JP2001356295A - 接眼光学系 - Google Patents

接眼光学系

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JP2001356295A JP2000176278A JP2000176278A JP2001356295A JP 2001356295 A JP2001356295 A JP 2001356295A JP 2000176278 A JP2000176278 A JP 2000176278A JP 2000176278 A JP2000176278 A JP 2000176278A JP 2001356295 A JP2001356295 A JP 2001356295A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来より全長が短く薄型で、高品位な虚像表示
が可能な接眼光学系を提供する。 【解決手段】２次元表示素子４に表示された映像を観察
者眼１に拡大虚像表示する接眼光学系であって、観察者
眼１から順に、非球面である第１面と略平面である第２
面とより成る非球面樹脂レンズ２と、第１面が凹面であ
る球面ガラスレンズ３と、球面ガラスレンズ３と２次元
表示素子４との間に配置され、２次元表示素子４からの
映像光Ｌを円偏光に変換する偏光変換素子５とを有し、
非球面樹脂レンズ２の第２面上には、２次元表示素子４
からの映像光Ｌの円偏光の回転方向により選択的に反
射，透過する円偏光選択反射透過面６が形成されてお
り、球面ガラスレンズ３の第１面に半透過鏡面７が形成
されている構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、接眼光学系に関す
るものであり、例えば、液晶表示素子等の表示パネルに
表示される２次元映像を観察者の瞳に投影してその拡大
虚像を観察させる、各種カメラのビューファインダーや
ヘッドマウンテッドディスプレイ等の、パーソナルな映
像表示装置に好適な接眼光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、平面状の２次元映像を反射透
過面を用いて拡大観察させる、いわゆるパンケーキ構造
の接眼光学系が提案されている。例えば、特開平８−１
１０４９２号公報に記載されている如く、各々少なくと
も１回の光線の透過と少なくとも１回の光線の反射をす
るように配置された少なくとも２つの半透過面を有する
部分光学系と、パワーを有する屈折光学素子とから構成
されているものが開示されている。
【０００３】また、特開平８−３２７９４０号公報に記
載されている如く、光線の入射側から順に、ハーフミラ
ーコーティングを有する反射屈折素子と、円偏光選択半
透鏡が配置され、入射光が所定の円偏光である場合、円
偏光選択半透鏡が入射光を偏光によって選択的に反射、
透過をして入射光が反射屈折素子と前記選択半透鏡の間
を１往復半する事になって屈折系の光学的パワー（倍
率）を大きくするとともに視野角を広くし、装置を薄型
でコンパクトにして軽量化を可能とする構成のものが開
示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、通常の
共軸系の屈折光学系よりも薄型で収差の小さい接眼光学
系を実現するためには、レンズ材料及び非球面と球面と
の位置について検討する事が望ましいが、このような課
題について言及しているものは、従来にはなかった。本
発明は、このような状況に鑑みてなされたものであっ
て、従来より全長が短く薄型で、高品位な虚像表示が可
能な接眼光学系を提供する事を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、２次元表示素子に表示された映像を観
察者眼に拡大虚像表示する接眼光学系であって、前記観
察者眼から順に、非球面である第１面と略平面である第
２面とより成る非球面樹脂レンズと、第１面が凹面であ
る球面ガラスレンズと、前記球面ガラスレンズと２次元
表示素子との間に配置され、その２次元表示素子からの
映像光を円偏光に変換する偏光変換素子と、を有し、前
記非球面樹脂レンズの第２面上には、前記２次元表示素
子からの映像光の円偏光の回転方向により選択的に反
射，透過する円偏光選択反射透過面が形成されており、
前記球面ガラスレンズの第１面に半透過鏡面が形成され
ている事を特徴とする。
【０００６】或いは、２次元表示素子に表示された映像
を観察者眼に拡大虚像表示する接眼光学系であって、前
記観察者眼から順に、非球面である第１面と略平面であ
る第２面とより成る非球面樹脂レンズと、凹面である第
１面と略平面である第２面とより成る球面ガラスレンズ
と、前記球面ガラスレンズと２次元表示素子との間に配
置され、その２次元表示素子からの映像光を円偏光に変
換する偏光変換素子と、を有し、前記非球面樹脂レンズ
の第２面上には、前記２次元表示素子からの映像光の円
偏光の回転方向により選択的に反射，透過する円偏光選
択反射透過面が形成されており、前記球面ガラスレンズ
の第１面若しくは第２面に半透過鏡面が形成されている
事を特徴とする。
【０００７】また、前記円偏光選択反射透過面は、コレ
ステリック液晶により構成されている事を特徴とする。
或いは、前記円偏光選択反射透過面は、１／４波長板と
反射型偏光板とにより構成されている事を特徴とする。
【０００８】また、前記偏光変換素子は偏光板と１／４
波長板とにより構成されている事を特徴とする。或い
は、前記２次元表示素子は液晶パネルであり、前記偏光
変換素子は１／４波長板である事を特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の接
眼光学系の、第１の実施形態の基本構成を模式的に示す
図である。同図に示すように、２次元表示素子４からの
映像光Ｌは、偏光変換素子５によって特定の一方向の円
偏光に変換され、第２レンズである球面ガラスレンズ３
の第２面３ｂより入射して、球面ガラスレンズ３、及び
その第１面３ａに形成された半透過鏡面７を屈折透過し
た後に、第１レンズである非球面樹脂レンズ２の第２面
２ｂに到達する。
【００１０】非球面樹脂レンズ２の第２面２ｂには、円
偏光選択反射透過面６が形成されており、ここでは前記
偏光変換素子５からの特定の一方向の円偏光を、回転方
向を変化させる事なく反射する。ここで反射された円偏
光は、一部が前記球面ガラスレンズ３の第１面３ａに形
成された半透過鏡面７で反射され、回転方向が反対方向
となって、再び前記非球面樹脂レンズ２の第２面２ｂに
到達する。
【００１１】前記回転方向が反対方向となった円偏光
は、非球面樹脂レンズ２の第２面２ｂに形成された円偏
光選択反射透過面６を透過し、非球面樹脂レンズ２で屈
折作用を受けた後、第１面２ａより射出して観察者眼１
に導かれる。このように、半透過鏡面７が正のパワーの
反射面として効果的に機能する事によって、通常の共軸
系の屈折光学系よりも薄型で小さい接眼光学系を実現す
る事ができる。
【００１２】前述したように、この光学系においては、
円偏光である映像光の偏光方向により、円偏光選択反射
面６において選択的に反射，透過が行われる事によって
正しく機能する。従って、偏光変換素子５と円偏光選択
反射透過面６との間に複屈折性を持つ光学素子がある
と、映像光の損失が大きくなるだけでなく、観察者眼１
にゴースト光が入射する等の不具合が発生する。
【００１３】そこで、半透過鏡面７が形成されている第
２レンズは、樹脂製ではなく複屈折性の小さいガラス製
である事が望ましい。一般に、ガラスレンズに非球面を
設ける事は、面精度上においても製造コスト上において
も問題が多いので、本発明では、第２レンズとして両面
とも球面研磨された球面ガラスレンズ３を使用してい
る。そして、第１レンズである非球面樹脂レンズ２の第
１面２ａに設けられた非球面で、効果的に収差補正を行
っている。
【００１４】また、第１レンズは、複屈折性の大きい樹
脂性レンズであっても、前述のような問題は発生しない
ので、製造が容易で安価な非球面モールドレンズを非球
面樹脂レンズ２として用いている。但し、非球面樹脂レ
ンズ２の第２面２ｂには、円偏光選択反射透過面６とし
て機能する後述のコレステリック液晶等の円偏光選択反
射素材を表面に接合する必要があるため、平面または光
学的に実質平面であるような緩やかな曲面でなければな
らない。
【００１５】図２は、本発明の接眼光学系の、第２の実
施形態の基本構成を模式的に示す図である。上記第１の
実施形態の構成とは基本的に同様である。改めて説明す
ると同図に示すように、２次元表示素子１４からの映像
光Ｌは、偏光変換素子１５によって特定の一方向の円偏
光に変換され、第２レンズである球面ガラスレンズ１３
の第２面１３ｂより入射して、球面ガラスレンズ１３、
及びその第１面１３ａに形成された半透過鏡面１７を屈
折透過した後に、第１レンズである非球面樹脂レンズ１
２の第２面１２ｂに到達する。
【００１６】非球面樹脂レンズ１２の第２面１２ｂに
は、円偏光選択反射透過面１６が形成されており、ここ
では前記偏光変換素子１５からの特定の一方向の円偏光
を、回転方向を変化させる事なく反射する。ここで反射
された円偏光は、一部が前記球面ガラスレンズ１３の第
１面１３ａに形成された半透過鏡面１７で反射され、回
転方向が反対方向となって、再び前記非球面樹脂レンズ
１２の第２面１２ｂに到達する。
【００１７】前記回転方向が反対方向となった円偏光
は、非球面樹脂レンズ１２の第２面１２ｂに形成された
円偏光選択反射透過面１６を透過し、非球面樹脂レンズ
１２で屈折作用を受けた後、第１面１２ａより射出して
観察者眼１１に導かれる。このように、半透過鏡面１７
が正のパワーの反射面として効果的に機能する事によっ
て、通常の共軸系の屈折光学系よりも薄型で小さい接眼
光学系を実現する事ができる。
【００１８】ここで、前記球面ガラスレンズ１３の形状
は、観察者眼１１の瞳位置に対してコンセントリックな
形状、つまり観察者眼から順に第１面が凹面、第２面が
凸面である事が収差補正上望ましい。また、２次元表示
素子１４が、液晶パネルのように映像光強度の角度特性
が大きい素子である場合は、凸面である第２面１３ｂが
正の屈折パワーを持つ事により、像側テレセントリック
な構成とする事が容易となる。
【００１９】また、第２面１３ｂと２次元表示素子１４
との間隔（レンズバック）を長く取る事ができるので、
本実施形態のように、２次元表示素子１４に反射型液晶
パネル等の反射型２次元表示素子を用いた場合に、フロ
ント照明光学系を挿入する事が容易となる。即ち、同図
に示すように、照明光源１８からの光は、偏光変換素子
１５と２次元表示素子１４との間に配置された半透過鏡
１９により反射され、２次元表示素子１４を照明する。
【００２０】本実施形態では、凹面である前記球面ガラ
スレンズ１３の第１面１３ａに半透過鏡面１７が形成さ
れているが、凸面である第２面１３ｂに形成しても正の
パワーの反射面として機能するので、同様の効果が得ら
れる事は言うまでもない。
【００２１】図３は、円偏光選択反射透過面の構成を説
明する図である。同図（ａ）は図２で示した非球面樹脂
レンズ１２と球面ガラスレンズ１３の配置構成を示して
おり、非球面樹脂レンズ１２の第２面１２ｂに形成され
た円偏光選択反射透過面１６のＡ部断面を拡大表示した
ものが同図（ｂ）である。円偏光選択反射透過面１６
は、このように反射型偏光板２１と１／４波長板２２と
を接合する事により構成する事ができる。或いは、カイ
ラル構造を持ち、特定の一方向の円偏光を反射してその
反対方向の円偏光を透過する、コレステリック液晶を用
いても良い。
【００２２】同図に示すように、反射型偏光板２１を観
察者眼側にして、非球面樹脂レンズ１２の第２面１２ｂ
に接合する構造とすれば、前述のコレステリック液晶と
同様の効果が得られる。以上説明した円偏光選択反射透
過面の構成は、図１で示した第１の実施形態においても
同様である。
【００２３】また、上記各実施形態において、２次元表
示素子からの映像光を円偏光に変換する偏光変換素子
は、偏光板と１／４波長板を接合したものを利用する事
で、容易に実現する事ができる。また、２次元表示素子
が、液晶パネル等のようにその映像光が直線偏光となる
ものである場合には、偏光変換素子は１／４波長板だけ
で構成しても充分に機能する事は明らかである。
【００２４】図４，図５は、第１，第２の実施形態にそ
れぞれ対応する光学構成図である。これらはそれぞれ図
１，図２で示した基本構成に対応している。光学構成図
中の面si(i=1,2,3,...)は、観察者眼側から数えてｉ番
目の面、＊印が付された面siは非球面である。
【００２５】《実施例》以下、本発明の接眼光学系の構
成を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的
に説明する。ここで挙げる実施例１，２は、前述した第
１，第２の実施形態にそれぞれ対応しており、各実施形
態を表す光学構成図（図４，図５）は、対応する実施例
の光学構成をそれぞれ示している。各実施例のコンスト
ラクションデータにおいて、si(i=0,1,2,3,...)は観察
者眼側から数えてｉ番目の面であり、ri(i=0,1,2,
3,...)は面siの曲率半径(mm)である。
【００２６】また、di(i=0,1,2,3,...)は観察者眼側か
ら数えてｉ番目の軸上面間隔(mm)を示しており、Ni(i=
1,2,3,...)は観察者眼側から数えてｉ番目の光学要素の
ｄ線に対する屈折率(Nd)を示している。また、＊印が付
された面siは、非球面で構成された面である事を示し、
非球面の面形状を表す以下の式で定義されるものとす
る。各非球面データを他のデータと併せて示す。
【００２７】 Ｚ＝（Ｃ・ｈ2）／〔１＋√｛１−（１＋Ｋ）・Ｃ2・ｈ2｝〕＋ΣＡｉ・ｈi 但し、 Ｚ：光軸方向の変位量 ｈ：光軸からの高さ Ｃ：曲率（曲率半径の逆数） Σ：ｉについての総和（ｉ＝４，６，８，１０） Ａｉ：ｉ次の非球面係数 である。
【００２８】 〈実施例１〉（２次元表示素子に透過型液晶を想定した構成） 〔面〕 〔曲率半径〕 〔軸上面間隔〕 〔屈折率(λ=587.6nm)〕 s0(観察者眼1) r0=INF d0=14.0 1.0(air) s1* r1=28.807 d1=1.047 N1=1.4914 s2 r2=INF d2=0.1 N2=1.5834(偏光板) s3 r3=INF d3=0.1 N3=1.5834(反射型偏光板) s4 r4=INF d4=0.2 N4=1.5834(1/4波長板) s5 r5=INF d5=3.718 1.0(air) s6 r6=-25.050 d6=-3.718 (反射面) s7 r7=INF d7=-0.2 N5=1.5834(1/4波長板) s8 r8=INF d8=-0.1 N6=1.5834(反射型偏光板) s9 r9=INF d9=0.1 (反射面) s10 r10=INF d10=0.2 N7=1.5834 s11 r11=INF d11=3.718 1.0(air) s12 r12=-25.050 d12=2.0 N8=1.6204 s13 r13=34.495 d13=1.0 1.0(air) s14 r14=INF d14=0.2 N9=1.5834(1/4波長板) s15 r15=INF d15=0.1 N10=1.5834(偏光板) s16 r16=INF
【００２９】 〔第１面(s1)の非球面データ〕 K=0.0 A4= -0.467579509×10-5 A6= 0.219842638×10-5 A8= -0.652835160×10-7 A10= 0.65296445×10-9
【００３０】 〈実施例２〉（２次元表示素子に反射型液晶を想定した構成） 〔面〕 〔曲率半径〕 〔軸上面間隔〕 〔屈折率(λ=587.6nm)〕 s0(観察者眼11) r0=INF d0=14.0 1.0(air) s1* r1=77.548 d1=2.0 N1=1.4914 s2 r2=INF d2=0.1 N2=1.5834(偏光板) s3 r3=INF d3=0.1 N3=1.5834(反射型偏光板) s4 r4=INF d4=0.2 N4=1.5834(1/4波長板) s5 r5=INF d5=0.905 1.0(air) s6 r6=-25.835 d6=-0.905 (反射面) s7 r7=INF d7=-0.2 N5=1.5834(1/4波長板) s8 r8=INF d8=-0.1 N6=1.5834(反射型偏光板) s9 r9=INF d9=0.1 (反射面) s10 r10=INF d10=0.2 N7=1.5834 s11 r11=INF d11=0.905 1.0(air) s12 r12=-25.835 d12=1.0 N8=1.6204 s13 r13=-23.591 d13=1.0 1.0(air) s14 r14=INF d14=0.2 N9=1.5834(1/4波長板) s15 r15=INF d15=0.1 N10=1.5834(偏光板) s16 r16=INF
【００３１】 〔第１面(s1)の非球面データ〕 K=0.0 A4= -0.219271562×10-4 A6= 0.195774133×10-5 A8= -0.629151309×10-7 A10= 0.646255519×10-9
【００３２】図６，図７は、実施例１，実施例２にそれ
ぞれ対応する収差図であり、各々左から順に、球面収
差，非点収差，歪曲収差を示している。球面収差図にお
いて、縦軸は瞳（観察者眼）への入射高さをその最大高
さで規格化した値（即ち入射瞳平面を切る相対高さ）で
あり、横軸は焦点位置（近軸結像位置からの光軸方向の
ズレ量）(mm)である。そして、ラインｃはｃ線（波長65
6.3nm）に対する球面収差量、ラインｄはｄ線（波長58
7.6nm）に対する球面収差量、ラインｇはｇ線（波長43
5.8nm）に対する球面収差量をそれぞれ表している。
【００３３】非点収差図において、縦軸は像高(mm)であ
り、横軸は焦点位置（近軸結像位置からの光軸方向のズ
レ量）(mm)である。そして、実線はサジタル面での非点
収差であり、ラインＳ１はｃ線（波長656.3nm）に対す
る非点収差量、ラインＳ２はｄ線（波長587.6nm）に対
する非点収差量、ラインＳ３はｇ線（波長435.8nm）に
対する非点収差量をそれぞれ表している。また、点線は
タンジェンシャル面での非点収差であり、ラインＴ１は
ｃ線（波長656.3nm）に対する非点収差量、ラインＴ２
はｄ線（波長587.6nm）に対する非点収差量、ラインＴ
３はｇ線（波長435.8nm）に対する非点収差量をそれぞ
れ表している。
【００３４】歪曲収差図において、縦軸は像高(mm)であ
り、横軸は歪曲率（％）である。そして、ラインｃはｃ
線（波長656.3nm）に対する歪曲率、ラインｄはｄ線
（波長587.6nm）に対する歪曲率、ラインｇはｇ線（波
長435.8nm）に対する歪曲率をそれぞれ表している。
【００３５】図８，図９は、実施例１，実施例２にそれ
ぞれ対応する横収差図であり、左がタンジェンシャル
面、右がサジタル面での横収差をそれぞれ示している。
各図において、縦軸は収差量(mm)であり、横軸は瞳位置
である。そして、ラインｃはｃ線（波長656.3nm）に対
する横収差量、ラインｄはｄ線（波長587.6nm）に対す
る横収差量、ラインｇはｇ線（波長435.8nm）に対する
横収差量をそれぞれ表している。また、（ａ）〜（ｅ）
は各画角における場合を示している。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来より全長が短く薄型で、高品位な虚像表示が可能な
接眼光学系を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接眼光学系の第１の実施形態の基本構
成を模式的に示す図。
【図２】本発明の接眼光学系の第２の実施形態の基本構
成を模式的に示す図。
【図３】円偏光選択反射透過面の構成を説明する図。
【図４】第１の実施形態に対応する光学構成図。
【図５】第２の実施形態に対応する光学構成図。
【図６】実施例１に対応する収差図。
【図７】実施例２に対応する収差図。
【図８】実施例１に対応する横収差図
【図９】実施例２に対応する横収差図
【符号の説明】
１，１１ 観察者眼 ２，１２ 非球面樹脂レンズ ３，１３ 球面ガラスレンズ ４，１４ ２次元表示素子 ５，１５ 偏光変換素子 ６，１６ 円偏光選択反射透過面 ７，１７ 半透過鏡面 １８ 照明光源 １９ 半透過鏡 ２１ 反射型偏光板 ２２ １／４波長板
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｂ ５Ｃ０２２ 5/64 ５１１ 5/64 ５１１Ａ ５Ｇ４３５ // Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ 1/1335 ５１０ 1/1335 ５１０ Ｆターム(参考） 2H049 BA02 BA03 BA07 BA22 BA42 BA43 BA47 BB03 BB62 BC03 BC05 BC22 2H087 KA14 LA11 NA01 PA02 PA17 PB02 QA02 QA06 QA07 QA13 QA21 QA22 QA32 QA39 QA41 RA00 RA05 RA12 2H088 EA10 EA45 GA03 HA18 HA24 MA20 2H091 FA08X FA11X FA41Z FD13 LA11 2H099 AA11 BA09 CA01 CA07 CA11 DA05 5C022 AA01 AA11 AC03 AC09 5G435 AA01 AA18 BB12 DD04 FF02 FF05 FF12 GG09 LL00

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２次元表示素子に表示された映像を観察
    者眼に拡大虚像表示する接眼光学系であって、 前記観察者眼から順に、 非球面である第１面と略平面である第２面とより成る非
    球面樹脂レンズと、 第１面が凹面である球面ガラスレンズと、 前記球面ガラスレンズと２次元表示素子との間に配置さ
    れ、該２次元表示素子からの映像光を円偏光に変換する
    偏光変換素子と、 を有し、 前記非球面樹脂レンズの第２面上には、前記２次元表示
    素子からの映像光の円偏光の回転方向により選択的に反
    射，透過する円偏光選択反射透過面が形成されており、
    前記球面ガラスレンズの第１面に半透過鏡面が形成され
    ている事を特徴とする接眼光学系。
  2. 【請求項２】 ２次元表示素子に表示された映像を観察
    者眼に拡大虚像表示する接眼光学系であって、 前記観察者眼から順に、 非球面である第１面と略平面である第２面とより成る非
    球面樹脂レンズと、 凹面である第１面と略平面である第２面とより成る球面
    ガラスレンズと、 前記球面ガラスレンズと２次元表示素子との間に配置さ
    れ、該２次元表示素子からの映像光を円偏光に変換する
    偏光変換素子と、 を有し、 前記非球面樹脂レンズの第２面上には、前記２次元表示
    素子からの映像光の円偏光の回転方向により選択的に反
    射，透過する円偏光選択反射透過面が形成されており、
    前記球面ガラスレンズの第１面若しくは第２面に半透過
    鏡面が形成されている事を特徴とする接眼光学系。
  3. 【請求項３】 前記円偏光選択反射透過面は、コレステ
    リック液晶により構成されている事を特徴とする請求項
    １又は請求項２に記載の接眼光学系。
  4. 【請求項４】 前記円偏光選択反射透過面は、１／４波
    長板と反射型偏光板とにより構成されている事を特徴と
    する請求項１又は請求項２に記載の接眼光学系。
  5. 【請求項５】 前記偏光変換素子は偏光板と１／４波長
    板とにより構成されている事を特徴とする請求項１〜請
    求項４のいずれかに記載の接眼光学系。
  6. 【請求項６】 前記２次元表示素子は液晶パネルであ
    り、前記偏光変換素子は１／４波長板である事を特徴と
    する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の接眼光学
    系。
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