JP2002221688A - 光学系 - Google Patents

光学系

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JP2002221688A
JP2002221688A JP2001019653A JP2001019653A JP2002221688A JP 2002221688 A JP2002221688 A JP 2002221688A JP 2001019653 A JP2001019653 A JP 2001019653A JP 2001019653 A JP2001019653 A JP 2001019653A JP 2002221688 A JP2002221688 A JP 2002221688A
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optical system
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plane
optical
optical element
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JP2001019653A
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English (en)
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Kokichi Kenno
孝吉 研野
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像表示素子に表示された画像を観察者眼球
あるいはスクリーンに投影して表示するための小型で広
画角の光学系。 【解決手段】 第１光学素子１０と第２光学素子２０と
を備え、画像表示素子４によって形成された画像を表示
する接眼光学系あるいは投影光学系３であり、逆光線追
跡で、第１光学素子１０は、第１面１１、第１面１１に
対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置さ
れた正パワーの反射面の第２面１２、第１面１１で屈折
され、第２面１２で反射され、第１面１１で反射された
光線を屈折する第３面１３で構成され、第２光学素子２
０は、第１光学素子１０の第１面１１の入射側に配置さ
れて正パワーの屈折作用を有するものであり、その入射
側の面２１が観察者眼球あるいはスクリーン側に凸面を
向けている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学系に関し、特
に、頭部又は顔面装着式画像表示装置用の接眼光学系と
して用いられる光学系や、投影画像表示装置用の投影光
学系として用いられる光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本出願人は特開平８−３１３８２９号、
特開平９−１１３８４１号等において、顔面装着式画像
表示装置用の接眼光学系として、観察者眼球側から順
に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、その第１面
に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置
された正のパワーを有する反射面である第２面、第１面
で屈折され、第２面で内部反射され、第１面で内部反射
された光線を屈折する屈折面である第３面からなる偏心
プリズムを多く提案している。
【０００３】また、その偏心プリズムの観察者眼球側に
第２光学素子として正レンズを配置した接眼光学系も、
特開平９−１４６０３７号において提案している。
【０００４】さらには、特開平６−３４７７０８号にお
いて、接眼光学系や投影光学系の倍率色収差を予め打ち
消し合うように、画像表示素子上に表示する画像の大き
さを色毎に変えておくものを提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】小型、軽量で特に画素
数の多い表示装置において、良好な収差補正と観察画角
を得るための特開平９−１４６０３７号の光学系では、
第２光学素子は観察者眼球側に凹面を向けた正レンズと
なってしまい、小型で広画角の観察光学系を提供するこ
とができなかった。また、広い画角を取り良好な収差補
正をするためには、第２光学素子を正パワーにすること
が必要であるが、倍率の色収差が大きく発生してしまう
問題点があった。
【０００６】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、画像表示素子に
表示された画像を観察者眼球あるいはスクリーンに投影
して表示するための小型で広画角の光学系を提供するこ
とである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光学系は、第１光学素子と第２光学素子とを備え、
画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球ある
いはスクリーンに投影して表示する光学系において、前
記第１光学素子は、少なくとも３つの面を持ち、前記少
なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１
より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球ある
いはスクリーンから前記画像表示素子に到る逆光線追跡
の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第
１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて
配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前
記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記
第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第
３面で構成されており、前記第２光学素子は、前記逆光
線追跡の順に、前記第１光学素子の前記第１面の入射側
に配置されて正のパワーの屈折作用を有するものであ
り、かつ、その入射側の面が観察者眼球あるいはスクリ
ーン側に凸面を向けているものであることを特徴とする
ものである。
【０００８】以下に、本発明の光学系の作用について説
明する。以下の説明においては、光学系の設計上の利便
性から、観察者眼球あるいはスクリーン位置から画像表
示素子に向けて光線を追跡する逆光線追跡に基づいて説
明する。なお、視軸とは、観察者が正面を向いて画像表
示素子を観察した場合の軸上主光線を指す。
【０００９】本発明の基本的な構成においては、少なく
とも３つの面を持ち、その少なくとも３つの面によって
形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされ
ており、観察者眼球あるいはスクリーンから前記画像表
示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射
面である第１面、第１面に対向し、光軸に対して偏心す
るかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射
面である第２面、第１面で屈折され、第２面で内部反射
され、第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面で
ある第３面で構成された第１光学素子と、その逆光線追
跡の順に、第１光学素子の第１面の入射側に配置されて
正のパワーの屈折作用を有する第２光学素子とによって
構成されているために、視軸に対して偏心するかあるい
は傾いて配置された第２面で発生するコマ収差及び像面
湾曲の補正を行うことが可能となり、広い射出瞳径と広
い観察画角を持ち明瞭な観察像を観察者に提供すること
ができる。
【００１０】そして、本発明においては、この第２光学
素子の正のパワーをより強くするために、瞳側の面を凸
面形状にし、第１光学素子に入射する光束径をより小さ
くして、広画角な観察像を観察できるようにしたもので
ある。
【００１１】第１光学素子は、その第２面の反射面が光
学系全体の主なパワーを持っているために、原理的に色
収差の発生はしない。しかし、広画角にするためには、
第１光学素子に入射する光束径を小さくしないと高次コ
マ収差の発生が大きくなり、解像力を高くすることが不
可能である。
【００１２】そこで、本発明では、第２光学素子のパワ
ーを強くすることにより、第１光学素子に入射する光束
径を小さくすることが可能となり、高次コマ収差の発生
を少なくすることに成功したものである。このために、
第２光学素子の瞳側の面を凸面形状にすことによって第
２光学素子のパワーを強くしたものである。
【００１３】また、第２光学素子として、２つの偏心し
た光学面からなる特殊プリズムで構成することによっ
て、第２光学素子のパワーを非対称にすることが容易と
なり、視軸に対して画像表示素子側の画像とその反対側
の画像とでの非対称に発生するコマ収差を補正し、さら
に鮮明で広画角を確保する場合に有効である。
【００１４】また、第２光学素子を観察者視軸に対して
偏心するかあるいは傾いて配置することで、レンズ、特
殊プリズム等の形状に係わらず、視軸に対して画像表示
素子側の画像とその反対側の画像での非対称に発生する
コマ収差を補正し、画像表示素子を配置する面に対する
光軸を略垂直にすることが可能となる。
【００１５】ところで、第２光学素子の瞳側の面を凸面
形状にすことによって正のパワーを強くすると、光学系
にはより大きく倍率の色収差が発生する。この倍率の色
収差キャンセルする倍率の色収差を、画像を表示する画
像表示素子に予め前もって発生させる電子的な色収差発
生手段と組み合わせて用いることにより、収差のない広
画角の観察像を観察することが可能になる。
【００１６】一般に、正レンズ系では、波長の長い光線
程パワーが弱く（焦点距離が長く）なり、波長が短い光
線はパワーが強く（焦点距離が短く）なる。このため、
画像表示素子に普通に画像を表示させて、このようなレ
ンズ系を接眼光学系として観察すると、波長の長い赤色
の像は小さくなり、波長の短い青色の像は大きく観察さ
れる。このため、画像周辺では色が滲んで観察され、解
像力が低下して鮮明な観察画像を観察することができな
くなってしまう。正レンズ系を投影光学系として用いる
ときも、倍率の色収差が発生してしまう。
【００１７】そこで、本発明においては、光学系で発生
する倍率の色収差を予め打ち消し合うように、画像表示
素子上に表示する画像の大きさを波長毎に変えておくこ
とによって、観察像としては、倍率の色収差があたかも
ないように観察することができるようにするものであ
る。すなわち、色毎に大きさの違う画像を、倍率の色収
差がある光学系を通すことによって、各色の光束を、接
眼光学系の場合は眼球に入射する位置で、投影光学系の
場合はスクリーン等に入射する位置で略一致させること
ができるので、観察像としては倍率の色収差があたかも
ないように観察することができる。
【００１８】逆光線追跡で光学系の射出瞳中心を通り画
像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前
記軸上主光線が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、光
学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、偏心光学系
の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄの光線
を逆光線追跡で物体側から入射し、光学系から射出した
その光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす
角をδｙとし、ｄ／δｙをＹ方向の光学系の焦点距離Ｆ
ｙ、光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交するＸ
方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、光学系
から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に直交す
る面であって軸上主光線を含む面に投影したときのなす
角をδｘとし、ｄ／δｘをＸ方向の光学系の焦点距離Ｆ
ｘとする。同様に第２光学素子のＹ方向の焦点距離をＦ
２ｙ、Ｘ方向の焦点距離をＦ２ｘとするとき、 ０．１＜Ｆｘ／Ｆ２ｘ＜１ ・・・（１） ０．１＜Ｆｙ／Ｆ２ｙ＜１ ・・・（２） の少なくとも一方を満足することが望ましい。
【００１９】これらの条件の下限の０．１を越えると、
第２光学素子の焦点距離が長くなることを表しており、
第２光学素子の正のパワーが光学系全体に対して弱くな
りすぎ、第１光学素子の光束径を小さくする作用が減っ
てしまい、第１光学素子で発生するコマ収差が大きくな
る。また、第１光学素子での光束径が小さくならないた
めに、光学系が大きくなってしまう。また、上限の１を
越えると、第２光学素子の焦点距離が第１光学素子と同
じ程度に短くなる。つまり、第２光学素子のパワーが第
１光学素子に比べて強くなりすぎ、第２光学素子で発生
するコマ収差が今度は大きくなってしまう。また、本発
明の光学系は、第１光学素子で発生するペッバール和を
この第２光学素子で打ち消し合う構成になっているの
が、バランスが崩れペッツバール和が補正過剰になり、
像面湾曲が大きく発生してしまう。
【００２０】さらに好ましくは、 ０．２＜Ｆｘ／Ｆ２ｘ＜０．５ ・・・（１−１） ０．２＜Ｆｙ／Ｆ２ｙ＜０．５ ・・・（２−１） の少なくとも一方を満足することが望ましい。これらの
下限、上限については、上記条件式（１）、（２）と同
様である。
【００２１】さらに好ましくは、上記条件式（１）、
（２）あるいは（１−１）、（２−１）を同時に満足す
ることが好ましい。
【００２２】なお、第１光学素子として、前記のような
第１面から第３面を持つ偏心プリズムを用いる場合に、
その少なくとも１面が、光束にパワーを与えかつ偏心に
より発生する収差を補正する回転非対称な曲面形状を有
することが望ましい。
【００２３】その場合、特に、第２面にそのような回転
非対称な曲面形状を持たせることが望ましく、また、第
３面にもそのような回転非対称な曲面形状を持たせるこ
とが望ましい。
【００２４】本発明の光学系は、接眼光学系あるいは投
影光学系として用いることができるが、光路を逆にし
て、射出瞳側から光線を入射させ、画像表示素子を配置
する像面に撮像素子あるいは写真フィルムを配置して、
対物光学系あるいは撮像光学系として用いることもでき
る。
【００２５】その場合、特にカラー電子撮像素子で撮像
する場合、そのカラー電子撮像素子から出力される異な
った波長領域の画像の大きさを、対物光学系で発生する
倍率色収差を補正するように補正することが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の光学系を図面を参
照しながら実施例に基づいて説明する。
【００２７】図１、図２は、それぞれ実施例１、２の光
学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。逆光線追跡で、
観察者の瞳が位置すべき射出瞳１と、ここでは接眼光学
系として構成されている本発明による光学系３と、画像
表示素子４とからなり、光学系３は、逆光線追跡の順
に、第２光学素子を構成し、第１面２１と第２面２２と
からなる正レンズ２０と、第１光学素子を構成する偏心
プリズム１０とからなり、偏心プリズム１０は、第１面
１１から第３面１３で構成された屈折率が１より大きい
透明媒質からなり、その第１面１１は射出瞳１側からの
光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で
反射された光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第
１面１１から入射した光束をプリズム内で反射し、第３
面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射
出するように構成されており、第１面１１は透過作用と
反射作用を併せ持つ同一の光学作用面となっている。そ
の偏心プリズム１０の第３面１３に面して像面が位置
し、その像面に画像表示素子４が配置されている。
【００２８】そして、本発明に基づいて、正レンズ２０
の射出瞳１側の第１面２１は射出瞳１側に凸面を向けた
面形状となっている。また、正レンズ２０の反対側の面
２２は、偏心プリズム１０の第１面１１と同一形状ある
いはその第１面１１の形状に近接した形状に構成される
ことが望ましく、実施例１、２の場合は、等しい形状で
若干の間隔を置いて配置されている。
【００２９】次に、実施例１、２の構成パラメータを示
す。各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示す
ように、逆光線追跡で、軸上主光線２を、光学系３の射
出瞳１の中心を垂直に通り、画像表示素子３中心に至る
光線で定義する。そして、逆光線追跡において、瞳１の
中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光
線２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１から正レンズ２０
に向かう方向をＺ軸正方向とし、光学系３内で光軸が折
り曲げられる平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ
平面に直交する方向をＸ軸方向とし、図１の紙面の表か
ら裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手
直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００３０】偏心面については、光学系の原点の中心か
らその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ
軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自
由曲面については、後記の引用文献の（ａ）式のＺ軸、
非球面については、後記の（３）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，
β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβ
の正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γ
の正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。な
お、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中
心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時
計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を
新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させる
と共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りに
β回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新
たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ
回転させるものである。
【００３１】また、各実施例の光学系を構成する光学作
用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成
する場合には面間隔が与えられており、その他、媒質の
屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００３２】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開
２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される
自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸とな
る。
【００３３】また、非球面は、以下の定義式で与えられ
る回転対称非球面である。
【００３４】 Ｚ＝（ｙ2 ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｙ2 ／Ｒ2 ｝1 /2］ ＋Ａｙ4 ＋Ｂｙ6 ＋Ｃｙ8 ＋Ｄｙ10＋…… ・・・（３） ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光
線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは
近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそ
れぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００３５】なお、データの記載されていない自由曲
面、非球面に関する項は０である。屈折率については、
ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記して
ある。長さの単位はｍｍである。
【００３６】以下の実施例は、接眼光学系とした場合
に、観察画角は、実施例１は、水平画角３０．０、垂直
画角２２．７°で、画像表示素子４の大きさは１１．２
６×８．４５ｍｍ、瞳径４ｍｍ、実施例２は、水平画角
１８．０、垂直画角１３．５°で、画像表示素子４の大
きさは３．８６×２．９０ｍｍ、瞳径４ｍｍである。
【００３７】なお、以下の数値データの表中の“ＦＦ
Ｓ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射
面、“ＶＰ”は仮想平面をそれぞれ示す。
【００３８】 （実施例１） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 偏心(1) 2 ＦＦＳ 偏心(2) 1.5254 56.2 3 -230.69 偏心(3) 4 -230.69 偏心(4) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(5) 1.5254 56.2 6 -230.69（ＲＥ） 偏心(4) 1.5254 56.2 7 ＦＦＳ 偏心(6) 像 面 ∞ 偏心(7) ＦＦＳ Ｃ4 1.6721×10-2 Ｃ6 1.5309×10-2 Ｃ8 -5.3086×10-5 Ｃ10 2.0805×10-4 Ｃ11 3.6333×10-6 Ｃ13 1.4290×10-5 Ｃ15 -1.0514×10-6 Ｃ17 -4.8680×10-7 Ｃ19 7.4538×10-7 Ｃ21 -1.2441×10-7 ＦＦＳ Ｃ4 -6.4348×10-3 Ｃ6 -6.8583×10-3 Ｃ8 -1.4895×10-5 Ｃ10 6.6582×10-5 Ｃ11 2.3072×10-7 Ｃ13 1.2768×10-6 Ｃ15 -9.3562×10-7 Ｃ17 -1.5547×10-7 Ｃ19 2.2295×10-7 Ｃ21 1.0236×10-7 ＦＦＳ Ｃ4 -6.4264×10-3 Ｃ6 -1.3499×10-2 Ｃ8 3.2570×10-4 Ｃ10 -5.3245×10-5 Ｃ11 7.0349×10-5 Ｃ13 1.8846×10-4 Ｃ15 8.8921×10-5 Ｃ17 3.7078×10-7 Ｃ19 -1.3911×10-5 Ｃ21 -7.2365×10-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 28.36 α 5.14 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 4.27 Ｚ 32.68 α 20.66 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 4.27 Ｚ 32.78 α 20.66 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 0.36 Ｚ 40.69 α -12.27 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 11.57 Ｚ 35.78 α 72.49 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 17.51 Ｚ 38.51 α -114.93 β 0.00 γ 0.00 。
【００３９】 （実施例２） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 偏心(1) 2 193.73 偏心(2) 1.5254 56.2 3 ＡＳＳ 偏心(3) 4 ＡＳＳ 偏心(4) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(5) 1.5254 56.2 6 ＡＳＳ（ＲＥ） 偏心(4) 1.5254 56.2 7 ＦＦＳ 偏心(6) 8 ∞（ＶＰ） 1.96 偏心(7) 像 面 ∞ ＡＳＳ Ｒ -43.95 Ｋ 0.0000 Ａ 1.3421×10-5 Ｂ -1.0210×10-7 ＡＳＳ Ｒ -43.95 Ｋ 0.0000 Ａ 1.3421×10-5 Ｂ -1.0210×10-7 ＦＦＳ Ｃ4 -1.6396×10-2 Ｃ6 -1.7516×10-2 Ｃ8 -1.4808×10-5 Ｃ10 1.2218×10-4 Ｃ11 -3.2056×10-6 Ｃ13 -5.8447×10-6 Ｃ15 -5.0578×10-6 Ｃ17 1.3131×10-8 Ｃ19 4.8170×10-8 Ｃ21 2.8817×10-8 ＦＦＳ Ｃ10 -9.3494×10-6 Ｃ11 -1.3298×10-5 Ｃ13 -3.0780×10-5 Ｃ17 5.1350×10-6 Ｃ19 -6.5931×10-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 23.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 3.47 Ｚ 25.83 α 29.91 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 3.47 Ｚ 25.93 α 29.91 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ -0.03 Ｚ 33.47 α -12.47 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 8.59 Ｚ 26.39 α 79.97 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 8.59 Ｚ 26.39 α 87.23 β 0.00 γ 0.00 。
【００４０】上記実施例１の横収差を図３に示す。この
横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画
角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示
す。
【００４１】また、上記実施例１、２の条件式（１）、
（２）に関する値を次に示す。
【００４２】 Fx Fy F2x F2y Fx/F2x Fy/F2y 実施例１ 21.10 20.87 50.25 49.31 0.4199 0.4232 実施例２ 12.45 12.92 59.52 45.68 0.2091 0.2828 さて、上記のような光学系３を用いて画像表示素子４に
表示する色分解像の表示倍率を色毎に変化させる回路の
ブロックダイヤグラムの一例を図４に示す。映像信号
は、同期分離回路で同期信号と映像信号に分離される。
分離された映像信号は、Ｙ／Ｃ分離、復調、マトリクス
回路を通り、Ｒ、Ｇ、Ｂの各信号に分離される。Ｒ、
Ｇ、Ｂの信号は、それぞれＡ／Ｄ変換され、メモリに格
納される。このとき、書き込まれるメモリのアドレス
は、同期信号から書き込みアドレス発生回路で作られ
る。メモリから読み出すときは、各色の倍率の色収差に
合わせて画像が拡縮するように、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの
読み込みアドレス発生回路でアドレスを同期信号から作
る。読み出されたデータは、Ｄ／Ａ変換され、画像表示
素子４として用いられるカラー液晶表示素子（ＬＣＤ）
に入力され、表示される。このようにして、Ｒの画像、
Ｇの画像、Ｂの画像それぞれを倍率を自由に変えて表示
できるので、光学系３の倍率の色収差を補正することが
できる。なお、本発明の要点は、接眼光学系あるいは投
影光学系の倍率の色収差を打ち消すように、画像表示素
子４に表示する画像の大きさを色毎に変えることであ
り、図４のブロックダイヤグラムはほんの一例にすぎな
い。
【００４３】以上は、１つの画像表示素子に各色毎に異
なる大きさの画像を表示する実施例であるが、次に複数
枚の画像表示素子を用いた例を示す。
【００４４】図５は本発明の光学系を用いた画像表示装
置の１実施例の要部を示す要部概略図である。本実施例
では、それぞれ赤色用、緑色用、青色用の発光ダイオー
ドを透明基板上にマトリクス状に配した３枚のＬＥＤ表
示素子４ｒ、４ｇ、４ｂを用いている。赤色用ＬＥＤ表
示素子４ｒ、緑色用ＬＥＤ表示素子４ｇ、青色用ＬＥＤ
表示素子４ｂの３枚のＬＥＤ表示素子は、密着ないし略
密着して配置されている。観察者の眼球Ｅ内には、本発
明による接眼光学系（簡単のため単一レンズで示してあ
る。）３を介して３枚のＬＥＤ表示素子４ｒ、４ｇ、４
ｂの像が結像されるようになっている。そのため、３枚
の各ＬＥＤ表示素子の透明基板は薄板ガラスを用いてい
る。３枚のＬＥＤ表示素子４ｒ、４ｇ、４ｂは、接眼光
学系３で発生する倍率の色収差を補正するように、それ
ぞれの表示面の大きさが異なっている。ここでは、赤色
用ＬＥＤ表示素子４ｒの大きさに対し、緑色用ＬＥＤ表
示素子４ｇは縦横１％程度、青色用ＬＥＤ表示素子４ｂ
は２％程度小さい表示面を有している。
【００４５】以下に、この実施例の作用を説明する。各
々のＬＥＤ表示素子４ｒ、４ｇ、４ｂを透過した光束
は、接眼光学系３により観察者の眼球Ｅ内に導かれ、Ｌ
ＥＤ表示素子４ｒ、４ｇ、４ｂに表示された表示像は、
観察者の網膜上に結像される。その際、大きさの異なる
表示面に表示される表示像は当然大きさが異なっている
のであるが、接眼光学系３の倍率の色収差と丁度打ち消
し合い、あたかも倍率の色収差のない画像を観察するこ
とができる。
【００４６】本実施例では、表示したい画像の色毎に大
きさの違う表示面を持った複数の画像表示素子を設けて
いる。そのため、画像処理を簡略にすることができる。
また、本実施例では、表示素子毎に予め表示面の大きさ
を設定してあるので、画面枠の色消しのために必要とし
た開口制限手段も必要としなくなり、製造の困難性を緩
和することができる。
【００４７】また、本実施例では、倍率の色収差の他
に、軸上の色収差も補正できる。以下にその理由を説明
する。一般に、正レンズ系では、波長の長い光線程屈折
力が弱くなり焦点距離が長くなる。このため、１つの像
に複数の波長が含まれていると、その波長毎に焦点距離
が異なるので、そのため結像される位置も光軸方向へず
れてしまう。
【００４８】したがって、その軸上の色収差を補正する
ように、屈折力の弱い波長を表示する画像表示素子程レ
ンズ系から遠ざけて配置すると、光軸方向にずれていた
画像の各点からの光束は、接眼光学系を通ることで一致
し、色ずれのないあたかも軸上の色収差が補正された良
好な像を得ることができる。本実施例では、接眼光学系
３で発生する軸上の色収差を補正するように、それぞれ
の表示面の位置を変えており、観察者眼球Ｅから接眼光
学系３へ向かう方向の順序で、青色用表示パネル４ｂ、
緑色用表示パネル４ｇ、赤色用表示パネル４ｒの順に配
置することで、軸上の色収差も補正している。
【００４９】次に、本発明による光学系をポータブルな
ＬＣＤプロジェクションＴＶに用いた例を示す。図６
は、この実施例の要部を示す要部概略図である。符号３
０は、このＬＣＤプロジェクションＴＶの全体を示して
おり、３４は光源であり、略平行光を発するように構成
されている。３５ａ及び３５ｂは青色光を反射する青色
用ダイクロイックミラーであり、３６ａ及び３６ｂは緑
色光を反射する緑色用ダイクロイックミラーである。３
７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄは反射ミラーである。３
８ａ、３８ｂはリレーレンズである。３１ｒ、３１ｇ、
３１ｂは、それぞれ赤色、緑色、青色の映像信号が送ら
れている透過型の液晶表示パネルであり、本発明による
投影光学系（簡単のため単一レンズで示してある。）３
により生じる倍率及び軸上の色収差を補正するように、
予めそれぞれの表示面の大きさの比率が変えられてお
り、かつ、投影光学系３の赤色光、緑色光、青色光に対
応する前側焦平面と共役な面上にそれぞれの色に対応す
る表示パネル３１ｒ、３１ｇ、３１ｂの表示面が配され
ている。
【００５０】この実施例において、３原色（Ｒ、Ｇ、
Ｂ）を含む光源３４からの光は、青色光のみを反射する
青色用ダイクロイックミラー３５ａに供給され、青色光
が分離される。この青色用ダイクロイックミラー３５ａ
を透過した光は、緑色光のみを反射する緑色用ダイクロ
イックミラー３６ａに供給され、緑色光及び赤色光に分
離される。青色光は、反射ミラー３７ａ及び３７ｂで反
射された後、青色用表示パネル３１ｂに供給される。ま
た、緑色光は、反射ミラー３７ｃで反射された後、緑色
用表示パネル３１ｇに供給される。さらに、赤色光も赤
色用表示パネル３１ｒに供給される。そして、赤色用及
び青色用表示パネル３１ｒ、３１ｂで映像信号により輝
度変調された赤色光及び青色光は、第２の青色用ダイク
ロイックミラー３５ｂで合成される。また、緑色用表示
パネル３１ｇで輝度変調された緑色光は、反射ミラー３
７ｂで反射された後、第２の緑色用ダイクロイックミラ
ー３６ｂで赤色及び青色光と合成される。そして、赤色
用表示パネル３１ｒに表示されたＲの画像と青色用表示
パネル３１ｂに表示されたＢの画像とは、リレーレンズ
３８ａにより、また、緑色用表示パネル３１ｇに表示さ
れたＧの画像はリレーレンズ３８ｂにより、それぞれ投
影光学系３の像面４’近傍に等倍で結像される。そし
て、この合成された画像は光は、投影光学系３を介して
スクリーン４０上に投影される。先に述べた通り、各表
示パネル３１ｒ、３１ｇ、３１ｂは、投影光学系３によ
り生じる倍率及び軸上の色収差を補正するように、予め
それぞれの表示面の大きさの比率が変えられており、か
つ、投影光学系３の赤色光、緑色光、青色光に対応する
前側焦平面と共役な面上にそれぞれの色に対応する表示
パネル３１ｒ、３１ｇ、３１ｂの表示面が配されている
ため、投影光学系３に入射する前には、光軸方向の位置
や倍率が各色でずれていた映像が、投影光学系３を通す
ことで、投影光学系３自身の持つ色収差特性と打ち消し
合う。そのため、スクリーン４０上にあたかも色付きの
ない像を形成することができる。
【００５１】本実施例では、ダイクロイックミラーとい
った光路を合成する手段を用いているため、図５の実施
例では、軸上色収差を補正するために、薄い表示素子で
表示手段を構成する必要があったが、本実施例では、特
に表示素子を薄くする必要もなく、種々の表示素子にて
色付きの抑えられた良好な映像を得ることができる。例
えば、このプロジェクションＴＶにおいては、表示手段
として、光源３４、青色用ダイクロイックミラー３５
ａ、３５ｂ、緑色用ダイクロイックミラー３６ａ、３６
ｂ、反射ミラー３７ａ〜３７ｄ、リレーレンズ３８ａ、
３８ｂ、透過型液晶表示パネル３１ｒ、３１ｇ、３１ｂ
を設けている。しかし、これらの代わりに、赤色用液晶
表示パネル３１ｒの位置に赤色用ＣＲＴディスプレイ
を、同様に、３１ｇ、３１ｂの位置に緑用、青用の各Ｃ
ＲＴディスプレイを配置してもよい。また、ＣＲＴに代
わる表示手段であってもよい。
【００５２】次に、本発明による光学系３は、接眼光学
系あるいは投影光学系として用いるときとは光路を逆に
して、射出瞳１側から光線を入射させ、画像表示素子４
を配置する像面に撮像素子あるいは写真フィルムを配置
して、対物光学系あるいは撮像光学系として用いること
ができる。像面にカラー撮像素子を配置する場合に、カ
ラー撮像素子から出力されたＲＧＢの色分解画像信号の
光学系３の倍率色収差による画素位置の色ずれを補正し
て出力する回路のブロックダイヤグラムの一例を図７に
示す。カラー撮像素子（ＣＣＤ）から出力された撮像信
号は、色分離回路でＲ、Ｇ、Ｂの映像信号に分離され、
それぞれＡ／Ｄ変換され、メモリに格納される。このと
き、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの信号が書き込まれるメモリ
のアドレスは、各色の倍率色収差による色ずれを補正す
るように画素を変移させるように、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ
用の書き込みアドレス発生回路でアドレスをドライバー
信号から作る。メモリから読み出すときは、ドライバー
信号から読み込みアドレス発生回路でアドレスが作られ
る。読み出されたデータは、それぞれＤ／Ａ変換され、
マトリクス回路を通り、エンコーダでＮＴＳＣ等の映像
信号として出力される。この図７のブロックダイヤグラ
ムはほんの一例にすぎず、他の方式の回路に適用でき
る。
【００５３】以上、本発明の光学系をいくつかの実施例
に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限
定されず種々の変形が可能である。
【００５４】以上の本発明の光学系は例えば次にように
構成することができる。
【００５５】〔１〕 第１光学素子と第２光学素子とを
備え、画像表示素子によって形成された画像を観察者眼
球あるいはスクリーンに投影して表示する光学系におい
て、前記第１光学素子は、少なくとも３つの面を持ち、
前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折
率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼
球あるいはスクリーンから前記画像表示素子に到る逆光
線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、
前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは
傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２
面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射さ
れ、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面
である第３面で構成されており、前記第２光学素子は、
前記逆光線追跡の順に、前記第１光学素子の前記第１面
の入射側に配置されて正のパワーの屈折作用を有するも
のであり、かつ、その入射側の面が観察者眼球あるいは
スクリーン側に凸面を向けているものであることを特徴
とする光学系。
【００５６】〔２〕 逆光線追跡で光学系の射出瞳中心
を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線
とし、前記軸上主光線が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面
とし、光学系の偏心方向をＹ方向とするとき、Ｙ方向の
光学系の焦点距離をＦｙ、光学系の軸上主光線と平行で
Ｙ−Ｚ面と直交するＸ方向の光学系の焦点距離をＦｘ、
前記第２光学素子のＹ方向の焦点距離をＦ２ｙ、Ｘ方向
の焦点距離をＦ２ｘとするとき、 ０．１＜Ｆｘ／Ｆ２ｘ＜１ ・・・（１） ０．１＜Ｆｙ／Ｆ２ｙ＜１ ・・・（２） の少なくとも一方を満足することを特徴とする上記１記
載の光学系。
【００５７】〔３〕 前記第１光学素子の少なくとも１
面が、光束にパワーを与えかつ偏心により発生する収差
を補正する回転非対称な曲面形状を有することを特徴と
する上記１又は２記載の光学系。
【００５８】〔４〕 前記第２面が光束にパワーを与え
かつ偏心により発生する収差を補正する回転非対称な曲
面形状を有することを特徴とする上記３記載の光学系。
【００５９】〔５〕 前記第３面が光束にパワーを与え
かつ偏心により発生する収差を補正する回転非対称な曲
面形状を有することを特徴とする上記３又は４記載の光
学系。
【００６０】〔６〕 前記光学系で発生する倍率色収差
を補正するように、前記画像表示素子に表示する異なっ
た波長領域の画像それぞれの表示比率が異ならされてい
ることを特徴とする上記１記載の光学系。
【００６１】〔７〕 前記画像表示素子に表示する異な
った波長領域の画像それぞれの表示比率を異ならせるの
に、電子的手段を用いることを特徴とする上記６記載の
光学系。
【００６２】〔８〕 光路を逆にして、射出瞳側から光
線を入射させ、画像表示素子を配置する像面に撮像素子
あるいは写真フィルムを配置して、対物光学系あるいは
撮像光学系として用いることを特徴とする上記１から６
の何れか１項記載の光学系。
【００６３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、画像表示素子に表示された画像を観察者眼球
あるいはスクリーンに投影して表示するための小型で広
画角の光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の光学系の構成を示すＹ−Ｚ
断面図である。
【図２】本発明の実施例２の光学系の構成を示すＹ−Ｚ
断面図である。
【図３】実施例１の横収差図である。
【図４】色分解像の表示倍率を色毎に変化させる回路の
一例のブロックダイヤグラムである。
【図５】本発明による光学系を用いた画像表示装置の１
実施例の要部を示す要部概略図である。
【図６】本発明による光学系を用いたポータブルなＬＣ
ＤプロジェクションＴＶの実施例の要部を示す要部概略
図である。
【図７】色分解画像信号の光学系の倍率色収差による画
素位置の色ずれを補正して出力する回路の一例のブロッ
クダイヤグラムである。
【符号の説明】
１…射出瞳 ２…軸上主光線 ３…光学系（本発明） ４…画像表示素子 ４ｒ…赤色用ＬＥＤ表示素子 ４ｇ…緑色用ＬＥＤ表示素子 ４ｂ…青色用ＬＥＤ表示素子 ４’…像面 １０…偏心プリズム １１…偏心プリズムの第１面 １２…偏心プリズムの第２面 １３…偏心プリズムの第３面 ２０…正レンズ ３０…ＬＣＤプロジェクションＴＶ ３１ｂ…青色用表示パネル ３１ｇ…緑色用表示パネル ３１ｒ…赤色用表示パネル ３４…光源 ３５ａ、３５ｂ…青色用ダイクロイックミラー ３６ａ、３６ｂ…緑色用ダイクロイックミラー ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ…反射ミラー ３８ａ、３８ｂ…リレーレンズ ４０…スクリーン

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１光学素子と第２光学素子とを備え、
    画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球ある
    いはスクリーンに投影して表示する光学系において、 前記第１光学素子は、少なくとも３つの面を持ち、前記
    少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が
    １より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球あ
    るいはスクリーンから前記画像表示素子に到る逆光線追
    跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記
    第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾い
    て配置された正のパワーを有する反射面である第２面、
    前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前
    記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である
    第３面で構成されており、 前記第２光学素子は、前記逆光線追跡の順に、前記第１
    光学素子の前記第１面の入射側に配置されて正のパワー
    の屈折作用を有するものであり、かつ、その入射側の面
    が観察者眼球あるいはスクリーン側に凸面を向けている
    ものであることを特徴とする光学系。
  2. 【請求項２】 逆光線追跡で光学系の射出瞳中心を通り
    画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、
    前記軸上主光線が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、
    光学系の偏心方向をＹ方向とするとき、Ｙ方向の光学系
    の焦点距離をＦｙ、光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ
    面と直交するＸ方向の光学系の焦点距離をＦｘ、前記第
    ２光学素子のＹ方向の焦点距離をＦ２ｙ、Ｘ方向の焦点
    距離をＦ２ｘとするとき、 ０．１＜Ｆｘ／Ｆ２ｘ＜１ ・・・（１） ０．１＜Ｆｙ／Ｆ２ｙ＜１ ・・・（２） の少なくとも一方を満足することを特徴とする請求項１
    記載の光学系。
  3. 【請求項３】 前記光学系で発生する倍率色収差を補正
    するように、前記画像表示素子に表示する異なった波長
    領域の画像それぞれの表示比率が異ならされていること
    を特徴とする請求項１記載の光学系。
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