JP4550184B2 - 観察光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系に関し、特に、例えば頭部装着型画像表示装置の光学系において、外界等を透して見るシースルー観察光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、頭部装着型画像表示装置等の光学系に関し、米国特許第４，９６９，７２４号、欧州特許第５，８３１，１１６−Ａ２号の２つは何れも、接眼光学系を構成するプリズム光学系の表面を平面で構成するものであり、特開平７−３３３５５１号のものでは、接眼光学系を構成するプリズム光学系の表面は回転非対称なアナモルフィック面で構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の接眼光学系を構成する厚いプリズム光学系で外界等を透視するシースル光学系を構成するためには、目側の面と外界側の面を同一形状の面で構成、シースルー光路のパワーを０にすることが一般的であった。
【０００４】
しかし、前記プリズム光学系の目側の面が平面ではない場合には、シースルー光路のパワーが０でもその角倍率が１ではなくなり、片目にそのプリズム光学系を残りの片目を裸眼にして観察する片目装着型の頭部装着型画像表示装置の場合に、両眼で観察すると、左右の目で２つの像を融像することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、画像表示素子から表示像を形成するプリズム光学系等の接眼光学系を透してシースルーで外界等を見る場合に、裸眼で見る場合と同じに外界等が見える観察光学系を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の観察光学系は、観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材と、前記像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系と、前記第１像とは別の第２像を観察者眼球に導くように前記接眼光学系よりも前記第２像側に配置されたシースルー光学素子とを備えた観察光学系において、
前記接眼光学系が、前記第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面を有し、前記曲面形状の反射面が、前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、
前記シースルー光学素子が曲面形状の透過面を有し、前記反射面よりも前記第２像側に、前記反射面と間隔を離して配置され、
前記反射面と前記透過面は異なる曲面形状を有し、
前記第２像からの光束が、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過するに際して、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
以下、本発明において上記構成をとった理由と作用を説明する：
図１は、後記実施例１の観察光学系の光路図である。この図を参照にして説明すると、この観察光学系の接眼光学系はプリズム光学系１０を含んで構成されており、プリズム光学系１０は、射出瞳１側から逆光線追跡で数えて、透過面と全反射面を兼ねる第１面１１と半透過反射面の第２面１２と透過面の第３面１３とから構成され、像面３に配置された画像表示素子からの表示光は、第３面１３からプリズム光学系１０内に入射し、その入射光は第１面１１で反射され、さらに第２面１２で反射され、第１面１１からプリズム外に出て射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して像面３の表示像が拡大観察可能になる。
【０００８】
プリズム光学系１０の第２面１２の前方には、間隔をおいて（軸上で間隔０であるものを含む。）別の透過プリズム部材からなるシースルー光学素子２０が配置され、射出瞳１側から逆光線追跡で数えて、透過面である第１面２１と第２面２２とから構成され、外界からの光は、シースルー光学素子２０の第２面２２、第１面２１、プリズム光学系１０の第２面１２、第１面１１の順に透過して射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して外界像を形成する。外界像と像面３の画像表示素子の表示像とは選択的あるいは重畳して観察される。なお、図１中、符号２は軸上主光線を示す。
【０００９】
このように、本発明においては、観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材（像面３の画像表示素子）と、その像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系（この場合は、プリズム光学系１０と回折光学素子４とからなる。）と、第１像とは別の第２像（この場合は、外界像）を観察者眼球に導くように接眼光学系よりも第２像側に配置されたシースルー光学素子２０とを備えた観察光学系において、接眼光学系が、第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面１２を有し、反射面１２が、シースルー光学素子２０を透過した第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、シースルー光学素子２０が、反射面１２よりも第２像側に、反射面１２と間隔を離して配置されているものである。
【００１０】
そして、本発明では、外界からの光束が、シースルー光学素子２０とプリズム光学系１０とを透過するに際して、シースルー光学素子２０とプリズム光学系１０との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とするものである。ここで、光学パワーと角倍率は何れも軸上主光線２が通過する位置での光学パワーと角倍率である。
【００１１】
このように、シースルー光学系の光学パワーＰを略０、角倍率βを略１にすることにより、シースルー光学系を透して見た像が裸眼で見た像と同じになり、裸眼で見た像とシースルー光学系を通して見た像とが融像しやすく、例えば片目装着型の頭部装着型画像表示装置において両眼で外界像が観察しやすくなるものである。
【００１２】
ここで、光学パワーＰが略０とは、
−０．００２＜Ｐ＜０．００２（１／ｍｍ） ・・・（１）
の範囲にあるものを意味する。この条件の上下限を越えると、シースルー光学系を透して見た像と裸眼で見た像との結像位置が異なりすぎ、両眼で観察し難くなる。
【００１３】
また、角倍率βが略１とは、
０．９５＜β＜１．０５ ・・・（２）
を意味する。この条件の上下限を越えると、シースルー光学系を透して見た像と裸眼で見た像とが同じ大きさに結像されず、両眼で左右像が融像し難くなる。
【００１４】
また、接眼光学系とシースルー光学素子との間隔を離すとは、光学部材と屈折率の略等しい接着剤によって接合され、その接合面での光学パワーの発生が無視できるようなものではなく、接眼光学系とシースルー光学素子との間で発生する光学パワー（例えば、空気レンズ）もシースルー光学系の光学性能に寄与する作用が発生するものを言い、空気を挟んで分離されているものに限らず、屈折率差のある接着剤で接合されたものや、液体、ガス、流体を封入したものも含む。なお、液晶シャッターをこの間に配置してもよい。
【００１５】
ここで、接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成されていることが収差補正上は好ましい。
【００１６】
その理由を以下に詳述する：
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線が、逆光線追跡で、接眼光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、接眼光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、射出瞳から画像表示面に向かう逆光線追跡で説明する。
【００１７】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００１８】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
【００１９】
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【００２０】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図２１に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【００２１】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
【００２２】
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【００２３】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２２に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００２４】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２３に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【００２５】
また、本発明の接眼光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【００２６】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、アナモルフィック面あるいは対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２７】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００２８】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００２９】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００３０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３１】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３２】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００３３】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
そして、第２像からの光束がシースルー光学素子と接眼光学系とを透過する際に与えられる合成の光学パワー及び角倍率が、以下の条件を満足するように、シースルー光学系が接眼光学系で発生する光学パワーと角倍率とを相殺するように構成されていることが望ましい。
【００３５】
−０．００２＜Ｐｘ＜０．００２（１／ｍｍ） ・・・（３）
−０．００２＜Ｐｙ＜０．００２（１／ｍｍ） ・・・（４）
０．９７＜βｘ＜１．０３ ・・・（５）
０．９５＜βｙ＜１．０５ ・・・（６）
ただし、全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙ、全系のＸ方向の角倍率をβｘ、全系のＹ方向の角倍率をβｘとする。ただし、人間の縦方向がＹ軸方向の場合。人間の縦方向がＸ軸方向の場合は、条件（５）、（６）は次のようになる。
【００３６】
０．９５＜βｘ＜１．０５ ・・・（５）’
０．９７＜βｙ＜１．０３ ・・・（６）’
ここで、角倍率について、縦方向と横方向で差が付くのは、人間の目は縦Ｙよりも横Ｘの方が細かく見ることができるので、Ｙ方向のβｙは多少緩くても大丈夫なため、条件（５）と（６）の間には差が付いている。
【００３７】
上記条件（３）〜（６）の上下限の意味は前記条件（１）と（２）の上下限の意味と同様である。
【００３８】
全系のＸ方向のパワーＰｘ、Ｙ方向のパワーＰｙについて、さらに好ましくは、
−０．００１＜Ｐｘ＜０．００１（１／ｍｍ） ・・・（３−１）
−０．００１＜Ｐｙ＜０．００１（１／ｍｍ） ・・・（４−１）
なる条件を満足することが重要である。また、
−０．０００５＜Ｐｘ＜０．０００５（１／ｍｍ） ・・・（３−２）
−０．０００５＜Ｐｙ＜０．０００５（１／ｍｍ） ・・・（４−２）
なる条件の少なくとも何れか一方を満足することが望ましい。
【００３９】
全系のＸ方向の角倍率βｘ、全系のＹ方向の角倍率βｘについて、さらに好ましくは、
０．９９＜βｘ＜１．０１ ・・・（５−１）
０．９９＜βｙ＜１．０１ ・・・（６−１）
なる条件式を満足することが重要である。
【００４０】
さらに好ましくは、
０．９９５＜βｘ＜１．００５ ・・・（５−２）
０．９９５＜βｙ＜１．００５ ・・・（６−２）
なる条件式を満足することが重要である。
【００４１】
次に、目側の第１プリズム（図１では、プリズム光学系１０）の逆光線追跡での入射面の視軸（軸上主光線）との交点におけるＸ方向とＹ方向の曲率をＣｘ１、Ｃｙ１とし、第１プリズムの射出面の視軸との交点におけるＸ方向とＹ方向の曲率をＣｘ２、Ｃｙ２とし、物体側に配置されるシースルー光学素子の入射面の視軸との交点におけるＸ方向とＹ方向の曲率をＣｘ３、Ｃｙ３とし、シースルー光学素子の射出面の曲率をＣｘ４、Ｃｙ４とするとき、第１プリズムと第２プリズムを近接して配置する場合、Ｃｘ３／Ｃｘ２とＣｙ３／Ｃｙ２は下記条件を満足することが好ましい。
【００４２】
０．３＜Ｃｘ３／Ｃｘ２＜１．２ ・・・（７）
０．３＜Ｃｙ３／Ｃｙ２＜１．２ ・・・（８）
上記条件式の下限の０．３を越えると、上記２つの面に挟まれた空気層によりこの部分が正のパワーを持ちすぎてしまい、全系の光学パワーを０にする場合は、この部分のパワーを打ち消すために第２プリズムの射出面が強い負の光学パワーを持たざるを得なくなり、角倍率が大きく１以下になってしまう。一方、角倍率を略１にする場合も同様に、第２プリズムの射出面が強い負の光学パワーを持たざるを得なくなり、全体の光学パワーが強い正のパワーを持ってしまい、遠方を観察することができなくなってしまう。
【００４３】
上記条件式の上限の１．２を越えると、上記２つの面に挟まれた空気層によりこの部分が負のパワーを持ちすぎてしまい、全系の光学パワーを０にする場合は、この部分のパワーを打ち消すために第２プリズムの射出面が強い正の光学パワーを持たざるを得なくなり、角倍率が大きく１以上になってしまう。一方、角倍率を１にする場合も同様に、第２プリズムの射出面が強い正の光学パワーを持たざるを得なくなり、全体の光学パワーが強い負のパワーをもってしまい、近点を観察することができなくなってしまう。
【００４４】
さらに好ましくは、
０．４＜Ｃｘ３／Ｃｘ２＜１ ・・・（７−１）
０．４＜Ｃｙ３／Ｃｙ２＜１ ・・・（８−１）
なる条件を満足することが必要である。
【００４５】
ところで、接眼光学系としては、図１に例示したように、少なくとも屈折率が１よりも大きい媒質を挟んだプリズム部材を有し、そのプリズム部材が、少なくとも透過か反射の一方の光学作用を備えた光学作用面を３つ以上含み、その３つの面は、第１像からの光束をプリズム内に入射する第３面と、シースルー光学素子に間隔を離して対向しシースルー光学素子を透過した第２像からの光束をプリズム内に透過させる作用と第１像からの光束をブリズム内で反射させる作用とを備え、少なくとも曲面形状の反射面を有して構成された第２面と、第１像からの光束をプリズム外に射出する第１面にて構成されることが望ましい。
【００４６】
その場合には、第１面又は第３面の少なくとも一方が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状が、アナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されることが望ましい。
【００４７】
また、第１面が、プリズム内での光束の反射作用と透過作用とを兼用するように構成されることが望ましい。
【００４８】
その場合に、第１面の反射作用と透過作用との兼用面は、反射光束が全反射臨界角を越えた角度でこの第１面に入射するような全反射面にて構成され、その後反射面で折り返された反射光束を全反射臨界角を越えない角度で入射させてプリズムから射出させるように構成されていることが望ましい。
【００４９】
また、本発明の観察光学系において、第１像からの光束が接眼光学系から射出されて決まる第１像観察視野範囲が、第２像からの光束がシースルー光学素子と接眼光学系の一部を透過して決定される第２像観察視野範囲内に形成されるように、接眼光学系とシースルー光学素子とを構成してもよい。
【００５０】
また、接眼光学系のシースルー光学素子に対向配置されている反射面の光束反射領域に対して、シースルー光学素子から透過する光束透過領域が像形成部材側にシフトするようにシースルー光学素子の光学径を接眼光学系の反射面よりも小さく構成し、かつ、シースルー光学素子をその反射面の像形成部材に近い側の領域と対向して配置し、その反射面のシースルー光学素子に対向しない部分には、外界からのフレアー光線の入射を防止する遮光コートを施して構成してもよい。
【００５１】
そして、その第２像が外界像となるように、シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成することができる。
【００５２】
また、第２像が、第１像とは別の像を形成する表示素子によって形成されるように、シースルー光学素子の接眼光学系とは反対側に表示素子を配置して構成することもできる。
【００５３】
また、第２像が外界像となるように、シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成すると共に、外界像とシースルー光学素子との間に第３の像を表示する表示素子を配置して構成することもできる。
【００５４】
また、本発明の観察光学系において、第１像からの光束を導く接眼光学系内の光路と、第２像からの光束を導くシースルー光学素子内の光路とは、別の位置に配置された瞳照射用の光源と、その瞳の像を受光する受光素子とを備え、観察者の視線を検知するように構成することもできる。
【００５５】
この場合に、視線を検出する手段は、少なくとも瞳の像が、接眼光学系の光路内を通り、第１像との間の光路中から分離されて受光素子に導かれるように構成することができる。このように視線検出手段の光路を観察光路と兼用することによって、視線検出手段の光路から入射する恐れのある外界光や、瞳照射光源からの迷光等による影響を排除でさると共に、視線検出光学系も大部分削減でき、安価、小型化ができる。
【００５６】
また、接眼光学系から射出された第１像からの光束の光軸を視軸とし、射出瞳を中心にその視軸から像形成部材と反対側に向う方向の接眼光学系によって規定される角度をθとすると、接眼光学系とシースルー光学素子と射出瞳とが以下の条件を満足する関係に配置されていることが望ましい。
【００５７】
θ≦６０°
この条件を満足する配置だと、シースルー光路以外に、例えば下方のキーボード等を観察光学系を通さずに直接見ることができるようになる。
【００５８】
なお、本発明は、以上のような何れかの観察光学系を備え、その接眼光学系とシースルー光学素子と第１像を形成する像形成部材とが間隔を保持する保持手段によって保持された本体部と、その本体部を観察者頭部に支える支持手段とを備えた頭部装着型観察光学装置も含むものである。
【００５９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の観察光学系の実施例１〜２について説明する。これら実施例は逆光線追跡で説明するが、図１に示すように、接眼光学系の像面３に画像表示素子を配置し、その射出瞳１位置に観察者の眼球の瞳を配置することにより、表示像の観察光学装置として機能し、接眼光学系のプリズム光学系１０とシースルー光学素子２０とを通して射出瞳１から外界を観察することにより外界をシースルーすることができる。なお、これら実施例の構成パラメータは後に示す。
【００６０】
各実施例において、図１に示すように、軸上主光線２を物体中心を出て、射出瞳１の中心を通り、像面３中心あるいは外界中心に到る光線で定義する。そして、瞳１中心を観察光学系を構成する光学面の原点として、観察光学系の第１面１１に入射する軸上主光線２に沿う方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１には、原点について定められた座標系を図示してある。
【００６１】
実施例１、２では、瞳１の中心について定められた座標系のＹ−Ｚ平面内でプリズム部材１０、２０の各面の偏心を行っており、また、その各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６２】
プリズム部材１０、２０の偏心面については、瞳１の中心について定められた座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００６３】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００６４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６５】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００６６】
ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、Ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００６７】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。
長さの単位はｍｍである。
【００６８】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００６９】
なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００７０】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
【００７１】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【００７２】
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｃ）式、（ｄ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【００７３】
なお、回折光学素子に関しては、例えば「光学系デザイナーのための小型光学エレメント」第６、７章（オプトロニクス社刊）や「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）等に記載されており、可視域でのアッべ数ν＝−３．４５３、部分分散比θg,F ＝０．０３であり、その回折格子の間隔を自由に変えることが可能なため、任意の非球面レンズ面と等価に扱える。以下では、「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）に記載されている「ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ」を用いている。
【００７４】
本発明の実施例１のシースルー光学系を備えた観察光学装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。実施例２のシースルー光学系を備えた観察光学装置も同様に構成される。これら実施例の観察光学装置の像面の表示像を観察する場合の水平画角２２°であり、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであり、瞳径は４ｍｍである。
【００７５】
この観察光学装置は、画像表示素子の表示像を観察する場合には、逆光線追跡で物体側から光の通る順に、射出瞳１、プリズム光学系１０、回折光学素子４、平行平面板６、像面３からなり、また、外界をシースルする際は、逆光線追跡で物体側から光の通る順に、射出瞳１、プリズム光学系１０、シースルー光学素子２０からなる。
【００７６】
プリズム光学系１０は、逆光線追跡で、第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された光束をプリズム内で全反射する透過面と全反射面を兼ねた面となっており、第２面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反射すると共に、一部シースルー光学素子２０側へ透過する半透過反射面となっており、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出する透過面となっている。
【００７７】
また、回折光学素子４は、その像面３側の面が回折面５となっている。平行平面板６は像面３を照明するための光学系あるいはフィルター類を構成するものである。
【００７８】
像面３に配置された画像表示素子の表示面からの表示光は、平行平面板６を経て回折光学素子４の回折面５で回折され、プリズム光学系１０の第３面１３からプリズム内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム外に射出し、射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して、画像表示素子の表示画像の拡大像を形成する。
【００７９】
また、シースルー光学素子２０は、プリズム光学系１０の第３面１３の前方に間隔をおいて配置され、逆光線追跡で、第１面２１と第２面２２で構成された透過プリズム部材からなり、外界からの光は、シースルー光学素子２０の第２面２２、第１面２１、プリズム光学系１０の第２面１２、第１面１１の順に透過して射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して、外界像を形成する。なお、外界像と像面３の表示像とは選択的あるいは重畳して観察される。
【００８０】
図２に実施例１のシースルー光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を、図３に実施例２のシースルー光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を示す。両実施例のプリズム光学系１０は共通のものであり、シースルー光学素子２０の面形状が異なるが、プリズム光学系１０の第３面１３の前方に配置され、逆光線追跡で、第１面２１と第２面２２で構成された透過プリズム部材からなる。
【００８１】
以下に上記各実施例のシースルー光学系の構成パラメータと、両実施例共通の像面３に配置された画像表示素子の観察光学系の構成パラメータとを示す。以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＤＯＥ”は回折面、“ＬＣＤ”は画像表示素子の表示面、“ＲＳ”は反射面、“ＨＲＰ”は仮想面をそれぞれ示す。
【００８２】
【００８３】
【００８４】
【００８５】
上記実施例１、２のシースルー光学系を通して見た方眼画像と裸眼で見た方眼画像を重畳した図をそれぞれ図４、図５に示す。各実施例の観察光学系を片目装着型の頭部装着型観察光学装置に用いた場合に、両眼で外界を観察すると、左右の目で外界像を容易に融像することができることが明らかである。
【００８６】
なお、上記実施例１、２の条件（３）〜（８）に関するＰｘ、Ｐｙ、βｘ、βｙ、Ｃｘ３／Ｃｘ２、Ｃｙ３／Ｃｙ２の値を以下の通りである。
【００８７】
【００８８】
次に、図６に、本発明の別の形態の観察光学系の構成を示す。反射型ＬＣＤ（液晶表示素子）１００と、照明光源１０１と、照明用光学素子１０２、１０３とからなる第１像形成部材と、反射型ＬＣＤ１００に表示された第１像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系１０４と、外界像（第２像）を導くために接眼光学系１０４の第２像側に配置されたシースルー光学素子１０５と、さらに、その第２像側に配置された光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材１０６とを含む構成により、本実施形態の観察光学系は形成されている。さらに、視線検知のために、瞳照明光源１０７と、その瞳像を受光する受光素子１０８と、この受光素子１０８の瞳像を解析し、その情報に基づいて他の部材の制御を行うＣＰＵ１０９が配置されている。
【００８９】
照明光源１０１は、ＬＥＤやランプ等であり、白色光源でも、Ｒ，Ｇ，Ｂセットの光源であってもよい。照明用光学素子１０２は、光源１０１側の面が正パワーを有する凸面１１０で構成され、フィールドレンズの作用を持つ。なお、この凸面１１０は、発生する収差の補正の要請と、生産性向上による低コスト化の要請との調和の観点から、収差補正の要請が強まれば、球面から、回転対称非球面、アナモルフィック面、自由曲面へと設計の自由度を増す方向に変え、逆に、低コスト化の要請が強まれば、生産性の高い球面や回転対称非球面へと変えることが望ましい。照明用光学素子１０２と１０３との間の面１１１には、光の透過作用と反射作用とを兼用するように、ハーフミラーコート、ビームスプリットコート等が形成されている。また、視野検知用の瞳照明光源１０７が赤外光や可視光領域でも、波長帯域幅の狭い光の場合には、その光を反射させたとしても、ＬＣＤ１００からの第１像の観察への影響を無視できるので、この間の面１１１には、光源１０７の光を高反射率で反射する波長選択性のある面としてもよい。
【００９０】
接眼光学系１０４は、第１面１１２、第２面１１３、第３面１１４の３つの光学作用面を持ったプリズムにて構成され、第３面１１４から入射した光は、第１面１１２で全反射して、第２面１１３で反射して、今度は第１面１１２を透過して射出瞳を形成し、そこに観察者が眼球の瞳を置いたときに、ＬＣＤ１００の表示像を観察できるようになっている。この３つの面１１２〜１１４は、偏心配置されているため、偏心収差補正可能なアナモルフィック面や自由曲面（特に、図６の断面が唯一の対称面となる自由曲面が望ましい。）で構成することが望ましい。ただし、生産性の観点からの調和を図るならば、第１面〜第３面１１２〜１１４の中、少なくとも１面は回転対称非球面や球面で構成することが望ましい。このとき、面の精度に着目するならば、面の領域が一番広く、透過と反射とで２回光束に作用を与える第１面１１２を高い生産精度の担保可能な球面や回転対称非球面にすることが望ましい。また、接眼光学系１０４とシースルー光学素子１０５との間の空気レンズによる収差性能やパワー等に着目するならば、第２面１１３を球面や回転対称非球面にすることが望ましい。
【００９１】
また、光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材１０６は、光の透過と遮光との切り換え可能なシャッター（機械式開口シャッター、液晶シャッター、ブラインドシャッター）や蓋が開閉するだけの単純なドア機構等の他、透過率が段階的又は連続的に変化するように構成された液晶板等であってもよい。そして、この遮光部材１０６は、例えば、受光素子１０８で受光された瞳像から瞳孔の大きさを測り、ある値以上大きく開かれた場合には明るく、反対に、ある値以下に小さく開かれた場合には暗く調整するように、ＣＰＵ１０９で制御する。また、外界像とＬＣＤ１００の表示像との照度差を図示しない測定器で測り、その値に応じて遮光部材１０６の透過率をＣＰＵ１０９で制御するようにしてもよい。
【００９２】
さらに、視線検知された情報を用いて、ＬＣＤ１００に表示された像をスクロールさせたり、コンピュータ画面上に表示されるカーソルと同じ作用を持たせることができる。
【００９３】
また、接眼光学手系１０４の第２面１１３とシースルー光学系素子１０５とは同じ大きさであれば、組立が楽になる。逆に、軽量化のため、シースルー光学素子１０５を小さくした場合には、フレアー防止のため、遮光塗料やコーティング等の遮光コート１１５を光学面や側面に設けることが望ましい。
【００９４】
また、図６の実施形態を改良したものとして図７のものがあげられる。これは、例えばコンピュータ画面の像をＬＣＤ１００（透過型ＬＣＤでも、反射型ＬＣＤでも可）に表示する場合、視線を下に向けてキーボードの確認をしやすくする等、シースルー光学素子１０５を介する外界像以外に、直接下方の外界像を見られるようにする構成を示したものである。このように下方視野を確保できるようにするためには、視軸を基準にして、瞳中心を中心に、接眼光学系１０４及びシースルー光学素子１０５が６０°以内（θ≦６０°）に収納されるように、瞳と接眼光学系１０４の距離を離すか、あるいは、その下方の長さを短くするかして構成することが望ましい。ただし、垂直画角や光学設計上の要請から制限する場合には、相方の調和の観点から、４５°以内（θ≦４５°）にするようにしてもよい。
【００９５】
また、他の形態として、図８に示すように、外界像とは別の第３の像を、シースルー光学素子１０５と、接眼光学系１０４とを介して瞳Ｅに導くように構成することができる。ＬＣＤやＬＥＤ、又は、外光による記号表示等、小型の文字等を表示する表示素子１１６をシースルー光学素子１０５の外界側に配置する。外界の視野上にこの表示素子１１６の像を表示する場合には、遮光部材１０６とシースルー光学素子１０５間に表示素子１１６を配置する。また、外界像と表示素子１１６の像を並設する場合には、図８のように、遮光部材１０６の一部を短くし、その位置に表示素子１１６を設ける。その場合、境界部分を明瞭にしつつ、フレアー光等の入射を防止するためには、余白部分に遮光コート１１５を設けることが望ましい。この表示素子１１６には、警告表示や、図示しない外気温・湿度センサーや紫外線量測定センサー等の測定値を表示したり、使用時間や時刻等を表示する等のサポート情報表示に利用できる。
【００９６】
さらに、外界像の視野が狭くてもよい場合や、装置全体のコンパクト化・軽量化の要請が強い場合には、図９〜図１０に示すように、シースルー光学素子１０５を小型に構成してもよい。図９の場合には、シースルー光学素子１０５は下方に配置され、ＬＣＤ１００からの像観察のための視軸と、外界からの像を観察するための視軸とが略一致しているため、観察者は眼球を旋回させることはなく両像の観察が行える。
【００９７】
また、図１０の場合には、シースルー光学素子１０５は上方に配置され、ＬＣＤ１００からの像と外界像とは一部オーバーラップするかあるいは完全に並設できるので、二重像の煩わしさを軽減し、かつ同時に、ＬＣＤ１００の像と外界像とを同時に観察できる。
【００９８】
なお、図９〜図１０ではシースルー光学素子１０５を上下方向に配置したが、左右方向であってもよい。また、図６〜図１０は縦断面図であり、ＬＣＤ１００は全て上方に配置されているが、１８０°回転させて、下方にＬＣＤ１００を配置するようにしてもよく、また、さらに９０°回転させて、横方向から折り返す光路を形成させた観察光学系に構成してもよい。
【００９９】
また、接眼光学系１０４は何れも光学作用面が３面で２回反射型のプリズムを用いたものとしたが、図１１〜図１７に示すようなタイプのプリズムであってもよい。また、シースルー光学素子１０５は、単一の光学素子だけでなく、接合された光学素子やＧＲＩＮ（屈折率分布）光学素子であってもよい。
【０１００】
以下、図１１〜図１７に示す接眼光学系１０４について若干説明する。
【０１０１】
図１１の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第４面１４に入射して屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０２】
図１２の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１４に入射して全反射し、第４面１４に入射して内部反射し、再び第３面１３に入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０３】
図１３の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１３に入射して内部反射し、第２面１２に再度入射して内部反射し、第４面１４に入射して屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０４】
図１４の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１３に入射して内部反射し、第２面１２に再度入射して内部反射し、第４面１５に入射して内部反射し、第２面１２に再度入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０５】
図１５の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、再び第１面１１に入射して今度は全反射し、第３面１３で内部反射し、三たび第１面１１に入射して全反射し、第３面１３に再度入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。あるいは、その代わりに、又は、それに加えて、第３面１３の外界像側に別のシースルー光学素子１０５’を離して配置してもよい。
【０１０６】
図１６の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、再び第１面１１に入射して今度は全反射し、第３面１３で内部反射し、三たび第１面１１に入射して全反射し、再び第３面１３に入射して内部反射し、四たび第１面１１に入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。あるいは、その代わりに、又は、それに加えて、第３面１３の外界像側に別のシースルー光学素子１０５’を離して配置してもよい。
【０１０７】
図１７の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１４に入射して反射し、第４面１４に入射して屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０８】
以上のような本発明による観察光学系は、例えば頭部装着型画像表示装置の光学系として用いることができる。その例を以下に示す。
【０１０９】
まず、図１８に頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を、図１９にその画像表示装置の断面図を示す。この構成は、例えば図６に示したような観察光学系を用いており、この観察光学系と反射型画像表示素子１００からなる組み１つからなる表示装置本体１２２が前フレーム１２８の対応する眼（この場合は左眼）の前方位置に取り付けられ、片眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置として構成されている。
【０１１０】
すなわち、表示装置本体１２２には、前記のような観察光学系が用いられ、対応して像面に反射型液晶表示素子からなる反射型画像表示素子１００が配置されている。そして、表示装置本体１２２が取り付けられた前フレーム１２８には、図１８に示すように、左右に連続して側頭フレーム１２３が設けられ、表示装置本体１２２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、画像表示装置１２２の観察光学系の接眼光学系１０４の第１面１１２を保護するために、図１９に示すように、接眼光学系１０４の射出瞳と第１面１１２の間にカバー部材１２１が配置されている。このカバー部材１２１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１１１】
また、側頭フレーム１２３にはスピーカ１２４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１２４を有する表示装置本体１２２には、映像音声伝達コード１２５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１２６が接続されているので、観察者はこの再生装置１２６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図１８の符号１２７は再生装置１２６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、表示装置本体１２２の内部に映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１１２】
なお、コード１２５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１１３】
さらに、本発明による観察光学系は、両眼装着用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２０にその両眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す。この構成では、図１９に示すような観察光学系と反射型画像表示素子１００からなる画像表示装置１２２を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置として構成されている。その他の構成は図１８の場合と同様であり、説明は省く。
【０１１４】
以上の本発明の観察光学系及びそれを用いた観察光学装置は次のように構成することができる。
【０１１５】
〔１〕 観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材と、前記像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系と、前記第１像とは別の第２像を観察者眼球に導くように前記接眼光学系よりも前記第２像側に配置されたシースルー光学素子とを備えた観察光学系において、
前記接眼光学系が、前記第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面を有し、前記反射面が、前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、
前記シースルー光学素子が、前記反射面よりも前記第２像側に、前記反射面と間隔を離して配置され、
前記第２像からの光束が、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過するに際して、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１１６】
〔２〕 前記接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、
前記第２像からの光束が前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過する際に与えられる合成の光学パワー及び角倍率が、以下の条件を満足するように、前記シースルー光学系が前記接眼光学系で発生する光学パワーと角倍率とを相殺するように構成されていることを特徴とする上記１記載の観察光学系。
【０１１７】
−０．００２＜Ｐｘ＜０．００２ ・・・（３）
−０．００２＜Ｐｙ＜０．００２ ・・・（４）
０．９７＜βｘ＜１．０３ ・・・（５）
０．９５＜βｙ＜１．０５ ・・・（６）
ただし、全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙ、全系のＸ方向の角倍率をβｘ、全系のＹ方向の角倍率をβｘとする。
【０１１８】
〔３〕 前記接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状がアナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする上記１又は２記載の観察光学系。
【０１１９】
〔４〕 前記接眼光学系が、少なくとも屈折率が１よりも大きい媒質を挟んだプリズム部材を有し、
前記プリズム部材が、少なくとも透過か反射の一方の光学作用を備えた光学作用面を３つ以上含み、その３つの面は、前記第１像からの光束をプリズム内に入射する第３面と、前記シースルー光学素子に間隔を離して対向し前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束をプリズム内に透過させる作用と前記第１像からの光束をブリズム内で反射させる作用とを備え、前記少なくとも曲面形状の反射面を有して構成された第２面と、前記第１像からの光束をプリズム外に射出する第１面にて構成されたことを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２０】
〔５〕 前記第３面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状が、アナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２１】
〔６〕 前記第１面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状が、アナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２２】
〔７〕 前記第１面が、前記プリズム内での光束の反射作用と透過作用とを兼用するように構成されたことを特徴とする上記６記載の観察光学系。
【０１２３】
〔８〕 前記第１面の反射作用と透過作用との兼用面は、反射光束が全反射臨界角を越えた角度でこの第１面に入射するような全反射面にて構成され、その後反射面で折り返された反射光束を全反射臨界角を越えない角度で入射させてプリズムから射出させるように構成されていることを特徴とする上記７記載の観察光学系。
【０１２４】
〔９〕 前記第１像からの光束が前記接眼光学系から射出されて決まる前記第１像観察視野範囲は、前記第２像からの光束が前記シースルー光学素子と前記接眼光学系の一部を透過して決定される第２像観察視野範囲内に形成されるように、前記接眼光学系と前記シースルー光学素子とが構成されていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２５】
〔１０〕 前記接眼光学系の前記シースルー光学素子に対向配置されている反射面の光束反射領域に対して、前記シースルー光学素子から透過する光束透過領域が前記像形成部材側にシフトするように前記シースルー光学素子の光学径を前記接眼光学系の反射面よりも小さく構成し、かつ、前記シースルー光学素子を前記反射面の前記像形成部材に近い側の領域と対向して配置し、前記反射面の前記シースルー光学素子に対向しない部分には、外界からのフレアー光線の入射を防止する遮光コートを施して構成したことを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２６】
〔１１〕 前記第２像が外界像となるように、前記シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成されたことを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２７】
〔１２〕 前記第２像が、前記第１像とは別の像を形成する表示素子によって形成されるように、前記シースルー光学素子の前記接眼光学系とは反対側に表示素子を配置したことを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２８】
〔１３〕 前記第２像が外界像となるように、前記シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成されると共に、前記外界像と前記シースルー光学素子との間に第３の像を表示する表示素子を配置したことを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２９】
〔１４〕 前記第１像からの光束を導く前記接眼光学系内の光路と、前記第２像からの光束を導く前記シースルー光学素子内の光路とは、別の位置に配置された瞳照射用の光源と、前記瞳の像を受光する受光素子とを備え、観察者の視線を検知するように構成されたことを特徴とする上記１から１３の何れか１項記載の観察光学系。
【０１３０】
〔１５〕 前記視線を検出する手段は、少なくとも前記瞳の像が、前記接眼光学系の光路内を通り、前記第１像との間の光路中から分離されて前記受光素子に導かれるように構成されたことを特徴とする上記１４記載の観察光学系。
【０１３１】
〔１６〕 前記接眼光学系から射出された前記第１像からの光束の光軸を視軸とし、射出瞳を中心に前記視軸から前記像形成部材と反対側に向う方向の前記接眼光学系によって規定される角度をθとすると、前記接眼光学系と前記シースルー光学素子と前記射出瞳とが以下の条件を満足する関係に配置されていることを特徴とする上記１から１５の何れか１項記載の観察光学系。
【０１３２】
θ≦６０°
〔１７〕 上記１から１５の何れか１項記載の観察光学系を備え、前記接眼光学系と前記シースルー光学素子と前記第１像を形成する像形成部材とが間隔を保持する保持手段によって保持された本体部と、前記本体部を観察者頭部に支える支持手段とを備えたことを特徴とする頭部装着型観察光学装置。
【０１３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、観察光学系を構成するシースルー光学素子と接眼光学系とからなるシースルー光学系の光学パワーＰを略０、角倍率βを略１にすることにより、シースルー光学系を透して見た像が裸眼で見た像を同じになり、裸眼で見た像とシースルー光学系を通して見た像とが融像しやすく、例えば片目装着型の頭部装着型画像表示装置において両眼で外界像が観察しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の観察光学系の光路図である。
【図２】本発明の実施例１の観察光学系のシースルー光学系部分の断面図である。
【図３】本発明の実施例２の観察光学系のシースルー光学系部分の断面図である。
【図４】実施例１のシースルー光学系を通して見た方眼画像と裸眼で見た方眼画像を重畳した図である。
【図５】実施例２のシースルー光学系を通して見た方眼画像と裸眼で見た方眼画像を重畳した図である。
【図６】本発明の別の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図７】図６の実施形態の変形例の構成を示す図である。
【図８】他の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図９】別の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図１０】さらに別の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図１１】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの１例を示す図である。
【図１２】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１３】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１４】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１５】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１６】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１７】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１８】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図１９】図１８の画像表示装置び断面図である。
【図２０】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図２１】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図２２】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図２３】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【符号の説明】
Ｅ…観察者眼球
Ｍ…凹面鏡
１…射出瞳
２…軸上主光線（光軸）
３…像面
４…回折光学素子
５…回折面
６…平行平面板
１０…プリズム光学系
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
２０…シースルー光学素子
２１…第１面
２２…第２面
１００…ＬＣＤ（液晶表示素子）
１０１…照明光源
１０２、１０３…照明用光学素子
１０４…接眼光学系
１０５…シースルー光学素子
１０６…遮光部材
１０７…瞳照明光源
１０８…受光素子
１０９…ＣＰＵ
１１０…凸面
１１１…照明用光学素子間の面
１１２…接眼光学系の第１面
１１３…接眼光学系の第２面
１１４…接眼光学系の第３面
１１５…遮光コート
１１６…表示素子
１２１…カバー部材
１２２…表示装置本体
１２３…側頭フレーム
１２４…スピーカ
１２５…映像音声伝達コード
１２６…再生装置
１２７…調節部
１２８…前フレーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系に関し、特に、例えば頭部装着型画像表示装置の光学系において、外界等を透して見るシースルー観察光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、頭部装着型画像表示装置等の光学系に関し、米国特許第４，９６９，７２４号、欧州特許第５，８３１，１１６−Ａ２号の２つは何れも、接眼光学系を構成するプリズム光学系の表面を平面で構成するものであり、特開平７−３３３５５１号のものでは、接眼光学系を構成するプリズム光学系の表面は回転非対称なアナモルフィック面で構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の接眼光学系を構成する厚いプリズム光学系で外界等を透視するシースル光学系を構成するためには、目側の面と外界側の面を同一形状の面で構成、シースルー光路のパワーを０にすることが一般的であった。
【０００４】
しかし、前記プリズム光学系の目側の面が平面ではない場合には、シースルー光路のパワーが０でもその角倍率が１ではなくなり、片目にそのプリズム光学系を残りの片目を裸眼にして観察する片目装着型の頭部装着型画像表示装置の場合に、両眼で観察すると、左右の目で２つの像を融像することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、画像表示素子から表示像を形成するプリズム光学系等の接眼光学系を透してシースルーで外界等を見る場合に、裸眼で見る場合と同じに外界等が見える観察光学系を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の観察光学系は、観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材と、前記像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系と、前記第１像とは別の第２像を観察者眼球に導くように前記接眼光学系よりも前記第２像側に配置されたシースルー光学素子とを備えた観察光学系において、
前記接眼光学系が、前記第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面を有し、前記曲面形状の反射面が、前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、
前記シースルー光学素子が曲面形状の透過面を有し、前記反射面よりも前記第２像側に、前記反射面と間隔を離して配置され、
前記反射面と前記透過面は異なる曲面形状を有し、
前記第２像からの光束が、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過するに際して、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
以下、本発明において上記構成をとった理由と作用を説明する：
図１は、後記実施例１の観察光学系の光路図である。この図を参照にして説明すると、この観察光学系の接眼光学系はプリズム光学系１０を含んで構成されており、プリズム光学系１０は、射出瞳１側から逆光線追跡で数えて、透過面と全反射面を兼ねる第１面１１と半透過反射面の第２面１２と透過面の第３面１３とから構成され、像面３に配置された画像表示素子からの表示光は、第３面１３からプリズム光学系１０内に入射し、その入射光は第１面１１で反射され、さらに第２面１２で反射され、第１面１１からプリズム外に出て射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して像面３の表示像が拡大観察可能になる。
【０００８】
プリズム光学系１０の第２面１２の前方には、間隔をおいて（軸上で間隔０であるものを含む。）別の透過プリズム部材からなるシースルー光学素子２０が配置され、射出瞳１側から逆光線追跡で数えて、透過面である第１面２１と第２面２２とから構成され、外界からの光は、シースルー光学素子２０の第２面２２、第１面２１、プリズム光学系１０の第２面１２、第１面１１の順に透過して射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して外界像を形成する。外界像と像面３の画像表示素子の表示像とは選択的あるいは重畳して観察される。なお、図１中、符号２は軸上主光線を示す。
【０００９】
このように、本発明においては、観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材（像面３の画像表示素子）と、その像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系（この場合は、プリズム光学系１０と回折光学素子４とからなる。）と、第１像とは別の第２像（この場合は、外界像）を観察者眼球に導くように接眼光学系よりも第２像側に配置されたシースルー光学素子２０とを備えた観察光学系において、接眼光学系が、第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面１２を有し、反射面１２が、シースルー光学素子２０を透過した第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、シースルー光学素子２０が、反射面１２よりも第２像側に、反射面１２と間隔を離して配置されているものである。
【００１０】
そして、本発明では、外界からの光束が、シースルー光学素子２０とプリズム光学系１０とを透過するに際して、シースルー光学素子２０とプリズム光学系１０との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とするものである。ここで、光学パワーと角倍率は何れも軸上主光線２が通過する位置での光学パワーと角倍率である。
【００１１】
このように、シースルー光学系の光学パワーＰを略０、角倍率βを略１にすることにより、シースルー光学系を透して見た像が裸眼で見た像と同じになり、裸眼で見た像とシースルー光学系を通して見た像とが融像しやすく、例えば片目装着型の頭部装着型画像表示装置において両眼で外界像が観察しやすくなるものである。
【００１２】
ここで、光学パワーＰが略０とは、
−０．００２＜Ｐ＜０．００２（１／ｍｍ） ・・・（１）
の範囲にあるものを意味する。この条件の上下限を越えると、シースルー光学系を透して見た像と裸眼で見た像との結像位置が異なりすぎ、両眼で観察し難くなる。
【００１３】
また、角倍率βが略１とは、
０．９５＜β＜１．０５ ・・・（２）
を意味する。この条件の上下限を越えると、シースルー光学系を透して見た像と裸眼で見た像とが同じ大きさに結像されず、両眼で左右像が融像し難くなる。
【００１４】
また、接眼光学系とシースルー光学素子との間隔を離すとは、光学部材と屈折率の略等しい接着剤によって接合され、その接合面での光学パワーの発生が無視できるようなものではなく、接眼光学系とシースルー光学素子との間で発生する光学パワー（例えば、空気レンズ）もシースルー光学系の光学性能に寄与する作用が発生するものを言い、空気を挟んで分離されているものに限らず、屈折率差のある接着剤で接合されたものや、液体、ガス、流体を封入したものも含む。なお、液晶シャッターをこの間に配置してもよい。
【００１５】
ここで、接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成されていることが収差補正上は好ましい。
【００１６】
その理由を以下に詳述する：
まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線が、逆光線追跡で、接眼光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、接眼光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、射出瞳から画像表示面に向かう逆光線追跡で説明する。
【００１７】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００１８】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
【００１９】
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【００２０】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図２１に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【００２１】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
【００２２】
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【００２３】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２２に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００２４】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２３に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【００２５】
また、本発明の接眼光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【００２６】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、アナモルフィック面あるいは対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２７】
【００２８】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００２９】
自由曲面項は、
【００３０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３１】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３２】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００３３】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
そして、第２像からの光束がシースルー光学素子と接眼光学系とを透過する際に与えられる合成の光学パワー及び角倍率が、以下の条件を満足するように、シースルー光学系が接眼光学系で発生する光学パワーと角倍率とを相殺するように構成されていることが望ましい。
【００３５】
−０．００２＜Ｐｘ＜０．００２（１／ｍｍ） ・・・（３）
−０．００２＜Ｐｙ＜０．００２（１／ｍｍ） ・・・（４）
０．９７＜βｘ＜１．０３ ・・・（５）
０．９５＜βｙ＜１．０５ ・・・（６）
ただし、全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙ、全系のＸ方向の角倍率をβｘ、全系のＹ方向の角倍率をβｘとする。ただし、人間の縦方向がＹ軸方向の場合。人間の縦方向がＸ軸方向の場合は、条件（５）、（６）は次のようになる。
【００３６】
０．９５＜βｘ＜１．０５ ・・・（５）’
０．９７＜βｙ＜１．０３ ・・・（６）’
ここで、角倍率について、縦方向と横方向で差が付くのは、人間の目は縦Ｙよりも横Ｘの方が細かく見ることができるので、Ｙ方向のβｙは多少緩くても大丈夫なため、条件（５）と（６）の間には差が付いている。
【００３７】
上記条件（３）〜（６）の上下限の意味は前記条件（１）と（２）の上下限の意味と同様である。
【００３８】
全系のＸ方向のパワーＰｘ、Ｙ方向のパワーＰｙについて、さらに好ましくは、
−０．００１＜Ｐｘ＜０．００１（１／ｍｍ） ・・・（３−１）
−０．００１＜Ｐｙ＜０．００１（１／ｍｍ） ・・・（４−１）
なる条件を満足することが重要である。また、
−０．０００５＜Ｐｘ＜０．０００５（１／ｍｍ） ・・・（３−２）
−０．０００５＜Ｐｙ＜０．０００５（１／ｍｍ） ・・・（４−２）
なる条件の少なくとも何れか一方を満足することが望ましい。
【００３９】
全系のＸ方向の角倍率βｘ、全系のＹ方向の角倍率βｘについて、さらに好ましくは、
０．９９＜βｘ＜１．０１ ・・・（５−１）
０．９９＜βｙ＜１．０１ ・・・（６−１）
なる条件式を満足することが重要である。
【００４０】
さらに好ましくは、
０．９９５＜βｘ＜１．００５ ・・・（５−２）
０．９９５＜βｙ＜１．００５ ・・・（６−２）
なる条件式を満足することが重要である。
【００４１】
次に、目側の第１プリズム（図１では、プリズム光学系１０）の逆光線追跡での入射面の視軸（軸上主光線）との交点におけるＸ方向とＹ方向の曲率をＣｘ１、Ｃｙ１とし、第１プリズムの射出面の視軸との交点におけるＸ方向とＹ方向の曲率をＣｘ２、Ｃｙ２とし、物体側に配置されるシースルー光学素子の入射面の視軸との交点におけるＸ方向とＹ方向の曲率をＣｘ３、Ｃｙ３とし、シースルー光学素子の射出面の曲率をＣｘ４、Ｃｙ４とするとき、第１プリズムと第２プリズムを近接して配置する場合、Ｃｘ３／Ｃｘ２とＣｙ３／Ｃｙ２は下記条件を満足することが好ましい。
【００４２】
０．３＜Ｃｘ３／Ｃｘ２＜１．２ ・・・（７）
０．３＜Ｃｙ３／Ｃｙ２＜１．２ ・・・（８）
上記条件式の下限の０．３を越えると、上記２つの面に挟まれた空気層によりこの部分が正のパワーを持ちすぎてしまい、全系の光学パワーを０にする場合は、この部分のパワーを打ち消すために第２プリズムの射出面が強い負の光学パワーを持たざるを得なくなり、角倍率が大きく１以下になってしまう。一方、角倍率を略１にする場合も同様に、第２プリズムの射出面が強い負の光学パワーを持たざるを得なくなり、全体の光学パワーが強い正のパワーを持ってしまい、遠方を観察することができなくなってしまう。
【００４３】
上記条件式の上限の１．２を越えると、上記２つの面に挟まれた空気層によりこの部分が負のパワーを持ちすぎてしまい、全系の光学パワーを０にする場合は、この部分のパワーを打ち消すために第２プリズムの射出面が強い正の光学パワーを持たざるを得なくなり、角倍率が大きく１以上になってしまう。一方、角倍率を１にする場合も同様に、第２プリズムの射出面が強い正の光学パワーを持たざるを得なくなり、全体の光学パワーが強い負のパワーをもってしまい、近点を観察することができなくなってしまう。
【００４４】
さらに好ましくは、
０．４＜Ｃｘ３／Ｃｘ２＜１ ・・・（７−１）
０．４＜Ｃｙ３／Ｃｙ２＜１ ・・・（８−１）
なる条件を満足することが必要である。
【００４５】
ところで、接眼光学系としては、図１に例示したように、少なくとも屈折率が１よりも大きい媒質を挟んだプリズム部材を有し、そのプリズム部材が、少なくとも透過か反射の一方の光学作用を備えた光学作用面を３つ以上含み、その３つの面は、第１像からの光束をプリズム内に入射する第３面と、シースルー光学素子に間隔を離して対向しシースルー光学素子を透過した第２像からの光束をプリズム内に透過させる作用と第１像からの光束をブリズム内で反射させる作用とを備え、少なくとも曲面形状の反射面を有して構成された第２面と、第１像からの光束をプリズム外に射出する第１面にて構成されることが望ましい。
【００４６】
その場合には、第１面又は第３面の少なくとも一方が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状が、アナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されることが望ましい。
【００４７】
また、第１面が、プリズム内での光束の反射作用と透過作用とを兼用するように構成されることが望ましい。
【００４８】
その場合に、第１面の反射作用と透過作用との兼用面は、反射光束が全反射臨界角を越えた角度でこの第１面に入射するような全反射面にて構成され、その後反射面で折り返された反射光束を全反射臨界角を越えない角度で入射させてプリズムから射出させるように構成されていることが望ましい。
【００４９】
また、本発明の観察光学系において、第１像からの光束が接眼光学系から射出されて決まる第１像観察視野範囲が、第２像からの光束がシースルー光学素子と接眼光学系の一部を透過して決定される第２像観察視野範囲内に形成されるように、接眼光学系とシースルー光学素子とを構成してもよい。
【００５０】
また、接眼光学系のシースルー光学素子に対向配置されている反射面の光束反射領域に対して、シースルー光学素子から透過する光束透過領域が像形成部材側にシフトするようにシースルー光学素子の光学径を接眼光学系の反射面よりも小さく構成し、かつ、シースルー光学素子をその反射面の像形成部材に近い側の領域と対向して配置し、その反射面のシースルー光学素子に対向しない部分には、外界からのフレアー光線の入射を防止する遮光コートを施して構成してもよい。
【００５１】
そして、その第２像が外界像となるように、シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成することができる。
【００５２】
また、第２像が、第１像とは別の像を形成する表示素子によって形成されるように、シースルー光学素子の接眼光学系とは反対側に表示素子を配置して構成することもできる。
【００５３】
また、第２像が外界像となるように、シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成すると共に、外界像とシースルー光学素子との間に第３の像を表示する表示素子を配置して構成することもできる。
【００５４】
また、本発明の観察光学系において、第１像からの光束を導く接眼光学系内の光路と、第２像からの光束を導くシースルー光学素子内の光路とは、別の位置に配置された瞳照射用の光源と、その瞳の像を受光する受光素子とを備え、観察者の視線を検知するように構成することもできる。
【００５５】
この場合に、視線を検出する手段は、少なくとも瞳の像が、接眼光学系の光路内を通り、第１像との間の光路中から分離されて受光素子に導かれるように構成することができる。このように視線検出手段の光路を観察光路と兼用することによって、視線検出手段の光路から入射する恐れのある外界光や、瞳照射光源からの迷光等による影響を排除でさると共に、視線検出光学系も大部分削減でき、安価、小型化ができる。
【００５６】
また、接眼光学系から射出された第１像からの光束の光軸を視軸とし、射出瞳を中心にその視軸から像形成部材と反対側に向う方向の接眼光学系によって規定される角度をθとすると、接眼光学系とシースルー光学素子と射出瞳とが以下の条件を満足する関係に配置されていることが望ましい。
【００５７】
θ≦６０°
この条件を満足する配置だと、シースルー光路以外に、例えば下方のキーボード等を観察光学系を通さずに直接見ることができるようになる。
【００５８】
なお、本発明は、以上のような何れかの観察光学系を備え、その接眼光学系とシースルー光学素子と第１像を形成する像形成部材とが間隔を保持する保持手段によって保持された本体部と、その本体部を観察者頭部に支える支持手段とを備えた頭部装着型観察光学装置も含むものである。
【００５９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の観察光学系の実施例１〜２について説明する。これら実施例は逆光線追跡で説明するが、図１に示すように、接眼光学系の像面３に画像表示素子を配置し、その射出瞳１位置に観察者の眼球の瞳を配置することにより、表示像の観察光学装置として機能し、接眼光学系のプリズム光学系１０とシースルー光学素子２０とを通して射出瞳１から外界を観察することにより外界をシースルーすることができる。なお、これら実施例の構成パラメータは後に示す。
【００６０】
各実施例において、図１に示すように、軸上主光線２を物体中心を出て、射出瞳１の中心を通り、像面３中心あるいは外界中心に到る光線で定義する。そして、瞳１中心を観察光学系を構成する光学面の原点として、観察光学系の第１面１１に入射する軸上主光線２に沿う方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１には、原点について定められた座標系を図示してある。
【００６１】
実施例１、２では、瞳１の中心について定められた座標系のＹ−Ｚ平面内でプリズム部材１０、２０の各面の偏心を行っており、また、その各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６２】
プリズム部材１０、２０の偏心面については、瞳１の中心について定められた座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００６３】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００６４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６５】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００６６】
【００６７】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。
長さの単位はｍｍである。
【００６８】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００６９】
【００７０】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
【００７１】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【００７２】
【００７３】
なお、回折光学素子に関しては、例えば「光学系デザイナーのための小型光学エレメント」第６、７章（オプトロニクス社刊）や「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）等に記載されており、可視域でのアッべ数ν＝−３．４５３、部分分散比θg,F ＝０．０３であり、その回折格子の間隔を自由に変えることが可能なため、任意の非球面レンズ面と等価に扱える。以下では、「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）に記載されている「ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ」を用いている。
【００７４】
本発明の実施例１のシースルー光学系を備えた観察光学装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。実施例２のシースルー光学系を備えた観察光学装置も同様に構成される。これら実施例の観察光学装置の像面の表示像を観察する場合の水平画角２２°であり、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであり、瞳径は４ｍｍである。
【００７５】
この観察光学装置は、画像表示素子の表示像を観察する場合には、逆光線追跡で物体側から光の通る順に、射出瞳１、プリズム光学系１０、回折光学素子４、平行平面板６、像面３からなり、また、外界をシースルする際は、逆光線追跡で物体側から光の通る順に、射出瞳１、プリズム光学系１０、シースルー光学素子２０からなる。
【００７６】
プリズム光学系１０は、逆光線追跡で、第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された光束をプリズム内で全反射する透過面と全反射面を兼ねた面となっており、第２面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反射すると共に、一部シースルー光学素子２０側へ透過する半透過反射面となっており、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出する透過面となっている。
【００７７】
また、回折光学素子４は、その像面３側の面が回折面５となっている。平行平面板６は像面３を照明するための光学系あるいはフィルター類を構成するものである。
【００７８】
像面３に配置された画像表示素子の表示面からの表示光は、平行平面板６を経て回折光学素子４の回折面５で回折され、プリズム光学系１０の第３面１３からプリズム内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム外に射出し、射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して、画像表示素子の表示画像の拡大像を形成する。
【００７９】
また、シースルー光学素子２０は、プリズム光学系１０の第３面１３の前方に間隔をおいて配置され、逆光線追跡で、第１面２１と第２面２２で構成された透過プリズム部材からなり、外界からの光は、シースルー光学素子２０の第２面２２、第１面２１、プリズム光学系１０の第２面１２、第１面１１の順に透過して射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者眼球に入射して、外界像を形成する。なお、外界像と像面３の表示像とは選択的あるいは重畳して観察される。
【００８０】
図２に実施例１のシースルー光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を、図３に実施例２のシースルー光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を示す。両実施例のプリズム光学系１０は共通のものであり、シースルー光学素子２０の面形状が異なるが、プリズム光学系１０の第３面１３の前方に配置され、逆光線追跡で、第１面２１と第２面２２で構成された透過プリズム部材からなる。
【００８１】
以下に上記各実施例のシースルー光学系の構成パラメータと、両実施例共通の像面３に配置された画像表示素子の観察光学系の構成パラメータとを示す。以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＤＯＥ”は回折面、“ＬＣＤ”は画像表示素子の表示面、“ＲＳ”は反射面、“ＨＲＰ”は仮想面をそれぞれ示す。
【００８２】
上記実施例１、２のシースルー光学系を通して見た方眼画像と裸眼で見た方眼画像を重畳した図をそれぞれ図４、図５に示す。各実施例の観察光学系を片目装着型の頭部装着型観察光学装置に用いた場合に、両眼で外界を観察すると、左右の目で外界像を容易に融像することができることが明らかである。
【００８６】
なお、上記実施例１、２の条件（３）〜（８）に関するＰｘ、Ｐｙ、βｘ、βｙ、Ｃｘ３／Ｃｘ２、Ｃｙ３／Ｃｙ２の値を以下の通りである。
【００８７】
次に、図６に、本発明の別の形態の観察光学系の構成を示す。反射型ＬＣＤ（液晶表示素子）１００と、照明光源１０１と、照明用光学素子１０２、１０３とからなる第１像形成部材と、反射型ＬＣＤ１００に表示された第１像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系１０４と、外界像（第２像）を導くために接眼光学系１０４の第２像側に配置されたシースルー光学素子１０５と、さらに、その第２像側に配置された光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材１０６とを含む構成により、本実施形態の観察光学系は形成されている。さらに、視線検知のために、瞳照明光源１０７と、その瞳像を受光する受光素子１０８と、この受光素子１０８の瞳像を解析し、その情報に基づいて他の部材の制御を行うＣＰＵ１０９が配置されている。
【００８９】
照明光源１０１は、ＬＥＤやランプ等であり、白色光源でも、Ｒ，Ｇ，Ｂセットの光源であってもよい。照明用光学素子１０２は、光源１０１側の面が正パワーを有する凸面１１０で構成され、フィールドレンズの作用を持つ。なお、この凸面１１０は、発生する収差の補正の要請と、生産性向上による低コスト化の要請との調和の観点から、収差補正の要請が強まれば、球面から、回転対称非球面、アナモルフィック面、自由曲面へと設計の自由度を増す方向に変え、逆に、低コスト化の要請が強まれば、生産性の高い球面や回転対称非球面へと変えることが望ましい。照明用光学素子１０２と１０３との間の面１１１には、光の透過作用と反射作用とを兼用するように、ハーフミラーコート、ビームスプリットコート等が形成されている。また、視野検知用の瞳照明光源１０７が赤外光や可視光領域でも、波長帯域幅の狭い光の場合には、その光を反射させたとしても、ＬＣＤ１００からの第１像の観察への影響を無視できるので、この間の面１１１には、光源１０７の光を高反射率で反射する波長選択性のある面としてもよい。
【００９０】
接眼光学系１０４は、第１面１１２、第２面１１３、第３面１１４の３つの光学作用面を持ったプリズムにて構成され、第３面１１４から入射した光は、第１面１１２で全反射して、第２面１１３で反射して、今度は第１面１１２を透過して射出瞳を形成し、そこに観察者が眼球の瞳を置いたときに、ＬＣＤ１００の表示像を観察できるようになっている。この３つの面１１２〜１１４は、偏心配置されているため、偏心収差補正可能なアナモルフィック面や自由曲面（特に、図６の断面が唯一の対称面となる自由曲面が望ましい。）で構成することが望ましい。ただし、生産性の観点からの調和を図るならば、第１面〜第３面１１２〜１１４の中、少なくとも１面は回転対称非球面や球面で構成することが望ましい。このとき、面の精度に着目するならば、面の領域が一番広く、透過と反射とで２回光束に作用を与える第１面１１２を高い生産精度の担保可能な球面や回転対称非球面にすることが望ましい。また、接眼光学系１０４とシースルー光学素子１０５との間の空気レンズによる収差性能やパワー等に着目するならば、第２面１１３を球面や回転対称非球面にすることが望ましい。
【００９１】
また、光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材１０６は、光の透過と遮光との切り換え可能なシャッター（機械式開口シャッター、液晶シャッター、ブラインドシャッター）や蓋が開閉するだけの単純なドア機構等の他、透過率が段階的又は連続的に変化するように構成された液晶板等であってもよい。そして、この遮光部材１０６は、例えば、受光素子１０８で受光された瞳像から瞳孔の大きさを測り、ある値以上大きく開かれた場合には明るく、反対に、ある値以下に小さく開かれた場合には暗く調整するように、ＣＰＵ１０９で制御する。また、外界像とＬＣＤ１００の表示像との照度差を図示しない測定器で測り、その値に応じて遮光部材１０６の透過率をＣＰＵ１０９で制御するようにしてもよい。
【００９２】
さらに、視線検知された情報を用いて、ＬＣＤ１００に表示された像をスクロールさせたり、コンピュータ画面上に表示されるカーソルと同じ作用を持たせることができる。
【００９３】
また、接眼光学手系１０４の第２面１１３とシースルー光学系素子１０５とは同じ大きさであれば、組立が楽になる。逆に、軽量化のため、シースルー光学素子１０５を小さくした場合には、フレアー防止のため、遮光塗料やコーティング等の遮光コート１１５を光学面や側面に設けることが望ましい。
【００９４】
また、図６の実施形態を改良したものとして図７のものがあげられる。これは、例えばコンピュータ画面の像をＬＣＤ１００（透過型ＬＣＤでも、反射型ＬＣＤでも可）に表示する場合、視線を下に向けてキーボードの確認をしやすくする等、シースルー光学素子１０５を介する外界像以外に、直接下方の外界像を見られるようにする構成を示したものである。このように下方視野を確保できるようにするためには、視軸を基準にして、瞳中心を中心に、接眼光学系１０４及びシースルー光学素子１０５が６０°以内（θ≦６０°）に収納されるように、瞳と接眼光学系１０４の距離を離すか、あるいは、その下方の長さを短くするかして構成することが望ましい。ただし、垂直画角や光学設計上の要請から制限する場合には、相方の調和の観点から、４５°以内（θ≦４５°）にするようにしてもよい。
【００９５】
また、他の形態として、図８に示すように、外界像とは別の第３の像を、シースルー光学素子１０５と、接眼光学系１０４とを介して瞳Ｅに導くように構成することができる。ＬＣＤやＬＥＤ、又は、外光による記号表示等、小型の文字等を表示する表示素子１１６をシースルー光学素子１０５の外界側に配置する。外界の視野上にこの表示素子１１６の像を表示する場合には、遮光部材１０６とシースルー光学素子１０５間に表示素子１１６を配置する。また、外界像と表示素子１１６の像を並設する場合には、図８のように、遮光部材１０６の一部を短くし、その位置に表示素子１１６を設ける。その場合、境界部分を明瞭にしつつ、フレアー光等の入射を防止するためには、余白部分に遮光コート１１５を設けることが望ましい。この表示素子１１６には、警告表示や、図示しない外気温・湿度センサーや紫外線量測定センサー等の測定値を表示したり、使用時間や時刻等を表示する等のサポート情報表示に利用できる。
【００９６】
さらに、外界像の視野が狭くてもよい場合や、装置全体のコンパクト化・軽量化の要請が強い場合には、図９〜図１０に示すように、シースルー光学素子１０５を小型に構成してもよい。図９の場合には、シースルー光学素子１０５は下方に配置され、ＬＣＤ１００からの像観察のための視軸と、外界からの像を観察するための視軸とが略一致しているため、観察者は眼球を旋回させることはなく両像の観察が行える。
【００９７】
また、図１０の場合には、シースルー光学素子１０５は上方に配置され、ＬＣＤ１００からの像と外界像とは一部オーバーラップするかあるいは完全に並設できるので、二重像の煩わしさを軽減し、かつ同時に、ＬＣＤ１００の像と外界像とを同時に観察できる。
【００９８】
なお、図９〜図１０ではシースルー光学素子１０５を上下方向に配置したが、左右方向であってもよい。また、図６〜図１０は縦断面図であり、ＬＣＤ１００は全て上方に配置されているが、１８０°回転させて、下方にＬＣＤ１００を配置するようにしてもよく、また、さらに９０°回転させて、横方向から折り返す光路を形成させた観察光学系に構成してもよい。
【００９９】
また、接眼光学系１０４は何れも光学作用面が３面で２回反射型のプリズムを用いたものとしたが、図１１〜図１７に示すようなタイプのプリズムであってもよい。また、シースルー光学素子１０５は、単一の光学素子だけでなく、接合された光学素子やＧＲＩＮ（屈折率分布）光学素子であってもよい。
【０１００】
以下、図１１〜図１７に示す接眼光学系１０４について若干説明する。
【０１０１】
図１１の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第４面１４に入射して屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０２】
図１２の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１４に入射して全反射し、第４面１４に入射して内部反射し、再び第３面１３に入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０３】
図１３の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１３に入射して内部反射し、第２面１２に再度入射して内部反射し、第４面１４に入射して屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０４】
図１４の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１３に入射して内部反射し、第２面１２に再度入射して内部反射し、第４面１５に入射して内部反射し、第２面１２に再度入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０５】
図１５の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、再び第１面１１に入射して今度は全反射し、第３面１３で内部反射し、三たび第１面１１に入射して全反射し、第３面１３に再度入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。あるいは、その代わりに、又は、それに加えて、第３面１３の外界像側に別のシースルー光学素子１０５’を離して配置してもよい。
【０１０６】
図１６の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、再び第１面１１に入射して今度は全反射し、第３面１３で内部反射し、三たび第１面１１に入射して全反射し、再び第３面１３に入射して内部反射し、四たび第１面１１に入射して今度は屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。あるいは、その代わりに、又は、それに加えて、第３面１３の外界像側に別のシースルー光学素子１０５’を離して配置してもよい。
【０１０７】
図１７の場合は、接眼光学系１０４は第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４からなり、逆光線追跡で射出瞳位置Ｅを通って入射した光は、第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２で内部反射し、第３面１４に入射して反射し、第４面１４に入射して屈折されて、ＬＣＤ１００の位置に結像する。この接眼光学系１０４の場合には、第２面１２の外界像側にシースルー光学素子１０５が離して配置される。
【０１０８】
以上のような本発明による観察光学系は、例えば頭部装着型画像表示装置の光学系として用いることができる。その例を以下に示す。
【０１０９】
まず、図１８に頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を、図１９にその画像表示装置の断面図を示す。この構成は、例えば図６に示したような観察光学系を用いており、この観察光学系と反射型画像表示素子１００からなる組み１つからなる表示装置本体１２２が前フレーム１２８の対応する眼（この場合は左眼）の前方位置に取り付けられ、片眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置として構成されている。
【０１１０】
すなわち、表示装置本体１２２には、前記のような観察光学系が用いられ、対応して像面に反射型液晶表示素子からなる反射型画像表示素子１００が配置されている。そして、表示装置本体１２２が取り付けられた前フレーム１２８には、図１８に示すように、左右に連続して側頭フレーム１２３が設けられ、表示装置本体１２２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、画像表示装置１２２の観察光学系の接眼光学系１０４の第１面１１２を保護するために、図１９に示すように、接眼光学系１０４の射出瞳と第１面１１２の間にカバー部材１２１が配置されている。このカバー部材１２１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１１１】
また、側頭フレーム１２３にはスピーカ１２４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１２４を有する表示装置本体１２２には、映像音声伝達コード１２５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１２６が接続されているので、観察者はこの再生装置１２６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図１８の符号１２７は再生装置１２６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、表示装置本体１２２の内部に映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１１２】
なお、コード１２５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１１３】
さらに、本発明による観察光学系は、両眼装着用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２０にその両眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す。この構成では、図１９に示すような観察光学系と反射型画像表示素子１００からなる画像表示装置１２２を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置として構成されている。その他の構成は図１８の場合と同様であり、説明は省く。
【０１１４】
以上の本発明の観察光学系及びそれを用いた観察光学装置は次のように構成することができる。
【０１１５】
〔１〕 観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材と、前記像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系と、前記第１像とは別の第２像を観察者眼球に導くように前記接眼光学系よりも前記第２像側に配置されたシースルー光学素子とを備えた観察光学系において、
前記接眼光学系が、前記第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面を有し、前記反射面が、前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、
前記シースルー光学素子が、前記反射面よりも前記第２像側に、前記反射面と間隔を離して配置され、
前記第２像からの光束が、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過するに際して、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１１６】
〔２〕 前記接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、
前記第２像からの光束が前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過する際に与えられる合成の光学パワー及び角倍率が、以下の条件を満足するように、前記シースルー光学系が前記接眼光学系で発生する光学パワーと角倍率とを相殺するように構成されていることを特徴とする上記１記載の観察光学系。
【０１１７】
−０．００２＜Ｐｘ＜０．００２ ・・・（３）
−０．００２＜Ｐｙ＜０．００２ ・・・（４）
０．９７＜βｘ＜１．０３ ・・・（５）
０．９５＜βｙ＜１．０５ ・・・（６）
ただし、全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙ、全系のＸ方向の角倍率をβｘ、全系のＹ方向の角倍率をβｘとする。
【０１１８】
〔３〕 前記接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状がアナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする上記１又は２記載の観察光学系。
【０１１９】
〔４〕 前記接眼光学系が、少なくとも屈折率が１よりも大きい媒質を挟んだプリズム部材を有し、
前記プリズム部材が、少なくとも透過か反射の一方の光学作用を備えた光学作用面を３つ以上含み、その３つの面は、前記第１像からの光束をプリズム内に入射する第３面と、前記シースルー光学素子に間隔を離して対向し前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束をプリズム内に透過させる作用と前記第１像からの光束をブリズム内で反射させる作用とを備え、前記少なくとも曲面形状の反射面を有して構成された第２面と、前記第１像からの光束をプリズム外に射出する第１面にて構成されたことを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２０】
〔５〕 前記第３面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状が、アナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２１】
〔６〕 前記第１面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状が、アナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２２】
〔７〕 前記第１面が、前記プリズム内での光束の反射作用と透過作用とを兼用するように構成されたことを特徴とする上記６記載の観察光学系。
【０１２３】
〔８〕 前記第１面の反射作用と透過作用との兼用面は、反射光束が全反射臨界角を越えた角度でこの第１面に入射するような全反射面にて構成され、その後反射面で折り返された反射光束を全反射臨界角を越えない角度で入射させてプリズムから射出させるように構成されていることを特徴とする上記７記載の観察光学系。
【０１２４】
〔９〕 前記第１像からの光束が前記接眼光学系から射出されて決まる前記第１像観察視野範囲は、前記第２像からの光束が前記シースルー光学素子と前記接眼光学系の一部を透過して決定される第２像観察視野範囲内に形成されるように、前記接眼光学系と前記シースルー光学素子とが構成されていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２５】
〔１０〕 前記接眼光学系の前記シースルー光学素子に対向配置されている反射面の光束反射領域に対して、前記シースルー光学素子から透過する光束透過領域が前記像形成部材側にシフトするように前記シースルー光学素子の光学径を前記接眼光学系の反射面よりも小さく構成し、かつ、前記シースルー光学素子を前記反射面の前記像形成部材に近い側の領域と対向して配置し、前記反射面の前記シースルー光学素子に対向しない部分には、外界からのフレアー光線の入射を防止する遮光コートを施して構成したことを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２６】
〔１１〕 前記第２像が外界像となるように、前記シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成されたことを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２７】
〔１２〕 前記第２像が、前記第１像とは別の像を形成する表示素子によって形成されるように、前記シースルー光学素子の前記接眼光学系とは反対側に表示素子を配置したことを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２８】
〔１３〕 前記第２像が外界像となるように、前記シースルー光学素子の前方又は後方の少なくとも一方に外界像からの光束の透過と遮断若しくは透過と減光の切り換えができる遮光部材を配置して構成されると共に、前記外界像と前記シースルー光学素子との間に第３の像を表示する表示素子を配置したことを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１２９】
〔１４〕 前記第１像からの光束を導く前記接眼光学系内の光路と、前記第２像からの光束を導く前記シースルー光学素子内の光路とは、別の位置に配置された瞳照射用の光源と、前記瞳の像を受光する受光素子とを備え、観察者の視線を検知するように構成されたことを特徴とする上記１から１３の何れか１項記載の観察光学系。
【０１３０】
〔１５〕 前記視線を検出する手段は、少なくとも前記瞳の像が、前記接眼光学系の光路内を通り、前記第１像との間の光路中から分離されて前記受光素子に導かれるように構成されたことを特徴とする上記１４記載の観察光学系。
【０１３１】
〔１６〕 前記接眼光学系から射出された前記第１像からの光束の光軸を視軸とし、射出瞳を中心に前記視軸から前記像形成部材と反対側に向う方向の前記接眼光学系によって規定される角度をθとすると、前記接眼光学系と前記シースルー光学素子と前記射出瞳とが以下の条件を満足する関係に配置されていることを特徴とする上記１から１５の何れか１項記載の観察光学系。
【０１３２】
θ≦６０°
〔１７〕 上記１から１５の何れか１項記載の観察光学系を備え、前記接眼光学系と前記シースルー光学素子と前記第１像を形成する像形成部材とが間隔を保持する保持手段によって保持された本体部と、前記本体部を観察者頭部に支える支持手段とを備えたことを特徴とする頭部装着型観察光学装置。
【０１３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、観察光学系を構成するシースルー光学素子と接眼光学系とからなるシースルー光学系の光学パワーＰを略０、角倍率βを略１にすることにより、シースルー光学系を透して見た像が裸眼で見た像を同じになり、裸眼で見た像とシースルー光学系を通して見た像とが融像しやすく、例えば片目装着型の頭部装着型画像表示装置において両眼で外界像が観察しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の観察光学系の光路図である。
【図２】本発明の実施例１の観察光学系のシースルー光学系部分の断面図である。
【図３】本発明の実施例２の観察光学系のシースルー光学系部分の断面図である。
【図４】実施例１のシースルー光学系を通して見た方眼画像と裸眼で見た方眼画像を重畳した図である。
【図５】実施例２のシースルー光学系を通して見た方眼画像と裸眼で見た方眼画像を重畳した図である。
【図６】本発明の別の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図７】図６の実施形態の変形例の構成を示す図である。
【図８】他の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図９】別の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図１０】さらに別の形態の観察光学系の構成を示す図である。
【図１１】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの１例を示す図である。
【図１２】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１３】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１４】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１５】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１６】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１７】本発明の観察光学系の接眼光学系に適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１８】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図１９】図１８の画像表示装置び断面図である。
【図２０】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図２１】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図２２】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図２３】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【符号の説明】
Ｅ…観察者眼球
Ｍ…凹面鏡
１…射出瞳
２…軸上主光線（光軸）
３…像面
４…回折光学素子
５…回折面
６…平行平面板
１０…プリズム光学系
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
２０…シースルー光学素子
２１…第１面
２２…第２面
１００…ＬＣＤ（液晶表示素子）
１０１…照明光源
１０２、１０３…照明用光学素子
１０４…接眼光学系
１０５…シースルー光学素子
１０６…遮光部材
１０７…瞳照明光源
１０８…受光素子
１０９…ＣＰＵ
１１０…凸面
１１１…照明用光学素子間の面
１１２…接眼光学系の第１面
１１３…接眼光学系の第２面
１１４…接眼光学系の第３面
１１５…遮光コート
１１６…表示素子
１２１…カバー部材
１２２…表示装置本体
１２３…側頭フレーム
１２４…スピーカ
１２５…映像音声伝達コード
１２６…再生装置
１２７…調節部
１２８…前フレーム
Claims (9)
- 観察者に観察させる第１像を形成する像形成部材と、前記像形成部材が形成した像を観察者眼球に導くように構成された接眼光学系と、前記第１像とは別の第２像を観察者眼球に導くように前記接眼光学系よりも前記第２像側に配置されたシースルー光学素子とを備えた観察光学系において、
前記接眼光学系が、前記第１像からの光束を反射させ、観察者眼球側に導くように、少なくとも曲面形状の反射面を有し、前記曲面形状の反射面が、前記シースルー光学素子を透過した前記第２像からの光束を透過させる作用を備えて構成され、
前記シースルー光学素子が曲面形状の透過面を有し、前記反射面よりも前記第２像側に、前記反射面と間隔を離して配置され、
前記反射面と前記透過面は異なる曲面形状を有し、
前記第２像からの光束が、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系とを透過するに際して、前記シースルー光学素子と前記接眼光学系との合成の光学パワーＰが略０となり、かつ、角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とする観察光学系。 - 前記接眼光学系の射出瞳の中心を通り、前記第１像の中心あるいは前記第２像の中心に到る光線を軸上主光線とするとき、前記第２像の中心に到る方の前記軸上主光線が通過する位置で、前記光学パワーＰが略０となり、かつ、前記角倍率βが略１となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の観察光学系。
- 前記接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、
前記光学パワー及び角倍率が、以下の条件を満足するように、前記シースルー光学系が前記接眼光学系で発生する光学パワーと角倍率とを相殺するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の観察光学系。
−０．００２＜Ｐｘ＜０．００２ ・・・（３）
−０．００２＜Ｐｙ＜０．００２ ・・・（４）
０．９７＜βｘ＜１．０３ ・・・（５）
０．９５＜βｙ＜１．０５ ・・・（６）
ただし、前記射出瞳から前記接眼光学系に到る前記軸上主光線の方向をＺ軸方向、前記接眼光学系と前記シースルー光学系の偏心方向がＹ軸方向で、前記軸上主光線と前記Ｙ軸を含む面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方向とするとき、全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙ、全系のＸ方向の角倍率をβｘ、全系のＹ方向の角倍率をβｙとする。 - 前記間隔は、前記軸上主光線が通過する位置でゼロであることを特徴とする請求項２又は３記載の観察光学系。
- 前記接眼光学系の有する反射面が、偏心収差を補正するような回転非対称な曲面形状にて構成され、その曲面形状がアナモルフィック面若しくは対称面を１面のみ備えた面対称自由曲面にて構成されたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の観察光学系。
- 前記曲面形状の反射面は透過部と遮光部で構成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の観察光学系。
- 前記シースルー光学素子が、前記透過部と対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の観察光学系。
- 前記シースルー光学素子における前記第２像側の面が、透過部と遮光部で構成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の観察光学系。
- 前記シースルー光学素子とは別のシースルー光学素子を備え、
前記別のシースルー光学素子が、前記前記曲面形状の反射面と対向する位置であって、前記シースルー光学素子とは別の位置に配置されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載の観察光学系。
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