JP3870071B2 - Image display device and imaging device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子等に表示された原画を拡大表示させるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置に好適な表示光学系および撮像装置に好適な撮像光学系に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
CRTやLCD等の画像表示素子を用い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置(ヘッドマウントディスプレイ)が良く知られている。
【0003】
このヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【0004】
図12には、従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置を示している。同装置では、表示素子101に表示された画像からの光束をハーフミラー102で反射させ、凹面鏡103に入射させ、凹面鏡103で反射した光束をハーフミラー102を介して観察者の眼Eに導いている。表示素子101に表示した画像は、凹面鏡103によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子101に表示した画像の拡大虚像を観察することができる。
【0005】
また、例えば特開平7−333551号公報,特開平8−50256号公報,特開平8−160340号公報および特開平8−179238号公報等においては、画像を表示する画像表示素子としてのLCD(液晶)と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【0006】
図13には、特開平7−333551号公報で提案されている画像表示装置を示している。この装置において、LCD111から発せられた光は、小型の偏心プリズム112の入射面113に入射する。そして、プリズム112に形成した曲率を有した全反射面114と反射面115との間で光束が折り畳まれ、その後、面114より偏心プリズム112から射出して観察者の眼Eに導かれる。これによって表示素子(LCD)111に表示された画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【0007】
偏心プリズム112の反射面115は、偏心非回転対称面(アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面)で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【0008】
図13に示す光学系のタイプは、図12に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
近年、画像を表示する表示素子であるLCD等の高精細化が進み、従来と同程度の画素数を有しながらも従来より小型化されたLCD等が開発されている。このような小型化された画像表示素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、従来と同様の画角を達成するためには、光学系の倍率を上げる必要が生じる。
【0010】
このような状況に鑑みて、特開平10−153748号公報には、偏心プリズムとリレーレンズ系とを組み合わせ、リレーレンズ系により一旦中間像を形成してから表示素子に表示された画像を観察者に導く光学系が提案されている。これにより、図13に示すタイプの薄型という特徴を有しつつ、更なる倍率向上を果たし、LCDサイズに対して広画角化を図っている。
【0011】
また、この特開平10−153748号公報にて提案の光学系に比べて、更なる光学性能向上を図ったものとして、偏心プリズムの内部反射面を増加させ、偏心プリズムのみで中間像を形成し、その像を観察者に導くタイプや、第1の偏心プリズム光学系に第2の偏心プリズムを設けたタイプ等が、特開2000−066106号公報,特開2000−105338号公報,特開2000−131614号公報,特開2000−199853号公報,特開2000−227554号公報および特開2000−231060号公報等に提案されている。
【0012】
一般的に、一旦中間像を形成するタイプの光学系は光路長が長くなり、装置が大型化するという問題があるが、これらの各公報にて提案の光学系においても、透過作用と反射作用とを果たす兼用面を用いたり、光路を交差させたりする等の工夫により小型化を目指している。
【0013】
本発明は、小型の表示素子を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で広撮影画角を達成できる撮像光学系を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第1の発明では、画像表示素子と、画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置において、表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第1の面、この第1の面で反射した原画からの光を第1の面に戻すように反射する第2の面および原画から第1の面に向かう光を透過するとともに第2の面から第1の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第3の面を有する第1の光学素子と、原画からの光を上記第3の面に導く第2の光学素子とを設け、上記第3の面と第2の光学素子の射出面とを接合すると共に、第1の光学素子を、第1の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第2の面で反射されて第1の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成し、第1の光学素子内に原画の中間像を形成している。
【0015】
すなわち、第1の光学素子において、第1、第2および第3の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学系の中に納めることができるようにしている。このため、第2の光学素子を含む表示光学系全体として小型化を図ることが可能となる。
【0016】
そして、第1の光学素子の第3の面と第2の光学素子の射出面とを接合することにより、第1および第2の光学素子相互間の位置決めを容易にするとともに、第1の光学素子への光の入射時における収差の発生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することが可能となる。
【0017】
なお、第1の光学素子は、第1の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第2の面で反射されて第1の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成されている。即ち、第1の面で反射された光を第2の面によって第1の面における最初の光の反射領域側(反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域)に戻すように反射することによって効果的に光路を重複させ、長い光路長を小型の光学系の中に納めている。
【0018】
また、表示光学系(例えば、第1の光学素子)内で原画の中間像を形成している。すなわち、小型の原画の実像を形成しそれを拡大して表示する中間結像タイプとすることにより、光学設計の自由度が増え、原画を大画面表示させることが可能となる。
【0019】
また、第1の光学素子および第2の光学素子の光学面を当該面において反射する光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで表示光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面(自由曲面)とすることにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面(自由曲面)を複数面採用することにより、原画のアスペクト比と表示画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な表示画像を得ることが可能となる。
【0020】
なお、この表示光学系は、観察者が頭部に装着して画像を観察するためのヘッドマウントディスプレイ(HMD)やスクリーン等の被投射面に画像を拡大投射する投射型画像表示装置(プロジェクタ)等の画像表示装置に好適である。
【0021】
また、本願第2の発明では、撮像素子と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置において、撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第1の面、この第1の面で反射した被写体からの光を第1の面における最初の光の反射領域側(反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域)に戻すように反射する第2の面および被写体からの光を第1の面に向けて反射するとともに第2の面から第1の面に戻されて反射した光を撮像面側に透過させる第3の面を有する第1の光学素子と、第3の面から射出した光を撮像面に導く第2の光学素子とを設け、上記第3の面と第2の光学素子の入射面とを接合すると共に、第1の光学素子を、第1の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第2の面で反射されて第1の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成し、第1の光学素子内に被写体の中間像を形成している。
【0022】
すなわち、第1の光学素子において、第1、第2および第3の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学系内に納めることができるようにしている。このため、第2の光学素子を含む撮像光学系全体として小型化を達成することが可能となる。
【0023】
そして、第1の光学素子の第3の面と第2の光学素子の射出面とを接合することにより、第1および第2の光学素子相互間の位置決めを容易にするとともに、第1の光学素子からの光の射出時における収差の発生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現することが可能となる。
【0024】
また、撮像光学系(例えば、第1の光学素子)内で被写体の中間像を形成している。すなわち、被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することが可能である。
【0025】
また、この撮像光学系を構成する光学面を当該面において反射する光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで撮像光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面(自由曲面)とすることにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面(自由曲面)を複数面採用すると、被写体のアスペクト比と撮影画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な撮影画像を得ることが可能となる。
【0026】
なお、この撮像光学系は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に好適である。
【0027】
また、第1および第2の発明において、光学素子上の光学面で光を全反射させるようにすることにより、光量ロスを少なくすることが可能である。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本実施形態で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。
【0029】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でz軸を光軸とすると、yz断面が従来の母線断面(メリジオナル断面)、xz断面が子線断面(サジタル断面)となる。
【0030】
本実施形態の光学系は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【0031】
中心画角主光線(表示光学系においては表示素子の画像表示面の有効表示領域中心から表示光学系の射出瞳中心に至る光線であり、撮像光学系においては撮像光学系の入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面の有効撮像領域中心に至る光線である)と各面とのヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面(通常の子線断面)と平行な面をローカル子線断面として定義する。
【0032】
(第1実施形態)
図1には、本発明の第1実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系は、第1の光学素子1と、第2の光学素子2とを有して構成されている。
【0033】
第1の光学素子1は、面A,面B,面Cの3つの光学面が、ガラスやプラスチックなどの屈折率n1の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなる。また、第2の光学素子2は、面D,面Eの2つの光学面が屈折率n2の媒質上に形成されたレンズ状の透明体からなる。3は画像表示素子であり、透過型又は反射型のLCD等が用いられる。
【0034】
第1の光学素子1において、面A(第1の面),面B(第3の面)はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面であり、面C(第2の面)は反射面である。
【0035】
また、第2の光学素子2において、面Dおよび面Eはともに透過面である。本実施形態では、第1の光学素子1の面Bと第2の光学素子2の面Dとが接合されており、第1の光学素子1と第2の光学素子2とが一体化されている。
【0036】
面Cには反射膜が形成されており、面Bおよび面Dのうち少なくとも一方には半透過反射膜(ハーフミラー)が形成されている。
【0037】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏向方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【0038】
また、面Aの一部(上部)は、反射膜、半透過反射膜形成若しくは内部全反射を利用することにより、反射面として作用させる。
【0039】
このように構成することで、面Bは第1の光学素子1の入射面および反射面として、面Cは反射面として、面Aは反射面および第1の光学素子1の射出面として機能する。また、面Eが第2の光学素子2の入射面として、面Dが第2の光学素子2の射出面として機能する。
【0040】
また、第1の光学素子1および第2の光学素子2の透明体はいずれも屈折力を有しており、それぞれ曲率を有した光学面を少なくとも1面ずつ有している。
【0041】
画像表示素子3により変調され画像表示面から発した光は、第2の光学素子2の面Eから第2の光学素子2に入射し、第1の光学素子1の入射面である面Bと接合された面Dから第2の光学素子2を射出する。
【0042】
光は面Bを透過して第1の光学素子1に入射し、面Aで反射して面Cに導かれる。面Aで反射した光は面Cで入射方向に対して略逆向きに戻るように反射される。これにより、光は面Aにおける最初の光の反射領域付近に戻されて再度反射し、ハーフミラー接合面Bで反射した後、面Aを透過して第1の光学素子1を射出し、射出瞳Sに到達する。
【0043】
本実施形態においては、射出瞳Sの位置付近に観察者が眼を置くことで、中心画角主光線の瞳への入射方向を視軸方向とする観察者により、画像表示素子3上に表示された画像の拡大像が視認される。
【0044】
なお、図1には、画像表示素子3から発した光として画像表示素子3の画像表示面中心を射出し、射出瞳Sの中心に至る中心画角主光線を示しており、中心画角主光線が形成する平面における光学断面図が示されている。
【0045】
第1の光学素子1において、光は面B→面A→面C→面A→面B(→面A)の順で各面を通過し、面Cでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。
【0046】
ここでは、面B→面A→面Cまでを往路と、面C→面A→面Bの光路を復路と称し、往路と復路を合わせて往復光路と呼ぶ。このような往復光路を形成するために往路から復路へと光を略逆方向に反射することを折り返し反射と呼び、また、往路と復路との折り返し地点に相当し、折り返し反射作用を有する反射面(ここでは面C)を折り返し反射面と呼ぶ。
【0047】
このように、面Cを折り返し反射面として、第1の光学素子1内に往復光路を形成して光路を重複させるように折り返し、第1の光学素子1内を有効に利用し、光路長に対して第1の光学素子1のサイズを小さくすることができる。そして、これにより、第2の光学素子2を含む表示光学系の全体を小型化している。
【0048】
すなわち、本実施形態では、第1の光学素子1内で折り返し反射面Cに到るまでの光路である往路と、折り返し反射面Cで反射された後の光路である復路とが、面A,Bの2つの面で共用され、2つの面を往路と復路とで逆の順序で使用して往復光路を形成している。
【0049】
このように、面Cでの折り返し反射の前後に少なくとも2つの面を用いて往復光路を形成して光路の重複度を高めることで、長い光路長を持つ光学系であったとしても、光学系の全長を短く抑えたコンパクトな光学系を実現している。
【0050】
図2および図3はそれぞれ、本実施形態における図1と同じ断面での最大画角主光線を示した図および中心画角のマージナル光線を示した図である。
【0051】
図2に点線で示したように、画像表示素子3の画像表示面の端を出て射出瞳Sの中心に到る光(最大画角主光線)は、中心画角主光線と同様に、第2の光学素子2を経て第1の光学素子1に導かれ、B面入射→A面反射→C面折り返し反射→A面反射→B面反射→A面射出の順に通過して射出瞳Sの中心に導かれる。
【0052】
また、図3に鎖線で示したように、画像表示素子3の画像表示面の中心より射出して射出瞳Sの両端に到る光線(マージナル光線)も、中心画角主光線と同様に、第2の光学素子を経て第1の光学素子1に導かれ、B面入射→A面反射→C面折り返し反射→A面反射→B面反射→A面射出の順に通過して射出瞳Sの両端に導かれる。
【0053】
この際、第1の光学素子1内でマージナル光線が交わっており、画像表示素子3上に表示された画像の中間像が図中に示した中間結像面付近に形成される。
【0054】
このように、第1の光学素子1内に中間像を形成することで、第2の光学素子2のパワーを極端に強くすることなくコンパクトな構成とすることができ、第2の光学素子2における余計な収差の発生を抑え、第2の光学素子2の複雑化を防止できる。
【0055】
図3においては、A面反射→C面での折り返し反射の間に中間像が形成されているが、中間像の位置は必ずしもこの位置にある必要はなく、第1の光学素子1内に形成されていればよい。
【0056】
本実施形態においては、第2の光学素子2の面Eでの屈折、第2の光学素子2の面Dと第1の光学素子1の面Bとを接合した面での屈折および面Aでの反射によりリレー光学系が形成されている。また、面Cでの折り返し反射、面Aでの再反射、面Bでの反射および面Aでの屈折により接眼光学系が形成されている。
【0057】
接眼光学系の収差補正を容易にするために、中間結像面は接眼光学系での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有したりするようにしてもよい。
【0058】
また、第1の光学素子1の面A,Bは、最終的に射出瞳Sに導かれる有効光束がそれぞれの面で反射する際の反射光束に対して傾いた面とされており、折り返し反射面であるC面までの往路、すなわちB面入射→A面反射→C面の光路と、C面以降の復路であるC面→A面反射→B面反射→A面射出の光路とを、ともに折り畳んだ構成として第1の光学素子1を薄型にしている。
【0059】
以上説明した構成においては、第1の光学素子1は、少なくとも面Bを含む2つの面を曲面で構成することが好ましい。これにより、結像ないし収差補正に寄与しない面を少なくすることができ、光学系全体に必要な光学面数を削減し、製造コスト削減の効果が期待できる。
【0060】
更に望ましくは、面A,B,Cをそれぞれ曲面で構成することで、更なる製造コスト削減の効果が得られる。同様の理由で、第2の光学素子2の光学面D,Eもそれぞれ曲面とすることが好ましい。
【0061】
また、本実施形態においては、面Bが第1光学素子の少なくとも1面の曲面であり、最終反射面として作用するときの面Bは非常に強い光学的パワーを有した凹面鏡となっている。更に、面Bは、面Cで折り返し反射された後の光線に対して非常に偏心度合いの高い反射面となっている。
【0062】
即ち、凹面鏡面Bでは偏心収差が発生する。従って、第1の光学素子1の少なくとも1面に回転非対称な形状の面(いわゆる自由曲面)を用いて、偏心収差の発生を補正することが望ましい。
【0063】
特に、面Bは面Aに対して光学的パワーの強い曲面であるため、面Bを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。従って、面Bとの接合面である第2の光学素子2の面Dも回転非対称な形状となる。
【0064】
更に好ましくは、第1の光学素子1を構成する3つの面A,B,Cの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。
【0065】
更に望ましくは、第2の光学素子2を構成する面D,Eも共に回転非対称面とするとよい。
【0066】
このとき、各回転非対称面を、図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい。
【0067】
また、面Aでの反射を第1の光学素子1内での全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。また、少なくとも面Aでの反射光束と射出光束とが共用する領域においては、反射光束が全反射するようにすると、反射光束の全てを全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【0068】
この際、面Aでの反射光束が全反射しない領域には反射膜を形成するが、全反射部と反射膜による反射部との境界領域付近を全反射部に近づくに従って反射率が低下するようなグラデーション反射膜とすると、境界領域での散乱や全反射と反射膜による反射での反射率の違いに起因して境界領域が目立つという現象を抑えることができ、好ましい。
【0069】
また、上述したように、面Bは中心画角主光線に対して偏心し、且つ強い集光作用を持った偏心曲面であるため、面Bを屈折面として用いる際にも偏心収差(回転非対称な収差)が発生する。
【0070】
このため、屈折率n1(>1)の第1の光学素子1と屈折率n2(>1)の第2の光学素子2とを接合し、面Bでの屈折透過時(第1の光学素子1への入射時)の偏心収差発生を減少させる効果を持たせることが好ましい。
【0071】
具体的には、n1とn2との差の絶対値|n1−n2|をn1−1およびn2−1よりも小さく設定する必要がある。さらに好ましくは、n1=n2とすることで透過時の偏心収差発生を防ぐことができる。
【0072】
図1において、nEおよびnBはそれぞれ、面Eの中心画角主光線のヒットポイントでの法線、面Bの中心画角主光線のヒットポイントでの法線である。中心画角主光線の第2の光学素子2の入射面Eへの入射角度θ2,出射角度θ2’が、第1の光学素子1の入射面Bへの入射角度θ1,出射角度θ1’よりも小さくなるように面B(面D)に対して面Eを傾けると、第2の光学素子2への入射時に発生する偏心収差を少なく抑えることができるため、好ましい。
【0073】
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子3に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供することがてきる。
【0074】
また、表示光学系内で1回結像を行うことで、設計の自由度を向上させ、画像表示素子3の表示サイズに対する表示画角の広画角化(高倍率表示)を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを第1の光学素子1内に往復光路を形成することで光路を重複させて第1の光学素子1の全長を短く抑え、非常にコンパクトな光学系を構成できる。
【0075】
さらに、第1の光学素子1と第2の光学素子2とを接合することにより、両光学素子1,2の位置決めを容易とするとともに、第1の光学素子1への入射時の偏心収差発生を抑制するとともに、強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することができる。
【0076】
(第2実施形態)
図4には、本発明の第2実施形態である撮像光学系の構成を示している。この撮像光学系は、第1実施形態のものと同様の第1の光学素子1と第2の光学素子2とから構成されている。4はCCD等の撮像素子である。Sは第1の光学素子1および第2の光学素子2からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【0077】
本実施形態では、面A(第1の面)は第1の光学素子1の入射面および反射面として作用し、面B(第3の面)は第1の光学素子1の反射面および射出面として作用し、面C(第2の面)は第1の光学素子1の反射面としてのみ作用する。
【0078】
また、面Dは第2の光学素子2の入射面として作用し、面Eは第2光学素子2の射出面として作用する。そして、第1の光学素子1の反射面兼射出面Bと第2の光学素子2の入射面Dとは、少なくとも一方に半透過反射膜(ハーフミラー)が形成された後、接合されている。
【0079】
絞りSを通過した被写体からの光は、第1の光学素子1に面Aから入射し、面Bで反射し、面Aで反射して面Cに導かれる。そして、面Cで折り返し反射して面Aにおける最初の光の反射領域に戻され、面Aで再反射して面Bを透過して第1の光学素子1を射出する。ここで、面Aおよび面Bはそれぞれの面での反射光束を構成する光線に対して偏心している。
【0080】
第1の光学素子1を射出した光は、第2の光学素子2を通過して撮像素子4に到達する。この際、所望の外界(被写体)からの光は撮像素子4の撮像面上に結像し、これにより、外界像の撮像を行うことができる。
【0081】
以上のように撮像光学系を構成することにより、被写体を撮像素子4に良好な光学性能で結像させる撮像装置を提供することができる。
【0082】
また、第1の光学素子1内で1回中間結像させることで、撮像素子4のサイズに対して撮影画角の広画角化を可能にし、これに伴い光路長が長くなるのを第1の光学系1内に往復光路を形成することで光路を重複させるよう折り畳み、第1の光学系1の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を実現している。
【0083】
さらに、第1の光学素子1と第2の光学素子2とを接合することにより、両光学素子1,2の位置決めを容易とするとともに、第1の光学素子1からの光の射出時の偏心収差発生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現している。
【0084】
なお、以上説明した第1および第2実施形態においては、中心画角主光線(表示光学系においては画像表示素子の表示面中心から射出瞳S中心に至る光線であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面中心に至る光線である)の面Cにおける折り返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本発明の光学系はこの構成に限るものではない。
【0085】
(第3実施形態)
図5および図6には、本発明の第3実施形態である表示光学系を示している。これらの表示光学系は、第1実施形態の第1の光学素子1とは異なる第1の光学素子1’,1”を用いた例である。
【0086】
図6および図7ともに、B面入射→A面反射→C面折り返し反射→A面反射→B面反射→A面射出の光路が形成されている点は第1実施形態の第1の光学素子1と同様である。
【0087】
但し、図5の第1の光学素子1’では、面Aで反射した中心画角主光線が面Cで角度θをなして折り返し反射されて、面Aでの最初の反射地点よりも高い位置(但し、最初の光の反射領域寄りの領域)で再反射される点が第1実施形態と異なる。
【0088】
また、図6の第1の光学素子1”では、面Aで反射した中心画角主光線が面Cで角度θをなして折り返し反射されて、面Aでの最初の反射地点よりも低い位置(但し、最初の光の反射領域寄りの領域)で再反射される点が第1実施形態と異なる。
【0089】
このように折り返し反射面Cの前後で光が所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
|θ|<30°
を満たすことが好ましい。
【0090】
この条件を外れると、第1の光学系が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない。
【0091】
なお、本実施形態では、第1の光学系を有する表示光学系について説明したが、第2実施形態に示したような撮像光学系にも本実施形態と同様の考え方を適用することができる。すなわち、折り返し反射面Cでの折り返し反射の前後で光線が所定の角度θ(|θ|<30°)をなして入射・反射されてもよい。
【0092】
(第4実施形態)
図7には、本発明の第4実施形態である表示光学系の構成を示している。この表示光学系は、第1の光学素子11と、第2光学素子12とから構成されている。3は画像表示素子であり、透過型又は反射型のLCD等が用いられる。
【0093】
第1の光学素子11は、第1実施形態の第1の光学素子1と同様に、面A,面B,面Cの3つの光学面が屈折率n1の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなり、面A,面Bはともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面であり、面Cは反射面である。但し、後で詳述するように、本実施形態においては、面Aが第1の面と第2の面との両方の機能を有した面となっている。面Bは第1実施形態と同様に第3の面である。
【0094】
また、面Cには反射膜が形成され、面Bには半透過反射膜が形成されている。本実施形態では、さらに面Aの一部(上部)にも反射膜が形成されている。
【0095】
一方、第2の光学素子12は面D,面E,面Fの3つの光学面が屈折率n2の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなり、面Dおよび面Eはともに透過面として作用する面であり、面Fは反射面として作用する面である。面Fには反射膜が形成されている。
【0096】
本実施形態では、面Eは第2の光学素子12の入射面として、面Fは第2の光学素子12の反射面として、面Dは第2の光学素子12の射出面として機能する。また、面Bは第1の光学素子11の入射面および反射面として、面Cは反射面として、面Aは反射面および第1の光学素子11の射出面として機能する。
【0097】
画像表示素子3により変調されて発した光は、第2の光学素子12に面Eから入射し、面Fで反射した後、第1光学素子の面Bと接合された面Dから射出して第1の光学素子11に導かれる。
【0098】
光は面Bを透過して第1の光学素子11に入射し、面Aで反射した後、面Cで反射し、面Aの上部に導かれる。面Aに導かれた光は、これまで第1の光学素子11内を辿ってきた順路を逆転させた順路で戻るように、面Aで略垂直に反射(折り返し反射:2回目反射)し、面Cで再度反射し、面Aにおける最初の光の反射領域に戻されて再反射(3回目反射)し、更に面Bで反射して面Aを透過して第1の光学素子11を射出し,射出瞳Sに到達する。
【0099】
射出瞳Sの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子3上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【0100】
なお、図7には、画像表示素子3から発した光の例として、画像表示素子3の表示面中心を射出し、射出瞳Sの中心に到る中心画角主光線を示しており、中心画角主光線によって形成される光学断面図が示されている。
【0101】
また、面Aにおける3回の反射のうち少なくとも1回目と3回目の反射と、面Bにおける反射と、面Cにおける反射とに際しては、これらの各面が画像表示素子3を発して射出瞳Sに到る有効光束を形成する任意の光線に対して偏心した偏心反射面として作用するようにしている。これにより、光路を第1の光学素子11内で折り畳み、第1の光学素子11を薄型構成としている。
【0102】
本実施形態においては、第1光学素子11の内部を、光が面B(透過)→面A(反射)→面C(反射)→面A(折り返し反射)→面C(再反射)→面A(再反射)→面B(反射)(→面A(透過))の順で各面を通過し、面Aでの折り返し反射を境に、最終反射面Bに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。
【0103】
すなわち、本実施形態では、第1の光学素子11内で折り返し反射面Aに到るまでの光路と、折り返し反射面Aで反射された後の光路とが、面A,B,Cの3つの面で逆順に重複して往復光路を形成している。
【0104】
このように、折り返し反射面Aでの反射の前後に3つの面を用いて往復光路を形成し、第1実施形態に比べて更に光路の重複度を高めることで、第1の光学素子の全長を更に短く抑えたコンパクトな光学系を実現することができる。
【0105】
また、本実施形態においては、第2の光学素子12中に反射面Fを設けている。これにより、光路形成の自由度を向上させて、第1実施形態に対して更に光学系全体を薄型化するとともに、光学作用面を増加させて第2の光学素子12における各面の分担する光学的パワーを弱め、収差発生を抑えている。
【0106】
また、本実施形態においても、第1の光学素子11内に中間像を形成することで、余計な収差発生を抑えることができる。中間像は接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に応じて、適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように結像されてもよい。
【0107】
また、第1の光学素子11の少なくとも面B,Cを曲面とすることで、結像ないし収差補正に寄与しない面を少なくし、光学系に必要な面数を削減している。
【0108】
さらに、面A,B,Cをそれぞれ曲面で構成することで、結像ないし収差補正に寄与しない面を更に省いた光学素子とすることができ、これによりコスト削減の効果も期待できる。同様の理由により、第2の光学素子12の光学面D,E,Fもそれぞれ曲面とすることが好ましい。
【0109】
また、面Bを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。従って、面Bとの接合面である面Dも回転非対称形状となる。
【0110】
更に好ましくは、第1の光学素子11を構成する3つの面A,B,Cの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。
【0111】
更に望ましくは、第2の光学素子12を構成する面D,E,Fも回転非対称形状にするとよい。このとき,各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい.
また、面Aでの折り返し反射以外の反射に関して、面Aでの反射を第1の光学素子11内での全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、少なくとも面Aでの反射光束と射出光束とが共用する領域(面Aの下部)においては、反射光束が全反射するようにすると、面Aでの折り返し反射以外の反射光束全てを全反射とする場合に比べて設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる.
また、上記第3実施形態のように、折り返し面Aの前後で光線が所定の角度θをなして入射・反射されてもよい。但し,角度θは、
|θ|<30°
を満たすことが好ましい。この条件を外れると、第1の光学素子11が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない.
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子3に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供することができる。
【0112】
また、表示光学系内で1回結像を行うことで、画像表示素子3の表示サイズに対する表示画角の広画角化(高倍率提示)を可能にするとともに、長い光路長を第1の光学素子11内に往復光路を形成することで光路を重複させることにより第1の光学素子11の全長を短く抑え、非常にコンパクトな光学系を構成している。
【0113】
なお、本実施形態で説明した光学系は、光路を逆として画像表示素子に代えて撮像素子を配置することで、撮像光学系として用いることができる。
【0114】
また、以上説明した各実施形態で示した第1の光学素子や第2の光学素子の面数や形状および組み合わせは特にこれらに限定されるものではない。
【0115】
さらに、以上説明した全ての実施形態において、第1の光学系を通過する光束の任意の光線をトレースしたとき、その光線は、第1の面における最初の(1回目)の反射と2回目の反射とで、一方の反射角を基準として他方では逆符号の反射角で反射するような光路をとっている。
【0116】
具体的には、例えば図1の紙面内において、1回目の反射(A面反射)における反射角が正符号(反射光が面法線に対して紙面内反時計周り方向に存在する場合)であれば、2回目の反射(A面再反射)における反射角は負符号(反射光が面法線に対して紙面内時計周り方向に存在する場合)となるような光路になっている。
【0117】
このような光路をとることによって、第1の面と第2の面との間で光束は略往復することになるので、第1の光学系内の空間有効に利用して光路長を稼ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学系が実現できる。
【0118】
以下、上記各実施形態の数値実施例について説明する。
【0119】
[数値実施例1]
図8には、図1に示した第1実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断面図を示している。図中、1は表示光学系を構成する第1の光学素子であり、3つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。S2,S4,S6は同一面、S3,S7は同一面であり、これら2面とS5はそれぞれ上記第1実施形態において説明した面A,B,Cに相当する。
【0120】
2は第2の光学素子であり、ここでは第1の光学素子1の面B(S3)と接合された射出面S7および入射面S8を有したレンズ形状に形成されている。さらに、本数値実施例1においては、入射面S10と射出面S9を有したレンズ(第3の光学素子)21を有している。SIは画像表示面、S1は表示光学系の射出瞳Sである。
【0121】
これらS1からS10までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面(yz断面)を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【0122】
なお、図中のx,y,zは観察者の視軸方向をz軸,紙面内でz軸に垂直な方向をy軸,紙面に垂直な方向をx軸とした座標系定義である。
【0123】
本数値実施例1の光学データを表1に示す。表1の光学データのうち最も左の項目SURFは面番号を示している。また、X,Y,ZおよびAは、第1面S1の中心を原点(0,0,0)とし、図中に示したy軸,z軸と紙面奥向きにx軸をとった座標系における各面の面頂点の位置(x,y,z)並びに図面上で反時計回り方向を正方向とするx軸回りの回転角度a(単位:度)である。
【0124】
Rは曲率半径である。TYPの項は面形状の種類を表し、SPHは球面であり、FFSは以下の式に従う回転非対称面である。
【0125】
【数1】

Figure 0003870071
【0126】
TYPの欄でFFSの横に記された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数kおよびci(i=2,3,4…)に対応する回転非対称形状であることを示している。
【0127】
また、面形状は他の式で定義してもよく、TYPの項にXYPとあるのは、以下の式に従う回転非対称面である。
【0128】
【数2】
Figure 0003870071
【0129】
TYPの欄でFFS並びにXYPの横に記された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数kおよびci(i=1,2,3…)に対応する回転非対称形状であることを示している。
【0130】
尚、いずれの場合も表中に示されていないciの項については、その係数の値が0である。
【0131】
Nd,νd(但し、表ではvdと記す)はそれぞれ、その面以降の媒質のd線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ndの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ndのみを1.000として表示し、アッベ数νdは省略している。以上の表の項目説明は、以降の数値実施例においても同様である。
【0132】
【表1】
Figure 0003870071
【0133】
表1から分かるように、画像表示面SIからの光は、レンズ21の面S10,S9を通過して第2の光学素子2に向かう。第2の光学素子2に向かった光は、面S8から第2の光学素子2に入射し、第2の光学素子2と第1の光学素子1との接合面S7を透過して第1の光学素子1に入射し、S6で全反射し、反射膜を施したS5で裏面反射して折り返され、S4で全反射し、S3で裏面反射し、S2を透過して第1の光学素子1を射出し、光学系の射出瞳S1に導かれる。
【0134】
本数値実施例1の長さのディメンジョンを有する数値をmmとして考えると、射出瞳径φ6mm、画像表示サイズ10mm×7.5mm程度で水平約50°,垂直約39°の画角で画像をz軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【0135】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、z軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りS1を通過して第1の光学素子1に導かれ、S2から第1の光学素子1に入射し、S3で反射し、S4で反射し、S5で折り返し反射し、S6で反射した後、S7から射出して第2の光学素子2に導かれる。
【0136】
第2の光学素子2に導かれた光は、S8から第2の光学素子2を射出し、レンズ21に面S9から入射し、S10から射出して撮像面SIに結像する。
【0137】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を達成できる。特に、本数値実施例では、第2の光学素子2と画像表示面SIとの間にレンズ21を設けてリレー光学系部分の光学的パワーをより多くの光学面で分担し、収差の発生を抑えているため、第1実施形態で示した構成に対して光学性能を高めることができる。
【0138】
[数値実施例2]
図9には、図7に示した第4実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断面図を示している。図中、11は第1の光学素子であり、3つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。S2,S4,S6,S8は同一面、S3,S9は同一面、S5,S7は同一面であり、これら3面はそれぞれ上記第4実施形態において説明した面A,B,Cに相当する。
【0139】
12’は第2の光学素子であり、ここでは第1の光学素子11の面B(S3)と接合された射出面S9および入射面S10を有したレンズ形状に形成されている。さらに、本数値実施例2においては、入射面S12と射出面S11を有したレンズ21を有している。面Aにおいて、折り返し反射面S6として使用される部位には反射膜が形成されている。SIは画像表示面、S1は表示光学系の射出瞳Sである。
【0140】
これらS1からS12までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面(yz断面)を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【0141】
なお、図中のx,y,zは観察者の視軸方向をz軸,紙面内でz軸に垂直な方向をy軸,紙面に垂直な方向をx軸とした座標系定義である。
【0142】
本数値実施例2の光学データを表2に示す。
【0143】
【表2】
Figure 0003870071
【0144】
表2から分かるように、画像表示面SIからの光は、レンズ21の面S12,S11を通過して第2の光学素子12’に向かう。第2の光学素子12’に向かった光は、面S10から第2の光学素子12’に入射し、第2の光学素子12’と第1の光学素子11との接合面S9より第1の光学素子11に入射し、S8で全反射し、反射膜を施したS7で裏面反射し、面Aの反射膜形成部に相当する面S6にて略垂直反射して折り返され、反射膜を施したS5で裏面反射し、S4で全反射し、S3で裏面反射されてS2から第1の光学素子11を射出し、光学系の射出瞳S1に導かれる。
【0145】
本数値実施例2の長さのディメンジョンを有する数値をmmとして考えると、射出瞳径φ6mm、画像表示サイズ10mm×7.5mm程度で水平約50°,垂直約39°の画角で画像をz軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【0146】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、z軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りS1を通過して第1の光学素子11に導かれ、S2から第1の光学素子11に入射して、S3,S4,S5で反射し、S6で折り返し反射して、S7,S8で反射した後、S9から射出して第2の光学素子12’に導かれる。
【0147】
第2の光学素子12’に導かれた光は、S10から第2の光学素子12’を射出し、レンズ21に面S11から入射し、S12から射出して撮像面SIに結像する。
【0148】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を実現することができる。また、本数値実施例でも、数値実施例1と同様に、第2の光学素子12’と画像表示面SIとの間にレンズ21を設けてリレー光学系部分の光学的パワーをより多くの光学面で分担し、収差の発生を抑えているため、高い光学性能を得易い。
【0149】
また、数値実施例1に比べて、第1の光学素子11内での往復光路を形成するための反射回数を増やしているため、より光路長を有効に重複させて、長い光路長に対して表示光学系をコンパクト化させることができる。
【0150】
[数値実施例3]
図10には、図7に示した第4実施形態の数値実施例の光路断面図を示している。図中、11は第1の光学素子であり、3つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。S2,S4,S6,S8は同一面、S3,S9は同一面、S5,S7は同一面であり、これら3面はそれぞれ上記第4実施形態において説明した面A,B,Cに相当する。
【0151】
12は第2の光学素子であり、ここでは第1の光学素子11の面B(S3)と接合された射出面S9、反射面S10および入射面S11を有したプリズム形状の透明体により形成されている。面Aの上部と面Cには反射膜が形成されている。SIは画像表示面、S1は表示光学系の射出瞳Sである。
【0152】
これらS1からS11までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面(yz断面)を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【0153】
なお、図中のx,y,zは観察者の視軸方向をz軸,紙面内でz軸に垂直な方向をy軸,紙面に垂直な方向をx軸とした座標系定義である。
【0154】
本数値実施例3の光学データを表3に示す。
【0155】
【表3】
Figure 0003870071
【0156】
表3から分かるように、画像表示面SIからの光は、面S11から第2の光学素子12に入射し、面S10で反射して第2の光学素子12と第1の光学素子11との接合面S9より第1の光学素子11に入射し、S8で全反射し、反射膜を施したS7で裏面反射し、面Aの反射膜形成部に相当する面S6にて略垂直反射して折り返され、反射膜を施したS5で裏面反射し、S4で全反射し、S3で裏面反射されてS2から第1の光学素子11を射出し、光学系の射出瞳S1に導かれる。
【0157】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をmmとして考えると、射出瞳径φ6mm、画像表示サイズ10mm×7.5mm程度で水平約50°,垂直約39°の画角で画像をz軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【0158】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、z軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りS1を通過して第1の光学素子11に導かれ、S2から第1の光学素子11に入射して、S3,S4,S5で反射し、S6で折り返し反射して、S7,S8で反射した後、S9から射出して第2の光学素子12に導かれる。
【0159】
第2の光学素子12に導かれた光は、S10で反射してS11から第2の光学素子12を射出し、撮像面SIに結像する。
【0160】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を実現できる。また、本数値実施例では、第2光学素子12としてプリズム状の光学素子を用い、裏面反射により光路を折り曲げているため、第2光学素子12を数値実施例1,2に比べてより薄型化させることができる。
【0161】
[数値実施例4]
図11には、図7に示した第4実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断面図を示している。図中、11は第1の光学素子であり、3つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。S2,S4,S6,S8は同一面、S3,S9は同一面、S5,S7は同一面であり、これら3面はそれぞれ上記第4実施形態において説明した面A,B,Cに相当する。
【0162】
12”は第2の光学素子であり、ここでは第1の光学素子11の面B(S3)と接合された射出面S9、反射面S11および反射面兼入射面S10(S12と同一面)を有したプリズム形状の透明体により形成されている。面Aの上部と面Cと面S11には反射膜が形成されている。SIは画像表示面、S1は表示光学系の射出瞳Sである。
【0163】
これらS1からS12までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面(yz断面)を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【0164】
なお、図中のx,y,zは観察者の視軸方向をz軸,紙面内でz軸に垂直な方向をy軸,紙面に垂直な方向をx軸とした座標系定義である。
【0165】
本数値実施例4の光学データを表4に示す。
【0166】
【表4】
Figure 0003870071
【0167】
表4から分かるように、画像表示面SIからの光は、面S12から第2の光学素子12”に入射し、面S11,S10で反射して第1の光学素子11との接合面S9に向かう。面S9から第1の光学素子11に入射した光は、S8で全反射し、反射膜を施したS7で裏面反射し、面Aの反射膜形成部に相当する面S6にて略垂直反射して折り返され、反射膜を施したS5で裏面反射し、S4で全反射し、S3で裏面反射されてS2から第1の光学素子11を射出し、光学系の射出瞳S1に導かれる。
【0168】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をmmとして考えると、射出瞳径φ4mm、画像表示サイズ10mm×7.5mm程度で水平約50°,垂直約39°の画角で画像をz軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【0169】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、z軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りS1を通過して第1の光学素子11に導かれ、S2から第1の光学素子11に入射して、S3,S4,S5で反射し、S6で折り返し反射して、S7,S8で反射した後、S9から射出して第2の光学素子12”に導かれる。
【0170】
第2の光学素子12”に導かれた光は、S10,S11で反射してS12から第2の光学素子12”を射出し、撮像面SIに結像する。
【0171】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を実現することができる。また、本数値実施例では、第2の光学素子12”としてプリズム状の光学素子を用い、2回の裏面反射により光路を折り曲げているため、第2の光学素子12”を数値実施例1,2,3に比べてさらに薄型化させることができる。
【0172】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第1の発明によれば、第1の光学素子において、第1、第2および第3の面の間で光を略往復させて光路を重複させるようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型の原画を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも第2の光学素子を含む表示光学系全体として小型化を図ることができる。
【0173】
そして、第1の光学素子の第3の面と第2の光学素子の射出面とを接合しているので、第1および第2の光学素子相互間の位置決めを容易にすることができるとともに、第1の光学素子への光の入射時における収差の発生を抑制することができ、さらには強固な光学系構造とすることができる。したがって、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することが可能となる。
【0174】
なお、表示光学系(例えば、第1の光学素子)内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることができるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することができる。
【0175】
また、本願第2の発明によれば、第1の光学素子において、第1、第2および第3の面の間で光を略往復させて光路を折り畳むようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、第2の光学素子を含む撮像光学系全体として小型でありながらも広撮影画角を達成することができる。
【0176】
そして、第1の光学素子の第3の面と第2の光学素子の射出面とを接合しているので、第1および第2の光学素子相互間の位置決めを容易にすることができるとともに、第1の光学素子からの光の射出時における収差の発生を抑制することができ、さらには強固な光学系構造とすることができる。したがって、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現することができる。
【0177】
なお、撮像光学系(例えば、第1の光学素子)内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である表示光学系の構成図。
【図2】上記第1実施形態である表示光学系の構成図。
【図3】上記第1実施形態である表示光学系の構成図。
【図4】本発明の第2実施形態である撮像光学系の構成図。
【図5】本発明の第3実施形態である表示光学系(1)の構成図。
【図6】本発明の第3実施形態である表示光学系(2)の構成図。
【図7】上記第4実施形態である表示光学系の構成図。
【図8】本発明の数値実施例1の光学系断面図。
【図9】本発明の数値実施例2の光学系断面図。
【図10】本発明の数値実施例3の光学系断面図。
【図11】本発明の数値実施例4の光学系断面図。
【図12】従来の表示光学系の構成図。
【図13】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
1,1’,1”,11 第1の光学素子
2,12,12’,12” 第2の光学素子
3 画像表示素子
4 撮像素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a display optical system suitable for an image display apparatus such as a head-mounted display or a projector that enlarges an original image displayed on an image display element or the like, and an imaging optical system suitable for an imaging apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Head-mounted image display devices (head-mounted displays) that use image display elements such as CRTs and LCDs and display enlarged images displayed on these display elements via an optical system are well known.
[0003]
In the image display device such as the head-mounted display, since these devices are mounted on the head, it is particularly required to reduce the size and weight of the entire device. In consideration of weight balance, appearance, etc., it is preferable that the viewer is thin in the visual axis direction of the observer. Furthermore, in order to give the magnified image to be displayed powerful, a magnified image that is as large as possible is desired.
[0004]
FIG. 12 shows an image display device using a conventional coaxial concave mirror. In this apparatus, a light beam from an image displayed on the display element 101 is reflected by the half mirror 102 and incident on the concave mirror 103, and the light beam reflected by the concave mirror 103 is guided to the eye E of the observer via the half mirror 102. Yes. The image displayed on the display element 101 is formed as a virtual image enlarged by the concave mirror 103. Thereby, the observer can observe the enlarged virtual image of the image displayed on the display element 101.
[0005]
Further, for example, in JP-A-7-333551, JP-A-8-50256, JP-A-8-160340, and JP-A-8-179238, an LCD (liquid crystal) as an image display element for displaying an image is disclosed. ) And a thin prism as an observation optical system, and an image display device in which the entire device is thinned has been proposed.
[0006]
FIG. 13 shows an image display device proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-333551. In this device, the light emitted from the LCD 111 is incident on the incident surface 113 of the small eccentric prism 112. Then, the light flux is folded between the total reflection surface 114 having the curvature formed on the prism 112 and the reflection surface 115, and then emerges from the eccentric prism 112 through the surface 114 and guided to the eye E of the observer. As a result, a virtual image of the image displayed on the display element (LCD) 111 is formed, and the observer observes this virtual image.
[0007]
The reflecting surface 115 of the decentered prism 112 is composed of a decentered free-form surface composed of decentered non-rotationally symmetric surfaces (surfaces having different optical power depending on the azimuth angle, so-called free-form surfaces).
[0008]
The type of the optical system shown in FIG. 13 has the characteristics that the entire apparatus is thinner and the observation field of view is easier than the type using the conventional coaxial concave mirror shown in FIG. Yes.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, LCDs and the like, which are display elements for displaying images, have been improved in definition, and LCDs and the like that have the same number of pixels as the conventional ones but have been reduced in size have been developed. Use of such a miniaturized image display element is advantageous for miniaturization of the apparatus, but it is necessary to increase the magnification of the optical system in order to achieve the same angle of view as in the prior art.
[0010]
In view of such a situation, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-153748 discloses that an eccentric prism and a relay lens system are combined, and an intermediate image is once formed by the relay lens system, and then an image displayed on the display element is viewed by an observer. An optical system leading to the above has been proposed. Thereby, while having the feature of a thin type of the type shown in FIG. 13, the magnification is further improved and a wide angle of view is achieved with respect to the LCD size.
[0011]
Further, as a further improvement in optical performance compared with the optical system proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-153748, the internal reflection surface of the decentered prism is increased and an intermediate image is formed only by the decentered prism. A type in which the image is guided to an observer, a type in which a second decentered prism is provided in the first decentered prism optical system, and the like are disclosed in JP-A-2000-0666106, JP-A-2000-105338, and JP-A-2000. -131614, JP-A 2000-199853, JP-A 2000-227554, and JP-A 2000-23310.
[0012]
In general, optical systems of the type that once form an intermediate image have a problem that the optical path length becomes long and the apparatus becomes large. However, even in the optical systems proposed in these publications, the transmission and reflection functions are also included. It aims at miniaturization by using a dual-purpose surface that fulfills the above, or by crossing the optical path.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small display optical system that can achieve a wide display angle of view while using a small display element, and a small image pickup optical system that can achieve a wide shooting angle of view.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first invention of the present application, Image display element and image display element formed Display optical system that guides the light from the original image to the eyes or projection surface of the observer Image display device having In The display optical system At least a first surface having a reflective action, reflected by the first surface From the original A second surface that reflects light back to the first surface and transmits light from the original to the first surface Do And a first optical element having a third surface that reflects the light reflected back from the second surface to the first surface and guides it to the eyes of the observer or the projection surface, and the light from the original image as described above A second optical element guided to the third surface, and joining the third surface and the emission surface of the second optical element In addition, the first optical element is incident on the first surface again at the reflection angle with respect to the normal at the hit point of the central field angle chief ray first incident on the first surface, and reflected on the second surface again. The reflection angle with respect to the normal at the hit point of the principal ray with the central angle of view is opposite to that of the normal, and an intermediate image of the original image is formed in the first optical element. is doing.
[0015]
That is, in the first optical element, a long optical path length can be accommodated in a small optical system by causing light to reciprocate substantially between the first, second, and third surfaces to substantially overlap the optical path. I can do it. For this reason, the entire display optical system including the second optical element can be reduced in size.
[0016]
Then, by joining the third surface of the first optical element and the emission surface of the second optical element, positioning between the first and second optical elements is facilitated, and the first optical element It is possible to suppress the occurrence of aberration when light is incident on the element, and to realize a display optical system with high optical performance and excellent durability as a robust optical system structure.
[0017]
The first optical element has a reflection angle with respect to the normal at the hit point of the central field angle chief ray first incident on the first surface, is reflected by the second surface, and is incident again on the first surface. The reflection angle with respect to the normal line at the hit point of the central field angle chief ray is configured to have an opposite sign. That is, the light reflected by the first surface is reflected by the second surface so as to return to the reflective region side (the reflective region, the vicinity of the reflective region, or the region near the reflective region) of the first light on the first surface. By effectively overlapping the optical paths, the long optical path length is stored in a small optical system.
[0018]
Also, an intermediate image of the original image is formed in the display optical system (for example, the first optical element). is doing . That is, by using an intermediate imaging type that forms a small real image and enlarges and displays it, the degree of freedom in optical design is increased and the original image can be displayed on a large screen.
[0019]
Further, by decentering the optical surfaces of the first optical element and the second optical element with respect to the light beam reflected on the surfaces, it is possible to further reduce the thickness and to provide the optical surface with a curvature. It is possible to reduce the size by removing unnecessary surfaces in the display optical system. In addition, various aberrations can be corrected satisfactorily by using a rotationally asymmetric surface (free curved surface) as the optical surface. By adopting multiple rotationally asymmetric surfaces (free curved surfaces), the aspect ratio of the original image and the aspect ratio of the displayed image Can be made close to each other, and a high-quality display image can be obtained.
[0020]
This display optical system is a projection-type image display device (projector) that projects an image on a projection surface such as a head-mounted display (HMD) or a screen for an observer to wear on the head and observe an image. It is suitable for an image display device such as
[0021]
In the second invention of the present application, An image sensor; The light from the subject Of the image sensor Imaging optical system leading to the imaging surface Imaging device having In The imaging optical system At least a first surface having a reflective action, reflected by the first surface From the subject From the second surface and the subject that reflects light so that it returns to the first light reflection area side (reflection area, near the reflection area, or near the reflection area) on the first surface The light of On the first side Towards A first optical element having a third surface that reflects and transmits the reflected light returned from the second surface to the first surface to the imaging surface side, and imaging light from the third surface. A second optical element that leads to the first optical element, and joins the third surface and the incident surface of the second optical element In addition, the first optical element is incident on the first surface again at the reflection angle with respect to the normal at the hit point of the central field angle chief ray first incident on the first surface, and reflected on the second surface again. The reflection angle with respect to the normal at the hit point of the principal ray with the central angle of view is opposite to the sign, and an intermediate image of the subject is formed in the first optical element. is doing.
[0022]
That is, in the first optical element, a long optical path length can be accommodated in a small optical system by substantially reciprocating light between the first, second, and third surfaces to substantially overlap the optical path. I am doing so. For this reason, it is possible to achieve downsizing of the entire imaging optical system including the second optical element.
[0023]
Then, by joining the third surface of the first optical element and the emission surface of the second optical element, positioning between the first and second optical elements is facilitated, and the first optical element It is possible to realize an imaging optical system that suppresses the occurrence of aberration when light is emitted from the element and has a high optical performance and excellent durability as a robust optical system structure.
[0024]
In the imaging optical system (for example, the first optical element) An intermediate image of the subject is formed . In other words, by adopting an intermediate imaging type that reduces the intermediate imaging surface of the subject and leads it to the imaging surface, the degree of freedom in layout increases, and a wide-angle subject image can be sufficiently reduced and guided to the imaging surface. In addition, the imaging optical system can be made compact even if the optical path length is considerably increased.
[0025]
Further, by decentering the optical surface constituting the imaging optical system with respect to the light beam reflected on the surface, it is possible to further reduce the thickness, and by providing the optical surface with a curvature, it is unnecessary in the imaging optical system. Therefore, it is possible to reduce the size. Furthermore, by making the optical surface a rotationally asymmetric surface (free curved surface), various aberrations can be corrected satisfactorily. When multiple rotationally asymmetric surfaces (free curved surfaces) are used, the aspect ratio of the subject and the aspect ratio of the captured image can be reduced. It becomes possible to make it close, and it becomes possible to obtain a high-quality captured image.
[0026]
This imaging optical system is suitable for an imaging apparatus such as a digital still camera or a video camera.
[0027]
In the first and second aspects of the invention, it is possible to reduce the light amount loss by totally reflecting light with the optical surface on the optical element.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Prior to describing the embodiment of the present invention, the definitions of the bus bar cross section, the bus bar cross section, the local bus bar cross section, and the local bus bar cross section used in the present embodiment will be described.
[0029]
In the definition of the conventional system that does not correspond to the eccentric system, if the z-axis is the optical axis in each surface vertex coordinate system, the yz section is the conventional generatrix section (meridional section), and the xz section is the child section (sagittal section). Become.
[0030]
Since the optical system of the present embodiment is an eccentric system, a local bus cross section and a local sub cross section corresponding to the eccentric system are newly defined.
[0031]
Central field angle chief ray (in the display optical system, this is a light ray that extends from the center of the effective display area of the image display surface of the display element to the exit pupil center of the display optical system. In the imaging optical system, it passes through the entrance pupil center of the imaging optical system. This is a ray that reaches the center of the effective imaging area of the imaging surface of the image sensor) and the hit point between each surface and the surface containing the incident light and the emitted light of the central field angle chief ray is the local bus cross section and includes the hit point A plane perpendicular to the local bus cross section and parallel to the child cross section (normal child cross section) of each surface vertex coordinate system is defined as a local sub cross section.
[0032]
(First embodiment)
FIG. 1 shows a display optical system according to the first embodiment of the present invention. This display optical system includes a first optical element 1 and a second optical element 2.
[0033]
The first optical element 1 is composed of a prism-like transparent body in which three optical surfaces, surface A, surface B, and surface C, are formed on a medium having a refractive index n1, such as glass or plastic. The second optical element 2 is made of a lens-like transparent body in which two optical surfaces, a surface D and a surface E, are formed on a medium having a refractive index n2. An image display element 3 is a transmissive or reflective LCD or the like.
[0034]
In the first optical element 1, the surface A (first surface) and the surface B (third surface) are both transmissive and reflective surfaces that function as a transmissive surface and a reflective surface, and a surface C (second surface). Is a reflective surface.
[0035]
In the second optical element 2, both the surface D and the surface E are transmission surfaces. In the present embodiment, the surface B of the first optical element 1 and the surface D of the second optical element 2 are joined, and the first optical element 1 and the second optical element 2 are integrated. Yes.
[0036]
A reflective film is formed on the surface C, and a semi-transmissive reflective film (half mirror) is formed on at least one of the surface B and the surface D.
[0037]
The reflective film and the half mirror are preferably made of a metal film. This is because the metal film has a flat spectral reflectance characteristic, a color is hardly noticeable, and there is almost no difference in reflectance with respect to light having different deflection directions.
[0038]
Further, a part (upper part) of the surface A acts as a reflective surface by utilizing a reflective film, semi-transmissive reflective film formation, or internal total reflection.
[0039]
With this configuration, the surface B functions as the incident surface and the reflecting surface of the first optical element 1, the surface C functions as the reflecting surface, and the surface A functions as the reflecting surface and the exit surface of the first optical element 1. . Further, the surface E functions as an incident surface of the second optical element 2, and the surface D functions as an exit surface of the second optical element 2.
[0040]
The first Optical element 1 Each of the transparent bodies of the second optical element 2 has a refractive power, and has at least one optical surface having a curvature.
[0041]
Light emitted from the image display surface modulated by the image display element 3 enters the second optical element 2 from the surface E of the second optical element 2, and the surface B which is the incident surface of the first optical element 1. The second optical element 2 is emitted from the joined surface D.
[0042]
The light passes through the surface B, enters the first optical element 1, is reflected by the surface A, and is guided to the surface C. The light reflected by the surface A is reflected by the surface C so as to return to a direction substantially opposite to the incident direction. As a result, the light is returned to the vicinity of the first light reflection region on the surface A, reflected again, reflected by the half mirror joint surface B, then transmitted through the surface A, and emitted from the first optical element 1. The pupil S is reached.
[0043]
In the present embodiment, when an observer places his / her eyes near the position of the exit pupil S, the image is displayed on the image display element 3 by the observer whose direction of incidence on the pupil is the central field angle chief ray. A magnified image of the recorded image is visually recognized.
[0044]
FIG. 1 shows a central field angle principal ray that emerges from the center of the image display surface of the image display element 3 as light emitted from the image display element 3 and reaches the center of the exit pupil S. An optical cross section in the plane formed by the rays is shown.
[0045]
In the first optical element 1, light passes through each surface in the order of surface B → surface A → surface C → surface A → surface B (→ surface A), and the optical path up to that point with reflection on the surface C as a boundary. Follow in reverse.
[0046]
Here, the path from plane B to plane A to plane C is referred to as the forward path, the optical path from plane C to plane A to plane B is referred to as the return path, and the forward path and return path are collectively referred to as the reciprocal optical path. Reflecting light in the reverse direction from the forward path to the return path in order to form such a reciprocating optical path is called a return reflection, and corresponds to a return point between the forward path and the return path, and has a return reflection function. (Here, surface C) is referred to as a folded reflection surface.
[0047]
As described above, the surface C is used as a reflection reflecting surface, and a reciprocating optical path is formed in the first optical element 1 so as to overlap the optical path, and the inside of the first optical element 1 is effectively used to increase the optical path length. On the other hand, the size of the first optical element 1 can be reduced. Thereby, the entire display optical system including the second optical element 2 is downsized.
[0048]
That is, in the present embodiment, the forward path, which is the optical path to reach the folded reflection surface C in the first optical element 1, and the return path, which is the optical path after being reflected by the folded reflection surface C, are surfaces A, The two surfaces of B are shared, and the two surfaces are used in the reverse order for the forward path and the return path to form a round-trip optical path.
[0049]
As described above, even if the optical system has a long optical path length by forming a reciprocating optical path using at least two surfaces before and after the return reflection at the surface C to increase the degree of overlap of the optical paths, Realizes a compact optical system that keeps the overall length of the camera short.
[0050]
2 and FIG. 3 are a diagram showing a maximum field angle chief ray and a marginal ray having a central field angle in the same cross section as FIG. 1 in the present embodiment, respectively.
[0051]
As indicated by the dotted line in FIG. 2, the light (maximum field angle principal ray) that exits the edge of the image display surface of the image display element 3 and reaches the center of the exit pupil S is the same as the center field angle principal ray. The light is guided to the first optical element 1 through the second optical element 2, and passes through the B pupil incidence → A plane reflection → C plane return reflection → A plane reflection → B plane reflection → A plane exit in this order. Led to the center of the.
[0052]
Further, as indicated by a chain line in FIG. 3, a light ray (marginal light ray) that exits from the center of the image display surface of the image display element 3 and reaches both ends of the exit pupil S is also similar to the central field angle principal ray. Second optical element 2 Then, the light is guided to the first optical element 1 and guided to both ends of the exit pupil S through B surface incidence → A surface reflection → C surface folding reflection → A surface reflection → B surface reflection → A surface emission in this order.
[0053]
At this time, marginal rays intersect in the first optical element 1, and an intermediate image of the image displayed on the image display element 3 is formed in the vicinity of the intermediate image plane shown in the drawing.
[0054]
Thus, by forming an intermediate image in the first optical element 1, the second optical element 2 can be made compact without extremely increasing the power of the second optical element 2. It is possible to suppress the generation of extra aberration in the second optical element 2 and to prevent the second optical element 2 from becoming complicated.
[0055]
In FIG. 3, the intermediate image is formed during the reflection from the A surface to the reflected reflection at the C surface, but the position of the intermediate image is not necessarily in this position, and is formed in the first optical element 1. It only has to be done.
[0056]
In this embodiment, the refraction at the surface E of the second optical element 2, the refraction at the surface where the surface D of the second optical element 2 and the surface B of the first optical element 1 are joined, and the surface A A relay optical system is formed by the reflection of. In addition, an eyepiece optical system is formed by folding reflection on the surface C, rereflection on the surface A, reflection on the surface B, and refraction on the surface A.
[0057]
In order to facilitate aberration correction of the eyepiece optical system, the intermediate image plane should be appropriately curved or have astigmatism according to the situation where field curvature or astigmatism occurs in the eyepiece optical system. It may be.
[0058]
The surfaces A and B of the first optical element 1 are inclined with respect to the reflected light beam when the effective light beam finally guided to the exit pupil S is reflected by each surface, and is reflected back. The forward path to the C-plane, that is, the B-plane incidence → A-plane reflection → C-plane optical path and the return path after the C-plane C-plane → A-plane reflection → B-plane reflection → A-plane emission optical path, The first optical element 1 is thinned as a configuration in which both are folded.
[0059]
In the configuration described above, the first optical element 1 preferably includes at least two surfaces including the surface B as curved surfaces. As a result, the number of surfaces that do not contribute to image formation or aberration correction can be reduced, the number of optical surfaces necessary for the entire optical system can be reduced, and an effect of reducing manufacturing costs can be expected.
[0060]
More desirably, the surfaces A, B, and C are each formed of a curved surface, whereby an effect of further reducing the manufacturing cost can be obtained. For the same reason, the optical surfaces D and E of the second optical element 2 are preferably curved surfaces.
[0061]
In the present embodiment, the surface B is a curved surface of at least one surface of the first optical element, and the surface B when acting as the final reflecting surface is a concave mirror having very strong optical power. Furthermore, the surface B is a reflecting surface having a very high degree of eccentricity with respect to the light beam after being reflected back by the surface C.
[0062]
That is, decentration aberrations occur on the concave mirror surface B. Therefore, it is desirable to correct the occurrence of decentration aberrations by using a rotationally asymmetric surface (so-called free-form surface) on at least one surface of the first optical element 1.
[0063]
In particular, since the surface B is a curved surface having a strong optical power with respect to the surface A, it is preferable to suppress the occurrence of decentration aberration by making the surface B a rotationally asymmetric shape. Accordingly, the surface D of the second optical element 2 which is a joint surface with the surface B also has a rotationally asymmetric shape.
[0064]
More preferably, all the three surfaces A, B, and C constituting the first optical element 1 are rotationally asymmetrical, thereby increasing the degree of freedom in correcting decentration aberrations and enabling image display with good image quality. become.
[0065]
More preferably, the surfaces D and E constituting the second optical element 2 are both rotationally asymmetric surfaces.
[0066]
At this time, if each rotationally asymmetric surface has a shape that is plane-symmetric in the direction perpendicular to the plane of paper, with the cross-section of the plane of the drawing as the only plane of symmetry, processing and manufacture can be facilitated as compared to the case where there is no symmetry. Therefore, it is preferable.
[0067]
Further, it is preferable that the reflection on the surface A is the total reflection in the first optical element 1 because the light loss is reduced. Further, at least in the region where the reflected light beam and the emitted light beam are shared by the surface A, if the reflected light beam is totally reflected, the degree of freedom in design is increased compared to the case where all the reflected light beam is totally reflected. The same level of brightness can be secured.
[0068]
At this time, a reflection film is formed in an area where the reflected light beam on the surface A is not totally reflected, but the reflectance decreases as the boundary area between the total reflection part and the reflection part by the reflection film approaches the total reflection part. A smooth gradation reflecting film is preferable because it can suppress the phenomenon in which the boundary area is conspicuous due to the scattering in the boundary area and the difference in reflectance between the total reflection and the reflection by the reflection film.
[0069]
Further, as described above, since the surface B is an eccentric curved surface that is decentered with respect to the central field angle chief ray and has a strong condensing function, even when the surface B is used as a refracting surface, decentration aberrations (rotational asymmetry) are also obtained. Aberrations).
[0070]
For this reason, the first optical element 1 having a refractive index n1 (> 1) and the second optical element 2 having a refractive index n2 (> 1) are bonded to each other at the time of refractive transmission on the surface B (first optical element). It is preferable to have an effect of reducing the occurrence of decentration aberrations (when incident on 1).
[0071]
Specifically, the absolute value | n1-n2 | of the difference between n1 and n2 needs to be set smaller than n1-1 and n2-1. More preferably, by setting n1 = n2, it is possible to prevent the occurrence of decentration aberrations during transmission.
[0072]
In FIG. 1, nE and nB are the normal line at the hit point of the central field angle chief ray of the plane E and the normal line at the hit point of the central field angle chief ray of the plane B, respectively. The incident angle θ2 and the outgoing angle θ2 ′ of the central field angle chief ray on the incident surface E of the second optical element 2 are larger than the incident angle θ1 and the outgoing angle θ1 ′ of the first optical element 1 on the incident surface B. It is preferable to incline the surface E with respect to the surface B (surface D) so that the decentration aberration generated at the time of incidence on the second optical element 2 can be reduced.
[0073]
By configuring the display optical system as described above, it is possible to provide an image display device that displays an image displayed on the image display element 3 as an enlarged image with good optical performance.
[0074]
Further, by forming an image once in the display optical system, the degree of freedom in design is improved, and the display angle of view with respect to the display size of the image display element 3 can be increased (high magnification display). As a result, the optical path length is increased by forming a reciprocating optical path in the first optical element 1 so that the optical path is overlapped to reduce the total length of the first optical element 1 and form a very compact optical system. it can.
[0075]
Further, by joining the first optical element 1 and the second optical element 2, both optical elements 1 and 2 can be easily positioned, and decentration aberrations are generated when incident on the first optical element 1. As a strong optical system structure, it is possible to realize a display optical system with high optical performance and excellent durability.
[0076]
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of an imaging optical system that is the second embodiment of the present invention. This imaging optical system is composed of a first optical element 1 and a second optical element 2 similar to those in the first embodiment. Reference numeral 4 denotes an image sensor such as a CCD. S is an entrance pupil of the imaging optical system composed of the first optical element 1 and the second optical element 2, and a stop is placed at this position to prevent the incidence of unnecessary light.
[0077]
In the present embodiment, the surface A (first surface) functions as an incident surface and a reflective surface of the first optical element 1, and the surface B (third surface) is a reflective surface and an exit surface of the first optical element 1. The surface C (second surface) acts only as a reflecting surface of the first optical element 1.
[0078]
Further, the surface D functions as an incident surface of the second optical element 2, and the surface E functions as an exit surface of the second optical element 2. Then, the reflecting surface / exit surface B of the first optical element 1 and the incident surface D of the second optical element 2 are joined after a semi-transmissive reflective film (half mirror) is formed on at least one of them. .
[0079]
Light from the subject that has passed through the diaphragm S enters the first optical element 1 from the surface A, is reflected by the surface B, is reflected by the surface A, and is guided to the surface C. Then, the light is reflected back by the surface C, returned to the first light reflection region on the surface A, re-reflected by the surface A, transmitted through the surface B, and emitted from the first optical element 1. Here, the surface A and the surface B are decentered with respect to the light rays constituting the reflected light beam on the respective surfaces.
[0080]
The light emitted from the first optical element 1 passes through the second optical element 2 and reaches the imaging element 4. At this time, light from a desired external environment (subject) is imaged on the imaging surface of the image sensor 4, and thus an external image can be captured.
[0081]
By configuring the imaging optical system as described above, it is possible to provide an imaging apparatus that forms an image of a subject on the imaging element 4 with good optical performance.
[0082]
In addition, by performing intermediate image formation once in the first optical element 1, it is possible to widen the shooting angle of view with respect to the size of the image pickup element 4, and the optical path length is increased accordingly. By forming a reciprocating optical path in one optical system 1, the optical paths are folded so as to overlap each other, and the overall length of the first optical system 1 is kept short, thereby realizing a very compact imaging optical system.
[0083]
Further, by joining the first optical element 1 and the second optical element 2, both the optical elements 1 and 2 can be easily positioned and decentered when light is emitted from the first optical element 1. An imaging optical system that suppresses the generation of aberration and has a high optical performance and excellent durability as a robust optical system structure is realized.
[0084]
In the first and second embodiments described above, the central field angle chief ray (in the display optical system, a ray that extends from the center of the display surface of the image display element to the center of the exit pupil S, and incident in the imaging optical system). Although the reflected reflection on the surface C of the light beam passing through the center of the pupil and reaching the center of the imaging surface of the image sensor is depicted as being substantially vertical reflection, the optical system of the present invention is not limited to this configuration.
[0085]
(Third embodiment)
5 and 6 show a display optical system according to the third embodiment of the present invention. These display optical systems are examples in which first optical elements 1 ′ and 1 ″ different from the first optical element 1 of the first embodiment are used.
[0086]
6 and 7, the first optical element of the first embodiment is that an optical path of B surface incidence → A surface reflection → C surface folding reflection → A surface reflection → B surface reflection → A surface emission is formed. Same as 1.
[0087]
However, in the first optical element 1 ′ in FIG. 5, the central field angle principal ray reflected by the surface A is reflected back at an angle θ by the surface C and is higher than the first reflection point on the surface A. However, it is different from the first embodiment in that it is re-reflected in the region near the first light reflection region.
[0088]
Further, in the first optical element 1 ″ of FIG. 6, the central field angle principal ray reflected on the surface A is reflected back at an angle θ on the surface C and is lower than the first reflection point on the surface A. However, it is different from the first embodiment in that it is re-reflected in the region near the first light reflection region.
[0089]
In this way, the light may be incident / reflected at a predetermined angle θ before and after the folded reflection surface C. However, the angle θ is
| Θ | <30 °
It is preferable to satisfy.
[0090]
Exceeding this condition is not preferable because the first optical system becomes large and it becomes difficult to make the entire display optical system small.
[0091]
In the present embodiment, the display optical system having the first optical system has been described. However, the same idea as in the present embodiment can be applied to the imaging optical system as shown in the second embodiment. That is, the light beam may be incident / reflected at a predetermined angle θ (| θ | <30 °) before and after the return reflection at the return reflection surface C.
[0092]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 shows the configuration of a display optical system that is the fourth embodiment of the present invention. This display optical system includes a first optical element 11 and a second optical element 12. An image display element 3 is a transmissive or reflective LCD or the like.
[0093]
Similar to the first optical element 1 of the first embodiment, the first optical element 11 has a prism-like shape in which three optical surfaces A, B and C are formed on a medium having a refractive index n1. The surface A and the surface B are made of a transparent body, and both are a transmissive / reflective surface acting as a transmissive surface and a reflective surface, and the surface C is a reflective surface. However, as will be described in detail later, in the present embodiment, the surface A is a surface having both functions of the first surface and the second surface. Surface B is a third surface as in the first embodiment.
[0094]
Further, a reflective film is formed on the surface C, and a semi-transmissive reflective film is formed on the surface B. In the present embodiment, a reflective film is also formed on part (upper part) of the surface A.
[0095]
On the other hand, the second optical element 12 is composed of a prism-like transparent body in which three optical surfaces of a surface D, a surface E, and a surface F are formed on a medium having a refractive index n2, and both the surface D and the surface E are transmission surfaces. The surface F is a surface acting as a reflecting surface. A reflective film is formed on the surface F.
[0096]
In the present embodiment, the surface E functions as the incident surface of the second optical element 12, the surface F functions as the reflecting surface of the second optical element 12, and the surface D functions as the exit surface of the second optical element 12. Further, the surface B functions as an incident surface and a reflection surface of the first optical element 11, the surface C functions as a reflection surface, and the surface A functions as a reflection surface and an emission surface of the first optical element 11.
[0097]
The light emitted after being modulated by the image display element 3 is incident on the second optical element 12 from the surface E, reflected by the surface F, and then emitted from the surface D joined to the surface B of the first optical element. Guided to the first optical element 11.
[0098]
The light passes through the surface B, enters the first optical element 11, is reflected by the surface A, is reflected by the surface C, and is guided to the upper part of the surface A. The light guided to the surface A is reflected almost perpendicularly on the surface A (folded reflection: second reflection) so as to return in a route reverse to the route that has been traced in the first optical element 11 so far. The light is reflected again by the surface C, returned to the first light reflection region on the surface A, re-reflected (third reflection), further reflected by the surface B, transmitted through the surface A, and emitted from the first optical element 11. Then, the exit pupil S is reached.
[0099]
When the observer puts his eyes near the position of the exit pupil S, an enlarged image of the image displayed on the image display element 3 can be visually recognized.
[0100]
In FIG. 7, as an example of light emitted from the image display element 3, a central field angle chief ray that emerges from the center of the display surface of the image display element 3 and reaches the center of the exit pupil S is shown. An optical cross-section formed by the field angle chief ray is shown.
[0101]
Of the three reflections on the surface A, at least the first and third reflections, the reflection on the surface B, and the reflection on the surface C, each of these surfaces emits the image display element 3 and the exit pupil S. It acts as a decentered reflecting surface that is decentered with respect to an arbitrary light beam that forms an effective light beam reaching the above. Thereby, the optical path is changed to the first optical element. 11 The first optical element 11 has a thin configuration.
[0102]
In the present embodiment, the light passes through the first optical element 11 from the surface B (transmission) → surface A (reflection) → surface C (reflection) → surface A (folded reflection) → surface C (re-reflection) → surface. It passes through each surface in the order of A (re-reflection) → surface B (reflection) (→ surface A (transmission)), and the optical path up to that point reaches the final reflection surface B with the return reflection at the surface A as a boundary. Follow in reverse.
[0103]
That is, in the present embodiment, the optical path up to the return reflection surface A in the first optical element 11 and the optical path after being reflected by the return reflection surface A are the three surfaces A, B, and C. A round trip optical path is formed by overlapping in reverse order on the surface.
[0104]
Thus, the total length of the first optical element is obtained by forming a reciprocating optical path using three surfaces before and after reflection on the return reflection surface A, and further increasing the degree of overlap of the optical paths compared to the first embodiment. It is possible to realize a compact optical system in which
[0105]
In the present embodiment, the reflecting surface F is provided in the second optical element 12. As a result, the degree of freedom in forming the optical path is improved, the entire optical system is further reduced in thickness with respect to the first embodiment, and the optical working surface is increased so as to share the respective surfaces in the second optical element 12. Aberration power is weakened and aberrations are suppressed.
[0106]
Also in the present embodiment, by forming an intermediate image in the first optical element 11, it is possible to suppress the occurrence of extra aberrations. The intermediate image may be formed so as to be appropriately curved or have an astigmatic difference depending on the situation where field curvature or astigmatism occurs in the eyepiece optical system.
[0107]
In addition, by forming at least the surfaces B and C of the first optical element 11 as curved surfaces, the number of surfaces that do not contribute to image formation or aberration correction is reduced, and the number of surfaces necessary for the optical system is reduced.
[0108]
Furthermore, by configuring the surfaces A, B, and C as curved surfaces, it is possible to obtain an optical element that further eliminates the surface that does not contribute to image formation or aberration correction, and thus, an effect of cost reduction can be expected. For the same reason, the optical surfaces D, E, and F of the second optical element 12 are preferably curved surfaces.
[0109]
In addition, it is preferable to suppress the occurrence of decentration aberration by making the surface B a rotationally asymmetric shape. Therefore, the surface D which is a joint surface with the surface B also has a rotationally asymmetric shape.
[0110]
More preferably, all of the three surfaces A, B, and C constituting the first optical element 11 have a rotationally asymmetric shape, thereby increasing the degree of freedom in correcting decentration aberrations and enabling image display with good image quality. become.
[0111]
More preferably, the surfaces D, E, and F constituting the second optical element 12 are also rotationally asymmetric. At this time, if each rotationally asymmetric surface has a shape that is plane-symmetrical in the direction perpendicular to the plane of paper, with the cross-section of the plane of the figure as the only plane of symmetry, processing and production can be facilitated as compared to the case without symmetry. ,preferable.
Further, regarding the reflection other than the reflected reflection on the surface A, it is preferable that the reflection on the surface A is the total reflection in the first optical element 11 because the loss of light amount is reduced. Further, at least in a region where the reflected light beam and the emitted light beam are shared by the surface A (lower part of the surface A), if the reflected light beam is totally reflected, all the reflected light beams other than the reflected reflection on the surface A are totally reflected. Compared to the case, it is possible to secure the same level of brightness while increasing the degree of design freedom.
Further, as in the third embodiment, the light beam may be incident / reflected at a predetermined angle θ before and after the folded surface A. However, the angle θ is
| Θ | <30 °
It is preferable to satisfy. If this condition is not satisfied, the size of the first optical element 11 is increased, and it is difficult to reduce the size of the entire display optical system.
By configuring the display optical system as described above, it is possible to provide an image display device that displays an image displayed on the image display element 3 as an enlarged image with good optical performance.
[0112]
Further, by forming an image once in the display optical system, it is possible to widen the display angle of view (high magnification presentation) with respect to the display size of the image display element 3, and to increase the long optical path length to the first By forming a reciprocating optical path in the optical element 11, the optical path is overlapped, so that the total length of the first optical element 11 is kept short, and a very compact optical system is configured.
[0113]
Note that the optical system described in the present embodiment can be used as an imaging optical system by arranging an imaging element instead of an image display element with the optical path reversed.
[0114]
Further, the number, shape, and combination of the first optical element and the second optical element shown in each embodiment described above are not particularly limited to these.
[0115]
Furthermore, in all the embodiments described above, when an arbitrary ray of the light beam passing through the first optical system is traced, the ray is reflected on the first (first) reflection and the second on the first surface. Reflection takes an optical path that reflects with one reflection angle as a reference and the other with an opposite reflection angle.
[0116]
Specifically, for example, in the paper surface of FIG. 1, the reflection angle in the first reflection (A surface reflection) is a positive sign (when the reflected light exists in the counterclockwise direction in the paper surface with respect to the surface normal). If there is an optical path, the reflection angle in the second reflection (A-side re-reflection) has a negative sign (when the reflected light is present in the clockwise direction in the drawing with respect to the surface normal).
[0117]
By taking such an optical path, the light beam reciprocates substantially between the first surface and the second surface, so that the space in the first optical system. The It can be used effectively to increase the optical path length. In addition, a small optical system can be realized even if the optical path length is long.
[0118]
Hereinafter, numerical examples of the above embodiments will be described.
[0119]
[Numerical Example 1]
FIG. 8 shows an optical path cross-sectional view of a numerical example having a configuration similar to that of the first embodiment shown in FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a first optical element constituting a display optical system, which is constituted by a prism-shaped transparent body having three optical surfaces. S2, S4, and S6 are the same surface, and S3 and S7 are the same surface. These two surfaces and S5 correspond to the surfaces A, B, and C described in the first embodiment, respectively.
[0120]
Reference numeral 2 denotes a second optical element, which is formed in a lens shape having an exit surface S7 and an entrance surface S8 joined to the surface B (S3) of the first optical element 1. Further, the numerical value example 1 includes a lens (third optical element) 21 having an entrance surface S10 and an exit surface S9. SI is an image display surface, and S1 is an exit pupil S of the display optical system.
[0121]
All of the optical surfaces from S1 to S10 are rotationally asymmetric surfaces, and have a plane-symmetrical shape having the paper surface (yz cross section) as the only symmetrical surface.
[0122]
In the figure, x, y, and z are coordinate system definitions in which the visual axis direction of the observer is the z axis, the direction perpendicular to the z axis in the paper is the y axis, and the direction perpendicular to the paper is the x axis.
[0123]
The optical data of this numerical example 1 is shown in Table 1. The leftmost item SURF in the optical data of Table 1 indicates the surface number. X, Y, Z, and A are coordinate systems in which the center of the first surface S1 is the origin (0, 0, 0), and the y-axis and z-axis shown in the figure and the x-axis toward the back of the page. Are the position (x, y, z) of the surface vertex of each surface and the rotation angle a (unit: degree) about the x axis with the counterclockwise direction as the positive direction on the drawing.
[0124]
R is a radius of curvature. The term TYP represents the type of surface shape, SPH is a spherical surface, and FFS is a rotationally asymmetric surface according to the following equation.
[0125]
[Expression 1]
Figure 0003870071
[0126]
The numerical value written next to FFS in the column of TYP is the rotationally asymmetric shape whose surface shape corresponds to the aspheric coefficient k and ci (i = 2, 3, 4...) Described in the lower side of the table. It is shown that.
[0127]
Further, the surface shape may be defined by another equation, and what is represented by XYP in the term of TYP is a rotationally asymmetric surface according to the following equation.
[0128]
[Expression 2]
Figure 0003870071
[0129]
The numerical values written next to FFS and XYP in the column of TYP are the rotations corresponding to the aspherical coefficients k and ci (i = 1, 2, 3...) Whose surface shape is listed on the lower side of the table. It shows an asymmetric shape.
[0130]
In any case, the value of the coefficient is 0 for the term ci that is not shown in the table.
[0131]
Nd and νd (indicated by vd in the table) indicate the refractive index and Abbe number at the d-line wavelength of the medium after that surface, respectively. Nd The change in the sign indicates that light is reflected on the surface. When the medium is an air layer, only the refractive index Nd is displayed as 1.000, and the Abbe number νd is omitted. The item descriptions in the above table are the same in the following numerical examples.
[0132]
[Table 1]
Figure 0003870071
[0133]
As can be seen from Table 1, the light from the image display surface SI passes through the surfaces S10 and S9 of the lens 21 and travels toward the second optical element 2. The light traveling toward the second optical element 2 enters the second optical element 2 from the surface S8, passes through the bonding surface S7 between the second optical element 2 and the first optical element 1, and passes through the first optical element 2. The light enters the optical element 1, is totally reflected at S 6, is reflected by the back surface at S 5 with a reflection film, is folded back, is totally reflected at S 4, is reflected at the back side at S 3, is transmitted through S 2, and is transmitted through the first optical element 1. Is guided to the exit pupil S1 of the optical system.
[0134]
Considering a numerical value having a length dimension of the numerical value example 1 as mm, the image is z with an exit pupil diameter of 6 mm, an image display size of about 10 mm × 7.5 mm, and an angle of view of about 50 ° horizontally and about 39 ° vertically. This is a display optical system that displays the image at infinity in the positive direction of the axis.
[0135]
Note that the optical system of the present numerical example may be used as an imaging optical system. In this case, light from an object point at infinity in the negative z-axis direction is guided to the first optical element 1 through the diaphragm S1, is incident on the first optical element 1 from S2, and is reflected by S3. Reflected in S4, reflected back in S5, reflected in S6, and then emitted from S7 and guided to the second optical element 2.
[0136]
The light guided to the second optical element 2 exits the second optical element 2 from S8, enters the lens 21 from the surface S9, exits from S10, and forms an image on the imaging surface SI.
[0137]
According to the configuration of this numerical example, it is possible to achieve a display optical system that is small and has a wide display angle of view. In particular, in this numerical example, a lens 21 is provided between the second optical element 2 and the image display surface SI to share the optical power of the relay optical system portion with more optical surfaces, thereby generating aberrations. Therefore, the optical performance can be improved with respect to the configuration shown in the first embodiment.
[0138]
[Numerical Example 2]
FIG. 9 shows an optical path cross-sectional view of a numerical example having a configuration similar to that of the fourth embodiment shown in FIG. In the figure, reference numeral 11 denotes a first optical element, which is composed of a prism-shaped transparent body having three optical surfaces. S2, S4, S6, and S8 are the same surface, S3 and S9 are the same surface, and S5 and S7 are the same surface. These three surfaces correspond to the surfaces A, B, and C described in the fourth embodiment, respectively.
[0139]
Reference numeral 12 ′ denotes a second optical element, which is formed in a lens shape having an exit surface S9 and an entrance surface S10 joined to the surface B (S3) of the first optical element 11. Further, the numerical value example 2 includes a lens 21 having an entrance surface S12 and an exit surface S11. In the surface A, a reflective film is formed on a portion used as the folded reflection surface S6. SI is an image display surface, and S1 is an exit pupil S of the display optical system.
[0140]
These optical surfaces from S1 to S12 are all rotationally asymmetric surfaces, and have a plane-symmetrical shape having the paper plane (yz cross section) as the only plane of symmetry.
[0141]
In the figure, x, y, and z are coordinate system definitions in which the visual axis direction of the observer is the z axis, the direction perpendicular to the z axis in the paper is the y axis, and the direction perpendicular to the paper is the x axis.
[0142]
Table 2 shows the optical data of this numerical example 2.
[0143]
[Table 2]
Figure 0003870071
[0144]
As can be seen from Table 2, the light from the image display surface SI passes through the surfaces S12 and S11 of the lens 21 and travels toward the second optical element 12 ′. The light traveling toward the second optical element 12 ′ is incident on the second optical element 12 ′ from the surface S10, and the first optical element 12 ′ is joined to the first optical element 11 from the joint surface S9 between the second optical element 12 ′ and the first optical element 11. The light enters the optical element 11, is totally reflected in S8, is reflected on the back surface in S7 having a reflective film, and is substantially vertically reflected on the surface S6 corresponding to the reflective film forming portion of the surface A and is folded back. The back reflection is performed at S5, the total reflection is performed at S4, the back reflection is performed at S3, the first optical element 11 is emitted from S2, and is guided to the exit pupil S1 of the optical system.
[0145]
Considering a numerical value having a length dimension of the numerical value example 2 as mm, the image is z with an exit pupil diameter of 6 mm, an image display size of about 10 mm × 7.5 mm, and an angle of view of about 50 ° horizontally and about 39 ° vertically. This is a display optical system that displays the image at infinity in the positive direction of the axis.
[0146]
Note that the optical system of the present numerical example may be used as an imaging optical system. In this case, light from an object point at infinity in the z-axis negative direction passes through the diaphragm S1, is guided to the first optical element 11, is incident on the first optical element 11 from S2, and S3, S4, Reflected in S5, reflected back in S6, reflected in S7 and S8, then emitted from S9 and guided to the second optical element 12 ′.
[0147]
The light guided to the second optical element 12 ′ exits the second optical element 12 ′ from S10, enters the lens 21 from the surface S11, exits from S12, and forms an image on the imaging surface SI.
[0148]
According to the configuration of the present numerical example, a compact display optical system having a wide display angle of view can be realized. Also in the present numerical example, as in the numerical example 1, the lens 21 is provided between the second optical element 12 ′ and the image display surface SI, so that the optical power of the relay optical system portion is increased. It is easy to obtain high optical performance because it is shared by the surface and the occurrence of aberration is suppressed.
[0149]
In addition, since the number of reflections for forming a round-trip optical path in the first optical element 11 is increased as compared with Numerical Example 1, the optical path lengths are effectively overlapped to increase the optical path length. The display optical system can be made compact.
[0150]
[Numerical Example 3]
FIG. 10 shows an optical path cross-sectional view of a numerical example of the fourth embodiment shown in FIG. In the figure, reference numeral 11 denotes a first optical element, which is composed of a prism-shaped transparent body having three optical surfaces. S2, S4, S6, and S8 are the same surface, S3 and S9 are the same surface, and S5 and S7 are the same surface. These three surfaces correspond to the surfaces A, B, and C described in the fourth embodiment, respectively.
[0151]
Reference numeral 12 denotes a second optical element, which is formed of a prism-shaped transparent body having an exit surface S9, a reflection surface S10, and an entrance surface S11 joined to the surface B (S3) of the first optical element 11. ing. Reflective films are formed on the upper surface A and the surface C. SI is an image display surface, and S1 is an exit pupil S of the display optical system.
[0152]
All of the optical surfaces from S1 to S11 are rotationally asymmetric surfaces, and have a plane-symmetrical shape having the paper surface (yz cross section) as the only symmetrical surface.
[0153]
In the figure, x, y, and z are coordinate system definitions in which the visual axis direction of the observer is the z axis, the direction perpendicular to the z axis in the paper is the y axis, and the direction perpendicular to the paper is the x axis.
[0154]
Table 3 shows the optical data of this numerical example 3.
[0155]
[Table 3]
Figure 0003870071
[0156]
As can be seen from Table 3, the light from the image display surface SI enters the second optical element 12 from the surface S11, is reflected by the surface S10, and is reflected between the second optical element 12 and the first optical element 11. The light enters the first optical element 11 from the joint surface S9, is totally reflected at S8, is reflected at the back surface at S7 with a reflective film, and is reflected substantially vertically at the surface S6 corresponding to the reflective film forming portion of the surface A. The back surface is reflected at S5 where the reflection film is applied, is totally reflected at S4, is back-reflected at S3, exits the first optical element 11 from S2, and is guided to the exit pupil S1 of the optical system.
[0157]
Assuming that the numerical value having the length dimension of this numerical example is mm, the image is displayed on the z-axis with an exit pupil diameter of 6 mm, an image display size of about 10 mm × 7.5 mm, and a horizontal angle of about 50 ° and a vertical angle of about 39 °. The display optical system displays the image in the positive direction at infinity.
[0158]
Note that the optical system of the present numerical example may be used as an imaging optical system. In this case, light from an object point at infinity in the z-axis negative direction passes through the diaphragm S1, is guided to the first optical element 11, is incident on the first optical element 11 from S2, and S3, S4, Reflected in S5, reflected back in S6, reflected in S7 and S8, then emitted from S9 and guided to the second optical element 12.
[0159]
The light guided to the second optical element 12 is reflected at S10, exits the second optical element 12 from S11, and forms an image on the imaging surface SI.
[0160]
According to the configuration of the present numerical example, a compact display optical system having a wide display angle of view can be realized. Further, in this numerical example, a prism-shaped optical element is used as the second optical element 12, and the optical path is bent by back surface reflection. Therefore, the second optical element 12 is made thinner than the numerical examples 1 and 2. Can be made.
[0161]
[Numerical Example 4]
FIG. 11 shows an optical path cross-sectional view of a numerical example having a configuration similar to that of the fourth embodiment shown in FIG. In the figure, reference numeral 11 denotes a first optical element, which is composed of a prism-shaped transparent body having three optical surfaces. S2, S4, S6, and S8 are the same surface, S3 and S9 are the same surface, and S5 and S7 are the same surface. These three surfaces correspond to the surfaces A, B, and C described in the fourth embodiment, respectively.
[0162]
Reference numeral 12 ″ denotes a second optical element. Here, an emission surface S9, a reflection surface S11, and a reflection / incidence surface S10 (the same surface as S12) joined to the surface B (S3) of the first optical element 11 are provided. The reflective film is formed on the upper surface of the surface A, the surface C, and the surface S11, SI is an image display surface, and S1 is an exit pupil S of the display optical system. .
[0163]
These optical surfaces from S1 to S12 are all rotationally asymmetric surfaces, and have a plane-symmetrical shape having the paper plane (yz cross section) as the only plane of symmetry.
[0164]
In the figure, x, y, and z are coordinate system definitions in which the visual axis direction of the observer is the z axis, the direction perpendicular to the z axis in the paper is the y axis, and the direction perpendicular to the paper is the x axis.
[0165]
Table 4 shows the optical data of this numerical example 4.
[0166]
[Table 4]
Figure 0003870071
[0167]
As can be seen from Table 4, the light from the image display surface SI enters the second optical element 12 ″ from the surface S12, is reflected by the surfaces S11 and S10, and is incident on the bonding surface S9 with the first optical element 11. The light incident on the first optical element 11 from the surface S9 is totally reflected at S8, reflected at the back surface at S7 having a reflective film, and substantially vertical at the surface S6 corresponding to the reflective film forming portion of the surface A. Reflected and folded, the back surface is reflected at S5 to which a reflective film is applied, is totally reflected at S4, is back-reflected at S3, exits the first optical element 11 from S2, and is guided to the exit pupil S1 of the optical system. .
[0168]
Assuming that the numerical value having the length dimension of this numerical example is mm, the image is displayed on the z-axis with an exit pupil diameter of 4 mm and an image display size of about 10 mm × 7.5 mm and a horizontal angle of about 50 ° and a vertical angle of about 39 °. The display optical system displays the image in the positive direction at infinity.
[0169]
Note that the optical system of the present numerical example may be used as an imaging optical system. In this case, light from an object point at infinity in the z-axis negative direction passes through the diaphragm S1, is guided to the first optical element 11, is incident on the first optical element 11 from S2, and S3, S4, Reflected in S5, reflected back in S6, reflected in S7 and S8, then emitted from S9 and guided to the second optical element 12 ″.
[0170]
The light guided to the second optical element 12 ″ is reflected by S10 and S11, exits the second optical element 12 ″ from S12, and forms an image on the imaging surface SI.
[0171]
According to the configuration of the present numerical example, a compact display optical system having a wide display angle of view can be realized. In this numerical example, a prism-shaped optical element is used as the second optical element 12 ″, and the optical path is bent by two back surface reflections. Compared with 2 and 3, it can be made thinner.
[0172]
【The invention's effect】
As described above, according to the first invention of the present application, in the first optical element, the light is substantially reciprocated between the first, second and third surfaces so that the optical paths overlap. Even though it is a small optical system, a long optical path length can be secured. Therefore, a wide display angle of view can be achieved while using a small original image, and the entire display optical system including the second optical element can be miniaturized.
[0173]
Since the third surface of the first optical element and the exit surface of the second optical element are joined, the positioning between the first and second optical elements can be facilitated, Occurrence of aberrations when light enters the first optical element can be suppressed, and a robust optical system structure can be obtained. Therefore, a display optical system having high optical performance and excellent durability can be realized.
[0174]
If light is intermediately imaged in the display optical system (for example, the first optical element), the degree of freedom in layout is increased, the original image can be displayed on a large screen, and the optical path length is considerably increased. Even so, the display optical system can be made compact.
[0175]
According to the second invention of the present application, in the first optical element, the optical path is folded back and forth between the first, second and third surfaces so that the optical path is folded. However, a long optical path length can be secured. For this reason, it is possible to achieve a wide shooting angle of view while being small as an entire imaging optical system including the second optical element.
[0176]
Since the third surface of the first optical element and the exit surface of the second optical element are joined, the positioning between the first and second optical elements can be facilitated, Occurrence of aberrations at the time of light emission from the first optical element can be suppressed, and further a strong optical system structure can be obtained. Therefore, an imaging optical system with high optical performance and excellent durability can be realized.
[0177]
If intermediate imaging of light is performed in the imaging optical system (for example, the first optical element), the degree of freedom of layout increases, and a wide-angle subject image is sufficiently reduced and guided to the imaging surface. In addition, the imaging optical system can be made compact even if the optical path length is considerably increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a display optical system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a display optical system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a display optical system according to the first embodiment.
FIG. 4 is a configuration diagram of an imaging optical system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a display optical system (1) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a display optical system (2) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a display optical system according to the fourth embodiment.
FIG. 8 is a sectional view of an optical system according to Numerical Example 1 of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view of an optical system according to Numerical Example 2 of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of an optical system according to Numerical Example 3 of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view of an optical system according to Numerical Example 4 of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram of a conventional display optical system.
FIG. 13 is a configuration diagram of a conventional display optical system.
[Explanation of symbols]
1, 1 ', 1 ", 11 1st optical element
2, 12, 12 ', 12 "second optical element
3 Image display element
4 Image sensor

Claims (10)

画像表示素子と、その画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置であって、
前記表示光学系は、
少なくとも反射作用を有する第1の面、この第1の面で反射した前記原画からの光を前記第1の面に戻すように反射する第2の面および前記原画から前記第1の面に向かう光を透過するとともに前記第2の面から前記第1の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第3の面を有する第1の光学素子と、
前記原画からの光を前記第3の面に導く第2の光学素子とを有し、
前記第3の面と前記第2の光学素子の射出面とが接合されると共に、
前記第1の光学素子は、前記第1の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、前記第2の面で反射されて前記第1の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成され、
前記第1の光学素子内に前記原画の中間像を形成することを特徴とする画像表示装置
An image display device, an image display device having a viewer's eyes or the display optical system for guiding the projection surface light from the original to which the image display element is formed,
The display optical system includes:
A first surface having at least a reflective action, towards the light from the original reflected by the first surface from the second surface and the original reflected back to the first surface to the first surface a first optical element having a third surface that leads to the eye or the projection surface of the viewer by reflecting light reflected back to the first surface from the second surface while transmitting the light,
A second optical element for guiding light from the original image to the third surface;
It said third surface and the second and the exit surface of the optical element is joined Rutotomoni,
The first optical element has a reflection angle with respect to a normal at a hit point of a central field angle chief ray first incident on the first surface, and is reflected by the second surface and reappears on the first surface. The reflection angle with respect to the normal at the hit point of the incident central field angle chief ray is configured to have an opposite sign,
An image display apparatus , wherein an intermediate image of the original image is formed in the first optical element .
前記第1の光学素子は、前記第3の面を透過して入射した光を、前記第1の面で反射し、前記第2の面で反射し、前記第1の面で反射し、前記第3の面で反射し、前記第1の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The first optical element reflects light incident through the third surface at the first surface, reflects at the second surface, reflects at the first surface, and The image display device according to claim 1, wherein the image display device reflects the light on a third surface, transmits the first surface, and guides it to an observer's eye or a projection surface. 前記第1の光学素子は、前記第3の面を透過して入射した光を、前記第1の面で反射し、前記第2の面で反射し、前記第1の面で反射し、前記第2の面で反射し、前記第1の面で反射し、前記第3の面で反射し、前記第1の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The first optical element reflects light incident through the third surface at the first surface, reflects at the second surface, reflects at the first surface, and Reflecting on the second surface, reflecting on the first surface, reflecting on the third surface, transmitting through the first surface, and leading to the observer's eye or projection surface The image display device according to claim 1. 前記第1から第3の面のうち少なくとも1つが、当該面で反射する光線に対して偏心していることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The image display apparatus according to claim 1, wherein at least one of the first to third surfaces is decentered with respect to a light beam reflected by the surface. 前記第1から第3の面のうち少なくとも1つが、曲率を有することを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The image display apparatus according to claim 1, wherein at least one of the first to third surfaces has a curvature. 前記第1から第3の面のうち少なくとも1つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The image display device according to claim 1, wherein at least one of the first to third surfaces is a rotationally asymmetric surface. 前記第1の光学素子に形成された光学面のいずれかで光が全反射することを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The image display apparatus according to claim 1, wherein the light is totally reflected by any one of the optical surfaces formed on the first optical element. 前記第2の光学素子の光学面が回転非対称面であることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The image display apparatus according to claim 1, wherein an optical surface of the second optical element is a rotationally asymmetric surface. 前記第1および第2の光学素子が互いに同じ屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置The image display apparatus according to claim 1, wherein the first and second optical elements are formed of materials having the same refractive index. 撮像素子と、被写体からの光をその撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置であって、
前記撮像光学系は、
少なくとも反射作用を有する第1の面、この第1の面で反射した前記被写体からの光を前記第1の面に戻すように反射する第2の面および前記被写体からの光を前記第1の面に向けて反射するとともに前記第2の面から前記第1の面に戻されて反射した光を撮像面側に透過させる第3の面を有する第1の光学素子と、
前記第3の面から射出した光を撮像面に導く第2の光学素子とを有し、
前記第3の面と前記第2の光学素子の入射面とが接合されると共に、
前記第1の光学素子は、前記第1の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、前記第2の面で反射されて前記第1の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成され、
前記第1の光学素子内に前記被写体の中間像を形成することを特徴とする撮像装置
An imaging element, an imaging apparatus having an imaging optical system for guiding light to the imaging surface of the imaging element from the object,
The imaging optical system is
At least a first having a reflecting action of the surface, a second that reflects the light from the object reflected by the first surface back to the first surface plane and the light of the first from the subject A first optical element having a third surface that reflects toward the surface and transmits light reflected from the second surface back to the first surface to the imaging surface;
A second optical element for guiding the light emitted from the third surface to the imaging surface;
It said third surface and the second and the incident surface of the optical element is bonded Rutotomoni,
The first optical element has a reflection angle with respect to a normal at a hit point of a central field angle chief ray first incident on the first surface, and is reflected by the second surface and reappears on the first surface. The reflection angle with respect to the normal at the hit point of the incident central field angle chief ray is configured to have an opposite sign,
An image pickup apparatus , wherein an intermediate image of the subject is formed in the first optical element .
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