JP2004021078A - Combiner optical system and information display device - Google Patents

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JP2004021078A JP2002178363A JP2002178363A JP2004021078A JP 2004021078 A JP2004021078 A JP 2004021078A JP 2002178363 A JP2002178363 A JP 2002178363A JP 2002178363 A JP2002178363 A JP 2002178363A JP 2004021078 A JP2004021078 A JP 2004021078A
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refraction lens
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Kenji Hori
堀 健治
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a combiner optical system capable of securing high performance and high versatility though it has an eyesight correcting function, and an information display device. <P>SOLUTION: The combiner optical system is equipped with: a base plate arranged to cross with the optical axis of an observation eye, transmitting external light made incident on the pupil position of the observation eye and also forming the optical path of luminous flux for display introduced from a specified picture display element; a catoptric element provided in the optical path on the base plate and superposing the luminous flux for display on the external light and guiding it to the pupil position of the observation eye; a 1st dioptric lens which is arranged to cross with the optical axis on the side of the base plate on which the external light is made incident, and whose surface on the external side is convex; and a 2nd dioptric lens which is arranged to cross with the optical axis on the side of the base plate where the external light is emitted, and whose surface on the pupil position side is concave. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アイグラスディスプレイ、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)、ウエラブルパソコンなどの情報表示装置に適用され、表示画像を外界光に重畳して観察眼に導くコンバイナ光学系、及びその情報表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
外界に情報画像を重畳して見るためのアイグラスディスプレイは、使用者の頭部に固定するためにその全体は眼鏡のような形状をしており、例えば、映像を表示する画像表示素子、及び眼鏡レンズと似た外形をした透明基板を眼鏡フレームに固定し、前記画像表示素子からの表示用光束を眼に導くためのHOE(ホログラム素子;Holographic Optical Element)をその基板内に形成してなる(なお、アイグラスディスプレイの基板、HOEなどの光学系部分は、「コンバイナ光学系」と呼ばれている。)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このアイグラスディスプレイには一般の眼鏡(視力矯正用眼鏡)を併用することができないので、日常生活で眼鏡を使用する人は、アイグラスディスプレイの使用時には眼鏡を外して裸眼視力となるために外界が見えにくいことを許容せざるを得ない。したがって、現在、アイグラスディスプレイの内部のコンバイナ光学系に視力矯正機能を付加することが望まれている。
【0004】
ここで、特開2002−90687号公報は、視力矯正機能が付加されたコンバイナ光学系を提案したものである。
提案された第1のコンバイナ光学系(特開2002−90687号公報の図4)は、視力矯正機能を付加するために、基板の眼の側に眼鏡レンズを配置している。
【0005】
しかし、この眼鏡レンズの両面を曲面にして収差補正する(Tscherningの解を満たす)と、アイレリーフを確保しにくくなる虞がある。また、眼鏡レンズの片方の面を平面にするとその問題は生じないものの、収差補正が不十分という問題が生じる。
また、提案された第2のコンバイナ光学系(特願2002−90687号公報の図5)は、視力矯正機能を付加するために基板表面にパワーを付けている。
【0006】
しかし、視力に応じて基板を加工してしまうと、各視力の使用者それぞれに専用の基板が必要となり、コンバイナ光学系の汎用性、ひいてはアイグラスディスプレイの汎用性が低下する。
そこで本発明は、視力矯正機能を有しつつも高性能及び高汎用性を確保することのできるコンバイナ光学系、及び情報表示装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載のコンバイナ光学系は、観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定の画像表示素子から導入される表示用光束の光路を形成する基板と、前記基板の前記光路中に設けられ、かつ前記表示用光束を前記外界光に重畳して前記観察眼の瞳位置に導く反射光学素子と、前記基板の前記外界光が入射する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその外界側の面が凸面である第1屈折レンズと、前記基板の前記外界光が射出する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその瞳位置側の面が凹面である第2屈折レンズとを備えたことを特徴とする。
【0008】
請求項2に記載のコンバイナ光学系は、請求項1に記載のコンバイナ光学系において、前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズは、少なくとも前記基板のうち前記光路の形成箇所に対しては間隙を置いて配置されることを特徴とする。請求項3に記載のコンバイナ光学系は、請求項1又は請求項2に記載のコンバイナ光学系において、前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、平面であり、前記第1屈折レンズは、平凸レンズであり、前記第2屈折レンズは、平凹レンズであることを特徴とする。
【0009】
請求項4に記載のコンバイナ光学系は、請求項1又は請求項2に記載のコンバイナ光学系において、前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、それぞれ凸面及び凹面であり、前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズは、メニスカスレンズであることを特徴とする。
請求項5に記載のコンバイナ光学系は、請求項1〜請求項4の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、第1屈折レンズの前記凸面の一部には、二重焦点用の凸面が設けらていることを特徴とする。
【0010】
請求項6に記載のコンバイナ光学系は、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、前記第1屈折レンズの前記凸面は、非球面であることを特徴とする。
請求項7に記載のコンバイナ光学系は、請求項1〜請求項6の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、前記反射光学素子は、ホログラム素子であることを特徴とする。
【0011】
請求項8に記載のコンバイナ光学系は、観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定の画像表示素子から導入される表示用光束の光路を形成する基板と、前記基板の前記外界光が入射する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその外界側の面が凸面であり、かつ、前記光路に継続する前記表示用光束の光路をその内部に形成する第1屈折レンズと、前記基板の前記外界光が射出する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその瞳位置側の面が凹面である第2屈折レンズと、前記第1屈折レンズの前記光路中に設けられ、かつ前記表示用光束を前記外界光に重畳して前記観察眼の瞳位置に導く反射光学素子とを備えたことを特徴とする。
【0012】
請求項9に記載のコンバイナ光学系は、請求項8に記載のコンバイナ光学系において、前記第2屈折レンズは、少なくとも前記基板のうち前記光路の形成箇所に対しては間隙を置いて配置されることを特徴とする。
請求項10に記載のコンバイナ光学系は、請求項8又は請求項9に記載のコンバイナ光学系において、前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、平面であり、前記第1屈折レンズは、平凸レンズであり、前記第2屈折レンズは、平凹レンズであることを特徴とする。
【0013】
請求項11に記載のコンバイナ光学系は、請求項8又は請求項9に記載のコンバイナ光学系において、前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、それぞれ凸面及び凹面であり、前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズは、メニスカスレンズであることを特徴とする。
請求項12に記載のコンバイナ光学系は、請求項8〜請求項11の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、第1屈折レンズの前記凸面の一部には、二重焦点用の凸面が設けらていることを特徴とする。
【0014】
請求項13に記載のコンバイナ光学系は、請求項8〜請求項12の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、前記第1屈折レンズの前記凸面は、非球面であることを特徴とする。
請求項14に記載のコンバイナ光学系は、請求項8〜請求項13の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、前記反射光学素子は、ホログラム素子であることを特徴とする。
【0015】
請求項15に記載の情報表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、請求項1〜請求項7の何れか一項に記載のコンバイナ光学系と、前記画像表示素子及び前記コンバイナ光学系の各部を、前記観察眼に対し固定する支持手段とを備えたことを特徴とする。
【0016】
請求項16に記載の情報表示装置は、請求項15に記載の情報表示装置において、前記支持手段は、前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズを着脱可能であることを特徴とする。
請求項17に記載の情報表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、請求項8〜請求項14の何れか一項に記載のコンバイナ光学系と、前記画像表示素子及び前記コンバイナ光学系の各部を、前記観察眼に対し固定する支持手段とを備えたことを特徴とする。
【0017】
請求項18に記載の情報表示装置は、請求項17に記載の情報表示装置において、前記支持手段は、前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズを着脱可能であることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【0019】
[第1実施形態]
図1、図2、図3を参照して本発明の第1実施形態について説明する。
本実施形態では、本発明のコンバイナ光学系を搭載した本発明の情報表示装置(一例としてアイグラスディスプレイ)について説明する。なお、ここでは、コンバイナ光学系として、ホログラムコンバイナ光学系を説明する。
【0020】
図1は、本実施形態のアイグラスディスプレイの外観図であり、図2、図3は、本実施形態のコンバイナ光学系1の構成及び光路を示す図である。図3は、図2の部分拡大図である。なお、ホログラムコンバイナ光学系1は、YZ平面(後述する座標系を参照。)に関し対称な形状をしている。
図1に示すように、アイグラスディスプレイは、眼鏡と似た外観をしている。すなわち、眼鏡の支持部材(例えば、両目用の2つのレンズを連結するブリッジとテンプルとの組み合わせからなるフレーム)と同様の支持部材16に対し、一方の眼鏡レンズの代わりに、眼鏡レンズと略同様の外形をした基板15、及び光源ユニット3が固定されている。
【0021】
図2、図3中点線で示したホログラムコンバイナ光学系1は、基板15と、光源ユニット3内に配置された補正用光学系18とからなる。この基板15内に、HOE17が設けられる(なお、補正用光学系18については、結像性能より軽量化を重視する場合、省略可能である。)。
光源ユニット3内には、補正用光学系18の他、透過型LCDなどからなる画像表示素子20が配置されている。この画像表示素子20が表示するのは、静止画像であっても、動画像であってもよい。
【0022】
図3において、符号Dで示すのは、画像表示素子20の表示面である。また、画像表示素子20が自発光式でないときには、光源ユニット3には画像表示素子20を照明する照明光学系も備わる。
以下、ホログラムコンバイナ光学系1は左眼用であり、左眼用の眼鏡レンズと同様、使用者の左眼の前方に配置されるとする(また、支持部材16が右眼の前方に支持するのは、使用者の右眼の矯正視力に適応した通常の眼鏡レンズなどである。)。
【0023】
そこで、以下では、左眼の瞳Pの中心に原点を有したXYZ直交座標系を定義する。図示したように、この座標の+Z方向は使用者の前方であり、+Y方向は使用者の左方であり、+X方向は使用者の下方である。
ホログラムコンバイナ光学系1の基板15は、外界光を使用者の左眼の瞳Pに略歪み無く導くために、XY平面と平行に配置された透過性の硝子やプラスチックなどの平行平板からなる。この基板15は、特定の視力に適合するものではなく、各種の視力に適合可能である。すなわち、基板15は、外界光に対し何らパワーを有していない。
【0024】
基板15において、HOE17は、Z軸上に配置され、かつX軸に平行な軸の周りに傾斜した状態で設けられている。
基板15に対するこのHOE17の形成は、例えば、HOE17を配置すべき面に沿って基板15の原型を一旦2要素に切断し、2要素の切断部にHOE17を挟み込んでからその2要素を接着剤(その屈折率は基板15と実質的に同じである。)で接合すればよい。
【0025】
また、HOE17は、反射型ホログラム素子であり、例えば体積型ホログラム素子である。HOE17は、光源ユニット3から入射した表示用光束の波面の形状を平行光束に近い波面に変換するパワーを有する。
その光源ユニット3は、表示用光束を、例えば−Zの方向から基板15に入射するよう配置される。
【0026】
また、HOE17の波長選択性(回折効率のピーク波長)とこの光源ユニット3の光源波長とは互いに最適化されており、HOE17は、光源ユニット3からの表示用光束に作用し、外界光にはほとんど作用しない。
そして、ホログラムコンバイナ光学系1の各光学面(基板15及び補正用光学系18の各光学面)の配置及び形状は、光源ユニット3内の表示面Dの配置位置や配置角度が考慮された上で最適化される。
【0027】
その結果、光源ユニット3内の表示面Dから射出した表示用光束は、光源ユニット3内の補正用光学系18を介して基板15に入射した後、その基板15の+Z側の面15b及び−Z側の面15aにおいて順次反射を繰り返しつつYZ平面内を這うようにして基板15を進行し、その後HOE17に入射して平行光束に近づき、−Zの方向に進み使用者の左眼の瞳Pに入射する。
【0028】
ここで、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系1には、使用者の左眼についての視力矯正機能を付与するため、基板15の瞳Pの側及びその反対側に、瞳P側の面19raが凹面である第2屈折レンズ19r、及び外界側の面19faが凸面である第1屈折レンズ19fがそれぞれ配置される。
【0029】
なお、第2屈折レンズ19r、第1屈折レンズ19fの外形は、基板15の外形と同じである必要はなく、少なくとも、瞳Pに入射する外界光の光路断面の大きさがあればよい。
因みに、基板15の外形は、前記表示用光束の光路長を十分に確保するため、Y方向の長さが十分に長くとられる。
【0030】
また、本実施形態では、基板15の瞳P側の面15a及びその反対側の面15bが共に平面であるので、第2屈折レンズ19rの基板15側の面19rb、第1屈折レンズ19fの基板15側の面19fbも、共に平面とされる(図3参照)。
これら第2屈折レンズ19r、第1屈折レンズ19fは、基板15のうち少なくとも表示用光束の光路が形成される部分に対し、若干の間隙(空気間隙、所謂エアギャップ)を置いて配置される(図3参照)。
【0031】
このように第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19rの配置を設定すれば、基板15内の面(境界面)15a、15bにおける表示用光束の全反射作用が妨げられることがないので、第2屈折レンズ19r、第1屈折レンズ19fが付加されても、ホログラムコンバイナ光学系1のコンバイナとしての機能は何ら損なわれない。
【0032】
そして、第2屈折レンズ19r、基板15、第1屈折レンズ19fからなる光学系の面19ra,19rb,19fa,19fbの形状、及び面19ra,19rb,15a,15b,19fa,19fbの配置関係は、その全体に使用者の左眼の視力に応じた光学的パワーが付与され、かつ、十分に収差補正されるよう、最適化されている。
【0033】
特に、この光学系は、凹面である面19raと凸面である面19faとを有するので、Tscherningの解を満たすことが可能である。
また、最適化の際、第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19rそれぞれの厚さは、なるべく薄くすることが好ましい。
特に、本実施形態では、第2屈折レンズ19rは、一方が平面なので、薄化することが設計上容易である。その結果、ホログラムコンバイナ光学系1のアイレリーフは十分に確保される。
【0034】
なお、薄化が容易になるのは、第2屈折レンズ19rの面19rbの形状を基板15の面15bの形状と近いものとすると共に、一方の第1屈折レンズ19fの面19faの形状をTscherningの解を満たすよう選択すれば、薄化した状態のままで所定の視力矯正機能に必要なパワーを実現しつつ非点収差発生量の十分に少ない形状を実現できるからである。
【0035】
また、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系1は、表示面Dの見かけ距離を、面19fa、面19raの形状とは独立に補正できる。例えば、補正用光学系18と画像表示素子20との間隔を適宜調整するだけで、表示面Dの見かけ距離を、使用者の見やすい距離に調整することが可能である。
以上、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系1、アイグラスディスプレイは、基板15には変更を加えることなく第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19rの追加により視力矯正機能を付加するので、その汎用性は確保される。
【0036】
また、その追加があっても、ホログラムコンバイナとしての性能は確保される。
しかも、2枚の屈折レンズ(第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19r)によれば適切な収差補正が可能なので、視力矯正の効果は高い。
次に、ホログラムコンバイナ光学系1に付加される第1屈折レンズ19fと第2屈折レンズ19rとの固定方法を説明する。
【0037】
第1屈折レンズ19fと第2屈折レンズ19rとの固定方法については、一般の眼鏡の眼鏡レンズに対し別のレンズを付加する場合と同様、クリップオン形式など様々な形式が考えられる。
本実施形態においては、第1屈折レンズ19fと第2屈折レンズ19rとが基板15に直接固定される。
【0038】
例えば、第2屈折レンズ19r、第1屈折レンズ19fは、それぞれ基板15に対しビスSで固定される。ビスSさえ取り外せば、第1屈折レンズ19fと第2屈折レンズ19rとは基板15から分離できるので、第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19rは支持部材16に対しそれぞれ着脱可能である。
よって、このアイグラスディスプレイは、使用者の必要に応じて第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19rを着脱できる。
【0039】
また、第1屈折レンズ19f、第2屈折レンズ19rの組み合わせを各視力毎にそれぞれ用意しておき、使用者の眼(ここでは、左眼)の視力に応じてそれら組み合わせを交換すれば、各視力の複数の使用者が1つのアイグラスディスプレイを共用できる。
なお、第2屈折レンズ19r、第1屈折レンズ19f、及び基板15のそれぞれには、予め、図1に示すように、ビスSを通すべく、ビスSの溝に噛み合う微小孔(溝の切られた微小孔)が設けられる。
【0040】
また、ビスSによる固定箇所(つまり、微小孔の形成位置)は、図3に示す表示用光束の光路を妨げない位置、かつ、瞳Pに入射する外界光の光路をなるべく妨げない位置である。また、ビスSによる固定箇所は、安定して固定できることから図1のように3点であることが好ましい(以下、3点とする。)。
また、第2屈折レンズ19rと基板15との間、及び第1屈折レンズ19fと基板15との間は、上記した間隙を設けるため、ワッシャー(ビスSが貫通するワッシャー)Wを介して固定される。
【0041】
但し、間隙を一様にするため、第2屈折レンズ19rと基板15との間に介設される3つのワッシャーWの厚さは互いに同じであり、第1屈折レンズ19fと基板15との間に介設される3つのワッシャーWの厚さは互いに同じである。
なお、簡単のため、間隙に充填されるのはそれぞれ空気でよい。但し、その間隙に塵などが混入しないよう、第1屈折レンズ19fの周縁、第2屈折レンズ19rの周縁と基板15との間をシール材(できれば透明のシール材)で埋めることが望ましい。
【0042】
[第1実施形態の変形例]
なお、上記実施形態では、基板15の両面15a、15bが平面であり、第1屈折レンズ19fが平凸レンズ、第2屈折レンズ19rが平凹レンズであるホログラムコンバイナ光学系1を説明したが、図4(a)(b)に示す各構成に変えても上記した効果と同様の効果を得ることができる。
【0043】
図4(a)に示したのは、基板15’の瞳P側の面15a’が凹面、その反対側の面15b’が面15a’と同じ形状の凸面となった構成である。
それに伴い、第2屈折レンズ19r’はメニスカスレンズであり、特に、その基板15’側の面19rb’は面15a’に沿う曲面(面15a’と同じ形状)となっている。
【0044】
また、第1屈折レンズ19f’もメニスカスレンズであり、特に、その基板15’側の面19fb’も面15b’に沿う曲面(面15b’と同じ形状)となっている。
このとき、基板15’と第1屈折レンズ19f’との間隙、基板15’と第2屈折レンズ19r’との間隙は、何れも一様である。
【0045】
この構成では、基板15’の一方の面15b’が凸面、他方の面15a’が凹面であるが、両者は同じ面形状なので、基板15’の単体では外界光に対し何らパワーを有しない。
よって、基板15’は、第1実施形態の基板15と同じく汎用性を有し、したがって、ホログラムコンバイナ光学系の汎用性、アイグラスディスプレイの汎用性は保たれる。
【0046】
また、基板15’に曲率を持たせたこの構成によれば、第1屈折レンズ19f’、基板15’、第2屈折レンズ19r’からなる光学系全体の厚さを小さくすることも可能である。この場合、軽量化にも寄与する。
図4(b)に示したのは、第1屈折レンズ19fの面19faの一部に、異なる曲率の凸面23が設けられた構成である
このような凸面23が設けられた面19faは、光軸方向の異なる位置に2つの焦点を配する。すなわち、面19faは、一般の二重焦点眼鏡(老眼鏡の一種である。)の外側の面と同様の作用を有する。つまり、ホログラムコンバイナ光学系1に二重焦点眼鏡の機能を付加するものである。
【0047】
しかも、他の部分については第1実施形態と同じなので、図4(b)の構成は二重焦点眼鏡の機能を付加しつつも、第1実施形態と同じ効果を得ることができる。
なお、第1屈折レンズ19fの面19faについては、図4(b)に示すものに限らず使用者の眼の特性に応じて別の形状に変形することができる。
【0048】
例えば、面19faを、球面でなく非球面にしてもよい。例えば、アナモルフィック面とすることで、乱視用眼鏡の機能を付加することができる。この構成も、他の部分については第1実施形態と同じなので、乱視用眼鏡の機能を付加しつつも、第1実施形態と同じ効果を得ることができる。また、三重焦点眼鏡や累進焦点眼鏡の機能を付加してもよい。
【0049】
また、第2屈折レンズ19rの面19raを、アナモルフィック面などの非球面としてもよい。基板15よりも瞳P側に配置されているこの面19raを、例えばアナモルフィック面とすれば、外界光だけでなく表示用光束に対しても乱視補正の作用を発生させることができる。
【0050】
また、図4(a)に示した第1屈折レンズ19f’の面19fb’や、第2屈折レンズ19r’の面19rb’(何れも曲面である。)についても、必要があればアナモルフィック面などの非球面にしてもよい。
[第2実施形態]
図5を参照して本発明の第2実施形態について説明する。
【0051】
本実施形態では、本発明のコンバイナ光学系を搭載した本発明の情報表示装置(一例としてアイグラスディスプレイ)について説明する。なお、ここでは、コンバイナ光学系として、ホログラムコンバイナ光学系を説明する。また、本実施形態と第1実施形態との相違点は、ホログラムコンバイナ光学系にあるので、ここでは、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系と第1実施形態のホログラムコンバイナ光学系1との相違点についてのみ説明する。
【0052】
図5は、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系2の構成及び光路(主光線の光路のみ)を示す図である。
ホログラムコンバイナ光学系2は、図3に示すホログラムコンバイナ光学系1とは異なり、基板15と第1屈折レンズ19fとの間隙は無い。すなわち、基板15と第1屈折レンズ19fとの間のワッシャーWは外される。
【0053】
これに伴い、HOE17は、例えば、瞳Pの前方、かつ面19faの内側の曲面上に形成される。
このとき、表示面Dを射出した表示光束は、図示したごとく、第1屈折レンズ19fの内部をも進行し、HOE17において反射した後瞳Pに入射する。
ここで、第1屈折レンズ19fの面19faは凸面(但し、第1屈折レンズ19fの内側からみると凹面)なので、面19faにて反射した表示光束には、正のパワーが付与される。
【0054】
一般に、ホログラムコンバイナ光学系においては、基板15、補正用光学系18からなる光学系は、正のパワーを有しなければならないが、このように表示光束の反射に面19faを利用すれば、他の部分(特に、HOE17の回折作用に)に割り当てられるパワーが小さくて済む。因みに、HOE17の回折作用に割り当てられるパワーが小さいと、色収差が抑えられ好ましい。
【0055】
よって、本実施形態によれば、ホログラムコンバイナ光学系2の全体の性能を高めることまでもが可能となる。
なお、本実施形態においても、第1実施形態における図4(a)の構成のように、基板15の面15a,15b、第1屈折レンズ19fの面19fb、及び第2屈折レンズ19rの面19rbに曲率を持たせてもよい。
【0056】
また、本実施形態においても、第1実施形態における図4(b)の構成のように、第1屈折レンズ19fの面19faについては、使用者の眼の特性に応じて、二重焦点用の面、三重焦点用の面、非球面(累進焦点用の面、アナモルフィック面など)にしてもよい。また、第2屈折レンズ19rの面19raを非球面にしてもよい。
【0057】
また、アナモルフィック面を使用する場合、図5中符号28で示すように、ホログラムコンバイナ光学系2の表示用光束の光路に対し、アナモルフィックな補正用光学系28を挿入してもよい(図では、補正用光学系28は、基板15の面15aに固定されているが、光源ユニット3(図1参照)内に配置されてもよい。)。補正用光学系28によれば、表示面Dの虚像を、乱視に適合させることができる(なお、このような補正用光学系28については、第1実施形態のホログラムコンバイナ光学系において面19faをアナモルフィック面にした場合にも同様に配置可能である。)。
【0058】
[その他]
図1では、支持部材16として、ブリッジとテンプルの組み合わせからなる所謂リムレスタイプのフレームが示されているが(その支持部材16とビスSとが請求項における支持手段に対応する。)、本発明の支持手段は、これに限定されない。例えば、支持部材16を、基板15を周縁から支持するリムを有するフルリムタイプのフレームとすることもできる。
【0059】
また、フルリムタイプである場合、第1屈折レンズ19fと第2屈折レンズ19rをリムに固定してもよい。
また、上記各実施形態では、片方の眼にしか情報を呈示しないアイグラスディスプレイを説明したが、両方の眼に情報を呈示するものにも、本実施形態のコンバイナ、及び情報表示装置は適用可能である。
【0060】
また、上記各実施形態では、アイグラスディスプレイを説明したが、HMD、ウエアラブルパソコンなどにも本実施形態のコンバイナ光学系は適用し得る。
また、上記各実施形態では、反射光学素子としてホログラム素子を用いたホログラムコンバイナ光学系を説明したが、HOEの代わりにハーフミラー、基板及び補正用光学系の代わりにレンズを使用したコンバイナ光学系にも本発明は適用し得る。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、視力矯正機能を有しつつも高性能及び高汎用性確保することのできるコンバイナ光学系、及び情報表示装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
【図2】第1実施形態のコンバイナ光学系1の構成及び光路を示す図である。
【図3】図2の部分拡大図である。
【図4】その他の実施形態を説明する図である。
【図5】第2実施形態のホログラムコンバイナ光学系2の構成及び光路(主光線の光路のみ)を示す図である。
【符号の説明】
1,2 ホログラムコンバイナ光学系
16 支持部材
3 光源ユニット
15 基板
17 HOE(ホログラム素子)
18,28 補正用光学系
20 画像表示素子
19f 第1屈折レンズ
19r 第2屈折レンズ
15a,15b,19fa,19ra 面
W ワッシャー
S ビス
P 瞳
D 表示面
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is applied to an information display device such as an eye glass display, an HMD (head mounted display), and a wearable personal computer, and relates to a combiner optical system that superimposes a display image on external light and guides it to an observation eye, and an information display device thereof. .
[0002]
[Prior art]
An eyeglass display for superimposing an information image on the outside world has an eyeglass-like shape for fixing to a user's head, for example, an image display element for displaying an image, and A transparent substrate having an outer shape similar to a spectacle lens is fixed to a spectacle frame, and a HOE (holographic optical element) for guiding a display light beam from the image display element to an eye is formed in the substrate. (Note that the optical system portion such as the substrate of the eye glass display and the HOE is called a “combiner optical system”.)
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, general eyeglasses (eyeglasses for correcting vision) cannot be used in combination with the eyeglass display, so that people who use eyeglasses in daily life remove the eyeglasses when using the eyeglass display, resulting in naked eyesight. We have to allow the outside world to be hard to see. Therefore, at present, it is desired to add a vision correcting function to a combiner optical system inside an eyeglass display.
[0004]
Here, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-90687 proposes a combiner optical system to which a visual acuity correcting function is added.
The first proposed combiner optical system (FIG. 4 in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-90687) has a spectacle lens arranged on the eye side of the substrate in order to add a vision correction function.
[0005]
However, if both surfaces of the spectacle lens are curved to correct aberrations (satisfying the solution of Tscherning), it may be difficult to secure eye relief. In addition, if one surface of the spectacle lens is made flat, the problem does not occur, but the problem of insufficient correction of aberration occurs.
Also, the proposed second combiner optical system (FIG. 5 of Japanese Patent Application No. 2002-90687) applies power to the substrate surface in order to add a vision correction function.
[0006]
However, if the substrate is processed according to the visual acuity, a dedicated substrate is required for each user of each visual acuity, and the versatility of the combiner optical system and, consequently, the versatility of the eyeglass display are reduced.
Therefore, an object of the present invention is to provide a combiner optical system and an information display device that can ensure high performance and high versatility while having a vision correction function.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The combiner optical system according to claim 1 is arranged so as to intersect with the optical axis of the observation eye, transmits external light incident on the pupil position of the observation eye, and displays an image introduced from a predetermined image display element. A substrate that forms an optical path of a light beam for use, a reflective optical element that is provided in the optical path of the substrate, and guides the display light beam to the pupil position of the observation eye by superimposing the display light beam on the external light; and A first refraction lens which is disposed so as to intersect the optical axis on the side where the external light is incident, and whose outer surface is a convex surface, and intersects the optical axis on the side of the substrate where the external light exits And a second refraction lens having a concave surface on the pupil position side thereof.
[0008]
The combiner optical system according to claim 2 is the combiner optical system according to claim 1, wherein the first refraction lens and the second refraction lens have a gap with respect to at least a portion of the substrate where the optical path is formed. Is placed. The combiner optical system according to claim 3 is the combiner optical system according to claim 1 or 2, wherein at least the incident region and the exit region of the external light of the substrate are planes, and the first refraction is performed. The lens is a plano-convex lens, and the second refraction lens is a plano-concave lens.
[0009]
The combiner optical system according to claim 4 is the combiner optical system according to claim 1 or 2, wherein at least the incident region and the exit region of the external light of the substrate are a convex surface and a concave surface, respectively. The first refraction lens and the second refraction lens are meniscus lenses.
A combiner optical system according to claim 5, wherein the combiner optical system according to claim 1, wherein a part of the convex surface of the first refractive lens has a convex surface for double focus. Is provided.
[0010]
The combiner optical system according to claim 6 is the combiner optical system according to any one of claims 1 to 5, wherein the convex surface of the first refractive lens is an aspheric surface. .
A combiner optical system according to a seventh aspect is the combiner optical system according to any one of the first to sixth aspects, wherein the reflection optical element is a hologram element.
[0011]
The combiner optical system according to claim 8, wherein the display is arranged so as to intersect the optical axis of the observation eye, transmits external light incident on a pupil position of the observation eye, and is introduced from a predetermined image display element. A substrate forming an optical path of a light beam for use, disposed on the side of the substrate on which the external light is incident so as to intersect with the optical axis, and the external surface is a convex surface, and the optical path is continuous with the optical path. A first refraction lens for forming an optical path of a display light beam therein, and a first refraction lens disposed on the side of the substrate where the external light exits, so as to intersect the optical axis, and having a concave surface on the pupil position side. A birefringent lens, and a reflecting optical element provided in the optical path of the first refracting lens and superimposing the display light beam on the external light and guiding the display light beam to a pupil position of the observation eye. I do.
[0012]
In a combiner optical system according to a ninth aspect, in the combiner optical system according to the eighth aspect, the second refraction lens is disposed with a gap between at least a portion of the substrate where the optical path is formed. It is characterized by the following.
The combiner optical system according to claim 10 is the combiner optical system according to claim 8 or claim 9, wherein at least the incident region and the exit region of the external light of the substrate are planes, and the first refraction is performed. The lens is a plano-convex lens, and the second refraction lens is a plano-concave lens.
[0013]
The combiner optical system according to claim 11 is the combiner optical system according to claim 8 or claim 9, wherein at least the incident region and the exit region of the external light of the substrate are a convex surface and a concave surface, respectively. The first refraction lens and the second refraction lens are meniscus lenses.
The combiner optical system according to claim 12, wherein in the combiner optical system according to any one of claims 8 to 11, a part of the convex surface of the first refractive lens has a convex surface for double focus. Is provided.
[0014]
The combiner optical system according to claim 13 is the combiner optical system according to any one of claims 8 to 12, wherein the convex surface of the first refractive lens is an aspheric surface. .
A combiner optical system according to a fourteenth aspect is the combiner optical system according to any one of the eighth to thirteenth aspects, wherein the reflection optical element is a hologram element.
[0015]
An information display device according to claim 15, comprising: an image display element that displays an image; a combiner optical system according to any one of claims 1 to 7; and the image display element and the combiner optical system. A support means for fixing each part to the observation eye is provided.
[0016]
An information display device according to a sixteenth aspect is the information display device according to the fifteenth aspect, wherein the support means is capable of detachably attaching the first refraction lens and the second refraction lens.
An information display device according to claim 17, comprising: an image display element that displays an image; a combiner optical system according to any one of claims 8 to 14; and the image display element and the combiner optical system. A support means for fixing each part to the observation eye is provided.
[0017]
An information display device according to an eighteenth aspect of the present invention is the information display device according to the seventeenth aspect, wherein the support means is capable of attaching and detaching the first refraction lens and the second refraction lens.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, an information display device (an eye glass display as an example) of the present invention equipped with the combiner optical system of the present invention will be described. Here, a hologram combiner optical system will be described as the combiner optical system.
[0020]
FIG. 1 is an external view of an eyeglass display of the present embodiment, and FIGS. 2 and 3 are diagrams showing a configuration and an optical path of a combiner optical system 1 of the present embodiment. FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. The hologram combiner optical system 1 has a symmetrical shape with respect to the YZ plane (refer to a coordinate system described later).
As shown in FIG. 1, the eyeglass display has an appearance similar to eyeglasses. That is, for a supporting member 16 similar to a supporting member of spectacles (for example, a frame composed of a bridge and a temple connecting two lenses for both eyes), instead of one spectacle lens, substantially the same as a spectacle lens The light source unit 3 and the substrate 15 having the external shape described above are fixed.
[0021]
The hologram combiner optical system 1 indicated by a dotted line in FIGS. 2 and 3 includes a substrate 15 and a correction optical system 18 disposed in the light source unit 3. The HOE 17 is provided in the substrate 15 (the correction optical system 18 can be omitted when weight reduction is more important than imaging performance).
In the light source unit 3, in addition to the correction optical system 18, an image display element 20 such as a transmission LCD is disposed. The image displayed by the image display element 20 may be a still image or a moving image.
[0022]
In FIG. 3, reference numeral D denotes a display surface of the image display element 20. When the image display element 20 is not of a self-luminous type, the light source unit 3 also has an illumination optical system for illuminating the image display element 20.
Hereinafter, the hologram combiner optical system 1 is for the left eye, and is arranged in front of the left eye of the user, similarly to the eyeglass lens for the left eye (the support member 16 supports the front of the right eye). These are ordinary spectacle lenses or the like adapted to the corrected vision of the right eye of the user.)
[0023]
Therefore, in the following, an XYZ orthogonal coordinate system having an origin at the center of the pupil P of the left eye is defined. As shown, the + Z direction of these coordinates is in front of the user, the + Y direction is to the left of the user, and the + X direction is below the user.
The substrate 15 of the hologram combiner optical system 1 is formed of a parallel flat plate made of a transparent glass or plastic disposed in parallel with the XY plane in order to guide the external light to the pupil P of the left eye of the user with almost no distortion. The substrate 15 is not adapted to a specific visual acuity, but can be adapted to various visual acuities. That is, the substrate 15 has no power with respect to external light.
[0024]
In the substrate 15, the HOE 17 is disposed on the Z axis and is provided so as to be inclined around an axis parallel to the X axis.
The HOE 17 is formed on the substrate 15 by, for example, temporarily cutting the prototype of the substrate 15 into two elements along a surface on which the HOE 17 is to be disposed, sandwiching the HOE 17 between the cut parts of the two elements, and then bonding the two elements with an adhesive ( The refractive index is substantially the same as that of the substrate 15).
[0025]
The HOE 17 is a reflection hologram element, for example, a volume hologram element. The HOE 17 has the power to convert the shape of the wavefront of the display light beam incident from the light source unit 3 into a wavefront close to a parallel light beam.
The light source unit 3 is arranged so that the display light beam is incident on the substrate 15 from, for example, the −Z direction.
[0026]
In addition, the wavelength selectivity (peak wavelength of diffraction efficiency) of the HOE 17 and the light source wavelength of the light source unit 3 are mutually optimized, and the HOE 17 acts on the display light flux from the light source unit 3, Has little effect.
The arrangement and shape of each optical surface of the hologram combiner optical system 1 (each optical surface of the substrate 15 and the correction optical system 18) are determined in consideration of the arrangement position and the arrangement angle of the display surface D in the light source unit 3. Optimized for
[0027]
As a result, the display light flux emitted from the display surface D in the light source unit 3 is incident on the substrate 15 via the correction optical system 18 in the light source unit 3, and then the + Z side surface 15b of the substrate 15 and- The light propagates through the substrate 15 so as to crawl in the YZ plane while sequentially repeating reflection on the surface 15a on the Z side, then enters the HOE 17 and approaches a parallel light beam, proceeds in the direction of -Z, and proceeds to the pupil P of the left eye of the user. Incident on.
[0028]
Here, in order to provide the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment with a visual acuity correcting function for the left eye of the user, a surface 19ra on the pupil P side of the pupil P side of the substrate 15 and the opposite side thereof are provided. A second refraction lens 19r having a concave surface and a first refraction lens 19f having a convex surface 19fa on the outside world are arranged.
[0029]
Note that the outer shape of the second refraction lens 19r and the first refraction lens 19f does not need to be the same as the outer shape of the substrate 15, and it is sufficient that at least the size of the optical path cross section of the external light incident on the pupil P is sufficient.
Incidentally, the outer shape of the substrate 15 has a sufficiently long length in the Y direction in order to ensure a sufficient optical path length of the display light flux.
[0030]
In the present embodiment, the surface 15a on the pupil P side of the substrate 15 and the surface 15b on the opposite side thereof are both flat, so that the surface 19rb on the substrate 15 side of the second refraction lens 19r and the substrate 15 of the first refraction lens 19f. The surface 19fb on the 15 side is also flat (see FIG. 3).
The second refraction lens 19r and the first refraction lens 19f are arranged with a slight gap (air gap, so-called air gap) at least with respect to the portion of the substrate 15 where the optical path of the display light beam is formed. (See FIG. 3).
[0031]
By setting the arrangement of the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r in this manner, the total reflection effect of the display light flux on the surfaces (boundary surfaces) 15a and 15b in the substrate 15 is not hindered. Even if the birefringent lens 19r and the first refracting lens 19f are added, the function of the hologram combiner optical system 1 as a combiner is not impaired at all.
[0032]
The shape of the surfaces 19ra, 19rb, 19fa, and 19fb of the optical system including the second refraction lens 19r, the substrate 15, and the first refraction lens 19f, and the positional relationship between the surfaces 19ra, 19rb, 15a, 15b, 19fa, and 19fb are as follows. An optical power corresponding to the visual acuity of the left eye of the user is applied to the entirety thereof, and optimization is performed so that aberrations are sufficiently corrected.
[0033]
In particular, since this optical system has a concave surface 19ra and a convex surface 19fa, it is possible to satisfy the solution of Tscherning.
At the time of optimization, it is preferable that the thickness of each of the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r be as small as possible.
In particular, in the present embodiment, since one of the second refractive lenses 19r is flat, it is easy in design to make it thinner. As a result, the eye relief of the hologram combiner optical system 1 is sufficiently ensured.
[0034]
The reason why the thinning is facilitated is that the shape of the surface 19rb of the second refraction lens 19r is close to the shape of the surface 15b of the substrate 15, and the shape of the surface 19fa of the first refraction lens 19f is Tscherning. If the solution is selected so as to satisfy the above solution, it is possible to realize a shape with a sufficiently small amount of astigmatism while realizing the power required for the predetermined visual acuity correcting function while maintaining the thinned state.
[0035]
Further, the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment can correct the apparent distance of the display surface D independently of the shapes of the surfaces 19fa and 19ra. For example, it is possible to adjust the apparent distance of the display surface D to a distance that is easy for the user to see by simply adjusting the distance between the correction optical system 18 and the image display element 20 as appropriate.
As described above, the hologram combiner optical system 1 and the eyeglass display according to the present embodiment add a visual acuity correcting function by adding the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r without changing the substrate 15, so that the general-purpose Sex is secured.
[0036]
Also, even with the addition, the performance as a hologram combiner is ensured.
In addition, since the two refractive lenses (the first refractive lens 19f and the second refractive lens 19r) can appropriately correct aberrations, the effect of correcting vision is high.
Next, a method of fixing the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r added to the hologram combiner optical system 1 will be described.
[0037]
As for the method of fixing the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r, various forms such as a clip-on type are conceivable as in the case of adding another lens to the spectacle lens of general spectacles.
In the present embodiment, the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r are directly fixed to the substrate 15.
[0038]
For example, the second refraction lens 19r and the first refraction lens 19f are fixed to the substrate 15 with screws S, respectively. If only the screw S is removed, the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r can be separated from the substrate 15, so that the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r can be detachably attached to the support member 16, respectively.
Therefore, in this eyeglass display, the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r can be attached and detached as needed by the user.
[0039]
In addition, a combination of the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r is prepared for each visual acuity, and the combination is exchanged according to the visual acuity of the user's eye (here, the left eye). Multiple users of vision can share one eyeglass display.
The second refraction lens 19r, the first refraction lens 19f, and the substrate 15 each have, in advance, micro holes (grooves cut into the grooves of the screws S) through which the screws S pass, as shown in FIG. Micro holes) are provided.
[0040]
Further, the fixing position of the screw S (that is, the position where the minute hole is formed) is a position which does not obstruct the optical path of the display light beam shown in FIG. 3 and which does not obstruct the optical path of the external light entering the pupil P as much as possible. . In addition, it is preferable to fix three points as shown in FIG. 1 (hereinafter, referred to as three points) because screws S can be fixed stably.
Further, between the second refraction lens 19r and the substrate 15 and between the first refraction lens 19f and the substrate 15 are fixed via a washer (washer W through which the screw S penetrates) W to provide the above-mentioned gap. You.
[0041]
However, in order to make the gap uniform, the thicknesses of the three washers W provided between the second refraction lens 19r and the substrate 15 are the same, and the thickness between the first refraction lens 19f and the substrate 15 is Are the same in thickness.
For simplicity, the space may be filled with air. However, it is desirable to fill the gap between the periphery of the first refraction lens 19f, the periphery of the second refraction lens 19r and the substrate 15 with a sealing material (preferably a transparent sealing material) so that dust and the like do not enter the gap.
[0042]
[Modification of First Embodiment]
In the above embodiment, the hologram combiner optical system 1 in which both surfaces 15a and 15b of the substrate 15 are flat, the first refraction lens 19f is a plano-convex lens, and the second refraction lens 19r is a plano-concave lens has been described. The same effects as described above can be obtained even if the configurations shown in FIGS.
[0043]
FIG. 4A shows a configuration in which the surface 15a 'on the pupil P side of the substrate 15' is a concave surface, and the opposite surface 15b 'is a convex surface having the same shape as the surface 15a'.
Accordingly, the second refractive lens 19r 'is a meniscus lens, and in particular, the surface 19rb' on the substrate 15 'side has a curved surface (the same shape as the surface 15a') along the surface 15a '.
[0044]
The first refraction lens 19f 'is also a meniscus lens. In particular, the surface 19fb' of the substrate 15 'is also a curved surface (the same shape as the surface 15b') along the surface 15b '.
At this time, the gap between the substrate 15 'and the first refraction lens 19f' and the gap between the substrate 15 'and the second refraction lens 19r' are all uniform.
[0045]
In this configuration, one surface 15b 'of the substrate 15' is convex and the other surface 15a 'is concave. However, since both surfaces have the same surface shape, the substrate 15' alone has no power with respect to external light.
Therefore, the substrate 15 'has the same versatility as the substrate 15 of the first embodiment, and therefore, the versatility of the hologram combiner optical system and the versatility of the eyeglass display are maintained.
[0046]
Further, according to this configuration in which the substrate 15 ′ has a curvature, it is possible to reduce the thickness of the entire optical system including the first refractive lens 19f ′, the substrate 15 ′, and the second refractive lens 19r ′. . In this case, it also contributes to weight reduction.
FIG. 4B shows a configuration in which a convex surface 23 having a different curvature is provided on a part of the surface 19fa of the first refractive lens 19f.
The surface 19fa provided with such a convex surface 23 arranges two focal points at different positions in the optical axis direction. That is, the surface 19fa has the same function as the outer surface of general bifocal glasses (a kind of reading glasses). That is, the function of the bifocal glasses is added to the hologram combiner optical system 1.
[0047]
In addition, since other parts are the same as those of the first embodiment, the configuration of FIG. 4B can obtain the same effect as the first embodiment while adding the function of the bifocal glasses.
The surface 19fa of the first refraction lens 19f is not limited to the one shown in FIG. 4B, and can be deformed into another shape according to the characteristics of the user's eyes.
[0048]
For example, the surface 19fa may be an aspheric surface instead of a spherical surface. For example, by using an anamorphic surface, the function of astigmatic glasses can be added. This configuration is also the same as that of the first embodiment in the other parts, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained while adding the function of astigmatism glasses. Further, a function of trifocal glasses or progressive focus glasses may be added.
[0049]
Further, the surface 19ra of the second refraction lens 19r may be an aspheric surface such as an anamorphic surface. If this surface 19ra disposed closer to the pupil P than the substrate 15 is, for example, an anamorphic surface, it is possible to generate astigmatism correction not only for external light but also for display light flux.
[0050]
The surface 19fb 'of the first refraction lens 19f' and the surface 19rb 'of the second refraction lens 19r' (both are curved surfaces) shown in FIG. 4A are anamorphic if necessary. It may be an aspheric surface such as a surface.
[Second embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0051]
In the present embodiment, an information display device (an eye glass display as an example) of the present invention equipped with the combiner optical system of the present invention will be described. Here, a hologram combiner optical system will be described as the combiner optical system. The difference between the present embodiment and the first embodiment resides in the hologram combiner optical system. Therefore, here, the difference between the hologram combiner optical system of the present embodiment and the hologram combiner optical system 1 of the first embodiment is described. Will be described only.
[0052]
FIG. 5 is a diagram showing the configuration and the optical path (only the optical path of the principal ray) of the hologram combiner optical system 2 of the present embodiment.
Unlike the hologram combiner optical system 1 shown in FIG. 3, the hologram combiner optical system 2 has no gap between the substrate 15 and the first refraction lens 19f. That is, the washer W between the substrate 15 and the first refraction lens 19f is removed.
[0053]
Accordingly, the HOE 17 is formed, for example, on a curved surface in front of the pupil P and inside the surface 19fa.
At this time, the display light flux emitted from the display surface D also travels inside the first refraction lens 19f as shown in FIG.
Here, the surface 19fa of the first refraction lens 19f is a convex surface (however, a concave surface when viewed from the inside of the first refraction lens 19f), so that a positive power is applied to the display light flux reflected by the surface 19fa.
[0054]
Generally, in the hologram combiner optical system, the optical system including the substrate 15 and the correction optical system 18 must have a positive power. However, if the surface 19fa is used to reflect the display light beam, (Particularly for the diffraction action of the HOE 17) requires less power. Incidentally, it is preferable that the power allocated to the diffraction action of the HOE 17 is small, because the chromatic aberration is suppressed.
[0055]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to enhance the overall performance of the hologram combiner optical system 2.
Also in the present embodiment, as in the configuration of FIG. 4A in the first embodiment, the surfaces 15a and 15b of the substrate 15, the surface 19fb of the first refractive lens 19f, and the surface 19rb of the second refractive lens 19r. May have a curvature.
[0056]
Also, in the present embodiment, as in the configuration of FIG. 4B in the first embodiment, the surface 19fa of the first refraction lens 19f is used for double focus in accordance with the characteristics of the user's eyes. It may be a surface, a surface for triple focus, or an aspherical surface (a surface for progressive focus, an anamorphic surface, etc.). Further, the surface 19ra of the second refraction lens 19r may be an aspheric surface.
[0057]
When an anamorphic surface is used, an anamorphic correction optical system 28 may be inserted into the optical path of the display light beam of the hologram combiner optical system 2 as indicated by reference numeral 28 in FIG. (In the figure, the correcting optical system 28 is fixed to the surface 15a of the substrate 15, but may be arranged in the light source unit 3 (see FIG. 1).) According to the correcting optical system 28, the virtual image on the display surface D can be adapted to astigmatism. (Note that such a correcting optical system 28 has the surface 19fa in the hologram combiner optical system of the first embodiment. The same arrangement is possible when the anamorphic surface is used.)
[0058]
[Others]
FIG. 1 shows a so-called rimless type frame composed of a combination of a bridge and a temple as the supporting member 16 (the supporting member 16 and the screw S correspond to supporting means in the claims), but the present invention. Is not limited to this. For example, the support member 16 may be a full rim type frame having a rim that supports the substrate 15 from the periphery.
[0059]
In the case of a full rim type, the first refraction lens 19f and the second refraction lens 19r may be fixed to the rim.
Also, in each of the above embodiments, the eyeglass display that presents information to only one eye has been described, but the combiner and the information display device of the present embodiment can also be applied to those that present information to both eyes. It is.
[0060]
Further, in each of the above embodiments, the eyeglass display has been described. However, the combiner optical system of the present embodiment can be applied to an HMD, a wearable personal computer, and the like.
In each of the above embodiments, the hologram combiner optical system using the hologram element as the reflection optical element has been described. However, a combiner optical system using a half mirror instead of the HOE, a substrate, and a lens instead of the correction optical system. The present invention is also applicable.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a combiner optical system and an information display device capable of ensuring high performance and high versatility while having a vision correction function are realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of an eyeglass display according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration and an optical path of a combiner optical system 1 according to the first embodiment.
FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating another embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration and an optical path (only an optical path of a principal ray) of a hologram combiner optical system 2 according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1,2 Hologram combiner optical system
16 Supporting members
3 Light source unit
15 Substrate
17 HOE (hologram element)
18, 28 Optical system for correction
20 Image display device
19f first refraction lens
19r Second refraction lens
15a, 15b, 19fa, 19ra surface
W washer
S screw
P pupil
D display surface

Claims (18)

観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定の画像表示素子から導入される表示用光束の光路を形成する基板と、
前記基板の前記光路中に設けられ、かつ前記表示用光束を前記外界光に重畳して前記観察眼の瞳位置に導く反射光学素子と、
前記基板の前記外界光が入射する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその外界側の面が凸面である第1屈折レンズと、
前記基板の前記外界光が射出する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその瞳位置側の面が凹面である第2屈折レンズと
を備えたことを特徴とするコンバイナ光学系。
A substrate that is arranged to intersect with the optical axis of the observation eye and transmits external light incident on the pupil position of the observation eye, and forms an optical path of a display light flux introduced from a predetermined image display element,
A reflective optical element provided in the optical path of the substrate, and guiding the display light flux to the pupil position of the observation eye by superimposing the display light flux on the external light;
A first refractive lens disposed on the side of the substrate on which the external light is incident so as to intersect with the optical axis, and having a convex surface on the external side;
A combiner optical system, comprising: a second refraction lens disposed on the side of the substrate where the external light exits so as to intersect the optical axis and having a concave surface on the pupil position side.
請求項1に記載のコンバイナ光学系において、
前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズは、少なくとも前記基板のうち前記光路の形成箇所に対しては間隙を置いて配置される
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
The combiner optical system according to claim 1,
The combiner optical system according to claim 1, wherein the first refraction lens and the second refraction lens are arranged with a gap at least at a portion of the substrate where the optical path is formed.
請求項1又は請求項2に記載のコンバイナ光学系において、前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、平面であり、
前記第1屈折レンズは、平凸レンズであり、
前記第2屈折レンズは、平凹レンズである
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
3. The combiner optical system according to claim 1, wherein at least the incident area and the emission area of the external light of the substrate are planes,
The first refraction lens is a plano-convex lens,
The combiner optical system, wherein the second refraction lens is a plano-concave lens.
請求項1又は請求項2に記載のコンバイナ光学系において、
前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、それぞれ凸面及び凹面であり、
前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズは、メニスカスレンズである
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
The combiner optical system according to claim 1 or 2,
At least the incident area and the emission area of the external light of the substrate are convex and concave, respectively.
The combiner optical system, wherein the first refraction lens and the second refraction lens are meniscus lenses.
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
第1屈折レンズの前記凸面の一部には、二重焦点用の凸面が設けらている
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to any one of claims 1 to 4,
A combiner optical system, wherein a part of the convex surface of the first refraction lens is provided with a convex surface for double focus.
請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記第1屈折レンズの前記凸面は、非球面である
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to any one of claims 1 to 5,
The combiner optical system according to claim 1, wherein the convex surface of the first refractive lens is an aspheric surface.
請求項1〜請求項6の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記反射光学素子は、ホログラム素子である
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to any one of claims 1 to 6,
The combiner optical system, wherein the reflection optical element is a hologram element.
観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定の画像表示素子から導入される表示用光束の光路を形成する基板と、
前記基板の前記外界光が入射する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその外界側の面が凸面であり、かつ、前記光路に継続する前記表示用光束の光路をその内部に形成する第1屈折レンズと、
前記基板の前記外界光が射出する側に前記光軸に交差するよう配置され、かつその瞳位置側の面が凹面である第2屈折レンズと、
前記第1屈折レンズの前記光路中に設けられ、かつ前記表示用光束を前記外界光に重畳して前記観察眼の瞳位置に導く反射光学素子と
を備えたことを特徴とするコンバイナ光学系。
A substrate that is arranged to intersect with the optical axis of the observation eye and transmits external light incident on the pupil position of the observation eye, and forms an optical path of a display light flux introduced from a predetermined image display element,
The substrate is disposed on the side on which the external light is incident so as to intersect with the optical axis, and the surface on the external side is convex, and forms an optical path of the display light flux continued in the optical path therein. A first refractive lens,
A second refraction lens disposed on the side of the substrate where the external light exits so as to intersect the optical axis, and having a concave surface on the pupil position side;
A combiner optical system comprising: a reflection optical element provided in the optical path of the first refraction lens and superimposing the display light beam on the external light and guiding the display light beam to a pupil position of the observation eye.
請求項8に記載のコンバイナ光学系において、
前記第2屈折レンズは、少なくとも前記基板のうち前記光路の形成箇所に対しては間隙を置いて配置される
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
The combiner optical system according to claim 8,
The combiner optical system according to claim 1, wherein the second refraction lens is disposed with a gap at least at a portion of the substrate where the optical path is formed.
請求項8又は請求項9に記載のコンバイナ光学系において、
前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、平面であり、
前記第1屈折レンズは、平凸レンズであり、
前記第2屈折レンズは、平凹レンズである
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to claim 8 or 9,
At least the incident area and the emission area of the external light of the substrate are planes,
The first refraction lens is a plano-convex lens,
The combiner optical system, wherein the second refraction lens is a plano-concave lens.
請求項8又は請求項9に記載のコンバイナ光学系において、
前記基板のうち少なくとも前記外界光の入射領域及び射出領域は、それぞれ凸面及び凹面であり、
前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズは、メニスカスレンズである
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to claim 8 or 9,
At least the incident area and the emission area of the external light of the substrate are convex and concave, respectively.
The combiner optical system, wherein the first refraction lens and the second refraction lens are meniscus lenses.
請求項8〜請求項11の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
第1屈折レンズの前記凸面の一部には、二重焦点用の凸面が設けらている
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to any one of claims 8 to 11,
A combiner optical system, wherein a part of the convex surface of the first refraction lens is provided with a convex surface for double focus.
請求項8〜請求項12の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記第1屈折レンズの前記凸面は、非球面である
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
In the combiner optical system according to any one of claims 8 to 12,
The combiner optical system according to claim 1, wherein the convex surface of the first refractive lens is an aspheric surface.
請求項8〜請求項13の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記反射光学素子は、ホログラム素子である
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
The combiner optical system according to any one of claims 8 to 13, wherein:
The combiner optical system, wherein the reflection optical element is a hologram element.
画像を表示する画像表示素子と、
請求項1〜請求項7の何れか一項に記載のコンバイナ光学系と、
前記画像表示素子及び前記コンバイナ光学系の各部を、前記観察眼に対し固定する支持手段と
を備えたことを特徴とする情報表示装置。
An image display element for displaying an image,
A combiner optical system according to any one of claims 1 to 7,
An information display device comprising: a support unit for fixing each part of the image display element and the combiner optical system to the observation eye.
請求項15に記載の情報表示装置において、
前記支持手段は、
前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズを着脱可能である
ことを特徴とする情報表示装置。
The information display device according to claim 15,
The support means,
An information display device, wherein the first refraction lens and the second refraction lens are detachable.
画像を表示する画像表示素子と、
請求項8〜請求項14の何れか一項に記載のコンバイナ光学系と、
前記画像表示素子及び前記コンバイナ光学系の各部を、前記観察眼に対し固定する支持手段と
を備えたことを特徴とする情報表示装置。
An image display element for displaying an image,
A combiner optical system according to any one of claims 8 to 14,
An information display device comprising: a support unit for fixing each part of the image display element and the combiner optical system to the observation eye.
請求項17に記載の情報表示装置において、
前記支持手段は、
前記第1屈折レンズ及び前記第2屈折レンズを着脱可能である
ことを特徴とする情報表示装置。
The information display device according to claim 17,
The support means,
An information display device, wherein the first refraction lens and the second refraction lens are detachable.
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