JP2012208193A - 偏心光学系、偏心光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置 - Google Patents
偏心光学系、偏心光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】本発明に係る偏心光学系は、画像表示素子の原画像の中間像を形成するリレー光学系と、その中間像を虚像として投影する接眼光学系を有する光学系であって、記接眼光学系は、相互に偏心した2面で構成され、前記2面の間を屈折率1以上の媒質で満たされた正のパワーを有する裏面鏡であり、リレー光学系は、少なくとも3面有し、前記少なくとも3面は相互に偏心して構成され、前記少なくとも3面で形成された内部を屈折率1以上の媒質で満たされたプリズム光学系であることを特徴としている。
【選択図】図3
Description
画像表示素子の原画像の中間像を形成するリレー光学系と、その中間像を観察者眼球に虚像として投影する接眼光学系を有する光学系において、
前記接眼光学系は、相互に偏心した2面で構成され、前記2面の間を屈折率1以上の媒質で満たされた正のパワーを有する裏面鏡であり、
前記リレー光学系は、少なくとも3面有し、前記少なくとも3面は相互に偏心して構成され、前記少なくとも3面で形成された内部を屈折率1以上の媒質で満たされたプリズム
光学系であることを特徴とするものである。
光軸105に対して非対称な像面湾曲を補正するために、裏面鏡108の上部の厚さを薄くし、下部になるに従って厚さが厚くなるようにしたために、非対称な像面湾曲が補正され、光軸105に対してほぼ対称な像面に変換する作用を持たせることができる。これにより、リレー光学系は比較的平坦な像面を画像表示素子に投影するだけですむので、リレー光学系の収差補正の負担が減り、小型のリレー光学系で構成することに成功したものである。
0.6 < ER/FRx < 5 ・・・・(1)
0.6 < ER/FRy < 5 ・・・・(2)
なる条件式を満足することが好ましい。ここで、上記条件式下限を越えると、裏面鏡108で反射した光線が極端に広がり、リレー光学系が大きくなってしまい、装置全体が大型のものになってしまう。条件式の上限を越えると、裏面鏡108で反射した光線が極端に広がってしまい、リレー光学系が大きくなってしまい、装置全体が大型のものになってしまう。
ER ≧ 30 ・・・・(3)
なる条件を満たして配置することが望ましい。
α> 40° ・・・・(4)
なる条件を満足することが望ましい。
この条件を満足すると、接眼光学系としての裏面鏡108で発生する像面の屈曲後の視軸に対する傾きと、裏面鏡108に斜めに光束が入射するために発生する複雑な非点収差の発生とにより、観察画角周辺まで明瞭な観察像を観察することができない。上記の収差を補正するためには、裏面鏡108で反射した光軸に対して、リレー光学系を構成する光学要素が傾いて配置することにより、裏面鏡108で発生する偏心収差に対して、リレー
光学系で補正することが可能となる。
偏心光学系は、画像表示素子から射出された光束に反射時にパワーを与える偏心曲面形状を有し、かつ、その偏心曲面の反射によって発生する偏心収差を補正するような回転非対称な面形状を有した反射面を備えているので、光路を折り曲げて構成することができ、リレー光学系を従来の軸対称な光学系を用いる場合に比較してコンパクトにすることができる。また、リレー光学系で中間像を収差補正して拡大させるので、裏面鏡のパワーを小さく保ったまま広画角を実現することができるものである。また、リレー光学系を構成する光学面が、偏心曲面形状を有しかつその偏心曲面の反射によって発生する偏心収差を補正するような回転非対称な面形状を有しているので、リレー光学系に偏心光学系を用いても収差補正が十分可能になる。
する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡では、軸上光線に対しても図9に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のX軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Y軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも1つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
Z=cr2 /[1+√{1−(1+k)c2r2 }]
65
+Σ Cj Xm Yn ・・・(a)
j=2
ここで、(a)式の第1項は球面項、第2項は自由曲面項である。
R:頂点の曲率半径
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2 )
である。
66
Σ Cj Xm Yn
j=2
=C1
+C2 X+C3 Y
+C4 X2 +C5 XY+C6 Y2
+C7 X3 +C8 X2 Y+C9 XY2 +C10Y3
+C11X4 +C12X3 Y+C13X2 Y2 +C14XY3 +C15Y4
+C16X5 +C17X4 Y+C18X3 Y2 +C19X2 Y3 +C20XY4
+C21Y5
+C22X6 +C23X5 Y+C24X4 Y2 +C25X3 Y3 +C26X2 Y4
+C27XY5 +C28Y6
+C29X7 +C30X6 Y+C31X5 Y2 +C32X4 Y3 +C33X3 Y4
+C34X2 Y5 +C35XY6 +C36Y7
・・・・・・
ただし、Cj (jは2以上の整数)は係数である。
、C14、C17、C19、C21、C23、C25、C27、C30、C32、C34、C36・・・の各項の係数を0にすることによって可能である。
プリズムの面のパワーを瞳位置に対して略対称的に配置することで、収差補正を良好に行うことができる。
することができる。
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。なお、データの記載されていない非球面に関する項は0である。
作用のみを有する第1面11を透過して自由曲面プリズム4から射出して、像面の位置に配置された画像表示素子3の表示面に到達して結像する。
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
1 ∞(ダミー面)
2 ∞(絞り面) 偏心(1)
3 非球面[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
4 非球面[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
5 非球面[1] 偏心(2)
6 FFS[1] 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[2] 偏心(5) 1.5254 56.2
8 FFS[3] 偏心(6) 1.5254 56.2
9 FFS[2] 偏心(5)
像 面 ∞ 偏心(7)
非球面[1]
曲率半径 1001.72
k -8.9463e+000
a -2.8719e-007 b 1.1477e-011 c -2.5182e-015
d 1.3967e-019
非球面[2]
曲率半径 -101.98
k -1.0053e+000
a -7.6692e-008 b -2.6006e-012 c 7.7137e-016
FFS[1]
C4 -8.1912e-004 C6 -2.4574e-002 C8 -1.0985e-003
C10 6.2016e-004 C11 1.8828e-005 C13 3.8065e-005
C15 -4.1559e-005 C17 -4.5723e-006 C19 -1.8374e-006
C21 1.8014e-006 C22 -5.2576e-009 C24 2.5927e-007
C26 6.4070e-008 C28 -3.1023e-008
FFS[2]
C4 -8.0395e-003 C6 -5.0653e-003 C8 -1.6821e-004
C10 1.0889e-004 C11 -5.5993e-006 C13 -9.2824e-007
C15 -5.8464e-006 C17 -3.4199e-007 C19 -1.8962e-007
C21 1.6875e-007 C22 -1.3475e-008 C24 2.8715e-008
C26 3.8422e-009 C28 -3.4084e-009
FFS[3]
C4 -1.1814e-002 C6 -1.1386e-002 C8 -7.9670e-005
C10 -8.3894e-005 C11 -1.2008e-006 C13 -3.2577e-006
C15 -2.8915e-006 C17 -3.9496e-009 C19 -4.7920e-008
C21 -4.2985e-008 C22 -5.0941e-010 C24 -4.3484e-010
C26 -1.1172e-009 C28 -5.9436e-010
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 25.65 Z 29.99
α 12.72 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y -35.64 Z 61.97
α -0.83 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y -69.40 Z -5.09
α 33.35 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y -81.36 Z -20.59
α 94.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
X 0.00 Y -74.64 Z -59.10
α 142.96 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
X 0.00 Y -98.88 Z -37.24
α 110.54 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
1 ∞(ダミー面)
2 ∞(絞り面) 偏心(1)
3 FFS[1] 偏心(2) 1.5163 64.1
4 FFS[2] 偏心(3) 1.5163 64.1
5 FFS[1] 偏心(2)
6 FFS[3] 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[4] 偏心(5) 1.5254 56.2
8 FFS[5] 偏心(6) 1.5254 56.2
9 FFS[6] 偏心(7)
像 面 ∞ 偏心(8)
FFS[1]
C4 1.3656e-003 C6 -3.7579e-003 C8 -1.6231e-004
C10 -2.1738e-006 C11 -1.9328e-006 C13 6.3271e-008
C15 6.8599e-009
FFS[2]
C4 -3.6787e-003 C6 -4.2794e-003 C8 -3.0982e-005
C10 -9.7644e-006 C11 -1.7001e-007 C13 -1.9999e-007
C15 -7.0890e-010 C17 -1.1382e-008 C19 9.2077e-009
C21 -1.1626e-009 C22 -1.3000e-010 C24 8.6659e-011
C26 -2.0018e-010 C28 5.0260e-013
FFS[3]
C4 9.0556e-003 C6 -7.2414e-004 C8 1.0574e-004
C10 3.7835e-004 C11 -2.1905e-005 C13 4.9268e-005
C15 -1.0807e-006 C17 -9.2193e-007 C19 1.1304e-006
C21 -2.6771e-007 C22 2.0025e-008 C24 2.5733e-008
C26 1.6169e-008 C28 -3.4938e-009
FFS[4]
C4 3.6094e-003 C6 -2.3148e-003 C8 -1.4798e-004
C10 -6.7902e-005 C11 1.3393e-007 C13 -1.1393e-006
C15 -2.5629e-006 C17 -2.1929e-008 C19 -9.4473e-008
C21 1.2612e-008 C22 -2.3678e-010 C24 -3.2177e-009
C26 -1.0939e-009 C28 -1.4717e-009
FFS[5]
C4 -6.2219e-003 C6 -8.6396e-003 C8 -3.0772e-005
C10 -4.3326e-005 C11 -4.4831e-008 C13 -8.6916e-007
C15 -1.2263e-006 C17 -1.1563e-008 C19 -1.5010e-008
C21 -1.8370e-008 C22 1.2767e-011 C24 4.1496e-010
C26 -1.5180e-010 C28 -2.1253e-010
FFS[6]
C4 3.6725e-002 C6 -2.3865e-003 C8 -3.9614e-004
C11 -2.5196e-004 C13 -5.4462e-004 C15 2.6807e-004
C17 4.9496e-005 C19 5.3563e-005 C21 -2.8008e-005
C22 -1.1100e-006 C24 -1.7486e-006 C26 -1.5762e-006
C28 8.3349e-007
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y -22.05 Z 45.00
α 0.29 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y -36.87 Z 66.00
α -3.10 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y -45.51 Z -20.97
α 66.52 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y -88.75 Z -21.92
α 75.64 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
X 0.00 Y -62.14 Z -52.34
α 142.46 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
X 0.00 Y -76.99 Z 3.61
α 144.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[8]
X 0.00 Y -81.23 Z 4.73
α 143.99 β 0.00 γ 0.00
FRy[mm] 13.3 48.5
FRx[mm] 23.1 21.7
ER/FRy(条件式(1)) 2.71 0.887
ER/FRx(条件式(2)) 1.56 1.98
ER[mm] (条件式(3)) 36.0 43.04
α [°] (条件式(4)) 49.6 47.1
る前フレーム32、後フレーム33と、後フレーム33の他端に挟まれるように自らの両端を一方ずつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム34とから構成されている。一方、図11に示される両眼タイプのものは、両眼前方に保持される表示装置本体部31R、31Lをそれぞれ、前方フレーム32、後フレーム33を介して頭頂フレーム34にて支持することで、観察者に対して固定配置している。
2…軸上主光線
3…画像表示素子
4…自由曲面プリズム
5…接眼光学系
51…凹面透過面
52…凹面反射面
6…中間像面
11…第1面
12…第2面
13…第3面
14…第4面
21…第1面
22…第2面
23…第3面
31…本体
32…前フレーム
33…後フレーム
34…頭頂フレーム
35…リヤプレート
36…リヤカバー
40…ビデオ再生装置
41…ケーブル
101…観察者眼球
102…観察者虹彩位置
103…凹面鏡
104…観察者視軸
105…凹面鏡によって屈曲した光軸
106…凹面鏡による中間像面
107…射出瞳位置
108…裏面鏡
Claims (14)
- 画像表示素子の原画像の中間像を形成するリレー光学系と、その中間像を虚像として投影する接眼光学系を有する光学系において、
前記接眼光学系は、相互に偏心した2面で構成され、前記2面の間を屈折率1以上の媒質で満たされた正のパワーを有する裏面鏡であり、
前記リレー光学系は、少なくとも3面有し、前記少なくとも3面は相互に偏心して構成され、前記少なくとも3面で形成された内部を屈折率1以上の媒質で満たされたプリズム光学系であることを特徴とする
偏心光学系。 - 前記接眼光学系を構成する2面のうち少なくとも1面は非球面であることを特徴とする
請求項1に記載の偏心光学系。 - 前記接眼光学系を構成する2面のうち少なくとも1面は回転非対称面であることを特徴とする
請求項1または請求項2に記載の偏心光学系。 - 下記条件式(1)、(2)を満足することを特徴とする
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の偏心光学系。
0.6 < ER/FRx < 5 ・・・・(1)
0.6 < ER/FRy < 5 ・・・・(2)
ただし、
FRx:裏面鏡のX−Z面内の焦点距離
FRy;裏面鏡のY−Z面内の焦点距離
ER: 裏面鏡と観察者虹彩位置までの軸上主光線に沿った距離、である。 - 下記条件式(3)を満足することを特徴とする
ER ≧ 30 ・・・・(3)
請求項1から請求項4の何れか1項に記載の偏心光学系。
ただし、
ER:裏面鏡と観察者虹彩位置までの軸上主光線に沿った距離、である。 - 下記条件式(4)を満足することを特徴とする
α> 40° ・・・・(4)
請求項1から請求項5の何れか1項に記載の偏心光学系。
ただし、
α:裏面鏡における観察者視軸の屈曲角、である。 - 前記接眼光学系は、前記画像表示素子側の厚さがより厚い形状を有する裏面鏡であることを特徴とする
請求項1から請求項6の何れか1項に記載の偏心光学系。 - 前記リレー光学系を構成する少なくとも3面のうち、少なくとも2面は回転非対称面であることを特徴とする
請求項1から請求項7の何れか1項に記載の偏心光学系。 - 前記リレー光学系を構成する少なくとも3面のうち、少なくとも2面は自由曲面であることを特徴とする
請求項1から請求項7の何れか1項に記載の偏心光学系。 - 前記リレー光学系は、回転非対称面であり、相互に偏心した少なくとも3面で形成された内部を屈折率1以上の媒質で満たされたプリズム光学系であることを特徴とする
請求項1から請求項9の何れか1項に記載の偏心光学系。 - 前記リレー光学系は、回転非対称面であり、相互に偏心した少なくとも4面で形成された内部を屈折率1以上の媒質で満たされたプリズム光学系であることを特徴とする
請求項1から請求項9の何れか1項に記載の偏心光学系。 - 請求項1から請求項11の何れか1項に記載の偏心光学系を有し、
前記リレー光学系に対向して前記画像表示素子を配備し、
前記接眼光学系に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に対して拡大された虚像を呈示することを特徴とする
画像表示装置。 - 前記偏心光学系の像面に画像表示素子を配備し、
前記偏心光学系の射出瞳位置に観察者瞳孔を配備することを特徴とする
請求項12に記載の画像表示装置。 - 請求項1から請求項11の何れか1項に記載の偏心光学系を有し、
前記リレー光学系に対向して撮像素子を配備し、
前記接眼光学系に対向した瞳位置に開口絞りを配備し、
外界像を撮像することを特徴とする
撮像装置。
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