JP2014122941A - Optical element and observation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element having both projection optical function and imaging optical function.SOLUTION: The optical element having a projection optical function for projecting an original image displayed on an image display surface onto eye balls of an observer includes: at least four optical surfaces arranged eccentrically to each other, at least two of the four surfaces having rotationally asymmetric faces; and an imaging optical function for emitting light reflected on the optical surfaces from the optical element and forming an image on an imaging surface, the optical surfaces from among the four surfaces, opposite to the image display surface, and having two actions of transmission and reflection.

Description

本発明は、偏心光学系である光学素子とその光学素子を用いた観察装置に関するものである。   The present invention relates to an optical element which is a decentered optical system and an observation apparatus using the optical element.

従来、小型画像表示素子を用い、これらの表示素子の原画像を観察光学系によって拡大して観察者に呈示する観察装置が知られている。このような観察装置で像を観察するには、観察光学系の射出瞳と観察者の眼球の瞳孔に重なるようにしなければならない。また、射出瞳中心から離れると、瞳収差のために歪んだ見づらい画像を呈示することにもなる。観察者の頭部が多少動いたとしても、観察者の瞳孔位置と観察光学系の射出瞳中心ができるだけ一致していることが、高解像で呈示できる光学系が求められる。   2. Description of the Related Art Conventionally, an observation apparatus that uses small image display elements and enlarges an original image of these display elements with an observation optical system and presents it to an observer is known. In order to observe an image with such an observation apparatus, it is necessary to overlap the exit pupil of the observation optical system and the pupil of the observer's eyeball. Further, when the distance from the exit pupil center is reached, an image that is distorted due to pupil aberration and is difficult to view is also presented. There is a demand for an optical system capable of presenting with high resolution that the pupil position of the observer and the exit pupil center of the observation optical system match as much as possible even if the observer's head moves slightly.

このような要求を満たすための手段として、投影する光学系の射出瞳を拡散板で拡大する方法(特許文献1)、観察者眼球近傍を撮影して観察者の視線に追従して観察光学系射出瞳に投影する光学系(特許文献2〜6)などが開示されている。   As a means for satisfying such a requirement, a method of enlarging the exit pupil of the optical system to be projected with a diffusion plate (Patent Document 1), photographing the vicinity of the observer's eyeball and following the observer's line of sight, the observation optical system An optical system (Patent Documents 2 to 6) that projects onto an exit pupil is disclosed.

特開2004−301876号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-301876 特開2006−53321号公報JP 2006-53321 A 特開平10−179521号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-179521 特開2008−46253号公報JP 2008-46253 A 特開2008−241822号公報JP 2008-241822 A 特許4040730号公報Japanese Patent No. 4040730

特許文献1は、瞳を拡大するために拡散ホログラムを用いるが、大きな光学素子が必要であり、コスト高につながる。特許文献2〜5は画像を表示させる光学系の他に、観察者の瞳を撮像する手段を準備しなければならず、装置全体が大型化してしまう。特許文献6はシースルー用光学部材の中に撮像光学系を形成しているが、部分的にシースルー像の透過率が変化する、または部分的に見えない部分が生じる恐れがある。   Although Patent Document 1 uses a diffusion hologram to enlarge the pupil, a large optical element is required, leading to high costs. In Patent Documents 2 to 5, in addition to the optical system for displaying an image, means for imaging the observer's pupil must be prepared, and the entire apparatus becomes large. In Patent Document 6, the imaging optical system is formed in the see-through optical member. However, the transmittance of the see-through image may partially change, or a part that cannot be partially seen may occur.

本発明の課題は、構成する光学素子が1個でありながら、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影すると同時に、観察者の眼球近傍を撮像することが可能な光学素子を提供することを目的としている。さらに、画像表示素子に対向する面を半透過面とし、反射した光は撮像素子上に結像するようにすることで、観察者の眼球近傍を撮影可能としている。そして、撮影された画像を用いて観察者の瞳孔に常に光学素子が形成する射出瞳内に入るように追尾することで、高い解像力で安定した観察像を呈示する光学素子を提供するところにある。   An object of the present invention is to provide an optical element capable of projecting an image of an image display element as a virtual image onto an observer's eyeball while simultaneously imaging the vicinity of the eyeball of the observer, even though the number of optical elements is one. The purpose is that. Furthermore, the surface facing the image display element is a semi-transmissive surface, and the reflected light is imaged on the image sensor, so that the vicinity of the observer's eyeball can be photographed. The present invention provides an optical element that presents a stable observation image with high resolving power by tracking the captured image so that it always enters the exit pupil formed by the optical element in the pupil of the observer. .

上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子は、
画像表示面に表示される原画像を観察者眼球に投影する投影光学機能を備えた光学素子において、
前記光学素子は、少なくとも4面の光学面を有し、少なくとも4面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも2面は回転非対称な形状を有する面を有し、
前記少なくとも4面の光学面のうち、前記画像表示面に対向した光学面は、透過と反射の2つの作用を有し、かつ、その光学面で反射した光は前記光学素子から射出して撮像面に結像する撮像光学機能を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the optical element according to the present invention is:
In an optical element having a projection optical function of projecting an original image displayed on an image display surface onto an observer's eyeball,
The optical element has at least four optical surfaces, the at least four optical surfaces are arranged eccentric to each other, and at least two surfaces have a rotationally asymmetric shape,
Of the at least four optical surfaces, the optical surface facing the image display surface has two functions of transmission and reflection, and the light reflected by the optical surface is emitted from the optical element and imaged. An imaging optical function for forming an image on a surface is provided.

本発明によれば、構成する光学素子が1個でありながら、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影する投影光学機能を有すると同時に、観察者の眼球近傍を撮像する撮像光学機能を有する光学素子を提供することが可能となる。   According to the present invention, while having a single optical element, it has a projection optical function for projecting the image of the image display element as a virtual image onto the observer's eyeball, and at the same time, an imaging optical function for imaging the vicinity of the eyeball of the observer It is possible to provide an optical element having

本発明の実施形態に係る観察装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the observation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る観察装置(投影光学機能)の構成を示す図The figure which shows the structure of the observation apparatus (projection optical function) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る観察装置(撮像光学機能)の構成を示す図The figure which shows the structure of the observation apparatus (imaging optical function) which concerns on embodiment of this invention. 偏心配置の凹面鏡により発生する像面湾曲を説明するための図The figure for demonstrating the curvature of field which generate | occur | produces with the concave mirror of eccentric arrangement | positioning 偏心配置の凹面鏡により発生する非点収差を説明するための図Diagram for explaining astigmatism generated by a decentered concave mirror 偏心配置の凹面鏡により発生する軸上コマ収差を説明するための図Diagram for explaining on-axis coma generated by a decentered concave mirror 本発明の実施形態に係る光学素子(投影光学機能)のスポットダイアグラムを示す図The figure which shows the spot diagram of the optical element (projection optical function) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る光学素子(撮像光学機能)のスポットダイアグラムを示す図The figure which shows the spot diagram of the optical element (imaging optical function) which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施形態に係る光学素子(投影光学機能)のディストーションマップを示す図The figure which shows the distortion map of the optical element (projection optical function) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る光学素子(撮像光学機能)のディストーションマップを示す図The figure which shows the distortion map of the optical element (imaging optical function) which concerns on embodiment of this invention.

本発明に係る光学素子は、少なくとも4面の光学面を有し、少なくとも4面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも2面は回転非対称な形状を有する面を有し、少なくとも4面の光学面のうち、画像表示素子に対向した光学面は、透過と反射の2つの作用を有し、かつその光学面で反射した光は光学素子から射出して撮像面に結像することを特徴としている。   The optical element according to the present invention has at least four optical surfaces, the at least four optical surfaces are arranged eccentric to each other, and at least two surfaces have a rotationally asymmetric shape, Of the at least four optical surfaces, the optical surface facing the image display element has two functions of transmission and reflection, and the light reflected by the optical surface is emitted from the optical element and forms an image on the imaging surface. It is characterized by doing.

このような光学素子を用いることによって画像表示素子の映像を観察者眼球に投影することによって、拡大された虚像を呈示すること(投影光学機能)ができる。さらに、投影するだけではなく、画像表示素子の原画像を射出する面の下側に位置する開口絞りから観察者眼球近傍を撮影すること(撮像光学機能)が可能となる。   By using such an optical element, it is possible to present an enlarged virtual image (projection optical function) by projecting the image of the image display element onto the observer's eyeball. Furthermore, not only the projection but also the vicinity of the observer's eyeball can be imaged (imaging optical function) from the aperture stop located below the surface on which the original image of the image display element is emitted.

このように、各光学面が偏心して配置された光学素子を使用することで、発生する光軸に対して非対称な収差を補正することが可能である。以下に図を用いて詳細に説明する。図1には、本発明に係る光学素子2について、画像表示素子と撮像素子を含んで構成された観察装置の構成を示したものである。   In this way, by using optical elements in which the optical surfaces are decentered, it is possible to correct asymmetrical aberrations with respect to the generated optical axis. This will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of an observation apparatus configured to include an image display element and an imaging element for the optical element 2 according to the present invention.

図1において、観察者眼球を1、観察者視軸を1a、光学素子を2、光学素子2の射出瞳を3、光学素子2の入射瞳を4、撮像素子を5、画像表示素子を6、光学素子2の第1面(透過及び内部反射面)を21、第2面(投影用反射面)を22、第3面(撮像用反射面)を23、第4面(反射透過面)を24、第5面(撮像用射出面)を25で示す。光学素子2は、第1面21〜第5面25の光学面の間を、屈折率が1より大きい透明媒質で埋めた偏心プリズムで形成されている。なお、本実施例の光学素子2は、5面で形成した形態であるが、第2面22と第3面23を連続した1つの面で形成することで、光学素子2を4面で形成する形態とすることも可能である。   In FIG. 1, the observer eyeball is 1, the observer visual axis is 1a, the optical element is 2, the exit pupil of the optical element 2 is 3, the entrance pupil of the optical element 2 is 4, the imaging element is 5, and the image display element is 6 The first surface (transmission and internal reflection surface) of the optical element 2 is 21, the second surface (projection reflection surface) is 22, the third surface (imaging reflection surface) is 23, and the fourth surface (reflection / transmission surface). 24, and the fifth surface (imaging exit surface) is 25. The optical element 2 is formed of an eccentric prism in which the optical surfaces of the first surface 21 to the fifth surface 25 are filled with a transparent medium having a refractive index greater than 1. In addition, although the optical element 2 of a present Example is a form formed with 5 surfaces, the optical element 2 is formed with 4 surfaces by forming the 2nd surface 22 and the 3rd surface 23 by one continuous surface. It is also possible to adopt a form.

図1に示す光学素子2は、画像表示素子6から光学素子2を経て観察者眼球1に原画像を投影する投影光学機能と、観察者眼球1で反射した光を光学素子2を経て撮像素子5にて結像させる撮像光学機能を兼ね備えている。   The optical element 2 shown in FIG. 1 has a projection optical function for projecting an original image from the image display element 6 through the optical element 2 to the observer's eyeball 1 and the light reflected by the observer's eyeball 1 through the optical element 2 and the imaging element. 5 also has an imaging optical function to form an image.

画像表示素子6はアスペクト比が3:4、表示面の大きさは1.2インチ、観察者眼球1の位置での瞳径は6mm。撮像素子は2/3インチを想定しており、開口絞り3mm光線を示している図である。   The image display element 6 has an aspect ratio of 3: 4, a display surface size of 1.2 inches, and a pupil diameter at the position of the observer eyeball 1 is 6 mm. The image pickup device is assumed to be 2/3 inch, and is a diagram showing an aperture stop 3 mm ray.

先ず、光学素子2における虚像観察の投影光学機能に関して説明する。画像表示素子6から発した光は、光学素子2の第4面24から光学素子2を構成する偏心プリズム内部に入射し、第1面21で内部反射して第2面22に向かう。第1面21に対した入射光は臨界角以上の入射角を有している場合には全反射条件を満たすため、第1面21は反射コーティングを施す必要がない。また、観察者の眼球へ射出する面でもあるため、反射コーティングはしないことが望ましい。第2面22は裏面反射面とするために、たとえばアルミなどの金属コーティングを施されている。第2面22で内部反射をした後は、再び第1面21に向かい、第1面21を透過して光学素子2から射出して観察者眼球1に入射する。光学素子2の射出瞳3は観察者瞳孔位置の近傍に形成されており、画像表示素子6の画面から射出した略全ての光は、観察者眼球1内に導かれるため、画面全体を拡大された虚像として観察することが可能となる。   First, the projection optical function of virtual image observation in the optical element 2 will be described. Light emitted from the image display element 6 enters the decentered prism constituting the optical element 2 from the fourth surface 24 of the optical element 2, and is internally reflected by the first surface 21 toward the second surface 22. When the incident light with respect to the first surface 21 has an incident angle greater than the critical angle, the total reflection condition is satisfied, and therefore the first surface 21 does not need to be provided with a reflective coating. Moreover, since it is also a surface which inject | emits to an observer's eyeball, it is desirable not to carry out reflective coating. The second surface 22 is provided with a metal coating such as aluminum so as to be a back reflecting surface. After internal reflection at the second surface 22, the light travels toward the first surface 21 again, passes through the first surface 21, exits from the optical element 2, and enters the observer's eyeball 1. The exit pupil 3 of the optical element 2 is formed in the vicinity of the observer pupil position, and almost all the light emitted from the screen of the image display element 6 is guided into the observer eyeball 1, so that the entire screen is enlarged. It can be observed as a virtual image.

ここで、光学素子2をこのような偏心光学系、特に、内部反射の偏心プリズムで構成することのメリットについて説明する。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。   Here, the merit of configuring the optical element 2 with such a decentered optical system, in particular, an internally reflecting decentered prism will be described. A refractive optical element such as a lens can be given power only by giving a curvature to its boundary surface. For this reason, when light rays are refracted at the boundary surface of the lens, the occurrence of chromatic aberration due to the chromatic dispersion characteristics of the refractive optical element is inevitable. As a result, another refractive optical element is generally added for the purpose of correcting chromatic aberration.

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, reflective optical elements such as mirrors and prisms do not generate chromatic aberration in principle even if power is given to their reflecting surfaces, and it is necessary to add another optical element only for the purpose of correcting chromatic aberration. There is no. Therefore, the optical system using the reflective optical element can reduce the number of constituent elements of the optical element from the viewpoint of chromatic aberration correction, compared to the optical system using the refractive optical element.

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。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。   At the same time, since the reflection optical system using the reflection optical element folds the optical path, the optical system itself can be made smaller than the refractive optical system. Moreover, since the reflecting surface has a higher eccentricity error sensitivity than the refracting surface, high accuracy is required for assembly adjustment.

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。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。   However, among the reflective optical elements, since the relative positional relationship between the prisms is fixed, it is only necessary to control the eccentricity of the prism alone, and unnecessary assembly accuracy and adjustment man-hours are unnecessary. Furthermore, the prism has an entrance surface and an exit surface, which are refracting surfaces, and a reflecting surface, and has a greater degree of freedom in aberration correction than a mirror having only a reflecting surface. In particular, by sharing most of the desired power to the reflecting surface and reducing the power of the entrance surface and exit surface, which are refracting surfaces, the degree of freedom of aberration correction can be kept large compared to mirrors, etc. Compared with such a refractive optical element, the occurrence of chromatic aberration can be made very small.

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、光学素子の薄型化、小型化が可能である。また、観察光学系では、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。   In addition, since the inside of the prism is filled with a transparent body having a refractive index higher than that of air, the optical path length can be made longer than that of air. Thinning and miniaturization are possible. Further, the observation optical system is required to have good imaging performance to the periphery as well as the center performance.

そこで、本発明では、上記のように、光学素子2は1個の偏心プリズムを用いて、少な
くとも、画像表示素子6から射出された像光をプリズム内に入射させる第4面24、その第4面24から入射した光束を内部反射及び射出させる第1面21、第1面21で反射した光束を内部反射させる第2面22で構成し、それらの光学面のうち少なくとも2面の光学面には、光束に光学的パワーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状に構成することにより、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している。
Therefore, in the present invention, as described above, the optical element 2 uses one decentered prism, and at least the fourth surface 24 on which the image light emitted from the image display element 6 enters the prism, the fourth surface 24 thereof. A first surface 21 that internally reflects and emits a light beam incident from the surface 24, and a second surface 22 that internally reflects a light beam reflected by the first surface 21, and includes at least two of the optical surfaces. Is configured to have a rotationally asymmetric curved surface shape that gives optical power to the light flux and corrects decentration aberrations, so that not only the center but also off-axis aberrations can be corrected well.

このような光学素子2の基本構成を採用することで、屈折光学系あるいは回転対称な結像光学系を用いた光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の画像表示装置を得ることが可能となる。ここで、画像表示素子6の表示面の中心から眼前の拡散面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、プリズムの少なくとも1つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対し偏心させることも当然可能である。   By adopting such a basic configuration of the optical element 2, the number of optical elements is less than that of an optical system using a refractive optical system or a rotationally symmetric imaging optical system, and the performance is good from the center to the periphery. A small image display device can be obtained. Here, when a light ray that reaches the center of the diffusion surface in front of the eye from the center of the display surface of the image display element 6 is an axial principal ray, at least one reflecting surface of the prism is not decentered with respect to the axial principal ray. Then, the incident light of the axial chief ray and the reflected light take the same optical path, and the axial chief ray is blocked in the optical system. As a result, an image is formed only with a light beam whose central portion is shielded from light, and the center becomes dark or no image is formed at the center. It is also possible to decenter the reflecting surface with power with respect to the axial principal ray.

上記したように、本実施形態においては、光学素子2(投影光学機能)としての偏心プリズムを構成する反射面の面形状として、光束に光学的パワーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状に構成している。このような面形状は偏心収差を補正する上で好ましい。その理由を以下に詳述する。   As described above, in this embodiment, the surface shape of the reflecting surface constituting the decentered prism as the optical element 2 (projection optical function) is a rotationally asymmetric curved surface that gives optical power to the light beam and corrects decentration aberrations. It has a shape. Such a surface shape is preferable for correcting decentration aberrations. The reason will be described in detail below.

まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。光学系の絞り位置の中心を座標原点としている。絞り中心から紙面上右側を正として水平軸をZ軸とし、そのZ軸と直交し、かつ、撮像光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、Z軸と直交し、かつ、Y軸と直交する軸をX軸とする。光線の追跡方向は、像面である拡散面から物体面である画像表示素子からに向かう逆光線追跡で説明する。   First, the coordinate system used and the rotationally asymmetric surface will be described. The center of the aperture position of the optical system is the coordinate origin. The right side of the drawing from the center of the aperture is positive, the horizontal axis is the Z axis, the axis is orthogonal to the Z axis, and the axis within the eccentric surface of each surface constituting the imaging optical system is defined as the Y axis. In addition, an axis orthogonal to the Y axis is taken as an X axis. The ray tracing direction will be described by back ray tracing from a diffusion surface as an image plane to an image display element as an object plane.

一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。   In general, in a spherical lens system composed only of spherical lenses, spherical aberration generated by the spherical surface, coma aberration, curvature of field, and other aberrations are corrected for each other on several surfaces, so that the overall aberration is reduced. It has become. On the other hand, a rotationally symmetric aspherical surface or the like is used to satisfactorily correct aberrations with a small number of surfaces. This is to reduce various aberrations that occur on the spherical surface. However, in a decentered optical system, it is impossible to correct rotationally asymmetric aberration caused by the decentration with a rotationally symmetric optical system. The rotationally asymmetric aberration generated by this decentration includes distortion, curvature of field, astigmatism generated on the axis, and coma.

まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図4に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。   First, rotationally asymmetric field curvature will be described. For example, a light ray incident on a concave mirror decentered from an object point at infinity is reflected and imaged by hitting the concave mirror. It becomes half the radius of curvature of the part hit. Then, as shown in FIG. 4, an image plane tilted with respect to the axial principal ray is formed. Thus, it is impossible to correct rotationally asymmetric field curvature with a rotationally symmetric optical system.

この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡自身で補正するには、凹面鏡を回転非対称な面で構成し、この例ではY軸正の方向に対して曲率を強く(屈折力を強く)し、Y軸負の方向に対して曲率を弱く(屈折力を弱く)すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡とは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。   To correct this tilted field curvature with the concave mirror itself, which is the source, the concave mirror is composed of a rotationally asymmetric surface, and in this example, the curvature is strong (refractive power is strong) with respect to the positive Y-axis direction. If the curvature is weak (refractive power is weak) with respect to the negative direction of the Y axis, the correction can be made. Further, by arranging a rotationally asymmetric surface having the same effect as the above configuration in the optical system separately from the concave mirror, a flat image surface can be obtained with a small number of components. In addition, the rotationally asymmetric surface preferably has a rotationally asymmetric surface shape that does not have a rotationally symmetric axis both in and out of the surface.

次に、回転非対称な非点収差について説明する。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5に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のX軸方向の曲率とY軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
Next, rotationally asymmetric astigmatism will be described. As in the above description, in the concave mirror arranged eccentrically, astigmatism as shown in FIG. In order to correct this astigmatism, it is possible to appropriately change the curvature in the X-axis direction and the curvature in the Y-axis direction of the rotationally asymmetric surface as in the above description.

さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。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6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。   Further, rotationally asymmetric coma will be described. Similar to the above description, in the concave mirror arranged eccentrically, coma aberration as shown in FIG. In order to correct this coma, it is possible to change the inclination of the surface as it moves away from the origin of the X axis of the rotationally asymmetric surface and to change the inclination of the surface appropriately depending on whether the Y axis is positive or negative. In the imaging optical system of the present invention, it is possible to adopt a configuration in which at least one surface having the reflecting action described above is decentered with respect to the axial principal ray and has a rotationally asymmetric surface shape and power. By adopting such a configuration, it becomes possible to correct the decentration aberration generated by giving power to the reflecting surface by the surface itself, and by reducing the power of the refracting surface of the prism, the occurrence of chromatic aberration can be suppressed. Can be small.

また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を1面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式(a)で定義されるものである。なお、その定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。
Z=cr2/[1+√{1−(1+k)c22 }]
66
+Σ Cj Xmn
j=2
・・・(a)
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。
球面項中、
c:頂点の曲率
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2
である。
自由曲面項は、
66
Σ Cj Xmn
j=2
=C1
+C2 X+C3 Y
+C4 X2 +C5 XY+C6 Y2
+C7 X3 +C8 X2 Y+C9 XY2 +C10Y3
+C11X4 +C12X3 Y+C13X22 +C14XY3 +C15Y4
+C16X5 +C17X4 Y+C18X32 +C19X23 +C20XY4
+C21Y5
+C22X6 +C23X5 Y+C24X42 +C25X33 +C26X24
+C27XY5 +C28Y6
+C29X7 +C30X6 Y+C31X52 +C32X43 +C33X34
+C34X25 +C35XY6 +C36Y7
・・・・・・(1)
ただし、Cj(jは2以上の整数)は係数である。
The rotationally asymmetric surface used in the present invention is preferably a plane-symmetric free-form surface having only one plane of symmetry. Here, the free-form surface used in the present invention is defined by the following formula (a). Note that the Z axis of the defining formula is the axis of the free-form surface.
Z = cr 2 / [1 + √ {1- (1 + k) c 2 r 2 }]
66
+ Σ Cj X m Y n
j = 2
... (a)
Here, the first term of the equation (a) is a spherical term, and the second term is a free-form surface term.
In the spherical term,
c: curvature of vertex k: conic constant (conical constant)
r = √ (X 2 + Y 2 )
It is.
The free-form surface term is
66
Σ Cj X m Y n
j = 2
= C1
+ C2 X + C3 Y
+ C4 X 2 + C5 XY + C6 Y 2
+ C7 X 3 + C8 X 2 Y + C9 XY 2 + C10Y 3
+ C11X 4 + C12X 3 Y + C13X 2 Y 2 + C14XY 3 + C15Y 4
+ C16X 5 + C17X 4 Y + C18X 3 Y 2 + C19X 2 Y 3 + C20XY 4
+ C21Y 5
+ C22X 6 + C23X 5 Y + C24X 4 Y 2 + C25X 3 Y 3 + C26X 2 Y 4
+ C27XY 5 + C28Y 6
+ C29X 7 + C30X 6 Y + C31X 5 Y 2 + C32X 4 Y 3 + C33X 3 Y 4
+ C34X 2 Y 5 + C35XY 6 + C36Y 7
(1)
However, Cj (j is an integer of 2 or more) is a coefficient.

上記自由曲面は、一般的には、X−Z面、Y−Z面共に対称面を持つことはないが、本発明ではXの奇数次項を全て0にすることによって、Y−Z面と平行な対称面が1つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式(a)においては、C2、C5、C7、C9、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35・・・の各
項の係数を0にすることによって可能である。また、Yの奇数次項を全て0にすることによって、X−Z面と平行な対称面が1つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、C3、C5、C8、C10、C12、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。
In general, the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane. However, in the present invention, by setting all odd-order terms of X to 0, the free-form surface is parallel to the YZ plane. This is a free-form surface with only one symmetrical plane. For example, in the above definition (a), the coefficients of the terms C2, C5, C7, C9, C12, C14, C16, C18, C20, C23, C25, C27, C29, C31, C33, C35. It is possible by setting 0 to 0. Further, by setting all odd-numbered terms of Y to 0, a free-form surface having only one symmetry plane parallel to the XZ plane is obtained. For example, in the above definition formula, the coefficient of each term of C3, C5, C8, C10, C12, C14, C17, C19, C21, C23, C25, C27, C30, C32, C34, C36. Is possible.

また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Y−Z面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はY軸方向に、X−Z面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はX軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。   Further, any one of the directions of the symmetry plane is set as a symmetry plane, and the eccentricity in the corresponding direction, for example, the eccentric direction of the optical system with respect to the symmetry plane parallel to the YZ plane is in the Y-axis direction, XZ By making the decentering direction of the optical system parallel to the plane parallel to the X-axis direction, it is possible to improve the manufacturability at the same time while effectively correcting the rotationally asymmetric aberration caused by the decentering. Become.

また、上記定義式(a)は、前述のように1つの例として示したものであり、本発明は、対称面を1面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。   The definition formula (a) is shown as an example as described above, and the present invention uses a rotationally asymmetric aberration caused by decentering by using a rotationally asymmetric surface having only one symmetric surface. It is a feature that the manufacturing efficiency is improved at the same time, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other defining formula.

また、光学素子2の第1面21は画像表示素子からの光束を射出する透過面であると共に、第4面24から入射された光束を内部反射する反射面となっている。このような構成により、偏心プリズムの第1面21は1面で2つの作用を有するため、小型薄型にすることが可能となる。また、第1面21の光束が射出される部分では全反射するように、第1面21に入射する角度を臨界角以上に設定されていることが望ましいのだが、第1面21の射出領域ではない部分では臨界角以下にすることもできる。その場合,第1面21の全反射条件を満たさない反射領域に反射コーティングを施すことで画面全体を観察することが可能となる。   The first surface 21 of the optical element 2 is a transmission surface that emits a light beam from the image display element, and a reflection surface that internally reflects the light beam incident from the fourth surface 24. With such a configuration, the first surface 21 of the decentered prism has two functions on one surface, and thus can be made small and thin. In addition, it is desirable that the angle of incidence on the first surface 21 is set to be greater than the critical angle so that the first surface 21 is totally reflected at the portion where the light beam is emitted. It is possible to make the angle less than the critical angle in the part that is not. In that case, it is possible to observe the entire screen by applying a reflective coating to the reflective region that does not satisfy the total reflection condition of the first surface 21.

次に、光学素子2において観察者眼球近傍を撮影する撮像光学機能に関して説明する。観察者眼球近傍を照明するための照明手段(図示せず)によって、眼球近傍が明るく照明される。本実施形態では、可視域よりも長波長の赤外光(近赤外光を含む)を用いている。観察者眼球近傍から射出した光は、光学素子2の第1面21から光学素子2を構成する偏心プリズム内に入射される。その際に、光学素子2の投影光学機能における射出瞳と、光学素子2(撮像光学機能)の開口絞りは、両者のエリアが重ならないことが望ましい。したがって、光学素子2(撮像光学機能)入射する軸上主光線は、光学素子2の投影光学機能におけるの軸上主光線に対して傾いて設定されることが望ましい。本実施形態においては25度傾いて設定されている。   Next, an imaging optical function for photographing the vicinity of the observer's eyeball with the optical element 2 will be described. The vicinity of the eyeball is illuminated brightly by illumination means (not shown) for illuminating the vicinity of the observer's eyeball. In the present embodiment, infrared light (including near infrared light) having a wavelength longer than that in the visible range is used. The light emitted from the vicinity of the observer's eyeball enters the decentered prism constituting the optical element 2 from the first surface 21 of the optical element 2. At that time, it is desirable that the exit pupil in the projection optical function of the optical element 2 and the aperture stop of the optical element 2 (imaging optical function) do not overlap with each other. Therefore, it is desirable that the axial principal ray incident on the optical element 2 (imaging optical function) is set to be inclined with respect to the axial principal ray in the projection optical function of the optical element 2. In this embodiment, it is set to be inclined by 25 degrees.

その後、光学素子2の投影光学機能にて使用した第2面22に隣接する第3面23で内部反射し、再び第1面21に戻ることになる。その際、第1面21での入射角は臨界角以上に設定されているため、反射コーティングを施していなくても全反射にて内部反射することになる。   Thereafter, the light is internally reflected by the third surface 23 adjacent to the second surface 22 used in the projection optical function of the optical element 2 and returns to the first surface 21 again. At this time, since the incident angle on the first surface 21 is set to be equal to or larger than the critical angle, the internal reflection is caused by the total reflection even if the reflective coating is not applied.

その後、第4面24では内部反射をする。第4面24は、投影光学機能の光学面として作用するときは透過面であり、撮像光学機能の光学面として作用するときは反射面であればよい。したがって、ハーフミラー等でもその要件を満たすことが可能であるが、赤外光のみに対して反射率を有するようなダイクロイックミラーコーティングを施していると、赤外光で照明した部分の物体光のみが第4面24で反射されることになる。したがって、投影光学機能で用いる光の波長に対しては反射しないため、原理的には透過面の作用を100%利用できることになる。   Thereafter, the fourth surface 24 performs internal reflection. The fourth surface 24 may be a transmission surface when acting as an optical surface of the projection optical function, and may be a reflection surface when acting as an optical surface of the imaging optical function. Therefore, it is possible to satisfy the requirements even with half mirrors, but if dichroic mirror coating that has reflectivity only for infrared light is applied, only the object light in the part illuminated with infrared light Is reflected by the fourth surface 24. Therefore, since it does not reflect the wavelength of light used in the projection optical function, in principle, 100% of the action of the transmission surface can be used.

その後、第5面25を透過して撮像素子5(撮像面)に到達し、観察者眼球近傍を撮影することが可能となる。本実施形態では照明手段として赤外光(近赤外光を含む)を使用しているため、撮像素子5には、赤外光に感受率を有する2次元のイメージセンサを用い
ている。このような構成にて、観察者が観察する原画像に対する影響を抑えることが可能となる。
Thereafter, the light passes through the fifth surface 25 and reaches the imaging device 5 (imaging surface), so that the vicinity of the observer's eyeball can be photographed. In this embodiment, since infrared light (including near infrared light) is used as the illumination means, the imaging element 5 is a two-dimensional image sensor having a susceptibility to infrared light. With such a configuration, it is possible to suppress the influence on the original image observed by the observer.

このような光学素子2(撮像光学機能)によって撮影された観察者眼球1の近傍の画像から、観察者眼球1の瞳孔位置を検出することができる。その観察者瞳孔位置と光学素子2(投影光学機能)の射出瞳3が重なるように、光学素子2(投影光学機能)の射出瞳3を追尾させる追尾機構を設けることで、観察者の頭部が動いた場合、あるいは観察者が眼球運動をした場合にも、光学素子2(投影光学機能)の射出瞳が観察者眼球1の瞳孔に追従するため、拡大した画像を常に呈示することが可能となる。   The pupil position of the observer eyeball 1 can be detected from an image in the vicinity of the observer eyeball 1 photographed by such an optical element 2 (imaging optical function). By providing a tracking mechanism for tracking the exit pupil 3 of the optical element 2 (projection optical function) so that the observer pupil position and the exit pupil 3 of the optical element 2 (projection optical function) overlap, the head of the observer When the camera moves or when the observer moves the eyeball, the exit pupil of the optical element 2 (projection optical function) follows the pupil of the observer's eyeball 1, so that an enlarged image can be always presented. It becomes.

追尾機構は、光学素子2をステッピングモータやジンバルステージなどによって、光学素子2(投影光学機能)から射出する光線の角度を変化させるように制御される。または、光学素子2(投影光学機能)から射出する光線の位置を変化させるように制御されることで、観察者の瞳孔を追尾して、常に観察者瞳孔に射出瞳が重なるため、安定した観察を行うことになる。   The tracking mechanism is controlled so that the angle of the light beam emitted from the optical element 2 (projection optical function) is changed by the stepping motor or the gimbal stage. Or by controlling to change the position of the light beam emitted from the optical element 2 (projection optical function), the observer's pupil is tracked and the exit pupil always overlaps the observer's pupil. Will do.

さらに、光学素子2の投影光学機能においては、軸上主光線に沿って画像表示素子6の位置を前後に移動することができる移動手段を設けておくことが好ましい。観察者の視力によって画像表示素子の位置を前後に移動することで視度を変化させ、好適なピント状態で観察することが可能となる。   Further, in the projection optical function of the optical element 2, it is preferable to provide a moving means that can move the position of the image display element 6 back and forth along the axial principal ray. By moving the position of the image display element back and forth by the visual acuity of the observer, the diopter can be changed and observation can be performed in a suitable focus state.

また、光学素子2の撮像光学機能においても、その軸上主光線に沿って移動することができる移動手段を設けておくことが好ましい。このような移動手段にて、撮像光学機能による撮影位置を適正な位置に調整し、観察者眼球1の瞳孔位置を的確に補足することが可能となる。   Also in the imaging optical function of the optical element 2, it is preferable to provide a moving means that can move along the axial principal ray. With such a moving means, the photographing position by the imaging optical function can be adjusted to an appropriate position, and the pupil position of the observer eyeball 1 can be accurately supplemented.

では、本発明の具体的な数値実施例について説明する。後述する実施例の構成パラメータにおいては、図に示すように、光学素子2の投影光学機能は逆光線追跡で、観察者視軸1a(軸上主光線)を、光学素子2(投影光学機能)の射出瞳3の中心を通り、像面(画像表示素子6)の中心に到る光線で定義する。また、光学素子2の撮像光学機能は、順光線追跡であり、入射瞳4の中心を通り、像面である撮像素子5の中心に到る光線で定義している。   Now, specific numerical examples of the present invention will be described. In the configuration parameters of the examples described later, as shown in the drawing, the projection optical function of the optical element 2 is the reverse ray tracing, and the observer visual axis 1a (axial principal ray) is set to the optical element 2 (projection optical function). It is defined by a light ray that passes through the center of the exit pupil 3 and reaches the center of the image plane (image display element 6). Moreover, the imaging optical function of the optical element 2 is forward ray tracing, and is defined by light rays that pass through the center of the entrance pupil 4 and reach the center of the imaging element 5 that is the image plane.

撮像光学機能における軸上主光線(物体中心(観察者眼球1の瞳孔中心位置に相当)から入射瞳4中心を結ぶ線分)は、観察者視軸1a(投影光学機能の軸上主光線)に対して平行とならないようにすることで、投影光学機能における射出瞳3と、撮像光学機能における入射瞳4が積極的に重ならないようにしている。本実施形態では、撮像光学機能における軸上主光線は、投影光学機能における軸上主光線に対して、時計回り方向に25度傾かせている。   An axial principal ray (line segment connecting the center of the object (corresponding to the pupil center position of the observer's eyeball 1) to the center of the entrance pupil 4) in the imaging optical function is the observer's visual axis 1a (axial principal ray of the projection optical function). In this way, the exit pupil 3 in the projection optical function and the entrance pupil 4 in the imaging optical function are not actively overlapped. In the present embodiment, the axial principal ray in the imaging optical function is tilted 25 degrees in the clockwise direction with respect to the axial principal ray in the projection optical function.

この実施例においては、軸上主光線1aの進行方向に沿った方向をZ軸正方向とし、このZ軸と像面中心を含む平面をY−Z平面とし、原点を通りY−Z平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向を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。図1〜図3に座標系が図示されている。   In this embodiment, the direction along the traveling direction of the axial principal ray 1a is the Z-axis positive direction, the plane including the Z-axis and the center of the image plane is the YZ plane, and passes through the origin to the YZ plane. A direction perpendicular to the paper surface and extending from the front side to the back side is defined as an X-axis positive direction, and an X-axis, a Z-axis, and an axis constituting a right-handed orthogonal coordinate system are defined as a Y-axis. A coordinate system is illustrated in FIGS.

この実施例では、このY−Z平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面としている。偏心面については、対応する座標系の原点から、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)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。なお、
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。
In this embodiment, each surface is decentered in this YZ plane, and the only symmetric surface of each rotationally asymmetric free-form surface is the YZ plane. For the eccentric surface, from the origin of the corresponding coordinate system, the amount of eccentricity of the surface top position of the surface (X-axis direction, Y-axis direction, Z-axis direction is X, Y, Z, respectively) and the center axis of the surface ( As for the free-form surface, inclination angles (α, β, γ (°), respectively) about the X axis, the Y axis, and the Z axis of the equation (a) are given. In addition,
In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis.

また、実施例の光学素子2を構成する光学作用面の中、特定の面(仮想面を含む。)とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。   Further, among optical action surfaces constituting the optical element 2 of the embodiment, when a specific surface (including a virtual surface) and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, In addition, the refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods.

また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記(a)式により定義し、その定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は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。

図2に示す本実施例の光学素子2(投影光学機能)は、水平画角°で1.2インチの画像表示素子6を想定しており、また、画像表示素子側6に、第4面24と、第4面24から入射した光束を反射させる第1面21と、第1面21から反射された光束を反射させる第3面23と、第3面23から反射された光束を射出する第1面21を備え、第4面24から第1面21までの光路においてプリズム内で軸上主光線が交差しない偏心プリズム2を用いており、これら第1面21〜第4面24に面対称自由曲面を用いている。光学素子2(投影光学機能)のX方向の焦点距離はmm、Y方向の焦点距離はmmであり、瞳径はφ6.0mmである。
Further, the shape of the surface of the free curved surface used in the present invention is defined by the equation (a), and the Z axis of the defining equation becomes the axis of the free curved surface. In addition, the term regarding the free-form surface for which no data is described is zero. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm.

The optical element 2 (projection optical function) of the present embodiment shown in FIG. 2 assumes an image display element 6 having a horizontal angle of view of 1.2 inches and a fourth surface on the image display element side 6. 24, the first surface 21 that reflects the light beam incident from the fourth surface 24, the third surface 23 that reflects the light beam reflected from the first surface 21, and the light beam reflected from the third surface 23 are emitted. The decentered prism 2 that includes the first surface 21 and in which the axial principal ray does not intersect in the prism in the optical path from the fourth surface 24 to the first surface 21 is used, and faces the first surface 21 to the fourth surface 24. A symmetric free-form surface is used. The focal length in the X direction of the optical element 2 (projection optical function) is mm, the focal length in the Y direction is mm, and the pupil diameter is φ6.0 mm.

図3に示す本実施例の光学素子2(撮像光学機能)は、水平画角10°で2/3インチの撮像素子5を想定しており、物体側に入射面である第1面21、内部反射面である第2面22、再び内部反射させる第1面21、内部反射面である第4面24、第4面24からの反射光を撮像素子に射出する第5面25を備え、第1面21から第5面25までの光路においてプリズム内で軸上主光線が2箇所で交差する偏心プリズムを用いており、これら第1面21、第2面22、第4面24に面対称自由曲面、第5面25に回転対称非球面を用いている。   The optical element 2 (imaging optical function) of the present embodiment shown in FIG. 3 assumes an image sensor 5 having a horizontal field angle of 10 ° and a 2/3 inch, and a first surface 21 that is an incident surface on the object side, A second surface 22 that is an internal reflection surface, a first surface 21 that is internally reflected again, a fourth surface 24 that is an internal reflection surface, and a fifth surface 25 that emits reflected light from the fourth surface 24 to the imaging device, In the optical path from the first surface 21 to the fifth surface 25, a decentered prism in which the axial principal ray intersects at two points in the prism is used, and the first surface 21, the second surface 22, and the fourth surface 24 are surfaced. A rotationally symmetric aspherical surface is used for the symmetric free-form surface and the fifth surface 25.

図1は、図2と図3の光学機能が第1面21で一致するようにを重畳して描画した光路図である。図1から分かるように1つの光学素子2にて、投影光学機能と撮影光学機能が実現されていることが分かる。   FIG. 1 is an optical path diagram in which the optical functions of FIG. 2 and FIG. As can be seen from FIG. 1, it can be seen that one optical element 2 realizes the projection optical function and the photographing optical function.

光学素子2を構成する偏心プリズムは、第1面21から第5面25の5つの光学面からなり、その5つの面の間の屈折率が1より大きい透明媒質で埋められている。光学素子2(撮像光学機能)の瞳径はφ3.0mmである。   The decentered prism constituting the optical element 2 is composed of five optical surfaces, the first surface 21 to the fifth surface 25, and is filled with a transparent medium having a refractive index larger than 1 between the five surfaces. The pupil diameter of the optical element 2 (imaging optical function) is φ3.0 mm.

以下に上記実施例の構成パラメータを示す。これら表中の“FFS”は自由曲面を示す。   The configuration parameters of the above embodiment are shown below. “FFS” in these tables indicates a free-form surface.

(数値実施例:投影光学機能)
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 ∞
2 ∞(絞り面) 30.00
3 FFS[1] 偏心(1) 1.6340 23.9
4 FFS[2] 偏心(2) 1.6340 23.9
5 FFS[1] 偏心(1) 1.6340 23.9
6 FFS[3] 偏心(3)
像 面 ∞ 偏心(4)

FFS[1]
C4 3.7479e-004 C6 -1.8072e-003 C8 -1.2789e-004
C10 1.6397e-005 C11 -3.5404e-006 C13 2.7427e-006
C15 -1.6060e-006 C17 1.5350e-007 C19 -1.5019e-009
C21 3.1921e-008 C67 2.0000e+001

FFS[2]
C4 -2.1659e-003 C6 -4.2599e-003 C8 -6.0672e-005
C10 2.5676e-005 C11 -1.4447e-006 C13 1.7139e-006
C15 -2.4349e-007 C17 7.4164e-008 C19 -2.7166e-008
C21 -1.2440e-008 C22 2.5230e-010 C24 -6.8156e-010
C26 7.1352e-010 C28 5.7736e-010

FFS[3]
C4 -4.3367e-003 C6 -6.1642e-003 C8 -3.2267e-005
C10 1.3495e-005 C11 -6.2912e-007 C13 6.8871e-008
C15 -1.2948e-007 C17 5.8792e-008 C19 3.0210e-008
C21 1.2406e-008 C22 1.4285e-010

偏心[1]
X 0.00 Y 8.00 Z -2.00
α 13.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
X 0.00 Y -8.02 Z 26.00
α -18.23 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
X 0.00 Y 36.62 Z 20.00
α 73.46 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
X 0.00 Y 51.95 Z 12.38
α 61.90 β 0.00 γ 0.00
(Numerical example: projection optical function)
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ -1000.00
1 ∞
2 ∞ (diaphragm surface) 30.00
3 FFS [1] Eccentricity (1) 1.6340 23.9
4 FFS [2] Eccentricity (2) 1.6340 23.9
5 FFS [1] Eccentricity (1) 1.6340 23.9
6 FFS [3] Eccentricity (3)
Image plane ∞ Eccentricity (4)

FFS [1]
C4 3.7479e-004 C6 -1.8072e-003 C8 -1.2789e-004
C10 1.6397e-005 C11 -3.5404e-006 C13 2.7427e-006
C15 -1.6060e-006 C17 1.5350e-007 C19 -1.5019e-009
C21 3.1921e-008 C67 2.0000e + 001

FFS [2]
C4 -2.1659e-003 C6 -4.2599e-003 C8 -6.0672e-005
C10 2.5676e-005 C11 -1.4447e-006 C13 1.7139e-006
C15 -2.4349e-007 C17 7.4164e-008 C19 -2.7166e-008
C21 -1.2440e-008 C22 2.5230e-010 C24 -6.8156e-010
C26 7.1352e-010 C28 5.7736e-010

FFS [3]
C4 -4.3367e-003 C6 -6.1642e-003 C8 -3.2267e-005
C10 1.3495e-005 C11 -6.2912e-007 C13 6.8871e-008
C15 -1.2948e-007 C17 5.8792e-008 C19 3.0210e-008
C21 1.2406e-008 C22 1.4285e-010

Eccentric [1]
X 0.00 Y 8.00 Z -2.00
α 13.00 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [2]
X 0.00 Y -8.02 Z 26.00
α -18.23 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [3]
X 0.00 Y 36.62 Z 20.00
α 73.46 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [4]
X 0.00 Y 51.95 Z 12.38
α 61.90 β 0.00 γ 0.00

(数値実施例:撮像光学機能)
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 30.00 偏心(1)
1 ∞
2 ∞(絞り面) 偏心(2)
3 FFS[1] 偏心(3) 1.6340 23.9
4 FFS[2] 偏心(4) 1.6340 23.9
5 FFS[1] 偏心(3) 1.6340 23.9
6 FFS[3] 偏心(5) 1.6340 23.9
7 非球面[1] 偏心(6)
像 面 ∞ 偏心(7)

非球面[1]
曲率半径 ∞
k 0.0000e+000
a 2.6246e-004 b -1.3466e-006

FFS[1]
C4 3.7479e-004 C6 -1.8072e-003 C8 -1.2789e-004
C10 1.6397e-005 C11 -3.5404e-006 C13 2.7427e-006
C15 -1.6060e-006 C17 1.5350e-007 C19 -1.5019e-009
C21 3.1921e-008 C67 2.0000e+001

FFS[2]
C4 -3.2019e-003 C6 -6.0721e-003 C8 -1.4334e-004
C10 -6.8888e-005 C11 6.5127e-006 C13 1.3428e-005
C15 2.9181e-006 C17 3.4497e-006 C19 8.1277e-007
C21 3.3928e-007 C22 3.1380e-008 C24 2.2118e-007
C26 1.3816e-008 C28 5.4467e-009

FFS[3]
C4 -4.3367e-003 C6 -6.1642e-003 C8 -3.2267e-005
C10 1.3495e-005 C11 -6.2912e-007 C13 6.8871e-008
C15 -1.2948e-007 C17 5.8792e-008 C19 3.0210e-008
C21 1.2406e-008 C22 1.4285e-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 -14.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
X 0.00 Y 8.00 Z -2.00
α 13.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
X 0.00 Y -8.00 Z 24.74
α -22.32 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
X 0.00 Y 36.62 Z 20.00
α 73.46 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
X 0.00 Y -25.29 Z 13.00
α 80.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
X 0.00 Y -28.69 Z 11.97
α 101.27 β 0.00 γ 0.00
(Numerical example: imaging optical function)
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ 30.00 Eccentricity (1)
1 ∞
2 ∞ (diaphragm surface) Eccentricity (2)
3 FFS [1] Eccentricity (3) 1.6340 23.9
4 FFS [2] Eccentricity (4) 1.6340 23.9
5 FFS [1] Eccentricity (3) 1.6340 23.9
6 FFS [3] Eccentricity (5) 1.6340 23.9
7 Aspherical surface [1] Eccentricity (6)
Image plane ∞ Eccentricity (7)

Aspherical [1]
Radius of curvature ∞
k 0.0000e + 000
a 2.6246e-004 b -1.3466e-006

FFS [1]
C4 3.7479e-004 C6 -1.8072e-003 C8 -1.2789e-004
C10 1.6397e-005 C11 -3.5404e-006 C13 2.7427e-006
C15 -1.6060e-006 C17 1.5350e-007 C19 -1.5019e-009
C21 3.1921e-008 C67 2.0000e + 001

FFS [2]
C4 -3.2019e-003 C6 -6.0721e-003 C8 -1.4334e-004
C10 -6.8888e-005 C11 6.5127e-006 C13 1.3428e-005
C15 2.9181e-006 C17 3.4497e-006 C19 8.1277e-007
C21 3.3928e-007 C22 3.1380e-008 C24 2.2118e-007
C26 1.3816e-008 C28 5.4467e-009

FFS [3]
C4 -4.3367e-003 C6 -6.1642e-003 C8 -3.2267e-005
C10 1.3495e-005 C11 -6.2912e-007 C13 6.8871e-008
C15 -1.2948e-007 C17 5.8792e-008 C19 3.0210e-008
C21 1.2406e-008 C22 1.4285e-010

Eccentric [1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [2]
X 0.00 Y -14.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [3]
X 0.00 Y 8.00 Z -2.00
α 13.00 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [4]
X 0.00 Y -8.00 Z 24.74
α -22.32 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [5]
X 0.00 Y 36.62 Z 20.00
α 73.46 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [6]
X 0.00 Y -25.29 Z 13.00
α 80.00 β 0.00 γ 0.00

Eccentric [7]
X 0.00 Y -28.69 Z 11.97
α 101.27 β 0.00 γ 0.00

図7は、光学素子2(投影光学機能)のスポットダイアグラムを、図8は、光学素子2(撮像光学機能)のスポットダイアグラムを示したものである。各図中のRMSの数字は、左側にX、Yの各画角におけるスポットダイアグラムの自乗平均平方根の値を示す。図7は、C線(656.28)、d線(587.56)、e線(546.07)、f線(486.13)、g線(435.84)の5波長を分布させて計算した結果であり、図8は、830nmの単色光について計算
した結果である。
FIG. 7 shows a spot diagram of the optical element 2 (projection optical function), and FIG. 8 shows a spot diagram of the optical element 2 (imaging optical function). The RMS number in each figure indicates the value of the root mean square of the spot diagram at each angle of view of X and Y on the left side. FIG. 7 shows the result of calculation by distributing five wavelengths of C line (656.28), d line (587.56), e line (546.07), f line (486.13), and g line (435.84). It is the result calculated about monochromatic light of 830 nm.

図9は、光学素子2(投影光学機能)のディストーションマップを、図10は光学素子2(撮像光学機能)のディストーションマップを示したものである。図9の最大値は6.9%。図10の最大値は10.8%である。   FIG. 9 shows a distortion map of the optical element 2 (projection optical function), and FIG. 10 shows a distortion map of the optical element 2 (imaging optical function). The maximum value in FIG. 9 is 6.9%. The maximum value in FIG. 10 is 10.8%.

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。   Although various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and embodiments configured by appropriately combining the configurations of the respective embodiments also fall within the scope of the present invention. Is.

1…観察者眼球
1a…観察者視軸
2…光学素子
21…第1面
22…第2面
23…第3面
24…第4面
25…第5面
3…射出瞳
4…入射瞳
5…撮像素子
6…画像表示素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Observer eyeball 1a ... Observer visual axis 2 ... Optical element 21 ... 1st surface 22 ... 2nd surface 23 ... 3rd surface 24 ... 4th surface 25 ... 5th surface 3 ... Exit pupil 4 ... Entrance pupil 5 ... Image sensor 6 ... Image display element

Claims (17)

画像表示面に表示される原画像を観察者眼球に投影する投影光学機能を備えた光学素子において、
前記光学素子は、少なくとも4面の光学面を有し、少なくとも4面の光学面は互いに偏心して配備されており、かつ、少なくとも2面は回転非対称な形状を有する面を有し、
前記少なくとも4面の光学面のうち、前記画像表示面に対向した光学面は、透過と反射の2つの作用を有し、かつ、その光学面で反射した光は前記光学素子から射出して撮像面に結像する撮像光学機能を備えたことを特徴とする
光学素子。
In an optical element having a projection optical function of projecting an original image displayed on an image display surface onto an observer's eyeball,
The optical element has at least four optical surfaces, the at least four optical surfaces are arranged eccentric to each other, and at least two surfaces have a rotationally asymmetric shape,
Of the at least four optical surfaces, the optical surface facing the image display surface has two functions of transmission and reflection, and the light reflected by the optical surface is emitted from the optical element and imaged. An optical element having an imaging optical function for forming an image on a surface.
前記投影光学機能における射出瞳と、前記撮像光学機能における入射瞳は、重ならないことを特徴とする
請求項1に記載の光学素子。
The optical element according to claim 1, wherein an exit pupil in the projection optical function and an entrance pupil in the imaging optical function do not overlap.
前記観察者眼球に対向した光学面から前記投影光学機能における射出瞳中心までの軸上主光線と、前記撮像光学機能における物体中心から入射瞳中心までの軸上主光線は、平行でないことを特徴とする
請求項1または請求項2に記載の光学素子。
The axial principal ray from the optical surface facing the observer's eyeball to the exit pupil center in the projection optical function and the axial principal ray from the object center to the entrance pupil center in the imaging optical function are not parallel. The optical element according to claim 1 or 2.
前記画像表示面に対向した光学面は、ハーフミラーコーティングされた半透過面であることを特徴とする
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の光学素子。
The optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical surface facing the image display surface is a semi-transmissive surface coated with a half mirror.
前記画像表示面に対向した光学面は、ダイクロイックミラーコーティングされた半透過面であることを特徴とする
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の光学素子。
The optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical surface facing the image display surface is a semi-transmissive surface coated with a dichroic mirror.
前記観察者眼球に対向した光学面を第1面とし、
前記第1面を挟んで前記観察者眼球と対向する光学面を第2面とし、
前記第1面を挟んで前記観察者眼球と対向する光学面を第3面とし、
前記画像表示面に対向した光学面を第4面とし、
前記撮像面に対向した光学面を第5面として有することを特徴とする
請求項1から請求項5の何れか1項に記載の光学素子。
The optical surface facing the observer eyeball is the first surface,
An optical surface facing the observer's eyeball across the first surface is a second surface,
The optical surface facing the observer eyeball across the first surface is a third surface,
The optical surface facing the image display surface is a fourth surface,
The optical element according to any one of claims 1 to 5, wherein an optical surface facing the imaging surface is provided as a fifth surface.
前記画像表示面から射出された光は、前記第4面を透過し、前記第1面で反射し、前記第2面で反射し、前記第1面を透過して前記観察者眼球に投影されることを特徴とする
請求項6に記載の光学素子。
The light emitted from the image display surface is transmitted through the fourth surface, reflected by the first surface, reflected by the second surface, transmitted through the first surface, and projected onto the observer eyeball. The optical element according to claim 6.
前記第1面に入射した光は、前記第3面で反射し、前記第1面で反射し、前記第4面で反射し、前記第5面を透過して前記撮像面に結像することを特徴とする
請求項6または請求項7に記載の光学素子。
The light incident on the first surface is reflected by the third surface, reflected by the first surface, reflected by the fourth surface, and passes through the fifth surface to form an image on the imaging surface. The optical element according to claim 6 or 7.
前記第2面と前記第3面は、連続した1面で形成されたことを特徴とする
請求項6から請求項8の何れか1項に記載の光学素子。
The optical element according to any one of claims 6 to 8, wherein the second surface and the third surface are formed as one continuous surface.
請求項1から請求項9の何れか1項に記載の光学素子と、
前記画像表示面を形成する画像表示素子と、
前記撮像面を形成する撮像素子と、を備えたことを特徴とする
観察装置。
The optical element according to any one of claims 1 to 9,
An image display element forming the image display surface;
An observation device comprising: an imaging element that forms the imaging surface.
観察者眼球近傍を照明する照明手段を備えたことを特徴とする
請求項10に記載の観察装置。
The observation apparatus according to claim 10, further comprising an illumination unit that illuminates the vicinity of the observer's eyeball.
前記照明手段は、赤外光にて照明することを特徴とする
請求項11に記載の観察装置。
The observation apparatus according to claim 11, wherein the illuminating unit illuminates with infrared light.
前記観察者眼球の瞳孔位置と前記光学素子の射出瞳が重なるように、前記光学素子の射出瞳を移動させる追尾機構を備えたことを特徴とする
請求項10から請求項12の何れか1項に記載の観察装置。
The tracking mechanism that moves the exit pupil of the optical element so that the pupil position of the observer's eyeball and the exit pupil of the optical element overlap each other is provided. The observation apparatus described in 1.
前記追尾機構は、前記光学素子から射出される光線の角度を変化させるように制御することを特徴とする
請求項13に記載の観察装置。
The observation device according to claim 13, wherein the tracking mechanism is controlled to change an angle of a light beam emitted from the optical element.
前記追尾機構は、投影光学素子から射出される光線の位置を変化させるように制御することを特徴とする
請求項13または請求項14に記載の観察装置。
The observation apparatus according to claim 13, wherein the tracking mechanism is controlled to change a position of a light beam emitted from the projection optical element.
前記画像表示素子は、前記投影光学機能における軸上主光線に沿って移動可能としたことを特徴とする
請求項10から請求項15の何れか1項に記載の観察装置。
The observation device according to any one of claims 10 to 15, wherein the image display element is movable along an axial principal ray in the projection optical function.
前記撮像素子の位置は、前記撮像光学機能における軸上主光線に沿って移動可能としたことを特徴とする
請求項10から請求項16の何れか1項に記載の観察装置。
The observation apparatus according to any one of claims 10 to 16, wherein the position of the imaging element is movable along an axial principal ray in the imaging optical function.
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