JP4847055B2 - 画像表示装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示素子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関するものである。また、本発明は、被写体像を撮像素子により取得するデジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に関するものである。

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）がよく知られている。

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。

図６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に導びく。表示素子１０１に表示された画像は、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。

また、例えば、特許文献１，２には、画像表示素子としてのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）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。

さらに、特許文献３，４においては、２次元画像表示素子を使用し、偏心補正光学系によって諸収差を補正する光学系が提案されている。

ここで、図７には、特許文献１にて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ＬＣＤ１１１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。

偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心した非回転対称面（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。

図７に示す光学系は、図６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。
特開平７−３３３５５１号公報（段落００１３、図１等） 特開平８−５０２５６号公報（段落００２２、図１等） 特許第３３９４７６２号公報（段落００１３、図８等） 特許第３２１２２０３号公報（段落００３６、図２等）

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、従来と同様もしくはそれ以上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。

しかしながら、倍率を上げるために、光学系内で中間像を形成させると、光路長が長くなり、装置が大型化するという問題がある。

また、高解像力を達成するために光学系によって発生する色収差を良好に補正することが求められている。さらに、偏心光学系を用いることで、新たに偏心倍率色収差（これについては後述する）が発生し、この収差を光学系を小型にしたまま補正することは非常に困難である。

上記各特許文献にて提案された光学系のうち、中間像を形成しないタイプの光学系は、装置全体の小型化と諸収差の発生を抑えてはいるが、高倍率化することが難しい。また、中間像を形成するタイプの光学系では、小型の装置で、高倍率化と諸収差の抑制のために透過と反射の兼用面を用いたり、光路を偏心させたりしているが、小型化や色収差や偏心倍率色収差の補正が十分になされているとは言い難い。

ここで、偏心倍率色収差とは、偏心光学系特有の収差である。図５には、レンズ１枚からなる単純な結像光学系を示している。図５（ａ）に示す偏心のない共軸光学系では、画像表示素子２０１から発せられた光は光学系（レンズ）２０２を介して観察者の眼（瞳）２０３に導かれる。このとき、レンズ２０２によって諸収差（軸上色収差、倍率色収差等）が良好に補正されていれば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）で表される結像のスポットダイヤグラムにおいて、図５（ｂ）に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂは各画角（０°，±１０°）において重なる。また、図５（ｃ）に示すように、瞳２０３の位置が光学系２０２に対してずれた場合のスポットダイアグラムにおいても、図５（ｄ）に示すようにＲ，Ｇ，Ｂは各画角に対して重なる。

しかし、偏心を持つ複雑な光学系においては、図５（ａ）のように瞳の位置と光学系とが正しい位置関係ある場合の諸収差を良好に補正しても、瞳の位置が光学系に対してずれた場合、図５（ｅ）に示すようにＲ，Ｇ，Ｂのスポットがずれてしまう。これは偏心によって生じる特有の色収差であり、これを偏心倍率色収差という。

ヘッドマウントディスプレイは、不特定の観察者が使用する。このため、使用者によって眼幅に差がある。また、光学系に対して適正な位置に瞳を固定しても、ヘッドマウントディスプレイを頭部に装着した状態で頭部が動くと、その動きによって瞳の位置が適正位置から多少ずれることが多い。このため、偏心光学系において、高解像力を達成するためには、偏心倍率色収差を良好に補正することが必須である。

一方、撮像装置においても、小型でありながらも広画角での撮像が可能な撮像光学系が望まれている。

本発明は、高倍率化による広画角表示を可能とし、偏心倍率色収差を良好に補正でき、しかも全体としての小型の画像表示装置を提供することを目的の１つとしている。

また、本発明は、小型で広画角撮像を可能とした撮像光学系を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての画像表示装置は、画像表示素子と、該画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼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の面と、該第１の面で反射した前記原画からの光を再度、前記第１の面に向けて反射する第２の面とを有し、前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むとともに、前記表示光学系は、該表示光学系内で前記原画の中間像を形成し、前記画像表示素子と前記中間像との間に、複数の光学素子を接合した接合光学素子が配置され、該複数の光学素子は互いに分散が異なる材料で形成された少なくとも２つの光学素子を含んでおり、前記接合光学素子は、前記表示光学系の瞳結像面と前記画像表示素子との間に配置されており、以下の条件を満足することを特徴とする。
｜d｜＜４０（ｍｍ）
ここで、ｄは前記中心画角主光線の光路上において、前記接合光学素子のうち前記画像表示素子から最も遠い光学面と前記瞳結像面との間の距離である。

また、本発明の他の側面としての撮像装置は、撮像素子と、被写体からの光を該撮像素子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の面と、該第１の面で反射した前記被写体からの光を再度、前記第１の面に向けて反射する第２の面とを有し、前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むとともに、前記撮像光学系は、該撮像光学系内で前記被写体の中間像を形成し、前記撮像素子と前記中間像との間に、複数の光学素子を接合した接合光学素子が配置され、該複数の光学素子は互いに分散が異なる材料で形成された少なくとも２つの光学素子を含んでおり、前記接合光学素子は、前記撮像光学系の瞳結像面と前記撮像素子との間に配置されており、以下の条件を満足することを特徴とする。
｜d｜＜４０（ｍｍ）
ここで、ｄは前記中心画角主光線の光路上において、前記接合光学素子のうち前記撮像素子から最も遠い光学面と前記瞳結像面との間の距離である。

ここで、中心画角主光線は、画像表示装置においては、拡大画像（観察画像）の中心に対応する画像表示素子の位置から表示光学系の射出瞳の中心に至る光線である。また、撮像装置においては、撮像光学系の入射瞳の中心を通り撮像素子の撮像面の中心に至る光線である。

本発明によれば、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる（往復光路とする）ことにより、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、小型の画像表示素子を用いつつ広い表示画角を達成でき、しかも全体として小型の画像表示装置を実現することができる。また、小型の撮像素子を用いつつ広画角での撮像を行うことができ、しかも全体として小型の撮像装置を実現することができる。しかも、接合光学素子によって諸収差、特に偏心倍率色収差を良好に補正することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像表示装置の光学的構成を示している。図１において、Ｓ１は射出瞳であり、この射出瞳Ｓ１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（２０）上に表示された画像（原画）の拡大像を視認することが可能となる。

光学素子１は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成され、第１の面としての面Ａ（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６の同一面）と、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ７の同一面）と、第２の面としての面Ｃ（Ｓ５）とを有する。

光学素子２は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成され、面Ｓ８と面Ｓ９の２つの面を有する。光学素子１と光学素子２は面Ｂと面Ｓ８とで接合されている。

図中、３は面Ｓ１０，Ｓ１１を有するレンズ、４は面Ｓ１２，Ｓ１３を有するレンズである。これらのレンズ３，４は、面Ｓ１１，Ｓ１２で貼り合わせられ（以下、貼り合わせレンズという）、請求項にいう接合光学素子を構成する。ここで、レンズ３，４は互いに分散（言い換えれば、アッベ数）が異なる材料で形成されている。

５は面Ｓ１４，Ｓ１５を有するレンズである。６は面Ｓ１６，Ｓ１７を有する平板である。８は偏心シリンドリカルレンズであり、面Ｓ１８，Ｓ１９（Ｓ２３と同一面）を有する。偏心シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９（Ｓ２３）は、透過反射兼用面（ハーフミラー）である。

また、２０は原画を表示する画像表示素子であり、本実施例では、反射型ＬＣＤを用いている。面Ｓ２０（Ｓ２２）〜Ｓ２１間は、反射型ＬＣＤ２０のカバーガラスであり、Ｓ２１が反射型ＬＣＤ２０の表示面である。

なお、画像表示素子として、ＣＲＴ、透過型ＬＣＤ、エレクトロルミネッセンス等を用いてもよい。

３０は照明光源であり、本実施例では平面照明光源を用いている。面Ｓ２４は照明光源３０の射出面である。照明光源３０から発せられた光が反射型ＬＣＤ２０に入射する際に、偏心シリンドリカルレンズ８は照明光学系としての役割も果たしている。

また、貼り合わせレンズ３，４と、平板６、偏心シリンドリカルレンズ８を除く全ての光学面は、図の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。

平面照明光源３０から発せられた光は、偏光板１４を透過して直線偏光に変換され、偏心シリンドリカルレンズ８の面Ｓ２３で反射されて反射型ＬＣＤ２０に向かう。反射型ＬＣＤ２０に斜めに入射し、該反射型ＬＣＤ２０の表示面Ｓ２１で斜め方向に反射された光は、偏心シリンドリカルレンズ８に面Ｓ１９から入射して、面Ｓ１８から射出する。該射出光は、偏光板７を透過し、平板６に面Ｓ１７から入射し、面Ｓ１６から射出してレンズ５に向かう。このとき、偏光板１４で直線偏光に変換された光の偏光方向がＬＣＤ２０内で回転するため、偏光板７は偏光方向が回転した光を通す方向に偏光軸（直線偏光の偏光方向）を設定する必要がある。

偏光板７の偏光軸が偏光板１４の偏光軸と約９０°ずれている場合（すなわち、ＬＣＤ内部での偏光方向の回転角が９０°である場合）は、偏光板１４で直線偏光とされた光には、面Ｓ１９で反射せずに透過していく光（ゴースト光）が存在するが、偏光板７でこのゴースト光をカットできるため、観察者の眼にゴースト光が入るのを防ぐことができる。

レンズ５に面Ｓ１５から入射した光は、面Ｓ１４から射出して、面Ｓ１３から貼り合わせレンズのレンズ４に入射する。レンズ４に入射した光は、面Ｓ１２とレンズ３の面Ｓ１１を透過し、面Ｓ１０から射出して光学素子２に向かう。

光学素子２に面Ｓ９から入射した光は、該光学素子２の面Ｓ８と光学素子１の面Ｓ７とを透過して光学素子１に入射する。光学素子１に面Ｂ（Ｓ７）から入射した光は、面Ａ（Ｓ６）で反射された後、面Ｃ（Ｓ５）に導かれる。面Ｃ（Ｓ５）に入射した光は、ほぼ反対側に折り返し反射され、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。面Ｃ（Ｓ５）で反射された光は、面Ａ（Ｓ４）で再度反射され、面Ｂ（Ｓ３）でさらに再反射され、面Ａ（Ｓ２）から射出して、射出瞳Ｓ１に向かう。

このとき、光学素子１内（つまりは表示光学系内）で、ＬＣＤ表示面（Ｓ２１）の両端から射出した光線が交わっており、ＬＣＤ表示画像（原画）の中間像ＭＩが形成されている。本実施例では、面Ｓ５での反射から面Ｓ４での反射の間に中間像ＭＩが形成されているが、必ずしもこの間で中間像を形成する必要はない。また、中間像面を通過する光束を略平行光束として、射出瞳Ｓ１に導く所謂接眼光学系部分の収差補正を容易にするために、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形成されていることが好ましい。

また、光束が中間像面から面Ｓ２を射出するまでに光学的に寄与する面は、接眼光学系部分に相当し、光学素子１におけるそれ以外の部分と、ＬＣＤ２０のカバーガラス間に置かれている光学系とがリレー光学系に相当する。

最終反射面として作用するときの面Ｓ３は、射出面として作用するときの面Ｓ２に対して非常に強い光学的パワーを有した凹面鏡となっているため、接眼光学系部分では収差を完全に補正することは困難である。これに対して、リレー光学系部分が、接眼光学系での収差をキャンセルするような形の中間結像面となるように中間像を形成することで、最終的な像観察における画質を向上させることが可能になる。

面Ｓ４における反射は、光学素子１内での内部全反射とすると光量ロスが少なくなり、好ましい。面Ａにおいて、少なくとも面Ｓ２での射出光束と面Ｓ４での反射光束とが共用する領域で反射光束が内部全反射するようにすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に比べて設計の自由度を上げつつ同程度の画像の明るさを確保できる。この場合、面Ｓ４において内部全反射ではない反射は、反射膜による反射とする。また、面Ｓ５における反射は、反射膜による反射とする。

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、最終反射面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆に辿る。つまり、面Ｂ→面Ａ→面Ｃからなる往路と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂからなる復路とを形成している。面Ｃのように往路から復路への折り返し反射作用を持つ面を「折り返し面」と称する。

また、面Ａでの再反射を、中心画角主光線（画像表示素子の原画の中心から表示光学系の射出瞳の中心に至る光線）をそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初（前回）の反射とは反対側に反射して進ませるようにすることで、往路と復路とがほぼ重複した往復光路が形成される。

このように、複数の偏心反射面Ａ，Ｂ，Ｃで光路を折り返し、往路と復路とをほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学素子１内に収めることができる。これにより、表示光学系全体を小型化することができる。

なお、本実施例の表示光学系は、言い換えれば、第１の面Ａ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Ｃで反射されて第１の面Ａ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。すなわち、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ることができるようにしている。

ここで、折り返し面に入射した光線が反射されて射出される際に、該折り返し面に対する入射光線と反射光線（射出光線）とがなす角度θは、
｜θ｜＜６０° …（１）
を満たす（満足する）ことが望ましい。この条件を外れると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりもいわゆるジグザグ光路になってしまい、光学素子１が大型化する。

さらに、好ましくは以下の条件を満たすとよい。

｜θ｜＜３０° …（２）
条件式（２）の条件を外れると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りすることは可能であるが、往路と復路が重ならず、光学素子１の十分な小型化を図れず、この結果、表示光学系全体を小型化にすることが難しくなる。

さらに、好ましくは、
｜θ｜＜２０° …（３）
を満たすことにより、光学素子１および表示光学系をより小型化することができる。

本実施例の光学系に対する数値例の光学データを図３に表１として示す。

ここで、偏心系に対応していない従来系の定義では、各光学面は各面頂点を基準とした座標系で表され、ｚ軸を光軸とした場合、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。しかし、本実施例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、ローカル子午線断面を新たに定義する。すなわち、中心画角主光線の各面のヒットポイント上で、該中心画角主光線の入射光線と射出光線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に垂直で、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。また、各面における中心画角主光線のヒットポイント近傍の曲率を計算し、各面の中心画角主光線に対するローカル母線断面における曲率半径をｒｙ、ローカル子線断面における曲率半径をｒｘと定義する。

以下、図３に示した表１の光学データの見方を説明する。表１において、最も左側の項目SURFは面番号を示している。Ｘ，Ｙ，Ｚ及び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）、および図面上で反時計回りを正方向とするｘ軸回りでの回転角度（単位：度）である。

ＴＹＰの項は、面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面、ＦＦＳは非回転対称面（アジムス角度によって光学的パワー（屈折力）が異なる面：光学的パワーは、焦点距離の逆数）、ＣＹＬは母線断面のみ屈折力を持つシリンドリカルレンズ面である。実施例の非回転対称面は下記のＦＦＳの式により表される。また、ＹＴＯは母線断面が下記の非球面式で表され、子午線断面は平面（ｒｘ＝∞）である。

Ｒの項は曲率半径を表し、シリンドリカルレンズ面に関しては母線断面曲率半径ｒｙの値を表記する。

ＦＦＳ：
z=(1/R)(x²+y²)/(1+(1-(1+k)(1/R)²(x²+y²))^(1/2))+c2+c4y+c5(x²-y²)+
c6(-1+2x²+2y²)+c10(-2y+3x²y+3y³)+c11(3x²y-y³)+c12(x⁴-6x²y²+y⁴)+
c13(-3x²+4x⁴+3y²-4y⁴)+c14(1-6x²+6x⁴-6y²+12x²y²+6y⁴)+
c20(3y-12x²y+10x⁴y-12y³+20x²y³+10y⁵)+c21(-12x²y+15x⁴y+4y³+10x²y³-5y⁵)+
c22(5x⁴y-10x²y³+y⁵)+c23(x⁶-15x⁴y²+15x²y⁴-y⁶)+c24(-5x⁴+6x⁶+30x²y²-30x⁴y²-5y⁴-30x²y⁴+6y⁶)+
c25(6x²-20x⁴+15x⁶-6y²+15x⁴y²+20y⁴-15x²y⁴-15y⁶)+
c26(-1+12x²-30x⁴+20x⁶+12y²-60x²y²+60x⁴y²-30y⁴+60x²y⁴+20y⁶) +・・・・・・

また、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c**に対応する非回転対称形状であることを示している。但し、数値が記載されていないc**の値は０である。

Ｎｄ，νｄ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Ｎ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１．００００として表示し、アッベ数νｄは省略している。

また、表示光学系において、画像表示素子の表示面上におけるローカル母線断面上での最周辺画像のうち射出瞳Ｓ１から遠い方側の最周像高ｆ３と射出瞳Ｓ１の中心とを通る光線をｆ３中心光線と称する。また、射出瞳Ｓ１から近い方側の最周像高ｆ２と射出瞳Ｓ１の中心とを通る光線をｆ２中心光線と称する。このとき、貼り合わせレンズのうち画像表示素子から最も遠い光学面のｘｙ平面に平行で、かつｆ３中心光線とｆ２中心光線とが交差する点Ｐを通る面を瞳結像面ＰＳとする。これは全ての実施例において同様である。

なお、画像表示素子の表示面上のｆ２からｆ３までの任意の点と、射出瞳Ｓ１の中心とを通る光線を任意に中心画角主光線と定義することはできるが、本実施例では、前述したように、拡大画像（観察画像）の中心に対応する画像表示素子の表示面（原画）の位置から射出瞳Ｓ１の中心に至る光線を中心画角主光線と定義する。

貼り合わせレンズ（本実施例ではレンズ３，４）のうち、画像表示素子から最も遠い光学面をＭ面（本実施例では、面Ｓ１０）とし、画像表示素子に最も近い光学面をＮ面（本実施例では、面Ｓ１３）とするとき、Ｍ面上で中心画角主光線が通る点をｍ点とする。このとき、中心画角主光線の光路上において、瞳結像面ＰＳからｍ点までの距離ｄ（ｍｍ）は、
｜ｄ｜＜４０（ｍｍ） …（４）
を満たすことが望ましい。この条件を外れると、偏心倍率色収差の補正が良好に行えなくなり、その他の光学系で補正しようとすると、光学系全体が大型化する。

さらに、
｜ｄ｜＜２０（ｍｍ） …（５）
を満たすことがより好ましい。条件式（５）を外れると、光学系全体を大型化せずに偏心倍率色収差の補正を行うことは可能であるが、高解像度の結像性能を満たすことが難しい。

さらに、
｜ｄ｜＜１０（ｍｍ） …（６）
条件式（６）を満たすと、偏心倍率色収差を良好に補正することができ、かつ高解像度の結像性能を満たすことができる。

また、貼り合わせレンズを構成する少なくとも２つのレンズの屈折率Ｎ１，Ｎ２は、
｜Ｎ１−Ｎ２｜＞０．１ …（７）
を満たすことが望ましい。ここで、貼り合わせレンズを構成するレンズは２つでもよいし、３つ以上でもよい。

また、貼り合わせレンズを構成する少なくとも２つのレンズのアッベ数（分散の逆数）ν１，ν２は、
｜ν１−ν２｜＞１０ …（８）
を満たすことが望ましい。

条件式（７），（８）を満たすことにより、偏心倍率色収差をきわめて良好に補正することが可能である。

本実施例では、貼り合わせレンズ（接合光学素子）を２つのレンズによって構成している。Ｍ面を持つレンズは正の屈折力を有し、Ｎ面を持つレンズは負の屈折力を有する。瞳結像面に近い方のレンズを正の屈折力を有する正レンズ（正光学素子）とすることで、光束の広がりを抑え、光学系の大型化を防止している。また、負の屈折力を持つ負レンズ（負光学素子）は両凹レンズである。これは、凹レンズの方が、メニスカス負レンズに比べて格段に偏心倍率色収差を補正する機能が高いためである。なお、正レンズによって光束が集光されているため、正レンズからの光束が負レンズによって広がることがない。これにより、光学系の大型化を抑えることができる。

また、本実施例では、貼り合わせレンズは共軸レンズであり、レンズ面は回転対称面によって構成されている。但し、「ＦＦＳ」の数式に沿った非回転対称面や、他の関数に従う曲面でも構わない。

本実施例では、偏光板７は平板６と偏心シリンドリカルレンズ８の間に配置されているが、光学素子２〜８の間であれば偏光板７をどこに配置してもよい。また、平板６に偏光板７を貼り付けても構わない。このようにすると、偏光板７が撓む可能性がなくなるため、光学性能を劣化させることがない。また、偏光板７を平板６に貼り付けることにより、偏光板単体よりも扱いやすくなるという利点がある。

また、光学系の歪を補正するために、光学系の歪に合わせた画像を電気的に補正し、画像表示素子に表示することで、光学系の歪曲収差をほとんど０に近づけた画像を射出瞳に導くことも可能である。

本実施例では、偏心シリンドリカルレンズ８は結像光学系と照明光学系のどちらにも寄与している。

また、本実施例では、貼り合わせレンズは、母線断面上で光源に近い側の部分が画像表示素子から離れる方向にチルトしている。このようにすると、光源に近い方の光束のバックフォーカスを長くすることができるため、貼り合わせレンズと画像表示素子との間に照明光学系を挿入することができる。また、光源からの光量を効率良く、かつ多く画像表示素子に導くことができる。

本数値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φ１４ｍｍ、画像サイズ約１８ｍｍ×１４ｍｍ程度で水平画角６０°の画像を、ｚ軸方向の無限遠方に表示する表示光学系となる。

図２には、本発明の実施例２である画像表示装置の光学的構成を示している。図２において、Ｓ１は射出瞳であり、この射出瞳Ｓ１の位置付近には観察者が眼を置くことにより、画像表示素子（２０）上に表示された画像（原画）の拡大像を視認することが可能となる。

光学素子２１は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成され、第１の面としての面Ａ（Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の同一面）と、面Ｂ（Ｓ５，Ｓ９の同一面）と、第２の面としての面Ｃ（Ｓ７）とを有する。

光学素子２２は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成され、２つの面Ｓ１０，Ｓ１１を有する。光学素子２１と光学素子２２は面Ｂと面Ｓ９とで接合されている。

２３は面Ｓ１２とＳ１３を有するレンズであり、２４は面Ｓ１４とＳ１５を有するレンズである。これらのレンズ２３，２４は、面Ｓ１３，Ｓ１４で貼り合わされた貼り合わせレンズを構成し、請求の範囲にいう接合光学素子に相当する。ここで、レンズ２３，２４は互いに分散が異なる材料で形成されている。

２５は面Ｓ１６，Ｓ１７を有するレンズであり、２９は面Ｓ３，Ｓ４を有するレンズである。２８は偏心シリンドリカルレンズであり、面Ｓ１８，Ｓ１９（Ｓ２３と同一面）を有する。偏心シリンドリカルレンズ２８の面Ｓ１９（Ｓ２３）は、透過反射兼用面（ハーフミラー）である。また、２０は原画を表示する画像表示素子であり、本実施例では、反射型ＬＣＤを用いている。面Ｓ２０（Ｓ２２）〜Ｓ２１間はＬＣＤ２０のカバーガラスであり、Ｓ２１は該ＬＣＤ２０の表示面である。なお、画像表示素子として、ＣＲＴ、透過型ＬＣＤ、エレクトロルミネッセンス等を用いてもよい。

３０は照明光源であり、本実施例では平面照明光源を用いている。光源３０から発せられた光がＬＣＤ２０に入射する際に、偏心シリンドリカルレンズ２８は照明光学系としての役割も果たしている。

また、レンズ２３，２４からなる貼り合わせレンズと、偏心シリンドリカルレンズ２８と、レンズ２９を除く全ての面は、図の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。

平面照明光源３０から発せられた光は、偏光板３４を透過して直線偏光に変換され、偏心シリンドリカルレンズ２８の面Ｓ２３で反射された光が反射型ＬＣＤ２０に向かう。反射型ＬＣＤ２０に斜めに入射し、反射型ＬＣＤ２０の表示面Ｓ２１で斜め方向に反射された光は、偏心シリンドリカルレンズ２８に面Ｓ１９から入射し、面Ｓ１８から射出し、偏光板２７を透過してレンズ２５に向かう。このとき、偏光板３４で直線偏光とされた光の偏光方向がＬＣＤ２０内部で回転するため、偏光板２７は偏光方向が回転した光を通す方向に偏光軸を設定する必要がある。

実施例１と同様に、偏光板２７の偏光軸が偏光板３４の偏光軸と約９０°ずれている場合は、偏光板３４で直線偏光とされた光には、面Ｓ１９で反射せずに透過していく光（ゴースト光）が存在するが、偏光板３７でこのゴースト光をカットできるため、観察者の眼にゴースト光が入るのを防ぐことができる。

レンズ２５に面Ｓ１７から入射した光は、面Ｓ１６から射出し、面Ｓ１５からレンズ２４に入射する。そして、接合されたレンズ２４の面Ｓ１４とレンズ２３の面Ｓ１３を透過し、面Ｓ１２から射出して光学素子２２に向かう。

光学素子２２に面Ｓ１１から入射した光は、接合された光学素子２２の面Ｓ１０と光学素子２１の面Ｓ９を透過して光学素子２１に入射する。光学素子２１に面Ｂ（Ｓ９）から入射した光は、面Ａ（Ｓ８）で反射された後、面Ｃ（Ｓ７）に導かれる。面Ｃ（Ｓ７）に入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。面Ｃで反射（Ｓ７）された光は面Ａ（Ｓ６）で再度反射され、面Ｂ（Ｓ５）でさらに再反射され、面Ａ（Ｓ４）から射出する。面Ａから射出した光は、レンズ２９の面Ｓ３，Ｓ２を通り、射出瞳Ｓ１に向かう。

本実施例における光学素子２１内での光路は、実施例１と同様であり、面Ｃを折り返し面として、面Ｂ→面Ａ→面Ｃからなる往路と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂからなる復路とが形成されている。また、本実施例では、面Ｓ６での反射からＳ７での反射の間に中間像ＭＩが形成されている。但し、必ずしもこの間で中間像を形成する必要はない。さらに、本実施例の光学系は、実施例１で説明した（１）〜（８）式をすべて満たす。

このような構成にすることにより、光学系全体を大型化せずに、特に偏心倍率色収差を良好に補正することができる。

本実施例における数値例の光学データを図４の表２に示す。

実施例１，２では画像表示装置について説明したが、実施例１，２で説明した光学系を、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に用いられる撮像光学系にも応用可能である。この場合、実施例１，２の反射型ＬＣＤの位置に、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）を配置する。外界像（被写体）からの光束は、実施例１，２で説明した光路を逆向きに進んで撮像素子に結像する。例えば、実施例１の光学系を用いる場合、外界像からの光束は、光学素子２の面Ｓ２から入射して、光学素子３，４，５，６，８を通って撮像素子に導かれる。なお、この場合の中心画角主光線は、撮像光学系の入射瞳の中心を通り撮像素子の撮像面の中心に至る光線とするとよい。これにより、外界像の撮像を行うことが可能である。本実施例でも、実施例１，２で説明したのと同様に、撮像光学系内で被写体の中間像が形成される。

以上説明したように、上記各実施例によれば、いわゆる往復光路を形成した上で、分散が異なる複数のレンズが貼り合わされて配置されていることにより、特に偏心倍率色収差を良好に補正し、かつ小型の光学系を提供することができる。

また、貼り合わせレンズ（接合光学素子）は少なくとも１つの正の屈折力を持つレンズ（正光学素子）と、少なくとも１つの負の屈折力を持つレンズ（負光学素子）から構成されているので、偏心光学系により発生する偏倍率色収差をきわめて良好に補正することができる。

また、貼り合わせレンズにおいて、画像表示素子又は撮像素子に近い方に負の屈折力のレンズを配置したことで、少ないレンズ構成で軸上色収差も良好に補正することができる。

さらに、３面以上の面を有する透明体を少なくとも１つ有し、該透明体内を光路が偏心して通過することで、全体の光路長を短くすることができ、光学系の小型化を図ることができる。

また、貼り合わせレンズを、３面以上を有し、画像表示素子又は撮像素子から最も遠い透明体のうち光線が初めて入射する面と、画像表示素子又は撮像素子との間（特に、画像表示素子又は撮像素子と中間像との間）に配置することで、長い光路長が最適に透明体内に収まる。これにより、光学系全体を小型にすることができる。

また、貼り合わせレンズが瞳結像面と画像表示素子又は撮像素子との間に配置されていることで、瞳結像面での光束の広がりを抑え、光学系の小型化を図ることができる。また、偏心倍率色収差と軸上色収差を同時に良好に補正することができ、広画角の光学系においても高解像な光学系を実現することができる。

また、貼り合わせレンズのうち負の屈折力を持つレンズを、両凹レンズとすることで、貼り合わせレンズによる諸収差補正の効果をより大きくすることができる。また、正の屈折力を持つレンズとの貼り合わせを行うことで、負の屈折力による光束の広がりを抑えることができ、光学系の大型化を抑制しつつ、収差を良好に補正することができる。

また、画像表示素子として反射型ＬＣＤと、これを照明する光源とを備える場合に、貼り合わせレンズのうち母線断面上で光源に近い側の部分が、画像表示素子から離れる方向にチルトすることで、光源に近い方の光束のバックフォーカスを長くすることができる。したがって、反射型ＬＣＤに光源からの光を導くための照明光学系を挿入することができ、光源からの光量もより多くＬＣＤに導くことができる。

本発明の実施例１である画像表示装置の光学的構成を示す断面図。 本発明の実施例２である画像表示装置の光学的構成を示す断面図。 実施例１の数値例を示す表。 実施例２の数値例を示す表。 偏心倍率色収差を説明する図。 従来の画像表示装置の概略図。 従来の画像表示装置の概略図。

符号の説明

１，２，２１，２２ 光学素子
３，４，２３，３４ 貼り合わせレンズ
７，１４，２７，３４ 偏光板
８，２８ 偏心シリンドリカルレンズ
２９ レンズ
２０ 反射型ＬＣＤ
３０ 光源

Claims (10)

1. 画像表示素子と、該画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼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の面と、該第１の面で反射した前記原画からの光を再度、前記第１の面に向けて反射する第２の面とを有し、
   前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むとともに、
   前記表示光学系は、該表示光学系内で前記原画の中間像を形成し、
   前記画像表示素子と前記中間像との間に、複数の光学素子を接合した接合光学素子が配置され、該複数の光学素子は互いに分散が異なる材料で形成された少なくとも２つの光学素子を含んでおり、前記接合光学素子は、前記表示光学系の瞳結像面と前記画像表示素子との間に配置されており、
   以下の条件を満足することを特徴とする画像表示装置。
   ｜d｜＜４０（ｍｍ）
   ここで、ｄは前記中心画角主光線の光路上において、前記接合光学素子のうち前記画像表示素子から最も遠い光学面と前記瞳結像面との間の距離である。
2. 前記接合光学素子は、少なくとも１つの正の光学的パワーを有する正光学素子と、少なくとも１つの負の光学的パワーを有する負光学素子とを含むことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記接合光学素子において、前記負光学素子は、前記正光学素子よりも前記画像表示素子に近い側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記負光学素子は、両凹レンズであることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
5. 前記画像表示素子は、光源からの光を反射する反射型表示素子であり、
   前記接合光学素子のうち、母線断面上で前記光源に近い側の部分が前記画像表示素子から離れる方向にチルトしていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
6. 前記表示光学系は、前記原画からの中心画角主光線を折り返すように反射する折り返し面を有し、
   以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
   ｜θ｜＜６０°
   ここで、θは、前記中心画角主光線であって前記折り返し面に対する入射光線と反射光線とが成す角度である。
7. 前記接合光学素子が、屈折率Ｎ１を有する光学素子と、屈折率Ｎ２を有する光学素子とを有し、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の画像表示装置。
   ｜Ｎ１―Ｎ２| ＞ ０．１。
8. 前記接合光学素子が、アッベ数ν１を有する光学素子と、アッベ数ν２を有する光学素子とを有し、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の画像表示装置。
   ｜ν１―ν２| ＞ １０。
9. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載
   の画像表示装置。
   ｜d｜＜２０（ｍｍ）
10. 撮像素子と、被写体からの光を該撮像素子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の面と、該第１の面で反射した前記被写体からの光を再度、前記第１の面に向けて反射する第２の面とを有し、
    前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むとともに、
    前記撮像光学系は、該撮像光学系内で前記被写体の中間像を形成し、
    前記撮像素子と前記中間像との間に、複数の光学素子を接合した接合光学素子が配置され、該複数の光学素子は互いに分散が異なる材料で形成された少なくとも２つの光学素子を含んでおり、前記接合光学素子は、前記撮像光学系の瞳結像面と前記撮像素子との間に配置されており、
    以下の条件を満足することを特徴とする撮像装置。
    ｜d｜＜４０（ｍｍ）
    ここで、ｄは前記中心画角主光線の光路上において、前記接合光学素子のうち前記撮像素子から最も遠い光学面と前記瞳結像面との間の距離である。