JP2003004910A - Optical element and optical device using the same - Google Patents

Optical element and optical device using the same

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JP2003004910A
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孝吉 研野
Takahiro Amauchi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element suitable for a portable display device in which a preferable enlarged image can be obtained although the element is small-sized and inexpensive with little power consumption. SOLUTION: The projection type optical device is composed of a display element 3 to display a video or its intermediate video, a relay optical system 31 to project the video displayed on the display element or the intermediate video, and an eyepiece optical system 32 having a converging function to converge the flux from the relay optical system 31 to the eyes of an observer. The eyepiece optical system 32 has at least one free curved face 21 and at least one Fresnel reflective face 22.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子及びそれ
を用いた光学装置に関し、特に、接眼光学系に自由曲面
とフレネル反射面を用いて歪みや諸収差の少ない表示装
置であって、持ち歩ける小型の表示装置に使用する光学
素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical element and an optical device using the same, and more particularly to a display device having a free-form surface and a Fresnel reflecting surface in an eyepiece optical system with little distortion and various aberrations, which can be carried around. The present invention relates to an optical element used for a small display device.

【0002】[0002]

【従来の技術】小型表示装置としては、携帯電話や携帯
端末として直視型の液晶表示装置が多く用いられてい
た。しかし、画素数の多い高精細な表示や動画像を表示
するには、表示速度が速く高価なアクティブ・マトリッ
クス液晶を使う必要があり、表示装置が高価になる問題
があった。また、消費電力も大きく、長時間の表示を行
うためには大きな容量を持った電池を必要とし、大きく
重い電池を必要とした。さらに、表示内容を周りの人か
ら覗かれる心配があった。
2. Description of the Related Art As a small display device, a direct-view type liquid crystal display device has been widely used as a mobile phone or a mobile terminal. However, in order to display a high-definition display having a large number of pixels and a moving image, it is necessary to use an active matrix liquid crystal which has a high display speed and is expensive, and there is a problem that the display device becomes expensive. In addition, it consumes a large amount of power, requires a battery having a large capacity to display for a long time, and requires a large and heavy battery. Furthermore, there was a concern that the displayed contents would be seen by people around them.

【0003】一方、小型の表示素子を用いて光学系によ
り拡大表示するのもとして、特開昭48−102527
号のものや、本出願人よる特開平5−303054号の
ものがある。これらは、表示装置を凹面鏡を用いて虚像
として拡大表示するものである。特に、後者は、非回転
対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るもので
ある。しかし、表示素子に必要とされる大きさが比較的
大きいものが必要であり、直視型の表示装置に比べて特
に小型の表示素子が使える訳ではなく、当初の目的を達
成することはできない。
On the other hand, as an enlarged display by an optical system using a small-sized display element, Japanese Patent Laid-Open No. 102527/1988 has been proposed.
And JP-A-5-303054 by the present applicant. These enlarge and display a display device as a virtual image using a concave mirror. In particular, the latter obtains a projected image with less aberration by using a non-rotationally symmetric reflecting surface. However, a relatively large size is required for the display element, a particularly small display element cannot be used as compared with a direct-view type display device, and the original purpose cannot be achieved.

【0004】次に、本発明人による特開平5−3030
55号、特開2000−221440に示される投影光
学系により、表示素子の映像を空中に1回投影し、その
像を凹面鏡によりさらに拡大表示する方法が提案されて
いる。装置としては、特開平7−270781号、特開
平9−139901号のものがある。
Next, JP-A-5-3030 by the present inventor
No. 55, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221440 proposes a method of projecting an image of a display device once in the air and further magnifying and displaying the image by a concave mirror. Examples of the apparatus include those disclosed in JP-A-7-270781 and JP-A-9-139901.

【0005】また、米国特許第5,274,406号に
は、偏心配置の投影レンズを用いて画像をスクリーンに
投影する場合に、像の歪み、焦点外れを補正するために
偏心配置の自由曲面及びそのフレネル面からなる反射面
を用いることが提案されている。
US Pat. No. 5,274,406 discloses a free-form surface having an eccentric arrangement for correcting image distortion and defocus when an image is projected on a screen using a projection lens having an eccentric arrangement. Also, it has been proposed to use a reflective surface composed of the Fresnel surface.

【0006】また、米国特許第4,006,971号に
は、カメラのファインダー系に用いられるフレネル反射
面あるいはフレネル屈折面であって、フレネル面を楕円
面か構成することにより非点収差、コマ収差を補正した
ものが提案されている。
Further, US Pat. No. 4,006,971 discloses a Fresnel reflecting surface or a Fresnel refracting surface used in a finder system of a camera, in which an astigmatism and a coma are formed by forming the Fresnel surface as an elliptical surface. A correction for aberration has been proposed.

【0007】さらに、特開平7−104209号におい
ては、頭部装着型の表示装置の接眼光学系を構成するミ
ラーを回転非対称なパワー持つものとし、その接眼光学
系のミラーを微小なミラーの集合体から構成するものが
提案されている。
Further, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-104209, a mirror constituting an eyepiece optical system of a head-mounted display device has a rotationally asymmetric power, and the mirror of the eyepiece optical system is a collection of minute mirrors. Those composed of the body have been proposed.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】従来の表示素子を直接
凹面鏡等で拡大するタイプは、表示素子としてある程度
大きなものを使用せざるを得ず、小型の表示装置を構成
することはできなかった。また、表示素子の映像を空中
に1回投影する方式の場合は小型の表示素子を用いるこ
とが可能であり、安価に大きい画面の表示を観察するこ
とが可能な光学系であるが、接眼光学系の射出瞳位置が
短く、頭部直前に接眼光学系を配置する必要があり、手
に持って観察する場合には画面全面を観察することはで
きなかった。
In the conventional type in which the display element is directly magnified by a concave mirror or the like, a large display element has to be used as a display element, and a small display device cannot be constructed. Further, in the case of the method of projecting the image of the display element once in the air, a small display element can be used, and it is an optical system capable of observing a large screen display at low cost. The exit pupil position of the system is short, and it is necessary to dispose the eyepiece optical system immediately in front of the head, and when observing while holding it in the hand, it was not possible to observe the entire screen.

【0009】また、接眼光学系として反射型のものを用
いる場合、光路を折り返すことが可能となり、未使用時
に折り畳んでしまえる等、装置が小型化できるが、反
面、瞳の偏心収差の発生量が著しく、画面全面の像観察
が困難となる問題がある。
Further, when a reflective type eyepiece optical system is used, the optical path can be folded back, and the apparatus can be miniaturized such that it can be folded when not in use, but the amount of eccentric aberration of the pupil is generated. However, there is a problem that it becomes difficult to observe an image on the entire surface of the screen.

【0010】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、小型で消費電力が
少なく、安価でありながら、良好な拡大像が得られる携
帯型表示装置に適した光学素子を提供することである。
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object thereof is to provide a portable display device which can obtain a good magnified image while being small in size, low in power consumption, and inexpensive. It is to provide a suitable optical element.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光学素子は、少なくとも2つの光学作用面を備えた
光学素子において、その中の1つの光学作用面は回転非
対称な面で構成され、もう1つの光学作用面はフレネル
面からなることを特徴とするものである。
The optical element of the present invention which achieves the above object is an optical element having at least two optical action surfaces, one of which is a rotationally asymmetric surface. Another optical working surface is a Fresnel surface.

【0012】このような光学素子を用いることにより像
拡大光学装置を構成することができる。
An image enlarging optical device can be constructed by using such an optical element.

【0013】また、このような光学素子として正のパワ
ーを持つものを用い、映像を拡大するためのリレー光学
系と共に使用することで映像表示装置を構成することが
できる。
An image display device can be constructed by using such an optical element having a positive power and using it together with a relay optical system for enlarging an image.

【0014】さらに、本発明は、映像を表示する表示素
子又はその中間像と、前記表示素子に表示された映像又
は中間像を投影するリレー光学系と、リレー光学系から
の光束を観察者の眼球に向って収束する収束作用を有す
る接眼光学系とから構成され、前記接眼光学系が少なく
とも1つ以上の自由曲面と少なくとも1つ以上のフレネ
ル反射面を有することを特徴とする投影型光学装置を含
むものである。
Further, according to the present invention, a display element for displaying an image or an intermediate image thereof, a relay optical system for projecting the image or the intermediate image displayed on the display element, and a light flux from the relay optical system for an observer. A projection-type optical device comprising an eyepiece optical system having a converging action that converges toward an eyeball, the eyepiece optical system having at least one free-form surface and at least one Fresnel reflecting surface. Is included.

【0015】以下、本発明において上記構成を採用する
理由と作用について説明する。
Hereinafter, the reason why the above structure is adopted in the present invention and the operation thereof will be described.

【0016】本発明の投影型光学装置は、映像を表示す
る表示素子又はその中間像と、表示素子に表示された映
像又は中間像を投影するリレー光学系と、リレー光学系
からの光束を観察者の眼球に向って収束する収束作用を
有する接眼光学系とから構成されるもので、リレー光学
系としては偏心プリズム光学系を用いる。
The projection type optical apparatus of the present invention observes a display element or an intermediate image thereof for displaying an image, a relay optical system for projecting the image or the intermediate image displayed on the display element, and a light beam from the relay optical system. And an eyepiece optical system having a converging action that converges toward the human eyeball, and a decentered prism optical system is used as the relay optical system.

【0017】小型の表示素子は生産性が良いことから、
安価に高画素の表示素子を入手することが可能である。
表示画像の対角の長さが1インチ以下の表示素子を用い
ることが望ましく、さらに好ましくは0.5インチ以下
の表示素子を使うことが、安価な表示装置を構成する場
合に有利となる。
Since small display elements have high productivity,
It is possible to obtain a high-pixel display element at low cost.
It is desirable to use a display element having a diagonal length of a display image of 1 inch or less, and more preferably to use a display element having a diagonal length of 0.5 inch or less, which is advantageous when an inexpensive display device is constructed.

【0018】このように小型の表示素子を用いる場合に
は、虫目がねのような光学系で表示画像を拡大するだけ
では拡大倍率が不足であり、十分な大きさの映像として
観察することはできない。そこで、リレー光学系で表示
素子の映像を一度拡大投影し、リレー光学系で投影され
た像(中間像)をさらに接眼光学系で拡大すると同時
に、リレー光学系からの光束を観察者眼球に収束する作
用を有する接眼光学系により構成することが重要であ
る。
When such a small display element is used, the enlargement magnification is insufficient only by enlarging the display image with an optical system such as a magnifying glass, and the image should be observed as a sufficiently large image. I can't. Therefore, the image of the display element is once enlarged and projected by the relay optical system, the image (intermediate image) projected by the relay optical system is further enlarged by the eyepiece optical system, and at the same time, the light flux from the relay optical system is converged on the observer's eye. It is important that the eyepiece optical system has the function of

【0019】本発明の光学素子は、虫目がねのような像
拡大光学装置として用いることができるが、このような
リレー光学系と共に用いる接眼光学系として用いるもの
である。
The optical element of the present invention can be used as an image magnifying optical device such as a magnifying glass, but is also used as an eyepiece optical system for use with such a relay optical system.

【0020】小型の表示素子を接眼光学系近傍に拡大投
影するリレー光学系に偏心プリズム光学系を用いること
により、小型のリレー光学系を構成することが可能とな
る。
By using a decentered prism optical system as a relay optical system for enlarging and projecting a small display element in the vicinity of the eyepiece optical system, a small relay optical system can be constructed.

【0021】すなわち、リレー光学系として、屈折率
(n)が1よりも大きい(n>1)媒質で形成され、表
示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射
面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも1つ
の反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有
し、その少なくとも1つの反射面が、光束にパワーを与
える曲面形状を有する偏心プリズム単数あるいは複数備
えてなる偏心プリズム光学系を用いることが望ましい。
That is, as a relay optical system, an incident surface formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1), and a luminous flux emitted from a display element entering the prism, and the luminous flux At least one reflecting surface that reflects inside the prism and an exit surface that emits the light beam to the outside of the prism, and at least one reflecting surface includes one or more decentering prisms having a curved surface shape that gives power to the light beam. It is desirable to use the decentered prism optical system.

【0022】レンズのような屈折光学素子は、その境界
面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせるこ
とができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折す
る際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生
が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別
の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
A refractive optical element such as a lens can be given power only by providing a curvature at its boundary surface. Therefore, when light rays are refracted at the boundary surface of the lens, chromatic aberration is unavoidable due to the chromatic dispersion characteristic of the refractive optical element. As a result, another refractive optical element is generally added for the purpose of correcting chromatic aberration.

【0023】一方、ミラーやプリズム等のような反射光
学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色
収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために
別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光
学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系
に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の
削減が可能である。
On the other hand, a reflective optical element such as a mirror or prism does not cause chromatic aberration in principle even if its reflecting surface has power, and another optical element is provided only for the purpose of correcting chromatic aberration. No need to add. Therefore, the optical system using the reflective optical element can reduce the number of constituent optical elements from the viewpoint of chromatic aberration correction, as compared with the optical system using the refractive optical element.

【0024】同時に、反射光学素子を用いた反射光学系
は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比
べて光学系自身を小さくすることが可能である。
At the same time, in the reflection optical system using the reflection optical element, since the optical path is folded, it is possible to make the optical system itself smaller than the refraction optical system.

【0025】また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感
度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。
しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの
面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム
単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て
精度、調整工数が不要である。
Further, since the reflecting surface has a higher sensitivity to decentering error than the refracting surface, high precision is required for assembly and adjustment.
However, among the reflective optical elements, since the relative positional relationship of the respective surfaces of the prism is fixed, it is sufficient to control the eccentricity of the prism alone, and unnecessary assembly accuracy and adjustment man-hours are unnecessary.

【0026】さらに、プリズムは、屈折面である入射面
と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもた
ないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特
に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面
である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミ
ラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レ
ンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を
非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内
部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているた
めに、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中
に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型
化、小型化が可能である。
Further, the prism has an entrance surface, an exit surface, and a reflecting surface which are refracting surfaces, and has a greater degree of freedom in aberration correction than a mirror having only a reflecting surface. In particular, by reflecting most of the desired power on the reflecting surface and reducing the power of the entrance surface and the exit surface, which are refracting surfaces, while maintaining a large degree of freedom in aberration correction compared to a mirror, the It is possible to make the occurrence of chromatic aberration much smaller than that of such a refracting optical element. Further, since the inside of the prism is filled with a transparent material having a higher refractive index than that of air, the optical path length can be made longer than that of air, and the optical system of the optical system can be used rather than a lens or mirror arranged in the air. It can be made thinner and smaller.

【0027】また、投影光学系は、中心性能はもちろん
のこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共
軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後
で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れ
ることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟
んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分
満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的であ
る。
Further, the projection optical system is required to have good image forming performance not only in the central performance but also in the periphery. In the case of a general coaxial optical system, the sign of the ray height of an off-axis ray is reversed before and after the stop, so that the symmetry of the optical element with respect to the stop is broken and the off-axis aberration is deteriorated. Therefore, it is general to arrange the refracting surfaces with the diaphragm interposed therebetween to sufficiently satisfy the symmetry with respect to the diaphragm and correct the off-axis aberration.

【0028】したがって、本発明では、表示素子から射
出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光
束をプリズム内で反射する少なくとも1つの反射面と、
光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、少なくと
も1つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有
し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正す
る回転非対称な面形状にて構成されているプリズム部材
を用いて、偏心収差を補正することにより、中心ばかり
でなく軸外収差も良好に補正することを可能になる。
Therefore, according to the present invention, the incident surface on which the light beam emitted from the display element is made incident on the prism, and the at least one reflecting surface for reflecting the light beam on the prism,
An exit surface for emitting the light beam to the outside of the prism, and at least one reflecting surface has a curved surface shape that gives power to the light beam, and the curved surface shape is a rotationally asymmetric surface shape that corrects aberrations caused by decentering. By correcting the eccentric aberration using the prism member configured as described above, it becomes possible to satisfactorily correct not only the center but also the off-axis aberration.

【0029】さらに、そのようなリレー光学系によって
投影される1次像を形成する光束は、リレー光学系から
発散しながら1次像を形成する。接眼光学系は、この発
散する光束を効率良く観察者の眼に収束させる収束作用
を有することが必要である。接眼光学系にこの収束作用
がない場合には、1次像を形成する光束は発散しながら
観察者の眼に届くために、眼球に入射して映像として認
識される光束は、表示素子を射出した光束の中の極一部
の光束となってしまい、非常に暗い像しか観察できなく
なってしまう。
Further, the light flux forming the primary image projected by such a relay optical system forms a primary image while diverging from the relay optical system. The eyepiece optical system is required to have a converging function for efficiently converging this divergent light beam to the observer's eye. When the eyepiece optical system does not have this converging action, the light flux forming the primary image reaches the observer's eye while diverging, so that the light flux entering the eyeball and recognized as an image exits the display element. Only a very dark image can be observed because it becomes a very small part of the light flux.

【0030】したがって、本発明において接眼光学系等
に用いる光学素子は、収束作用を持つことが重要である
が、そのために球面等の幾何学形状とすると、球欠分の
出っ張りが生じてしまい装置が小型化できない。そのた
め、その光学素子の収束作用を担う面として、フレネル
面を有することが重要である。そして、装置をコンパク
トにするためには、光路を折り曲げる必要があり、その
フレネル面を偏心配置することが重要である。しかし、
収束作用を有する面を偏心配置することで、偏心収差が
発生し、画面全面で均一な像観察が困難となってしま
う。そのような偏心収差を打ち消すためには、フレネル
面として回転非対称な自由曲面等で構成することが望ま
しいが、回転非対称なフレネル面を製作することは非常
に難しい。したがって、接眼光学系等に用いる光学素子
は、収束作用を有し、偏心収差の発生量が小さく、か
つ、製作が容易である回転対称なフレネル面と、偏心収
差を補正する自由曲面等の回転非対称な面とを分離して
有していることが重要である。この構成により、表示素
子を射出し、リレー光学系を通過した光線は有効に観察
者眼球に集まるようになり、照明効率の良い表示が得ら
れると同時に、電車の中等でも隣りの人に表示内容を覗
かれる心配がないものとなる。
Therefore, in the present invention, it is important that the optical element used in the eyepiece optical system or the like has a converging action. Therefore, if the optical element has a geometrical shape such as a spherical surface, a protrusion corresponding to a spherical deficiency will occur. Cannot be miniaturized. Therefore, it is important to have a Fresnel surface as a surface that bears the converging action of the optical element. Further, in order to make the device compact, it is necessary to bend the optical path, and it is important to dispose the Fresnel surface eccentrically. But,
By eccentrically arranging the surface having the converging function, decentering aberration occurs, and it becomes difficult to observe a uniform image on the entire screen. In order to cancel such eccentric aberration, it is desirable to form the Fresnel surface by a rotationally asymmetric free-form surface or the like, but it is very difficult to manufacture a rotationally asymmetric Fresnel surface. Therefore, the optical element used for the eyepiece optical system has a converging action, a small amount of eccentric aberration is generated, and a rotationally symmetric Fresnel surface that is easy to manufacture and a free-form surface that corrects eccentric aberration. It is important to have separate asymmetric surfaces. With this configuration, the light rays that have emitted from the display element and have passed through the relay optical system are effectively gathered at the observer's eyeball, and at the same time, display with good illumination efficiency can be obtained, and at the same time, the contents displayed to the neighbors even in the train etc. You will not have to worry about being peeked at.

【0031】なお、自由曲面とは、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。
The free-form surface is, for example, US Pat. No. 6,124,989 (JP 2000-66105 A).
(A) is a free-form surface, and the Z axis of the definition expression is the axis of the free-form surface.

【0032】ここで、本発明で用いるフレネル面につい
て説明しておく。フレネル面は、基礎となる曲面を細い
輪状の小面に切り分け、その切り分けた多数の輪状の小
面を輪帯状に配列したもので、本発明で用いるフレネル
面はその基礎となる曲面が回転対称な面形状のものであ
り、図13にその模式図を示す。図13(a)は本発明
で用いるフレネル面60の斜視図、図13(b)はその
中心を含む何れかの縦断面図である。図示の例では、回
転対称なフレネル面60を実現するために、フレネルピ
ッチを回転対称な球面形状することによって、回転対称
なフレネル面を実現している。そして、このフレネル面
60を屈折面とすることによりフレネル透過面となり、
フレネル面60を反射面とすることによりフレネル反射
面となる。なお、フレネル面60をフレネル透過面と
し、そのフレネル透過面に近接した別の光学面を反射面
とすることにより、フレネル反射面とすることもでき
る。
Here, the Fresnel surface used in the present invention will be described. The Fresnel surface is obtained by cutting the basic curved surface into thin ring-shaped small surfaces, and arranging a large number of the divided ring-shaped small surfaces in the shape of an orbicular zone. The Fresnel surface used in the present invention has the basic curved surface rotationally symmetrical. It has a flat surface shape, and its schematic view is shown in FIG. FIG. 13A is a perspective view of the Fresnel surface 60 used in the present invention, and FIG. 13B is a vertical cross-sectional view including the center thereof. In the illustrated example, in order to realize the rotationally symmetric Fresnel surface 60, the Fresnel pitch is formed into a rotationally symmetric spherical surface to realize the rotationally symmetric Fresnel surface. Then, by making this Fresnel surface 60 a refraction surface, it becomes a Fresnel transmission surface,
By using the Fresnel surface 60 as a reflecting surface, it becomes a Fresnel reflecting surface. The Fresnel surface 60 may be a Fresnel transmissive surface, and another optical surface close to the Fresnel transmissive surface may be a reflective surface to form a Fresnel reflective surface.

【0033】さて、本発明の光学素子において、図12
(a)に模式的な断面を示すように、回転対称なフレネ
ル面をフレネル透過面61とし、屈折率(n)が1より
も大きい(n>1)媒質を挟んでその入射側あるいは射
出側の面(光学作用面)も自由曲面等の回転非対称な形
状の透過面62として、光学素子を透過型の光学素子6
3とすることもできるし、図12(b)に示すように、
回転対称なフレネル面をフレネル透過面61とし、屈折
率(n)が1よりも大きい(n>1)媒質を挟んでその
射出側の面(光学作用面)を自由曲面等の回転非対称な
形状の反射面64として裏面鏡タイプの光学素子65と
することもできるし、図12(c)にを示すように、屈
折率(n)が1よりも大きい(n>1)媒質を挟んで自
由曲面等の回転非対称な形状の透過面62の射出側の面
(光学作用面)を回転対称なフレネル反射面66とする
裏面鏡タイプの光学素子67とすることもできる。
Now, in the optical element of the present invention, FIG.
As shown in a schematic cross section in (a), a rotationally symmetric Fresnel surface is used as a Fresnel transmission surface 61, and a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1) is sandwiched between the incident side and the exit side. The surface (optical action surface) of the optical element is a transmission surface 62 having a rotationally asymmetrical shape such as a free-form surface.
It can be set to 3, or as shown in FIG.
A rotationally symmetric Fresnel surface is used as a Fresnel transmission surface 61, and a surface on the exit side (optical action surface) of a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1) is rotationally asymmetrical such as a free-form surface. The reflecting surface 64 can be a rear-view mirror type optical element 65, and as shown in FIG. 12C, a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1) can be freely sandwiched. It is also possible to use a rear surface mirror type optical element 67 in which the exit side surface (optical action surface) of the rotationally asymmetrical transmission surface 62 such as a curved surface is a rotationally symmetric Fresnel reflection surface 66.

【0034】さて、本発明においては、上記のような光
学素子を収束作用を有する接眼光学系として用い、表示
素子に表示された映像又は中間像を投影するリレー光学
系と、このリレー光学系からの光束をその接眼光学系に
よって観察者の眼球に向って収束するようにして投影型
光学装置を構成することができる。このような構成は、
特開2000−221440の場合と同様であるが、特
開2000−221440のものは観察者頭部に装着し
て観察することを念頭に発明されたものであり、混雑し
た電車の中で手軽にポケットから出して見て、またポケ
ットにしまうような使い方には不向きである。
In the present invention, the optical element as described above is used as an eyepiece optical system having a converging action, and a relay optical system for projecting an image or an intermediate image displayed on the display element, and the relay optical system It is possible to configure the projection type optical device by converging the light flux of (3) toward the eyeball of the observer by the eyepiece optical system. Such a configuration
Although it is similar to the case of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221440, that of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221440 was invented with the idea of mounting on the observer's head for observation, and can be easily used in a crowded train. It is unsuitable for use in a pocket when you take it out of your pocket.

【0035】そこで、本発明では、接眼光学系の焦点距
離を最適化して、表示素子を眼から50mm以上離した
位置でも画面全体が観察できるように、接眼光学系の射
出瞳を接眼光学系から80mm以上離すことが重要であ
る。つまり、接眼光学系の射出瞳位置と接眼光学系の射
出瞳側の面との軸上距離をEXPeとするとき、 80mm<EXPe<1000mm ・・・(1) なる条件式を満足することが好ましい。上記条件式の下
限の80mmを越えると、眼を装置に近づけて観察しな
いと、全画面を観察することができなくなってしまい、
見難くなってしまう。また、装置上に配置される操作ボ
タンやスイッチを操作する場合、その下限を越えると、
装置と観察者顔面との距離が短くなりすぎ、操作するた
めに装置と顔面の間に指を持っていくことができなくな
ってしまう。また、その上限の1000mmを越える
と、逆に遠くなりすぎ、画面が小さくなってしまい細か
い映像が観察できなくなると同時に、操作のために手が
届かなくなってしまい、操作できなくなってしまう。
Accordingly, in the present invention, the focal length of the eyepiece optical system is optimized so that the exit pupil of the eyepiece optical system is changed from the eyepiece optical system so that the entire screen can be observed even at a position where the display element is separated from the eye by 50 mm or more. It is important to separate them by 80 mm or more. That is, when EXPe is the axial distance between the exit pupil position of the eyepiece optical system and the exit pupil side surface of the eyepiece optical system, it is preferable that the conditional expression of 80 mm <EXPe <1000 mm (1) is satisfied. . If the lower limit of 80 mm of the above conditional expression is exceeded, the entire screen cannot be observed unless the eyes are brought close to the device for observation.
It becomes hard to see. Also, when operating the operation buttons or switches arranged on the device, if the lower limit is exceeded,
The distance between the device and the observer's face becomes too short, making it impossible to carry a finger between the device and the face for operation. If the upper limit of 1000 mm is exceeded, on the contrary, the distance becomes too large, and the screen becomes small so that a detailed image cannot be observed, and at the same time, it becomes unreachable for the operation and cannot be operated.

【0036】さらに好ましくは、 100mm<EXPe<1000mm ・・・(1−1) なる条件を満足することが重要である。その下限の10
0mmを越えると、表示画面ではなく表示素子上に配置
された操作ボタン等を観察者が操作するために手を表示
素子と観察者顔面の間に入れることができなくなり、画
面を見ながら操作することができなくなってしまう。
More preferably, it is important to satisfy the condition of 100 mm <EXPe <1000 mm (1-1). The lower limit of 10
When the distance exceeds 0 mm, the observer operates the operation buttons and the like arranged on the display element instead of the display screen, so that the hands cannot be put between the display element and the observer's face, and the operator operates while viewing the screen. I will not be able to.

【0037】さらに好ましくは、 300mm<EXPe<1000mm ・・・(1−2) なる条件を満足することが重要である。その下限の30
0mmを越えると、表示素子が明視の距離よい近いため
に、操作ボタン等の操作をする場合に近すぎて見えなく
なってしまう。
More preferably, it is important to satisfy the condition of 300 mm <EXPe <1000 mm (1-2). The lower limit of 30
If the distance exceeds 0 mm, the display element is close to the clear vision, so that it is too close to be seen when operating the operation buttons or the like, and the display becomes invisible.

【0038】さて、ここで偏心光学系及び光学面のパワ
ーを定義する。光軸方向をZ軸方向にとり、偏心光学系
及び光学面の偏心方向をY軸方向にとり、それらと直交
する方向をX軸方向とするとき、Y−Z面内とX−Z面
内の2つの方向の光線に対して、軸上主光線と微小距離
離れた平行光線を偏心光学系、光学面に入射させ、特開
平11−194267号の段落〔0049〕と同様にパ
ワーPx、Pyを定義し、それらの逆数を焦点距離F
x、Fyと定義する。
Now, the powers of the decentered optical system and the optical surface will be defined. When the optical axis direction is the Z-axis direction, the decentering direction of the decentered optical system and the optical surface is the Y-axis direction, and the direction orthogonal to them is the X-axis direction, two in the YZ plane and the XZ plane are defined. With respect to light rays in one direction, parallel rays separated from the axial principal ray by a minute distance are made incident on the decentered optical system and the optical surface, and powers Px and Py are defined in the same manner as in paragraph [0049] of JP-A No. 11-194267. The focal length F
It is defined as x and Fy.

【0039】接眼光学系のパワーをPx3、Py3、リ
レー光学系のパワーをPPx、PPyとするとき、 0<|Px3/PPx|<2 ・・・(2) 0<|Py3/PPy|<2 ・・・(3) なる条件の少なくともいずれか一方を満足することが重
要である。
When the power of the eyepiece optical system is Px3 and Py3 and the power of the relay optical system is PPx and PPy, 0 <| Px3 / PPx | <2 (2) 0 <| Py3 / PPy | <2 It is important that at least one of the conditions (3) is satisfied.

【0040】この条件式は、接眼光学系とリレー光学系
のパワーの比を表しており、下限の0を越えると、接眼
光学系のパワーが小さく(弱く)なりすぎ、見やすい大
きさのある程度の観察画角を有する表示装置にならない
ので、表示映像が小さすぎ細かい表示を観察することが
できなくなってしまう。また、上限の2を越えると、リ
レー光学系のパワーが小さく(弱く)なりすぎ、小型の
表示素子を使うことができなくなり、装置が大型化する
と同時に、消費電力も大きくなってしまい、高価にな
る。
This conditional expression expresses the ratio of the powers of the eyepiece optical system and the relay optical system. When the lower limit of 0 is exceeded, the power of the eyepiece optical system becomes too small (weak), and the eyepiece optical system has a size that is easy to see. Since the display device does not have an observation angle of view, the displayed image is too small to observe a fine display. Further, when the upper limit of 2 is exceeded, the power of the relay optical system becomes too small (weak), a small display element cannot be used, the device becomes large, and at the same time the power consumption becomes large, which is expensive. Become.

【0041】さらに好ましくは、 0.01<|Px3/PPx|<0.7 ・・・(2−1) 0.01<|Py3/PPy|<0.7 ・・・(3−1) なる条件の少なくともいずれか一方を満足することが重
要である。これらの条件式も上記条件式と同様である
が、特にそれぞれの上限の0.7を越えると、接眼光学
系の大きさがB5サイズ以下の表示装置を構成する場合
に重要となり、表示装置がB5サイズに納まらなくなっ
てしまい、持ち運べるノートサイズにならなくなってし
まう。
More preferably, 0.01 <| Px3 / PPx | <0.7 (2-1) 0.01 <| Py3 / PPy | <0.7 (3-1) It is important to meet at least one of the conditions. These conditional expressions are similar to the above conditional expressions, but if the respective upper limits of 0.7 are exceeded, it becomes important in the case of constructing a display device in which the size of the eyepiece optical system is B5 size or less. It will not fit in the B5 size, and will not be a portable notebook size.

【0042】さらに好ましくは、 0.01<|Px3/PPx|<0.4 ・・・(2−2) 0.01<|Py3/PPy|<0.4 ・・・(3−2) なる条件の少なくともいずれか一方を満足することが重
要である。これらの条件式も上記条件式と同様である
が、特にそれぞれの上限の0.4を越えると、接眼光学
系の大きさがB6サイズ以下の表示装置を構成する場合
に重要となり、表示装置がB6サイズに納まらなくなっ
てしまい、ポケットにしまえる表示装置にならなくなっ
てしまう。
More preferably, 0.01 <| Px3 / PPx | <0.4 (2-2) 0.01 <| Py3 / PPy | <0.4 (3-2) It is important to meet at least one of the conditions. These conditional expressions are similar to the above conditional expressions. However, when the respective upper limits of 0.4 are exceeded, it becomes important when constructing a display device in which the size of the eyepiece optical system is B6 size or less. It will not fit in B6 size, and it will not be a display device that fits in a pocket.

【0043】本発明の投影表示装置の投影光学系全系の
X方向のパワーをPx、Y方向のパワーをPyとすると
き、 0.5<Px/Py<1.8 ・・・(4) なる条件式を満足することが重要である。この条件はX
方向とY方向の像の大きさに関係し、下限の0.5を越
えると、X方向に対してY方向のパワーが大きくなりす
ぎ、Y方向の像の大きさがX方向に比べて小さくなりす
ぎる。逆に、上記条件式の上限の1.8を越えると、X
方向に対してY方向のパワーが小さくなりすぎ、Y方向
の像の大きさがX方向に比べて大きくなりすぎる。
When the power in the X direction of the entire projection optical system of the projection display apparatus of the present invention is Px and the power in the Y direction is Py, 0.5 <Px / Py <1.8 (4) It is important to satisfy the following conditional expression. This condition is X
If the lower limit of 0.5 is exceeded, the power in the Y direction becomes too large with respect to the X direction, and the image size in the Y direction becomes smaller than that in the X direction. Too much. On the contrary, when the upper limit of 1.8 in the above conditional expression is exceeded, X
The power in the Y direction becomes too small with respect to the direction, and the size of the image in the Y direction becomes too large compared to that in the X direction.

【0044】さらに好ましくは、 0.7<Px/Py<1.7 ・・・(4−1) なる条件を満足することが必要である。この条件の下限
と上限の意味は上記と同様である。
More preferably, it is necessary to satisfy the condition of 0.7 <Px / Py <1.7 (4-1). The meanings of the lower limit and the upper limit of this condition are the same as above.

【0045】さらに好ましくは、 0.8<Px/Py<1.6 ・・・(4−2) なる条件を満足することが必要である。この条件の下限
と上限の意味は上記と同様である。
More preferably, it is necessary to satisfy the condition of 0.8 <Px / Py <1.6 (4-2). The meanings of the lower limit and the upper limit of this condition are the same as above.

【0046】次に、本発明の投影型光学装置の投影光学
系全系のX方向のパワーをPx、Y方向のパワーをPy
とし、観察者眼球前方に配置される接眼光学系のパワー
をPx3、Py3とするとき、 0.01<|Px3/Px|<1.0 ・・・(5) 0.01<|Py3/Py|<1.0 ・・・(6) なる条件の少なくとも一方を満足することが重要であ
る。これらの条件は、接眼光学系のパワーとリレー光学
系のパワー配置を規定するものであり、それぞれの下限
の0.01を越えると、接眼光学系のパワーが小さくな
りすぎ、リレー光学系の投影倍率を大きくしないと、広
い観察映像を提示することができなくなる。しかし、リ
レー光学系の投影倍率を上げることはリレー光学系の物
像間距離が長くなってしまい、光学系を小型にすること
が難しくなる。また、上限の1.0を越えると、今度は
接眼光学系のパワーが強くなりすぎ、偏心して配置され
た接眼光学系による偏心収差が大きく発生し、リレー光
学系で補正することが不可能になる。
Next, the power in the X direction of the entire projection optical system of the projection type optical device of the present invention is Px, and the power in the Y direction is Py.
When the power of the eyepiece optical system arranged in front of the observer's eye is Px3 and Py3, 0.01 <| Px3 / Px | <1.0 (5) 0.01 <| Py3 / Py It is important that at least one of the conditions | <1.0 (6) is satisfied. These conditions regulate the power of the eyepiece optical system and the power arrangement of the relay optical system. If the lower limit of 0.01 is exceeded, the power of the eyepiece optical system becomes too small, and the projection of the relay optical system becomes too small. Unless the magnification is increased, a wide observation image cannot be presented. However, increasing the projection magnification of the relay optical system increases the distance between the object images of the relay optical system, making it difficult to reduce the size of the optical system. Further, when the upper limit of 1.0 is exceeded, the power of the eyepiece optical system becomes too strong this time, and a large amount of eccentric aberration occurs due to the eccentrically arranged eyepiece optical system, which makes it impossible to correct by the relay optical system. Become.

【0047】さらに好ましくは、 0.2<|PX3/Px|<0.7 ・・・(5−1) 0.2<|PY3/Py|<0.7 ・・・(6−1) なる条件の少なくとも一方を満足することが重要であ
る。これらの条件の下限と上限の意味は上記と同様であ
る。
More preferably, 0.2 <| PX3 / Px | <0.7 (5-1) 0.2 <| PY3 / Py | <0.7 (6-1) It is important to meet at least one of the conditions. The meanings of the lower and upper limits of these conditions are the same as above.

【0048】次に、本発明の投影型光学装置の投影光学
系全系のX方向のパワーをPx、Y方向のパワーをPy
とし、リレー光学系のパワーをPPx、PPyとすると
き、 0.5<|PPx/Px|<10.0 ・・・(7) 0.5<|PPy/Py|<10.0 ・・・(8) なる条件の少なくとも一方を満足することが重要であ
る。これらの条件は、投影光学系の作用を持つリレー光
学系のパワー配置を規定するものであり、それぞれの下
限の0.5を越えると、リレー光学系のパワーが小さく
なりすぎ、リレー光学系の焦点距離が大きくなりすぎ光
学系を小型にすることが難しくなる。また、上限の1
0.0を越えると、今度はリレー光学系の焦点距離が短
くなりすぎ、偏心して配置された接眼光学系による偏心
収差をリレー光学系で補正することが不可能になる。
Next, the power in the X direction of the entire projection optical system of the projection type optical device of the present invention is Px, and the power in the Y direction is Py.
When the power of the relay optical system is PPx and PPy, 0.5 <| PPx / Px | <10.0 (7) 0.5 <| PPy / Py | <10.0 It is important to satisfy at least one of the conditions (8). These conditions define the power arrangement of the relay optical system having the function of the projection optical system. If the lower limit of 0.5 is exceeded, the power of the relay optical system becomes too small and The focal length becomes too large, and it becomes difficult to make the optical system compact. Also, the upper limit of 1
When 0.0 is exceeded, the focal length of the relay optical system becomes too short this time, and it becomes impossible for the relay optical system to correct the eccentric aberration due to the eccentrically arranged eyepiece optical system.

【0049】さらに好ましくは、 1.0<|PPx/Px|<8.0 ・・・(7−1) 1.0<|PPy/Py|<8.0 ・・・(8−1) なる条件の少なくとも一方を満足することが重要であ
る。これらの条件の下限と上限の意味は上記と同様であ
る。
More preferably, 1.0 <| PPx / Px | <8.0 ... (7-1) 1.0 <| PPy / Py | <8.0 (8-1) It is important to meet at least one of the conditions. The meanings of the lower and upper limits of these conditions are the same as above.

【0050】以上の本発明の条件式(1)〜(8)に関
する後記の実施例1〜4のデータを下記に示す。 ─────────────────────────── 実施例 1 2 3 4 ─────────────────────────── EXPe 300 300 300 300 Px/Py 0.980 1.565 0.981 1.526 |Px3/Px| 0.516 0.373 0.413 0.614 |Py3/Py| 0.279 0.520 0.267 0.571 |PPx/Px| 2.983 1.948 3.622 2.399 |PPy/Py| 2.817 2.905 2.294 2.868 |Px3/PPx | 0.173 0.192 0.114 0.256 |Py3/PPy | 0.099 0.179 0.116 0.199 ─────────────────────────── 。
The data of the following Examples 1 to 4 relating to the above conditional expressions (1) to (8) of the present invention are shown below. ─────────────────────────── Example 1 2 3 4 ───────────────── ────────── EXPe 300 300 300 300 Px / Py 0.980 1.565 0.981 1.526 | Px3 / Px | 0.516 0.373 0.413 0.614 | Py3 / Py | 0.279 0.520 0.267 0.571 | PPx / Px | 2.983 1.948 3.622 2.399 | PPy / Py | 2.817 2.905 2.294 2.868 | Px3 / PPx | 0.173 0.192 0.114 0.256 | Py3 / PPy | 0.099 0.179 0.116 0.199 ──────────────────────── ───.

【0051】[0051]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の投影型光学装置
である投影表示装置の実施例を説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a projection display device which is a projection type optical device of the present invention will be described below.

【0052】具体的な数値実施例1〜4を説明する前に
本発明の投影表示装置の使用形態の例について説明す
る。
Before describing specific numerical examples 1 to 4, examples of usage of the projection display apparatus of the present invention will be described.

【0053】本発明の第1の使用形態は、図1に示すよ
うに、接眼光学系32を少なくとも反射作用を有する光
学素子34で構成するものである。この光学素子34
は、図12(b)又は(c)の形態の光学素子である。
そして、図1の場合、表示装置の本体30上に、観察者
側から見て、操作ボタン33をリレー光学系31より手
前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボ
タン33のボタン操作をする手で光路を遮ることがな
く、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避
けることが可能となる。また、リレー光学系31は接眼
光学系32の手前に配置することにより、接眼光学系3
2で反射された映像を無理なく観察することが可能とな
る。なお、図1において、観察者眼球位置をEで示す。
なお、画像表示素子は、リレー光学系31の本体30側
に配置されるが、図示を省く。
In the first mode of use of the present invention, as shown in FIG. 1, the eyepiece optical system 32 is composed of at least an optical element 34 having a reflecting action. This optical element 34
Is an optical element in the form of FIG. 12 (b) or (c).
In the case of FIG. 1, it is desirable that the operation button 33 is arranged on the main body 30 of the display device before the relay optical system 31 when viewed from the observer side. With this arrangement, it is possible to avoid the problem of blocking the image each time the button is operated without blocking the optical path with the hand of operating the operation button 33. Further, the relay optical system 31 is arranged in front of the eyepiece optical system 32, so that the eyepiece optical system 3
It is possible to observe the image reflected by 2 without difficulty. In FIG. 1, the eyeball position of the observer is indicated by E.
Although the image display element is arranged on the main body 30 side of the relay optical system 31, the illustration is omitted.

【0054】さらに、図1の場合、接眼光学系32は、
本体30から開閉する機構にすることによって、携帯時
はポケットに収納することが可能となる。また、このと
き、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高
い。
Further, in the case of FIG. 1, the eyepiece optical system 32 is
By using a mechanism that opens and closes from the main body 30, it becomes possible to store it in a pocket when carrying it. In addition, at this time, if the function of cutting off the power supply is added, the power saving effect is high.

【0055】さらに、開閉は観察者側を本体30から持
ち上げて開閉する方向にすることによって、接眼光学系
32の光学面が収納時に表面に露出することがなく、光
学系の光学面に汚れ等が付着し難くなりより好ましい。
Furthermore, by opening and closing the observer side from the main body 30 to open and close, the optical surface of the eyepiece optical system 32 is not exposed on the surface during storage, and the optical surface of the optical system is dirty. Is less likely to adhere, which is more preferable.

【0056】本発明の第2の使用形態は、図2に示すよ
うに、接眼光学系32を少なくとも透過作用を有する光
学素子35で構成するものである。この光学素子35
は、図12(a)の形態の光学素子である。そして、図
2の場合、表示装置の本体30上に、観察者側から見
て、操作ボタン33を接眼光学系32より手前に配置す
ることが望ましい。この配置により、操作ボタン33の
ボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操
作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可
能となる。また、リレー光学系31の手前に接眼光学系
32を配置することにより、無理なく映像を観察するこ
とが可能となる。
As shown in FIG. 2, the second mode of use of the present invention is to construct the eyepiece optical system 32 with at least an optical element 35 having a transmitting action. This optical element 35
Is an optical element in the form of FIG. In the case of FIG. 2, it is desirable that the operation button 33 is arranged on the main body 30 of the display device before the eyepiece optical system 32 when viewed from the observer side. With this arrangement, it is possible to avoid the problem of blocking the image each time the button is operated without blocking the optical path with the hand of operating the operation button 33. Further, by disposing the eyepiece optical system 32 in front of the relay optical system 31, it is possible to observe the image without difficulty.

【0057】また、本実施形態の場合は、接眼光学系3
2をリレー光学系31側に倒して収納するようにするこ
とが好ましい。これにより、リレー光学系31を保護す
るカバーの役目を接眼光学系32表面で代用することが
可能となる。
In the case of this embodiment, the eyepiece optical system 3
It is preferable to store 2 by tilting it to the relay optical system 31 side. As a result, the role of the cover that protects the relay optical system 31 can be substituted by the surface of the eyepiece optical system 32.

【0058】さらに、図1、図2のどちらの使用形態に
おいても、リレー光学系31と接眼光学系32の間に反
射鏡36(図2)を配置し、光路を折り曲げることによ
り、リレー光学系31から接眼光学系32までの距離を
短くすることが可能となる。さらに好ましくは、その反
射鏡36にパワーを持たせることにより、接眼光学系3
2の持つパワーを分散することが可能となり、より大画
面の映像を鮮明に表示することが可能となる。
Further, in both of the usage patterns of FIG. 1 and FIG. 2, a reflecting mirror 36 (FIG. 2) is arranged between the relay optical system 31 and the eyepiece optical system 32, and the optical path is bent so that the relay optical system is bent. It is possible to shorten the distance from 31 to the eyepiece optical system 32. More preferably, by providing the reflecting mirror 36 with power, the eyepiece optical system 3
It is possible to disperse the power of 2 and display a larger screen image clearly.

【0059】また、その反射鏡36は接眼光学系32の
下に収納するようにすることにより、その光学素子が露
出することが防げ、防塵性が向上する。
Further, by housing the reflecting mirror 36 under the eyepiece optical system 32, it is possible to prevent the optical element from being exposed and improve the dustproof property.

【0060】次に、接眼光学系について説明する。接眼
光学系は、後記の数値実施例では拡散性のない面として
扱っているが、ある程度の拡散性を持つことがさらに好
ましい。その理由について次に説明する。
Next, the eyepiece optical system will be described. Although the eyepiece optical system is treated as a surface having no diffusivity in the numerical examples described later, it is more preferable that it has a certain degree of diffusivity. The reason will be described below.

【0061】投影像近傍に配置される接眼光学系32
は、図3に示すように、散乱性が少なく観察者の方向に
選択的に光線を収束させるものにすることが重要であ
る。図4に示すように、散乱性が多い接眼光学系32で
は、一般的には見る位置からの照度ムラが発生し難く好
ましいものであるが、本発明の携帯型の表示装置におい
ては、観察者は一人のことが多く、入射光51を散乱さ
せると、入射光51に対して観察者の眼球に届く光線が
少なくなり、照明光が無駄になってしまう。さらに、無
駄に散乱させ暗くなった表示画面の明るさを補うために
照明の輝度を上げると、消費電力が多くなってしまい、
使用時間が極端に短くなったり、せっかく小型になった
表示装置に対して、大型で重いバッテリーを装着するこ
とになってしまう。この問題を避けるために、本発明に
おける接眼光学系32としては、図3に示すように、散
乱性の低いスクリーンを使用することが重要である。な
お、図3、図4では、接眼光学系32として反射作用を
有する光学素子として図示してあるが、もちろん、図1
2(a)のような透過作用を有する光学素子を用いる場
合も同様である。
Eyepiece optical system 32 disposed near the projected image
As shown in FIG. 3, it is important that the light rays are less scattered and the light rays are selectively converged in the direction of the observer. As shown in FIG. 4, the eyepiece optical system 32 having a large scattering property is generally preferable because unevenness in illuminance from the viewing position is unlikely to occur, but in the portable display device of the present invention, When the incident light 51 is scattered, the number of light rays reaching the eyeball of the observer is reduced and the illumination light is wasted. Furthermore, if the brightness of the lighting is increased in order to compensate for the brightness of the display screen that is unnecessarily scattered and becomes dark, power consumption increases,
The usage time becomes extremely short, and a large and heavy battery will be attached to a small display device. In order to avoid this problem, it is important to use a screen having a low scattering property as the eyepiece optical system 32 in the present invention, as shown in FIG. 3 and 4, the eyepiece optical system 32 is shown as an optical element having a reflecting action, but of course, FIG.
The same applies when an optical element having a transmissive action such as 2 (a) is used.

【0062】また、電車の中等で観察する場合は、周囲
の他人に表示内容を覗かれてしまうことを防止する秘読
性の点でも、拡散性の少ないスクリーンが好ましく、拡
散性が多いと隣りに座った人に表示内容が見えてしま
う。。
Also, when observing in a train or the like, a screen with low diffusivity is preferable, and a screen with low diffusivity is preferable from the viewpoint of readability to prevent others from seeing the display contents. The content displayed is visible to the person who sits down. .

【0063】さらに好ましくは、スクリーン面の拡散性
は、接眼光学系32の光学面の法線に垂直の入射光線
が、垂直に正反射する方向の強度に対して、面の法線と
なす角度が20°の方向の拡散光強度が50%以下にな
るようにすることが、光の有効利用の面から好ましい。
さらに好ましくは、面の法線となす角度が10°の方向
の拡散強度が50%以下になる散乱性の低いものがより
好ましい。
More preferably, the diffusiveness of the screen surface is the angle formed by the normal to the optical surface of the eyepiece optical system 32 with respect to the intensity in the direction of regular specular reflection. It is preferable that the diffused light intensity in the direction of 20 ° is 50% or less from the viewpoint of effective use of light.
More preferably, the one having a low scattering property, which has a diffusion intensity of 50% or less in the direction of an angle of 10 ° with the surface normal, is more preferable.

【0064】さらに好ましくは、図5に示すように、接
眼光学系32の散乱性の範囲53は、観察者の両眼に対
応する水平方向に対して垂直方向より大きいことが好ま
しい。散乱性の範囲53が縦方向に対して横方向に大き
いと、リレー光学系31からの光束を有効に観察者の両
眼に導くことが可能となり、両眼で観察することが可能
となる。
More preferably, as shown in FIG. 5, the scattering range 53 of the eyepiece optical system 32 is preferably larger than the vertical direction with respect to the horizontal direction corresponding to both eyes of the observer. When the scattering range 53 is large in the horizontal direction with respect to the vertical direction, the light flux from the relay optical system 31 can be effectively guided to both eyes of the observer, and it is possible to observe with both eyes.

【0065】また、図6に示すように、接眼光学系32
に回折光学素子(DOE)やホログラム光学素子(HO
E)を付加して、リレー光学系31を射出した光線が2
つに別れて観察者両眼に向かうようにすることにより、
さらに効率の良い拡散性の範囲53を得ることができ
る。また、頂角が鈍角をなす1次元状のマイクロプリズ
ムを並べて構成したプリズムシートを用いても同様の作
用が得られる。
Further, as shown in FIG. 6, the eyepiece optical system 32
Diffractive optical element (DOE) and hologram optical element (HO
E) is added and the number of rays emitted from the relay optical system 31 is 2
By splitting into two and moving towards both eyes of the observer,
A more efficient diffusion range 53 can be obtained. The same effect can be obtained by using a prism sheet formed by arranging one-dimensional micro prisms having an obtuse angle.

【0066】ところで、本発明において、観察者眼球に
よって観察される虚像の表示位置は、接眼光学系32近
傍に提示されるように構成するが、接眼光学系32の表
面よりさらに観察者側に提示することによって表示映像
にさらなる臨場感を与えることが可能となる。また、接
眼光学系32の表面に上記のような拡散性がある場合に
は、虚像位置は接眼光学系32の拡散性のある面に一致
させることによって、鮮明な映像を観察することが可能
となる。また、特に表示画素数の少ない映像の場合は、
意図的に微小距離表示映像位置と拡散性を持つ面をずら
すことによって、ローパスフィルター効果によって滑ら
かな映像にすることも可能である。
By the way, in the present invention, the display position of the virtual image observed by the observer's eye is constructed so as to be presented in the vicinity of the eyepiece optical system 32, but it is presented further to the observer side than the surface of the eyepiece optical system 32. By doing so, it becomes possible to give a further sense of reality to the displayed image. In addition, when the surface of the eyepiece optical system 32 has the above-mentioned diffusivity, it is possible to observe a clear image by matching the virtual image position with the surface of the eyepiece optical system 32 having the diffusive property. Become. Also, especially for images with a small number of display pixels,
By intentionally shifting the minute distance display image position and the surface having diffusivity, it is possible to obtain a smooth image by the low-pass filter effect.

【0067】また、後記の数値実施例のように、接眼光
学系32は観察者から例えば40cmの設定されていな
がら、映像は1m遠方に提示する構成をとることも可能
であり、映像の提示位置は任意に設定することが可能で
ある。
Further, as in the numerical example described later, the eyepiece optical system 32 may be set to 40 cm from the observer, but the image may be presented 1 m away. Can be set arbitrarily.

【0068】さらに好ましくは、表示素子を光軸方向に
移動する機構を設けることにより、リレー光学系31よ
り投影される実像の位置を移動し、接眼光学系32で形
成される虚像の位置を無限遠から、接眼光学系32近傍
まで移動できるようにすることが望ましい。この機構に
より、観察者の好みの位置に虚像位置を調整することが
可能となり、近視の人も遠視の人も老眼の人も見やすい
像位置を選択することが可能となる。
More preferably, by providing a mechanism for moving the display element in the optical axis direction, the position of the real image projected by the relay optical system 31 is moved, and the position of the virtual image formed by the eyepiece optical system 32 is infinite. It is desirable to be able to move from a distance to the vicinity of the eyepiece optical system 32. With this mechanism, it is possible to adjust the virtual image position to a position desired by the observer, and it is possible to select an image position that is easily seen by people with myopia, hyperopia, and presbyopia.

【0069】なお、本発明の接眼光学系32を構成する
光学素子は回転非対称面を用いて構成されているため、
特に、物体中心を射出して観察者の虹彩中心を通過し、
眼底中心に到達する軸上主光線が接眼光学系32に対し
て偏心して入射する偏心光学系の場合、接眼光学系32
を回転非対称な面で構成することにより、偏心によって
発生する像の台形歪みや、像面の傾き等の偏心収差を補
正することが可能となる。また、リレー光学系31を偏
心プリズム光学系で構成する場合には、リレー光学系3
1と偏心収差の補正を分担することが可能となり、さら
に好ましい。
Since the optical element forming the eyepiece optical system 32 of the present invention is constructed by using a rotationally asymmetric surface,
In particular, the object center is ejected, passes through the observer's iris center,
In the case of a decentered optical system in which an axial chief ray reaching the center of the fundus decenters and enters the eyepiece optical system 32, the eyepiece optical system 32
By forming a rotationally asymmetric surface, it is possible to correct trapezoidal distortion of the image caused by decentering and decentering aberration such as inclination of the image plane. When the relay optical system 31 is composed of a decentered prism optical system, the relay optical system 3
This makes it possible to share the correction of eccentric aberration with No. 1 and is more preferable.

【0070】次に、リレー光学系31について説明す
る。本発明によるリレー光学系31には、本発明者等が
すでに提案している内面反射回数が1回以上の種々の偏
心プリズム単体あるいは複数からなる偏心プリズム光学
系を用いることができる。その中、代表的なものを例示
すると、実施例1〜4の偏心プリズムのように、2つの
反射面を備え、入射面と第1反射面と第2反射面と射出
面からなり、入射面と第1反射面とを結ぶ光路が第2反
射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するよう
になっているものを用いることができる。
Next, the relay optical system 31 will be described. As the relay optical system 31 according to the present invention, various decentering prism optical systems having a number of internal reflections of 1 or more, which have been already proposed by the present inventors, or a decentering prism optical system including a plurality of decentering prisms can be used. Among them, as a representative example, like the decentered prisms of Examples 1 to 4, two reflecting surfaces are provided, which are composed of an entrance surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface and an exit surface. It is possible to use an optical path in which the optical path that connects the first reflection surface and the first reflection surface intersects the optical path that connects the second reflection surface and the exit surface in the prism.

【0071】このような形状の偏心プリズムは、収差補
正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、
2つの反射面の配置の対称性が高いので、この2つの反
射面で発生する収差が2つの反射面相互で補正し合い、
収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路
を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプ
リズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路
長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
The decentering prism having such a shape has a high degree of freedom in aberration correction, and produces less aberration. further,
Since the arrangement of the two reflecting surfaces is highly symmetrical, the aberrations generated by these two reflecting surfaces are corrected by the two reflecting surfaces,
Less aberration. In addition, because the optical path forms a crossing optical path within the prism, the optical path can be made longer than a prism with a structure that simply folds the optical path, and the prism can be made smaller for the length of the optical path. can do.

【0072】また、図19(a)に示すように、表示素
子3に面する第1面11と、接眼光学系32(図14
等)に面する第2面12と、第3面13からなり、第1
面11で屈折してプリズム内に入射した表示素子3から
の光線は、第2面12で全反射し、その反射光は第3面
13で反射し、その反射光は今度は第1面11で全反射
し、その反射光は今度は第2面12で屈折してプリズム
外に射出するもので、第1面11が入射面と第3反射面
を、第2面12が第1反射面と射出面を兼用しており、
プリズム内で光線が1回転する偏心プリズム10であっ
てもよい。この偏心プリズム10は、3つの反射面を有
するために3回の反射面にパワーを分散することが可能
であり、収差発生を少なくすることが可能である。ま
た、光路がプリズム内で交差する構成のために、単に光
路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取
ることが可能である。
Further, as shown in FIG. 19A, the first surface 11 facing the display element 3 and the eyepiece optical system 32 (see FIG. 14).
Etc.) and a third surface 13 facing each other,
The light ray from the display element 3 refracted on the surface 11 and incident on the prism is totally reflected on the second surface 12, the reflected light is reflected on the third surface 13, and the reflected light is in turn the first surface 11 The light is totally reflected by the second surface 12, and this reflected light is refracted by the second surface 12 and then exits the prism. The first surface 11 serves as the incident surface and the third reflecting surface, and the second surface 12 serves as the first reflecting surface. It also serves as the exit surface,
The decentered prism 10 in which the light ray makes one revolution in the prism may be used. Since the decentering prism 10 has three reflecting surfaces, it is possible to disperse power on the reflecting surfaces three times, and it is possible to reduce the occurrence of aberration. Further, because the optical paths intersect within the prism, the optical path length can be made longer than that of a prism having a structure in which the optical paths are simply folded.

【0073】また、図19(b)に示すように、表示素
子3に面する第1面11と、接眼光学系32に面する第
2面12と、第3面13からなり、第1面11で屈折し
てプリズム内に入射した表示素子3からの光線は、第2
面12で全反射し、その反射光は第3面13で反射し、
その反射光は今度は第2面12で屈折してプリズム外に
射出するもので、第2面12が第1反射面と射出面を兼
用している偏心プリズム10であってもよい。第1反射
面と射出面を兼用するこのこの偏心プリズム10は、第
1反射面で大きく光線を屈曲させ、さらに第2反射面は
少ない屈曲角で光線を射出面へと反射するために、プリ
ズム光学系の射出光線方向の厚さを薄くすることが可能
なものである。
As shown in FIG. 19B, the first surface 11 facing the display element 3, the second surface 12 facing the eyepiece optical system 32, and the third surface 13 are composed of the first surface 11. The light beam from the display element 3 refracted at 11 and incident on the prism is
The light is totally reflected by the surface 12, and the reflected light is reflected by the third surface 13,
The reflected light is then refracted by the second surface 12 and emitted to the outside of the prism, and the decentered prism 10 in which the second surface 12 also serves as the first reflecting surface and the emitting surface may be used. This decentering prism 10 which also serves as a first reflecting surface and an exiting surface is designed so that the first reflecting surface largely bends the light beam, and the second reflecting surface reflects the light ray to the exiting surface at a small bending angle. It is possible to reduce the thickness of the optical system in the outgoing light ray direction.

【0074】また、図19(c)に示すように、表示素
子3に面する第1面11と、接眼光学系32に面する第
2面12と、第3面13からなり、第1面11で屈折し
てプリズム内に入射した表示素子3からの光線は、第3
面13で反射し、その反射光は今度は第1面11で全反
射し、その反射光は第2面12で屈折してプリズム外に
射出するもので、第1面11が入射面と第2反射面を兼
用している偏心プリズム10であってもよい。第2反射
面と入射面とを兼用するこのこの偏心プリズム10は、
第2反射面で光線を大きく屈曲させ、第1反射面は少な
い屈曲角で光線を第2反射面へと反射するために、プリ
ズム光学系の入射光線方向の厚さを薄くすることが可能
なものである。
As shown in FIG. 19C, the first surface 11 facing the display element 3, the second surface 12 facing the eyepiece optical system 32, and the third surface 13 are composed of the first surface 11. The light beam from the display element 3 refracted at 11 and incident on the prism is
The light reflected by the surface 13 is totally reflected by the first surface 11 this time, and the reflected light is refracted by the second surface 12 and emitted outside the prism. The decentering prism 10 that also serves as two reflecting surfaces may be used. This decentered prism 10 which also serves as a second reflecting surface and an incident surface,
Since the light ray is largely bent at the second reflecting surface and the first reflecting surface reflects the light ray to the second reflecting surface at a small bending angle, it is possible to reduce the thickness of the prism optical system in the incident light ray direction. It is a thing.

【0075】ところで、本発明の投影表示装置におい
て、接眼光学系32を本体30から開閉可能とする場合
に、図7に示すように、接眼光学系32を開かないで閉
じた状態では、壁面54等に投影するプロジェクターと
しても用いることができる。この場合、表示素子を移動
して投影像の位置を壁面54に合わせる機構が必要にな
る。また、投影表示装置の明るさが足りない場合には、
図8(b)に示すように、外付けの光源装置38を例え
ば本体30の下面に取り付け可能にして、図8(a)の
通常の接眼光学系32を介して観察するときの内蔵光源
37を図示に矢印のように使用位置から使用位置外に移
動させ、表示素子3を背面から外付けの光源装置中の外
付けの光源39からの照明光で照明可能にすることも可
能である。なお、図8(b)の場合には、表示素子3を
リレー光学系31を構成する偏心プリズム10に近接す
るように矢印方向に移動可能にしてフォーカス調整でき
るようになっている。
In the projection display device of the present invention, when the eyepiece optical system 32 can be opened and closed from the main body 30, as shown in FIG. 7, when the eyepiece optical system 32 is closed without being opened, the wall surface 54 It can also be used as a projector for projecting images on the screen. In this case, a mechanism for moving the display element to align the position of the projected image with the wall surface 54 is required. If the brightness of the projection display device is insufficient,
As shown in FIG. 8B, an external light source device 38 can be attached to, for example, the lower surface of the main body 30, and a built-in light source 37 for observation through the normal eyepiece optical system 32 of FIG. 8A. It is also possible to move the display element 3 from the use position to the outside of the use position as indicated by an arrow in the figure so that the display element 3 can be illuminated from the back surface with the illumination light from the external light source 39 in the external light source device. In the case of FIG. 8B, the display element 3 can be moved in the arrow direction so as to be close to the decentered prism 10 forming the relay optical system 31 and focus adjustment can be performed.

【0076】また、図9に示すように、2つのリレー光
学系31L、32Rを使用し、それぞれのリレー光学系
31R、32Lに対応して左右の表示素子を配置し、接
眼光学系32を左右共通とし、それぞれの表示素子に両
眼視差像を表示することにより、左右の表示素子からの
光路を左右の眼用に分離させて、観察者の左右眼に対し
て視差のある映像が観察できる両眼立体視が可能な構成
となり、特殊な眼鏡なしで立体画像が観察な投影表示装
置とすることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 9, two relay optical systems 31L and 32R are used, the left and right display elements are arranged corresponding to the relay optical systems 31R and 32L, and the eyepiece optical system 32 is moved to the left and right. In common, by displaying a binocular parallax image on each display element, the optical paths from the left and right display elements are separated for the left and right eyes, and an image with parallax can be observed for the left and right eyes of the observer. The configuration enables binocular stereoscopic viewing, and a projection display device capable of observing a stereoscopic image without special glasses can be provided.

【0077】また、本発明の投影表示装置は以上のよう
な携帯型の使用形態に限らず、図10に示すように、手
持ちビュワータイプの形態にも構成できる。また、図1
1に示すような構成も可能であり、この構成の場合、リ
レー光学系31の支持部材42を接眼光学系32の保護
カバーの役目を兼用するようにすることにより、携帯時
の防塵性を向上させることが可能となる。
Further, the projection display device of the present invention is not limited to the above-mentioned portable type of use, but can be configured as a handheld viewer type as shown in FIG. Also, FIG.
The configuration shown in FIG. 1 is also possible. In this configuration, the support member 42 of the relay optical system 31 also serves as the protective cover of the eyepiece optical system 32, thereby improving the dustproof property during carrying. It becomes possible.

【0078】次に、以下に、本発明の投影表示装置に用
いられる光学系の数値実施例1〜4について説明する。
Numerical Examples 1 to 4 of the optical system used in the projection display apparatus of the present invention will be described below.

【0079】実施例1〜4の構成パラメータは後記する
が、座標系は、射出瞳1(観察者瞳)位置から表示素子
3に向う逆光線追跡で、図14に示すように、軸上主光
線2を、光学系の射出瞳1の中心を垂直に通り、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、射出瞳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、射
出瞳1から光学系の接眼光学系32の光学素子20の射
出瞳1に面した面21に向かう方向をZ軸正方向とし、
図の面をY−Z平面とし、原点を通りY−Z平面に直交
し、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。
Although the constituent parameters of Examples 1 to 4 will be described later, the coordinate system is the backward ray tracing from the position of the exit pupil 1 (observer's pupil) toward the display element 3, and as shown in FIG. 2 is defined as a ray that passes through the center of the exit pupil 1 of the optical system vertically and reaches the center of the display element 3. Then, in the backward ray tracing, the center of the exit pupil 1 is the origin of the decentered optical surface of the decentered optical system, the direction along the axial chief ray 2 is the Z-axis direction, and the optical path from the exit pupil 1 to the eyepiece optical system 32 of the optical system. The direction toward the surface 21 of the element 20 facing the exit pupil 1 is defined as the Z-axis positive direction,
The plane of the drawing is taken as the YZ plane, the origin is orthogonal to the YZ plane, and the direction from the front to the back of the paper is the positive direction of the X axis.
The Y-axis is the axis that constitutes the right-handed orthogonal coordinate system with the Z-axis.

【0080】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、前記(a)式のZ軸、非球面につい
ては、後記の(b)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。
For the eccentric surface, the amount of eccentricity from the center of the origin of the optical system to the top of the surface (X axis direction, Y axis direction, Z
Axial directions are X, Y, and Z, respectively, and the X-axis of the center axis of the surface (for free-form surfaces, the Z-axis of equation (a) above, and for aspherical surfaces, Z-axis of equation (b) below). , Y-axis, and Z-axis tilt angles (α, β, γ (°))
And are given. In that case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive directions of the respective axes, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z-axis. In addition, how to rotate α, β, γ of the central axis of the surface is determined by the central axis of the surface and its XYZ.
The Cartesian coordinate system is first rotated α counterclockwise around the X axis, and then the center axis of the rotated surface is set to Y in the new coordinate system.
The coordinate system rotated by 1 counterclockwise around the axis and also rotated by 1 degree is rotated counterclockwise by β around the Y axis, and then the center axis of the surface rotated by 2 degrees is changed to a new coordinate system. In this case, γ rotation is performed in the clockwise direction around the Z axis of the various coordinate systems.

【0081】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。
The shape of the surface of the free-form surface used in the present invention is, for example, the free-form surface defined by the equation (a) of US Pat. No. 6,124,989 (JP 2000-66105 A), The Z-axis of the defining equation becomes the axis of the free-form surface.

【0082】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。
The aspherical surface is a rotationally symmetric aspherical surface given by the following defining equation.

【0083】 Z=(y2 /R)/[1+{1−(1+K)y2 /R2 1 /2] +Ay4 +By6 +Cy8 +Dy10+…… ・・・(b) 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。
Z = (y 2 / R) / [1+ {1- (1 + K) y 2 / R 2 } 1/2 ] + Ay 4 + By 6 + Cy 8 + Dy 10 + ... (b) However, Z Is an optical axis (axial principal ray) with the traveling direction of light being positive, and y is a direction perpendicular to the optical axis. Here, R is a paraxial radius of curvature, K is a conical constant, and A, B, C, D, ... Are aspherical coefficients of 4th order, 6th order, 8th order, and 10th order, respectively.
The Z axis of this defining equation is the axis of the rotationally symmetric aspherical surface.

【0084】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。
The term relating to the free-form surface and aspherical surface for which no data is described is 0. For the refractive index,
Those for the d-line (wavelength 587.56 nm) are shown. The unit of length is mm.

【0085】さて、以下に示す実施例1は、接眼光学系
32を視軸(射出瞳1の中心を通る軸上主光線2に一
致)に対して20°傾いて配置しているものであり、観
察画角水平13°、垂直10°、瞳系φ15mm、観察
者眼球位置に当たる射出瞳1から映像までの距離は30
cmであり、4.8×3.2mmの表示素子3を使用す
る。
In Example 1 described below, the eyepiece optical system 32 is arranged with an inclination of 20 ° with respect to the visual axis (corresponding to the axial chief ray 2 passing through the center of the exit pupil 1). , Viewing angle of view 13 ° horizontal, vertical 10 °, pupil system φ15 mm, the distance from the exit pupil 1 at the observer's eyeball position to the image is 30
cm, and the display element 3 of 4.8 × 3.2 mm is used.

【0086】実施例2は、接眼光学系32を視軸に対し
て20°傾いて配置しているものであり、観察画角水平
13°、垂直10°、瞳系φ15mm、観察者眼球位置
に当たる射出瞳1から映像までの距離は30cmであ
り、8.9×6.7mmの表示素子3を使用する。
In the second embodiment, the eyepiece optical system 32 is arranged at an angle of 20 ° with respect to the visual axis, and the observation angle of view is horizontal 13 °, vertical 10 °, the pupil system φ15 mm, and the observer's eyeball position. The distance from the exit pupil 1 to the image is 30 cm, and the display element 3 of 8.9 × 6.7 mm is used.

【0087】実施例3は、接眼光学系を視軸に対して傾
きを持たず配置しているものであり、観察画角水平13
°、垂直10°、瞳系φ15mm、観察者眼球位置に当
たる射出瞳1から映像までの距離は30cmであり、
4.8×3.2mmの表示素子3を使用する。
In the third embodiment, the eyepiece optical system is arranged without inclination with respect to the visual axis, and the observation angle of view horizontal 13
°, vertical 10 °, pupil system φ15 mm, the distance from the exit pupil 1 at the observer's eyeball position to the image is 30 cm,
The display element 3 having a size of 4.8 × 3.2 mm is used.

【0088】実施例4は、接眼光学系を視軸に対して傾
きを持たず配置しているものであり、観察画角水平13
°、垂直10°、瞳系φ15mm、観察者眼球位置に当
たる射出瞳1から映像までの距離は30cmであり、
8.9×6.7mmの表示素子3を使用する。
In the fourth embodiment, the eyepiece optical system is arranged without inclination with respect to the visual axis, and the observation angle of view horizontal 13
°, vertical 10 °, pupil system φ15 mm, the distance from the exit pupil 1 at the observer's eyeball position to the image is 30 cm,
The display element 3 of 8.9 × 6.7 mm is used.

【0089】以下の実施例は、接眼光学系32の拡散性
がないと考えて設計されており、拡散性に関しては、所
望の拡散性なり、拡散素子を利用して構成することがで
きる。
The following examples are designed on the assumption that the eyepiece optical system 32 does not have the diffusivity, and the diffusivity is a desired diffusivity, and the diffusive element can be used.

【0090】各実施例の光学系の構成を説明する。The configuration of the optical system of each example will be described.

【0091】実施例1の光学系の全体の光路図を図14
に、射出瞳に至る光路を省いた拡大光路図を図15に示
す。実施例2の光学系は実施例1と同様であるので図示
は省く。また、実施例3の光学系の全体の光路図を図1
6に、射出瞳に至る光路を省いた拡大光路図を図17に
示す。実施例4の光学系は実施例3と同様であるので図
示は省く。
An optical path diagram of the entire optical system of Example 1 is shown in FIG.
FIG. 15 shows an enlarged optical path diagram in which the optical path leading to the exit pupil is omitted. The optical system of the second embodiment is similar to that of the first embodiment, and is not shown. In addition, FIG. 1 shows an optical path diagram of the entire optical system of Example 3.
FIG. 6 shows an enlarged optical path diagram in which the optical path leading to the exit pupil is omitted. The optical system of the fourth embodiment is the same as that of the third embodiment, and is not shown.

【0092】実施例1〜4何れの光学系も、射出瞳1に
面した接眼光学系32は入射側の面21が自由曲面から
なる透過面からなり、裏面側の面22がフレネル反射面
からなる光学素子20からなり、表示素子3に面したリ
レー光学系31は偏心プリズム10からなる。これらの
実施例の偏心プリズム10は、表示素子3に面する第1
面11と、光学素子20に面する第2面12と、第3面
13と、第4面14からなり、第1面11で屈折してプ
リズム内に入射した表示素子3からからの光線は、第3
面13で反射し、その反射光は第4面14で反射し、そ
の反射光は第2面12で屈折してプリズム外に射出し、
光学素子20の表面側の面21近傍に表示素子3の映像
を結像するものであり、第1面11と第3面13とを結
ぶ光路が第4面14と第2面12とを結ぶ光路とプリズ
ム内で交差するようになっており、偏心プリズム10内
で光線は1回転するものである。
In each of the optical systems of Examples 1 to 4, in the eyepiece optical system 32 facing the exit pupil 1, the entrance side surface 21 is a transparent surface which is a free-form surface, and the back side surface 22 is a Fresnel reflection surface. The relay optical system 31 facing the display element 3 is composed of the decentered prism 10. The decentering prism 10 of these examples includes a first decentering prism facing the display element 3.
The light beam from the display element 3 which is composed of the surface 11, the second surface 12 facing the optical element 20, the third surface 13, and the fourth surface 14 and which is refracted by the first surface 11 and enters the prism is , Third
The light is reflected by the surface 13, the reflected light is reflected by the fourth surface 14, and the reflected light is refracted by the second surface 12 and emitted outside the prism.
The image of the display element 3 is formed near the surface 21 on the front surface side of the optical element 20, and the optical path connecting the first surface 11 and the third surface 13 connects the fourth surface 14 and the second surface 12. The light path intersects the prism, and the light beam makes one rotation in the decentering prism 10.

【0093】実施例1〜4において、光学素子20の入
射側の面21と、偏心プリズム10の第1面11〜第3
面14は自由曲面から構成され、光学素子20のフレネ
ル反射面22は回転対称非球面から構成されている。
In Examples 1 to 4, the incident side surface 21 of the optical element 20 and the first surface 11 to the third surface of the decentering prism 10 were used.
The surface 14 is composed of a free-form surface, and the Fresnel reflection surface 22 of the optical element 20 is composed of a rotationally symmetric aspherical surface.

【0094】以下に各実施例の数値データを示すが、以
下の表中の“FFS”は自由曲面、“ASS”は非球
面、“RE”は反射面、“FR”はフレネル反射面をそ
れぞれ示す。
Numerical data of each example are shown below. In the table below, "FFS" is a free-form surface, "ASS" is an aspherical surface, "RE" is a reflecting surface, and "FR" is a Fresnel reflecting surface. Show.

【0095】 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 ∞ 偏心(1) 1 ∞(瞳) 2 FFS 偏心(2) 1.5254 56.2 3 ASS(FR) 偏心(3) 1.5254 56.2 4 FFS 偏心(2) 5 FFS 偏心(4) 1.5254 56.2 6 FFS(RE) 偏心(5) 1.5254 56.2 7 FFS(RE) 偏心(6) 1.5254 56.2 8 FFS 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ASS R -188.64 K 0.0000 A 7.0180×10-8 B -1.5051×10-11 FFS C4 1.0224×10-46 -1.0000×10-38 -1.1547×10-510 -1.2651×10-511 -1.2735×10-713 -2.1182×10-7 FFS C4 7.1420×10-26 1.3086×10-28 -2.1790×10-310 -2.5270×10-3 FFS C4 9.1531×10-36 -2.7747×10-38 -5.3039×10-410 -9.5628×10-4 FFS C4 -1.7688×10-26 -1.9386×10-28 -3.5040×10-510 -3.7180×10-4 FFS C4 -7.6339×10-36 3.9196×10-28 3.6107×10-3 偏心(1) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 0.00 Z 302.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y -51.27 Z 238.90 α 42.65 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y -60.40 Z 230.60 α 67.90 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -52.13 Z 230.05 α 118.02 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) X 0.00 Y -59.55 Z 239.62 α 136.89 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) X 0.00 Y -61.14 Z 241.90 α 135.48 β 0.00 γ 0.00 。Example 1 Surface Number Curvature Radius Surface Spacing Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface ∞ Eccentricity (1) 1 ∞ (pupil) 2 FFS Eccentricity (2) 1.5254 56.2 3 ASS (FR) Eccentricity (3) 1.5254 56.2 4 FFS Eccentricity (2) 5 FFS Eccentricity (4) 1.5254 56.2 6 FFS (RE) Eccentricity (5) 1.5254 56.2 7 FFS (RE) Eccentricity (6) 1.5254 56.2 8 FFS Eccentricity (7) Image plane ∞ Eccentricity (8) ASS R- 188.64 K 0.0000 A 7.0 180 × 10 -8 B -1.5051 × 10 -11 FFS C 4 1.0224 × 10 -4 C 6 -1.0000 × 10 -3 C 8 -1.1547 × 10 -5 C 10 -1.2651 × 10 -5 C 11 -1.2735 x 10 -7 C 13 -2.1182 x 10 -7 FFS C 4 7.1420 x 10 -2 C 6 1.3086 x 10 -2 C 8 -2.1790 x 10 -3 C 10 -2.5270 x 10 -3 FFS C 4 9.1531 x 10 -3 C 6 -2.7747 x 10 -3 C 8 -5.3039 x 10 -4 C 10 -9.5628 x 10 -4 FFS C 4 -1.7688 x 10 -2 C 6 -1.9386 x 10 -2 C 8 -3.5040 x 10 -5 C 10 -3.7 180 x 10 -4 FFS C 4 -7.6339 x 10 -3 C 6 3.9 196 x 10 -2 C 8 3.6 107 x 10 -3 Eccentricity (1) X 0.00 Y 0.00 Z 30 0.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 0.00 Z 302.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y -51.27 Z 238.90 α 42.65 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y -60.40 Z 230.60 α 67.90 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -52.13 Z 230.05 α 118.02 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (7) X 0.00 Y -59.55 Z 239.62 α 136.89 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (8) X 0.00 Y -61.14 Z 241.90 α 135.48 β 0.00 γ 0.00.

【0096】 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 ∞ 偏心(1) 1 ∞(瞳) 2 FFS 偏心(2) 1.5254 56.2 3 ASS(FR) 偏心(3) 1.5254 56.2 4 FFS 偏心(2) 5 FFS 偏心(4) 1.5254 56.2 6 FFS(RE) 偏心(5) 1.5254 56.2 7 FFS(RE) 偏心(6) 1.5254 56.2 8 FFS 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ASS R -185.29 K 0.0000 A 5.7336×10-8 B -2.6176×10-11 FFS C4 1.5340×10-36 -1.0000×10-38 -1.1347×10-510 -1.9015×10-511 -7.0896×10-713 -5.8244×10-7 FFS C4 5.6990×10-36 -1.8913×10-28 2.5368×10-510 -1.1589×10-3 FFS C4 5.9656×10-36 -1.3076×10-38 -1.8411×10-410 -6.9564 ×10-4 FFS C4 -1.4038×10-26 -1.3977×10-28 6.8437×10-610 -4.5868×10-4 FFS C4 -2.0085×10-26 2.2181×10-28 3.2550×10-3 偏心(1) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 0.00 Z 302.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y -49.30 Z 241.25 α 49.42 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y -59.07 Z 232.45 α 66.43 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -49.50 Z 232.41 α 115.41 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) X 0.00 Y -56.81 Z 241.31 α 145.25 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) X 0.00 Y -59.15 Z 243.92 α 130.13 β 0.00 γ 0.00 。Example 2 Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object plane ∞ Eccentricity (1) 1 ∞ (pupil) 2 FFS Eccentricity (2) 1.5254 56.2 3 ASS (FR) Eccentricity (3) 1.5254 56.2 4 FFS Eccentricity (2) 5 FFS Eccentricity (4) 1.5254 56.2 6 FFS (RE) Eccentricity (5) 1.5254 56.2 7 FFS (RE) Eccentricity (6) 1.5254 56.2 8 FFS Eccentricity (7) Image plane ∞ Eccentricity (8) ASS R- 185.29 K 0.0000 A 5.7336 × 10 -8 B -2.6176 × 10 -11 FFS C 4 1.5340 × 10 -3 C 6 -1.0000 × 10 -3 C 8 -1.1347 × 10 -5 C 10 -1.9015 × 10 -5 C 11 -7.0896 x 10 -7 C 13 -5.8244 x 10 -7 FFS C 4 5.6990 x 10 -3 C 6 -1.8913 x 10 -2 C 8 2.5368 x 10 -5 C 10 -1.1589 x 10 -3 FFS C 4 5.9 656 x 10 -3 C 6 -1.3076 × 10 -3 C 8 -1.8411 × 10 -4 C 10 -6.9564 × 10 -4 FFS C 4 -1.4038 × 10 -2 C 6 -1.3977 × 10 -2 C 8 6.8437 × 10 - 6 C 10 -4.5868 x 10 -4 FFS C 4 -2.0085 x 10 -2 C 6 2.2 18 1 x 10 -2 C 8 3.2550 x 10 -3 Eccentricity (1) X 0.00 Y 0.00 Z 30 0.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 0.00 Z 302.00 α 20.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y -49.30 Z 241.25 α 49.42 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y -59.07 Z 232.45 α 66.43 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -49.50 Z 232.41 α 115.41 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (7) X 0.00 Y -56.81 Z 241.31 α 145.25 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (8) X 0.00 Y -59.15 Z 243.92 α 130.13 β 0.00 γ 0.00.

【0097】 実施例3 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 偏心(1) 1 ∞(瞳) 2 FFS 偏心(2) 1.5254 56.2 3 ASS(FR) 偏心(3) 1.5254 56.2 4 FFS 偏心(2) 5 FFS 偏心(4) 1.5254 56.2 6 FFS(RE) 偏心(5) 1.5254 56.2 7 FFS(RE) 偏心(6) 1.5254 56.2 8 FFS 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ASS R -198.64 K 0.0000 A 3.8493×10-8 B -1.9988×10-12 C 4.5703×10-17 FFS C4 7.9248×10-46 -1.0000×10-38 -2.2430×10-510 -1.3969×10-511 -1.2766×10-713 -6.2969×10-8 FFS C4 1.0666×10-16 2.7159×10-38 -4.2718×10-310 -2.6681×10-3 FFS C4 4.0925×10-36 -2.7051×10-28 -1.4928×10-310 -2.5227×10-3 FFS C4 -1.8975×10-26 -2.4710×10-28 -2.1176×10-410 -5.3840×10-4 FFS C4 -4.3444×10-36 5.2174×10-28 5.4289×10-3 偏心(1) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y -40.76 Z 302.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y -48.58 Z 242.10 α 23.44 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y -51.25 Z 230.29 α 64.58 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -41.85 Z 229.52 α 111.29 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) X 0.00 Y -53.14 Z 238.31 α 125.92 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) X 0.00 Y -55.60 Z 240.30 α 113.36 β 0.00 γ 0.00 。Example 3 Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object plane ∞ Eccentricity (1) 1 ∞ (pupil) 2 FFS Eccentricity (2) 1.5254 56.2 3 ASS (FR) Eccentricity (3) 1.5254 56.2 4 FFS Eccentricity (2) 5 FFS Eccentricity (4) 1.5254 56.2 6 FFS (RE) Eccentricity (5) 1.5254 56.2 7 FFS (RE) Eccentricity (6) 1.5254 56.2 8 FFS Eccentricity (7) Image plane ∞ Eccentricity (8) ASS R- 198.64 K 0.0000 A 3.8493 × 10 -8 B -1.9988 × 10 -12 C 4.5703 × 10 -17 FFS C 4 7.9 248 × 10 -4 C 6 -1.0000 × 10 -3 C 8 -2.2430 × 10 -5 C 10 -1.3969 × 10 -5 C 11 -1.2766 × 10 -7 C 13 -6.2969 × 10 -8 FFS C 4 1.0666 × 10 -1 C 6 2.7159 × 10 -3 C 8 -4.2718 × 10 -3 C 10 -2.6681 × 10 - 3 FFS C 4 4.0 925 × 10 -3 C 6 -2.7051 × 10 -2 C 8 -1.4928 × 10 -3 C 10 -2.5227 × 10 -3 FFS C 4 -1.8975 × 10 -2 C 6 -2.4710 × 10 -2 C 8 -2.1176 × 10 -4 C 10 -5.3 840 × 10 -4 FFS C 4 -4.3444 × 10 -3 C 6 5.2174 × 10 -2 C 8 5.4289 × 10 -3 Eccentricity (1) X 0 .00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y -40.76 Z 302.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y -48.58 Z 242.10 α 23.44 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y -51.25 Z 230.29 α 64.58 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -41.85 Z 229.52 α 111.29 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (7) X 0.00 Y -53.14 Z 238.31 α 125.92 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (8) X 0.00 Y -55.60 Z 240.30 α 113.36 β 0.00 γ 0.00.

【0098】 実施例4 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 偏心(1) 1 ∞(瞳) 2 FFS 偏心(2) 1.5254 56.2 3 ASS(FR) 偏心(3) 1.5254 56.2 4 FFS 偏心(2) 5 FFS 偏心(4) 1.5254 56.2 6 FFS(RE) 偏心(5) 1.5254 56.2 7 FFS(RE) 偏心(6) 1.5254 56.2 8 FFS 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ASS R -196.82 K 0.0000 A 2.6342×10-8 B -1.6186×10-12 C -3.2724×10-17 FFS C4 1.5642×10-36 -1.0000×10-38 -2.4798×10-510 -2.4250×10-511 -4.9650×10-713 -1.8137×10-7 FFS C4 2.1255×10-26 1.4745×10-28 -5.2688×10-410 -1.6479×10-3 FFS C4 4.4105×10-36 -6.0916×10-38 -3.9903×10-410 -9.9558×10-4 FFS C4 -1.4591×10-26 -1.4933×10-28 -7.9728×10-510 -5.7116×10-4 FFS C4 -1.5065×10-26 1.8124×10-28 6.5882×10-3 偏心(1) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y -36.61 Z 302.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y -48.40 Z 242.32 α 21.16 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y -46.78 Z 228.66 α 56.24 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -36.18 Z 230.28 α 100.98 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) X 0.00 Y -47.50 Z 237.00 α 128.66 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) X 0.00 Y -50.98 Z 238.73 α 110.52 β 0.00 γ 0.00 。Example 4 Surface Number Curvature Radius Surface Spacing Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface ∞ Eccentricity (1) 1 ∞ (pupil) 2 FFS Eccentricity (2) 1.5254 56.2 3 ASS (FR) Eccentricity (3) 1.5254 56.2 4 FFS Eccentricity (2) 5 FFS Eccentricity (4) 1.5254 56.2 6 FFS (RE) Eccentricity (5) 1.5254 56.2 7 FFS (RE) Eccentricity (6) 1.5254 56.2 8 FFS Eccentricity (7) Image plane ∞ Eccentricity (8) ASS R- 196.82 K 0.0000 A 2.6342 × 10 -8 B -1.6186 × 10 -12 C -3.2724 × 10 -17 FFS C 4 1.5642 × 10 -3 C 6 -1.0000 × 10 -3 C 8 -2.4798 × 10 -5 C 10- 2.4 250 x 10 -5 C 11 -4.9 650 x 10 -7 C 13 -1.8 137 x 10 -7 FFS C 4 2.1255 x 10 -2 C 6 1.4745 x 10 -2 C 8 -5.2688 x 10 -4 C 10 -1.6479 x 10 -3 FFS C 4 4.4105 × 10 -3 C 6 -6.0916 × 10 -3 C 8 -3.9903 × 10 -4 C 10 -9.9558 × 10 -4 FFS C 4 -1.4591 × 10 -2 C 6 -1.4933 × 10 - 2 C 8 -7.9728 x 10 -5 C 10 -5.7 116 x 10 -4 FFS C 4 -1.5065 x 10 -2 C 6 1.8124 x 10 -2 C 8 6.5 882 x 10 -3 Eccentricity (1) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.00 Z 300.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y -36.61 Z 302.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y -48.40 Z 242.32 α 21.16 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y -46.78 Z 228.66 α 56.24 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -36.18 Z 230.28 α 100.98 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (7) X 0.00 Y -47.50 Z 237.00 α 128.66 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (8) X 0.00 Y -50.98 Z 238.73 α 110.52 β 0.00 γ 0.00.

【0099】上記実施例1の横収差を図18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。
FIG. 18 shows the lateral aberration of Example 1 above. In this lateral aberration diagram, the numbers shown in parentheses represent (horizontal angle of view, vertical angle of view) and the lateral aberration at that angle of view.

【0100】なお、本発明の投影表示装置のリレー光学
系に用いる偏心プリズム光学系としては、以上の実施例
1〜4で用いたタイプ及び図19に示した内部反射回数
2〜3回のタイプのプリズムに限定されず、他のタイプ
の偏心プリズム単体あるいはそれらの偏心プリズムの組
み合わせからなる光学系を用いることができる。
As the decentered prism optical system used in the relay optical system of the projection display apparatus of the present invention, the type used in Examples 1 to 4 and the type having the number of internal reflections 2 to 3 shown in FIG. The present invention is not limited to the above prism, and an optical system including another type of decentered prism alone or a combination of these decentered prisms can be used.

【0101】以上の本発明の光学素子及びそれを用いた
光学装置は例えば次のように構成することができる。
The above-described optical element of the present invention and an optical device using the same can be constructed as follows, for example.

【0102】〔1〕 少なくとも2つの光学作用面を備
えた光学素子において、その中の1つの光学作用面は回
転非対称な面で構成され、もう1つの光学作用面はフレ
ネル面からなることを特徴とする光学素子。
[1] In an optical element having at least two optical action surfaces, one of the optical action surfaces is a rotationally asymmetric surface, and the other optical action surface is a Fresnel surface. And optical element.

【0103】〔2〕 前記フレネル面は回転対称なフレ
ネル面からなることを特徴とする上記1記載の光学素
子。
[2] The optical element as described in the above item 1, wherein the Fresnel surface is a rotationally symmetric Fresnel surface.

【0104】〔3〕 前記少なくとも2つの光学作用面
は少なくとも透過作用を有することを特徴とする上記1
又は2記載の光学素子。
[3] The above-mentioned at least two optical action surfaces have at least a transmission action.
Alternatively, the optical element according to the item 2.

【0105】〔4〕 前記少なくとも2つの光学作用面
の中の1つの光学作用面は少なくとも反射作用を有する
ことを特徴とする上記1又は2記載の光学素子。
[4] The optical element according to the above 1 or 2, wherein one of the at least two optical action surfaces has at least a reflection action.

【0106】〔5〕 前記少なくとも2つの光学作用面
の中、透過作用を有する面を回転非対称な面で構成し、
反射作用を有する面をフレネル面で構成したことを特徴
とする上記1から4の何れか1項記載の光学素子。
[5] Of the at least two optically active surfaces, the surface having the transmissive effect is constituted by a rotationally asymmetric surface,
5. The optical element according to any one of 1 to 4 above, wherein the surface having a reflecting action is a Fresnel surface.

【0107】〔6〕 前記少なくとも2つの光学作用面
の中、透過作用を有する面をフレネル面で構成し、反射
作用を有する面を回転非対称な面で構成したことを特徴
とする上記1から4の何れか1項記載の光学素子。
[6] Among the at least two optically active surfaces, the surface having a transmissive effect is a Fresnel surface and the surface having a reflective effect is a rotationally asymmetric surface. The optical element according to any one of 1.

【0108】〔7〕 上記1から6の何れか1項記載の
光学素子を用いたことを特徴とする像拡大光学装置。
[7] An image enlarging optical device using the optical element described in any one of 1 to 6 above.

【0109】〔8〕 上記1から6の何れか1項記載の
光学素子は正のパワーを持ち、映像を拡大するためのリ
レー光学系と共に用いられることを特徴とする映像表示
装置。
[8] An image display device characterized in that the optical element described in any one of the above items 1 to 6 has a positive power and is used together with a relay optical system for enlarging an image.

【0110】[0110]

〔9〕 映像を表示する表示素子又はその
中間像と、前記表示素子に表示された映像又は中間像を
投影するリレー光学系と、リレー光学系からの光束を観
察者の眼球に向って収束する収束作用を有する接眼光学
系とから構成され、前記接眼光学系が少なくとも1つ以
上の自由曲面と少なくとも1つ以上のフレネル反射面を
有することを特徴とする投影型光学装置。
[9] A display element for displaying an image or an intermediate image thereof, a relay optical system for projecting the image or the intermediate image displayed on the display element, and a light flux from the relay optical system is converged toward an eyeball of an observer. A projection-type optical device comprising an eyepiece optical system having a converging action, wherein the eyepiece optical system has at least one free-form surface and at least one Fresnel reflecting surface.

【0111】〔10〕 前記接眼光学系の射出瞳位置と
前記接眼光学系の射出瞳側の面との軸上距離をEXPeとす
るとき、 80mm<EXPe<1000mm ・・・(1) なる条件式を満足することを特徴とする上記9記載の投
影型光学装置。
[10] When EXPe is the axial distance between the exit pupil position of the eyepiece optical system and the exit pupil side surface of the eyepiece optical system, the conditional expression is 80 mm <EXPe <1000 mm (1) 10. The projection type optical device described in 9 above, characterized in that

【0112】〔11〕 全光学系の偏心方向をY方向、
それらと直交する方向をX方向とするとき、前記接眼光
学系のX方向、Y方向のパワーをそれぞれPx3、Py
3、前記リレー光学系のX方向、Y方向のパワーをPP
x、PPyとするとき、 0<|Px3/PPx|<2 ・・・(2) 0<|Py3/PPy|<2 ・・・(3) なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴
とする上記9又は10記載の投影型光学装置。
[11] The decentering direction of the entire optical system is the Y direction,
When the direction orthogonal to them is the X direction, the powers of the eyepiece optical system in the X and Y directions are Px3 and Py, respectively.
3. The power of the relay optical system in the X and Y directions is PP
When x and PPy, 0 <| Px3 / PPx | <2 ... (2) 0 <| Py3 / PPy | <2 ... (3) At least one of the conditions is satisfied. 11. The projection optical device according to 9 or 10 above.

【0113】〔12〕 全光学系の偏心方向をY方向、
それらと直交する方向をX方向とするとき、投影光学系
全系のX方向のパワーをPx、Y方向のパワーをPyと
するとき、 0.5<Px/Py<1.8 ・・・(4) なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴
とする上記9から11の何れか1項記載の投影型光学装
置。
[12] Let the decentering direction of all optical systems be the Y direction,
When the direction orthogonal to them is the X direction, the power in the X direction of the entire projection optical system is Px, and the power in the Y direction is Py, 0.5 <Px / Py <1.8 ( 4) The projection optical apparatus according to any one of 9 to 11 above, wherein at least one of the following conditions is satisfied.

【0114】〔13〕 全光学系の偏心方向をY方向、
それらと直交する方向をX方向とするとき、投影光学系
全系のX方向のパワーをPx、Y方向のパワーをPyと
し、前記接眼光学系のX方向、Y方向のパワーをそれぞ
れPx3、Py3、とするとき、 0.01<|Px3/Px|<1.0 ・・・(5) 0.01<|Py3/Py|<1.0 ・・・(6) なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴
とする上記9から12の何れか1項記載の投影型光学装
置。
[13] The decentering direction of all optical systems is the Y direction,
When the direction orthogonal to them is the X direction, the power in the X direction of the entire projection optical system is Px, the power in the Y direction is Py, and the powers in the X and Y directions of the eyepiece optical system are Px3 and Py3, respectively. , 0.01 <| Px3 / Px | <1.0 (5) 0.01 <| Py3 / Py | <1.0 (6) At least one of the conditions 13. The projection type optical device according to any one of 9 to 12 above, wherein

【0115】〔14〕 全光学系の偏心方向をY方向、
それらと直交する方向をX方向とするとき、投影光学系
全系のX方向のパワーをPx、Y方向のパワーをPyと
し、前記リレー光学系のX方向、Y方向のパワーをPP
x、PPyとするとき、 0.5<|PPx/Px|<10.0 ・・・(7) 0.5<|PPy/Py|<10.0 ・・・(8) なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴
とする上記9から13の何れか1項記載の投影型光学装
置。
[14] The decentering direction of the entire optical system is the Y direction,
When the direction orthogonal to them is the X direction, the power in the X direction of the entire projection optical system is Px, the power in the Y direction is Py, and the powers in the X and Y directions of the relay optical system are PP.
When x and PPy, at least any one of the following conditions: 0.5 <| PPx / Px | <10.0 (7) 0.5 <| PPy / Py | <10.0 (8) 14. The projection optical apparatus according to any one of 9 to 13 above, characterized in that either one of the above is satisfied.

【0116】〔15〕 前記リレー光学系が、屈折率
(n)が1よりも大きい(n>1)媒質で形成され、前
記表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する
入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも
1つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面と
を有し、その少なくとも1つの反射面が、光束にパワー
を与える曲面形状を有する偏心プリズム単数あるいは複
数備えてなることを特徴とする上記9から13の何れか
1項記載の投影型光学装置。
[15] The relay optical system is formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1), and an incident surface on which the light flux emitted from the display element is incident into the prism, An eccentric prism having at least one reflecting surface that reflects the light flux inside the prism and an exit surface that emits the light flux outside the prism, and the at least one reflecting surface has a curved surface shape that gives power to the light flux, or 14. The projection optical apparatus according to any one of 9 to 13 above, which is provided with a plurality.

【0117】〔16〕 前記偏心プリズムが、2つの
反射面を備え、入射面と第1反射面と第2反射面と射出
面からなり、入射面と第1反射面とを結ぶ光路が第2反
射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するよう
になっていることを特徴とする上記15記載の投影型光
学装置。
[16] The decentered prism has two reflecting surfaces, is composed of an entrance surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface and an exit surface, and an optical path connecting the entering surface and the first reflecting surface is the second. 16. The projection-type optical device according to the above 15, wherein the optical path connecting the reflecting surface and the exit surface intersects in the prism.

【0118】〔17〕 前記偏心プリズムが、3つの反
射面を備え、その内の第3反射面が前記表示素子からの
光を入射させる入射面を兼用した面にて形成され、第1
反射面が射出面を兼用した面にて形成されていることを
特徴とする上記15記載の投影型光学装置。
[17] The decentered prism is provided with three reflecting surfaces, and the third reflecting surface of the decentering prism is formed as a surface which also serves as an incident surface on which light from the display element is made incident.
16. The projection type optical device according to the above 15, wherein the reflecting surface is formed as a surface which also serves as an exit surface.

【0119】〔18〕 前記偏心プリズムが、2つの反
射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第1反射面
と、第2反射面とからなることを特徴とする上記15記
載の投影型光学装置。
[18] The projection according to the above item 15, characterized in that the decentered prism has two reflecting surfaces and comprises an entrance surface, a first reflecting surface which also serves as an exit surface, and a second reflecting surface. Type optical device.

【0120】〔19〕 前記偏心プリズムが、2つの反
射面を備え、入射面を兼用した第2反射面と、第1反射
面と、射出面とからなることを特徴とする上記15記載
の投影型光学装置。
[19] The projection according to the above item 15, characterized in that the decentering prism comprises two reflecting surfaces and is composed of a second reflecting surface also serving as an entrance surface, a first reflecting surface, and an exit surface. Type optical device.

【0121】〔20〕 前記接眼光学系は拡散性を有す
ることを特徴とする上記9から19の何れか1項記載の
投影型光学装置。
[20] The projection type optical device described in any one of the above items 9 to 19, wherein the eyepiece optical system has a diffusive property.

【0122】〔21〕 前記接眼光学系は少なくとも1
次元方向に拡散性を有することを特徴とする上記9から
20の何れか1項記載の投影型光学装置。
[21] At least one eyepiece optical system
21. The projection type optical device according to any one of 9 to 20 above, which has a diffusivity in a dimension direction.

【0123】〔22〕 前記接眼光学系は異なる2つの
方向を中心に拡散性を有することを特徴とする上記9か
ら21の何れか1項記載の投影型光学装置。
[22] The projection optical apparatus according to any one of 9 to 21 above, wherein the eyepiece optical system has diffusivity centering on two different directions.

【0124】〔23〕 前記リレー光学系による中間像
が前記接眼光学系近傍に結像されることを特徴とする上
記9から21の何れか1項記載の投影型光学装置。
[23] The projection optical apparatus according to any one of the above 9 to 21, wherein an intermediate image formed by the relay optical system is formed in the vicinity of the eyepiece optical system.

【0125】〔24〕 前記表示素子を2つ備え、前記
各表示素子に対応して前記リレー光学系を2つ備え、2
つの前記リレー光学系に共通の前記接眼光学系を備えて
いることを特徴とする上記9から23の何れか1項記載
の投影型光学装置。
[24] Two display elements are provided, and two relay optical systems corresponding to the respective display elements are provided.
24. The projection optical apparatus according to any one of 9 to 23 above, further comprising the eyepiece optical system common to the two relay optical systems.

【0126】〔25〕 前記接眼光学系を光路から退避
可能に構成し、プロジェクターとして使用可能に構成し
たことを特徴とする上記9から24の何れか1項記載の
投影型光学装置。
[25] The projection optical apparatus according to any one of the above items 9 to 24, wherein the eyepiece optical system is configured to be retractable from the optical path so that it can be used as a projector.

【0127】〔26〕 前記表示素子の前記リレー光学
系に対する位置を調整可能に構成されていることを特徴
とする上記9から25の何れか1項記載の投影型光学装
置。
[26] The projection optical apparatus according to any one of items 9 to 25, wherein the position of the display element with respect to the relay optical system is adjustable.

【0128】〔27〕 前記表示素子を照明する光源を
備え、投影型光学装置本体に装着取り外し可能な外付け
光線装置を備えていることを特徴とする上記9から26
の何れか1項記載の投影型光学装置。
[27] A light source for illuminating the display element, and an external light beam device attachable / detachable to / from the main body of the projection type optical device.
The projection type optical device according to any one of 1.

【0129】[0129]

【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、小型で作りやすく偏心収差を補正可能な光学
素子が可能になり、この光学素子を用いることにより、
小型で消費電力が少なく、安価でありながら、良好な拡
大像が得られる携帯型表示装置等の光学装置を構成する
ことができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, it becomes possible to provide an optical element which is small in size, is easy to manufacture, and is capable of correcting decentering aberrations. By using this optical element,
It is possible to configure an optical device such as a portable display device that is small in size, consumes less power, is inexpensive, and can obtain a good magnified image.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による投影表示装置の1つの使用形態を
説明するための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining one usage pattern of a projection display device according to the present invention.

【図2】本発明による投影表示装置の別の使用形態を説
明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining another usage pattern of the projection display apparatus according to the present invention.

【図3】本発明の投影表示装置の接眼光学系の散乱性を
説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the scattering property of the eyepiece optical system of the projection display device of the present invention.

【図4】散乱性が多い場合の図3に対応する図である。FIG. 4 is a diagram corresponding to FIG. 3 in the case where the scattering property is large.

【図5】接眼光学系の散乱性の範囲が観察者の両眼に対
応する水平方向に対して垂直方向より大きい場合の本発
明の投影表示装置を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a projection display device of the present invention in which the scattering range of the eyepiece optical system is larger than the vertical direction with respect to the horizontal direction corresponding to both eyes of an observer.

【図6】リレー光学系を射出した光線が2つに別れて観
察者両眼に向かう場合の本発明の投影表示装置を示す図
である。
FIG. 6 is a diagram showing a projection display device of the present invention when a light beam emitted from a relay optical system is divided into two and goes to both eyes of an observer.

【図7】本発明の投影表示装置がプロジェクターとして
使用可能な構成を説明するための図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a configuration in which the projection display device of the present invention can be used as a projector.

【図8】外付けの光源装置が使用可能な本発明の投影表
示装置を説明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the projection display device of the present invention in which an external light source device can be used.

【図9】2つのリレー光学系を使用して立体画像が観察
な本発明の投影表示装置を説明するための図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining the projection display device of the present invention in which a stereoscopic image is observed using two relay optical systems.

【図10】本発明の投影表示装置を手持ちビュワータイ
プの形態に構成した場合を説明するための図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining a case where the projection display device of the present invention is configured in the form of a handheld viewer type.

【図11】リレー光学系の支持部材が接眼光学系の保護
カバーの役目を兼用する本発明の投影表示装置を説明す
るための図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining the projection display device of the present invention in which the support member of the relay optical system also serves as the protective cover of the eyepiece optical system.

【図12】本発明による光学素子の可能な形態の模式的
な断面図である。
FIG. 12 is a schematic sectional view of a possible form of an optical element according to the present invention.

【図13】本発明で用いるフレネル面を説明するための
模式図である。
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a Fresnel surface used in the present invention.

【図14】本発明の実施例1の光学系の全体の光路図で
ある。
FIG. 14 is an optical path diagram of the entire optical system of Example 1 of the present invention.

【図15】本発明の実施例1の光学系の射出瞳に至る光
路を省いた拡大光路図である。
FIG. 15 is an enlarged optical path diagram in which the optical path leading to the exit pupil of the optical system of Example 1 of the present invention is omitted.

【図16】本発明の実施例3の光学系の全体の光路図で
ある。
FIG. 16 is an optical path diagram of the entire optical system of Example 3 of the present invention.

【図17】本発明の実施例3の光学系の射出瞳に至る光
路を省いた拡大光路図である。
FIG. 17 is an enlarged optical path diagram in which an optical path leading to the exit pupil of the optical system of Example 3 of the present invention is omitted.

【図18】実施例1の光学系の横収差図である。18 is a lateral aberration diagram for the optical system according to Example 1. FIG.

【図19】本発明の投影型光学装置のリレー光学系に使
用可能な偏心プリズムのいくつかの例を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing some examples of decentering prisms that can be used in the relay optical system of the projection optical apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…射出瞳(観察者瞳) 2…軸上主光線 3…表示素子 10…偏心プリズム 11…第1面 12…第2面 13…第3面 14…第4面 20…光学素子 21…光学素子の入射側の面 22…光学素子の裏面側の面 30…表示装置本体 31、31L、32R…リレー光学系 32…接眼光学系 33…操作ボタン 34…反射作用を有する光学素子 35…透過作用を有する光学素子 36…反射鏡(平面鏡) 37…内蔵光源 38…外付けの光源装置 39…外付けの光源 42…リレー光学系の支持部材 51…入射光 52…散乱光 53…散乱性の範囲 54…壁面 60…フレネル面 61…回転対称なフレネル透過面 62…回転非対称な形状の透過面 63、65、67…光学素子 64…回転非対称な形状の反射面 66…回転対称なフレネル反射面 E…観察者眼球位置 1 ... Exit pupil (observer's pupil) 2 ... axial chief ray 3 ... Display element 10 ... Decentered prism 11 ... First side 12 ... Second surface 13 ... Third side 14 ... Fourth surface 20 ... Optical element 21 ... Surface of incident side of optical element 22 ... Surface on the back side of the optical element 30 ... Display device main body 31, 31L, 32R ... Relay optical system 32 ... Eyepiece optical system 33 ... Operation button 34 ... Optical element having reflection action 35 ... Optical element having transmissive action 36 ... Reflecting mirror (flat mirror) 37 ... Built-in light source 38 ... External light source device 39 ... External light source 42 ... Support member for relay optical system 51 ... Incident light 52 ... scattered light 53 ... Range of scattering 54 ... Wall surface 60 ... Fresnel surface 61 ... Rotationally symmetric Fresnel transparent surface 62 ... Rotationally asymmetric transparent surface 63, 65, 67 ... Optical element 64 ... Reflective surface with rotationally asymmetric shape 66 ... Rotationally symmetric Fresnel reflecting surface E ... Eyeball position of observer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02B 25/00 G02B 25/00 A 27/18 27/18 Z G03B 21/00 G03B 21/00 D ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) G02B 25/00 G02B 25/00 A 27/18 27/18 Z G03B 21/00 G03B 21/00 D

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも2つの光学作用面を備えた光
学素子において、その中の1つの光学作用面は回転非対
称な面で構成され、もう1つの光学作用面はフレネル面
からなることを特徴とする光学素子。
1. An optical element having at least two optically active surfaces, one of which is a rotationally asymmetric surface, and the other optically active surface is a Fresnel surface. Optical element to do.
【請求項2】 請求項1記載の光学素子は正のパワーを
持ち、映像を拡大するためのリレー光学系と共に用いら
れることを特徴とする映像表示装置。
2. The image display device according to claim 1, wherein the optical element has a positive power and is used together with a relay optical system for magnifying an image.
【請求項3】 映像を表示する表示素子又はその中間像
と、前記表示素子に表示された映像又は中間像を投影す
るリレー光学系と、リレー光学系からの光束を観察者の
眼球に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とか
ら構成され、前記接眼光学系が少なくとも1つ以上の自
由曲面と少なくとも1つ以上のフレネル反射面を有する
ことを特徴とする投影型光学装置。
3. A display element for displaying an image or an intermediate image thereof, a relay optical system for projecting the image or the intermediate image displayed on the display element, and a light flux from the relay optical system toward an eyeball of an observer. A projection-type optical device comprising: an eyepiece optical system having a converging action for converging, the eyepiece optical system having at least one free-form surface and at least one Fresnel reflecting surface.
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