WO2026014383A1 - Optical system and image display device - Google Patents
Optical system and image display deviceInfo
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Abstract
Description
本開示は、光学系、及び画像表示装置に関する。 This disclosure relates to an optical system and an image display device.
特許文献1は、画像光を観察者の瞳に導く画像表示装置を開示する。この画像表示装置は、画像光を出射する画像光形成部と、第1の回折部及び第2の回折部を含む回折光学系と、第2の回折部よりも画像光形成部側に配置され、第2の回折部で生じる色収差を補正するように、画像光を第2の回折部へとリレーするリレー光学系とを備える。画像光形成部は、光源からのレーザ光を2次元的に走査する走査ミラーと、第2の回折部で生じる非点収差を補正する補正レンズとを備える。補正レンズは、光源と走査ミラーとの間の位置に配置されている。 Patent Document 1 discloses an image display device that directs image light to the observer's pupil. This image display device includes an image light formation unit that emits image light, a diffractive optical system including a first diffractive unit and a second diffractive unit, and a relay optical system that is positioned closer to the image light formation unit than the second diffractive unit and relays the image light to the second diffractive unit so as to correct chromatic aberration that occurs in the second diffractive unit. The image light formation unit includes a scanning mirror that two-dimensionally scans laser light from a light source, and a correction lens that corrects astigmatism that occurs in the second diffractive unit. The correction lens is positioned between the light source and the scanning mirror.
特許文献2は、ユーザの網膜に画像を投影する画像投影装置を開示する。この画像投影装置は、レーザ光を出射する光源と、入力された画像データに基づいて画像光線を生成して、光源からの画像光線の出射を制御する制御部と、光源から出射された画像光線を走査して走査光とする走査部と、第1及び第2光収束部とを備える。第1光収束部は、ユーザの眼の前方に配置され、走査光をユーザの眼の瞳孔近傍の第1収束点で収束させた後に網膜に照射して網膜に画像を投影する。第2光収束部は、走査部で走査された走査光を第1光収束部の手前の第2収束点で収束させた後に第1光収束部に照射する。 Patent Document 2 discloses an image projection device that projects an image onto a user's retina. This image projection device includes a light source that emits laser light, a control unit that generates image light based on input image data and controls the emission of the image light from the light source, a scanning unit that scans the image light emitted from the light source to generate scanned light, and first and second optical converging units. The first optical converging unit is positioned in front of the user's eye and converges the scanned light at a first convergence point near the pupil of the user's eye, before irradiating it onto the retina and projecting an image onto the retina. The second optical converging unit converges the scanned light scanned by the scanning unit at a second convergence point in front of the first optical converging unit, before irradiating it onto the first optical converging unit.
本開示は、光を走査して得られる画像における収差を抑制し易くすることができる光学系及び画像表示装置を提供する。 This disclosure provides an optical system and an image display device that can easily suppress aberrations in images obtained by scanning light.
本開示の一態様における光学系は、光源から入射する光を第1方向に走査する第1走査部と、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、第2走査部によって走査された光を集光する集光光学系と、集光光学系と第1走査部との間に配置され、集光光学系で生じる像面湾曲を補正するように、光源から第1走査部を介して入射する光を、集光光学系に向けて出射する収差補正部とを備える。 In one aspect of the present disclosure, the optical system includes a first scanning unit that scans light incident from a light source in a first direction; a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction intersecting the first direction; a focusing optical system that focuses the light scanned by the second scanning unit; and an aberration correction unit that is disposed between the focusing optical system and the first scanning unit and emits light incident from the light source via the first scanning unit toward the focusing optical system so as to correct field curvature that occurs in the focusing optical system.
本開示の別の態様における光学系は、光源から入射する光を走査する走査光学系と、走査光学系によって走査された光を集光する集光光学系とを備える。走査光学系は、光源から入射する光を、第1方向に走査する第1走査部と、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、集光光学系で生じる収差に応じた補正収差を、走査光学系を通過する光に付加する収差補正部とを含む。 An optical system according to another aspect of the present disclosure includes a scanning optical system that scans light incident from a light source, and a focusing optical system that focuses the light scanned by the scanning optical system. The scanning optical system includes a first scanning unit that scans the light incident from the light source in a first direction, a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction, and an aberration correction unit that adds a correction aberration corresponding to the aberration generated in the focusing optical system to the light passing through the scanning optical system.
本開示において、画像表示装置は、上記の光学系と、上記光学系に、画像を示す光を供給する光源とを備える。 In the present disclosure, the image display device includes the above-described optical system and a light source that supplies light that displays an image to the above-described optical system.
本開示の別の態様における光学系は、光源から入射する光を走査して、後続の光学系に出射する。当該光学系は、光源から入射する光を、第1方向に走査する第1走査部と、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、後続の光学系で生じる収差に応じた補正収差を、光学系を通過する光に付加する収差補正部とを備える。 An optical system in another aspect of the present disclosure scans light incident from a light source and outputs it to a subsequent optical system. The optical system includes a first scanning unit that scans the light incident from the light source in a first direction, a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction, and an aberration correction unit that adds a correction aberration corresponding to the aberration generated in the subsequent optical system to the light passing through the optical system.
本開示における光学系及び画像表示装置によると、光を走査して得られる画像における収差を抑制し易くすることができる。 The optical system and image display device disclosed herein make it easier to suppress aberrations in images obtained by scanning light.
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、或いは実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。 The following describes embodiments in detail, with reference to the drawings as appropriate. However, more detailed explanations than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of matters that are already well known, or duplicate explanations of substantially identical configurations, may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy in the following explanation and to make it easier for those skilled in the art to understand.
なお、発明者(ら)は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 The inventor(s) provide the accompanying drawings and the following description to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and do not intend for them to limit the subject matter described in the claims.
(実施形態1)
以下、本開示に係る光学系の一例である投射光学系及び走査光学系、並びにこれらを用いたヘッドマウントディスプレイの実施形態1を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a projection optical system and a scanning optical system, which are examples of optical systems according to the present disclosure, and a head-mounted display using these optical systems will be described according to a first embodiment.
1.ヘッドマウントディスプレイについて
実施形態1に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)について、図1を用いて説明する。
1. Head Mounted Display A head mounted display (HMD) according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
図1は、本開示の実施形態1に係るHMD1の構成を示す図である。HMD1は、使用者5の頭部に装着して使用者5に投射画像15を視認させる画像表示装置の一例である。本実施形態のHMD1は、各種の拡張現実(AR)又は仮想現実(VR)といった用途に適用可能である。以下、HMD1の使用者5が視る投射画像15における水平方向をH方向とし、垂直方向をV方向とし、投射画像15の中心位置に対応する走査光L10の光線方向をZ方向とする。又、走査光L10の出射側を+Z側といい、入射側を-Z側という場合がある。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an HMD 1 according to a first embodiment of the present disclosure. The HMD 1 is an example of an image display device worn on the head of a user 5, allowing the user 5 to view a projected image 15. The HMD 1 of this embodiment is applicable to various uses, such as augmented reality (AR) or virtual reality (VR). Hereinafter, the horizontal direction of the projected image 15 viewed by a user 5 of the HMD 1 will be referred to as the H direction, the vertical direction as the V direction, and the ray direction of the scanning light L10 corresponding to the center position of the projected image 15 as the Z direction. Furthermore, the exit side of the scanning light L10 may be referred to as the +Z side, and the incident side as the -Z side.
本実施形態におけるHMD1は、例えば図1に示すように、投射光学系11と、光源12と、制御回路13と、使用者5の頭部に着脱自在の装着部材10とを備える。本実施形態のHMD1は、マクスウェル視の原理により、HMD1を装着した使用者5の瞳孔の中心近傍と想定される位置Po(以下「瞳位置Po」という)に、投射画像15を形成する走査光L10を収束させてから、使用者5の網膜に投射画像15を描画する。こうしたHMD1によると、使用者5の眼にとってフォーカスフリーであり、例えばロービジョンの用途に適用可能である。 As shown in FIG. 1, the HMD 1 of this embodiment comprises a projection optical system 11, a light source 12, a control circuit 13, and a mounting member 10 that can be attached and detached to the head of the user 5. The HMD 1 of this embodiment uses Maxwell's principle of vision to converge scanning light L10 that forms a projection image 15 at a position Po (hereinafter referred to as "pupil position Po") that is assumed to be near the center of the pupil of the user 5 wearing the HMD 1, and then renders the projection image 15 on the retina of the user 5. This HMD 1 is focus-free for the eyes of the user 5, making it applicable to low vision applications, for example.
本実施形態のHMD1は、例えば図1に示すように、眼鏡型で構成される。例えば、HMD1の装着部材10は、眼鏡フレームのような形状を有し、上記各部11~13が収容される筐体を構成する。こうしたHMD1においては、上記のような装着部材10における限られたスペースに組み込む観点より、投射光学系11の光路を屈曲させてコンパクトに構成することが有用である。一方で、このような屈曲した光路の光学的構成は、例えば屈曲の方向に非点収差又は像面湾曲といった収差を生じることが考えられる。 The HMD 1 of this embodiment is configured in the form of glasses, as shown in FIG. 1, for example. For example, the wearing member 10 of the HMD 1 has a shape similar to that of a glasses frame, and constitutes a housing that houses the above-mentioned sections 11 to 13. With this type of HMD 1, it is useful to configure the projection optical system 11 in a compact manner by bending the optical path of the projection optical system 11, in order to incorporate it into the limited space in the wearing member 10. However, an optical configuration with such a bent optical path may potentially produce aberrations, such as astigmatism or field curvature, in the direction of the bend.
そこで、本実施形態のHMD1は、こうした装置構成において収差の補正を容易化した投射光学系11を採用する(詳細は後述)。投射光学系11は、光源12からの画像光L1を走査光L10として、HMD1の使用者5の網膜に投射する光学系である。 The HMD 1 of this embodiment therefore employs a projection optical system 11 that facilitates aberration correction in this device configuration (details will be described later). The projection optical system 11 is an optical system that projects image light L1 from a light source 12 as scanning light L10 onto the retina of a user 5 of the HMD 1.
光源12は、例えばレーザ光源である。光源12は、例えばRGBの三色における各色のレーザ光源を含む。光源12は、単色の光源であってもよい。光源12は、例えば制御回路13の制御により、投射画像15を画素毎に時分割で示す画像光L1を生成して、投射光学系11に供給する。光源12は、例えば投射光学系11に画像光L1を入射させるための位置に配置される。或いは、光源12と投射光学系11との間に、画像光L1を供給するための光ファイバ等が設けられてもよい。 The light source 12 is, for example, a laser light source. The light source 12 includes, for example, laser light sources for each of the three colors RGB. The light source 12 may also be a monochromatic light source. The light source 12 generates image light L1 that represents the projection image 15 for each pixel in a time-division manner under the control of, for example, the control circuit 13, and supplies this image light L1 to the projection optical system 11. The light source 12 is, for example, disposed at a position for making the image light L1 incident on the projection optical system 11. Alternatively, an optical fiber or the like for supplying the image light L1 may be provided between the light source 12 and the projection optical system 11.
制御回路13は、例えば外部から入力される映像信号に基づいて、HMD1の全体動作を制御する各種の回路を含む。例えば、制御回路13は、映像信号が示す投射画像15の画像光L1を生成するように光源12の発光を制御する光源駆動回路、並びに投射光学系11における水平走査及び垂直走査をそれぞれ同期制御する水平走査回路及び垂直走査回路を含む。 The control circuit 13 includes various circuits that control the overall operation of the HMD 1, for example, based on an externally input video signal. For example, the control circuit 13 includes a light source drive circuit that controls the light emission of the light source 12 to generate image light L1 of the projection image 15 indicated by the video signal, as well as a horizontal scanning circuit and a vertical scanning circuit that synchronously control the horizontal scanning and vertical scanning, respectively, of the projection optical system 11.
2.投射光学系
本実施形態における投射光学系11の詳細について、以下説明する。本実施形態では、HMD1の投射画像15における非点収差を補正する投射光学系11の構成例を説明する。
2. Projection Optical System The projection optical system 11 in this embodiment will be described in detail below. In this embodiment, an example of the configuration of the projection optical system 11 that corrects astigmatism in the projected image 15 of the HMD 1 will be described.
図2は、実施形態1における投射光学系11の構成を例示する。本実施形態の投射光学系11は、例えば図2に示すように、走査光学系2と、集光光学系3とを備える。走査光学系2は、光源12からの画像光L1を二次元的に走査して、走査光L10を生成する光学系である。集光光学系3は、例えばHMD1(図1)を装着した使用者5の瞳位置Poに、走査光学系2から入射する走査光L10を集光する光学系である。 FIG. 2 illustrates the configuration of the projection optical system 11 in embodiment 1. As shown in FIG. 2, the projection optical system 11 in this embodiment includes a scanning optical system 2 and a focusing optical system 3. The scanning optical system 2 is an optical system that two-dimensionally scans image light L1 from a light source 12 to generate scanning light L10. The focusing optical system 3 is an optical system that focuses the scanning light L10 incident from the scanning optical system 2 at the pupil position Po of a user 5 wearing, for example, an HMD 1 (FIG. 1).
本実施形態の走査光学系2は、例えば図2に示すように、画像光L1の入射側から走査光L10の出射側へ順番に配置された、水平走査部21と、リレー光学系20と、垂直走査部22とを備える。各走査部21,22は、それぞれ1軸回転が可能な回転軸及び反射面を有するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーで構成される。本実施形態の投射光学系11は、走査光学系2に1軸走査の走査部21,22を2つ用いることにより、各々の走査範囲ひいては投射画像15(図1)の視野角を広く確保し易い。 As shown in FIG. 2, the scanning optical system 2 of this embodiment includes a horizontal scanning unit 21, a relay optical system 20, and a vertical scanning unit 22, arranged in this order from the incident side of the image light L1 to the exit side of the scanning light L10. Each scanning unit 21, 22 is composed of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror that has a rotation axis that can rotate around one axis and a reflective surface. By using two uniaxial scanning units 21, 22 in the scanning optical system 2, the projection optical system 11 of this embodiment makes it easy to ensure a wide scanning range for each unit, and therefore a wide viewing angle for the projected image 15 (FIG. 1).
水平走査部21は、例えば光源12から走査光学系2に供給された画像光L1が投射光学系11に入射する位置に配置される。水平走査部21は、例えば回転軸の回転方向を投射画像15の水平方向(H方向)に対応付けて配置される。 The horizontal scanning unit 21 is disposed, for example, at a position where the image light L1 supplied from the light source 12 to the scanning optical system 2 enters the projection optical system 11. The horizontal scanning unit 21 is disposed, for example, so that the rotation direction of the rotation axis corresponds to the horizontal direction (H direction) of the projection image 15.
水平走査部21は、こうした回転軸の回転により、入射する画像光L1を水平方向に走査して、このような一次元の走査結果を示す一次走査光L11を生成する。水平走査部21は、本実施形態における第1走査部の一例である。水平走査部21の回転方向における走査範囲は、投射画像15の水平視野角に対応する。 By rotating this rotation axis, the horizontal scanning unit 21 scans the incident image light L1 in the horizontal direction, generating primary scanning light L11 that represents the results of this one-dimensional scanning. The horizontal scanning unit 21 is an example of a first scanning unit in this embodiment. The scanning range in the rotation direction of the horizontal scanning unit 21 corresponds to the horizontal viewing angle of the projected image 15.
リレー光学系20は、水平走査部21の走査範囲にわたり種々の光線方向を有する一次走査光L11を、水平走査部21から垂直走査部22に導光するように、水平走査部21と垂直走査部22との間に設けられる光学系である。リレー光学系20は、例えばミラー素子、プリズム素子、又はレンズ素子など種々の光学素子を含んでもよい。 The relay optical system 20 is an optical system provided between the horizontal scanning unit 21 and the vertical scanning unit 22 so as to guide the primary scanning light L11, which has various light ray directions across the scanning range of the horizontal scanning unit 21, from the horizontal scanning unit 21 to the vertical scanning unit 22. The relay optical system 20 may include various optical elements, such as mirror elements, prism elements, or lens elements.
本実施形態のリレー光学系20は、集光光学系3による収差を相殺するための補正収差を持たせるように構成される(詳細は後述)。リレー光学系20は、本実施形態における収差補正部の一例である。 The relay optical system 20 of this embodiment is configured to have a correction aberration to offset the aberration caused by the focusing optical system 3 (details will be described later). The relay optical system 20 is an example of an aberration correction unit in this embodiment.
垂直走査部22は、例えば、水平走査部21の走査範囲にわたる各種光線方向においてリレー光学系20により導光された一次走査光L11が、集光する位置近傍に配置される。垂直走査部22は、例えば回転軸の回転方向を投射画像15の垂直方向(V方向)に対応付けて配置される。 The vertical scanning unit 22 is disposed, for example, near the position where the primary scanning light L11 guided by the relay optical system 20 is focused in various light beam directions across the scanning range of the horizontal scanning unit 21. The vertical scanning unit 22 is disposed, for example, so that the rotation direction of the rotation axis corresponds to the vertical direction (V direction) of the projected image 15.
垂直走査部22は、こうした回転軸の回転により、入射する一次走査光L11を更に垂直方向に走査して、二次元の走査結果を示す走査光L10を生成する。垂直走査部22は、本実施形態における第2走査部の一例である。垂直走査部22の回転方向における走査範囲は、投射画像15の垂直視野角に対応する。 By rotating the rotation axis, the vertical scanning unit 22 further scans the incident primary scanning light L11 in the vertical direction, generating scanning light L10 that indicates the two-dimensional scanning result. The vertical scanning unit 22 is an example of a second scanning unit in this embodiment. The scanning range in the rotation direction of the vertical scanning unit 22 corresponds to the vertical viewing angle of the projected image 15.
本実施形態の投射光学系11において、集光光学系3は、例えば図2に示すように、走査光学系2からの走査光L10の入射側から出射側へ順番に配置された、レンズ素子31と、プリズム素子32と、ホログラフィック光学素子(HOE)33とを備える。 In the projection optical system 11 of this embodiment, the focusing optical system 3 includes a lens element 31, a prism element 32, and a holographic optical element (HOE) 33, arranged in this order from the incident side to the exit side of the scanning light L10 from the scanning optical system 2, as shown in FIG. 2, for example.
本実施形態の集光光学系3において、レンズ素子31は、例えば球面レンズであり、例えば正のパワー(集光パワー)を有する。レンズ素子31は、例えば集光光学系3において、走査光学系2の各走査範囲にわたる種々の光線方向の走査光L10を互いにコリメートする。なお、パワーは、対応する光学素子又は光学系の焦点距離の逆数により規定できる。 In the focusing optical system 3 of this embodiment, the lens element 31 is, for example, a spherical lens, and has, for example, positive power (focusing power). In the focusing optical system 3, the lens element 31 collimates the scanning light L10 of various light beam directions across each scanning range of the scanning optical system 2. Note that the power can be defined by the reciprocal of the focal length of the corresponding optical element or optical system.
プリズム素子32は、例えば所定角度を有するウェッジプリズムであり、例えばパワーを有さない。プリズム素子32は、例えば集光光学系3の水平方向において、所定角度に応じてレンズ素子31からの走査光L10の光路を屈曲するように走査光L10の進行方向を調整して、走査光L10をHOE33に導光する。 The prism element 32 is, for example, a wedge prism having a predetermined angle and, for example, no power. The prism element 32 adjusts the direction of travel of the scanning light L10 from the lens element 31 so as to bend the optical path of the scanning light L10 according to a predetermined angle, for example, in the horizontal direction of the focusing optical system 3, and guides the scanning light L10 to the HOE 33.
HOE33は、例えば透光性を有する透光部材に、ホログラム加工によって干渉縞を設けた光学素子である。HOE33は、こうした干渉縞において所定の波長の光を回折して、その他の光を透過する。所定の波長は、光源12が発光する光(即ち画像光L1)の波長に設定される。例えば三色光源の場合、各色分の干渉縞を設けたHOE33を利用できる。例えば、HOE33は、眼鏡型のHMD1(図1)において使用者5の眼に対向する接眼レンズ部分に、貼り付け可能なシート状に構成できる。 The HOE 33 is an optical element in which, for example, interference fringes are created by hologram processing on a light-transmitting material. The HOE 33 diffracts light of a predetermined wavelength in these interference fringes and transmits other light. The predetermined wavelength is set to the wavelength of the light emitted by the light source 12 (i.e., the image light L1). For example, in the case of a three-color light source, a HOE 33 with interference fringes for each color can be used. For example, the HOE 33 can be configured as a sheet that can be attached to the eyepiece lens portion facing the eyes of the user 5 in the eyeglass-type HMD 1 (Figure 1).
本実施形態の集光光学系3は、HOE33により、プリズム素子32からの走査光L10を回折して、走査光学系2の水平及び垂直の走査範囲にわたる走査光L10を瞳位置Poに集光する。HOE33は、例えば集光光学系3の水平方向において走査光L10の光路を屈曲するように配置される。集光光学系3においては、HOE33に代えて、又はこれに加えて、種々の回折光学素子が用いられてもよい。 In the focusing optical system 3 of this embodiment, the HOE 33 diffracts the scanning light L10 from the prism element 32, and focuses the scanning light L10 across the horizontal and vertical scanning ranges of the scanning optical system 2 at the pupil position Po. The HOE 33 is positioned so as to bend the optical path of the scanning light L10, for example, in the horizontal direction of the focusing optical system 3. In the focusing optical system 3, various diffractive optical elements may be used instead of or in addition to the HOE 33.
2.1.リレー光学系について
本実施形態の投射光学系11におけるリレー光学系20について、図3及び図4を用いて説明する。
2.1 Relay Optical System The relay optical system 20 in the projection optical system 11 of this embodiment will be described with reference to FIGS.
図3は、本実施形態の投射光学系11における走査光学系2の斜視図を例示する。本実施形態の走査光学系2において、リレー光学系20は、例えば図3に示すように、4つのミラー素子20a~20dを含む。例えば、一次走査光L11の光路に沿って入射側から出射側へ順番に、第1~第4ミラー素子20a~20dが配置される。以下では、水平走査部21による走査に沿った方向をH1方向とし、H1方向にそれぞれ直交する2方向をV1方向及びZ1方向とする。V1方向は、垂直走査部22による走査の方向に対応し、Z1方向はV1方向に直交する。 Figure 3 illustrates a perspective view of the scanning optical system 2 in the projection optical system 11 of this embodiment. In the scanning optical system 2 of this embodiment, the relay optical system 20 includes, for example, four mirror elements 20a to 20d, as shown in Figure 3. For example, the first to fourth mirror elements 20a to 20d are arranged in order from the incident side to the output side along the optical path of the primary scanning light L11. Below, the direction along the scanning by the horizontal scanning unit 21 is referred to as the H1 direction, and the two directions perpendicular to the H1 direction are referred to as the V1 direction and the Z1 direction. The V1 direction corresponds to the scanning direction by the vertical scanning unit 22, and the Z1 direction is perpendicular to the V1 direction.
本実施形態のリレー光学系20は、例えば各ミラー素子20a~20dにおいて、H1方向にパワーを有してV1方向にパワーを有さないシリンドリカル形状の反射面を採用する。H1方向は、例えば画像光L1における中心光線といった基準光線の水平方向に対応する。各ミラー素子20a~20dは、例えば長手方向をH1方向に向けて配置される。V1方向は、各ミラー素子20a~20dの幅方向である。Z1方向は、各ミラー素子20a~20dの厚み方向である。 In this embodiment, the relay optical system 20 employs, for example, a cylindrical reflecting surface in each of the mirror elements 20a to 20d that has power in the H1 direction but no power in the V1 direction. The H1 direction corresponds to the horizontal direction of a reference ray, such as the central ray in the image light L1. Each of the mirror elements 20a to 20d is arranged, for example, with its longitudinal direction facing the H1 direction. The V1 direction is the width direction of each of the mirror elements 20a to 20d. The Z1 direction is the thickness direction of each of the mirror elements 20a to 20d.
第1ミラー素子20aは、例えばリレー光学系20の+Z1側において、水平走査部21からの一次走査光L11の入射位置に配置される。第1ミラー素子20aは、例えばH1方向において凹状の反射面を有し、反射面を-Z側に向けて配置される。 The first mirror element 20a is positioned, for example, on the +Z1 side of the relay optical system 20, at the incident position of the primary scanning light L11 from the horizontal scanning unit 21. The first mirror element 20a has a reflective surface that is concave, for example, in the H1 direction, and is positioned with the reflective surface facing the -Z side.
第2ミラー素子20bは、例えばリレー光学系20の-Z1側において、第1ミラー素子20aで反射した一次走査光L11の入射位置に配置される。第2ミラー素子20bは、例えばH1方向において凸状の反射面を有し、反射面を+Z側に向けて配置される。 The second mirror element 20b is positioned, for example, on the -Z1 side of the relay optical system 20, at the incident position of the primary scanning light L11 reflected by the first mirror element 20a. The second mirror element 20b has a reflective surface that is convex in the H1 direction, for example, and is positioned with the reflective surface facing the +Z side.
第3ミラー素子20cは、例えばV方向において第1ミラー素子20aに隣接して、第2ミラー素子20bで反射した一次走査光L11の入射位置に配置される。第3ミラー素子20cは、例えば第2ミラー素子20bと同様の凸状の反射面を有し、第2ミラー素子20bとは逆向きの-Z側に向けて配置される。 The third mirror element 20c is positioned adjacent to the first mirror element 20a in the V direction, for example, at the incident position of the primary scanning light L11 reflected by the second mirror element 20b. The third mirror element 20c has a convex reflective surface similar to that of the second mirror element 20b, and is positioned facing the -Z side, opposite to that of the second mirror element 20b.
第4ミラー素子20dは、例えばV方向において第2ミラー素子20bに隣接して、第3ミラー素子20cで反射した一次走査光L11の入射位置に配置される。第4ミラー素子20dは、例えば第1ミラー素子20aと同様の凹状の反射面を有し、第1ミラー素子20aとは逆向きの+Z側に向けて配置される。 The fourth mirror element 20d is positioned adjacent to the second mirror element 20b in the V direction, for example, at the incident position of the primary scanning light L11 reflected by the third mirror element 20c. The fourth mirror element 20d has a concave reflective surface similar to that of the first mirror element 20a, for example, and is positioned facing the +Z side, opposite to the first mirror element 20a.
本実施形態のリレー光学系20は、例えば第1~第4ミラー素子20a~20dの各反射面によるパワーの合成結果として、H1方向において正のパワーを有する。図4は、リレー光学系20を、H1方向から見た側面図を示す。 The relay optical system 20 of this embodiment has positive power in the H1 direction, for example, as a result of combining the powers of the reflecting surfaces of the first to fourth mirror elements 20a to 20d. Figure 4 shows a side view of the relay optical system 20 as seen from the H1 direction.
リレー光学系20は、例えば図4に示すように、水平走査部21と垂直走査部22との間の中心点Piを基準として、第1及び第4ミラー素子20a,20dが互いに点対称で、且つ第2及び第3ミラー素子20b,20cが互いに点対称の位置関係を有する。リレー光学系20は、例えばこうした各ミラー素子20a~20dを通過して、水平走査部21の走査範囲にわたる一次走査光L11を、水平走査部21から垂直走査部22へ集光するようにすることができる。 As shown in FIG. 4, the relay optical system 20 has a positional relationship in which the first and fourth mirror elements 20a, 20d are point-symmetrical with respect to each other, and the second and third mirror elements 20b, 20c are point-symmetrical with respect to each other, with respect to the center point Pi between the horizontal scanning unit 21 and the vertical scanning unit 22. The relay optical system 20 can, for example, focus the primary scanning light L11 that passes through each of these mirror elements 20a-20d and covers the scanning range of the horizontal scanning unit 21 from the horizontal scanning unit 21 to the vertical scanning unit 22.
又、リレー光学系20は、例えば図4に示すように、第1及び第3ミラー素子20a,20cが配置される支持台23aと、第2及び第4ミラー素子20b,20dが配置される支持台23bとを備える。本実施形態のリレー光学系20では、通過する一次走査光L11に補正収差を持たせる観点から、こうした2つの支持台23a,23b間の間隔Diが設定される。 Furthermore, as shown in FIG. 4, the relay optical system 20 includes a support base 23a on which the first and third mirror elements 20a and 20c are arranged, and a support base 23b on which the second and fourth mirror elements 20b and 20d are arranged. In the relay optical system 20 of this embodiment, the distance Di between these two support bases 23a and 23b is set from the perspective of providing the passing primary scanning light L11 with corrective aberration.
例えば、投射光学系11の製造時に、リレー光学系20の中心点Piの位置を維持しながら2つの支持台23a,23b間の間隔Diを変更できる。すると、第1及び第2ミラー素子20a,20b間の間隔、第2及び第3ミラー素子20b,20c間の間隔、及び第3及び第4ミラー素子20c,20d間の間隔が同時に変更される。これにより、本実施形態のリレー光学系20は、H1方向におけるパワー或いは合成焦点距離を簡単に調整することができる。 For example, when manufacturing the projection optical system 11, the distance Di between the two support bases 23a, 23b can be changed while maintaining the position of the center point Pi of the relay optical system 20. This simultaneously changes the distance between the first and second mirror elements 20a, 20b, the distance between the second and third mirror elements 20b, 20c, and the distance between the third and fourth mirror elements 20c, 20d. This allows the power or composite focal length of the relay optical system 20 of this embodiment to be easily adjusted in the H1 direction.
こうして、本実施形態のリレー光学系20は、例えば垂直走査部22による反射後の走査光L10の光線が水平方向において集光する集光点を、垂直方向の集光点からずらすような非点収差を、補正収差として持たせることができる。本実施形態のリレー光学系20において、こうした補正収差のための間隔Diは、例えば集光光学系3が有する非点収差を予め測定しておき、集光光学系3の非点収差を相殺するように設定することができる。 In this way, the relay optical system 20 of this embodiment can have astigmatism as a corrective aberration, for example, such that the focal point at which the rays of the scanning light L10 after reflection by the vertical scanning unit 22 are focused in the horizontal direction is shifted from the focal point in the vertical direction. In the relay optical system 20 of this embodiment, the distance Di for such a corrective aberration can be set, for example, by measuring the astigmatism of the focusing optical system 3 in advance and setting it so as to cancel out the astigmatism of the focusing optical system 3.
本実施形態の投射光学系11において、リレー光学系20は、上記の構成例に限らない。例えば、本実施形態のリレー光学系20は、4つのミラー素子20a~20dに限らず、3つ以下又は5つ以上のミラー素子20a~20dであってもよい。又、リレー光学系20は、レンズ素子またはプリズム素子などを含んでもよい。又、リレー光学系20は、V1方向においてパワーを有してもよい。 In the projection optical system 11 of this embodiment, the relay optical system 20 is not limited to the above configuration example. For example, the relay optical system 20 of this embodiment is not limited to four mirror elements 20a-20d, but may be three or fewer, or five or more, mirror elements 20a-20d. The relay optical system 20 may also include lens elements or prism elements. The relay optical system 20 may also have power in the V1 direction.
2.2.収差補正について
本実施形態の投射光学系11における収差の補正について、図5を用いて説明する。
2.2. Aberration Correction The correction of aberrations in the projection optical system 11 of this embodiment will be described with reference to FIG.
図5(A)は、非点収差を有する集光光学系3のMTF(Modulation Transfer Function)スルーフォーカスを示すグラフである。図5(B)は、本実施形態における投射光学系11のMTFスルーフォーカスを示すグラフである。図5(A),(B)のグラフにおいて、縦軸はMTFを0~1の値で示し、横軸は視度をディオプター単位で示す。視度は、デフォーカス位置に対応する。 Figure 5(A) is a graph showing the MTF (Modulation Transfer Function) through focus of the focusing optical system 3 having astigmatism. Figure 5(B) is a graph showing the MTF through focus of the projection optical system 11 in this embodiment. In the graphs of Figures 5(A) and (B), the vertical axis shows the MTF as a value between 0 and 1, and the horizontal axis shows the diopter in diopters. The diopter corresponds to the defocus position.
図5(A),(B)では、本実施形態の投射光学系11における補正前後の収差を比較する観点から、各種のMTFスループットを、数値シミュレーションにより計測した。この際、MTF計測のための投射画像15には、H方向に所定周期の縞模様(「Hパターン」という)と、V方向に所定周期の縞模様(「Vパターン」という)とを用いた。各パターンの所定周期は、3cycle/deg.であり、すなわち投射画像15の画角1度あたり3周期に設定した。 In Figures 5(A) and (B), various MTF throughputs were measured by numerical simulation to compare aberrations before and after correction in the projection optical system 11 of this embodiment. In this case, a stripe pattern with a predetermined period in the H direction (referred to as an "H pattern") and a stripe pattern with a predetermined period in the V direction (referred to as a "V pattern") were used for the projection image 15 used for MTF measurement. The predetermined period for each pattern was 3 cycles/deg., meaning that there were three periods per degree of the angle of view of the projection image 15.
本シミュレーションにおいて、投射画像15における中心位置近傍と、H方向の両端即ち±H側の端部のうちの+H側の端部近傍と、-H側の端部近傍と、V方向の両端即ち±V側の端部のうちの+V側の端部近傍とについて、それぞれHパターン及びVパターンにおけるMTFを種々の視度でそれぞれ計測した。こうして、図5(A),(B)に示すように、各々のMTF曲線が得られた。こうした数値シミュレーションには、光学設計ソフトウェアCODE Vを用いた。又、光源12が各パターンの投射画像15を発光する波長は587.6nmであった。 In this simulation, the MTF for the H pattern and V pattern were measured at various diopters near the center of the projected image 15, at both ends in the H direction (i.e., near the +H end of the ±H ends), near the -H end, and at both ends in the V direction (i.e., near the +V end of the ±V ends). In this way, the MTF curves shown in Figures 5(A) and 5(B) were obtained. The optical design software CODE V was used for these numerical simulations. The wavelength at which the light source 12 emitted the projected image 15 for each pattern was 587.6 nm.
図5(A)では、集光光学系3が有する収差を確認する観点から、本実施形態の走査光学系2の代わりに、無収差の画像光L1を二次元走査した走査光を、集光光学系3に入射させた場合におけるMTFスルーフォーカスを示す。図5(A)の例では、Hパターンの各MTF曲線のピーク位置と、Vパターンの各MTF曲線のピーク位置とが、互いに乖離している。このことから、集光光学系3にH方向とV方向との間で非点収差が生じていることが分かる。 In order to confirm the aberrations of the focusing optical system 3, Figure 5(A) shows the MTF through focus when scanning light obtained by two-dimensionally scanning aberration-free image light L1 is incident on the focusing optical system 3 instead of the scanning optical system 2 of this embodiment. In the example of Figure 5(A), the peak positions of the MTF curves of the H pattern and the V pattern are separated from each other. This shows that astigmatism occurs in the focusing optical system 3 between the H and V directions.
そこで、本実施形態の投射光学系11では、こうした集光光学系3の非点収差を相殺するための補正収差をリレー光学系20に設定した走査光学系2を用いた。具体的に、H,V方向それぞれについて、垂直走査部22から、垂直走査部22を通過した走査光L10の集光点までの距離d1,d2が、次式を満たすように、リレー光学系20を設定した。
1/d1=-0.0024mm-1
1/d2= 0.0000mm-1
Therefore, the projection optical system 11 of this embodiment uses the scanning optical system 2 in which a correction aberration is set in the relay optical system 20 to offset the astigmatism of the focusing optical system 3. Specifically, the relay optical system 20 is set so that the distances d1 and d2 from the vertical scanning unit 22 to the focusing point of the scanning light L10 that has passed through the vertical scanning unit 22 in the H and V directions, respectively, satisfy the following equations:
1/d1=-0.0024mm -1
1/d2= 0.0000mm -1
上式において、距離d1,d2の正負は、走査光L10の進行方向を正としている。つまり、負値の距離d1は、垂直走査部22に到る前の一次走査光L11が集光する状態を示す。上式のような設定は、例えば上述した構成のリレー光学系20における間隔Diを調整して、H1方向に正のパワーを適切な大きさだけ持たせ、V1方向のパワーはゼロに維持することで実現できる。 In the above equation, the positive and negative values of the distances d1 and d2 indicate that the direction of travel of the scanning light L10 is positive. In other words, a negative distance d1 indicates the state in which the primary scanning light L11 is focused before reaching the vertical scanning unit 22. The setting in the above equation can be achieved, for example, by adjusting the spacing Di in the relay optical system 20 configured as described above to provide an appropriate amount of positive power in the H1 direction and maintaining zero power in the V1 direction.
図5(B)に、こうした本実施形態における投射光学系11の非点収差を示すMTFスルーフォーカスの計測結果を示す。図5(B)によると、Hパターンの各MTF曲線のピーク位置と、Vパターンの各MTF曲線のピーク位置とは、図5(A)の例のように乖離せず、おおよそ0ディオプター付近で重なっている。つまり、図5(A)の例の非点収差が解消されている。こうして、本実施形態の投射光学系11によると、走査光学系2において補正収差を持たせたリレー光学系20により、集光光学系3の非点収差を補正できることが確認できた。 Figure 5(B) shows the results of MTF through-focus measurements, which indicate the astigmatism of the projection optical system 11 of this embodiment. As can be seen from Figure 5(B), the peak positions of the MTF curves for the H pattern and the V pattern do not diverge as in the example of Figure 5(A), but rather overlap at approximately 0 diopters. In other words, the astigmatism in the example of Figure 5(A) has been eliminated. Thus, it has been confirmed that the projection optical system 11 of this embodiment can correct the astigmatism of the focusing optical system 3 by using the relay optical system 20, which has corrective aberrations in the scanning optical system 2.
3.まとめ
以上のように、本実施形態における光学系の一例の投射光学系11は、光源12から入射する光を走査する走査光学系2と、走査光学系2によって走査された光を集光する集光光学系3とを備える。走査光学系2は、第1走査部の一例の水平走査部21と、第2走査部の一例の垂直走査部22と、収差補正部の一例のリレー光学系20とを含む。水平走査部21は、光源12から入射する光を、第1方向の一例の水平方向に走査する。垂直走査部22は、水平走査部21によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向の一例の垂直方向に走査する。収差補正部としてのリレー光学系20は、集光光学系3で生じる収差に応じた補正収差を、走査光学系2を通過する光に付加する。
3. Summary As described above, the projection optical system 11, which is an example of an optical system in this embodiment, includes the scanning optical system 2 that scans light incident from the light source 12 and the focusing optical system 3 that focuses the light scanned by the scanning optical system 2. The scanning optical system 2 includes the horizontal scanning unit 21, which is an example of a first scanning unit, the vertical scanning unit 22, which is an example of a second scanning unit, and the relay optical system 20, which is an example of an aberration correction unit. The horizontal scanning unit 21 scans the light incident from the light source 12 in the horizontal direction, which is an example of a first direction. The vertical scanning unit 22 scans the light scanned by the horizontal scanning unit 21 in the vertical direction, which is an example of a second direction intersecting the first direction. The relay optical system 20, which serves as an aberration correction unit, adds a correction aberration corresponding to the aberration generated in the focusing optical system 3 to the light passing through the scanning optical system 2.
以上の投射光学系11によると、集光光学系3において生じる収差を、走査光学系2における収差補正部で補正でき、光を走査してから集光して得られる画像における収差を抑制し易くすることができる。補正収差は、集光光学系3によって集光された光の収差を抑制する観点から、集光光学系3によって集光された光の収差の少なくとも一部を相殺するように設定できる。 With the above-described projection optical system 11, aberrations occurring in the focusing optical system 3 can be corrected by the aberration correction section in the scanning optical system 2, making it easier to suppress aberrations in the image obtained by scanning and then focusing light. From the perspective of suppressing aberrations in the light focused by the focusing optical system 3, the corrected aberrations can be set to offset at least a portion of the aberrations in the light focused by the focusing optical system 3.
本実施形態の投射光学系11において、収差補正部は、水平走査部21と垂直走査部22との間に配置され、水平走査部21によって走査された光を垂直走査部22に導光するリレー光学系20で構成される。これにより、本実施形態の投射光学系11は、2つの走査部21,22の間で用いられるリレー光学系20を活用して集光光学系3の収差補正を行え、収差補正のための部品点数の増加を抑制できる。この点からも、本実施形態の投射光学系11は、収差補正を行い易くすることができる。 In the projection optical system 11 of this embodiment, the aberration correction unit is configured with a relay optical system 20 that is disposed between the horizontal scanning unit 21 and the vertical scanning unit 22 and guides the light scanned by the horizontal scanning unit 21 to the vertical scanning unit 22. As a result, the projection optical system 11 of this embodiment can perform aberration correction in the focusing optical system 3 by utilizing the relay optical system 20 used between the two scanning units 21, 22, and can suppress an increase in the number of parts required for aberration correction. From this perspective, the projection optical system 11 of this embodiment also makes it easier to perform aberration correction.
本実施形態の投射光学系11において、補正収差は、例えば非点収差の正負において、集光光学系3で生じる非点収差とは逆向きの非点収差を含む。これにより、本実施形態の投射光学系11は、集光光学系3で生じる非点収差を補正する方向の非点収差を補正収差に含めて、集光光学系3で生じる非点収差を補正することができる。 In the projection optical system 11 of this embodiment, the corrected aberration includes astigmatism in the opposite direction to the astigmatism generated in the focusing optical system 3, for example, in terms of positive and negative astigmatism. As a result, the projection optical system 11 of this embodiment can correct the astigmatism generated in the focusing optical system 3 by including astigmatism in the corrected aberration in the direction that corrects the astigmatism generated in the focusing optical system 3.
本実施形態の投射光学系11において、収差補正部としてのリレー光学系20は、補正収差における逆向きの非点収差に応じて、水平方向におけるパワーと垂直方向におけるパワーとを異ならせた光学素子の一例のミラー素子20a~20dを含む。こうした収差補正部によると、走査光学系2から出射する光束について、垂直走査部22から出射する光束の集光点と垂直走査部22との間の距離を、水平方向と垂直方向とで異ならせることができる。こうして、本実施形態の投射光学系11は、集光光学系3の非点収差を補正することができる。水平又は垂直方向の集光点は、対応する方向において、上記光束が略収束する位置であってもよいし、光束のスポット径が最も小さくなる位置すなわち焦点であってもよい。本実施形態の収差補正部は、上記二方向のうちの一方向の集光点が無いようにすることで二方向のパワーを異ならせてもよい。 In the projection optical system 11 of this embodiment, the relay optical system 20 serving as an aberration correction unit includes mirror elements 20a-20d, which are an example of optical elements with different powers in the horizontal and vertical directions in accordance with the opposite astigmatism in the corrected aberration. This aberration correction unit allows the distance between the vertical scanning unit 22 and the focal point of the light beam emitted from the scanning optical system 2 to be different in the horizontal and vertical directions. In this way, the projection optical system 11 of this embodiment can correct the astigmatism of the focusing optical system 3. The focal point in the horizontal or vertical direction may be a position where the light beam approximately converges in the corresponding direction, or may be a position where the spot diameter of the light beam is smallest, i.e., a focal point. The aberration correction unit of this embodiment may also cause the power in the two directions to be different by eliminating a focal point in one of the two directions.
本実施形態の投射光学系11において、集光光学系3は、走査光学系2から入射する光の光路を屈曲させる光学素子の一例としてプリズム素子32及びHOE33を含む。集光光学系3の光路、例えば水平方向において屈曲する。本実施形態の投射光学系11は、こうした屈曲から集光光学系3で生じる収差を、走査光学系2において補正でき、収差補正の容易化ひいてはHMD1の設計自由度を向上することができる。 In the projection optical system 11 of this embodiment, the focusing optical system 3 includes a prism element 32 and a HOE 33 as examples of optical elements that bend the optical path of light incident from the scanning optical system 2. The optical path of the focusing optical system 3 is bent, for example, in the horizontal direction. The projection optical system 11 of this embodiment can correct aberrations that occur in the focusing optical system 3 due to this bending in the scanning optical system 2, making aberration correction easier and thereby improving the design freedom of the HMD 1.
本実施形態において、画像表示装置の一例のHMD1は、投射光学系11と、光源12とを備える。光源12は、画像を示す光の一例として投射画像15を示す画像光L1を投射光学系11に供給する。本実施形態のHMD1は、投射光学系11の構成により、光を走査して得られる投射画像15といった画像における収差を抑制し易くすることができる。 In this embodiment, HMD1, an example of an image display device, includes a projection optical system 11 and a light source 12. Light source 12 supplies image light L1, which represents a projection image 15 as an example of light representing an image, to projection optical system 11. The configuration of projection optical system 11 in HMD1 of this embodiment makes it easier to suppress aberrations in images such as projection image 15 obtained by scanning light.
本実施形態において、光学系の一例の走査光学系2は、光源12から入射する光を、第1方向に走査する水平走査部21と、水平走査部21よって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する垂直走査部22と、所定の補正収差を、走査光学系2を通過する光に付加する収差補正部とを備える。こうした走査光学系2によっても、光を走査して得られる投射画像15といった画像における収差を抑制し易くすることができる。走査光学系2において、補正収差は、走査光学系2によって走査された光が入射する、集光光学系3といった後続の光学系によって生じる収差を相殺するように設定されてもよい。走査光学系2の後続の光学系は、集光光学系3に限らず、収差が生じる種々の光学系であってもよい。 In this embodiment, the scanning optical system 2, which is an example of an optical system, includes a horizontal scanning unit 21 that scans light incident from the light source 12 in a first direction, a vertical scanning unit 22 that scans the light scanned by the horizontal scanning unit 21 in a second direction intersecting the first direction, and an aberration correction unit that adds a predetermined correction aberration to light passing through the scanning optical system 2. This scanning optical system 2 also makes it easier to suppress aberrations in images such as the projected image 15 obtained by scanning light. In the scanning optical system 2, the correction aberration may be set to cancel out aberrations caused by a subsequent optical system, such as the focusing optical system 3, onto which the light scanned by the scanning optical system 2 is incident. The subsequent optical system of the scanning optical system 2 is not limited to the focusing optical system 3, and may be any optical system that generates aberrations.
(実施形態2)
以下、本開示の実施形態2について、図6~図9を用いて説明する。実施形態1では、投射光学系11において集光光学系3の非点収差を補正するHMD1を説明した。実施形態2では、像面湾曲を補正するHMD1について説明する。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present disclosure will be described below with reference to Figures 6 to 9. In the first embodiment, an HMD 1 that corrects astigmatism of the focusing optical system 3 in the projection optical system 11 has been described. In the second embodiment, an HMD 1 that corrects field curvature will be described.
以下、実施形態1に係る投射光学系11及びHMD1と同様の構成、動作の説明は適宜省略して、本実施形態に係る投射光学系11A及びHMD1を説明する。 The following describes the projection optical system 11A and HMD 1 according to this embodiment, omitting descriptions of configurations and operations similar to those of the projection optical system 11 and HMD 1 according to embodiment 1 where appropriate.
1.投射光学系について
図6は、実施形態2における投射光学系11Aの構成を例示する。本実施形態のHMD1は、例えば実施形態1(図1)と同様の構成において、図2の投射光学系11の代わりに、図6に例示するような投射光学系11Aを備える。
6 illustrates an example of the configuration of a projection optical system 11A in embodiment 2. The HMD 1 of this embodiment has a configuration similar to that of embodiment 1 (FIG. 1), for example, but includes a projection optical system 11A as illustrated in FIG. 6 instead of the projection optical system 11 in FIG. 2.
実施形態1の投射光学系11(図2)では、集光光学系3にHOE33を用いた。本実施形態の投射光学系11Aは、例えば実施形態1の投射光学系11と同様の構成において、上記の集光光学系3の代わりに、図6に例示するように、ミラー素子を用いた集光光学系3Aを備える。 In the projection optical system 11 of embodiment 1 (Figure 2), a HOE 33 is used in the focusing optical system 3. The projection optical system 11A of this embodiment has a configuration similar to that of the projection optical system 11 of embodiment 1, but instead of the focusing optical system 3, it includes a focusing optical system 3A that uses a mirror element, as shown in Figure 6.
本実施形態の集光光学系3Aは、例えば図6に示すように、2つの凹面ミラー34,36と、その間に配置されるダブレットレンズ35とを備える。各凹面ミラー34,36は、例えば水平方向及び垂直方向の両方において正のパワーを有する。 The focusing optical system 3A of this embodiment includes two concave mirrors 34, 36 and a doublet lens 35 disposed between them, as shown in FIG. 6. Each of the concave mirrors 34, 36 has positive power in both the horizontal and vertical directions, for example.
本実施形態の集光光学系3Aにおいて、第1の凹面ミラー34は、走査光学系2Aの垂直走査部22から入射する走査光L10を反射して、ダブレットレンズ35を介して第2の凹面ミラー36に出射する。第2の凹面ミラー36は、入射する走査光L10を反射して、瞳位置Poに集光する。こうして、本実施形態の投射光学系11Aは、実施形態1と同様に、HMD1(図1)の使用者5の瞳位置Poを介して、走査光L10により投射画像15を投射できる。 In the focusing optical system 3A of this embodiment, the first concave mirror 34 reflects the scanning light L10 incident from the vertical scanning unit 22 of the scanning optical system 2A and emits it to the second concave mirror 36 via the doublet lens 35. The second concave mirror 36 reflects the incident scanning light L10 and focuses it at the pupil position Po. In this way, the projection optical system 11A of this embodiment can project the projection image 15 using the scanning light L10 via the pupil position Po of the user 5 of the HMD 1 (Figure 1), just like in embodiment 1.
ダブレットレンズ35は、例えば1枚の正レンズ素子と1枚の負レンズ素子とを接合して構成される。ダブレットレンズ35によると、色収差を抑制し易い。本実施形態の集光光学系3Aは、特にダブレットレンズ35に限らず、これに代えて又は加えて、非接合の2枚のレンズ素子を備えてもよいし、1枚又は3枚以上のレンズ素子を備えてもよい。又、集光光学系3Aは、凹面ミラー34,36に限らず、種々のミラー素子を備えてもよい。本実施形態では、こうした集光光学系3Aが、補正すべき像面湾曲を有する場合における投射光学系11Aの構成例を説明する。 The doublet lens 35 is configured, for example, by cementing one positive lens element and one negative lens element. The doublet lens 35 makes it easy to suppress chromatic aberration. The focusing optical system 3A of this embodiment is not limited to the doublet lens 35, and may instead or in addition include two uncemented lens elements, or one or three or more lens elements. Furthermore, the focusing optical system 3A is not limited to concave mirrors 34, 36, and may include various mirror elements. This embodiment describes an example configuration of the projection optical system 11A when such a focusing optical system 3A has field curvature that needs to be corrected.
図7は、本実施形態2の走査光学系2Aにおけるリレー光学系25を例示する。本実施形態の走査光学系2Aは、実施形態1の走査光学系2(図2)と同様の構成において、非点収差の補正収差を持たせたリレー光学系20の代わりに、像面湾曲の補正収差を持たせたリレー光学系25を備える。 FIG. 7 illustrates an example of a relay optical system 25 in a scanning optical system 2A of this embodiment. The scanning optical system 2A of this embodiment has a configuration similar to that of the scanning optical system 2 of embodiment 1 (FIG. 2), but instead of the relay optical system 20 that has a correction aberration for astigmatism, it has a relay optical system 25 that has a correction aberration for field curvature.
さらに、本実施形態の走査光学系2Aは、例えば図7に示すように、光源12と水平走査部21との間に配置されたダブレットレンズ24を備える。ダブレットレンズ24によると、走査光学系2Aの色収差を抑制し易い。走査光学系2Aにおいて、ダブレットレンズ24は、適宜省略されてもよいし、その他の1又は複数のレンズ素子が用いられてもよい。 Furthermore, the scanning optical system 2A of this embodiment includes a doublet lens 24 disposed between the light source 12 and the horizontal scanning unit 21, as shown in FIG. 7, for example. The doublet lens 24 makes it easy to suppress chromatic aberration in the scanning optical system 2A. In the scanning optical system 2A, the doublet lens 24 may be omitted as appropriate, or one or more other lens elements may be used.
図6では、本実施形態のリレー光学系25において光学パワーを有する第1透過面25a、第1反射面25b、第2反射面25c及び第2透過面25dを例示している。本実施形態のリレー光学系25は、例えば図7に示すように、上記の各光学面25a~25dが、一次走査光L11の入射側から出射側へ順番に配置された、一体的なプリズム素子で構成される。こうしたプリズムのリレー光学系25によると、走査光学系2Aの組み立て工数を削減することができる。 Figure 6 illustrates the first transmitting surface 25a, first reflecting surface 25b, second reflecting surface 25c, and second transmitting surface 25d, which have optical power, in the relay optical system 25 of this embodiment. As shown in Figure 7, for example, the relay optical system 25 of this embodiment is composed of an integrated prism element in which the above-mentioned optical surfaces 25a to 25d are arranged in order from the incident side to the output side of the primary scanning light L11. Using such a prism relay optical system 25, the number of steps required to assemble the scanning optical system 2A can be reduced.
第1透過面25aは、例えばリレー光学系25の-Z1側において、水平走査部21からの一次走査光L11の入射位置に配置される。本実施形態のリレー光学系25において、第1透過面25aは、例えば図6に示すように、H1方向において負のパワーを有するようにプリズム外部に向かって凹状で、且つV1方向においてもパワーを有する自由曲面で構成される。 The first transmitting surface 25a is disposed, for example, on the -Z1 side of the relay optical system 25, at the incident position of the primary scanning light L11 from the horizontal scanning unit 21. In the relay optical system 25 of this embodiment, the first transmitting surface 25a is formed as a free-form surface that is concave toward the outside of the prism so as to have negative power in the H1 direction, and also has power in the V1 direction, as shown in FIG. 6, for example.
第1反射面25bは、例えばリレー光学系25の+Z1側において、第1透過面25aを透過した一次走査光L11の入射位置に配置される。第1反射面25bは、例えば図6に示すように、H1方向において正のパワーを有するようにプリズム外部に向かって凸状の自由曲面で構成される。 The first reflecting surface 25b is disposed, for example, on the +Z1 side of the relay optical system 25, at the incident position of the primary scanning light L11 that has passed through the first transmitting surface 25a. The first reflecting surface 25b is configured as a free-form surface that is convex toward the outside of the prism so as to have positive power in the H1 direction, as shown in Figure 6, for example.
第2反射面25cは、例えばリレー光学系25の-Z1側において、第1反射面25bを反射した一次走査光L11の入射位置に配置される。第2反射面25cは、例えば第1反射面25bと同様にプリズム外部に向かって凸状の自由曲面で構成される。 The second reflecting surface 25c is positioned, for example, on the -Z1 side of the relay optical system 25, at the incident position of the primary scanning light L11 reflected by the first reflecting surface 25b. The second reflecting surface 25c is configured, for example, as a free-form surface that is convex toward the outside of the prism, similar to the first reflecting surface 25b.
第2透過面25dは、例えばリレー光学系25の+Z1側において、第2反射面25cを反射した一次走査光L11の入射位置に配置される。第2透過面25dは、例えば第1透過面25aと同様にプリズム外部に向かって凹状の自由曲面で構成される。 The second transmitting surface 25d is arranged, for example, on the +Z1 side of the relay optical system 25, at the incident position of the primary scanning light L11 reflected by the second reflecting surface 25c. The second transmitting surface 25d is formed, for example, as a free-form surface concave toward the outside of the prism, similar to the first transmitting surface 25a.
2.収差補正について
本実施形態の投射光学系11Aでは、リレー光学系25の自由曲面により、例えば水平走査部21の走査範囲における種々の位置からの走査光L10の光線が、リレー光学系25の各種光学面25a~25dを通過する位置にて受けるパワーを変化させることができる。こうしたパワーの変化が、集光光学系3Aの像面湾曲とは逆向きで同等の大きさの像面湾曲を生じるように、自由曲面形状を設定することで、集光光学系3Aの像面湾曲に対する補正収差をリレー光学系25に持たせることができる。
2. Aberration Correction In the projection optical system 11A of this embodiment, the free-form surface of the relay optical system 25 can change the power that rays of the scanning light L10 from various positions in the scanning range of the horizontal scanning unit 21 receive at positions where they pass through the various optical surfaces 25a to 25d of the relay optical system 25. By setting the shape of the free-form surface so that such a change in power generates a curvature of field of the same magnitude as but in the opposite direction to the curvature of field of the focusing optical system 3A, the relay optical system 25 can be provided with a correction aberration for the curvature of field of the focusing optical system 3A.
図8A~図8Cは、本実施形態の走査光学系2Aにおける集光点を説明するための図である。以下、垂直走査部22による反射後の走査光L10の水平方向をH2方向とし、当該走査光L10の垂直方向をV2方向とする。又、反射後の走査光L10の中心光線の光線方向をZ2方向とする。 Figures 8A to 8C are diagrams illustrating the light-converging points in the scanning optical system 2A of this embodiment. Hereinafter, the horizontal direction of the scanning light L10 after reflection by the vertical scanning unit 22 will be referred to as the H2 direction, and the vertical direction of the scanning light L10 will be referred to as the V2 direction. Furthermore, the ray direction of the central ray of the scanning light L10 after reflection will be referred to as the Z2 direction.
図8A~図8Cでは、垂直走査部22から出射する走査光L10において、種々の集光点P10,P11,P12と、第1曲線L20と、第2曲線L30と、曲面C10とを例示している。集光点P10では、画角中心の光束が集光する。集光点P11では、画角中心の光束を基準として、H2方向に所定角度θだけ傾いた光束が集光する。集光点P12では、V2方向に所定角度θだけ傾いた光束が集光する。所定角度θは、例えば投射画像15の画角、又は画角未満に適宜設定できる。 Figures 8A to 8C illustrate various focusing points P10, P11, and P12, a first curve L20, a second curve L30, and a curved surface C10 for the scanning light L10 emitted from the vertical scanning unit 22. At focusing point P10, the light beam at the center of the angle of view is focused. At focusing point P11, a light beam tilted at a predetermined angle θ in the H2 direction with respect to the light beam at the center of the angle of view is focused. At focusing point P12, a light beam tilted at a predetermined angle θ in the V2 direction is focused. The predetermined angle θ can be set appropriately to, for example, the angle of view of the projected image 15 or less.
第1曲線L20は、走査光学系2Aによる水平方向の走査による種々の集光点P10,P11を結んだ軌跡を示す。第2曲線L30は、走査光学系2Aによる垂直方向の走査による種々の集光点P10,P12を結んだ軌跡を示す。曲面C10は、上記のように水平方向に対応する第1曲線L20と、垂直方向に対応する第2曲線L30とを含むように規定され、走査光学系2Aにおいて各集光点P10~P12を含む中間像が結像される中間結像位置を示す。 The first curve L20 indicates the locus connecting the various focal points P10, P11 resulting from horizontal scanning by the scanning optical system 2A. The second curve L30 indicates the locus connecting the various focal points P10, P12 resulting from vertical scanning by the scanning optical system 2A. As described above, the curved surface C10 is defined to include the first curve L20 corresponding to the horizontal direction and the second curve L30 corresponding to the vertical direction, and indicates the intermediate image position where an intermediate image including each focal point P10-P12 is formed in the scanning optical system 2A.
本実施形態の走査光学系2Aは、各走査部21,22の走査により、例えば第1及び第2曲線L20,L30に沿って走査光L10を各集光点P10~P12に順次、集光するように中間像を曲面C10に投影して、走査光L10を曲面C10上に結像させる。こうした中間像の曲面C10における像面湾曲などの収差は、走査光学系2Aにおけるリレー光学系25といった収差補正部により制御できる。例えば、第1曲線L20と第2曲線L30とには、互いに異なる曲率を持たせることができる。また、中間像の曲面C10は、投射光学系11Aから集光光学系3Aを省略した状態で測定されたり、光学解析シミュレーションにより測定されたりしてもよい。 In the scanning optical system 2A of this embodiment, by scanning the scanning units 21 and 22, the scanning light L10 is projected onto the curved surface C10 to sequentially focus at each of the focusing points P10 to P12 along the first and second curves L20 and L30, for example, to form an intermediate image on the curved surface C10. Aberrations such as field curvature on the curved surface C10 of this intermediate image can be controlled by an aberration correction unit such as the relay optical system 25 in the scanning optical system 2A. For example, the first curve L20 and the second curve L30 can be given different curvatures. The curved surface C10 of the intermediate image may also be measured with the focusing optical system 3A omitted from the projection optical system 11A, or may be measured using optical analysis simulation.
本実施形態の走査光学系2Aによると、水平走査部21と垂直走査部22との間に配置されたリレー光学系25により、例えば水平方向の像面湾曲を制御し易い。これにより、例えば集光光学系3Aの像面湾曲が水平方向と垂直方向との間で非対称であっても、こうした非対称性を解消するようにリレー光学系25に補正収差を設定でき、像面湾曲を低減し易い。また、集光光学系3Aの像面湾曲において水平方向と垂直方向との間で対称な成分については、リレー光学系25とは別の構成で容易に解消できる。例えば、垂直走査部22の後段に補正用の光学素子を設けてもよい(図13参照)。 In the scanning optical system 2A of this embodiment, the relay optical system 25 arranged between the horizontal scanning unit 21 and the vertical scanning unit 22 makes it easy to control field curvature in the horizontal direction, for example. As a result, even if the field curvature of the focusing optical system 3A is asymmetric between the horizontal and vertical directions, a correction aberration can be set in the relay optical system 25 to eliminate this asymmetry, making it easy to reduce the field curvature. Furthermore, components of the field curvature of the focusing optical system 3A that are symmetric between the horizontal and vertical directions can be easily eliminated with a configuration separate from the relay optical system 25. For example, a corrective optical element may be provided downstream of the vertical scanning unit 22 (see Figure 13).
本実施形態の走査光学系2Aによると、H2方向に傾いた光束の集光点P11から垂直走査部22までの距離d11と、V2方向に傾いた光束の集光点P11から垂直走査部22までの距離d12とを異ならせることができる。又、H2方向に傾いた光線の集光点P11から垂直走査部22までの距離d11を、中心光線の集光点P10から垂直走査部22までの距離d10よりも大きくしたり、小さくしたりすることもできる。 The scanning optical system 2A of this embodiment can make the distance d11 from the focal point P11 of the light beam tilted in the H2 direction to the vertical scanning unit 22 different from the distance d12 from the focal point P11 of the light beam tilted in the V2 direction to the vertical scanning unit 22. Furthermore, the distance d11 from the focal point P11 of the light beam tilted in the H2 direction to the vertical scanning unit 22 can also be made greater or smaller than the distance d10 from the focal point P10 of the central light beam to the vertical scanning unit 22.
本実施形態の走査光学系2Aにおいて、こうした各種集光点P10~P12からの距離d10,d11,d12の調整は、リレー光学系25において対応する光線が通った位置の曲面形状の差異によって行うことができる。例えば、リレー光学系25の自由曲面上で、個々の光線が通る位置の局所的な曲率を大きくすることにより、当該光線に対して作用させるパワーを強めることができる。 In the scanning optical system 2A of this embodiment, the distances d10, d11, and d12 from the various focal points P10 to P12 can be adjusted by varying the curved surface shape at the position through which the corresponding light rays pass in the relay optical system 25. For example, by increasing the local curvature at the position through which each light ray passes on the free-form surface of the relay optical system 25, it is possible to strengthen the power acting on that light ray.
図9は、本実施形態の投射光学系11Aにおける収差の補正を説明するための図である。図9(A)は、像面湾曲を有する集光光学系3AのMTFスルーフォーカスを、図5(A)と同様に示す。図9(B)は、本実施形態における投射光学系11AのMTFスルーフォーカスを、図5(B)と同様に示す。 FIG. 9 is a diagram for explaining the correction of aberrations in the projection optical system 11A of this embodiment. FIG. 9(A) shows the MTF through focus of the focusing optical system 3A having field curvature, similar to FIG. 5(A). FIG. 9(B) shows the MTF through focus of the projection optical system 11A of this embodiment, similar to FIG. 5(B).
図9(A),(B)のMTF計測のための数値シミュレーションにおいては、図5(A),(B)と同様の設定において、光源波長に640nm,520nm及び460nmの三色を用いた。各MTF曲線は、三色分の計測結果を平均して算出した。 In the numerical simulation for the MTF measurements in Figures 9(A) and (B), the same settings as in Figures 5(A) and (B) were used, with three light source wavelengths of 640 nm, 520 nm, and 460 nm. Each MTF curve was calculated by averaging the measurement results for the three colors.
図9(A)の例では、±H側端部の各MTF曲線のピーク位置と、中心及び+V側端部の各MTF曲線のピーク位置とが、互いに乖離している。このことから、集光光学系3Aに水平方向と垂直方向との間で異なった像面湾曲が生じていることが分かる。そこで、本実施形態の投射光学系11Aでは、こうした集光光学系3Aの像面湾曲を相殺するための補正収差をリレー光学系25に設定した走査光学系2Aを用いた。 In the example of Figure 9(A), the peak positions of the MTF curves at the ±H end points are different from the peak positions of the MTF curves at the center and +V end points. This shows that the focusing optical system 3A has different field curvatures in the horizontal and vertical directions. Therefore, the projection optical system 11A of this embodiment uses a scanning optical system 2A in which correction aberrations are set in the relay optical system 25 to offset this field curvature of the focusing optical system 3A.
具体的に、中心位置、H側端部、V側端部それぞれについて、垂直走査部22から集光点P10,P11,P12までの距離d10,d11,d12が、次式を満たすように、リレー光学系25を設定した。
1/d10=0.21mm-1
1/d11=0.19mm-1
1/d12=0.22mm-1
Specifically, the relay optical system 25 was set so that the distances d10, d11, and d12 from the vertical scanning unit 22 to the focal points P10, P11, and P12 at the center position, H-side end, and V-side end respectively satisfied the following equations.
1/d10=0.21mm -1
1/d11=0.19mm -1
1/d12=0.22mm -1
上式のような設定は、例えば上述した構成のリレー光学系25において、各光線の通過位置毎にパワーを変化させるように自由曲面形状を調整することで実現できる。 The above formula can be achieved, for example, by adjusting the free-form surface shape of the relay optical system 25 configured as described above so that the power changes for each light ray passing position.
図9(B)に、こうした本実施形態における投射光学系11Aの像面湾曲を示すMTFスルーフォーカスの計測結果を示す。図9(B)によると、±H側端部の各MTF曲線のピーク位置と、中心及び側端部の各MTF曲線のピーク位置と図9(A)の例のように乖離せず、おおよそ0ディオプター付近で重なっている。つまり、図9(A)の例の像面湾曲が解消されている。こうして、本実施形態の投射光学系11Aによると、走査光学系2Aにおいて補正収差を持たせたリレー光学系25により、集光光学系3の像面湾曲を補正できることが確認できた。 Figure 9(B) shows the results of MTF through-focus measurements, which indicate the field curvature of the projection optical system 11A of this embodiment. As can be seen from Figure 9(B), the peak positions of the MTF curves at the ±H side ends and the peak positions of the MTF curves at the center and side ends do not deviate from each other as in the example of Figure 9(A), but rather overlap at approximately 0 diopters. In other words, the field curvature of the example of Figure 9(A) has been eliminated. Thus, it has been confirmed that, with the projection optical system 11A of this embodiment, the field curvature of the focusing optical system 3 can be corrected by the relay optical system 25, which has corrective aberrations in the scanning optical system 2A.
3.まとめ
以上のように、本実施形態における光学系の一例の投射光学系11Aは、第1走査部の一例の水平走査部21と、第2走査部の一例の垂直走査部22と、集光光学系3Aと、収差補正部の一例のリレー光学系20とを備える。第1走査部は、光源12から入射する光を第1方向に走査する。第2走査部は、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する。集光光学系3Aは、第2走査部によって走査された光を集光する。収差補正部は、集光光学系3Aと第1走査部との間に配置され、集光光学系3Aで生じる像面湾曲を補正するように、光源12から第1走査部を介して入射する光を、集光光学系3Aに向けて出射する。
3. Summary As described above, the projection optical system 11A, which is an example of an optical system in this embodiment, includes the horizontal scanning unit 21, which is an example of a first scanning unit, the vertical scanning unit 22, which is an example of a second scanning unit, the focusing optical system 3A, and the relay optical system 20, which is an example of an aberration correction unit. The first scanning unit scans light incident from the light source 12 in a first direction. The second scanning unit scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction intersecting the first direction. The focusing optical system 3A focuses the light scanned by the second scanning unit. The aberration correction unit is disposed between the focusing optical system 3A and the first scanning unit, and outputs light incident from the light source 12 via the first scanning unit toward the focusing optical system 3A so as to correct field curvature generated in the focusing optical system 3A.
以上の投射光学系11Aによると、例えばリレー光学系20といった収差補正部により集光光学系3Aで生じる像面湾曲を補正して、光を走査して得られる画像における像面湾曲といった収差を抑制し易くすることができる。リレー光学系20といった収差補正部による像面湾曲の補正は、集光光学系3Aの像面湾曲の一部を相殺して、投射光学系11A全体の像面湾曲を抑制するものであってもよい。 In the above-described projection optical system 11A, the field curvature occurring in the focusing optical system 3A can be corrected by an aberration correction unit such as the relay optical system 20, making it easier to suppress aberrations such as field curvature in the image obtained by scanning light. The correction of field curvature by an aberration correction unit such as the relay optical system 20 may be such that it cancels out part of the field curvature of the focusing optical system 3A and suppresses the field curvature of the entire projection optical system 11A.
本実施形態の投射光学系11Aにおいて、集光光学系3Aで生じる像面湾曲は、例えば第1方向と第2方向との間で非対称である。収差補正部は、第1走査部と第2走査部との間に配置された一又は複数の光学素子の一例として、リレー光学系20を含む。これにより、本実施形態の投射光学系11Aは、リレー光学系20によって、集光光学系3Aの像面湾曲における非対称な収差を低減でき、投射光学系11Aの収差を抑制し易くできる。 In the projection optical system 11A of this embodiment, the field curvature generated in the focusing optical system 3A is asymmetric between, for example, the first direction and the second direction. The aberration correction unit includes a relay optical system 20 as an example of one or more optical elements arranged between the first scanning unit and the second scanning unit. As a result, the projection optical system 11A of this embodiment can reduce asymmetric aberration in the field curvature of the focusing optical system 3A by using the relay optical system 20, making it easier to suppress aberrations in the projection optical system 11A.
本実施形態の投射光学系11Aにおいて、例えば収差補正部のリレー光学系20は、第1走査部によって走査された光を、第2走査部を介して、第1方向に対応した第1曲線L20と、第2方向に対応した第2曲線L30を含む曲面C10上に結像させる。収差補正部は、第1曲線L20の曲率と第2曲線L30の曲率と間の差異により、集光光学系3Aで生じる像面湾曲を補正する。これにより、本実施形態の投射光学系11Aは、収差補正部により中間像の曲面C10の曲率を制御して、投射光学系11Aの収差を抑制し易くできる。 In the projection optical system 11A of this embodiment, for example, the relay optical system 20 of the aberration correction unit images the light scanned by the first scanning unit, via the second scanning unit, onto a curved surface C10 including a first curve L20 corresponding to the first direction and a second curve L30 corresponding to the second direction. The aberration correction unit corrects the field curvature that occurs in the focusing optical system 3A based on the difference between the curvature of the first curve L20 and the curvature of the second curve L30. As a result, the projection optical system 11A of this embodiment can control the curvature of the curved surface C10 of the intermediate image using the aberration correction unit, making it easier to suppress aberrations in the projection optical system 11A.
本実施形態の投射光学系11Aにおいて、補正収差は、例えば像面湾曲の正負において、集光光学系3で生じる像面湾曲とは逆向きの像面湾曲を含む。これにより、本実施形態の投射光学系11Aは、集光光学系3Aで生じる像面湾曲を補正する方向の像面湾曲を補正収差に含めて、集光光学系3Aで生じる像面湾曲を補正することができ、光を走査してから集光して得られる画像における収差を抑制し易くできる。 In the projection optical system 11A of this embodiment, the corrected aberration includes, for example, a curvature of field in the opposite direction to the curvature of field generated in the focusing optical system 3, in terms of positive and negative curvature of field. As a result, the projection optical system 11A of this embodiment can correct the curvature of field generated in the focusing optical system 3A by including in the corrected aberration a curvature of field in the direction that corrects the curvature of field generated in the focusing optical system 3A, making it easier to suppress aberrations in the image obtained by scanning and then focusing light.
本実施形態の投射光学系11Aにおいて、収差補正部としてのリレー光学系25は、水平方向の走査において中心光線から所定角度θを有する光線に作用するパワーと、第2方向の走査において中心光線から所定角度θを有する光線に作用するパワーとを異ならせた光学素子の一例としてプリズム素子を含む。こうした収差補正部により、H2方向に所定角度θ傾く光線の集光点P11と、V2方向に所定角度θ傾く光線の集光点P12との間で垂直走査部22までの距離d11,d12を異ならせることができる。こうして、本実施形態の投射光学系11Aは、水平方向と垂直方向との間で異なるような像面湾曲を補正することができる。 In the projection optical system 11A of this embodiment, the relay optical system 25 serving as an aberration correction unit includes a prism element as an example of an optical element that differentiates the power acting on light rays that are angled at a predetermined angle θ from the central ray during horizontal scanning from the power acting on light rays that are angled at a predetermined angle θ from the central ray during scanning in the second direction. This aberration correction unit makes it possible to differentiate the distances d11 and d12 to the vertical scanning unit 22 between the convergence point P11 of light rays inclined at a predetermined angle θ in the H2 direction and the convergence point P12 of light rays inclined at a predetermined angle θ in the V2 direction. In this way, the projection optical system 11A of this embodiment can correct field curvature that differs between the horizontal and vertical directions.
本実施形態の投射光学系11Aにおいて、収差補正部としてのリレー光学系25は、水平方向の走査における端部の光線に作用するパワーと、中心光線に作用するパワーとを異ならせた光学素子の一例としてプリズム素子(図7参照)を含む。こうした収差補正部により、中心光線の集光点P10とH2方向の端部の集光点P11との間で、垂直走査部22までの距離d10,d11を異ならせることができる。こうして、本実施形態の投射光学系11Aは、水平方向に生じるような像面湾曲を補正することができる。本実施形態のリレー光学系25において、収差補正部の光学素子の構成は上記に限らず、例えば上記の水平方向のパワーに加えて、垂直方向の走査における端部の光線に作用するパワーと、中心光線に作用するパワーとを異ならせるように構成されてもよい。 In the projection optical system 11A of this embodiment, the relay optical system 25 serving as an aberration correction unit includes a prism element (see Figure 7) as an example of an optical element that differentiates the power acting on the edge rays in horizontal scanning from the power acting on the central ray. This aberration correction unit can differentiate the distances d10, d11 to the vertical scanning unit 22 between the focal point P10 of the central ray and the focal point P11 at the end in the H2 direction. In this way, the projection optical system 11A of this embodiment can correct field curvature that occurs in the horizontal direction. In the relay optical system 25 of this embodiment, the configuration of the optical elements of the aberration correction unit is not limited to the above, and for example, in addition to the horizontal power described above, it may be configured so that the power acting on the edge rays in vertical scanning is differentiated from the power acting on the central ray.
本実施形態の投射光学系11Aにおいて、収差補正部としてのリレー光学系25は、例えば図7に示すように、走査光学系2において光をそれぞれ反射する複数の反射面25b,25cと、光をそれぞれ屈折して透過する複数の透過面25a,25dとを有するプリズム素子を含む。こうした構成により、収差補正部を簡単に構成でき、投射光学系11Aの収差補正を行い易くすることができる。本実施形態のリレー光学系25において、収差補正部の光学素子の構成は上記に限らず、例えば1つの反射面と2つの透過面とを有するプリズム素子であってもよい。 In the projection optical system 11A of this embodiment, the relay optical system 25 serving as the aberration correction section includes a prism element having a plurality of reflective surfaces 25b, 25c that reflect light in the scanning optical system 2, and a plurality of transmissive surfaces 25a, 25d that refract and transmit light, as shown in FIG. 7, for example. This configuration simplifies the configuration of the aberration correction section, making it easier to correct aberrations in the projection optical system 11A. In the relay optical system 25 of this embodiment, the configuration of the optical element of the aberration correction section is not limited to the above, and may be, for example, a prism element having one reflective surface and two transmissive surfaces.
(他の実施形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態1,2を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
(Other embodiments)
As described above, the first and second embodiments have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to these and can be applied to embodiments in which modifications, substitutions, additions, omissions, etc. are made as appropriate. Furthermore, it is also possible to combine the components described in the above embodiments to create new embodiments. Therefore, other embodiments will be described below as examples.
上記の実施形態1,2では、走査光学系2,2Aにおいてリレー光学系20,25が補正収差を持たせるように設定された投射光学系11,11Aを説明した。本開示はこれに限定されず、例えば走査光学系2,2Aは補正収差を事後的に調整可能に構成されてもよい。こうした変形例について、図10を用いて説明する。 In the above-described first and second embodiments, the projection optical system 11, 11A is described in which the relay optical system 20, 25 in the scanning optical system 2, 2A is configured to provide corrective aberration. The present disclosure is not limited to this, and for example, the scanning optical system 2, 2A may be configured so that the corrective aberration can be adjusted afterwards. Such a modified example will be described using FIG. 10.
図10は、変形例1の走査光学系2Bの側面図を示す。本実施形態の走査光学系2Bは、例えば実施形態1の走査光学系2と同様の構成において、リレー光学系20において収差補正部としての各ミラー素子20a~20d間の間隔Diの調整機構23cを更に備える。調整機構23cは、例えばミラー素子20a~20dの中心点Piの位置を維持しながら、Z1方向において互いに逆向きに2つの支持台23a,23bを移動可能に構成される。 Figure 10 shows a side view of the scanning optical system 2B of variant 1. The scanning optical system 2B of this embodiment has a configuration similar to that of the scanning optical system 2 of embodiment 1, but further includes an adjustment mechanism 23c for adjusting the spacing Di between the mirror elements 20a-20d as an aberration correction unit in the relay optical system 20. The adjustment mechanism 23c is configured to be able to move the two support bases 23a, 23b in opposite directions in the Z1 direction while maintaining the position of the center point Pi of the mirror elements 20a-20d, for example.
本実施形態の走査光学系2Bは、こうした調整機構23cにより間隔Diが可変であることから、リレー光学系20に持たせる非点収差といった補正収差の程度を変更できる。例えば、集光光学系3(図2)においてプリズム素子32の所定角度に公差がある場合に、調整機構23cにより間隔Diを変更して、集光光学系3の公差による非点収差の変動に応じた補正収差を走査光学系2Bに持たせることができる。 In the scanning optical system 2B of this embodiment, the distance Di can be varied using the adjustment mechanism 23c, making it possible to change the degree of correction aberration, such as astigmatism, imparted to the relay optical system 20. For example, if there is a tolerance in the specified angle of the prism element 32 in the focusing optical system 3 (Figure 2), the distance Di can be changed using the adjustment mechanism 23c, allowing the scanning optical system 2B to have a correction aberration that corresponds to the variation in astigmatism due to the tolerance of the focusing optical system 3.
以上のように、本実施形態において、走査光学系2B又はその投射光学系11は、補正収差を調整する調整部の一例の調整機構23cをさらに備える。これにより、走査光学系2Bにおける補正収差を事後的に調整でき、投射光学系11における収差の補正を行い易くすることができる。例えば、投射光学系11の量産時に集光光学系3にバラツキが生じても、個々の投射光学系11において収差を精度良く補正できる。 As described above, in this embodiment, the scanning optical system 2B or its projection optical system 11 further includes an adjustment mechanism 23c, which is an example of an adjustment unit that adjusts the corrected aberration. This allows the corrected aberration in the scanning optical system 2B to be adjusted afterward, making it easier to correct the aberration in the projection optical system 11. For example, even if variations occur in the focusing optical system 3 during mass production of the projection optical systems 11, the aberration can be corrected with high precision in each projection optical system 11.
又、本実施形態において、収差補正部は、走査光学系2Bを通過する光が順次、反射されるように配置された複数の反射面を有した複数のミラー素子25a~25dを含む。調整機構23cは、複数の反射面の間の間隔Diを調整する。こうした簡単な構成により、補正収差の調整を容易に実現することができる。 Furthermore, in this embodiment, the aberration correction unit includes multiple mirror elements 25a-25d, each having multiple reflective surfaces arranged so that light passing through the scanning optical system 2B is sequentially reflected. The adjustment mechanism 23c adjusts the spacing Di between the multiple reflective surfaces. This simple configuration makes it easy to adjust the correction aberration.
図11は、変形例2の走査光学系2Cの側面図を示す。本実施形態の走査光学系2Cは、例えば実施形態1の走査光学系2と同様の構成において、ミラー素子20a~20dのリレー光学系20の代わりに、プリズム素子27a,27bを複数含むリレー光学系27を備える。また、本実施形態の走査光学系2Cは、例えば光源12と水平走査部21との間に配置されたトロイダルレンズ26を更に備える。 Figure 11 shows a side view of the scanning optical system 2C of Modification 2. The scanning optical system 2C of this embodiment has a configuration similar to that of the scanning optical system 2 of Embodiment 1, but instead of the relay optical system 20 of mirror elements 20a-20d, it includes a relay optical system 27 including multiple prism elements 27a and 27b. The scanning optical system 2C of this embodiment also includes a toroidal lens 26, for example, positioned between the light source 12 and the horizontal scanning unit 21.
本実施形態の走査光学系2Cにおいて、第1プリズム素子27aは、例えば実施形態1の第1及び第2ミラー素子20a,20bと同様に一次走査光L11を反射する反射面を有する。又、第1プリズム素子27aは、一次走査光L11を入射させる透過面、及び一次走査光L11を第2プリズム素子27bに出射させる透過面を有する。 In the scanning optical system 2C of this embodiment, the first prism element 27a has a reflective surface that reflects the primary scanning light L11, similar to, for example, the first and second mirror elements 20a and 20b of embodiment 1. The first prism element 27a also has a transparent surface that receives the primary scanning light L11 and a transparent surface that emits the primary scanning light L11 to the second prism element 27b.
第1及び第2プリズム素子27a,27bは、例えばV1方向において隣接して配置される。第2プリズム素子27bは、例えば実施形態1の第3及び第4ミラー素子20c,20dと同様に一次走査光L11を反射する反射面を有する。又、第2プリズム素子27bは、一次走査光L11を入射させる透過面、及び一次走査光L11を垂直走査部22に出射させる透過面を有する。 The first and second prism elements 27a and 27b are arranged adjacent to each other in the V1 direction, for example. The second prism element 27b has a reflective surface that reflects the primary scanning light L11, similar to the third and fourth mirror elements 20c and 20d in embodiment 1. The second prism element 27b also has a transmission surface through which the primary scanning light L11 enters, and a transmission surface through which the primary scanning light L11 exits the vertical scanning unit 22.
以上のように、本実施形態の走査光学系2Cにおいて、収差補正部としてのリレー光学系27は、複数の反射面がそれぞれ設けられた複数のプリズム素子27a,27bを含む。本実施形態の走査光学系2Cにおいて、調整部は、複数のプリズム素子27a,27bの間の間隔を調整する各種機構であってもよい。本実施形態の走査光学系2Cによると、例えばZ1方向において互いに逆向きに第1及び第2プリズム素子27a,27bを移動させることにより、リレー光学系27のパワーを変更して、補正収差を調整することができる。本実施形態の走査光学系2Cによっても、上記各実施形態と同様に、投射光学系11の収差を補正し易くすることができる。 As described above, in the scanning optical system 2C of this embodiment, the relay optical system 27 serving as an aberration correction unit includes a plurality of prism elements 27a, 27b, each of which has a plurality of reflective surfaces. In the scanning optical system 2C of this embodiment, the adjustment unit may be any of various mechanisms that adjust the spacing between the plurality of prism elements 27a, 27b. With the scanning optical system 2C of this embodiment, the power of the relay optical system 27 can be changed and the corrected aberration can be adjusted by moving the first and second prism elements 27a, 27b in opposite directions in the Z1 direction, for example. As with the above embodiments, the scanning optical system 2C of this embodiment also makes it easier to correct aberrations in the projection optical system 11.
上記の各実施形態では、水平走査部21と垂直走査部22との間のリレー光学系20を収差補正部の一例として説明した。本実施形態において、投射光学系11の収差補正部はリレー光学系20に限らず、走査光学系2において配置される種々の光学素子を含んでもよい。こうした変形例について、図12及び図13を用いて説明する。 In the above embodiments, the relay optical system 20 between the horizontal scanning unit 21 and the vertical scanning unit 22 was described as an example of an aberration correction unit. In this embodiment, the aberration correction unit of the projection optical system 11 is not limited to the relay optical system 20, and may include various optical elements arranged in the scanning optical system 2. Such modified examples will be described using Figures 12 and 13.
図12は、変形例1の投射光学系11Bの斜視図を示す。本実施形態の投射光学系11Bは、例えば実施形態1の投射光学系11と同様の構成において、走査光学系2において光源12と水平走査部21との間に配置された収差補正部としてトロイダルレンズ28を更に備える。トロイダルレンズ28は、例えば集光光学系3の収差を抑制するための補正収差が設定される。又、本実施形態の投射光学系11Bにおいて、リレー光学系20には、特に補正収差が設定されなくてよい。或いは、本実施形態の投射光学系11Bにおいて、補正収差が、トロイダルレンズ28とリレー光学系20との間に分担して設定されてもよい。 FIG. 12 shows a perspective view of the projection optical system 11B of Modification 1. The projection optical system 11B of this embodiment has a configuration similar to that of the projection optical system 11 of Embodiment 1, but further includes a toroidal lens 28 as an aberration correction unit located between the light source 12 and the horizontal scanning unit 21 in the scanning optical system 2. The toroidal lens 28 is set with a correction aberration for suppressing aberration in the focusing optical system 3, for example. Furthermore, in the projection optical system 11B of this embodiment, the relay optical system 20 does not need to be set with a particular correction aberration. Alternatively, in the projection optical system 11B of this embodiment, the correction aberration may be shared and set between the toroidal lens 28 and the relay optical system 20.
図13は、変形例2の投射光学系11Cの斜視図を示す。本実施形態の投射光学系11Cは、例えば実施形態1の投射光学系11と同様の構成において、走査光学系2において垂直走査部22集光光学系3との間に配置された収差補正部としてトロイダルレンズ29を更に備える。トロイダルレンズ29は、例えば集光光学系3の収差を抑制するための補正収差が設定される。又、本実施形態の投射光学系11Cにおいて、リレー光学系20には、特に補正収差が設定されなくてよい。或いは、本実施形態の投射光学系11Cにおいて、補正収差が、トロイダルレンズ29とリレー光学系20との間に分担して設定されてもよい。又、本実施形態の投射光学系11Cにおいては、光源12と水平走査部21との間にトロイダルレンズ28が更に配置されてもよい。又、各トロイダルレンズ28,29に代えて、又はこれに加えて、各種のレンズ素子又は光学素子を適宜、収差補正部に用いてもよい。 Figure 13 shows a perspective view of the projection optical system 11C of Modification 2. The projection optical system 11C of this embodiment has a configuration similar to that of the projection optical system 11 of Embodiment 1, but further includes a toroidal lens 29 as an aberration correction unit located between the vertical scanning unit 22 and the focusing optical system 3 in the scanning optical system 2. The toroidal lens 29 is set with a correction aberration to suppress aberration in the focusing optical system 3, for example. Furthermore, in the projection optical system 11C of this embodiment, the relay optical system 20 does not need to be set with a particular correction aberration. Alternatively, in the projection optical system 11C of this embodiment, the correction aberration may be shared and set between the toroidal lens 29 and the relay optical system 20. Furthermore, in the projection optical system 11C of this embodiment, a toroidal lens 28 may be further arranged between the light source 12 and the horizontal scanning unit 21. Furthermore, various lens elements or optical elements may be used as appropriate in the aberration correction unit instead of or in addition to the toroidal lenses 28 and 29.
また、上記の各実施形態では、HOE33を用いた集光光学系3が非点収差を有する場合と、ミラー素子を用いた集光光学系3Aが像面湾曲を有する場合を説明した。本実施形態の投射光学系11は、特にこれに限定されず、集光光学系3の収差に応じて適宜、走査光学系2における収差補正部を設定できる。例えば、HOE33を用いた集光光学系3が、像面湾曲を有する場合、走査光学系2において実施形態2のようなリレー光学系25を採用してもよい。又、ミラー素子を用いた集光光学系3Aが、非点収差を有する場合、走査光学系2Aにおいて実施形態1のようなリレー光学系20を採用してもよい。又、非点収差と像面湾曲との両方を有した集光光学系3についても、上記各実施形態を適宜、組み合わせて、こうした収差に対する補正収差を走査光学系2の収差補正部に設定した投射光学系を構成できる。 Furthermore, in the above embodiments, the case where the focusing optical system 3 using the HOE 33 has astigmatism and the case where the focusing optical system 3A using a mirror element has field curvature have been described. The projection optical system 11 of this embodiment is not particularly limited to this, and the aberration correction unit in the scanning optical system 2 can be set appropriately depending on the aberration of the focusing optical system 3. For example, if the focusing optical system 3 using the HOE 33 has field curvature, the scanning optical system 2 may employ a relay optical system 25 as in embodiment 2. Furthermore, if the focusing optical system 3A using a mirror element has astigmatism, the scanning optical system 2A may employ a relay optical system 20 as in embodiment 1. Furthermore, even for a focusing optical system 3 having both astigmatism and field curvature, the above embodiments can be combined appropriately to configure a projection optical system in which correction aberrations for such aberrations are set in the aberration correction unit of the scanning optical system 2.
上記の各実施形態では、第1及び第2走査部の一例として水平走査部21及び垂直走査部22を説明した。本実施形態において、第1及び第2走査部は上記の例に限らず、種々の構成を採用できる。例えば、水平走査部21と垂直走査部22との順番は逆順であってもよいし、水平方向及び垂直方向とは異なる方向において走査が行われてもよい。又、各走査部21,22は、MEMSミラーに限らず、その他の反射型スキャナであってもよいし、プリズムなどの透過型スキャナであってもよい。 In the above embodiments, the horizontal scanning unit 21 and vertical scanning unit 22 were described as examples of the first and second scanning units. In this embodiment, the first and second scanning units are not limited to the above examples, and various configurations can be adopted. For example, the order of the horizontal scanning unit 21 and the vertical scanning unit 22 may be reversed, or scanning may be performed in a direction other than the horizontal and vertical directions. Furthermore, each scanning unit 21, 22 is not limited to a MEMS mirror, and may be another reflective scanner, or a transmissive scanner such as a prism.
上記の各実施形態では、画像表示装置の一例として眼鏡型のHMD1を説明したが、本開示は特にこれに限定されない。例えば、本実施形態において、HMD1は、眼鏡型に限らず、例えばゴーグル型、帽子型又はヘルメット型などであってもよい。また、HMD1の装着部材10は、特に眼鏡フレームに限らず、例えば鼻当て、額当て、又は固定バンド等であってもよい。また、本実施形態の画像表示装置は、HMD1に限らず、種々の画像表示装置であってもよく、例えば電子式ビューファインダ、又はヘッドアップディスプレイ等であってもよい。 In the above embodiments, a glasses-type HMD 1 has been described as an example of an image display device, but the present disclosure is not particularly limited to this. For example, in the present embodiments, the HMD 1 is not limited to glasses, and may be, for example, goggles, a hat, or a helmet. Furthermore, the attachment member 10 of the HMD 1 is not limited to a glasses frame, and may be, for example, a nose pad, a forehead pad, or a fixing band. Furthermore, the image display device of the present embodiments is not limited to the HMD 1, and may be various image display devices, such as an electronic viewfinder or a head-up display.
(態様例)
以下、本開示に係る各種態様を付記する。
(Example of embodiment)
Various aspects of the present disclosure are described below.
本開示に係る第1の態様は、光源から入射する光を第1方向に走査する第1走査部と、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、第2走査部によって走査された光を集光する集光光学系と、集光光学系と第1走査部との間に配置され、集光光学系で生じる像面湾曲を補正するように、光源から第1走査部を介して入射する光を、集光光学系に向けて出射する収差補正部とを備える光学系である。 A first aspect of the present disclosure is an optical system including a first scanning unit that scans light incident from a light source in a first direction, a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction intersecting the first direction, a focusing optical system that focuses the light scanned by the second scanning unit, and an aberration correction unit that is disposed between the focusing optical system and the first scanning unit and emits light incident from the light source via the first scanning unit toward the focusing optical system so as to correct field curvature that occurs in the focusing optical system.
第2の態様は、第1の態様に記載の光学系において、集光光学系で生じる像面湾曲は、第1方向と第2方向との間で非対称であり、収差補正部は、第1走査部と第2走査部との間に配置された一又は複数の光学素子を含む。 In a second aspect, in the optical system described in the first aspect, the field curvature generated in the focusing optical system is asymmetric between the first direction and the second direction, and the aberration correction unit includes one or more optical elements arranged between the first scanning unit and the second scanning unit.
第3の態様は、第1又は第2の態様に記載の光学系において、収差補正部は、第1走査部によって走査された光を、第2走査部を介して、第1方向に対応した第1曲線と第2方向に対応した第2曲線を含む曲面上に結像させ、第1曲線の曲率と第2曲線の曲率と間の差異により、集光光学系で生じる像面湾曲を補正する。 In a third aspect, in the optical system described in the first or second aspect, the aberration correction unit images the light scanned by the first scanning unit, via the second scanning unit, onto a curved surface including a first curve corresponding to the first direction and a second curve corresponding to the second direction, and corrects the field curvature occurring in the focusing optical system due to the difference between the curvature of the first curve and the curvature of the second curve.
第4の態様は、光源から入射する光を走査する走査光学系と、走査光学系によって走査された光を集光する集光光学系とを備えた光学系である。走査光学系は、光源から入射する光を、第1方向に走査する第1走査部と、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、集光光学系で生じる収差に応じた補正収差を、走査光学系を通過する光に付加する収差補正部とを含む。 The fourth aspect is an optical system comprising a scanning optical system that scans light incident from a light source and a focusing optical system that focuses the light scanned by the scanning optical system. The scanning optical system includes a first scanning unit that scans the light incident from the light source in a first direction, a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction, and an aberration correction unit that adds a correction aberration corresponding to the aberration generated in the focusing optical system to the light passing through the scanning optical system.
第5の態様では、第1~第4の態様の何れかに記載の光学系において、走査光学系は、第1走査部と第2走査部との間に配置され、第1走査部によって走査された光を第2走査部に導光するリレー光学系を含む。収差補正部は、リレー光学系で構成される。 In a fifth aspect, in the optical system described in any of the first to fourth aspects, the scanning optical system includes a relay optical system disposed between the first scanning unit and the second scanning unit, which guides the light scanned by the first scanning unit to the second scanning unit. The aberration correction unit is composed of the relay optical system.
第6の態様では、第1~第5の態様の何れかに記載の光学系において、補正収差は、集光光学系で生じる非点収差とは逆向きの非点収差を含む。 In a sixth aspect, in the optical system described in any of the first to fifth aspects, the corrected aberration includes astigmatism in the opposite direction to the astigmatism generated in the focusing optical system.
第7の態様では、第6の態様に記載の光学系において、収差補正部は、補正収差における逆向きの非点収差に応じて、第1方向におけるパワーと第2方向におけるパワーとを異ならせた一又は複数の光学素子を含む。 In a seventh aspect, in the optical system described in the sixth aspect, the aberration correction unit includes one or more optical elements that have different powers in the first direction and the second direction depending on the opposite astigmatism in the corrected aberration.
第8の態様では、第1~第7の態様の何れかに記載の光学系において、補正収差は、集光光学系で生じる像面湾曲とは逆向きの像面湾曲を含む。 In an eighth aspect, in the optical system described in any one of the first to seventh aspects, the corrected aberration includes a curvature of field in the opposite direction to the curvature of field that occurs in the focusing optical system.
第9の態様では、第8の態様に記載の光学系において、収差補正部は、第1方向の走査において中心光線から所定角度を有する光線に作用するパワーと、第2方向の走査において中心光線から所定角度を有する光線に作用するパワーとを異ならせた光学素子を含む。 In a ninth aspect, in the optical system described in the eighth aspect, the aberration correction unit includes an optical element that has different powers acting on light rays that have a predetermined angle from the central ray during scanning in the first direction and light rays that have a predetermined angle from the central ray during scanning in the second direction.
第10の態様では、第8又は第9の態様に記載の光学系において、収差補正部は、第1方向又は第2方向の走査における端部の光線に作用するパワーと、中心光線に作用するパワーとを異ならせた光学素子を含む。 In a tenth aspect, in the optical system described in the eighth or ninth aspect, the aberration correction unit includes an optical element that has a different power acting on the end light beams during scanning in the first or second direction from the power acting on the central light beam.
第11の態様では、第1~第10の態様の何れかに記載の光学系において、集光光学系は、走査光学系から入射する光の光路を屈曲させる光学素子を含む。 In an eleventh aspect, in the optical system described in any one of the first to tenth aspects, the focusing optical system includes an optical element that bends the optical path of light incident from the scanning optical system.
第12の態様では、第1~第11の態様の何れかに記載の光学系が、補正収差を調整する調整部をさらに備える。 In a twelfth aspect, the optical system described in any one of the first to eleventh aspects further includes an adjustment unit that adjusts the correction aberration.
第13の態様は、第12の態様に記載の光学系において、収差補正部は、走査光学系を通過する光が順次、反射されるように配置された複数の反射面を有する。調整部は、複数の反射面の間の間隔を調整する。 In a thirteenth aspect, in the optical system described in the twelfth aspect, the aberration correction unit has a plurality of reflecting surfaces arranged so that light passing through the scanning optical system is reflected sequentially. The adjustment unit adjusts the spacing between the plurality of reflecting surfaces.
第14の態様では、第13の態様に記載の光学系において、収差補正部は、複数の反射面がそれぞれ設けられた複数のプリズム素子を含む。調整部は、複数のプリズム素子の間の間隔を調整する。 In a fourteenth aspect, in the optical system described in the thirteenth aspect, the aberration correction unit includes a plurality of prism elements, each of which is provided with a plurality of reflecting surfaces. The adjustment unit adjusts the spacing between the plurality of prism elements.
第15の態様では、第1~第13の態様の何れかに記載の光学系において、収差補正部は、走査光学系において光を反射する反射面と光を透過する透過面とを有するプリズム素子を含む。プリズム素子の反射面は1つ又は複数であってもよい。プリズム素子の透過面は、例えば複数である。 In a fifteenth aspect, in the optical system described in any of the first to thirteenth aspects, the aberration correction unit includes a prism element in the scanning optical system having a reflective surface that reflects light and a transmissive surface that transmits light. The prism element may have one or more reflective surfaces. The prism element may have multiple transmissive surfaces, for example.
第16の態様は、第1~第15の態様の何れかに記載の光学系と、上記光学系に、画像を示す光を供給する光源とを備える画像表示装置である。 A sixteenth aspect is an image display device comprising the optical system described in any one of the first to fifteenth aspects and a light source that supplies light that displays an image to the optical system.
第17の態様は、光源から入射する光を走査して、後続の光学系に出射する光学系である。光学系は、光源から入射する光を、第1方向に走査する第1走査部と、第1走査部によって走査された光を、第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、後続の光学系で生じる収差に応じた補正収差を、光学系を通過する光に付加する収差補正部とを備える光学系である。 The seventeenth aspect is an optical system that scans light incident from a light source and outputs it to a subsequent optical system. The optical system includes a first scanning unit that scans the light incident from the light source in a first direction, a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction, and an aberration correction unit that adds a correction aberration corresponding to the aberration generated in the subsequent optical system to the light passing through the optical system.
上記の光学系において、補正収差は、当該光学系によって走査された光が入射する、後続の光学系によって生じる収差を相殺するように設定されてもよい。当該光学系は、補正収差を調整する調整部をさらに備えてもよい。 In the above optical system, the corrected aberration may be set to cancel out the aberration caused by a subsequent optical system onto which the light scanned by the optical system is incident. The optical system may further include an adjustment unit that adjusts the corrected aberration.
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。 As described above, the embodiments have been described as examples of the technology disclosed herein. For this purpose, the accompanying drawings and detailed description have been provided.
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。 Therefore, the components shown in the attached drawings and detailed description may include not only components that are essential for solving the problem, but also components that are not essential for solving the problem in order to illustrate the above technology. Therefore, the fact that these non-essential components are shown in the attached drawings or detailed description should not be interpreted as immediately indicating that these non-essential components are essential.
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。 Furthermore, the above-described embodiments are intended to illustrate the technology disclosed herein, and various modifications, substitutions, additions, omissions, etc. may be made within the scope of the claims or their equivalents.
本開示は、画像を投射する画像表示装置およびその光学系に適用でき、例えばHMDに適用できる。 This disclosure can be applied to image display devices that project images and their optical systems, such as HMDs.
Claims (17)
前記第1走査部によって走査された光を、前記第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、
前記第2走査部によって走査された光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系と前記第1走査部との間に配置され、前記集光光学系で生じる像面湾曲を補正するように、前記光源から前記第1走査部を介して入射する光を、前記集光光学系に向けて出射する収差補正部と
を備える光学系。 a first scanning unit that scans light incident from a light source in a first direction;
a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction;
a focusing optical system that focuses the light scanned by the second scanning unit;
an aberration correction unit disposed between the focusing optical system and the first scanning unit, which outputs light incident from the light source via the first scanning unit toward the focusing optical system so as to correct field curvature occurring in the focusing optical system.
前記収差補正部は、前記第1走査部と前記第2走査部との間に配置された一又は複数の光学素子を含む
請求項1に記載の光学系。 a curvature of field generated in the focusing optical system is asymmetric between the first direction and the second direction;
The optical system according to claim 1 , wherein the aberration correction unit includes one or more optical elements disposed between the first scanning unit and the second scanning unit.
前記第1走査部によって走査された光を、前記第2走査部を介して、前記第1方向に対応した第1曲線と前記第2方向に対応した第2曲線を含む曲面上に結像させ、
前記第1曲線の曲率と前記第2曲線の曲率と間の差異により、前記集光光学系で生じる像面湾曲を補正する
請求項1に記載の光学系。 The aberration correction unit
The light scanned by the first scanning unit is imaged on a curved surface including a first curve corresponding to the first direction and a second curve corresponding to the second direction via the second scanning unit;
2. The optical system of claim 1, wherein the difference between the curvature of the first curve and the curvature of the second curve corrects for field curvature occurring in the focusing optical system.
前記走査光学系によって走査された光を集光する集光光学系とを備え、
前記走査光学系は、
前記光源から入射する光を、第1方向に走査する第1走査部と、
前記第1走査部によって走査された光を、前記第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、
前記集光光学系で生じる収差に応じた補正収差を、前記走査光学系を通過する光に付加する収差補正部とを含む
光学系。 a scanning optical system that scans light incident from a light source;
a focusing optical system that focuses the light scanned by the scanning optical system,
The scanning optical system includes:
a first scanning unit that scans the light incident from the light source in a first direction;
a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction;
an aberration correction unit that adds a correction aberration corresponding to the aberration generated in the focusing optical system to light passing through the scanning optical system.
前記収差補正部は、前記リレー光学系で構成される
請求項4に記載の光学系。 the scanning optical system is disposed between the first scanning unit and the second scanning unit and includes a relay optical system that guides the light scanned by the first scanning unit to the second scanning unit;
The optical system according to claim 4 , wherein the aberration correction unit is configured by the relay optical system.
請求項4に記載の光学系。 The optical system according to claim 4 , wherein the corrected aberration includes astigmatism in a direction opposite to the astigmatism generated in the focusing optical system.
請求項6に記載の光学系。 The optical system according to claim 6 , wherein the aberration correction unit includes one or more optical elements that have different powers in the first direction and the second direction depending on the astigmatism in the corrected aberration.
請求項4に記載の光学系。 The optical system according to claim 4 , wherein the corrected aberration includes a curvature of field in a direction opposite to the curvature of field generated in the focusing optical system.
請求項8に記載の光学系。 9. The optical system according to claim 8, wherein the aberration correction unit includes an optical element that has different powers acting on light rays that have a predetermined angle from a central ray during scanning in the first direction and light rays that have the predetermined angle from the central ray during scanning in the second direction.
請求項8に記載の光学系。 The optical system according to claim 8 , wherein the aberration correction unit includes an optical element that has a power that acts on a light ray at an end portion during scanning in the first direction or the second direction different from a power that acts on a light ray at a center portion.
請求項4に記載の光学系。 The optical system according to claim 4 , wherein the light-collecting optical system includes an optical element that bends the optical path of the light incident from the scanning optical system.
請求項4に記載の光学系。 The optical system according to claim 4 , further comprising an adjustment unit that adjusts the correction aberration.
前記調整部は、前記複数の反射面の間の間隔を調整する
請求項12に記載の光学系。 the aberration correction unit has a plurality of reflecting surfaces arranged so as to sequentially reflect light passing through the scanning optical system,
The optical system according to claim 12 , wherein the adjustment unit adjusts the intervals between the plurality of reflecting surfaces.
前記調整部は、前記複数のプリズム素子の間の間隔を調整する
請求項13に記載の光学系。 the aberration correction unit includes a plurality of prism elements each having the plurality of reflecting surfaces,
The optical system according to claim 13 , wherein the adjustment unit adjusts the spacing between the plurality of prism elements.
請求項4に記載の光学系。 The optical system according to claim 4 , wherein the aberration correction unit includes a prism element having a reflecting surface that reflects light and a transmitting surface that transmits light in the scanning optical system.
前記光学系に、画像を示す光を供給する光源とを備える
画像表示装置。 an optical system according to claim 4;
An image display device comprising: a light source that supplies light showing an image to the optical system.
前記光源から入射する光を、第1方向に走査する第1走査部と、
前記第1走査部によって走査された光を、前記第1方向と交差する第2方向に走査する第2走査部と、
前記後続の光学系で生じる収差に応じた補正収差を、前記光学系を通過する光に付加する収差補正部とを含む
光学系。 An optical system that scans light incident from a light source and outputs it to a subsequent optical system,
a first scanning unit that scans the light incident from the light source in a first direction;
a second scanning unit that scans the light scanned by the first scanning unit in a second direction that intersects with the first direction;
an aberration correction unit that adds a correction aberration corresponding to the aberration occurring in the subsequent optical system to light passing through the optical system.
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