JP7619176B2 - Propagation optical system, virtual image display device, and head-mounted display - Google Patents
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Description
本発明は、伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイに関する。 The present invention relates to a propagation optical system, a virtual image display device, and a head-mounted display.
2次元の画像を拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する虚像表示装置が知られている。例えば特許文献1に、この種の虚像表示装置の一例として導光タイプの虚像表示装置が記載されている。 There is a known virtual image display device that enlarges a two-dimensional image and displays the enlarged virtual image so that the viewer can view it. For example, Patent Document 1 describes a light-guiding type virtual image display device as an example of this type of virtual image display device.
特許文献1に記載されるように、導光タイプの虚像表示装置は、画像表示素子からの光(以下「画像光」と記す。)を伝搬光学系により導光部材に伝搬し、伝搬光学系から伝搬された画像光を導光部材で導光し、導光された画像光を観察者に向けて射出し、射出された画像光を観察者が拡大された虚像として観察できるように構成される。 As described in Patent Document 1, a light-guiding type virtual image display device is configured to propagate light from an image display element (hereinafter referred to as "image light") to a light-guiding member by a propagation optical system, guide the image light propagated from the propagation optical system by the light-guiding member, and emit the guided image light toward an observer so that the observer can observe the emitted image light as a magnified virtual image.
導光タイプの虚像表示装置において広い画角を確保するには例えば伝搬光学系を大きな径で構成することが考えられる。しかし、伝搬光学系の径を大きくすると虚像表示装置が大型化するため望ましくない。特に、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブルデバイスでは、大型化によって装用者が装用し難くなったり重量が重くなって装用者の負担が増加したりする。 In order to ensure a wide angle of view in a light-guiding type virtual image display device, for example, it is possible to configure the propagation optical system with a large diameter. However, increasing the diameter of the propagation optical system is undesirable because it increases the size of the virtual image display device. In particular, in wearable devices such as head-mounted displays, the increase in size makes it difficult for the wearer to wear the device and increases the weight, increasing the burden on the wearer.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型に構成することが可能な伝搬光学系、このような伝搬光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイを提供することである。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a propagation optical system that can be constructed in a compact size, and a virtual image display device and a head-mounted display that include such a propagation optical system.
本発明の一実施形態に係る伝搬光学系は、画像を表示する画像表示素子からの光を虚像表示装置の導光部材に伝搬する光学系であり、画像表示素子側から導光部材側に向かって順に、第1の光学系、第2の光学系を配してなり、画像の中間像が第1の光学系と第2の光学系との間に結像する構成となっている。第1の光学系内に絞りが配される。伝搬光学系に含まれる光学素子のうち絞りよりも導光部材側に配された光学素子による、物体である絞りの結像位置を、絞り結像位置とし、第2の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も導光部材側の光学面から絞り結像位置までの空気換算間隔をTLSとし、第1の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も画像表示素子側の光学面から第2の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も導光部材側の光学面までの間隔をTLとしたとき、伝搬光学系は、次式
0.0<TLS/TL<0.3
を満たす。
The propagation optical system according to an embodiment of the present invention is an optical system that propagates light from an image display element that displays an image to a light guide member of a virtual image display device, and is configured to include a first optical system and a second optical system arranged in this order from the image display element side toward the light guide member side, and an intermediate image of the image is formed between the first optical system and the second optical system. An aperture is arranged in the first optical system. When the image formation position of the aperture, which is an object, by an optical element arranged on the light guide member side of the aperture among the optical elements included in the propagation optical system is defined as the aperture image formation position, the air conversion distance from the optical surface closest to the light guide member among the optical surfaces of each optical element included in the second optical system to the aperture image formation position is defined as TLS, and the distance from the optical surface closest to the image display element among the optical surfaces of each optical element included in the first optical system to the optical surface closest to the light guide member among the optical surfaces of each optical element included in the second optical system is defined as TL, the propagation optical system satisfies the following formula: 0.0<TLS/TL<0.3
Meet the following.
本発明の一実施形態によれば、小型に構成することが可能な伝搬光学系、このような伝搬光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイが提供される。 According to one embodiment of the present invention, there is provided a propagation optical system that can be configured to be compact, and a virtual image display device and a head-mounted display that include such a propagation optical system.
以下、本発明の一実施形態に係る伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイについて図面を参照しながら説明する。以下の説明において、共通の又は対応する要素については、同一又は類似の符号を付して、重複する説明を適宜簡略又は省略する。 The following describes a propagation optical system, a virtual image display device, and a head-mounted display according to one embodiment of the present invention with reference to the drawings. In the following description, common or corresponding elements are denoted by the same or similar reference numerals, and duplicate descriptions are appropriately simplified or omitted.
図1は、虚像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ1を装用者に装用した状態を示す概略図である。図1中、符号EYは装用者の左眼を示す。 Figure 1 is a schematic diagram showing a head-mounted display 1, which is an example of a virtual image display device, worn by a wearer. In Figure 1, the symbol EY indicates the wearer's left eye.
なお、図1では単眼タイプのヘッドマウントディスプレイを示すが、両眼タイプのヘッドマウントディスプレイも本発明の範疇である。両眼タイプのヘッドマウントディスプレイは、例えば、顔の正中線を挟んで右眼側にも図1の単眼タイプのヘッドマウントディスプレイ1と同様の構成を備える。両眼タイプのヘッドマウントディスプレイの一例として、眼鏡型のウェアラブルデバイスであるスマートグラスが挙げられる。なお、虚像表示装置を片眼側にのみ備える単眼タイプのスマートグラスも本発明の範疇である。また、本発明を適用可能な他の虚像表示装置として、例えばヘッドアップディスプレイが挙げられる。 Note that while FIG. 1 shows a monocular head mounted display, binocular head mounted displays also fall within the scope of the present invention. A binocular head mounted display has, for example, a configuration similar to the monocular head mounted display 1 of FIG. 1 on the right eye side across the midline of the face. An example of a binocular head mounted display is smart glasses, which are glasses-type wearable devices. Note that monocular smart glasses that have a virtual image display device on only one eye side also fall within the scope of the present invention. Another example of a virtual image display device to which the present invention can be applied is a head-up display.
図1に示されるように、ヘッドマウントディスプレイ1は、画像表示素子10、伝搬光学系20及び導光部材30を備える。画像表示素子10からの光が伝搬光学系20により伝搬され、伝搬された光が導光部材30により導光されて虚像表示のために射出される。すなわち、画像表示素子10、伝搬光学系20及び導光部材30は、導光タイプの虚像表示装置を構成する。 As shown in FIG. 1, the head mounted display 1 includes an image display element 10, a propagation optical system 20, and a light guide member 30. Light from the image display element 10 is propagated by the propagation optical system 20, and the propagated light is guided by the light guide member 30 and emitted to display a virtual image. In other words, the image display element 10, the propagation optical system 20, and the light guide member 30 constitute a light guide type virtual image display device.
なお、図1では、本実施形態の説明に必要な主たる構成要素を図示しており、例えばこれら主たる構成要素を保持する筐体(スマートグラスの場合、例えば眼鏡型のフレーム)など、一部の構成要素については、その図示を適宜省略する。 Note that Figure 1 illustrates the main components necessary for explaining this embodiment, and some components, such as a housing that holds these main components (e.g., a glasses-type frame in the case of smart glasses), are omitted from the illustration as appropriate.
ヘッドマウントディスプレイ1には、装用者が広い画角の虚像を観察できるようにすることが求められる。広い画角を確保するためには、伝搬光学系20を大きな径で構成することが考えられる。しかし、人が装用するが故のサイズ面の制約があるため、伝搬光学系20を大きな径で構成することには限界がある。例えばスマートグラスの場合、伝搬光学系20は、フレームのテンプル(別の呼称では「つる」)に内蔵される。伝搬光学系20の大径化によりテンプルが太くなると、装用者がスマートグラスを装用し難くなったり、重量が重くなって装用者の負担が増加したりする。 The head mounted display 1 is required to enable the wearer to view a virtual image with a wide angle of view. In order to ensure a wide angle of view, it is possible to configure the propagation optical system 20 with a large diameter. However, due to size constraints imposed by the fact that the glasses are worn by a person, there is a limit to configuring the propagation optical system 20 with a large diameter. For example, in the case of smart glasses, the propagation optical system 20 is built into the temples (also called "temples") of the frame. If the temples become thicker due to the large diameter of the propagation optical system 20, it becomes difficult for the wearer to wear the smart glasses, or the weight becomes heavier, increasing the burden on the wearer.
そこで、本実施形態に係る伝搬光学系20は、広い画角を確保することに伴う伝搬光学系20の大型化が抑えられる構成となっている。言い換えると、伝搬光学系20は、広い画角を確保しつつ小型に構成することが可能となっている。 The propagation optical system 20 according to this embodiment is configured to prevent the propagation optical system 20 from becoming too large while ensuring a wide angle of view. In other words, the propagation optical system 20 can be configured to be small while ensuring a wide angle of view.
以下の説明において、画像表示素子10と伝搬光学系20が並ぶ第1の水平方向をz方向とし、z方向と直交する第2の水平方向をy方向とし、y方向とz方向の双方に直交する鉛直方向をx方向とする。互いに直交するX方向、Y方向及びZ方向は、右手系をなす。なお、方向の呼称は、構成要素の相対的な位置関係を説明するために便宜上用いる呼称であり、絶対的な方向を示すものではない。ヘッドマウントディスプレイ1を装用する装用者の姿勢によっては、例えば、z方向が必ずしも水平方向とは限らず、鉛直方向になることもある。 In the following description, the first horizontal direction in which the image display element 10 and the propagation optical system 20 are aligned is referred to as the z direction, the second horizontal direction perpendicular to the z direction is referred to as the y direction, and the vertical direction perpendicular to both the y direction and the z direction is referred to as the x direction. The mutually perpendicular X direction, Y direction, and Z direction form a right-handed system. Note that the names of the directions are used for convenience to explain the relative positional relationships of the components, and do not indicate absolute directions. Depending on the posture of the wearer wearing the head mounted display 1, for example, the z direction is not necessarily horizontal, but may be vertical.
画像表示素子10は、虚像として観察すべき画像を表示する素子であり、例示的には、OLED(Organic Light Emitting Diode)アレイ、LD(laser diode)アレイ、LED(Light Emitting Diode)アレイ、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、DMD(Digital Micromirror Device)等である。画像表示素子10をOLEDアレイで構成した場合、例えば、画像表示領域(画素配列領域)のサイズは3mm×4mmであり、画素数は1万画素程度である。 The image display element 10 is an element that displays an image to be observed as a virtual image, and examples thereof include an OLED (Organic Light Emitting Diode) array, an LD (Laser Diode) array, an LED (Light Emitting Diode) array, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), a DMD (Digital Micromirror Device), etc. When the image display element 10 is configured with an OLED array, for example, the size of the image display area (pixel array area) is 3 mm x 4 mm, and the number of pixels is about 10,000.
画像表示素子10の各画素から発せられた光(すなわち画像光)は、伝搬光学系20に入射される。 Light emitted from each pixel of the image display element 10 (i.e., image light) is incident on the propagation optical system 20.
図2は、伝搬光学系20の光学構成例を示す図である。図2に示されるように、伝搬光学系20は、画像表示素子10側から導光部材30側に向かって順に、第1の光学系であるリレー光学系RL、第2の光学系であるコリメータ光学系LCを配してなる。リレー光学系RL及びコリメータ光学系LCは、光軸AXに対して回転対称で正のパワーを有する。 Figure 2 is a diagram showing an example of the optical configuration of the propagation optical system 20. As shown in Figure 2, the propagation optical system 20 is composed of, in order from the image display element 10 side toward the light guide member 30 side, a relay optical system RL, which is a first optical system, and a collimator optical system LC, which is a second optical system. The relay optical system RL and the collimator optical system LC are rotationally symmetric with respect to the optical axis AX and have positive power.
なお、本実施形態において「配してなる」との表現は、本発明の技術的思想の範囲において別の光学素子を追加する構成例を排除するものではない。排除されない構成例としては、例えば、伝搬光学系20の光学性能に実質的に寄与しない平行平板を追加する構成例や、本実施形態に係る伝搬光学系20の構成及び効果を維持しつつ別の光学素子を付加する構成例が挙げられる。すなわち、このような構成の光学素子を第1の光学系(リレー光学系RL)と第2の光学系(コリメータ光学系LC)よりなる伝搬光学系20に追加した構成も本発明の範疇である。 In this embodiment, the expression "arranged" does not exclude configuration examples in which another optical element is added within the scope of the technical concept of the present invention. Examples of configuration examples that are not excluded include a configuration example in which a parallel plate that does not substantially contribute to the optical performance of the propagation optical system 20 is added, and a configuration example in which another optical element is added while maintaining the configuration and effect of the propagation optical system 20 according to this embodiment. In other words, a configuration in which an optical element of such a configuration is added to the propagation optical system 20 consisting of the first optical system (relay optical system RL) and the second optical system (collimator optical system LC) is also within the scope of the present invention.
リレー光学系RLは、リレー光学系RLとコリメータ光学系LCとの間に、画像表示素子10より入射された画像光の中間像INを結像する。 The relay optical system RL forms an intermediate image IN of the image light incident from the image display element 10 between the relay optical system RL and the collimator optical system LC.
中間像INは、ヘッドマウントディスプレイ1の装用者が観察する虚像に対する物体となる。すなわち、装用者は、中間像INと導光部材30との間にあるコリメータ光学系LCの作用により、画像表示素子10の後方に形成される拡大虚像を、導光部材30を介して観察することになる。 The intermediate image IN is the object for the virtual image observed by the wearer of the head mounted display 1. That is, the wearer observes an enlarged virtual image formed behind the image display element 10 through the light guiding member 30 by the action of the collimator optical system LC located between the intermediate image IN and the light guiding member 30.
ここで、例えばスマートグラスにおいて画像表示素子と導光部材が一体化したタイプが知られている。このタイプのスマートグラスでは、重量の大部分がレンズ部分に集中する。そのため、装用時に装用者の鼻に大きな荷重がかかり、装用者がスマートグラスを長時間装用することが難しい。 Here, for example, there is a type of smart glass in which the image display element and the light guide member are integrated. In this type of smart glass, most of the weight is concentrated in the lens part. Therefore, when wearing the smart glasses, a large load is placed on the wearer's nose, making it difficult for the wearer to wear the smart glasses for long periods of time.
これに対し、導光タイプのスマートグラスは、画像表示素子と導光部材との間に伝搬光学系を配置することにより、画像表示素子と導光部材とを物理的に離した構成となっている。導光タイプのスマートグラスにおいて、画像表示素子は、例えばテンプル(より詳細にはこめかみ付近の位置)に内蔵される。そのため、装用者にかかる荷重が鼻と両耳の3点に分散されて、装用者がスマートグラスを長時間装用しやすくなる。 In contrast, light-guiding type smart glasses have a propagation optical system disposed between the image display element and the light-guiding member, so that the image display element and the light-guiding member are physically separated. In light-guiding type smart glasses, the image display element is built into the temple (more specifically, near the temple), for example. This distributes the load on the wearer to three points: the nose and both ears, making it easier for the wearer to wear the smart glasses for long periods of time.
このように、伝搬光学系には、画像表示素子と導光部材とを物理的に離すため、ある程度の全長が必要となる。これと同時に、伝搬光学系には、径を小さく抑えることも要求される。 As such, the propagation optical system needs to have a certain overall length in order to physically separate the image display element and the light-guiding member. At the same time, the propagation optical system is also required to have a small diameter.
良好な光学性能(画角が広い、収差が良好に補正されている、など)でありながら、ある程度の全長を確保しつつコリメータ光学系LCの径を小さく抑えるため、本実施形態に係る伝搬光学系20は、リレー光学系RLにより画像光の中間像INを結像する構成となっている。 In order to maintain good optical performance (wide angle of view, well-corrected aberrations, etc.) while ensuring a certain overall length and keeping the diameter of the collimator optical system LC small, the propagation optical system 20 of this embodiment is configured to form an intermediate image IN of the image light by the relay optical system RL.
なお、リレー光学系RLは、像を転送するだけの光学系である。そのため、例えばスマートグラスのテンプルに内蔵できる程度にリレー光学系RLを小径に構成することは難しくない。また、伝搬光学系20をリレー光学系RLを備える構成とすることにより、例えば機構上又は電気系統上の都合で画像表示素子10と伝搬光学系20との間隔を確保する必要がある場合にも対応できる。 The relay optical system RL is an optical system that only transfers an image. Therefore, it is not difficult to configure the relay optical system RL with a small diameter so that it can be built into the temples of smart glasses, for example. Also, by configuring the propagation optical system 20 to include a relay optical system RL, it is possible to accommodate cases where it is necessary to ensure a distance between the image display element 10 and the propagation optical system 20 for mechanical or electrical reasons, for example.
図3は、導光部材30の概略構成を示す斜視図である。図3に示されるように、導光部材30は、第1導光部材31及び第2導光部材32を備える。 Figure 3 is a perspective view showing the schematic configuration of the light-guiding member 30. As shown in Figure 3, the light-guiding member 30 includes a first light-guiding member 31 and a second light-guiding member 32.
第1導光部材31には、伝搬光学系20により伝搬された画像光が入射される。図3では、便宜上、伝搬光学系20より入射される画像光に符号L1を付す。 The image light propagated by the propagation optical system 20 is incident on the first light guiding member 31. For convenience, in FIG. 3, the image light incident from the propagation optical system 20 is denoted by the symbol L1.
第1導光部材31の内部には複数の第1ミラー31aがy方向に並べて配置される。伝搬光学系20により伝搬された画像光L1は、複数の第1ミラー31aのうち最もy方向負側に位置する第1ミラー31aに入射される。なお、概略図である図3では、便宜上、第1ミラー31aを6つしか示していない。第1ミラー31aの数は、実際にはこれよりも多い。 A number of first mirrors 31a are arranged in the y direction inside the first light guiding member 31. The image light L1 propagated by the propagation optical system 20 is incident on the first mirror 31a that is located furthest on the negative side in the y direction among the multiple first mirrors 31a. For the sake of convenience, only six first mirrors 31a are shown in the schematic diagram of FIG. 3. In reality, the number of first mirrors 31a is greater than this.
第1ミラー31aは、特定の反射率及び透過率のコーティングが施されたミラーであり、入射した画像光L1の一部を反射させるとともに画像光L1の一部を透過させる。第1導光部材31内に入射された画像光L1は、各第1ミラー31aにて反射と透過によって振り分けられる。反射と透過による画像光L1の振り分けが繰り返されることにより、画像光L1は、y方向に広がった光となる。 The first mirror 31a is a mirror coated with a specific reflectance and transmittance, and reflects a portion of the incident image light L1 and transmits a portion of the image light L1. The image light L1 incident on the first light-guiding member 31 is distributed by reflection and transmission at each of the first mirrors 31a. By repeatedly distributing the image light L1 through reflection and transmission, the image light L1 becomes light that spreads in the y direction.
以下においては、便宜上、y方向に広がった画像光に符号L2を付して説明を行う。また、図3では、便宜上、画像光L2の各光線に符号L3を付す。 In the following description, for convenience, the image light that spreads in the y direction is denoted by the reference symbol L2. Also, in FIG. 3, for convenience, each ray of the image light L2 is denoted by the reference symbol L3.
画像光L2は、第2導光部材32内に入射される。第2導光部材32の内部には第2ミラー32a及び複数の第3ミラー32bが配置される。複数の第3ミラー32bは、x方向に並べて配置される。 The image light L2 is incident on the second light guiding member 32. A second mirror 32a and a plurality of third mirrors 32b are arranged inside the second light guiding member 32. The plurality of third mirrors 32b are arranged side by side in the x direction.
第2ミラー32aは、第1導光部材31より入射した画像光L2(言い換えると各光線L3)をx方向負側に反射させる。これにより、画像光L2は、第2導光部材32内をx方向負側に導光されて、第3ミラー32bに入射される。 The second mirror 32a reflects the image light L2 (in other words, each light ray L3) incident from the first light guiding member 31 toward the negative side of the x direction. As a result, the image light L2 is guided in the second light guiding member 32 toward the negative side of the x direction and is incident on the third mirror 32b.
第3ミラー32bも第1ミラー31aと同様に、特定の反射率及び透過率のコーティングが施されたミラーであり、入射した画像光L2の一部を反射させるとともに画像光L2の一部を透過させる。第2ミラー32aにて反射された画像光L2は、各第3ミラー32bにて反射と透過によって振り分けられる。反射と透過による画像光L2の振り分けが繰り返されることにより、画像光L2は、y方向に加えてx方向にも広がった光となって、第2導光部材32から外部に(具体的には装用者の眼EYに向けて)射出される。なお、概略図である図3では、便宜上、第3ミラー32bを5つしか示していない。第3ミラー32bの数は、実際にはこれよりも多い。 Like the first mirror 31a, the third mirror 32b is a mirror coated with a specific reflectance and transmittance, and reflects a portion of the incident image light L2 and transmits a portion of the image light L2. The image light L2 reflected by the second mirror 32a is distributed by reflection and transmission by each third mirror 32b. By repeatedly distributing the image light L2 by reflection and transmission, the image light L2 becomes light that spreads in the x direction as well as the y direction, and is emitted from the second light-guiding member 32 to the outside (specifically, toward the wearer's eye EY). Note that, for convenience, only five third mirrors 32b are shown in the schematic diagram of FIG. 3. In reality, the number of third mirrors 32b is greater than this.
以下においては、便宜上、x方向とy方向の2次元方向に広がった画像光に符号L4を付して説明を行う。また、図3では、便宜上、画像光L4の各光線に符号L5を付す。なお、図面を明瞭にするため、一部の光線L5にのみ符号を付す。 In the following description, for convenience, the image light that spreads in two dimensions, the x and y directions, is denoted by the reference symbol L4. Also, in FIG. 3, for convenience, each ray of the image light L4 is denoted by the reference symbol L5. Note that, to clarify the drawing, only some of the ray L5 are denoted by the reference symbol.
画像光L4が眼EYに入射されると、網膜に虚像の共役像として結像する。これにより、装用者は、画像表示素子10に表示された画像の拡大虚像を見ることになる。 When the image light L4 enters the eye EY, it is formed on the retina as a conjugate image of a virtual image. As a result, the wearer sees an enlarged virtual image of the image displayed on the image display element 10.
このように、導光部材30は、x方向とy方向の2次元方向にアイボックス(虚像が視認される範囲)を拡張する構成となっている。 In this way, the light-guiding member 30 is configured to expand the eye box (the range in which the virtual image is visible) in two dimensions, the x and y directions.
リレー光学系RLは、絞りAを有する。リレー光学系RL内に絞りAを配置することにより、リレー光学系RL内で光路を適切に設定することによる不要光の発生が抑えられ、フレアやゴーストが抑えられる。 The relay optical system RL has an aperture A. By disposing an aperture A within the relay optical system RL, the generation of unnecessary light is suppressed by appropriately setting the optical path within the relay optical system RL, and flare and ghosting are suppressed.
ここで、物体である絞りAの結像位置を「絞り結像位置P」と記す。絞り結像位置Pは、伝搬光学系20に含まれる光学素子のうち絞りAよりも導光部材30側に配された光学素子による絞りAの結像位置である。 Here, the imaging position of the object, aperture A, is referred to as the "aperture imaging position P." The aperture imaging position P is the imaging position of aperture A by the optical elements included in the propagation optical system 20 that are arranged closer to the light guide member 30 than aperture A.
図1に示されるように、コリメータ光学系LCに含まれる各光学素子の各光学面のうち最も導光部材30側の光学面OP2から絞り結像位置Pまでの空気換算間隔をTLSとし、リレー光学系RLに含まれる各光学素子の各光学面のうち最も画像表示素子10側の光学面OP1から光学面OP2までの間隔をTLとしたとき、伝搬光学系20は、次式(1)
0.0<TLS/TL<0.3・・・(1)
を満たす。
As shown in FIG. 1 , when an air-equivalent distance from an optical surface OP2 closest to the light guide member 30 among the optical surfaces of each optical element included in the collimator optical system LC to a diaphragm image-forming position P is defined as TLS, and a distance from an optical surface OP1 closest to the image display element 10 among the optical surfaces of each optical element included in the relay optical system RL to an optical surface OP2 is defined as TL, the propagation optical system 20 is expressed by the following formula (1):
0.0<TLS/TL<0.3...(1)
Meet the following.
なお、絞り結像位置Pが光学面OP2よりも導光部材30側にあると間隔TLSがプラスの値となり、絞り結像位置Pが光学面OP2よりも画像表示素子10側にあると間隔TLSがマイナスの値となる。 When the aperture image-forming position P is closer to the light-guiding member 30 than the optical surface OP2, the spacing TLS has a positive value, and when the aperture image-forming position P is closer to the image display element 10 than the optical surface OP2, the spacing TLS has a negative value.
絞り結像位置P付近では、光軸AX上で軸上の主光線と軸外の主光線とが交差する。そのため、絞り結像位置P付近では光束(画像光L1)の有効範囲を小さくすることができる。そのため、上記式(1)を満たす場合、伝搬光学系20により伝搬された画像光L1が入射される第1導光部材31の入射部を小さくすることができる。 Near the aperture imaging position P, the on-axis chief ray and the off-axis chief ray intersect on the optical axis AX. Therefore, the effective range of the light beam (image light L1) can be made small near the aperture imaging position P. Therefore, when the above formula (1) is satisfied, the entrance portion of the first light guiding member 31 onto which the image light L1 propagated by the propagation optical system 20 is incident can be made small.
上記式(1)においてTLS/TLが上限値を超えると、間隔TLSが大きすぎるため、第1導光部材31の入射部付近で光速の有効範囲を小さくすることが難しい。そのため、第1導光部材31の入射部を大きく設計する必要が出てくる。 When TLS/TL exceeds the upper limit in the above formula (1), the interval TLS is too large, making it difficult to reduce the effective range of the speed of light near the entrance portion of the first light-guiding member 31. Therefore, it becomes necessary to design the entrance portion of the first light-guiding member 31 to be large.
上記式(1)においてTLS/TLが下限値を下回ると、絞り結像位置Pが光学面OP2よりも画像表示素子10側になるため、第1導光部材31の入射部付近で光速の有効範囲を小さくすることが難しい。そのため、第1導光部材31の入射部を大きく設計する必要が出てくる。 When TLS/TL falls below the lower limit in the above formula (1), the aperture image position P is closer to the image display element 10 than the optical surface OP2, making it difficult to reduce the effective range of the speed of light near the entrance portion of the first light guiding member 31. Therefore, it becomes necessary to design the entrance portion of the first light guiding member 31 to be large.
伝搬光学系20は、次式(2)を満たすことがより好適である。
0.0<TLS/TL<0.2・・・(2)
It is more preferable that the propagation optical system 20 satisfies the following formula (2).
0.0<TLS/TL<0.2...(2)
リレー光学系RLは、画像表示素子10側から導光部材30側に向かって順に、前群G1、後群G2を配してなる。ここで、リレー光学系RLに含まれる各光学素子同士の各間隔のうち最も広い間隔に符号TLRaと付す。前群G1は、間隔TLRaよりも画像表示素子10側に配された光学素子よりなる。後群G2は、間隔TLRaよりも導光部材30側に配された光学素子よりなる。 The relay optical system RL is composed of a front group G1 and a rear group G2 arranged in that order from the image display element 10 side toward the light guide member 30 side. Here, the widest gap between the optical elements included in the relay optical system RL is designated by the symbol TLRa. The front group G1 is composed of optical elements arranged on the image display element 10 side of the gap TLRa. The rear group G2 is composed of optical elements arranged on the light guide member 30 side of the gap TLRa.
間隔TLRaを適切に設定することにより、伝搬光学系20の全長を適切な長さ(スマートグラスの例では、上述したように画像表示素子10をテンプル(こめかみ付近)に設置できる程度の長さ)に設定しつつ各種収差を良好に補正することが可能となる。 By appropriately setting the distance TLRa, it is possible to set the overall length of the propagation optical system 20 to an appropriate length (in the example of smart glasses, a length that allows the image display element 10 to be placed at the temple (near the temple) as described above) while effectively correcting various aberrations.
図2に示されるように、前群G1と後群G2との間(言い換えると間隔TLRa)に絞りAが配置される。なお、絞りAの位置は前群G1と後群G2との間に限らない。後述する数値実施例3又は4に示されるように、絞りAは、前群G1内に配置されてもよい。 As shown in FIG. 2, aperture A is disposed between the front group G1 and the rear group G2 (in other words, the distance TLRa). Note that the position of aperture A is not limited to between the front group G1 and the rear group G2. As shown in Numerical Example 3 or 4 described later, aperture A may be disposed within the front group G1.
絞りAを前群G1付近又は前群G1内に配置することにより、リレー光学系RLの径を小さく抑えつつ各種収差を良好に補正することが可能となる。 By placing aperture A near or within front group G1, it is possible to effectively correct various aberrations while keeping the diameter of the relay optical system RL small.
リレー光学系RLの全長をTLRとしたとき、伝搬光学系20は、次式(3)
0.3<TLRa/TLR<0.6・・・(3)
を満たすことが望ましい。
When the total length of the relay optical system RL is TLR, the propagation optical system 20 is expressed by the following formula (3):
0.3<TLRa/TLR<0.6...(3)
It is desirable to satisfy the following.
上記式(3)においてTLRa/TLRが上限値を超えると、リレー光学系RLの全長に対して前群G1と後群G2との間隔TLRaが占める割合が過大となり、前群G1と後群G2を配置するためのスペースが小さくなって、各種収差を良好に補正することが難しくなる。 When TLRa/TLR exceeds the upper limit in the above formula (3), the proportion of the distance TLRa between the front group G1 and the rear group G2 in the total length of the relay optical system RL becomes too large, and the space for arranging the front group G1 and the rear group G2 becomes small, making it difficult to effectively correct various aberrations.
上記式(3)においてTLRa/TLRが下限値を下回ると、前群G1と後群G2との間隔TLRaが小さくなりすぎて、伝搬光学系20の全長を確保しつつリレー光学系RL内において各種収差を良好に補正することが難しくなる。 When TLRa/TLR falls below the lower limit in the above formula (3), the distance TLRa between the front group G1 and the rear group G2 becomes too small, making it difficult to satisfactorily correct various aberrations within the relay optical system RL while maintaining the overall length of the propagation optical system 20.
好ましくは、前群G1は、画像表示素子10側から導光部材30側に向かって順に、正レンズL11、負レンズL12、正レンズL13を配してなる。 Preferably, the front group G1 is composed of a positive lens L11, a negative lens L12, and a positive lens L13 arranged in this order from the image display element 10 side toward the light guide member 30 side.
このように前群G1を構成することにより、色収差を良好に補正し、特に球面収差やコマ収差等を良好に補正することができる。収差をより良好に補正するため、正レンズL11、負レンズL12、正レンズL13の各レンズ面を非球面で構成することが望ましい。 By configuring the front group G1 in this way, chromatic aberration can be effectively corrected, and in particular spherical aberration and coma aberration can be effectively corrected. In order to effectively correct aberrations, it is desirable to configure each lens surface of the positive lens L11, the negative lens L12, and the positive lens L13 with an aspheric surface.
好ましくは、後群G2は、画像表示素子10側から導光部材30側に向かって順に、正レンズL21、負レンズL22を配してなる。 Preferably, the rear group G2 is composed of a positive lens L21 and a negative lens L22 arranged in this order from the image display element 10 side toward the light guide member 30 side.
このように後群G2を構成することにより、前群G1やコリメータ光学系LCにおける残存収差を正負2枚のレンズで補正することができ、各種収差をより一層良好に抑えることができる。収差をより良好に補正するため、正レンズL21、負レンズL22の各レンズ面を非球面で構成することが望ましい。 By configuring the rear group G2 in this way, the remaining aberrations in the front group G1 and the collimator optical system LC can be corrected with two lenses, one positive and one negative, and various aberrations can be suppressed even better. In order to correct aberrations better, it is desirable to configure each lens surface of the positive lens L21 and the negative lens L22 with an aspheric surface.
光学面OP1から絞りAまでの間隔をTLAとし、画像表示素子10の画像表示領域の対角長をYとしたとき、伝搬光学系20は、次式(4)
2<TLA/Y<5・・・(4)
を満たすことが望ましい。
When the distance from the optical surface OP1 to the diaphragm A is TLA and the diagonal length of the image display area of the image display element 10 is Y, the propagation optical system 20 is expressed by the following formula (4):
2<TLA/Y<5...(4)
It is desirable to satisfy the following.
ここで、画像表示素子10より発せられる画像光は光軸AXと平行な光が最も強い。そのため、伝搬光学系20は、光軸AXと平行な光を取り込めるほど、より多くの光を取り込めることとなる。上記式(4)を満たすことにより、リレー光学系RLの径を小さく抑えつつ、伝搬光学系20がより多くの光(特に光軸AXと平行な光)を取り込むことができる。 Here, the image light emitted from the image display element 10 is strongest when it is parallel to the optical axis AX. Therefore, the more light the propagation optical system 20 can take in, the more light it can take in. By satisfying the above formula (4), the propagation optical system 20 can take in more light (especially light parallel to the optical axis AX) while keeping the diameter of the relay optical system RL small.
上記式(4)においてTLA/Yが上限値を超えると、画像表示素子10から絞りAまでの間隔が大きくなりすぎるため、リレー光学系RLの径を小さく抑えつつ伝搬光学系20が多くの光を取り込むことが難しくなる。 When TLA/Y exceeds the upper limit in the above formula (4), the distance from the image display element 10 to the aperture A becomes too large, making it difficult for the propagation optical system 20 to take in a large amount of light while keeping the diameter of the relay optical system RL small.
上記式(4)においてTLA/Yが下限値を下回ると、光軸AXに対する軸外の主光線の角度が大きくなりすぎて、周辺の光量を多く取り込むことが難しくなる。 When TLA/Y in the above formula (4) falls below the lower limit, the angle of the off-axis chief ray with respect to the optical axis AX becomes too large, making it difficult to capture a large amount of peripheral light.
絞りAの対角方向の開口の大きさをAPとしたとき、伝搬光学系20は、次式(5)
0.5<AP/Y<2.0・・・(5)
を満たすことが望ましい。
When the size of the diagonal opening of the diaphragm A is AP, the propagation optical system 20 is expressed by the following equation (5):
0.5<AP/Y<2.0...(5)
It is desirable to satisfy the following.
上記式(5)においてAP/Yが上限値を超えると、絞りAが大きくなりすぎて、リレー光学系RLの径を小さく抑えることが難しくなる。 When AP/Y exceeds the upper limit in the above formula (5), the aperture A becomes too large, making it difficult to keep the diameter of the relay optical system RL small.
上記式(5)においてAP/Yが下限値を下回ると、絞りAが小さくなりすぎて、伝搬光学系20が多くの光を取り込むことが難しくなる。 If AP/Y falls below the lower limit in the above formula (5), the aperture A becomes too small, making it difficult for the propagation optical system 20 to capture a large amount of light.
リレー光学系RLの横倍率をβ_relayとしたとき、伝搬光学系20は、次式(6)
-2.0<β_relay<-1.0・・・(6)
を満たすことが望ましい。
When the lateral magnification of the relay optical system RL is β_relay, the propagation optical system 20 is expressed by the following equation (6):
-2.0<β_relay<-1.0...(6)
It is desirable to satisfy the following.
画像表示素子10の画像表示領域が大きくなると、PCB(Printed Circuit Board)等の電気系統の部品等も大きくなり、小型化が難しくなる。一方、画角を広くするためには中間像INは比較的大きい必要がある。このような観点から、上記式(6)は、リレー光学系RLの横倍率β_relayの好適な範囲を規定するものとなっている。 When the image display area of the image display element 10 becomes larger, electrical system components such as the PCB (Printed Circuit Board) also become larger, making miniaturization difficult. On the other hand, to widen the angle of view, the intermediate image IN needs to be relatively large. From this perspective, the above formula (6) specifies the preferred range of the lateral magnification β_relay of the relay optical system RL.
コリメータ光学系LCは、画像表示素子10側から導光部材30側に向かって順に、レンズL31、レンズL32を配してなる。また、これまで説明したように、伝搬光学系20は、リレー光学系RLとコリメータ光学系LCを配してなる。 The collimator optical system LC is composed of a lens L31 and a lens L32 arranged in this order from the image display element 10 side toward the light guide member 30 side. As explained above, the propagation optical system 20 is composed of a relay optical system RL and a collimator optical system LC.
伝搬光学系20をリレー光学系RLとコリメータ光学系LCで構成することにより、コリメータ光学系LCがシンプルな構成(具体的には2枚構成)であるにも拘わらず各種収差を良好に補正することが可能となる。 By configuring the propagation optical system 20 with a relay optical system RL and a collimator optical system LC, it is possible to effectively correct various aberrations even though the collimator optical system LC has a simple configuration (specifically, a two-element configuration).
レンズL31が正レンズであり、コリメータ光学系LCの焦点距離をfcとし、レンズL31の焦点距離をfc1としたとき、伝搬光学系20は、次式(7)
0.5<fc1/fc<1.0・・・(7)
を満たすことが望ましい。
When the lens L31 is a positive lens, the focal length of the collimator optical system LC is fc, and the focal length of the lens L31 is fc1, the propagation optical system 20 is expressed by the following formula (7):
0.5<fc1/fc<1.0...(7)
It is desirable to satisfy the following.
上記式(7)が満たされない場合、絞り結像位置Pを適切な位置にしつつ各種収差を良好に補正することが難しくなる。 If the above formula (7) is not satisfied, it becomes difficult to effectively correct various aberrations while positioning the aperture image position P at an appropriate position.
次に、伝搬光学系20の具体的な数値実施例1~4を示す。数値実施例1~4の共通事項は次の通りである。 Next, specific numerical examples 1 to 4 of the propagation optical system 20 are shown. The common points between numerical examples 1 to 4 are as follows:
《数値実施例1~4の共通事項》
・対角長Y :6mm
・表の番号1~2 :画像表示素子10の面(番号2は画素配列面)
・表の番号3~13 :リレー光学系RLの各光学素子の各光学面
・表の番号14~17:コリメータ光学系LCの各光学素子の各光学面
・表の番号18~19:平行平板(具体的には導光部材30)
・アイレリーフ :15mm
・収差図 :焦点距離17mmの理想レンズで結像する場合で計算
<Common features of Numerical Examples 1 to 4>
Diagonal length Y: 6 mm
Numbers 1 and 2 on the front: Surfaces of the image display element 10 (number 2 is the pixel array surface)
Table numbers 3 to 13: optical surfaces of the optical elements of the relay optical system RL. Table numbers 14 to 17: optical surfaces of the optical elements of the collimator optical system LC. Table numbers 18 to 19: parallel plate (specifically, light guiding member 30).
Eye relief: 15mm
Aberration diagram: Calculated when imaging with an ideal lens with a focal length of 17 mm
[数値実施例1]
図4は、本発明の数値実施例1に係る伝搬光学系20の光学構成を示す図である。図4に示されるように、伝搬光学系20は、画像表示素子10側から順に、リレー光学系RL、コリメータ光学系LCを配してなる。リレー光学系RLの前群G1は、画像表示素子10側から順に、導光部材30側に凸のメニスカスレンズ(正レンズL11)、両凹レンズ(負レンズL12)、両凸レンズ(正レンズL13)を配してなる。リレー光学系RLの後群G2は、画像表示素子10側から順に、導光部材30側に凸のメニスカスレンズ(正レンズL21)、両凹レンズ(負レンズL22)を配してなる。絞りAは、前群G1と後群G2との間(言い換えると間隔TLRa)に配置される。コリメータ光学系LCは、画像表示素子10側から順に、正のパワーを有する両凸レンズ(レンズL31)、正のパワーを有する、導光部材30側に凸のメニスカスレンズ(レンズL32)を配してなる。
[Numerical Example 1]
4 is a diagram showing an optical configuration of the propagation optical system 20 according to the first numerical embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the propagation optical system 20 is configured by arranging a relay optical system RL and a collimator optical system LC in order from the image display element 10 side. The front group G1 of the relay optical system RL is configured by arranging, in order from the image display element 10 side, a meniscus lens (positive lens L11) convex on the light guide member 30 side, a biconcave lens (negative lens L12), and a biconvex lens (positive lens L13). The rear group G2 of the relay optical system RL is configured by arranging, in order from the image display element 10 side, a meniscus lens (positive lens L21) convex on the light guide member 30 side, and a biconcave lens (negative lens L22). The diaphragm A is disposed between the front group G1 and the rear group G2 (in other words, the interval TLRa). The collimator optical system LC is composed of, in order from the image display element 10 side, a biconvex lens (lens L31) having positive power and a meniscus lens (lens L32) having positive power and convex toward the light guide member 30 side.
数値実施例1に係る伝搬光学系20の具体的数値構成は、表1に示される。表1の番号は、画像表示素子10側から順に、画像表示素子10、伝搬光学系20、導光部材30の各面に付されたものである。表1中、R(単位:mm)は光学素子の各面の曲率半径を示し、D(単位:mm)は光軸上の光学素子の厚さ又は光学素子の間隔を示し、Ndはd線(波長587.56nm)の屈折率を示し、νdはd線のアッベ数を示す。アッベ数の右蘭には、光学素子の材質の商品名及び製造者を記す。なお、数値実施例1では、虚像の対角の画角が40.5度であり、最大物体高さが3mmである。 The specific numerical configuration of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 1 is shown in Table 1. The numbers in Table 1 are given to each surface of the image display element 10, the propagation optical system 20, and the light guide member 30, in order from the image display element 10 side. In Table 1, R (unit: mm) indicates the radius of curvature of each surface of the optical element, D (unit: mm) indicates the thickness of the optical element on the optical axis or the spacing between the optical elements, Nd indicates the refractive index of the d-line (wavelength 587.56 nm), and νd indicates the Abbe number of the d-line. The product name and manufacturer of the material of the optical element are written to the right of the Abbe number. In Numerical Example 1, the diagonal angle of view of the virtual image is 40.5 degrees, and the maximum object height is 3 mm.
[表1]
[Table 1]
表1中、「*」印が付された番号の面は、非球面である。表2に、各非球面のデータを示す。表2中、標記Eは、10を基数、Eの右の数字を指数とする累乗を示す。非球面素子における曲率半径Rは、光軸上での曲率半径(近軸曲率半径)を示す。非球面形状は、サグ量をZとし、近軸曲率(1/R)をCとし、光軸からの高さをh(単位:mm)とし、円錐係数をKとし、4次以上の偶数次の非球面係数をA4、A6、・・・とした場合に、次式で示される。 In Table 1, the surfaces marked with a number "*" are aspheric. Table 2 shows the data for each aspheric surface. In Table 2, the label E indicates a power with 10 as the base and the number to the right of E as the exponent. The radius of curvature R of the aspheric element indicates the radius of curvature on the optical axis (paraxial radius of curvature). The aspheric shape is expressed by the following formula, where Z is the sag amount, C is the paraxial curvature (1/R), h (unit: mm) is the height from the optical axis, K is the conic coefficient, and A 4 , A 6 , ... are aspheric coefficients of even orders of 4th or higher.
Z=Ch2/{1+√(1-(1+K)C2h2)}+A4・h4+A6・h6+A8・h8+A10・h10 Z=Ch 2 /{1+√(1-(1+K)C 2 h 2 )}+A 4・h 4 +A 6・h 6 +A 8・h 8 +A 10・h 10
なお、表の記載形式は、以降の数値実施例2~4においても同じである。 The table format is the same for the following numerical examples 2 to 4.
[表2]
[Table 2]
図5は、数値実施例1に係る伝搬光学系20の各種収差図(球面収差、非点収差及び歪曲収差)である。図5の球面収差図は、d線、g線(435.84nm)における球面収差を示す。実線はd線における球面収差を示し、点線はg線における球面収差を示す。図5の非点収差図は、d線における非点収差(すなわち、サジタル像面とメリディオナル像面との差)を示す。実線はサジタル方向の収差を示し、破線はメリディオナル方向の収差を示す。球面収差図及び非点収差図の縦軸は像高を示し、横軸は収差量を示す。図5の歪曲収差図の縦軸は像高を示し、横軸はd線における歪曲率を示す。 Figure 5 shows various aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, and distortion) of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 1. The spherical aberration diagram in Figure 5 shows spherical aberration at the d-line and g-line (435.84 nm). The solid line shows spherical aberration at the d-line, and the dotted line shows spherical aberration at the g-line. The astigmatism diagram in Figure 5 shows astigmatism at the d-line (i.e., the difference between the sagittal image surface and the meridional image surface). The solid line shows aberration in the sagittal direction, and the dashed line shows aberration in the meridional direction. The vertical axis of the spherical aberration diagram and the astigmatism diagram shows the image height, and the horizontal axis shows the amount of aberration. The vertical axis of the distortion diagram in Figure 5 shows the image height, and the horizontal axis shows the distortion rate at the d-line.
図6は、数値実施例1に係る伝搬光学系20の横収差図である。横収差図は、各像高におけるd線、g線での横収差を示す。実線はd線における横収差を示し、点線はg線における横収差を示す。横収差は、X方向とY方向について測定される。図6左図(上欄に「Y-FAN」が付記された図)は、Y方向における横収差を示し、図6右図(上欄に「X-FAN」が付記された図)は、X方向における横収差を示す。 Figure 6 is a diagram of lateral aberration of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 1. The diagram of lateral aberration shows the lateral aberration at the d-line and the g-line at each image height. The solid line shows the lateral aberration at the d-line, and the dotted line shows the lateral aberration at the g-line. The lateral aberration is measured in the X and Y directions. The left diagram of Figure 6 (the diagram with "Y-FAN" added to the upper column) shows the lateral aberration in the Y direction, and the right diagram of Figure 6 (the diagram with "X-FAN" added to the upper column) shows the lateral aberration in the X direction.
下記の通り、数値実施例1では、上記式(1)~(7)が全て満たされる。
TLS/TL : 0.11(式(1)及び(2)参照)
TLRa/TLR: 0.46(式(3)参照)
TLA/Y : 3.81(式(4)参照)
AP/Y : 1.00(式(5)参照)
β_relay :-1.46(式(6)参照)
fc1/fc : 0.79(式(7)参照)
As described below, in Numerical Example 1, all of the above expressions (1) to (7) are satisfied.
TLS/TL: 0.11 (see equations (1) and (2))
TLRa/TLR: 0.46 (see formula (3))
TLA/Y: 3.81 (see formula (4))
AP/Y: 1.00 (see formula (5))
β_relay: -1.46 (see formula (6))
fc1/fc: 0.79 (see formula (7))
数値実施例1に係る伝搬光学系20は、各種収差が良好に補正されるとともに(図5及び図6参照)、広い画角(対角方向に40度を超える画角)が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例1に係る伝搬光学系20では、上記式(1)~(7)を満たすことによる各種効果が奏される。 The propagation optical system 20 according to Numerical Example 1 satisfactorily corrects various aberrations (see Figures 5 and 6), while ensuring a wide angle of view (a diagonal angle of view exceeding 40 degrees), thereby achieving good image performance. Furthermore, the propagation optical system 20 according to Numerical Example 1 achieves various effects by satisfying the above expressions (1) to (7).
[数値実施例2]
図7は、本発明の数値実施例2に係る伝搬光学系20の光学構成を示す図である。図7に示されるように、数値実施例2に係る伝搬光学系20に配された各レンズの形状タイプ(すなわち「両凹」、「両凸」、「メニスカス」等)は、数値実施例1と同一である。数値実施例2に係る伝搬光学系20の具体的数値構成は、表3に示される。数値実施例2の各非球面のデータは、表4に示される。なお、数値実施例2では、虚像の対角方向の画角が50.4度であり、最大物体高さが3mmである。
[Numerical Example 2]
7 is a diagram showing the optical configuration of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2 of the present invention. As shown in FIG. 7, the shape type (i.e., "biconcave", "biconvex", "meniscus", etc.) of each lens arranged in the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2 is the same as that in Numerical Example 1. The specific numerical configuration of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2 is shown in Table 3. The data of each aspheric surface in Numerical Example 2 is shown in Table 4. In Numerical Example 2, the diagonal angle of view of the virtual image is 50.4 degrees, and the maximum object height is 3 mm.
[表3]
[Table 3]
[表4]
[Table 4]
図8は、数値実施例2に係る伝搬光学系20の各種収差図(球面収差、非点収差及び歪曲収差)である。図9は、数値実施例2に係る伝搬光学系20の横収差図である。 Figure 8 shows various aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, and distortion) of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2. Figure 9 shows lateral aberration diagrams of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2.
下記の通り、数値実施例2においても上記式(1)~(7)が全て満たされる。
TLS/TL : 0.09(式(1)及び(2)参照)
TLRa/TLR: 0.48(式(3)参照)
TLA/Y : 3.68(式(4)参照)
AP/Y : 1.17(式(5)参照)
β_relay :-1.52(式(6)参照)
fc1/fc : 0.88(式(7)参照)
As described below, in the second numerical example, all of the above formulas (1) to (7) are satisfied.
TLS/TL: 0.09 (see equations (1) and (2))
TLRa/TLR: 0.48 (see formula (3))
TLA/Y: 3.68 (see formula (4))
AP/Y: 1.17 (see formula (5))
β_relay: -1.52 (see formula (6))
fc1/fc: 0.88 (see formula (7))
数値実施例2に係る伝搬光学系20においても、各種収差が良好に補正されるとともに(図8及び図9参照)、広い画角(特に対角方向に50度を超える画角)が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例2に係る伝搬光学系20においても、上記式(1)~(7)を満たすことによる各種効果が奏される。 In the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2, various aberrations are also well corrected (see FIGS. 8 and 9), a wide angle of view (particularly an angle of view exceeding 50 degrees in the diagonal direction) is ensured, and good image performance is achieved. In addition, in the propagation optical system 20 according to Numerical Example 2, various effects are achieved by satisfying the above expressions (1) to (7).
[数値実施例3]
図10は、本発明の数値実施例3に係る伝搬光学系20の光学構成を示す図である。図10に示されるように、数値実施例3では、正レンズL11及び正レンズL21が両凸レンズとなっている。数値実施例3において、正レンズL11及び正レンズL21以外の各レンズの形状タイプは、数値実施例1と同一である。また、数値実施例3では、絞りAが前群G1内(具体的には、負レンズL12と正レンズL13との間)に配置されている。数値実施例3に係る伝搬光学系20の具体的数値構成は、表5に示される。数値実施例3の各非球面のデータは、表6に示される。なお、数値実施例3では、虚像の対角方向の画角が40.3度であり、最大物体高さが3mmである。
[Numerical Example 3]
FIG. 10 is a diagram showing the optical configuration of the propagation optical system 20 according to the numerical example 3 of the present invention. As shown in FIG. 10, in the numerical example 3, the positive lens L11 and the positive lens L21 are biconvex lenses. In the numerical example 3, the shape type of each lens other than the positive lens L11 and the positive lens L21 is the same as that of the numerical example 1. In the numerical example 3, the aperture A is disposed in the front group G1 (specifically, between the negative lens L12 and the positive lens L13). The specific numerical configuration of the propagation optical system 20 according to the numerical example 3 is shown in Table 5. The data of each aspheric surface in the numerical example 3 is shown in Table 6. In the numerical example 3, the angle of view in the diagonal direction of the virtual image is 40.3 degrees, and the maximum object height is 3 mm.
[表5]
[Table 5]
[表6]
[Table 6]
図11は、数値実施例3に係る伝搬光学系20の各種収差図(球面収差、非点収差及び歪曲収差)である。図12は、数値実施例3に係る伝搬光学系20の横収差図である。 Figure 11 shows various aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, and distortion) of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 3. Figure 12 shows lateral aberration diagrams of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 3.
下記の通り、数値実施例3においても上記式(1)~(7)が全て満たされる。
TLS/TL : 0.10(式(1)及び(2)参照)
TLRa/TLR: 0.45(式(3)参照)
TLA/Y : 3.28(式(4)参照)
AP/Y : 0.93(式(5)参照)
β_relay :-1.34(式(6)参照)
fc1/fc : 0.81(式(7)参照)
As described below, in Numerical Example 3, all of the above formulas (1) to (7) are satisfied.
TLS/TL: 0.10 (see equations (1) and (2))
TLRa/TLR: 0.45 (see formula (3))
TLA/Y: 3.28 (see formula (4))
AP/Y: 0.93 (see formula (5))
β_relay: -1.34 (see formula (6))
fc1/fc: 0.81 (see formula (7))
数値実施例3に係る伝搬光学系20においても、各種収差が良好に補正されるとともに(図11及び図12参照)、広い画角(対角方向に40度を超える画角)が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例3に係る伝搬光学系20においても、上記式(1)~(7)を満たすことによる各種効果が奏される。 In the propagation optical system 20 according to Numerical Example 3, various aberrations are also well corrected (see FIGS. 11 and 12), a wide angle of view (a diagonal angle of view exceeding 40 degrees) is ensured, and good image performance is achieved. In addition, in the propagation optical system 20 according to Numerical Example 3, various effects are achieved by satisfying the above expressions (1) to (7).
[数値実施例4]
図13は、本発明の数値実施例4に係る伝搬光学系20の光学構成を示す図である。図13に示されるように、数値実施例4では、正レンズL11が両凸レンズとなっている。数値実施例4において、正レンズL11以外の各レンズの形状タイプは、数値実施例1と同一である。また、数値実施例4でも数値実施例3と同様に、絞りAが負レンズL12と正レンズL13との間に配置されている。数値実施例4に係る伝搬光学系20の具体的数値構成は、表7に示される。数値実施例4の各非球面のデータは、表8に示される。なお、数値実施例4では、虚像の対角方向の画角が45.4度であり、最大物体高さが3mmである。
[Numerical Example 4]
FIG. 13 is a diagram showing an optical configuration of the propagation optical system 20 according to the numerical example 4 of the present invention. As shown in FIG. 13, in the numerical example 4, the positive lens L11 is a biconvex lens. In the numerical example 4, the shape type of each lens other than the positive lens L11 is the same as that of the numerical example 1. Also, in the numerical example 4, as in the numerical example 3, the aperture A is disposed between the negative lens L12 and the positive lens L13. The specific numerical configuration of the propagation optical system 20 according to the numerical example 4 is shown in Table 7. The data of each aspheric surface in the numerical example 4 is shown in Table 8. In the numerical example 4, the angle of view in the diagonal direction of the virtual image is 45.4 degrees, and the maximum object height is 3 mm.
[表7]
[Table 7]
[表8]
[Table 8]
図14は、数値実施例4に係る伝搬光学系20の各種収差図(球面収差、非点収差及び歪曲収差)である。図15は、数値実施例4に係る伝搬光学系20の横収差図である。 Figure 14 shows various aberration diagrams (spherical aberration, astigmatism, and distortion) of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 4. Figure 15 shows lateral aberration diagrams of the propagation optical system 20 according to Numerical Example 4.
下記の通り、数値実施例4においても上記式(1)~(7)が全て満たされる。
TLS/TL : 0.11(式(1)及び(2)参照)
TLRa/TLR: 0.44(式(3)参照)
TLA/Y : 2.79(式(4)参照)
AP/Y : 0.93(式(5)参照)
β_relay :-1.23(式(6)参照)
fc1/fc : 0.81(式(7)参照)
As described below, in Numerical Example 4, all of the above formulas (1) to (7) are satisfied.
TLS/TL: 0.11 (see equations (1) and (2))
TLRa/TLR: 0.44 (see formula (3))
TLA/Y: 2.79 (see formula (4))
AP/Y: 0.93 (see formula (5))
β_relay: -1.23 (see formula (6))
fc1/fc: 0.81 (see formula (7))
数値実施例4に係る伝搬光学系20においても、各種収差が良好に補正されるとともに(図14及び図15参照)、広い画角(対角方向に40度を超える画角)が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例4に係る伝搬光学系20においても、上記式(1)~(7)を満たすことによる各種効果が奏される。 In the propagation optical system 20 according to Numerical Example 4, various aberrations are also well corrected (see FIGS. 14 and 15), a wide angle of view (a diagonal angle of view exceeding 40 degrees) is ensured, and good image performance is achieved. In addition, in the propagation optical system 20 according to Numerical Example 4, various effects are achieved by satisfying the above expressions (1) to (7).
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。 The above is an explanation of exemplary embodiments of the present invention. The embodiments of the present invention are not limited to those described above, and various modifications are possible within the scope of the technical concept of the present invention. For example, the embodiments of the present application also include appropriate combinations of embodiments explicitly shown as examples in the specification or obvious embodiments.
1 :ヘッドマウントディスプレイ
10 :画像表示素子
20 :伝搬光学系
30 :導光部材
31 :第1導光部材
31a :第1ミラー
32 :第2導光部材
32a :第2ミラー
32b :第3ミラー
A :絞り
G1 :前群
G2 :後群
LC :コリメータ光学系
RL :リレー光学系
1: Head-mounted display 10: Image display element 20: Propagation optical system 30: Light guide member 31: First light guide member 31a: First mirror 32: Second light guide member 32a: Second mirror 32b: Third mirror A: Diaphragm G1: Front group G2: Rear group LC: Collimator optical system RL: Relay optical system
Claims (12)
前記画像表示素子側から前記導光部材側に向かって順に、第1の光学系、第2の光学系を配してなり、前記画像の中間像が前記第1の光学系と前記第2の光学系との間に結像し、
前記第1の光学系内に絞りが配され、
前記伝搬光学系に含まれる光学素子のうち前記絞りよりも前記導光部材側に配された光学素子による、物体である前記絞りの結像位置を、絞り結像位置とし、前記第2の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記導光部材側の光学面から前記絞り結像位置までの空気換算間隔をTLSとし、前記第1の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記画像表示素子側の光学面から前記第2の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記導光部材側の光学面までの間隔をTLとしたとき、次式
0.0<TLS/TL<0.3
を満たす、
伝搬光学系。 In a propagation optical system that propagates light from an image display element that displays an image to a light guiding member of a virtual image display device,
a first optical system and a second optical system are arranged in this order from the image display element side toward the light guiding member side, and an intermediate image of the image is formed between the first optical system and the second optical system,
A stop is disposed in the first optical system,
When an image-forming position of the aperture, which is an object, by an optical element included in the propagation optical system that is disposed closer to the light-guiding member than the aperture is defined as an aperture image-forming position, an air-equivalent distance from an optical surface of each optical element included in the second optical system that is closest to the light-guiding member to the aperture image-forming position is defined as TLS, and a distance from an optical surface of each optical element included in the first optical system that is closest to the image display element to an optical surface of each optical element included in the second optical system that is closest to the light-guiding member is defined as TL, the following formula is satisfied: 0.0<TLS/TL<0.3
Fulfilling
Propagation optics.
前記前群は、前記第1の光学系に含まれる各光学素子同士の各間隔のうち最も広い間隔よりも前記画像表示素子側に配された光学素子よりなり、
前記後群は、前記最も広い間隔よりも前記導光部材側に配された光学素子よりなり、
前記絞りは、前記前群内又は前記前群と前記後群との間に配置される、
請求項1に記載の伝搬光学系。 the first optical system includes a front group and a rear group arranged in this order from the image display element side to the light guide member side,
the front group includes an optical element disposed closer to the image display element than the widest interval among the intervals between the optical elements included in the first optical system,
the rear group is made up of optical elements disposed closer to the light guide member than the widest interval,
the diaphragm is disposed within the front group or between the front group and the rear group;
The transmission optical system according to claim 1 .
0.3<TLRa/TLR<0.6
を満たす、
請求項2に記載の伝搬光学系。 When the total length of the first optical system is TLR and the widest interval is TLRa, the following formula is satisfied: 0.3<TLRa/TLR<0.6
Fulfilling
The transmission optical system according to claim 2 .
請求項2又は請求項3に記載の伝搬光学系。 the front group includes, in order from the image display element side to the light guide member side, a positive lens, a negative lens, and a positive lens.
The propagation optical system according to claim 2 or 3.
請求項2から請求項4の何れか一項に記載の伝搬光学系。 the rear group includes a positive lens and a negative lens arranged in this order from the image display element side to the light guide member side.
The propagation optical system according to claim 2 .
2<TLA/Y<5
を満たす、
請求項1から請求項5の何れか一項に記載の伝搬光学系。 When the distance from the optical surface of each optical element included in the first optical system that is closest to the image display element to the diaphragm is TLA and the diagonal length of the image display element is Y, the following formula 2<TLA/Y<5 is satisfied.
Fulfilling
The propagation optical system according to claim 1 .
0.5<AP/Y<2.0
を満たす、
請求項1から請求項6の何れか一項に記載の伝搬光学系。 When the size of the diagonal opening of the diaphragm is AP and the diagonal length of the image display element is Y, the following formula is satisfied: 0.5<AP/Y<2.0
Fulfilling
The propagation optical system according to claim 1 .
-2.0<β_relay<-1.0
を満たす、
請求項1から請求項7の何れか一項に記載の伝搬光学系。 When the lateral magnification of the first optical system is β_relay, the following formula is satisfied: −2.0<β_relay<−1.0
Fulfilling
The propagation optical system according to claim 1 .
前記第2の光学系はコリメータ光学系であり、
前記第2の光学系は2枚のレンズを配してなる、
請求項1から請求項8の何れか一項に記載の伝搬光学系。 the first optical system is a relay optical system,
the second optical system is a collimator optical system,
The second optical system is configured by disposing two lenses.
The propagation optical system according to claim 1 .
前記第2の光学系の焦点距離をfcとし、前記画像表示素子側に配された正レンズの焦点距離をfc1としたとき、次式
0.5<fc1/fc<1.0
を満たす、
請求項9に記載の伝搬光学系。 a lens of the second optical system disposed on the image display element side is a positive lens,
When the focal length of the second optical system is fc and the focal length of the positive lens disposed on the image display element side is fc1, the following formula is satisfied: 0.5<fc1/fc<1.0
Fulfilling
The transmission optical system according to claim 9 .
前記画像表示素子からの光を伝搬させる、請求項1から請求項10の何れか一項に記載の伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光して虚像表示のために射出する導光部材と、
を備える、
虚像表示装置。 an image display element for displaying an image;
A propagation optical system according to claim 1 , which propagates light from the image display element;
a light guide member that guides the light propagated by the propagation optical system and outputs the light for displaying a virtual image;
Equipped with
Virtual image display device.
ヘッドマウントディスプレイ。 The virtual image display device according to claim 11,
Head-mounted display.
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