JP2022095362A5

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Publication number: JP2022095362A5
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Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2023-12-21

Description

本発明の一側面としての光学系は、表示素子からの光束を射出瞳に導く光学系であって、透過面と、反射透過面と、反射面とを有する第一光学素子と、前記射出瞳に向かって凹形状の面を含む負レンズとを有し、前記表示素子からの光束は、前記透過面、前記反射透過面、前記反射面、前記反射透過面、及び前記負レンズを順に介して前記射出瞳へ向かい、前記負レンズのｄ線における屈折率をｎ_ｎ、前記第一光学素子のｄ線における屈折率をｎ_ｍ、前記負レンズの光学パワーをφ _ｎ、前記光学系の光学パワーをφ _Ａとするとき、ｎ_ｎ＞ｎ_ｍ、φ _ｎ／φ _Ａ＜－０．０５なる条件式を満足する。

各実施例の説明において、絶対座標系のＸＹＺ軸を、射出瞳（瞳中心）を原点、観察者が観察する画角（観察画角）の中心となる光束を中心画角光束として、以下のように定義する。中心画角光束の主光線と一致する軸をＺ軸（中心画角光束の主光線に沿った直線で、射出瞳から第一面に向かう方向を正）、Ｚ軸を原点を中心に（図１の断面内で）反時計回りに９０度回転させた軸をＹ軸、原点を通ってＺ軸およびＹ軸と直交する軸をＸ軸とする。

〔実施例１〕
まず、図１および図１２を参照して、本発明の実施例１における接眼光学系および表示装置について説明する。図１は、本実施例における接眼光学系を有する表示装置の構成図である。図１２は、本実施例に対応する数値実施例１の説明図である。１０１は表示装置（観察装置、画像表示装置）である。表示装置１０１は、接眼光学系（光学系）と画像表示素子（表示素子）１０５を有する。接眼光学系は、画像表示素子１０５からの光束を射出瞳Ｓに導く光学系である。

１０２は、第一光学素子である。第一光学素子１０２は、入射面である透過面１０２Ｃと、反射透過面１０２Ａと、反射面１０２Ｂとを有し、その内部が屈折率ｎ＞１の媒質で満たされている。１０３は、２つの屈折面である透過面1１０３Ｂ、１０３Ａで構成された第二光学素子（プリズム）である。１０４は凹レンズ（負レンズ）である。凹レンズ１０４は、第一光学素子１０２と射出瞳Ｓとの間に配置されており、射出瞳Ｓに向かって凹形状の面（凹面）を有する。本実施例において、第一光学素子１０２、第二光学素子１０３、および凹レンズ１０４の３つの光学素子により接眼光学系が構成される。また本実施例において、接眼光学系および画像表示素子１０５により表示装置１０１が構成される。画像表示素子１０５からの光束は、第一光学素子１０２および凹レンズ１０４を介して射出瞳Ｓを形成する。すなわち画像表示素子１０５からの光束は、第一光学素子１０２の入射面としての透過面１０２Ｃ、反射透過面１０２Ａ、反射面１０２Ｂ、反射透過面１０２Ａ、および凹レンズ１０４を順に介して射出瞳Ｓへ向かう。

以下、各光学素子内部での光線の動きを記載する。画像表示素子１０５に表示された画像から発した光は、第一光学素子の入射面としての透過面１０２Ｃより第一光学素子１０２に入射する。第一光学素子１０２に入射した光は、反射透過面１０２Ａで全反射され、反射面１０２Ｂで反射されて第一光学素子１０２内の光路が折り畳まれた状態となる。その後、反射透過面１０２Ａを通って光学素子１０２を射出する。光学素子１０２を射出した光は、第二光学素子１０３の透過面１０３Ｂ、１０３Ａを通って凹レンズ１０４に入射する。そして凹レンズ１０４を射出後、接眼光学系の射出瞳Ｓに導かれ、射出瞳Ｓの近傍に瞳孔を置いた観察者に対し、画像表示素子１０５に表示された画像を射出瞳Ｓから遠方の拡大虚像として提示する。

ここで、第二光学素子１０３の屈折面である透過面１０３Ｂは、特許文献１に開示されているように、反射透過面１０２Ａを透過する際に生じる屈折をキャンセルする働きをする。これにより、反射透過面１０２Ａで発生した収差をキャンセルすることが可能となる。このため、反射透過面１０２Ａと屈折面である透過面１０３Ｂが同一形状かつ、第一光学素子１０２と同じ材料であることが望ましい。また、これらの第一光学素子１０２および第二光学素子１０３は、光学樹脂で構成することが望ましい。この理由は後程説明する。なお、反射透過面１０２Ａと屈折面である透過面１０３Ｂは同一形状であることが望ましいが、これに限定されるものではなく、透過面１０３Ｂの形状は反射透過面１０２Ａを透過する際に発生する収差をキャンセルするに十分な形状であればよい。

次に、図２を参照して、本実施例の接眼光学系の特徴を説明する。図２は、本実施例の接眼光学系の説明図である。接眼光学系の画角を大きくするには、接眼光学系の焦点距離を短くする必要がある。このとき、射出瞳Ｓから接眼光学系の最終面までの距離（アイレリーフ）は、観察者の観察のしやすさを考慮して、１５～３０ｍｍ程度の値に設定される。しかし、画像表示素子１０５の大きさが小さい場合に広い画角を得るには、アイレリーフの値よりも、接眼光学系の焦点距離を短くする必要がある。第一光学素子１０２の大きさは、アイレリーフ長と画角からほぼ決定される。すなわちアイレリーフを大きくするほど第一光学素子１０２は大きくなる。第一光学素子１０２が大型化した結果、接眼光学系の焦点距離が短い場合、接眼光学系の焦点面は入射面としての透過面１０２Ｃに近付く。

ここで、画像表示素子１０５と第一光学素子１０２との間にメカ部品が配置される場合や、例えば画像表示素子１０５が自発光素子であり、放熱が必要な場合、第一光学素子１０２と画像表示素子１０５の間は一定以上の距離の確保が必要となる。しかし、接眼光学系の焦点面が第一光学素子１０２の近傍にある場合、例えば図２（Ａ）に示されるように、第一光学素子１０２と画像表示素子１０５との間隔（バックフォーカス）が狭くなる。その結果、十分なスペースが確保できないことや素子同士がぶつかってしまう可能性がある。

これを回避するには、接眼光学系の像側主平面位置を、より画像表示素子１０５側に移動させ、焦点面を第一光学素子１０２から離す必要がある。像側主平面を移動させる手段の一つとして、特許文献１で射出瞳Ｓと第一光学素子１０２に相当するプリズムとの間に、負の光学パワー（屈折力）を持つ面を有する第二光学素子を挿入する技術が開示されている。第二光学素子１０３を射出瞳Ｓと第一光学素子１０２との間に配置することで、接眼光学系全体の焦点距離を短くしつつ、像側主平面位置を画像表示素子側に移動させ、画像表示素子１０５と第一光学素子１０２との間に十分なスペースを確保できる（図２（Ｂ）参照）。

接眼光学系の像面側主平面を移動させ、バックフォーカスを大きくするには、少なくとも数ｍｍの像面移動量が必要である。この移動量を実現するには、凹レンズの光学パワーが接眼光学系の光学パワーに比べて一定以上の大きさが必要である。このため本実施例において、凹レンズ１０４の光学パワーをφ_ｎ、接眼光学系の光学パワーをφ_Ａとするとき、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。

φ_ｎ／φ_Ａ＜－０．０８ ■（４）
条件式（４）を満足することで、像面を十分に移動させ、第一光学素子１０２と画像表示素子１０５との間隔を十分に確保することができる。本実施例において、φ_ｎ／φ_Ａ＝－０．２６である。このように十分な強さの負の光学パワーを凹レンズ１０４に与えることで、本実施例では約５ｍｍの像面の移動を実現している。

第一光学素子１０２の各光学面は、光線が斜めに入射する影響を減らすために非回転対称面（自由曲面）を用いることが多い。このような自由曲面を用いた光学系の場合、第一光学素子１０２は製造の容易さによるコスト低減効果から、光学樹脂を用いた型加工で製造されることが多い。用いる光学樹脂としては、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂などが挙げられる。また、本実施例では第二光学素子１０３も同じ光学材料を使用している。これは、第一光学素子１０２の反射透過面１０２Ａで発生する収差を、第二光学素子の入射面である透過面１０３Ｂでキャンセルするためで、２つの面は同一形状かつ同一材料で構築している。これら樹脂を材料とした型加工を用いることで、複雑な形状の光学素子を製造可能となるが、油脂や水分などに弱く腐食や膨張を報じる、素材そのものが柔らかいためキズが入りやすいなどの材料由来の課題も存在する。これらの課題に対し、保護用のガラス窓を配置する、樹脂表面に保護コーティングを施すなどの対策があるが、部品点数や工程の増加の原因となってしまう。

本実施例の接眼光学系は、第一光学素子４０２と画像表示素子４０５との間に配置された凸レンズ（正レンズ）４０６を有する。凸レンズ４０６は、第一光学素子４０２に向かって凸形状の面（強い凸面）４０６Ａを有する。また、射出瞳Ｓが形成される面に垂直な方向を第１の方向とするとき、凸レンズ４０６の内部において、第１の方向における最も反射面４０２Ｂの側を通る光束の光路長は、第１の方向における最も反射透過面４０２Ａの側を通る光束の光路長よりも長い。すなわち、Ｚ軸方向において最も反射面側の最軸外光束（表示面の最端部からの光束）の光路長は、最も反射透過面側の最軸外光束の光路長よりも長い。本実施例によれば、実施例１に比べて、画像表示素子を小さく（０．５型）しながら更なる広画角化（５０°）を実現することができる。また、観察者が透過像と表示画像とを重畳して観察することが可能である。

画像表示素子４０５に表示された画像から発した光は、凸レンズ４０６を通り第一光学素子４０２に入射後、複数回の内面反射を経て第一光学素子４０２を射出し、第二光学素子４０３に入射する。光束は第二光学素子４０３を射出後、凹レンズ４０４に入射、凹レンズ４０４を射出した後、接眼光学系の射出瞳Ｓに導かれ、射出瞳Ｓの近傍に瞳孔を置いた観察者に対し、画像表示素子４０５に表示された画像を射出瞳Ｓから遠方の拡大虚像として提示する。

図５は、接眼光学系の説明図であり、第三光学素子４０７の配置を示す。図５に示されるように、第一光学素子の反射面４０２Ｂの反射率を低くし（例えば反射率５０％）、第三光学素子４０７を加える。これにより、接眼光学系の射出瞳Ｓの近傍に眼を置いた観察者は、凹レンズ４０４、第二光学素子４０３、第一光学素子４０２、および第三光学素子４０７を通して外界像を観察することができる。このとき、第三光学素子４０７の外側の面４０７Ｂは正の光学パワーを持ち、凹レンズ４０４の負の光学パワーを凡そ打ち消し、全体としてはノンパワー、もしくは非常に弱い光学パワーを有するようにして、外界像の観察を可能にする。

－０．４＜φ_ｎ／φ_Ａ ■（７）
条件式（７）において、φ_ｎは凹レンズ４０４の光学パワー、φ_Ａは表示装置４０１の接眼光学系の全系の光学パワーである。条件式（７）の下限を下回ると、面４０７Ｂの光学パワーが強くなりすぎ、外界像の観察が困難になる。一方、条件式（７）の値が大きすぎると、凹レンズ４０４の光学パワーが不足し、画像表示素子４０５と凸レンズ４０６との間の距離が小さくなり、画像表示素子４０５の配置が困難になる。すなわち、条件式（７）と実施例１における条件式（３）とから、以下の条件式（８）を満足することが好ましい。

－０．３５＜φ_ｎ／φ_Ａ＜－０．０８ ■（９）
なお本実施例において、φ_ｎ／φ_Ａ＝－０．１７である。ここで、凹レンズ４０４の屈折率と第二光学素子４０３の屈折率との間に着目する。実施例１で述べたように、凹レンズ４０４の屈折率を上げることにより、第二光学素子４０３上に負の光学パワーを設けるより大きな負の光学パワーを与え、像側主平面位置を大きく移動させている。この負の光学パワーは、凹レンズ４０４の射出面４０４Ａと空気との界面で発生するものであることから、（ｎ_ｎ－１）が（ｎ_Ｏ－１）に比べ十分に大きくなることで、凸レンズ４０６と画像表示素子４０５の間隔を離すことができるようになる。このことから、以下の条件式（１０）を満足することが好ましい。

この像面湾曲を補正するため、強い正の光学パワーを持つ素子を配置し、そのサグ量を利用して補正を行う方法がある。正の光学パワーを与える面としては、第一光学素子４０２の入射面としての透過面４０２Ｃを用いる方法が考えられる。しかし、観察画角が広画角化すると、射出瞳Ｓ側から光線をトレースしたとき、周辺画角の光束が入射面としての透過面４０２Ｃで全反射を起こしてしまい、画像の観察ができなくなる。このため、第一光学素子４０２の入射面としての透過面４０２Ｃに強い正のパワーを与えるのは望ましくない。

そこで、正のパワーとして凸レンズ４０６を第一光学素子４０２と画像表示素子４０５との間に配置する。またそのとき、強い正のパワーを持つ凸面４０６Ａを第一光学素子４０２側に向け配置する。これにより、広画角化を行っても透過面４０２Ｃにおいて全反射を起こさず、画像の観察が可能になる。

またこのとき、反射面４０２Ｂで発生するサグ量に対し、凸レンズ４０６の透過面のサグ量による光路差で補正を行うため、凸レンズ４０６の正のパワーの凸面４０６Ａには強い曲率が必要になる。このため、中心画角光束の主光線（Ｚ軸に沿った画像中心と射出瞳Ｓの中心とを結ぶ線）との交点における反射面４０２Ｂの曲率半径をＲ_Ｂ、第一光学素子４０２と対向している凸レンズ４０６の凸面４０６Ａの曲率半径をＲ_Ｐとするとき、以下の条件式（１２）を満足する。

－５．０＜Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ｐ＜－１．５ …（１３）
このように曲率半径を設定することで、凹レンズ４０４および第一光学素子４０２で発生する像面湾曲を補正することができる。本実施例において、Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ｐ＝－３．６８である。

凸レンズ４０６を配置することにより像面湾曲の補正を行えるが、強い正のパワーが配置されることによる色収差が発生してしまう。この色収差を補正するには、凸レンズ４０６を分割し色消しレンズ化する、もしくは凹レンズ４０４の屈折率、分散を適切にすることで補正を行う方法が考えられる。

ここで、φ_ｎは凹レンズ４０４の光学パワー、φ_ｐは凸レンズ４０６の光学パワー、ｖ_ｎは凹レンズ４０４のアッベ数、ｖ_ｐは凸レンズ４０６のアッベ数である。ｈ_ｎ、ｈ_ｐはそれぞれ観察者が観察した際に、上下左右の画角中心を通る光束を中心画角光束と定義したとき、中心画角光束の凹レンズ４０４、凸レンズ４０６上における光束半径である。また、ここでは第一光学素子４０２による色収差は小さいものとして無視する。

凹レンズ４０４と凸レンズ４０６とが隣接する場合、条件式（１４）のｈ_ｎ、ｈ_ｐは略同じ値になる。このため、φ_ｎ／ｖ_ｎとφ_ｐ／ｖ_ｐの絶対値も略同じになるため、必然的にφ_ｎも大きな値が必要になる。しかし、像面湾曲補正には大きな正のパワーが必要であるのに対し、凹レンズのパワーも強くなると、像面湾曲の補正効果を小さくしてしまう。

さらにここで、第二光学素子４０３の屈折面である透過面４０３Ｂは、反射透過面４０２Ａを透過する際に生じる屈折をキャンセルする働きをする。屈折面である透過面４０３Ｂが反射透過面４０２Ａと同一形状かつ、第二光学素子４０３が第一光学素子４０２と同じ材料であることが望ましい。ただし、屈折面である透過面４０３Ｂと反射透過面４０２Ａが必ずしも同一形状である必要は無く、反射透過面４０２Ａを透過する際に発生する収差を十分にキャンセルできる形状であれば構わない。収差をキャンセルさせるための条件として、第一光学素子の射出面である反射透過面４０２Ａと中心画角光束の主光線の交点における面法線とＺ軸とがなす角をα１、屈折面である透過面４０３Ｂと中心画角光束の主光線の交点における面法線とＺ軸とがなす角をα２とするとき、以下の条件式（１６）を満足する。

１．４０＞ｎ_ｎ／ｎ_ｍ＞１．１０ …（１８）
〔実施例３〕
次に、図７および図１６を参照して、本発明の実施例３における接眼光学系および表示装置について説明する。図７は、本実施例における接眼光学系を有する表示装置の構成図である。図１６は、本実施例に対応する数値実施例３の説明図である。画像表示装置（表示装置）７０１は、接眼光学系（光学系）と画像表示素子（表示素子）７０５を有する。接眼光学系は、画像表示素子７０５からの光束を射出瞳Ｓに導く光学系である。

本実施例では、実施例１の接眼光学系に対し、第二光学素子を外すことで、第一光学素子７０２の反射面の位置を射出瞳Ｓに近付け、第一光学素子７０２の大きさを小さくしている。このような構成にすることで、画像表示素子７０５を小型化しても凹レンズ７０３の光学パワーを実質的に変化させることなく、広画角化を実現することができる。

画像表示素子７０５に表示された画像から発した光は、第一光学素子７０２に入射後、複数回の内面反射を経て第一光学素子７０２を射出し、凹レンズ７０３に入射する。凹レンズ７０３を射出した後、接眼光学系の射出瞳Ｓに導かれ、射出瞳Ｓの近傍に瞳孔を置いた観察者に対し、画像表示素子７０５に表示された画像を瞳Ｓから遠方の拡大虚像として提示する。

本実施例では、凹レンズ７０３と第一光学素子７０２とは隣接している。すなわち、アイレリーフの長さは保ったまま第一光学素子７０２を瞳に近付けたと言える。このため、第一光学素子７０２の大きさが小さくなり、結果として接眼光学系の像側主平面から第一光学素子７０２の入射面である透過面７０２Ｃまでの距離も小さくなるため、バックフォーカスの確保が容易になる。

逆に、凹レンズ７０３と第一光学素子７０２の反射面７０２Ｂの距離が大きくなると、第一光学素子７０２の大きさは大きくなってしまい、第二光学素子を外した効果が得られない。このため、凹レンズ７０３の射出面７０３Ａと第一光学素子７０２の反射面７０２Ｂの間の距離に対して、以下の条件式（１９）を満足する。

Ｌ_ＰＢ／ｆＬ＜０．７５ …（１９）
ここで、Ｌ_ＰＢは射出瞳Ｓにおける中心画角光束の主光線の向きをＺ軸としたとき、凹レンズ７０３の射出面７０３Ａと第一光学素子７０２の反射面７０２ＢのＺ軸上における距離、ｆＬは接眼光学系の焦点距離である。このように凹レンズ７０３と第一光学素子７０２を隣接させ、反射面７０２Ｂを射出瞳Ｓに近付けることで、凹レンズ７０３の光学パワーをやや弱めながら広画角化を実現している。本実施例においては、Ｌ_ＰＢ＝８．０ｍｍ、ｆＬ＝１８．４ｍｍ、Ｌ_ＰＢ／ｆＬ＝０．４３である。

凹レンズ７０３の焦点距離は特許文献１の実施例１の負の面の焦点距離－９４．３ｍｍと略同等である。このような構成をとることで、０．６型と特許文献１に比べ小さい画像表示素子を用いながら、４５°の広画角化を実現している。なお、像面の移動量は約４ｍｍである。

凹レンズ７０３を光学ガラス製とした場合、光学面として自由曲面などの特殊な形状を持たせることは高コスト化などに繋がってしまうため、共軸の光学素子とすることが望ましい。このため、特許文献１で示されている第一光学素子の射出面と第二光学素子の第一面を同一形状とし、収差をキャンセルさせることは、凹レンズ７０３では難しい。そこで、凹レンズ７０３を、第一光学素子７０２の射出面である反射透過面７０２Ａに合わせ傾けることで、面形状の差による影響を減らす。具体的には、第一光学素子７０２の反射透過面７０２Ａの、画角中心光束の主光線（図１中の線Ａ）と反射透過面７０２Ａとの交点における面法線と、Ｚ軸とのなす角をα１、凹レンズ７０３の光軸とＺ軸とのなす角をα３とするとき、以下の条件式（２０）を満足する。

｜α１－α３｜＜５ …（２０）
条件式（２０）を満足することにより、第一光学素子７０２から射出する光束に対し収差をキャンセルすることができる。本実施例における光学系の場合、｜α１－α３｜＝１．６である。

また、図７のＸ軸方向においても第一光学素子７０２の射出面である反射透過面７０２Ａと凹レンズ７０３で収差のキャンセルを行うため、以下の条件式（２１）を満足する。

０．３＜Ｒ_ＡＸ／Ｒ_ＭＸ＜２．０ …（２１）
ここで、Ｒ_ＡＸは第一光学素子７０２の反射透過面７０２Ａと中心画角光束主光線との交点における、紙面垂直方向の曲率半径、Ｒ_ＭＸは凹レンズ７０３の入射面７０３Ｂの曲率半径である。換言すると、Ｒ_ＭＸは画像表示素子から射出瞳Ｓに至る中心画角光束主光線を含む断面に垂直な断面における凹レンズ７０３の凸面である入射面７０３Ｂの曲率半径である。また、Ｒ_ＡＸは該断面における第一光学素子７０２の射出面と中心画角光束の主光線との交点における第一光学素子７０２の射出面の曲率半径である。このように２つの面の曲率を近付けることで、２つの面での収差をキャンセルする。本実施例において、Ｒ_ＡＸ＝－４８．８、Ｒ_ＭＸ＝－６７．７、Ｒ_ＡＸ／Ｒ_ＭＸ＝０．７２である。なお本実施例において、凹レンズ７０３はメニスカスレンズであるが、これに限定されるものではない。

〔実施例４〕
次に、図８および図１８を参照して、本発明の実施例４における接眼光学系および表示装置について説明する。図８は、本実施例における接眼光学系を有する表示装置の構成図である。図１８は、本実施例に対応する数値実施例４の説明図である。画像表示装置（表示装置）８０１は、接眼光学系（光学系）と画像表示素子（表示素子）８０４を有する。接眼光学系は、画像表示素子８０４からの光束を射出瞳Ｓに導く光学系である。本実施例は、実施例３の画像表示素子を小さくしたこと、観察者が透過像と表示画像とを重畳して観察できるように構成されている。

画像表示素子８０４を射出した光束は、凸レンズ（正レンズ）８０５、第一光学素子８０２、凹レンズ８０３を介して射出瞳Ｓを形成する。また本実施例では、実施例２と同様に、第一光学素子８０２の射出瞳Ｓとは反対側に第三光学素子８０６を配置する。ここで、第一光学素子の反射面８０２Ｂの反射率を１００％より低く設定すると、観察者は射出瞳Ｓの近傍に瞳孔を置くことで凹レンズ８０３、第一光学素子８０２、および第三光学素子８０６を通して外界の像も観察可能になる。すなわち、観察者は外界の像と画像表示素子８０４に表示された画像を同時に観察できる。

本実施例の光学系は、画像表示素子８０４を０．５型とし、画角を５０°としている。このときの接眼光学系の焦点距離は約１３．５ｍｍとなる。また、アイポイントは２５ｍｍと大きいため、図９に示されるように、凹レンズ８０３と第一光学素子８０２で発生する像面湾曲が非常に大きくなる。このため、実施例２と同様に、凸レンズ８０５を第一光学素子８０２と画像表示素子８０４の間に配置している。

ここで、図９を参照して、凹レンズ８０３および第一光学素子８０２で発生する像面湾曲について説明する。図９は、本実施例における像面湾曲の説明図である。９０１は、射出瞳Ｓを通った光束が凹レンズ８０３および第一光学素子８０２により結像する位置付近の結像平面である。９０２は、結像平面９０１の法線方向の軸である。９０３は、第一光学素子８０２および凹レンズ８０３による像面である。実施例２で説明した通り、この像面湾曲の主たる要因は、反射面８０２Ｂのサグによるものである。しかし、実際にはさらに２つの要因が加わって像面が形成される。

（要因１）
反射透過面８０２Ａでは、入射面８０２Ｃから入射した光束を全反射させる。また、反射透過面８０２Ａの図９における断面（ＹＺ断面）では非常に大きな角度（全反射角以上の角度）で光束が入射するため、収差補正の面から強い光学パワーを持たず、ＹＺ断面には強い光学パワーを持たないことが望ましい。しかし、全反射角を保つため、反射透過面８０２Ａの上部では直線から外れ、負のパワーを有する面（反り返った面）となる。このため、図９に示されるように、反射透過面８０２Ａの上部を通る光束は負の光学パワーの影響を受け、下側を通る光束より遠くに結像する。

（要因２）
反射透過面８０２ＡのＸ断面方向は、実施例３で述べたようにコンセントリックに近い構成を持つため、曲率を有する面となっている。このため、反射透過面８０２Ａは全反射する際に負のパワーを持つことになり、結果としてＸ断面方向ではＹ断面方向より強い負の像面湾曲が生じる。

以上２つの要因により、凹レンズ８０３と第一光学素子８０２は、ＹＺ断面において非対称な像面湾曲を有し、かつＸ軸方向に強い負の像面湾曲を有する。これらを補正するため、凸レンズ８０５は以下のような特徴を有する。
（１）凸レンズ８０５は、第一光学素子の反射面８０２Ｂ側を通る光束が、反射透過面８０２Ａ側を通る光束より正レンズである凸レンズ８０５の厚い部分を通るようシフトして配置する。
（２）凸レンズ８０５は、射出面８０５Ａ（第一光学素子８０２側の凸面８０５Ａ）がアナモルフィックな面を有し、以下の条件式（２２）を満足する。

Ｒ_ＰＸ＜Ｒ_ＰＹ…（２２）
ここで、Ｒ_ＰＸは凸レンズ８０５の凸面８０５ＡのＸ軸方向の曲率半径、Ｒ_ＰＹは凸レンズ８０５の凸面８０５ＡのＹ軸方向の曲率半径である。換言すると、凸レンズ８０５の凸面８０５Ａは第一光学素子８０２と対向しており、Ｒ_ＰＹは画像表示素子８０４から射出瞳Ｓに至る中心画角光束の主光線を含む断面における凸レンズ８０５の凸面８０５Ａの曲率半径、Ｒ_ＰＸは該断面に垂直な断面における凸レンズ８０５の凸面８０５Ａの曲率半径である。

本実施例では、図８の断面内において、最も反射透過面８０２Ａ側を通る光束付近の凸レンズ８０５の厚さは約２．７ｍｍ、最も反射面８０２Ｂ側を通る光束付近の凸レンズ８０５の厚さは約５ｍｍとなっている。また凸レンズ８０５の射出面である凸面８０５Ａの曲率半径はそれぞれ、Ｒ_ＰＸ＝１５．５１ｍｍ、Ｒ_ＰＹ＝２２．５１ｍｍである。

観察装置１００１は、実施例４の接眼光学系８０１ａ、８０１ｂ、画像表示素子８０４ａ、８０４ｂ、およびそれに接続された画像表示回路１００２を有する。また観察装置１００１は、カメラ１００３、カメラ１００３により取得された画像を処理する撮像回路１００４、および、撮像回路１００４で処理された画像から、撮影されている物体を認識する画像認識部１００５を有する。接眼光学系８０１ａ、８０１ｂ、およびカメラ１００３は、ヘッドセット部１００６の内部に配置される。

観察者は、観察装置１００１のヘッドセット部１００６をメガネのように装着する。ヘッドセット部１００６を装着することで、ヘッドセット部１００６に搭載された接眼光学系８０１ａ、８０１ｂのそれぞれの射出瞳Ｓおよび射出瞳Ｓ’（不図示）の近傍に、観察者の眼の瞳（両目）が配置される。これにより、画像表示素子８０４ａ、８０４ｂに表示された画像が虚像拡大され観察者に提示される。

ここで、ヘッドセット部１００６に取り付けられているカメラ１００３は、観察者の観察方向の画像を取得している。カメラ１００３で撮像された画像は、撮像回路１００４を介して画像認識部１００５に送られる。画像認識部１００５では、撮像された画像中に何が映っているかを認識し、映っている物体を説明する文字情報等を画像表示回路１００２に送る。画像表示回路１００２は、画像認識部１００５から受け取った情報に基づいて、画像表示素子８０４ａ、８０４ｂのうち、物体近傍または重なる部分に対し必要な文字情報を表示する。情報の例としては、視野内に映った飲食店の店名やメニュー情報、博物館などの展示物の詳細情報、店舗内商品の価格および生産地情報、または、地図情報やナビゲーション情報などである。これらの情報を、接眼光学系８０１ａ、８０１ｂを透過して見える外界の像に重畳して表示することにより、図１１に示されるように、観察者は現実空間にこれらの情報が付与された状態で周囲の観察が可能になる。図１１は、情報の重畳表示を示す図である。また、情報とは文字情報だけに限らず、動画／静止画の画像情報などでも構わない。さらに、単なる情報付与だけでなく、現実空間にゲーム画像などの別の画像や、架空の建築物画像などを重畳させた拡張現実空間を観察者に提示することも可能である。

以下、実施例１～４にそれぞれ対応する数値実施例１～４を記述する。各実施例の説明では光源側の光路から順に説明を行ったが、数値実施例では投影光学系の瞳位置側から逆に光線を追跡した形での記述とする。
表１～１２に各数値実施例を記述する。記述に際して、絶対座標系の基準をＧｌｏｂａｌ原点として表記する。なお、表１～３は実施例１に、表４Ａ～６は実施例２に、表７～９は実施例３に、表１０Ａ～１２は実施例４にそれぞれ対応する。

Claims

表示素子からの光束を射出瞳に導く光学系であって、
透過面と、反射透過面と、反射面とを有する第一光学素子と、
前記射出瞳に向かって凹形状の面を含む負レンズとを有し、
前記表示素子からの光束は、前記透過面、前記反射透過面、前記反射面、前記反射透過面、および前記負レンズを順に介して前記射出瞳へ向かい、
前記負レンズのｄ線における屈折率をｎ_ｎ、前記第一光学素子のｄ線における屈折率をｎ_ｍ、前記負レンズの光学パワーをφ _ｎ、前記光学系の光学パワーをφ _Ａとするとき、
ｎ_ｎ＞ｎ_ｍ
φ _ｎ／φ _Ａ＜－０．０５
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
ｎ_ｎ／ｎ_ｍ＞１．０５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
前記負レンズのアッベ数をν_ｎ、前記第一光学素子のアッベ数をν_ｍとするとき、
１５＜ν_ｎ＜ν_ｍ
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
前記第一光学素子と前記表示素子との間に配置された正レンズを更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学系。
前記正レンズは前記第一光学素子と対向する凸面を有しており、中心画角主光線との交点における前記反射面の曲率半径をＲ_Ｂ、前記凸面の曲率半径をＲ_Ｐとするとき、
－８．０＜Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ｐ＜－２．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項４に記載の光学系。
前記正レンズは前記第一光学素子と対向する凸面を有しており、前記表示素子から前記射出瞳に至る中心画角主光線を含む断面における曲率半径をＲ_ＰＹ、該断面に垂直な断面における前記凸面の曲率半径をＲ_ＰＸとするとき、
Ｒ_ＰＸ＜Ｒ_ＰＹ
なる条件式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の光学系。
前記射出瞳が形成される面に垂直な方向を第１の方向とするとき、前記正レンズの内部において、前記第１の方向における最も前記反射面の側を通る光束の光路長は、前記第１の方向における最も前記反射透過面の側を通る光束の光路長よりも長いことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の光学系。
前記正レンズの光学パワーをφ_ｐ、前記負レンズの光学パワーをφ_ｎ、前記正レンズのアッベ数をν_ｐ、前記負レンズのアッベ数をν_ｎとするとき、
φ_ｐν_ｎ／φ_ｎν_ｐ＜－２
なる条件式を満足することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の接眼光学系。
表示素子からの光束を射出瞳に導く光学系であって、
透過面と、反射透過面と、反射面とを有する第一光学素子と、
前記射出瞳に向かって凹形状の面を含む負レンズとを有し、
前記反射透過面と前記負レンズとは互いに隣接しており、
前記表示素子からの光束は、前記透過面、前記反射透過面、前記反射面、前記反射透過面、および前記負レンズを順に介して前記射出瞳へ向かい、
前記負レンズのｄ線における屈折率をｎ _ｎ、前記第一光学素子のｄ線における屈折率をｎ _ｍとするとき、
ｎ _ｎ＞ｎ _ｍ
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
表示素子からの光束を射出瞳に導く光学系であって、
透過面と、反射透過面と、反射面とを有する第一光学素子と、
前記射出瞳に向かって凹形状の面を含む負レンズと、
前記第一光学素子と前記負レンズとの間に配置されたプリズムである第二光学素子とを有し、
前記表示素子からの光束は、前記透過面、前記反射透過面、前記反射面、前記反射透過面、および前記負レンズを順に介して前記射出瞳へ向かい、
前記負レンズのｄ線における屈折率をｎ _ｎ、前記第一光学素子のｄ線における屈折率をｎ _ｍとするとき、
ｎ _ｎ＞ｎ _ｍ
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
前記第二光学素子の前記表示素子の側の面は、前記反射透過面と同一形状であることを特徴とする請求項１０に記載の光学系。
前記第二光学素子の前記射出瞳の側の透過面は、前記負レンズの前記表示素子の側の面と同一形状であり、
前記射出瞳を原点、中心画角光束の主光線と一致する軸をＺ軸、前記主光線を含む断面内でＺ軸を原点を中心に反時計回りに９０度回転させた軸をＹ軸、Ｚ軸とＹ軸と直交する軸をＸ軸とし、前記主光線が透過する位置における前記反射透過面の法線とＺ軸とのなす角をα１、前記主光線が透過する位置における前記透過面の法線とＺ軸とがなす角をα２とするとき、
｜α１－α２｜＜５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１１に記載の光学系。
前記第二光学素子のｄ線における屈折率をｎ_Ｏとするとき、
ｎ_ｎ＞ｎ_Ｏ
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１１または１２に記載の光学系。
（ｎ_ｎ－１）／（ｎ_Ｏ－１）＞１．３
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１３に記載の光学系。
前記第一光学素子の負レンズと反対側に配置された第三光学素子を更に有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学系。
前記負レンズの射出面と前記第一光学素子の前記反射面との間のＺ軸上の距離をＬ_ＰＢ、前記光学系の焦点距離をｆＬとするとき、
Ｌ_ＰＢ／ｆＬ＜０．７５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学系。
前記射出瞳を原点、中心画角光束の主光線と一致する軸をＺ軸、前記主光線を含む断面内でＺ軸を原点を中心に反時計回りに９０度回転させた軸をＹ軸、Ｚ軸とＹ軸と直交する軸をＸ軸とし、前記主光線が透過する位置における前記反射透過面の法線とＺ軸とのなす角をα１、前記負レンズの光軸とＺ軸とのなす角をα３とするとき、
｜α１－α３｜＜５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の接眼光学系。
前記負レンズは、メニスカスレンズであり、
前記表示素子から前記射出瞳に至る中心画角光束の主光線を含む断面に垂直な断面における前記負レンズの凸面の曲率半径をＲ_ＭＸ、該断面において前記主光線が透過する位置における前記反射透過面の曲率半径をＲ_ＡＸとするとき、
０．３＜Ｒ_ＡＸ／Ｒ_ＭＸ＜２．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学系。
前記負レンズは、ガラス材料から成ることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光学系。
請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の光学系と、表示素子とを有することを特徴とする表示装置。