头戴式显示器用光学系统和头戴式显示器技术方案

头戴式显示器用光学系统从光源侧开始依次具有：光偏转元件，其使来自光源的光的行进方向变化；第1透镜组，其作为整体具有正的屈光力，由关于光轴旋转对称地形成的多个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成，会聚经由光偏转元件入射的光；第2透镜组，其由配置在由第1透镜组形成的中间像的成像位置附近的、具有正的屈光力的1个透镜构成；第3透镜组，其由关于光轴旋转对称地形成的1个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成；以及光反射元件，其是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过第3透镜组后的光反射的反射面，头戴式显示器用光学系统构成为，根据由光偏转元件引起的来自光源的光的行进方向的变化，在由反射面反射并到达假定位于使用者的视网膜上的描绘面上的光在描绘面上移动，在描绘面上描绘图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及头戴式显示器用光学系统和头戴式显示器。
技术介绍
公知有头部搭载型的显示器(head-mounted display，头戴式显示器）（参照专利 文献1)。在头戴式显示器中，例如有如下构成的头戴式显示器:通过使用检流计镜等的光偏 转元件而使来自光源的光高速移动，在视网膜上描绘图像。当要使用这样的头戴式显示器 提高光学性能时，透镜的个数增加，此外为了充分校正色像差而不得不使用比重大的玻璃， 导致光学系统的大型化和重量化，从而使用便利性和设计性显著受损。特别是，仅对于如球 面透镜那样旋转对称透镜元件来说，这样的倾向变强。 现有技术文献 专利文献 【专利文献1】日本专利第3382683号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题 这样，在现有的头戴式显示器中，难以同时实现小型轻量化和光学性能两者。 用于解决问题的手段 根据本专利技术的第1方式，头戴式显示器用光学系统从光源侧开始依次具有:光偏转 元件，其使来自光源的光的行进方向变化;第1透镜组，其作为整体具有正的屈光力，由关于 光轴旋转对称地形成的多个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透 镜构成，会聚经由光偏转元件入射的光;第2透镜组，其配置在由第1透镜组形成的中间像的 成像位置附近，由具有正的屈光力的1个透镜构成;第3透镜组，其由关于光轴旋转对称地形 成的1个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成；以及光反射 元件，其是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过第3透镜组后的光反射 的反射面，头戴式显示器用光学系统构成为，根据由光偏转元件引起的来自光源的光的行 进方向的变化，由反射面反射并到达假定位于使用者的视网膜上的描绘面上的光在描绘面 上移动，在描绘面上描绘图像。 根据本专利技术的第2方式，优选的是，在第1方式的头戴式显示器用光学系统中，当将 光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元件与光反 射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y 轴，将与z轴和y轴垂直的坐标轴设为X轴时，构成第2透镜组的透镜中的至少一方的透镜面 由在X轴方向上具有非球面形状的X环形面构成。 根据本专利技术的第3方式，优选的是，在第2方式的头戴式显示器用光学系统中，构成 第2透镜组的透镜的光反射元件侧的透镜面由X环形面构成，当设X轴方向的曲率半径为Rx， 设y轴方向的曲率半径为Ry时，满足实施方式的式(6)。根据本专利技术的第4方式，优选的是，在第1~3中任一方式的头戴式显示器用光学系 统中，构成第2透镜组的透镜具有作为扩散板的功能，该扩散板具有凸向光反射元件侧的弯 月形状，而且接近中间像的成像位置的透镜面使来自光源的光扩散，当将光偏转元件与光 反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过第1透镜组与光反射元件之间的光轴 和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标轴设为y轴，在构成第2透镜 组的透镜中，设具有作为扩散板的功能的透镜面的y轴方向的曲率半径为Ryl，设该透镜面 相反侧的透镜面的y轴方向的曲率半径为Ry2时，满足实施方式的式(7)。根据本专利技术的第5方式，优选的是，在第1~4中任一方式的头戴式显示器用光学系 统中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元 件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标 轴设为y轴，将与z轴和y轴垂直的坐标轴设为X轴，在第3透镜组中，定义以自由曲面透镜的 透镜面和光轴的交点为原点的坐标系(X，y，z )，将在自由曲面透镜的透镜面的垂度量z由X、 y的多项式表示的情况下的自由曲面透镜的旋转对称透镜侧的透镜面的X的2乘项的系数设 为fC4、将X的4乘项的系数设为fCll、将y的2乘项的系数设为fC6、将y的4乘项的系数设为 fC15、将该透镜面相反侧的透镜面的X的2乘项的系数设为rC4、将X的4乘项的系数设为 rCll、将y的2乘项的系数设为rC6、将y的4乘项的系数设为rC15,定义实施方式的式(8)和 (9)时，满足实施方式的式（10)，而且，在第3透镜组中，设旋转对称透镜中的自由曲面透镜 侧的透镜面的曲率半径为Rrot，设旋转对称透镜与自由曲面透镜之间的光轴上的距离为D 时，满足实施方式的式(40)和(41)。 根据本专利技术的第6方式，优选的是，在第1~5中任一方式的头戴式显示器用光学系 统中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元 件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标 轴设为y轴，将与z轴和y轴垂直的坐标轴设为X轴，在第1透镜组中，定义以自由曲面透镜的 透镜面和光轴的交点为原点的坐标系(X，y，z )，将在自由曲面透镜的透镜面的垂度量z由X、 y的多项式表示的情况下的X的2乘项的系数设为C4、将y的2乘项的系数设为C6时，在自由曲 面透镜的前后双方的透镜面中满足实施方式的式(43)。 根据本专利技术的第7方式，优选的是，在第1~6中任一方式的头戴式显示器用光学系 统中，当设第1透镜组整体的焦距为Π ，设光偏转元件与光反射元件之间的光轴上的距离为 L时，满足实施方式的式(44)。根据本专利技术的第8方式，优选的是，在第1~7中任一方式的头戴式显示器用光学系 统中，设相对于d线的折射率为Nd，设相对于F线的折射率为NF，设相对于C线的折射率为NC， 根据实施方式的式(47)来定义阿贝数灿，当设第1透镜组的多个旋转对称透镜中的阿贝数υ d的差的最大值为△ udl，设第3透镜组的旋转对称透镜与自由曲面透镜中的阿贝数ud的差 为Δ ud2时，满足实施方式的式(45)和(46)。根据本专利技术的第9方式，优选的是，在第1~8中任一方式的头戴式显示器用光学系 统中，当将光偏转元件与光反射元件之间的光轴方向的坐标轴设为z轴，将在通过光偏转元 件与光反射元件之间的光轴和光反射元件与描绘面之间的光轴的截面中与z轴垂直的坐标 轴设为y轴，设y轴的负方向是光反射元件使光轴折弯一侧的方向时，在光反射元件中，当将 到达反射面的光线中与图像的4角对应的视场角的主光线的到达位置4点连结而形成的图 形是梯形形状，设梯形形状的底边中y轴的正方向侧为上底，设负方向侧为下底，设上底的 长度为Lup，设下底的长度为Limd时，满足实施方式的式(48)。 根据本专利技术的第10方式，优选的是，在第1~9中任一方式的头戴式显示器用光学 系统中，光反射元件由透射光的材质构成，构成为能够使从反射面相反侧的面入射的光透 射，与由透射光反射元件而到达描绘面上的光所成像的像重合地图像被描绘在描绘面上。 根据本专利技术的第11方式，头戴式显示器具有第1~10中任一方式的头戴式显示器 用光学系统。 专利技术的效果根据本专利技术，能够得到小型轻量优异的光学性能。【附图说明】 图1是说明头戴式显示器的结构的图。 图2是说明在y - z平面中的头戴式显示器用光学系统的结构的图。 图3是说明在X - z平面中的头戴式显示器用光学系统的结构的图。 图4是说明局部坐标系的一例的图。 图5是头戴式显示器用光学系统的横向像差图。图6是头戴式显示器用光学系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种头戴式显示器用光学系统，所述头戴式显示器用光学系统从光源侧开始依次具有：光偏转元件，其使来自所述光源的光的行进方向变化；第1透镜组，其作为整体具有正的屈光力，由关于光轴旋转对称地形成的多个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成，会聚经由所述光偏转元件入射的光；第2透镜组，其配置在由所述第1透镜组形成的中间像的成像位置附近，由具有正的屈光力的1个透镜构成；第3透镜组，其由关于光轴旋转对称地形成的1个旋转对称透镜和关于光轴旋转非对称地形成的1个自由曲面透镜构成；以及光反射元件，其是关于光轴旋转非对称地形成的自由曲面形状，具有使透过所述第3透镜组后的光反射的反射面，所述头戴式显示器用光学系统构成为，根据由所述光偏转元件引起的来自所述光源的光的行进方向的变化，由所述反射面反射并到达假定位于使用者的视网膜上的描绘面上的光在所述描绘面上移动，在所述描绘面上描绘图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：渡边畅章，
申请(专利权)人：株式会社尼康，
类型：发明
国别省市：日本;JP