CN102385159B - 偏心光学系统、使用偏心光学系统的图像显示装置及摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供偏心光学系统、使用偏心光学系统的图像显示装置及摄像装置。偏心光学系统能通过非常小、轻并且形状自由度高的1个光学元件，将图像显示元件的图像作为虚像投影到观察者眼球。偏心光学系统的特征在于：具有5个光学面，光学面在XYZ坐标空间的Y-Z面内相对于轴上主光线偏心，并且，至少1个面是在与Y-Z面正交的X-Z面内偏心的面，多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，至少2个旋转非对称面中的至少1个面是具有X的奇数次数项的旋转非对称面。

Description

偏心光学系统、使用偏心光学系统的图像显示装置及摄像装置

技术领域

本发明涉及使用旋转非对称面的偏心光学系统、使用该偏心光学系统的图像显示装置以及摄像装置这样的光学装置。

背景技术

以往，公知有将具有多个光学面的棱镜用作观察图像显示元件的光学系统。在这样的棱镜中，从显示元件发出的光入射到棱镜内，在棱镜内部反射后从棱镜射出，到达观察者眼球，由此，就能作为放大后的虚像来观察图像。

作为观察这样的图像的光学系统，在专利文献1中提出有基于经由至少3个反射面形成1次像后投影到眼球的棱镜的光学系统，在专利文献2、3中提出有将全息元件配置于眼镜镜片部的光学系统等。

此外，作为其他图像显示装置的光学系统，在专利文献4中提出了通过导光板和目镜投影到眼球的光学系统，而且，在专利文献5中提出有如下方案，具备用折射率大于1的介质填满被3个面夹着的空间、由至少一个面不具有对称面的曲面构成的偏心光学系统，2个图像显示元件排列在一条直线上进行配置，因此，当为具有两眼视差角(辐辏角)的配置时，即使图像显示元件和偏心光学系统的轴上主光线扭曲配置也能校正像差等。

专利文献1：日本特开2008-76429号公报

专利文献2：日本特开2007-94175号公报

专利文献3：日本特开2004-325985号公报

专利文献4：日本特开2006-3879号公报

专利文献5：日本特许第3924348号公报

在专利文献1中，通过3个反射面的3次反射，在从显示元件11至观察者的瞳孔的光路上3次交叉。为了使这种光路弯折，显示元件侧(图的上部)的元件形状变大。虽然提出有保持于眼镜框等上、配置于镜片的外侧的方案，但是导光通路突出到外部，在外观上不优选。

在专利文献2、3中提出有利用全息元件的方案。由此，就有可能形成利用基于全息元件的衍射使光学系统变薄的布局。但是，在全息元件中还有其他问题。全息元件在制造上非常困难，成本也高。

进而，由于波长选择性高，所以采取使用波长非常窄的激光光线这样的光源或者仅使用LED的一部分波长的方法，激光光源还是3原色的小型化的芯片还处在开发过程中，成本高，耗费电力也高，无法嵌入到眼镜。此外，因为使用了LED光源的装置通过狭窄频带的带通滤波器，因此光的利用效率低。

进而，作为全息元件的课题，无法使用低消耗电力、无需自发光型照明系统、有利于小型化的有机EL面板。有机EL面板的波长带比LED宽，与全息元件的组合效率低，无用光变多，无法确保画质。

在专利文献4中，需要对导光板或棱镜和目镜进行组合，使多个光学元件配置于框体内。因此，由于配置有棒状的光学部件支撑部件，所以有外观上的问题。进而，组装、调整耗费工时，在耐水性等装置的耐性上也有问题。

在专利文献5中，以3面构成偏心光学系统，因此，光学系统成为三角棱镜的截面形状，图像显示元件与观察者眼球配置成相反方向。在该配置中显示元件部配置在观察者的脸部前方，因此，不是眼镜型的图像显示装置。

发明内容

本发明鉴于现有技术的这种状况而完成，其主要目的是提供一种偏心光学系统，其能通过非常小的、轻并且形状自由度高的一个光学元件将图像显示元件的图像作为虚像投影到观察者眼球。

为了解决上述课题，本发明的偏心光学系统是具有至少5个光学面的偏心光学系统，其特征在于，上述光学面在XYZ坐标空间的Y-Z面内相对于轴上主光线偏心，并且至少1个面是在与上述Y-Z面正交的X-Z面内偏心的面，上述多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，上述至少2个旋转非对称面中的至少1个面是具有X的奇数次数项的旋转非对称面。

进而，其特征在于，当将入射到上述偏心光学系统的轴上主光线和从上述偏心光学系统射出的轴上主光线在X-Z面内的角度设为α时，满足5°≤α≤45°。

进而，在上述偏心光学系统中，由上述至少5个光学面形成的空间由折射率1.3以上的光学介质填满。

进而，上述偏心光学系统具有5个光学面，从显示图像的图像显示面射出的光入射到上述偏心光学系统，之后从上述偏心光学系统射出，形成出瞳而投影到观察者的眼球，并且，沿着从入射到上述偏心光学系统到从上述偏心光学系统射出的光的线路，上述偏心光学系统依次由下述面构成：作为入射面的透射面的第1面、与上述第1面相对的作为内部反射面的第2面、与上述第2面相对的作为内部反射面和透射面的第3面、与上述第3面相对并且与上述第2面相邻的作为内部反射面的第4面、与上述第4面相邻且与上述第3面相对的作为内部反射面的第5面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，在上述第3面，至少1次内部反射具有全反射作用。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第3面是旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第3面在Y-Z面内具有负屈光度。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第4面是旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第5面是旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第5面在Y-Z面内具有正屈光度。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第2面是旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第2面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第5面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第1面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第3面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第5面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第2面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

进而，上述偏心光学系统的特征在于，上述第4面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

此外，本发明的图像显示装置的特征在于，具有上述偏心光学系统，并与上述第1面相对地配备有上述图像显示元件，当观察者的眼球与上述第3面的透射区域相对时，对上述观察者呈现放大后的虚像。

进而，上述图像显示装置的特征在于，上述偏心光学系统的出瞳形成于上述第3面的射出窗附近、或者上述第3面和观察者的眼球之间。

进而，上述图像显示装置的特征在于，当从上述偏心光学系统的入射面取入来自上述图像显示元件的图像、并从上述偏心光学系统的射出面作为大致平行光射出、投影到观察者的眼球时，上述图像显示元件绕轴上主光线(γ)旋转地进行配置。

此外，本发明的摄像装置具有上述偏心光学系统，并与上述第1面相对地配备有摄像元件，在上述第3面的透射区域的前方附近配备有开口光圈，并对外界像进行摄像。

进而，在上述摄像装置中，当将大致平行光从入瞳入射到上述偏心光学系统、并通过上述偏心光学系统的外部的摄像元件进行摄像时，上述摄像元件绕轴上主光线(γ)旋转地进行配置。

以上，根据本发明，能提供一种偏心光学系统，其光学系统的配置自由度高，入射光轴和射出光轴在Y-Z平面内、X-Z平面内各个平面内不在同一轴上而是具有一定角度，所述偏心光学系统能将图像显示元件的图像作为虚像投影到观察者眼球。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的偏心光学系统的结构的图。

图2是实施例1的偏心光学系统的Y-Z剖面上的光路图。

图3是实施例1的偏心光学系统的X-Z剖面上的光路图。

图4是表示实施例1的光学系统整体的横像差图的图。

图5是表示实施例1的光学系统整体的横像差图的图。

图6是实施例2的偏心光学系统的Y-Z剖面上的光路图。

图7是实施例2的偏心光学系统的X-Z剖面上的光路图。

图8是表示实施例2的光学系统整体的横像差图的图。

图9是表示实施例2的光学系统整体的横像差图的图。

图10是使用偏心光学系统的图像显示装置的基本构成图。

图11是使用偏心光学系统的图像显示装置的俯视图。

图12是使用偏心光学系统的图像显示装置的侧视图。

图13是使用偏心光学系统的图像显示装置的主视图。

图14是使用偏心光学系统的图像显示装置的侧视图。

图15是使用偏心光学系统的图像显示装置的侧视图。

图16是使用棱镜光学系统的摄像装置的基本构成图。

符号说明

1...偏心光学系统11...第1面12...第2面13...第3面

14...第4面15...第5面2...图像显示元件

3...电子装备系统4...数码照相机(摄像装置)

41...快门42...开关43...背面显示面板44...摄像装置(CCD)

45...图像记录存储器46...开口光圈47...入射窗

P...图像显示装置G...眼镜G1...眼镜腿部G2...眼镜镜片

具体实施方式

优选本发明的偏心光学系统1至少具有5个光学面，至少5个光学面在XYZ坐标空间的Y-Z面内相对于轴上主光线偏心，并且，至少一个面在与Y-Z面正交的X-Z面内是偏心的面，多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，至少两个旋转非对称面中的至少1个面是具有X的奇数次数项的旋转非对称面。

通过这样的构成，至少5个面的光学系统在Y-Z面内相对于轴上主光线偏心(移位或倾斜)，由此，在Y-Z面内光轴即轴上主光线并不是在同一轴上，入射到偏心光学系统的光轴和射出的光轴能设定为不同的方向。当将这样的偏心光学系统1用作例如图像显示装置P时，就能在Y-Z面内在某种程度上自由地配置用于显示图像的图像显示元件2的位置和观察该图像显示元件2的图像的观察者眼球位置。

进而，将至少1个面设为在与Y-Z面正交的X-Z面内相对于轴上主光线偏心的面，由此，就能在X-Z面内使光轴即轴上主光线不在同一轴上、把入射到偏心光学系统1的光轴和射出的光轴设定为不同的方向。当将这样的偏心光学系统1用于例如图像显示装置P时，就能在X-Z面内在某种程度上自由地配置用于显示图像的图像显示元件2的位置和观察该图像显示元件2的图像的观察者眼球位置。

但是，在这样构成的偏心光学系统1中，在Y-Z面内产生与通常的赛德像差不同的、由于光学面的偏心导致的像差即所谓的偏心像差。该偏心像差是通过使具有屈光度的光学面偏心而产生的，在轴上产生平时不发生的慧差或像散，在轴外也产生像面倒下、非对称的变形像差等。为了校正这样的旋转非对称的像差，在作为旋转对称面的球面、非球面上无法校正。因此，在本发明的偏心光学系统1中，通过使用旋转非对称曲面来进行像差校正。

假定在Y-Z面内多个光学面的偏心量较大，产生的偏心像差量也较大。因此，多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面对于该偏心像差校正起到良好的作用。

而且，将与Y-Z面正交的X-Z面内至少一个面设为偏心的面，由此，在X-Z面内作为光学系统的光轴的轴上主光线具有角度。

根据上述偏心光学系统，在Y-Z面内以及X-Z面内，就能配置成入射的轴上主光线和射出的轴上主光线相互具有角度。因此，当为图像显示装置P时，就能在Y-Z面内将偏心光学系统1以及图像显示元件2等相对于观察者的眼球配置在期望的位置，作为图像显示装置P而形成紧凑的形状，减少了安装者的不适感和烦恼。

另一方面，由于在X-Z面内也无需配置在同一轴上，例如，就能相对于观察者的眼球将偏心光学系统1和图像显示元件2配置在移位后的位置上，能配置成从偏心光学系统1射出的光线斜着入射到观察者眼球。因此，在观察者的安装的眼球的眼镜腿挂耳的部分，即使相对于眼镜腿挂耳部分平行地配备光学系统1和图像显示元件2，也能使光线从斜下方射出到观察者眼球而向眼球中心射出。因此，根据这样的图像显示装置P，观察者能够不依赖于眼镜腿挂耳部分等保持部的形状，而观察处于斜下方的图像显示元件2的图像。

此外，当在摄像装置中采用本发明的偏心光学系统1时，就能使装置整体小型化、轻量化，并能将摄像元件三维地配置于自由的位置。

此外，当将入射到偏心光学系统1的轴上主光线和从偏心光学系统1射出的轴上主光线在X-Z面内的角度设为α时，优选满足

5°≤α≤45°。

根据这样的构成，通过在与Y-Z面正交的X-Z面内将至少一个面设为偏心的面，使得在X-Z面内光学系统的光轴即轴上主光线具有角度。此时，通过使入射的光束和射出的光束的朝向变化，例如，当在图像显示装置P中利用时，能配置成将图像显示元件2和观察者眼球相对于偏心光学系统的角度设为不同。

通过上述配置，即使将安装了本发明的偏心光学系统1的图像显示装置P相对于观察者水平地进行配置，也能使光轴(轴上主光线)从图像显示装置P以一定角度射出。

此外，优选偏心光学系统1用折射率1.3以上的光学介质填满由至少5个光学面形成的空间。

这样，偏心光学系统1用折射率1.3以上的光学介质填满由至少5个光学面形成的空间，由此，偏心光学系统1形成为1个光学部件，所以在制造中构成的光学面是偏心光学系统1的1个面，无需进行各个面的相对的位置调整。进而，由于光通过偏心光学系统1的内部，所以在内部的反射中，通过设为临界角以上的入射角，就能实现全反射。

根据这样的偏心光学系统1，就能将具有至少5个面的光学系统设为1个棱镜，以各种形状形成各个光学面，对这些面进行组合来制作模具并成型，由此就能制造稳定品质的光学元件。此外，通过使用全反射作用，就能设成在光学面的1个面上具有反射和透射两个作用的面，有利于光学系统的小型化。

此外，从显示图像的图像显示面射出的光入射到偏心光学系统1，之后从偏心光学系统1射出，形成出瞳S并投影到观察者眼球时的偏心光学系统1的构成优选为：沿着入射到偏心光学系统1、从偏心光学系统1射出为止的光的光路，依次由作为入射面的透射面的第1面、作为与第1面相对的内部反射面的第2面、作为与第2面相对的内部反射面和透射面的第3面、与第3面相对并且与第2面相邻的作为内部反射面的第4面、与第4面相邻并且与第3面相对的作为内部反射面的第5面构成。

根据上述的光学面的构成的偏心光学系统，由于第3面是与第2面、第4面、第5面相对的面，所以偏心光学系统在左右的面内进行多重反射，就能称为非常小的元件且使实际的光路变长。此外，偏心光学系统的形状为具有曲面的大致棒状，就可形成沿着后述的眼镜的玻璃的外形的形状。进而，能够作为眼镜的玻璃框的一部分来使用。

这样，因为缩小了光学元件并设为大致棒状，所以当将图像观察装置配备在观察者的眼球前方时，就能缩小观察者的外界视野的妨碍面积。

进而，偏心光学系统在第3个面进行2次内部反射，在其前后，在第2面、第4面、第5面进行内部反射，因此，通过将第2面的倾斜角设为适当的角度就能将图像显示元件配置成期望的角度。此外，通过将第5面的倾斜角设为适当的角度就能将观察者眼球设定在期望的位置、角度。

通过利用这样构成的偏心光学系统，就能以某种程度自由的相对位置、相对角度来设置图像显示元件，使得不会妨碍到观察者。

根据利用了这样的偏心光学系统的图像显示装置，用户通过透视显示能消除死角，并且能将图像显示元件配置在不造成妨碍的位置，因此，就能较舒适地进行安装和使用。进而，由于偏心光学系统的形状自由度较高，能将偏心光学系统用作眼镜框的一部分，从而能客观地观察戴了图像显示装置的人而没有不适感。

此外，在第3面，优选至少一次的内部反射使用全反射作用。

这样，通过将第3面的内部反射设为全反射面，第3面即使不设反射涂层也能进行内部反射。由于全反射的区域透明，所以光能够透过，因此，当将第3面用作入射面或出射面时，无需采用半反射涂层、HOE等特殊手段。

进而，由于是全反射所以反射率大致为100％，与金属涂层相比反射率较高，能抑制整体的效率下降。

其结果，在制造偏心光学系统时不需要特殊的涂层等，能以低成本进行制造。进而，由于反射率较高，能提供高效节能的装置。

此外，在偏心光学系统1中，优选第3面是旋转非对称面。

因为第3面是透射面和进行2次内部反射的面。所以在受到透射作用以及反射作用时能得到基于该面的较大的像差校正效果，能获得对像差进行了适当校正的图像。因此，当用作图像显示装置P时，能观察到没有变形的、鲜明的影像。当用作摄像装置时，同样地也能摄影到没有变形的、高分辨率的图像。

此外，在偏心光学系统1中，第3面优选在Y-Z面内具有负屈光度。

第3面是进行2次内部反射的面，期望其内部反射是全反射。全反射条件需要反射点处的入射角在临界角以上。当棱镜的玻璃材料的折射率是n时，临界角θc为θc＝arcsin(1/n)。例如，当n＝1.5时，θc＝41.81°。

因此，如果向第3面的入射角是41.81°以上的角度则进行全反射，但是，如果第3面是具有正屈光度的面，则相对于来自斜上方的入射光，在某些部分面的法线的方向朝向入射光的方向，因此，入射角有变小的倾向，难以将所有的光束都设为临界角以上的入射角。但是，相对于入射光使具有朝向凸面的负屈光度，相对于所有光束入射角表现出变大的倾向，满足全反射条件，是有效的。

根据这样的偏心光学系统1的构成，当制造棱镜时无需特殊的涂层等，就能以低成本进行制造。进而，由于反射率高，就成为高效节能的装置。

此外，在偏心光学系统1中，优选第4面是旋转非对称面。

第4面是进行内部反射的面，进而，由于该面位于偏心光学系统1的中间位置，所以各光束的剖面积较大。因此，通过将该面设为旋转非对称面，在受到反射作用时，就能得到球面像差和慧差的较大校正效果。

根据这样的偏心光学系统1，能获得对像差进行了适当校正的像。因此，当用作图像显示装置P时，就能观察到没有变形的、鲜明的影像。当用作摄像装置时，同样也能够没有变形地拍摄高分辨率的图像。

此外，在偏心光学系统1中，优选第5面是旋转非对称面。

第5面是内部反射面。当考虑图像显示装置P时，该面位于偏心光学系统1的出瞳以及射出面的正前方，因此，射出角(视场角)不同的各个光束的剖面积大致相等且比较大，容易产生由于该面的偏心(倾斜)引起的慧差。在产生偏心像差的面进行该像差校正，即使得不产生大的偏心像差有利于提高整个光学系统的性能。

根据这样的偏心光学系统1的构成，就能得到对像差进行了良好地校正的像。因此，当用作图像显示装置P时，能观察到没有变形的、鲜明的影像。当用作摄像装置时，同样地能够没有变形地拍摄高分辨率的图像。

此外，在偏心光学系统1中，优选第5面在Y-Z面内具有正屈光度。

第5面为进行内部反射的具有正屈光度的面是有效的。如果第3面是具有负屈光度的面，则为了将偏心光学系统设为成像系统，需要将第1面、第2面、第4面、第5面中的任意一个面或多个面设为具有正屈光度的面，如果考虑从出瞳入射大致平行光而形成像面的情况，则通过将第5面设为正屈光度，光学系统的屈光度配置从物体侧朝向像面为负、正、负、(正或负或零)、负，入射光在入射后在负之后立刻能得到正屈光度，就能获得将光学系统整体的屈光度设为正的作用。

根据这样的偏心光学系统1的构成，就能得到对像差进行了良好地校正的像。因此，当用作图像显示装置时，能观察到没有变形的、鲜明的影像。当用作摄像装置时，也能拍摄没有变形的、高分辨率的图像。

此外，在偏心光学系统1中，优选第2面是旋转非对称面。

因为第2面是内部反射面、位于偏心光学系统的像面附近，所以光束为比较小的状态。通过将该面设为旋转非对称面，可有效作用于轴外像差的校正。尤其是，当视场角较大时，在失真校正上有效。

根据这样的偏心光学系统1的构成，能够得到对像差进行了良好地校正的像。因此，当用作图像显示装置时，能够观察到没有变形的、鲜明的影像。当用作摄像装置时，同样也能无变形地拍摄高分辨率的图像。

此外，在偏心光学系统1中，优选第2面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

如果第2面是在X-Z面内倾斜或移位过的面，则当将本发明的偏心光学系统用作图像显示装置P时，从图像显示元件射出的光在从透射面的第1面入射到光学系统之后的第2面上，光束在X-Z面内具有角度。

根据这样的偏心光学系统1的构成，由于第2面的X-Z面内的偏心，来自图像显示元件的光束具有X-Z面内的角度，在从偏心光学系统射出时具有X-Z面内的角度。

此外，在偏心光学系统1中，优选第5面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

第5面是在X-Z面内倾斜或移位过的面，由此，当将偏心光学系统1用作图像显示装置P时，在从图像显示元件2射出的光经由偏心光学系统1朝观察者眼球射出的正前方的作为反射面的第5面上，光束能在X-Z面内被赋予角度。

根据这样的偏心光学系统1的构成，通过第5面的X-Z面内的偏心，来自图像显示元件2的光束具有X-Z面内的角度，从偏心光学系统1射出时能赋予X-Z面内的角度，例如，当在图像显示装置P中采用时，能将偏心光学系统1配置在不妨碍观察者的视野的位置。

此外，在偏心光学系统1中，优选第1面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

第1面是在X-Z面内倾斜或移位过的面，由此，当将偏心光学系统1用作图像显示装置P时，从图像显示元件射出的光经由偏心光学系统1朝观察者眼球射出的光束在X-Z面内具有角度，但是，使作为入射面的第1面在X-Z面内偏心，从而能调整入射光轴。

根据这样的偏心光学系统1的构成，通过第1面在X-Z面内的偏心，来自图像显示元件2的光束在第1面弯折而入射到偏心光学系统1，由于调整了入射到偏心光学系统1的角度，因而能进行微小的角度调整。

此外，在偏心光学系统1中，优选第3面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

通过将第3面设为具有X奇数次数项的旋转非对称面、第3面是透射面和进行2次内部反射的面，因此，在接受透射作用以及反射作用时，即使在X-Z面内，也能获得基于该面的较大的像差校正效果。

此外，在偏心光学系统1中，优选第5面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

第5面是内部反射面。如果考虑在图像显示装置P中利用的情况，由于该面位于偏心光学系统1的出瞳以及射出面的正前方，因此射出角(视场角)不同的各光束的剖面积大致相等并且比较大，容易产生由于该面的偏心(倾斜)导致的慧差。在产生偏心像差的面进行该像差校正、即使得不产生较大的偏心像差，有希望在X-Z面内提高光学系统整体的性能。

此外，在偏心光学系统1中，优选第2面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

第2面是内部反射面，由于位于光学系统的像面附近，所以是光束较小的状态。通过将该面设为旋转非对称面的X奇数次数项，可有效作用于X-Z面内的轴外像差的校正。尤其是，当视场角较大时，在失真校正上有效。

此外，在偏心光学系统1中，优选第4面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

第4面是进行内部反射的面，进而，该面处于偏心光学系统1的中间位置、各光束的剖面积比较大，因此，在接受反射作用时，通过设为X奇数次数项，通过该面能得到X-Z面内的球面像差和慧差的较大的校正效果。

根据以上的偏心光学系统1的构成能获得对像差进行了良好的校正的像。因此，当用作图像显示装置时，能观察到没有变形的、鲜明的影像。当用作摄像装置时也是同样，能拍摄到没有变形的、高分辨率的图像。

此外，本发明中的图像显示装置与上述偏心光学系统1的第1面相对地配备图像显示元件2，与第3面的透射区域相对地配备观察者的眼睛，由此，可以对观察者呈现放大后的虚像。

从图像显示元件2发出的光从偏心光学系统1的第1面入射，在第2面、第3面、第4面、第3面、第5面经过了5次内部反射后光从第3面呈大致平行光而射出，入射到观察者眼球的瞳孔。根据这样构成的图像显示装置P，观察者能够观察到放大后的虚像。

此外，优选在图像显示装置P中，偏心光学系统的出瞳形成于偏心光学系统的第3面的射出窗附近或第3面与观察者眼球之间。

图像显示元件2的出瞳形成于偏心光学系统1的第3面的射出窗附近或第3面与观察者眼球之间，由此，能够缩小观察图像周缘的光束的暗角。

根据这样的构成的图像显示装置P，观察者在画面周边也能观察到鲜明的图像。

此外，在图像显示装置P中，优选从偏心光学系统1的入射面取入来自图像显示元件2的图像，从偏心光学系统1的射出面作为大致平行光而射出，当投影到观察者眼球时，图像显示元件2绕轴上主光线(γ)旋转来进行配备。

当在Y-Z面内和X-Z面内都偏心时，由于形成的像绕光轴旋转，所以通过按照该旋转使图像显示元件2旋转，就能使观察者观察到图像显示元件2的图像不旋转的普通的纵横形式的像。

此外，本发明的摄像装置与上述偏心光学系统1的第1面相对地配备摄像元件，在第3面的透射区域在前方附近配置开口光圈，由此，对外界像进行摄像。

在偏心光学系统1的第3面的下侧附近配有具有圆形开口的开口光圈，与第1面相对地配备CCD等摄像元件，由此，通过开口光圈而从偏心光学系统的第3面入射的光在第5面、第3面、第4面、第3面、第2面经过5次内部反射而从第1面射出，到达摄像元件，能使光会聚。

根据这样的结构，就能实现小型轻量的摄像装置。

此外，在摄像装置中，当将大致平行光从入瞳入射到偏心光学系统1、由偏心光学系统1的外部的摄像元件进行摄像时，优选摄像元件绕轴上主光线(γ)旋转地进行配备。

当在Y-Z面内和X-Z面内都偏心时，由于形成的图像绕光轴旋转，按照其旋转使摄像元件旋转，由此，摄像元件和所形成的像的方向一致，就能拍摄为通常的纵横像。

以下，根据实施例说明本实施方式的偏心光学系统1。

具体的结构参数在后面进行论述，如图1所示，棱镜光学系统1的结构参数是基于逆光线追踪的结果的参数，该逆光线追踪是指通过假想面r1的中心光线A经过棱镜光学系统1朝向图像显示元件2，该假想面r1设定在观察者的观察位置即配置眼球3的位置附近。

如图1所示，从棱镜光学系统1射出的中心光线A在观察位置被观察，由此，在棱镜光学系统1的右侧形成逆光线追踪中的虚像面(逆光线追踪中所谓的物体面)。在此，在从虚像面距离射出侧1m的位置设定假想面r1，将假想面r1和中心光线A的交点设为原点O。进而，将从原点O朝向棱镜光学系统1侧的中心主光线的方向设为Z轴正方向，将从原点O在图像显示元件2侧与Z轴正交的方向设为Y轴正方向，将图1的纸面内设为Y-Z平面。而且，将与Y轴、Z轴构成右手正交坐标系的轴设为X轴正方向。

对于偏心面，赋予定义该面的坐标系从上述光学系1的原点O的中心起的偏心量(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z)、对分别将由光学系统的原点所定义的坐标系的X轴、Y轴、Z轴设为中心的各面进行定义的坐标系的倾斜角(分别为α、β、γ(°))。

这种情况下，α和β为正意味着相对于各自的轴的正方向逆时针旋转，γ为正意味着相对于Z轴的正方向顺时针旋转。另外，面的中心轴的α、β、γ的旋转是指，将对各面进行定义的坐标系首先绕由光学系统的原点定义的坐标系的X轴逆时针旋转α，然后，绕该旋转后的新的坐标系的Y轴逆时针旋转β，然后，绕该旋转过的又一新的坐标系的Z轴顺时针旋转γ。

此外，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中，当特定的面和与其连接的面构成共轴光学系统时赋予面间隔，另外，按照惯用法赋予面的曲率半径、介质的折射率、阿贝数。

此外，在后述的构成参数中没有记载数据的系数项为零。关于折射率、阿贝数，标记为相对于d线(波长587.56nm)的数值。长度单位是mm。各面的偏心如上述，以距离基准面的偏心量来表示。

此外，在本发明的实施方式中使用的自由曲面的面的形状以以下的式子(a)来定义。另外，该定义式的Z轴为自由曲面的轴。

$Z=(r^2/R)/[1+\sqrt{}\{1-(1+k){(r/R)}^2\left\}\right]$

$+\underset{j=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^n{Y}^n---\left(a\right)$

在此，(a)式的第1项是球面项、第2项是自由曲面项。

在球面项中，R为顶点的曲率半径，k是二次曲线常数(圆锥常数)，自由曲面项是

$\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n$

$=C_1$

$+C_{2}X+C_{3}Y$

$+C_4{X}^2+C_5\mathrm{XY}+C_6{Y}^2$

$+C_7{X}^3+C_8{X}^{2}Y+C_{9}X{Y}^2+C_{10}{Y}^3$

$+C_{11}{X}^4+C_{12}{X}^{3}Y+C_2{X}^2{Y}^2+C_{14}X{Y}^3+C_{15}{Y}^4$

$+C_{16}{X}^5+C_{17}{X}^{4}Y+C_{18}{X}^3{Y}^2+C_{19}{X}^2{Y}^3+C_{20}X{Y}^4$

$+C_{21}{Y}^5$

$+C_{22}{X}^6+C_{23}{X}^{5}Y+C_{24}{X}^4{Y}^2+C_{25}{X}^3{Y}^3+C_{26}{X}^2{Y}^4$

$+C_{27}X{Y}^5+C_{28}{Y}^6$

$+C_{29}{X}^7+C_{30}{X}^{6}Y+C_{31}{X}^5{Y}^2+C_{32}{X}^4{Y}^3+C_{33}{X}^3{Y}^4$

$+C_{34}{X}^2{Y}^5+C_{35}X{Y}^6+C_{36}{Y}^7$

……

其中，C_j(j是1以上的整数)是系数。

对于上述自由曲面，一般X-Z面、Y-Z面均不具有对称面，而在本发明中通过将X的奇数次项全部设为0，从而称为与Y-Z面平行的对称面仅存在1个的自由曲面。例如，在上述定义式(a)中，能够通过将C₂、C₅、C₇、C₉、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈C₂₀、C₂₃、C₂₅、C₂₇、C₂₉、C₃₁、C₃₃、C₃₅...的各项的系数设为0来实现。

此外，通过将Y的奇数次项全部设为0，成为与X-Z面平行的对称面仅存在1个的自由曲面。例如，在上述定义式中，能通过将C₃、C₅、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₇、C₁₉、C₂₁、C₂₃、C₂₅、C₂₇、C₃₀、C₃₂、C₃₄、C₃₆...的各项的系数设为0来实现。

此外，将上述对称面的方向的任意一方设为对称面，将与其对应的方向的偏心、例如将相对于与Y-Z面平行的对称面的光学系统的偏心方向设为Y轴方向，将相对于与X-Z面平行的对称面的光学系统的偏心方向设为X轴方向，由此，就能有效校正因偏心而产生的旋转非对称像差，而且能同时提高制作性。

此外，上述定义式(a)表示了如前上述的一个例子，本发明的自由曲面的特征在于，通过使用仅有一个对称面的旋转非对称面来校正因偏心而产生的旋转非对称的像差，同时还能提高制作性，当然对其他任意定义式也能得到相同的效果。

图1是使用本发明的实施方式的偏心光学系统1的图像显示装置P的概念图。

第1实施方式的偏心光学系统1如图1所示具有至少5面光学面，各光学面在XYZ坐标空间中的Y-Z面内相对于轴上主光线偏心，并且，至少1面是在与Y-Z面正交的X-Z面内偏心的面，多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，至少2个旋转非对称面中的至少1个面是具有X的奇数次数项的旋转非对称面。

此外，图像显示装置P与第1面11相对地配置图像显示元件2，该第1面作为光入射到偏心光学系统1的入射面，与作为光射出的面的透射区域的第3面13相对地配置观察者的眼球3，由此，对观察者呈现放大后的虚像。

然后，说明本发明的偏心光学系统1的实施例1。

在图2中表示具有实施例1的偏心光学系统1的图像显示装置P的Y-Z剖面图，图3中表示X-Z剖面图，在图4以及图5中表示光学系统整体的横像差图。

实施例1的图像显示装置P具有偏心光学系统1和图像显示元件2。

偏心光学系统1使用5个面形成具有光学作用的光学面。第1面11与图像显示元件2相对配置，具有1次透射作用。此外，第2面12相对于第1面11配置在图像显示元件2的相反侧，具有1次的内部反射作用。第3面13与第2面12、后述的第4面14以及第5面15相对，配置在图像显示元件2侧，具有2次内部反射作用和1次透射作用。

第4面14与第3面13相对，配置在图像显示元件2的相反侧，具有1次内部反射作用。第5面15相对于第3面13配置在图像显示元件2的相反侧，具有1次内部反射作用。此外，在第3面13的透射面附近设有出瞳S。

在实施例1中，将第3面13、第4面14以及第5面15设为作为旋转非对称面的自由曲面。第3面13是具有X奇数次数项的自由曲面，第4面14是仅具有X偶数次数项的自由曲面，第5面15是具有X奇数次数项的自由曲面。另外，第1面11、第2面由平面形成。

在逆光线追踪中，通过了出瞳S的光束透过第3面13而入射到偏心光学系统1，在第5面15进行内部反射，在第3面13进行内部反射，在第4面14进行内部反射，在第3面13再次内部反射，在第2面12进行内部反射，透过第1面11从偏心光学系统1射出。从偏心光学系统1射出的光束入射到图像显示元件2。

此外，图像显示装置P与作为光入射到偏心光学系统1的入射面的第1面相对地配置有图像显示元件2，与作为光射出的面的透射区域的第3面13相对地配置观察者的眼睛，由此给观察者呈现放大后的虚像。

在图6中表示具有实施例2的偏心光学系统1的图像显示装置P的Y-Z剖面图，在图7中表示X-Z剖面图，在图8以及图9中表示光学系统整体的横像差图。

实施例2的图像显示装置P具有偏心光学系统1和图像显示元件2。

偏心光学系统1使用5个面形成具有光学作用的光学面。第1面11与图像显示元件2相对配置，具有1次透射作用。此外，第2面12相对于第1面11配置在图像显示元件2的相反侧，具有1次内部反射作用。第3面13与第2面12、后述的第4面14以及第5面15相对，配置在图像显示元件2侧，具有2次内部反射作用和1次透射作用。

第4面14与第3面13相对，配置在图像显示元件2的相反侧，具有1次内部反射作用。第5面15相对于第3面13配置在图像显示元件2的相反侧，具有1次内部反射作用。此外，在第3面13的透射面附近设有出瞳S。

在该实施例2中，将第2面12、第3面13、第4面14以及第5面15设为旋转非对称面。第2面12、第3面13是具有X奇数次数项的自由曲面，第4面14是仅具有X偶数次数项的自由曲面，第5面15是具有X奇数次数项的自由曲面。另外，第1面11由平面形成。

在逆光线追踪中，通过了出瞳S的光束透射过第3面13而入射到偏心光学系统1，在第5面15进行内部反射，在第3面13进行内部反射，在第4面14进行内部反射，在第3面13再次进行内部反射，在第2面12进行内部反射，透过第1面11从偏心光学系统1射出。从偏心光学系统1射出的光束入射到图像显示元件2。

此外，图像显示装置P与作为光入射到偏心光学系统1的入射面的第1面11相对地配置图像显示元件2，与作为光射出的面的透射区域的第3面13相对地配置观察者的眼睛，由此，对观察者呈现放大后的虚像。

以下，表示上述实施例1、2的结构参数。另外，以下的表中“FFS”表示自由曲面。

实施例1

视场角：水平6.84°垂直9.12°

实施例2

视场角：水平6.84°垂直9.12°

图10是表示使用了偏心光学系统1的图像显示装置P的基本结构的示意图。

本实施方式的目的在于提供一种图像显示装置P，其通过使用偏心光学系统1和图像显示元件2，就能实现小型轻量化、低成本，并且，穿戴的人在客观上的不适感较少。

本实施方式的图像显示装置P使用液晶显示元件作为图像显示元件2。当使用液晶显示元件时，需要作为光源的背照灯BL。在本实施方式中，在背照灯BL和图像显示元件2之间需要照明透镜L。

本实施方式的图像显示装置P根据这样的结构，从图像显示元件2射出的图像光通过具有正的屈光度的偏心光学系统1而向眼球方向弯折，并且观察者能够作为虚像来观察图像。

此外，使射出部的附近发挥作为开口光圈S的功能，即使偏心光学系统1自身较薄较细，也能观察到影像。

进而，当图像显示元件2是液晶显示元件时，需要背照灯BL，在照明的效率上，希望使光源的像位于射出窗附近。

此外，优选将偏心光学系统1配置在比眼球的正面方向更靠外侧。由此，偏心光学系统1或者由偏心光学系统1投影的影像就不会对视野的正面造成妨碍。此外，能缩短光路，能使偏心光学系统1更加紧凑。

图11表示将具备偏心光学系统1的图像显示装置P安装在眼镜G上的情况下的俯视图，图12表示其侧视图。在本实施方式中，图像显示装置P将偏心光学系统1、图像显示元件2、电子设备系统3作为主要的构成要素。在本实施方式中，由于图像显示装置P相对于观察者的位置固定，因而采用眼镜G，但在图像显示装置P的位置固定方面，也能采用使用专用设备等的适宜手段。

电子设备系统3将影像提供给图像显示元件2。在该电子设备系统3中具备电池等电源部、存储影像内容的存储部、用于与其他装置通信的通信部、或接口部等。在本实施方式中，与图像显示元件2一体地构成，相对于眼镜G的眼镜腿部(挂耳部)G1用螺钉固定。

在本实施方式中，偏心光学系统1、电子设备系统3、图像显示元件2被单元化并用夹子等固定在眼镜G上，使得该单元位于眼镜腿G1的下侧。也可以不进行单元化，使偏心光学系统1、电子设备系统3、图像显示元件2中的任一方独立，将它们分别固定于眼睛G上。

此外，通过使偏心光学系统1相对于图像显示元件2的配置位置为前后配置，就能进行视度调整，就能按照观察者的视力来提供影像。在本实施方式中，如图11中箭头T所示，通过使包含图像显示元件2的电子设备系统3的配置位置为前后配置，就能使与偏心光学系统1的距离变化来调整视度。

在安装于眼镜G上的图像显示装置P中，从朝向正面方向的图像显示元件2射出的图像光通过偏心光学系统1朝瞳孔射出。偏心光学系统1具有正屈光度，放大图像显示元件2的图像，这样安装者就能作为虚像观察。另外，期望由从图像显示元件2的中心射出的第1轴上主光线B1和从偏心光学系统1射出并到达观察者的瞳孔中心的第2轴上主光线B2形成的角度α为0°～40°。

图12表示图11中表示的图像显示装置P的安装的状态的侧视图。在本实施方式中，单元化的图像显示装置P通过夹子等安装于眼镜腿部G1的下方。从朝向观察者的正面方向的图像显示元件2水平地射出的轴上主光线通过偏心光学系统1向斜上方射出，入射到观察者的眼球。

在这样的本实施方式的偏心光学系统1中，就能将沿水平方向照射的图像光朝观察者的斜下方向、即如图3中说明地那样赋予X-Z面中的角度入射到观察者的眼球，能将偏心光学系统1配置在视野的正面的下方。因此，偏心光学系统1或由偏心光学系统1投影的影像就不会对视野造成妨碍。

另外，希望由从图像显示元件2的中心射出的轴上主光线C1和从偏心光学系统1射出并到达观察者的瞳孔中心的轴上主光线C2形成的X-Z面的角度β为5°～45°。

图13是使用了偏心光学系统的图像显示装置的侧视图，图14、图15是使用偏心光学系统的图像显示装置的侧视图。

如图13所示，若从正面观察，偏心光学系统1被配置成与观察者的瞳孔E相对，能对观察者呈现放大后的虚像。此外，在本实施方式的偏心光学系统1中，由于能将从图像显示元件2朝正面照射的图像光朝上方照射到观察者的眼球，所以能使偏心光学系统1位于下方。由此，偏心光学系统1或由偏心光学系统1投影的影像就不会对观察者的视野造成妨碍。

如图14所示，如果将与偏心光学系统1的与观察者的瞳孔E相对的部分在垂直方向上的宽度设为小于人的平均瞳孔直径即4mm，则就能从偏心光学系统1的上下方向、在观察者的瞳孔E中观察到偏心光学系统1后面的风景，能出现透视效果。观察者能从下方即在视线朝向偏心光学系统1的方向时也能观察到外界的样子。

此外，如图15所示，如果将偏心光学系统1的与观察者的瞳孔E相对的部分在垂直方向上的宽度设为4mm以上，则通过长的纵向幅度，能扩大相对于上下方向的偏差的容许范围。

本实施方式的图像显示装置P在未遮住外界视野的情况下能同时观察到外界和电子图像(透视功能)，并且，能提出小型轻量化、低成本化的眼镜型图像显示装置。

此外，本实施方式的棱镜光学系统1通过代替图像显示元件2而使用未图示的摄影元件，由此能提供小型轻量、低成本的摄像装置。

在图16中表示将本实施方式的棱镜光学系统应用于摄像装置即数码照相机时的基本结构图。当在摄像装置中应用本发明的棱镜光学系统时，图像显示装置中的出瞳作为入瞳而起作用，在光瞳位置附近设有开口光圈46。通过放大缩小该开口光圈46的开口就能进行亮度调整。进而，代替显示元件而配备CCD等摄像元件44。

在数码照相机本体中配备取入光还能防止内部污染的入射窗47、开关42、快门41、以及用于操作和确认摄影情况的背面显示面板43。如果将开关42接通并按下快门41，则在摄像元件44上附属的快门(未图示)动作，通过摄像元件44对以快门速度设定的时间的静态图像进行摄影，在图像记录存储器45中蓄积图像数据。当对动态图像进行摄影时，开放快门并将通过摄像元件44取入的动态图像蓄积到图像记录存储器45中。

以上说明了本发明的各种实施方式，但本发明不限于这些实施方式，对各个实施方式的构成进行适当组合而构成的实施方式也在本发明的范畴内。

Claims (22)

1.一种偏心光学系统，其具有至少5个光学面，其特征在于，

上述光学面在XYZ坐标空间的Y-Z面内相对于轴上主光线偏心，并且至少1个面是在与上述Y-Z面正交的X-Z面内偏心的面，

上述多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，

上述至少2个旋转非对称面中的至少1个面是具有X的奇数次数项的旋转非对称面；

其中，从显示图像的图像显示面射出的光入射到上述偏心光学系统，之后从上述偏心光学系统射出，形成出瞳而投影到观察者的眼球，并且，

沿着从入射到上述偏心光学系统到从上述偏心光学系统射出的光的线路，上述偏心光学系统依次包括下述面：作为入射面并作为透射面的第1面、与上述第1面相对的作为内部反射面的第2面、与上述第2面相对的作为2次内部反射面并作为射出面的第3面、与上述第3面相对并且与上述第2面相邻的作为内部反射面的第4面、与上述第4面相邻且与上述第3面相对的作为内部反射面的第5面。

2.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

当将入射到上述偏心光学系统的轴上主光线和从上述偏心光学系统射出的轴上主光线在X-Z面内的角度设为α时，满足

5°≤α≤45°。

3.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

由上述至少5个光学面形成的空间由折射率1.3以上的光学介质填满。

4.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

在上述第3面，至少1次内部反射具有全反射作用。

5.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第3面是旋转非对称面。

6.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第3面在Y-Z面内具有负屈光度。

7.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第4面是旋转非对称面。

8.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第5面是旋转非对称面。

9.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第5面在Y-Z面内具有正屈光度。

10.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第2面是旋转非对称面。

11.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第2面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

12.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第5面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

13.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第1面是在X-Z面内倾斜或移位过的面。

14.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第3面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

15.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第5面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

16.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第2面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

17.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其特征在于，

上述第4面是具有X奇数次数项的旋转非对称面。

18.一种图像显示装置，其特征在于，

上述图像显示装置具有权利要求1所述的偏心光学系统，并与上述第1面相对地配备有图像显示元件，

当观察者的眼球与上述第3面的射出光的区域相对时，对上述观察者呈现放大后的虚像。

19.根据权利要求18所述的图像显示装置，其特征在于，

上述偏心光学系统的出瞳形成于上述第3面的射出窗附近、或者上述第3面与观察者的眼球之间。

20.根据权利要求18所述的图像显示装置，其特征在于，

当从上述偏心光学系统的入射面取入来自上述图像显示元件的图像、并从上述偏心光学系统的射出面作为大致平行光射出、投影到观察者的眼球时，上述图像显示元件绕轴上主光线(γ)旋转地进行配置。

21.一种摄像装置，其特征在于，具有：

权利要求1所述的偏心光学系统，

上述摄像装置与上述第1面相对地配备有摄像元件，在上述第3面的射出光的区域的前方附近配备有开口光圈，并对外界像进行摄像。

22.根据权利要求21所述的摄像装置，其特征在于，

当将大致平行光从入瞳入射到上述偏心光学系统、并通过上述偏心光学系统的外部的摄像元件进行摄像时，上述摄像元件绕轴上主光线(γ)旋转地进行配置。