JP2011100009A - 虚像観察光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像観察時に良好な光学性能を実現しながら、虚像とともに実像が観察されて使用感が大きく損なわれるのを防止する。
【解決手段】物体面ＯＰと観察瞳ＥＰとの間の光路中に、少なくとも２面の反射面を配置し、上記２面の反射面のパワー配置を、観察瞳側から負正とする。これにより、決められた焦点距離のもとで面Ｓ２と物体面との距離を確保することができ、観察瞳側から見て面Ｓ１の背後に物体面ＯＰを位置させることができる。したがって、物体面ＯＰから観察瞳ＥＰに直接向かう光があったとしても、その直接光は面Ｓ１で遮られ、観察瞳ＥＰには入射しない。しかも、面Ｓ２は多項式曲面形状であるので、像面湾曲を補正することができる。また、面Ｓ１は観察瞳ＥＰの中心と物体面ＯＰの中心とを結ぶ直線と交わるように配置されているので、偏心光学系で発生する台形歪みを小さく抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体面の拡大虚像を観察可能な虚像観察光学系に関するものである。

従来から、ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも称する）やヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）に適用される虚像観察光学系が種々提案されている。例えば特許文献１には、ＨＵＤに適用される虚像観察光学系が開示されている。図８は、特許文献１の虚像観察光学系の概略の構成を示している。この光学系では、スクリーン１０１から射出された光は、反射面１０２で反射された後、さらにフロントシールドガラス１０３で反射されて観察瞳ＥＰに入射する。したがって、観察瞳ＥＰの位置では、観察者は、フロントシールドガラス１０３よりも遠方に、スクリーン１０１に表示（投影）された映像の拡大虚像Ｖを観察することが可能となる。

特開２００９−１５０９４７号公報

ところが、特許文献１では、光学系で発生する収差については全く言及されておらず、収差を考慮した光学設計がなされているとは必ずしも言えない。このため、虚像観察時に収差を抑えた良好な光学性能が実現されるとは必ずしも言えない。

また、特許文献１の構成では、反射面１０２とフロントシールドガラス１０３との間に大きな空間（開口）が形成されている。このため、図８の太線の矢印で示すように、スクリーン１０１から射出された光が上記の開口を通って観察瞳ＥＰに直接入射する可能性がある。この場合、本来観察されるべき虚像Ｖに加えて、スクリーン１０１に表示された映像そのもの（実像）も観察されることになり、使用感を大きく損なうことになる。

また、反射面を用いた虚像観察光学系においては、光線と光学部材との干渉を避けるために、反射面を偏心配置して、観察瞳に対して光線を斜めに入射させる構成とする場合が多い。このような偏心光学系では、台形歪みが大きくなるため、良好な光学性能を実現することが困難となる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、虚像観察時に収差を抑えた良好な光学性能を実現しながら、虚像とともに実像が観察されて使用感が大きく損なわれるのを防止できる虚像観察光学系を提供することにある。

本発明の虚像観察光学系は、物体面から射出される光を観察瞳に導くことにより、前記観察瞳の位置で前記物体面の拡大虚像を観察者に観察させる虚像観察光学系において、前記物体面と前記観察瞳との間の光路中に、少なくとも２面の反射面を有しており、前記反射面は、前記観察瞳側から順に配置される、負のパワーを有する面Ｓ１と、正のパワーを有する面Ｓ２とを含み、前記面Ｓ２は、多項式曲面形状であり、かつ、前記観察瞳上の１点と前記物体面上の１点とを結ぶ全ての直線の集合で構成される領域の外側に位置しており、前記面Ｓ１は、前記観察瞳の中心と前記物体面の中心とを結ぶ直線と交わるように配置されていることを特徴としている。

本発明の虚像観察光学系は、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。すなわち、
２０°＜θ＜６５° ・・・（１）
ただし、
θ：物体面の中心と観察瞳の中心とを光学的に結ぶ軸上における、面Ｓ２に対する
入射光線と反射光線とのなす角度
である。

本発明の虚像観察光学系において、前記面Ｓ１は、多項式曲面形状であることが望ましい。

本発明の虚像観察光学系は、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。すなわち、
０．４＜Ｌ１／Ｌ２＜０．９ ・・・（２）
ただし、
Ｌ１：物体面の中心と面Ｓ１における光束入射領域の中心との距離
Ｌ２：物体面の中心と面Ｓ２における光束入射領域の中心との距離
である。

本発明の虚像観察光学系において、前記面Ｓ１および前記面Ｓ２は、同一の面に対して対称な形状であることが望ましい。

本発明の虚像観察光学系は、以下の条件式（３）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
１．２＜Ｌ２／Ｄ２＜２．５ ・・・（３）
ただし、
Ｄ２：対称面内での面Ｓ２における光束入射領域の幅
である。

本発明の虚像観察光学系は、以下の条件式（４）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
０．３＜Ｌ１／Ｆ１＜０．９ ・・・（４）
ただし、
Ｆ１：光学系の焦点距離
である。

本発明の虚像観察光学系において、前記物体面から前記観察瞳に向かう光路は、前記反射面によって前記物体面の短辺方向を含む断面内で折り曲げられていることが望ましい。

本発明の虚像観察光学系において、前記物体面の中心から射出され、前記反射面を介して前記観察瞳の中心に入射する光線は、前記観察瞳に対して斜めに入射することが望ましい。

本発明によれば、物体面と観察瞳との間の光路中に配置される反射面２面のパワー配置を、観察瞳側から順に負正とすることにより、決められた焦点距離のもとで面Ｓ２と物体面との距離を確保することができ、これによって、観察瞳側から見て面Ｓ１の背後に物体面を位置させるレイアウトとすることができる。特に、面Ｓ２は、観察瞳上の１点と物体面上の１点とを結ぶ全ての直線の集合で構成される領域の外側に位置しているので、反射面の枚数に関係なく（反射面が２枚であっても３枚以上であっても）、面Ｓ１の背後に物体面を位置させるレイアウトに確実にできる。したがって、物体面から観察瞳に直接向かう光は面Ｓ１で遮られ、観察瞳には入射しないので、本来観察されるべき虚像とともに、物体面そのもの（実像）が観察されるのを防止することができる。

しかも、面Ｓ２は、多項式曲面形状（自由曲面形状）であるので、２面の反射面を観察瞳側から負正のパワー配置とすることによって発生する像面湾曲を補正することができる。また、面Ｓ１は、観察瞳の中心と物体面の中心とを結ぶ直線と交わるように配置されているので、例えば、光線と光学部材との干渉を避けるべく、偏心した光学構成を考えた場合でも、光学的に（光路を展開したときに）共軸系の光路に近づくような光学配置を実現することができる。このことは、物体面の中心から観察瞳の中心に入射する光線について、観察瞳に対する入射角が小さくなるのと実質的に同じである。したがって、偏心光学系で発生する収差（例えば台形歪み）を小さく抑えることができる。

つまり、本発明によれば、虚像観察時に、各種の収差を抑えて良好な光学性能を実現しながら、虚像とともに実像が観察されるのを防止して、光学系の使用感が大きく損なわれるのを防止することができる。

本発明の実施の形態１の虚像観察光学系の概略の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２の虚像観察光学系の概略の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の虚像観察光学系の概略の構成を示す断面図である。 虚像観察光学系における各パラメータを示す説明図である。 虚像観察光学系における各パラメータを示す説明図である。 実施の形態２の虚像観察光学系の変形例を示す断面図である。 本発明の虚像観察光学系を適用可能なＨＭＤの概略の構成を示す平面図である。 従来の虚像観察光学系の概略の構成を示す断面図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（虚像観察光学系の構成）
図１〜３は、本発明の実施の形態１〜３に係る虚像観察光学系１の概略の構成を示す断面図である。各虚像観察光学系１は、物体面ＯＰから射出される光を観察瞳ＥＰに導くことにより、観察瞳ＥＰの位置で物体面ＯＰの拡大虚像を観察者に観察させる光学系である。特に、各虚像観察光学系１は、後述する反射面を偏心配置した偏心光学系で構成されており、物体面ＯＰの中心から射出されて上記反射面を介して観察瞳ＥＰの中心に入射する光線が、観察瞳ＥＰに対して斜めに入射するようになっている。

ここで、物体面ＯＰとは、物体から光が射出される面（領域）を指し、例えば表示素子（例えばＬＣＤ）の矩形の表示領域やスクリーンの矩形の投影画面を考えることができる。したがって、物体面ＯＰは、矩形形状と考えてよい。また、観察瞳ＥＰは、虚像観察光学系１によって形成される光学瞳（射出瞳）である。

各虚像観察光学系１は、物体面ＯＰと観察瞳ＥＰとの間の光路中に反射面を２面有している。具体的には、各虚像観察光学系１は、上記２面の反射面として、観察瞳ＥＰ側から順に配置される面Ｓ１および面Ｓ２を有している。面Ｓ１は負のパワーを有しており、面Ｓ２は正のパワーを有している。面Ｓ１および面Ｓ２は、偏心（例えば後述するＸ軸回りに回転偏心）して配置されている。

なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、観察瞳ＥＰに垂直な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうち、紙面に平行な方向をＹ方向とし、紙面に垂直な方向をＸ方向とする。すなわち、Ｚ方向、Ｙ方向、Ｘ方向は、それぞれ、虚像観察時の前後方向、上下方向、左右方向に対応する。上記の物体面ＯＰは、短辺方向を含む面がＹＺ平面に平行で、長辺方向がＹＺ平面に垂直なＸ方向となるように配置されている。

各虚像観察光学系１は、ＹＺ面に対して対称で、かつ、非回転対称な光学系となっている。つまり、各虚像観察光学系１の面Ｓ１および面Ｓ２は、同一の面（ＹＺ面）に対して対称な形状で、かつ、非回転対称な形状である。このように虚像観察光学系１がＹＺ面を唯一の対称面として有していることにより、面Ｓ１および面Ｓ２の形状の設定を含めた光学系の設計がしやすいものとなる。

上記の構成によれば、物体面ＯＰから射出された光は、まず、正のパワーを有する面Ｓ２で反射され、続いて、負のパワーを有する面Ｓ１で反射されて観察瞳ＥＰに入射する。したがって、観察者は観察瞳ＥＰの位置で物体面ＯＰの拡大虚像Ｖ（図３参照）を観察することができる。

上記のように、各虚像観察光学系１に反射面を用いることにより、レンズなどの屈折系では問題となる色収差の発生を抑制することができる。特に、焦点距離が長い光学系では、色収差が増大しやすいため、反射面の使用による効果が大きくなる。また、面Ｓ１および面Ｓ２の２面の反射面を用い、これらの面にパワーを持たせることにより、収差（例えば非点収差、像面湾曲）を容易に補正することができる。特に、光路中の反射面を面Ｓ１および面Ｓ２の２枚とすることにより、少ない枚数で収差を補正できるので、小型化の点で有利である。

また、図１〜図３より、物体面ＯＰから観察瞳ＥＰに向かう光路は、複数の反射面（面Ｓ１、面Ｓ２）によってＹＺ面内で折り曲げられていることが分かる。ＹＺ面は、矩形形状の物体面ＯＰの短辺方向を含む面と平行であることから、結局、上記光路は、上記複数の反射面によって物体面ＯＰの短辺方向を含む断面内で折り曲げられているとも言える。このような光路の折り曲げにより、物体面ＯＰの長辺方向を含む断面内で光路を折り曲げる構成に比べて、光学系をコンパクトに構成することができる。

また、各虚像観察光学系１は、偏心光学系であるので、反射面の枚数が少ない構成で、光線と光学部材（反射面）との干渉を避ける光学配置を容易に実現することができる。これにより、小型の構成で、物体面ＯＰ全体の拡大虚像Ｖを確実に観察者に観察させることができる。また、偏心した光学構成とすることで、物体面ＯＰからの光が面Ｓ１を介して観察瞳ＥＰに斜めに入射するので、観察瞳ＥＰと面Ｓ１との距離を短くすることが容易となり、ＨＭＤに好適な虚像観察光学系１を容易に実現することができる。さらに、虚像観察光学系１をＨＵＤに適用する場合には、前方（景色を観察する方向）から視線を落とした位置で虚像を観察させることが可能となり、ＨＵＤに好適な虚像観察光学系１を実現することもできる。

次に、本発明の特徴的な構成および条件式について説明する。
図４および図５は、虚像観察光学系１における各パラメータを示す説明図である。各虚像観察光学系１では、上述したように、面Ｓ１に負のパワーを持たせ、面Ｓ２に正のパワーを持たせている。ここで、面Ｓ２は、上記した対称面（ＹＺ面）に対して対称な多項式曲面形状（自由曲面形状）であり、かつ、観察瞳ＥＰ上の１点と物体面ＯＰ上の１点とを結ぶ全ての直線の集合で構成される領域Ｒ（図４参照）の外側に位置している。また、面Ｓ１は、観察瞳ＥＰの中心と物体面ＯＰの中心とを結ぶ直線Ｔ（図５参照）と交わるように配置されている。

このように、光路中に配置される反射面２面のパワー配置を、観察瞳ＥＰ側から順に負正とすることにより、決められた焦点距離のもとで面Ｓ２と物体面ＯＰとの距離を確保することができ、これによって、観察瞳ＥＰ側から見て面Ｓ１の背後に物体面ＯＰを位置させるレイアウトとすることができる。特に、面Ｓ２は、領域Ｒの外側に位置しているので、面Ｓ１の背後に物体面ＯＰを位置させるレイアウトとすることが確実にできる。したがって、直接光、すなわち、物体面ＯＰから面Ｓ２および面Ｓ１を介さずに観察瞳ＥＰに直接向かう光があったとしても、その直接光は面Ｓ１で遮られることになり、観察瞳ＥＰには入射しない。よって、観察瞳ＥＰの位置で、本来観察されるべき虚像Ｖとともに、物体面ＯＰそのもの（実像）が観察されるのを防止することができる。

しかも、面Ｓ２は多項式曲面形状であるので、２面の反射面を観察瞳ＥＰ側から負正のパワー配置とすることによって発生する像面湾曲を補正することができる。

また、面Ｓ１は直線Ｔと交わるように配置されているので、図５に示すように、観察瞳ＥＰの中心と虚像Ｖの中心とを結ぶ仮想的な直線Ｗと、物体面ＯＰの中心との距離ｄｗを小さく抑えることができる。これにより、偏心光学系で観察瞳ＥＰに斜めに光が入射する構成であっても、できるだけ、光学的に（光路を展開したときに）共軸系の光路に近づくような光学配置を実現することが可能となる。したがって、物体面ＯＰの中心から観察瞳ＥＰの中心に入射する光線について、観察瞳ＥＰに対する入射角を実質的に小さくすることができる。上記の入射角が大きいと、台形歪みが増大するだけでなく、画角が大きいのと同じ扱いになってコマ収差が発生しやすくなる。しかし、上記の入射角を実質的に小さくできるので、偏心光学系で問題となる台形歪みやコマ収差を小さく抑えることができる。

つまり、各虚像観察光学系１の構成によれば、虚像観察時に、像面湾曲や台形歪みなどの各種の収差を抑えて画面全体にわたって良好な光学性能を実現することができると同時に、虚像Ｖとともに実像が観察されるのを防止して、光学系の使用感が大きく損なわれるのを防止することができる。特に、物体面ＯＰからの光が反射面を介して観察瞳ＥＰに斜めに入射する構成においては、台形歪みやコマ収差を効果的に抑えることができる点で、本発明は非常に有効である。

また、各虚像観察光学系１においては、面Ｓ１は、上記対称面に対して対称な多項式曲面形状（自由曲面形状）で構成されている。このように、面Ｓ２に加えて、面Ｓ１も多項式曲面形状とすることにより、２面の反射面の負正のパワー配置によって発生する像面湾曲をより一層補正することができる。

ところで、各虚像観察光学系１は、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。すなわち、
２０°＜θ＜６５° ・・・（１）
ただし、
θ：物体面ＯＰの中心と観察瞳ＥＰの中心とを光学的に結ぶ軸上における、
面Ｓ２に対する入射光線と反射光線とのなす角度（°）
である。なお、「光学的に結ぶ」とは、「物体面ＯＰから観察瞳ＥＰに至る光路上で結ぶ」と同義である。

条件式（１）は、光学構成をコンパクトにしつつ、良好な光学性能を得ながら、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を防止するための具体的な条件を規定している。すなわち、条件式（１）の下限を下回ると、面Ｓ２における入射光と反射光との分離に必要な距離ｄｖ（図５参照）が大きくなるため、光学系のサイズが増大する。また、面Ｓ２への入射光が面Ｓ１でケラレる場合が生じる。また、距離ｄｖが大きくなることは、光学系のバックフォーカスを長くすることに対応するため、面Ｓ１の負のパワーが強くなり、像面湾曲が増大するとともに、非点収差を十分に補正することが困難となる。

一方、条件式（１）の上限を上回ると、物体面ＯＰが面Ｓ２に近づき、距離ｄｗが大きくなるため、光学配置が共軸系に近い配置からずれてくる。この場合、観察瞳ＥＰに入射する光の入射角が大きくなり、台形歪みが大きく発生する。また、物体面ＯＰが面Ｓ２に近づくので、物体面ＯＰから射出される光が面Ｓ１と面Ｓ２との間の開口を通って観察瞳ＥＰに直接入射しやすくなる。

したがって、条件式（１）を満足することにより、コンパクトな構成で良好な光学性能を実現できるとともに、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を確実に防止して、虚像とともに実像が観察されるのを確実に防止することができる。

なお、各虚像観察光学系１のように、ＹＺ面に対して対称な光学系の場合、上記のθは、対称面であるＹＺ面内での角度となる。このとき、上記のθは、面Ｓ２の対称面上において、以下の２直線Ａ・Ｂのなす角度を指すとも言える。直線Ａは、面Ｓ１の光束入射領域の中心と面Ｓ２の光束入射領域の中心とを結ぶ直線である。直線Ｂは、物体面ＯＰから射出された光線が面Ｓ２の直前に通過する面上の光束入射領域の中心と面Ｓ２の光束入射領域の中心とを結ぶ直線である。ここで、実施の形態１〜３のように、光路中の反射面の枚数が２枚のとき、「面Ｓ２の直前に通過する面上の光束入射領域」は、物体面ＯＰそのものを考えることができる。一方、光路中の反射面が３枚であったり（後述の変形例参照）、それ以上の枚数である場合、「面Ｓ２の直前に通過する面」は、文字通り、物体面ＯＰから射出された光が面Ｓ２の直前に通過する面を指す。また、反射面における「光束入射領域」は、光束反射領域や有効領域と読み替えることもできる。

また、各虚像観察光学系１は、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。すなわち、
０．４＜Ｌ１／Ｌ２＜０．９ ・・・（２）
ただし、
Ｌ１：物体面ＯＰの中心と面Ｓ１における光束入射領域の中心との距離（ｍｍ）
Ｌ２：物体面ＯＰの中心と面Ｓ２における光束入射領域の中心との距離（ｍｍ）
である。

条件式（２）は、光学構成をコンパクトにしつつ、良好な光学性能を得ながら、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を防止するための条件を、条件式（１）とは別の観点から規定している。すなわち、条件式（２）の下限を下回り、Ｌ１に対してＬ２が大きすぎると、面Ｓ２と物体面ＯＰとの距離が大きくなるため、光学系をコンパクトに構成することができない。このとき、面Ｓ２と物体面ＯＰとの適切な距離を確保すべく、面Ｓ２のパワーを大きくすると、良好な光学性能を確保することが困難となる。また、面Ｓ１と面Ｓ２との間隔が広がるため、物体面ＯＰから射出される光が面Ｓ１と面Ｓ２との間の開口を通って観察瞳ＥＰに直接入射しやすくなる。また、Ｌ１に対してＬ２が大きくなると、距離ｄｖが大きくなるため、面Ｓ１の負のパワーが強くなって像面湾曲が増大するとともに、非点収差を十分に補正することが困難となる。

一方、条件式（２）の上限を上回り、Ｌ１に対してＬ２が小さすぎると、面Ｓ１と面Ｓ２との間隔が狭くなるため、物体面ＯＰから面Ｓ２に向かう光束と面Ｓ１とが干渉する。また、面Ｓ２上での各画角の光束間の距離が狭くなり、画面全体において良好な光学性能を得ることが困難となる。

したがって、条件式（２）を満足することにより、コンパクトな構成で、光学部材と光束との干渉を避けて良好な光学性能を実現できるとともに、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を確実に防止することができる。特に、条件式（１）（２）を同時に満足することにより、その効果を確実に得ることができる。

また、各虚像観察光学系１は、以下の条件式（３）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
１．２＜Ｌ２／Ｄ２＜２．５ ・・・（３）
ただし、
Ｄ２：対称面内での面Ｓ２における光束入射領域の幅（ｍｍ）
である。

条件式（３）は、光学構成をコンパクトにして良好な光学性能を実現しつつ、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を防止できる効果をさらに高めるための条件を規定している。すなわち、条件式（３）の下限を下回ると、面Ｓ２と物体面ＯＰとの距離が短くなるため、物体面ＯＰから射出される光が、面Ｓ１と面Ｓ２との間の開口を通って観察瞳ＥＰに直接入射しやすくなる。

一方、条件式（３）の上限を上回ると、面Ｓ２と物体面ＯＰとの距離が長くなるため、光学系が大型化する。また、Ｄ２に対してＬ２が大きくなると、距離ｄｖが大きくなるため、面Ｓ１の負のパワーが強くなって像面湾曲が増大するとともに、非点収差を十分に補正することが困難となる。

したがって、条件式（３）を満足することにより、コンパクトな構成で良好な光学性能を実現しながら、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を確実に防ぎ、虚像とともに実像が観察されるのを確実に防ぐことができる。

また、各虚像観察光学系１は、以下の条件式（４）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
０．３＜Ｌ１／Ｆ１＜０．９ ・・・（４）
ただし、
Ｆ１：光学系の焦点距離（ｍｍ）
である。

条件式（４）は、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を抑えながら、良好な光学性能とコンパクトな構成とを両立させるための条件を規定している。すなわち、条件式（４）の下限を下回ると、焦点距離Ｆ１のもとで面Ｓ２と物体面ＯＰとの距離を確保することができず、物体面ＯＰから射出される光が、面Ｓ１と面Ｓ２との間の開口を通って観察瞳ＥＰに直接入射しやすくなる。また、物体面ＯＰが面Ｓ２に近づくため、距離ｄｗが大きくなり、光学配置が共軸系に近い配置からずれてくる。このため、台形歪みが増大する。一方、条件式（４）の上限を上回ると、Ｌ１が大きくなるため、光学系のサイズが増大する。

したがって、条件式（４）を満足することにより、直接光の観察瞳ＥＰへの入射を抑えながら、台形歪みを抑えて画面全体にわたって良好な光学性能を実現できるとともに、光学系をコンパクトに構成することができる。

なお、直接光の観察瞳ＥＰへの入射および台形歪みを確実に抑える観点から、各虚像観察光学系１は、以下の条件式（４ａ）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
０．５＜Ｌ１／Ｆ１＜０．９ ・・・（４ａ）
である。

（実施例）
以下、各実施の形態１〜３の虚像観察光学系１の実施例について、実施例１〜３として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。なお、実施例１〜３はそれぞれ、実施の形態１〜３に対応する数値実施例であり、各実施の形態１〜３の光学構成および光路を示す図面（図１〜図３）は、対応する実施例１〜３にもそのまま適用される。

以下に示す各面のデータは、観察瞳ＥＰの中心を座標基準（原点）とする右手系の直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に基づいて示されている。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の定義（軸の取り方）については、上述した通りである。ただし、右手系の直交座標系なので、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の正負は以下の通りとする。観察瞳ＥＰに対して物体面ＯＰ側に向かう方向をＺ軸の正の方向とし、観察瞳ＥＰの中心から上方向をＹ軸の正の方向とし、観察瞳ＥＰの中心から左方向をＸ軸の正の方向とする。また、αは、Ｘ軸回りの回転角度（°）を指し、Ｘ軸の正の方向に向かって反時計回りの方向を、回転角度の正の方向とする。

また、自由曲面からなる面Ｓ１および面Ｓ２は、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式で定義される。以下で示した多項式自由曲面データにおいて、表記の無い項の係数は０であり、全てのデータに関して、Ｅ−ｎ＝×１０^-nである。

ｚ＝（ｃ・ｈ²）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）・ｃ²・ｈ²｝］
＋Σ｛Ｃ（ｉ，ｊ）・ｘⁱ・ｙ^j｝
ただし、
ｚ：高さｈの位置でのｚ軸方向の変位量（面頂点基準）
ｈ：ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（ｈ²＝ｘ²＋ｙ²）
ｃ：面頂点での曲率（＝１／曲率半径）
Ｋ：円錐係数
Ｃ（ｉ，ｊ）：ｘのｉ次、ｙのｊ次の多項式自由曲面係数
である。

なお、以下では、便宜上、Ｃ（ｉ，ｊ）をＸｉＹｊというように記載する。例えば、「Ｘ２Ｙ」とは、多項式におけるｘの２次、ｙの１次の項の自由曲面係数であることを示す。また、ここでは、面Ｓ１および面Ｓ２の自由曲面を平面（曲率半径＝∞）を基準にして示しているため、上記した数式の第１項におけるｃの値はゼロである。

また、各実施例における、観察瞳ＥＰと中心画角主光線とのなす角度（°）、Ｘ方向（物体面長辺方向）の画角（°）、Ｙ方向（物体面短辺方向）の画角（°）、光学系の焦点距離（ｍｍ）を併せて示す。なお、中心画角主光線とは、物体面ＯＰの中心から射出され、面Ｓ２および面Ｓ１で反射されて観察瞳ＥＰの中心に入射する光線を指すものとする。

＜実施例１＞
面 x y z α
S1 0 -18.4274 39.5175 22.0314
S2 0 -45.3401 29.1697 54.9185
OP（物体面） 0 -27.6791 49.6315 50

自由曲面係数
S1 S2
K -30.000 -30.000
Y 8.72E-05 6.73E-05
X2 -2.38E-05 4.73E-05
Y2 -4.10E-05 4.13E-05
X2Y 7.97E-08 -7.46E-09
Y3 3.54E-08 -8.57E-09
X4 3.53E-10 8.20E-10
X2Y2 1.10E-09 1.61E-09
Y4 4.00E-10 7.25E-10
X4Y 0 -8.39E-14
X2Y3 0 -4.68E-13
Y5 0 -4.38E-14
X6 0 -7.25E-15
X4Y2 0 -1.78E-14
X2Y4 0 -1.65E-14
Y6 0 -5.58E-15

観察瞳ＥＰと中心画角主光線とのなす角度：25°
Ｘ方向画角：±6°
Ｙ方向画角：±4.5°
焦点距離 ：21.69(mm)

＜実施例２＞
面 x y z α
S1 0 -10.2294 28.1058 26.1152
S2 0 -30.3875 21.6523 51.3201
OP（物体面） 0 -16.2863 45.8445 44.233

自由曲面係数
S1 S2
K 5.729 -30.000
Y -1.65E-05 1.37E-04
X2 -4.28E-05 4.30E-05
Y2 -6.58E-05 2.92E-05
X2Y 1.46E-07 1.62E-09
Y3 7.45E-08 8.23E-10
X4 -5.11E-10 1.47E-09
X2Y2 -5.51E-10 2.90E-09
Y4 -5.56E-10 1.36E-09
X4Y 0 -3.17E-13
X2Y3 0 -2.79E-13
Y5 0 7.46E-14
X6 0 -2.03E-14
X4Y2 0 -5.55E-14
X2Y4 0 -5.78E-14
Y6 0 -2.18E-14

観察瞳ＥＰと中心画角主光線とのなす角度：20°
Ｘ方向画角：±6°
Ｙ方向画角：±4.5°
焦点距離 ：22.06(mm)

＜実施例３＞
面 x y z α
S1 0 -193.0941 741.4885 32.0449
S2 0 -325.7339 714.995 48.5284
OP（物体面） 0 -256.207 924.5081 16

自由曲面係数
S1 S2
K 24.960 -8.524
Y 4.63E-05 7.76E-05
X2 3.95E-04 2.79E-04
Y2 -2.83E-04 -2.46E-04
X2Y 9.77E-07 1.54E-07
Y3 -2.05E-07 -9.64E-07
X4 -2.92E-08 1.91E-08
X2Y2 -2.13E-08 2.83E-08
Y4 -4.25E-08 2.50E-08
X4Y 0 -1.08E-11
X2Y3 0 8.76E-11
Y5 0 9.85E-11
X6 0 -3.71E-13
X4Y2 0 -2.17E-13
X2Y4 0 -3.36E-13
Y6 0 -1.07E-11

観察瞳ＥＰと中心画角主光線とのなす角度：14.6°
Ｘ方向画角：±5.8°
Ｙ方向画角：±2.5°
焦点距離 ：350.01(mm)

表１は、各実施例１〜３において、条件式（１）〜（４）の対象となるθ、Ｌ１／Ｌ２、Ｌ２／Ｄ２、Ｌ１／Ｆ１の各値を示している。この表１より、各実施例１〜３の虚像観察光学系１は、上述した条件式（１）〜（４）を全て満足していることがわかる。

（変形例）
図６は、実施の形態２の変形例を示す断面図である。同図に示すように、虚像観察光学系１において、物体面ＯＰと面Ｓ２との間の光路中に面Ｓ３を配置して、物体面ＯＰを面Ｓ１側に跳ね上げる構成としてもよい。つまり、物体面ＯＰと観察瞳ＥＰとの間の光路中に配置される反射面は、３面であってもよい。なお、ここでは、面Ｓ３はパワーを持たない平面反射面となっている。このように３面の反射面を光路中に配置することにより、観察瞳ＥＰ側から見て面Ｓ１の背後に物体面ＯＰを確実に位置させることができ、観察瞳ＥＰへの直接光の入射を確実に防止することができる。

なお、面Ｓ３にパワーを持たせ、これに収差補正機能を持たせることも勿論可能である。また、上記光路中に配置される反射面を４面以上としてもよい。つまり、観察瞳ＥＰ側から３枚目以降の反射面は、パワーを有する反射面であってもよいし、パワーを持たない平面反射面であってもよい。

なお、光路中の反射面の枚数を増やすほど、収差の補正は容易となるが、その反面、光学系が大型化する。反射面を用いた場合、光線と光学部材との干渉を避けるため、枚数を増やすことによる大型化の度合いは屈折系を用いた場合よりも大きい。したがって、反射面の枚数は、要求される光学性能と光学系のサイズとの兼ね合いで設定されればよい。

なお、光路中に反射面を３面以上設ける場合でも、面Ｓ１が直線Ｔ（図５参照）と交わり、かつ、面Ｓ２が領域Ｒ（図４参照）の外側に位置するという条件を満たしている限り、物体面ＯＰとその直後に通過する反射面２面における光路の折れ曲がりは、物体面ＯＰを面Ｓ１の背後に位置させるような光路の折れ曲がりとなる。つまり、反射面が例えば３面の場合、面Ｓ２、面Ｓ３、物体面ＯＰ間の光路の折れ曲がりは、物体面ＯＰが面Ｓ３に対して面Ｓ１側に位置するような光路の折れ曲がりとなり、物体面ＯＰが面Ｓ３に対して面Ｓ２側に位置するような上記とは逆の光路の折れ曲がりとはならない。このことは、反射面が４面以上の場合でも同様である。したがって、光路中に反射面を３面以上設ける場合でも、上記条件を満たす限り、観察瞳ＥＰへの直接光の入射を確実に防止することができる。

（ＨＭＤについて）
次に、本発明の虚像観察光学系１の適用例について説明する。図７は、実施の形態１、２の虚像観察光学系１を適用可能なＨＭＤの概略の構成を示す平面図である。このＨＭＤは、表示部１１と、支持機構２１とを備えている。なお、以下での説明の便宜上、観察者の右眼および左眼に対応する部材の番号には、それぞれＲ（右眼）およびＬ（左眼）の符号を付すこととする。

表示部１１は、映像を表示する映像表示装置で構成されており、表示部１１Ｒ・１１Ｌで構成されている。表示部１１Ｒ・１１Ｌは、それぞれ、映像を表示する表示器と、上記の表示器に表示した映像の光を観察者の眼に導いて虚像を提供する接眼光学系と、上記の表示器および接眼光学系を保持する筺体１２Ｒ・１２Ｌとを含んで構成されている。

上記の表示器は、例えば光源、照明光学系、表示素子（例えばＬＣＤ）を有して構成されている。上述した本発明の虚像観察光学系１は、上記の接眼光学系に適用可能である。このとき、虚像観察光学系１の物体面ＯＰは、表示素子の映像表示面に相当する。表示素子での映像の表示や光源の点灯は、図示しない外部の制御装置によってケーブル１３を介して制御される。つまり、制御装置は、ケーブル１３を介して、光源および表示素子に電力を供給し、また、表示する映像を表す映像信号を表示素子に提供する。

上記の筺体１２Ｒ・１２Ｌには、視度調節用の操作部材１４Ｒ・１４Ｌがそれぞれ設けられている。操作部材１４Ｒ・１４Ｌの操作によって、接眼光学系を構成する各反射面の位置の調整を調整することにより、観察者は右眼ＥＲおよび左眼ＥＬの視力に応じて、表示部１１Ｒ・１１Ｌの視度をそれぞれ設定することができる。また、表示部１１Ｒ・１１Ｌの外界側（観察者とは反対側）には、装置の美観を高めるために、不透明なカバー１５Ｒ・１５Ｌが設けられている。

支持機構２１は、表示部１１Ｒ・１１Ｌを観察者の右眼ＥＲおよび左眼ＥＬの眼前で支持する支持手段であり、表示部１１Ｒ・１１Ｌを支持するフレーム２２と、フレーム２２の左右方向の中央付近に取り付けられ、鼻に接する鼻当て２３と、フレーム２２の左右方向の両端付近に取り付けられ、耳、側頭部または後頭部に接する１対のテンプル２４Ｒ・２４Ｌとを含んでいる。テンプル２４Ｒ・２４Ｌは、フレーム２２の両端部のヒンジ２５の回転軸２５ａを中心に回転可能となっている。

フレーム２２には、図７の矢印Ａで示すように、上記した表示部１１Ｒ・１１Ｌが左右方向に移動し得るように取り付けられている。これにより、各接眼光学系の光軸が観察者の右眼ＥＲおよび左眼ＥＬの瞳の中心を通るように設定することができる。

鼻当て２３は、やや弾性のある樹脂で作製されており、フレーム２２の中央部に取り付けられている。鼻当て２３とフレーム２２の間にはバネ（不図示）が介装されており、鼻当て２３は、図７の矢印Ｂで示すように、前後方向に移動可能であり、後方に向けて軽く付勢されている。

上記のように表示部１１Ｒ・１１Ｌの接眼光学系に本発明の虚像観察光学系１を適用することにより、観察者は、虚像観察時に、収差の少ない良好な映像（虚像）を観察することができる。しかも、虚像とともに実像が観察されないので、観察者は使用感を損なうことなく映像（虚像）を観察することができる。

なお、以上では、両眼で映像を観察するタイプのＨＭＤについて説明したが、表示部１１を１個だけ備えて片眼で映像を観察するＨＭＤにも勿論、本発明の虚像観察光学系１を適用することができる。

（補足）
上述した虚像観察光学系１は、反射面を偏心配置することによって、物体面ＯＰからの光を観察瞳ＥＰに斜めに入射させているが、本発明は、このような構成に限定されるわけではない。光線と光学部材との干渉を避けることができるのであれば、物体面ＯＰからの光（特に中心画角主光線）が複数の反射面（例えば３面以上）を介して観察瞳ＥＰに対して垂直に入射する構成としてもよい。この場合でも、各反射面のパワー配置、形状、位置等を適切に設定することにより、本発明の効果を得ることができる。このような構成の虚像観察光学系１は、例えばＨＭＤに適用可能である。

上述した虚像観察光学系１は、唯一の対称面であるＹＺ面に対して対称な光学系となっているが、対称面を持たない（Ｘ方向に非対称の）光学系であってもよく、各反射面は対称面を持たない（Ｘ方向に非対称の）多項式曲面形状であってもよい。

本発明の虚像観察光学系は、例えばＨＵＤやＨＭＤに利用可能である。

１ 虚像観察光学系
Ｓ１ 面（反射面）
Ｓ２ 面（反射面）
Ｓ３ 面（反射面）
ＯＰ 物体面
ＥＰ 観察瞳

Claims (9)

1. 物体面から射出される光を観察瞳に導くことにより、前記観察瞳の位置で前記物体面の拡大虚像を観察者に観察させる虚像観察光学系において、
   前記物体面と前記観察瞳との間の光路中に、少なくとも２面の反射面を有しており、
   前記反射面は、前記観察瞳側から順に配置される、負のパワーを有する面Ｓ１と、正のパワーを有する面Ｓ２とを含み、
   前記面Ｓ２は、多項式曲面形状であり、かつ、前記観察瞳上の１点と前記物体面上の１点とを結ぶ全ての直線の集合で構成される領域の外側に位置しており、
   前記面Ｓ１は、前記観察瞳の中心と前記物体面の中心とを結ぶ直線と交わるように配置されていることを特徴とする虚像観察光学系。
2. 以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１に記載の虚像観察光学系；
   ２０°＜θ＜６５° ・・・（１）
   ただし、
   θ：物体面の中心と観察瞳の中心とを光学的に結ぶ軸上における、面Ｓ２に対する
   入射光線と反射光線とのなす角度
   である。
3. 前記面Ｓ１は、多項式曲面形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像観察光学系。
4. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の虚像観察光学系；
   ０．４＜Ｌ１／Ｌ２＜０．９ ・・・（２）
   ただし、
   Ｌ１：物体面の中心と面Ｓ１における光束入射領域の中心との距離
   Ｌ２：物体面の中心と面Ｓ２における光束入射領域の中心との距離
   である。
5. 前記面Ｓ１および前記面Ｓ２は、同一の面に対して対称な形状であることを特徴とする請求項４に記載の虚像観察光学系。
6. 以下の条件式（３）をさらに満足することを特徴とする請求項５に記載の虚像観察光学系；
   １．２＜Ｌ２／Ｄ２＜２．５ ・・・（３）
   ただし、
   Ｄ２：対称面内での面Ｓ２における光束入射領域の幅
   である。
7. 以下の条件式（４）をさらに満足することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の虚像観察光学系；
   ０．３＜Ｌ１／Ｆ１＜０．９ ・・・（４）
   ただし、
   Ｆ１：光学系の焦点距離
   である。
8. 前記物体面から前記観察瞳に向かう光路は、前記反射面によって前記物体面の短辺方向を含む断面内で折り曲げられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の虚像観察光学系。
9. 前記物体面の中心から射出され、前記反射面を介して前記観察瞳の中心に入射する光線は、前記観察瞳に対して斜めに入射することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の虚像観察光学系。

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