子４
により接眼光学系３の開口数を大きくすることによって
瞳径を拡大し、画像周辺を見るときの眼球回転や眼球配
置誤差による画像のケラレや暗黒部の発生を抑えること
ができるのである。なお、こうした開口数拡大光学素子
４には、拡散板や回折格子が考えられるが、この開口数
拡大光学素子４による接眼光学系３の瞳径拡大の具体例
を図１１に示す。この例は、回折格子を開口数拡大光学
素子４に用いた例であり、図１１（ａ）に光路を示すよ
うに、±１次回折光によって入射光の開口数が実効的に
拡大されて大きな開口数で射出し、結果的に、図１１
（ｂ）に瞳の正面を示すように、接眼光学系２の瞳径を
実効的に大きくすることができる。

【００２９】なお、図９、図１０の例では、リレー光学
系２を接眼光学系３の上部に配置したものであるが、こ
れにとらわれることなく、リレー光学系２のレンズ間に
ミラーを配置し、頭部の形状に沿って光路を曲げること
も可能である。以上のように、リレー光学系と接眼光学
系を組み合わせて構成すると、接眼光学系で発生する収
差をリレー光学系で相殺させ、両光学系を組み合わせた
光学系として収差を補正することができる利点がある。
特に、像面湾曲、歪曲収差は、コンパクトな接眼光学系
単独では補正が難しいので、接眼光学系とリレー光学系
でこれらの収差を逆方向に発生させ、両光学系を組み合
わせた光学系として補正が可能となる。

【００３０】以下に、上記各実施例のリレーレンズの前
記条件式（１）〜（３）の数値を示す。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、リレー光学系をコンパクトに構成して小型、軽量
の視覚表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の視覚表示装置に用いるリレーレンズの
実施例１の光路図である。

【図２】リレーレンズの実施例２の光路図である。

【図３】リレーレンズの実施例３の光路図である。

【図４】リレーレンズの実施例４の光路図である。

【図５】図１のレンズ系の球面収差、非点収差、歪曲収
差、横収差を表す収差図である。

【図６】図２のレンズ系の図５と同様な収差図である。

【図７】図３のレンズ系の図５と同様な収差図である。

【図８】図４のレンズ系の図５と同様な収差図である。

【図９】実施例１のリレーレンズを用いた本発明による
視覚表示装置の光路図である。

【図１０】実施例４のリレーレンズを用いた本発明によ
る視覚表示装置の光路図である。

【図１１】開口数拡大光学素子による接眼光学系の瞳径
拡大の様子を示すための図である。

【図１２】実施例１のリレー光学系を組み込んだ頭部装
着式視覚表示装置を使用者の顔面に装着したときの斜視
図と断面図である。

【図１３】従来の頭部装着式視覚表示装置の光学系の１
例の光路図である。

【符号の説明】

１…表示素子面２…リレーレンズ３…接眼レンズ４…開口数拡大光学素子（拡散板）１０…頭部装着式視覚表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像を表示する表示素子と、該表示素子
上に表示された映像を再結像するリレー光学系と、再結
像面に結像した像を眼球に虚像として拡大投影する接眼
光学系とを備えた視覚表示装置において、前記リレー光学系は、物像間距離が５０ｍｍ以上１００
ｍｍ以下、再結像面に結像する像の大きさが対角長で１
０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、再結像面のリレー光学系側の
開口数が０．０２以上０．０８以下であることを特徴と
する視覚表示装置。