JP3325011B2

JP3325011B2 - 変倍光学系

Info

Publication number: JP3325011B2
Application number: JP2000135633A
Authority: JP
Inventors: 浩一高橋; 孝吉研野
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2002-09-17
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JP2000330039A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変倍光学系に関
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能
とする頭部又は顔面装着式視覚表示装置の変倍光学系に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、頭部装着式視覚表示装置として、
図１１に平面図を示したようなものが知られている（米
国特許第４０２６６４１号）。これは、ＣＲＴのような
画像表示素子４６の像を画像伝達素子２５で物体面１２
に伝達し、この物体面１２の像をトーリック反射面１０
によって空中に投影するようにしたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】頭部装着式視覚表示装
置において、観察像のみかけの大きさ（観察画角）は、
観察者個人の好みがあり、一人一人に自分の見易い画角
がある。さらに、観察画像の種類すなわち表示情報の種
類によっても観察画角は変わってくる。

【０００４】例えば、コンピューターの表示画像等の場
合は、細かい文字を認識する必要がある反面、画面全体
を一度に眺める必要はさほどない。そのため、画角が大
きくなって画面の隅々を見るために眼球の運動量が大き
くなっても、大きな画面で観察するのが好ましい。一
方、風景等の鑑賞用の画像の場合には、あまり細かい所
まで鮮明に見る必要はないのと同時に、眼球を動かさず
に画面全体を眺望するように観察することが好ましい。

【０００５】以上の例のように、観察画像の画角を観察
される対象によって可変にすることができれば、選択的
に細かいものをはっきり見たり、疲労感を与えずに長い
時間快適に映像を鑑賞できるという効果がある。

【０００６】しかしながら、変倍機構として一般に使わ
れているズームレンズ光学系では、その変倍のための機
構が複雑であり、多くのレンズをレンズ群毎に移動させ
るための大型で重いズームカム機構が必要となるため、
装置全体としての重量が大きくなり、高価なものになる
という問題がある。

【０００７】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、観察者の意思又は再生
される画像の種類によって観察画角を簡単な構成で二段
階の可変ができる視覚表示装置の変倍光学系を提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の変倍光学系は、光学系により決定される瞳面の中心
と像面の中心とを結ぶ光線を光軸としたときに、前記瞳
面と前記像面の間に配置された光学系が、少なくとも、
回転非対称な成分を含んだ非球面形状の反射面と、回転
非対称な成分を含んだ非球面状の屈折面と、回転対称面
を含んだレンズとを含み、少なくとも前記回転対称面を
含んだレンズを光軸方向に移動させることによって変倍
を行なうように構成されていることを特徴とするもので
ある。

【０００９】以下、本発明において上記構成をとる理由
と作用について説明する。

【００１０】本発明において、移動可能な光学系（以
下、変倍レンズ群と呼ぶ。）の一方の倍率をβ、他方の
倍率を略１／βとなるように移動することで、観察像の
一次像への投影倍率を適切に設定できるようにしてい
る。つまり、非常に簡単な構造で観察画角可変手段を実
現することができる。

【００１１】そして、リレー光学系は少なくとも１つの
正の屈折力を持つように構成し、観察像を表示する映像
表示素子とこの映像表示素子を投影する少なくとも１つ
の正の屈折力を持ったリレー光学系とは次に示す条件を
満足するようにすることが肝要である。

【００１２】（１）１．１＜Ｒ＜２．２５ここで、Ｒは、変倍機能によりリレー光学系の変倍レン
ズ群の倍率が変化した場合の倍率比であり、高い倍率を
β₁、低い倍率をβ₂とした場合、Ｒ＝β₁／β₂で表
される。

【００１３】本発明によれば、リレー光学系の変倍機能
は、回転対称面を含んだレンズが光軸方向に移動するだ
けの簡単な機構で行われるため、上記条件（１）の上限
を超えるような高変倍比を得ようとすると、変倍レンズ
群の移動量が非常に大きくなり、装置をコンパクトに構
成できない。さらに、倍率が大きくなりすぎると、それ
ぞれの倍率においての収差が補正不足になる。逆に、条
件（１）の下限を超えると、変倍比が小さすぎるため、
変倍の効果が少なくなってしまう。

【００１４】次に、リレー光学系の光路長をＬ_r、変倍
レンズ群の移動量をΔＬ、変倍レンズ群の焦点距離をｆ
_iとした場合、次の条件を満たしていることが望まし
い。

【００１５】（２）０．２＜ｆ_i／Ｌ_r＜０．６（３）０．１＜ΔＬ／Ｌ_r＜０．４上記条件（２）は、変倍において移動する光学系（変倍
レンズ群）の焦点距離を規定したものであり、その上限
を超えると、リレー光学系の全光路長に対して移動する
光学系の焦点距離が長くなりすぎる、つまり、屈折力が
小さすぎるため、変倍比を十分大きくとることができな
い。逆に、その下限を超えると、移動する光学系の焦点
距離が短くなり屈折力が大きくなるため、移動する光学
系で発生する収差量が増大し、特に、リレー光学系にお
ける負の像面湾曲が補正しきれなくなる。

【００１６】また、条件（３）は、変倍において移動す
る光学系の移動量を規定したものであり、その上限を超
えると、移動量が大きくなり、装置をコンパクトに構成
することができなくなる。逆に、その下限を超えると、
変倍比を大きくとることができず、変倍させる効果がな
くなる。

【００１７】観察像が一次像へ投影されるときのリレー
光学系の全体の投影倍率β_z1、β_z2は、変倍レンズ群の
倍率β₁、β₂の係数倍として与えられる。例えば、リ
レー光学系が、観察像側から、第１群、第２群、第３群
のレンズ構成である場合、変倍レンズ群が第２群のみと
して、変倍レンズ群の倍率β₁＝１．２５、β₂＝０．
８であり、変倍レンズ群以外の固定レンズ群、つまり、
第１群及び第３群による倍率が２倍であるとき、リレー
光学系全体の投影倍率β_z1及びβ_z2は、 β_z1＝β₁×２＝１．２５×２＝２．５ β_z2＝β₂×２＝０．８×２＝１．６となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の視覚表示装置の
第１〜第３実施例について説明する。

【００１９】以下のそれぞれの実施例において、リレー
光学系は少なくとも２群の正の屈折力を持つレンズ群に
よって構成され、そのうち少なくとも１群は接合レンズ
で構成されている。その接合レンズのそれぞれのレンズ
のアッベ数をν_I、ν_IIとするとき、次の条件を満たす
ことが望ましい。

【００２０】（４） ν_I−ν_II＞２０上記（４）の条件を満たすことで、２次元表示素子の画
像がカラー画像の場合、色収差が補正された良好な画像
を一次像として投影することができる。（第１実施例）図１に、本発明の第１実施例の視覚表示
装置の観察者側から見た光学系の観察画角５０°の場合
の光路図、図２に、第１実施例のプリズム型接眼光学系
の観察画角５０°の場合の光路図を示す。つまり、図１
は、観察者の右目に装着される光学系を観察者側から見
た正面図であり、視軸は紙面の表から裏へ向かってい
る。また、図２は、図１の光学系を右から見た側面図で
ある。

【００２１】図１、図２において、１は観察者瞳位置、
２はプリズム型接眼光学系、３は反射鏡、４はリレー光
学系であり、その中の４₁は反射鏡３より瞳位置１側の
レンズ群、４₂は反射鏡３より２次元表示素子側のレン
ズ群であり、５は２次元表示素子である。

【００２２】リレー光学系４は４群６枚の構成であり、
２次元表示素子５の画像をリレーしてプリズム接眼光学
系２の物体側の面近傍に一次像を形成する。リレー光学
系４の反射ミラー３と２次元表示素子５に挟まれた群４
₂を光軸方向に移動することによって、全光学系の物像
間距離を変化させずに、リレー光学系４の投影倍率を二
段階に変化させることができる。つまり、観察画角の異
なる２つの画面モードが非常に簡単な構成によって実現
できる。

【００２３】プリズム型接眼光学系２は、物体側から、
内部にビームスプリット面を有する接合プリズムＰが配
置されており、この面は、リレー光学系４の一次像が投
影される面に対し４５°傾斜しており、入射した光の一
部を透過し、一部を反射する。接合プリズムＰのリレー
光学系４の一次像が投影される面と反対の面には曲率が
付いており、その射出側には、プリズム側の面と反対の
面である裏面が反射面となっている接合レンズＬ１が配
置され、また、接合プリズムＰの眼球側には、眼球直前
に位置する正レンズＬ２が配置されている。

【００２４】この構成によれば、観察者の瞳１を射出瞳
として、リレー光学系４によって形成された一次像を空
中に虚像として拡大投影することができる。また、観察
者の瞳１の前に位置する接合プリズムＰを通して、外界
像を観察することが可能である。

【００２５】以下、この光学系の構成パラメータを示す
が、面番号は、観察者瞳位置１である射出瞳位置を面番
号０とし、この射出瞳位置から２次元表示素子５に向か
う逆追跡の面番号として示してあり、２次元表示素子５
は面番号２４としてある。なお、各面の曲率半径は、正
レンズＬ２の瞳位置１側の面からリレー光学系４の２次
元表示素子５側の面まで順にｒ₁〜ｒ₂₃で示し、それら
の面間隔をｄ₁〜ｄ₂₂で示してある。また、各硝材のｄ
線の屈折率をｎ₁〜ｎ₁₄で、アッベ数をν₁〜ν₁₄で示
してある。さらに、瞳位置１と正レンズＬ２の間隔をｄ
₀で、リレー光学系４と２次元表示素子５の間隔をｄ₂₃
で示してある。

【００２６】面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数０（１）（射出瞳）ｄ₀= 15.000 １ｒ₁= 149.677 ｄ₁= 3.000 ｎ₁=1.7150 ν₁=45.1 ２ｒ₂= -178.216 ｄ₂= 0.500 ３ｒ₃= ∞ ｄ₃= 15.000 ｎ₂=1.5163 ν₂=64.1 ４ｒ₄= ∞ ｄ₄= -17.000 ｎ₃=1.5163 ν₃=64.1 ５ｒ₅= 75.000 ｄ₅= -0.500 ６ｒ₆= 1011.564 ｄ₆= -0.815 ｎ₄=1.7618 ν₄=26.6 ７ｒ₇= -116.617 ｄ₇= -5.000 ｎ₅=1.5748 ν₅=62.9 ８ｒ₈= 116.254 ｄ₈= 5.000 ｎ₆=1.7618 ν₆=26.6 ９ｒ₉= -116.617 ｄ₉= 0.815 ｎ₇=1.7618 ν₇=26.6 10 ｒ₁₀= 1011.564 ｄ₁₀= 0.500 11 ｒ₁₁= 75.000 ｄ₁₁= 28.000 ｎ₈=1.5163 ν₈=64.1 12 ｒ₁₂= ∞ ｄ₁₂= 13.000 13 ｒ₁₃= -22.386 ｄ₁₃= 12.000 ｎ₉=1.7440 ν₉=44.7 14 ｒ₁₄= -22.692 ｄ₁₄= 10.000 15 ｒ₁₅= ∞ ｄ₁₅= -35.881 ( -8.419) 16 ｒ₁₆= -16.490 ｄ₁₆= -6.083 ｎ₁₀=1.6441 ν₁₀=48.4 17 ｒ₁₇= 19.392 ｄ₁₇= -13.000 ｎ₁₁=1.7215 ν₁₁=29.1 18 ｒ₁₈= 139.272 ｄ₁₈= -6.925 19 ｒ₁₉= 11.589 ｄ₁₉= -5.449 ｎ₁₂=1.7448 ν₁₂=42.8 20 ｒ₂₀= -19.833 ｄ₂₀= -9.078 ｎ₁₃=1.4870 ν₁₃=70.4 21 ｒ₂₁= 19.568 ｄ₂₁= -0.100 22 ｒ₂₂= -46.545 ｄ₂₂= -8.418 ｎ₁₄=1.5745 ν₁₄=42.3 23 ｒ₂₃= 49.607 ｄ₂₃= -36.069 (-63.532) 24 （５）（表示素子）。

【００２７】本実施例においては、左右画角５０°、上
下画角３８°、瞳径４ｍｍφであり、間隔の欄のカッコ
内の数値に変倍レンズ群４₂を移動することによって、
変倍レンズ群４₂の倍率はβ₁＝１．３６からβ₂＝
０．７５となり、観察画角は５０°から３０°に切り換
えることが可能となっている。図３に上記構成の光学系
における観察画角５０°の場合の球面収差、非点収差、
歪曲収差、横収差を表す収差図を、図４に観察画角３０
°の場合の同様の収差図を示す。なお、収差図中、Ｘは
画面の上下方向、Ｙは左右方向を示す。

【００２８】また、前記したそれぞれの条件式の値は、
以下の通りである。Ｒ＝1.81 ｆ_i／Ｌ_r＝0.34 ΔＬ／Ｌ_r＝0.20 β_z1 ＝1.39 β_z2 ＝0.77 ν_I−ν_II＝27.6
。

【００２９】（第２実施例）図５に本発明の第２実施例
の視覚表示装置の光学系の光路図を示す。図（ａ）は観
察画角５０°の場合であり、図（ｂ）は観察画角３０°
の場合である。図５において、１は観察者瞳位置、６は
接眼光学系、７はリレー光学系、８はリレー光学系の第
１群、９はリレー光学系の第２群、１１はリレー光学系
の第３群、５は２次元表示素子、１３はファイバープレ
ートである。

【００３０】この実施例のリレー光学系７は３群６枚の
構成であり、２次元表示素子５の画像をリレーして接眼
光学系６の前側焦点に対応した位置に一次像を形成す
る。２次元表示素子５からリレー光学系７により形成さ
れた一次像面までの距離は変えず、リレー光学系７内の
第２群９の位置を変えること、つまり、観察者瞳位置
１、２次元表示素子５及び接眼光学系６は固定にし、さ
らに、リレー光学系７の像面（２次元表示素子５）に最
も近い第１群８及び一次像面に最も近い第３群１１は動
かさず、これらのレンズ群８、１１に挟まれた第２群９
を変倍レンズ群とし光軸方向に移動させることにより、
リレー光学系７の投影倍率を二段階に変化させることが
できる。

【００３１】接眼光学系６は、リレー光学系７で形成さ
れた一次像を観察者瞳位置１を射出瞳として空中に虚像
として拡大投影するようになっていれば、どのようなレ
ンズ構成でもよい。本実施例では、接合レンズ１枚構成
のルーペタイプのものを用いている。この接眼光学系の
場合は、瞳から逆追跡して光学的評価をすると、像面湾
曲がかなり大きく発生している。そのため、リレー光学
系７と単純に組み合わせても、全光学系における軸外の
結像性能が悪くなるため、一次像を接眼光学系６の湾曲
した物体面に合わせる必要がある。そこで、画像を伝送
する一面が平面で、他の面が接眼光学系６の発生する像
面湾曲と同じ曲率で作られたファイバープレート１３を
一次像面に配置することによって、軸上から軸外までフ
ラットな画像を観察することができる。

【００３２】このような光学系の構成によれば、観察者
瞳位置１を射出瞳として、リレー光学系７によって形成
された一次像を空中に虚像として拡大投影をすることが
でき、観察画角の異なる２つの画面モードが実現でき
る。

【００３３】本実施例において、接眼光学系６に像面湾
曲がない場合は、ファイバープレート１３を使用する必
要はなく、リレー光学系７の一次像をそのまま利用すれ
ばよい。

【００３４】以下、この光学系の構成パラメータを示す
が、本実施例ではリレー光学系７部分のみを示し、その
他のパラメータは省略する。光線追跡は、２次元表示素
子５から射出瞳に向かう実際の光線の方向の追跡であ
り、面番号は、２次元表示素子５を面番号０とし、リレ
ー光学系７の一次像を面番号１２としてある。なお、各
面の曲率半径は、第１群８の入射側の面から第３群１１
の射出側の面まで順にｒ ₁〜ｒ₁₁で示し、それらの面間
隔をｄ₁〜ｄ₁₀で示してある。また、各硝材のｄ線の屈
折率をｎ₁〜ｎ₆で、アッベ数をν₁〜ν₆で示してあ
る。さらに、２次元表示素子５と第１群８の間隔をｄ₀
で、リレー光学系７とその一次像の間隔をｄ₁₁で示して
ある。

【００３５】０（５）（表示素子）ｄ₀= 25.720 １ｒ₁= -343.355 ｄ₁= 6.000 ｎ₁=1.6968 ν₁=56.5 ２ｒ₂= -43.237 ｄ₂= 23.346 ( 49.575) ３ｒ₃= 28.365 ｄ₃= 10.000 ｎ₂=1.6968 ν₂=56.5 ４ｒ₄= -115.021 ｄ₄= 8.429 ５ｒ₅= -29.549 ｄ₅= 5.000 ｎ₃=1.5487 ν₃=45.6 ６ｒ₆= 13.535 ｄ₆= 13.180 ７ｒ₇= 200.000 ｄ₇= 18.145 ｎ₄=1.6968 ν₄=56.5 ８ｒ₈= -27.430 ｄ₈= 26.329 ( 0.100) ９ｒ₉= 176.339 ｄ₉= 3.000 ｎ₅=1.6398 ν₅=34.5 10 ｒ₁₀= 24.047 ｄ₁₀= 22.000 ｎ₆=1.5163 ν₆=64.1 11 ｒ₁₁= -50.384 ｄ₁₁= 51.008 12 （１次像）。

【００３６】本実施例のリレー光学系７は、物体側はテ
レセントリックとしており、一次像側もテレセントリッ
クに近い構成となっているため、画面全体において光量
が均一であり、高コントラストなより良好な画像を観察
することができる。

【００３７】このリレー光学系７に上述のファイバープ
レート１３、接眼光学系６を配備した全光学系の場合、
左右画角５０°、上下画角３８°、瞳径４ｍｍφを実現
することが可能であり、上記の間隔の欄のカッコ内の数
値にリレー光学系７の第２レンズ群９が移動することに
よって、変倍レンズ群の倍率はβ₁＝１．２０からβ ₂
＝０．８４となり、観察画角は５０°から３５°に切り
換えることが可能となっている。

【００３８】また、図６に上記構成の変倍光学系の倍率
β₁＝１．２０の場合のリレー光学系７の球面収差、非
点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図を、図７に倍率
β₂＝０．８４の場合のリレー光学系７の同様の収差図
を示す。

【００３９】また、前記したそれぞれの条件式の値は、
以下の通りである。Ｒ＝1.43 ｆ_i／Ｌ_r＝0.49 ΔＬ／Ｌ_r＝0.18 β_z1 ＝1.18 β_z2 ＝0.82 ν_I−ν_II＝29.6
。

【００４０】（第３実施例）図８に、第３実施例の視覚
表示装置の右目用光学系の観察画角５０°の場合の観察
者頭部上方から見た光路図を示す。同図において、１は
観察者瞳位置、１５は観察者が正面を観察している時の
視軸、１６は凹面鏡によって構成された接眼光学系、１
７はリレー光学系、１８はリレー光学系１７の第１レン
ズ群、１９はリレー光学系１７の第２レンズ群、２０は
リレー光学系１７の第３レンズ群、２１はリレー光学系
１７の第４レンズ群、５は２次元表示素子である。

【００４１】座標系を、図示のように、観察者の左右方
向の右から左を正方向とするＹ軸、観察者の視軸１５方
向の眼球側から凹面鏡１６側を正方向とするＺ軸、上下
方向の上から下を正方向とするＸ軸と定義する。

【００４２】リレー光学系１７は４群６枚の構成であ
り、２次元表示素子５の画像をリレーして、接眼光学系
１６の前側焦点に対応した位置に一次像を形成する。２
次元表示素子５からリレー光学系１７により形成された
一次像面までの距離は変えず、リレー光学系１７内の第
２レンズ群１９から第４レンズ群２１までの位置を変え
て、つまり、観察者瞳位置１、２次元表示素子５、接眼
光学系１６、リレー光学系１７の一次像面に最も近い第
１レンズ群１８は固定にし、第２レンズ群１９から第４
レンズ群２１を変倍レンズ群として光軸方向に移動させ
ることにより、リレー光学系１７の投影倍率を二段階に
変化させることができる。

【００４３】以下、この光学系の構成パラメータを示す
が、面番号は、射出瞳１から２次元表示素子５へ向かう
逆追跡の面番号として示してある。

【００４４】各面の偏心量と傾き角は、凹面鏡１６（面
番号：２）については、Ｙ軸方向への偏心量のみが与え
られ、その頂点が射出瞳１中心を通る視軸１５（Ｚ軸方
向）からのＹ軸方向への偏心距離であり、リレー光学系
１７の第１レンズ群１８（面番号：３、４）について
は、各面の頂点の射出瞳１中心からのＹ軸正方向及びＺ
軸正方向への偏心量と、その面の頂点を通る中心軸のＺ
軸方向からの傾き角が与えられる。面の中心軸の傾き角
は、Ｚ軸正方向からＹ軸正方向へ向かう回転角（図で
は、反時計方向）を正方向の角度として与えられる。リ
レー光学系１７の第２レンズ群１９については、その第
１面（面番号：５）の頂点位置が第１レンズ群１８の各
面と同様に与えられ、その頂点を通る中心軸が光軸にな
り、その光軸の傾き角が同様に与えられる。偏心量と傾
き角の表示のない面（面番号：６〜１２）は、その前の
面と同軸であることを表す。また、２次元表示素子５の
偏心量と傾き角も、その中心の射出瞳１中心からのＹ軸
正方向及びＺ軸正方向への偏心量と、その中心を通る法
線のＺ軸方向からの傾き角が与えられる。

【００４５】また、各面の非球面形状は、座標系を図示
のようにとり、各面の近軸曲率半径を、Ｙ−Ｚ面（紙
面）に垂直な面内での曲率半径をＲ_x、Ｙ−Ｚ面内での
曲率半径をＲ_yとすると、次の式で表される。

【００４６】Ｚ =［( Ｘ²/Ｒ_x)+ (Ｙ²/Ｒ_y) ］／［1+
｛ 1-(1+Ｋ_x) ( Ｘ²/Ｒ_x ²)-(1+Ｋ_y) ( Ｙ²/Ｒ_y ²)｝
^1/2］＋ＡＲ［ (1-ＡＰ) Ｘ²+( 1+ＡＰ) Ｙ²］²＋Ｂ
Ｒ［ (1-ＢＰ) Ｘ²+( 1+ＢＰ) Ｙ²］³… ここで、Ｋ_xはＸ方向の円錐係数、Ｋ_yはＹ方向の円錐
係数、ＡＲ、ＢＲはそれぞれ回転対称な４次、６次の非
球面係数、ＡＰ、ＢＰはそれぞれ非対称な４次、６次の
非球面係数である。

【００４７】また、面間隔は、射出瞳１と凹面鏡１５の
間については、射出瞳１中心と凹面鏡１５頂点間のＺ軸
方向の間隔、リレー光学系１７の第２レンズ群１９の第
１面（面番号：５）からその像面（２次元表示素子５）
に到る間隔は、光軸に沿う間隔で示してある。リレー光
学系１７の第２レンズ群１９から第４レンズ群２１につ
いては、面の曲率半径をｒ₁〜ｒ₈で、面間隔をｄ₁〜
ｄ₇で、ｄ線の屈折率をｎ₁〜ｎ₅で、アッベ数をν₁
〜ν₅で示す。

【００４８】面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１（１）（射出瞳） 46.398 ２（16）Ｒ_y -79.876 0 Ｙ：-28.908 Ｒ_x -55.948 Ｋ_y -0.833484 Ｋ_x -4.339571 ＡＲ -0.169730 ×10^-5 ＢＲ 0.191765 ×10^-9 ＡＰ -0.195091 ＢＰ -0.367518 ３（18）Ｒ_y -24.621 0 ｎ =1.6204 ν = 60.3 Ｒ_x -49.801 Ｙ：-39.532 -10.549° Ｋ_y 0.134142 Ｚ： 14.664 Ｋ_x -4.272420 ＡＲ -0.708880 ×10^-7 ＢＲ 0.564608 ×10^-12 ＡＰ 0.525884 ×10⁺¹ ＢＰ 0.451874 ×10⁺² ４Ｒ_y -6.478 0 Ｙ：-45.655 4.151° Ｒ_x -21.319 Ｚ： 0.421 Ｋ_y -0.825173 Ｋ_x -2.696884 ＡＲ 0.297414 ×10^-4 ＢＲ 0.593609 ×10^-7 ＡＰ 0.100676 ×10⁺¹ ＢＰ 0.967084 ５（ｒ₁） -32.567 （ｄ₁） -10.312 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｙ：-47.668 40.250° (-40.564) Ｚ：-19.476 ( -7.163) ６（ｒ₂） 15.342 （ｄ₂） -1.000 ｎ₂=1.7487 ν₂= 35.3 ７（ｒ₃） 36.987 （ｄ₃） -1.656 ８（ｒ₄） -22.469 （ｄ₄） -1.000 ｎ₃=1.7618 ν₃= 26.6 10（ｒ₆） 39.504 （ｄ₆） -9.731 11（ｒ₇） -44.876 （ｄ₇） -6.000 ｎ₅=1.7440 ν₅= 44.7 12（ｒ₈） 125.558 13（９）（表示素子）Ｙ：-78.557 38.832° Ｚ：-66.509 。

【００４９】本実施例の左右（Ｙ方向）画角は５０°、
上下（Ｘ方向）画角は３９°で、瞳径は４ｍｍφであ
る。

【００５０】本実施例の場合は、上記の偏心量の欄のカ
ッコ内の数値にリレーレンズ系１７を移動することによ
って、変倍レンズ群の倍率はβ₁＝１．４からβ₂＝
０．７となり、観察画角は５０°から３０°に切り換え
ることが可能となっている。

【００５１】また、図９に上記構成の光学系の観察画角
５０°の場合の収差図を、図１０に観察画角３０°の場
合の収差図を示す。ただし、本実施例は複雑な偏心構造
を持つ光学系のため、横収差のみを示す。

【００５２】また、前記したそれぞれの条件式の値は、
以下の通りである。Ｒ＝1.86 ｆ_i／Ｌ_r＝0.22 ΔＬ／Ｌ_r＝0.14 β_z1 ＝1.9 β_z2 ＝1.0 ν_I−ν_II＝37.5
。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の変倍光学系は、光学系により決定される瞳面の中心と
像面の中心とを結ぶ光線を光軸としたときに、前記瞳面
と前記像面の間に配置された光学系が、少なくとも、回
転非対称な成分を含んだ非球面形状の反射面と、回転非
対称な成分を含んだ非球面状の屈折面と、回転対称面を
含んだレンズとを含み、少なくとも前記回転対称面を含
んだレンズを光軸方向に移動させることによって変倍を
行なうように構成されているため、観察像の一次像への
投影倍率を適切に設定することができ、非常に簡単な構
造によって観察画角可変手段を実現することができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の視覚表示装置の光学系の
観察画角５０°の場合の光路図である。

【図２】第１実施例のプリズム型接眼光学系の観察画角
５０°の場合の光路図である。

【図３】第１実施例の観察画角５０°の場合の球面収
差、非点収差、歪曲収差、横収差を表す収差図である。

【図４】第１実施例の観察画角３０°の場合の同様の収
差図である。

【図５】第２実施例の視覚表示装置の光学系の光路図で
ある。

【図６】第２実施例の変倍光学系の倍率β₁＝１．２０
の場合のリレー光学系の球面収差、非点収差、歪曲収
差、横収差を表す収差図である。

【図７】第２実施例の変倍光学系の倍率β₂＝０．８４
の場合のリレー光学系の同様の収差図である。

【図８】第３実施例の視覚表示装置の光学系の観察画角
５０°の場合の光路図である。

【図９】第３実施例の観察画角５０°の場合の横収差を
表す収差図である。

【図１０】第３実施例の観察画角３０°の場合の同様の
収差図である。

【図１１】従来の１つの頭部装着式視覚表示装置の概略
の構成を示す図である。

【符号の説明】

１…観察者瞳位置２…プリズム型接眼光学系３…反射鏡４…リレー光学系４₁、４₂…レンズ群５…２次元表示素子Ｐ…接合プリズムＬ１…接合レンズＬ２…正レンズ６…接眼光学系７…リレー光学系８…第１群９…第２群１１…第３群１３…ファイバープレート１５…視軸１６…凹面鏡（接眼光学系）１７…リレー光学系１８…第１レンズ群１９…第２レンズ群２０…第３レンズ群２１…第４レンズ群

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学系により決定される瞳面の中心と像
面の中心とを結ぶ光線を光軸としたときに、前記瞳面と
前記像面の間に配置された光学系が、少なくとも、回転
非対称な成分を含んだ非球面形状の反射面と、回転非対
称な成分を含んだ非球面状の屈折面と、回転対称面を含
んだレンズとを含み、少なくとも前記回転対称面を含んだレンズを光軸方向に
移動させることによって変倍を行なうように構成されて
いることを特徴とする変倍光学系。
【請求項２】前記変倍光学系が、少なくとも前記回転
非対称な成分を含んだ非球面状の屈折面を２面有するこ
とを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
【請求項３】前記変倍光学系が、屈折媒質により形成
された第１群を有し、前記第１群の屈折面に前記非球面形状の屈折面を配置し
たことを特徴とする請求項１又は２記載の変倍光学系。
【請求項４】前記第１群と前記像面の間に、前記回転
対称面を含んだレンズを配置したことを特徴とする請求
項３記載の変倍光学系。
【請求項５】前記非球面形状の反射面と前記非球面形
状の屈折面との間に中間像を形成することを特徴とする
請求項１から４の何れか１項記載の変倍光学系。
【請求項６】前記中間像が湾曲形状にて構成されてい
ることを特徴とする請求項５記載の変倍光学系。
【請求項７】前記変倍光学系は、二段階変倍にて構成
され、一方の倍率をβとするとき、他方の倍率が略１／
βとなるように構成されていることを特徴とする請求項
１から６の何れか１項記載の変倍光学系。
【請求項８】前記二段階変倍の倍率の高い値をβ₁、
倍率の低い値をβ₂、Ｒ＝β₁／β₂としたときに、以
下の条件（１）を満足することを特徴とする請求項７記
載の変倍光学系。（１）１．１＜Ｒ＜２．２５