JPH05134208A

JPH05134208A - 像観察装置

Info

Publication number: JPH05134208A
Application number: JP29587491A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Iba; 陽一井場
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で観察倍率も大きくとれる像観察装置を
提供する。【構成】観察像を表示する２次元表示素子２と、この
２次元表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系３
と、その実像を空中に拡大投影するとともに、２次元表
示素子２の表示中心を射出する光線を屈曲させる接眼光
学系４（凹面鏡）と、この接眼光学系４を使用者の眼球
直前に位置するように支持する支持手段７とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポータブル型像観察装
置に関し、特に観察者の頭部または顔面に保持すること
を可能とする像観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、周知のものとして特開昭６２─２
１４７８２号がある。図９、図１０により説明する。２
次元表示素子２１を接眼レンズ２２を用い拡大観察出来
るようにしたユニットを図示しない支持手段により眼球
１１の前面に支持出来るようにしたものである。図１０
は接眼レンズ２２と２次元表示素子２１との間に平面鏡
２４を挿入し光軸を屈曲させたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図９に示した例では２
次元表示素子２１と接眼レンズ２２が直線状に配列して
いるために、表示装置を頭部に装着した時、装置が顔面
から突出する量が大きくなり、装着感が悪い。装置全体
の重量は顔面または頭部の支持点で支えることになる
が、装置の顔面からの突出量が大きいと、支持点から重
心までの水平方向の距離が大となり、大きなモーメント
が生じ、更に支持点には装置全体の重量も加わり装着安
定性を損ね、歩行や首振り等に際して物に衝突する危惧
がある。

【０００４】図１０に示した例では、光軸が屈曲するよ
うな工夫があるが、接眼レンズの厚みに加え斜めに配置
された平面鏡が突出するので、全体の突出はやはり大き
い。然も、この構成では、接眼レンズ２２で拡大観察す
るために２次元表示素子２１に表示された像の虚像を作
る場合、接眼レンズ２２の前側焦点位置より２次元表示
素子２１を接眼レンズ２２側に近付けて配置しなければ
ならず、接眼レンズ２２と２次元表示素子２１との間に
平面鏡２４を挿入すると、接眼レンズと２次元表示素子
との光学的距離が開き、接眼レンズの焦点距離を長くせ
ざるを得ない。更に、接眼レンズの倍率はその焦点距離
に反比例しているので、この場合は大きな倍率を得るこ
とが出来ないので、使用者は実質的に小さな画面を観察
することになる。以上の様に、従来は２次元表示素子そ
のものを接眼レンズで直接観察していたため、平面鏡と
の機械的干渉を避けてこれを配置する必要があり、結果
的に接眼レンズの倍率を大きくとり得ないと云う欠点が
あった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は以上の如き従来
の欠点を一掃するものであって、小型で観察倍率も大き
くとれる像観察装置を提供することを目的とするもので
あって、本発明に係る像観察装置は、観察像を表示する
２次元表示素子と、この２次元表示素子の実像を空中に
投影するリレー光学系と、その実像を空中に拡大投影す
ると共にこの２次元表示素子の表示中心を射出する光線
（以下、これを光軸と呼ぶ）を屈曲させる接眼光学系
と、この接眼光学系を使用者の眼球直前に位置するよう
に支持する支持手段とを備えたものである。

【０００６】本発明では、接眼光学系を使用者の眼球に
凹面を向けた非球面反射鏡として構成することができ
る。この場合、非球面を近似回転楕円面とし、この楕円
面の２つの焦点の内の一方が使用者の眼球の瞳孔近傍ま
たは眼球回旋点若しくはこれらの間に位置するように前
記手段を構成することが好ましい。

【０００７】また、光路中に２次元表示素子から射出す
る光束径を制限する開口絞りを設けると共に、支持手段
をこの開口絞りと使用者の眼球との間の光学系が作る実
像が眼球の瞳孔近傍または眼球回旋点若しくはこれらの
間に位置させるように構成することができる。

【０００８】更に、リレー光学系に光軸を屈曲させる作
用を持たせることもできる。

【０００９】

【作用】上記の構成においては、観察像は表示する２次
元表示素子を直接、接眼光学系で観察するのではなく、
一旦２次元表示素子に表示された像の空中像を形成し、
それを観察するようになっている。このため、空中像と
接眼光学系とが機械的に干渉することはなく、両者を任
意に近付けることができる。従って、所望の観察倍率を
得るのに相応しい位置に空中像を形成すれば迫力のある
大画像を観察することができる。しかも、接眼光学系に
おいて光軸を屈曲させるようにしているので、観察装置
の突出は小さくすることができる。

【００１０】また、接眼光学系を観察者の眼球に向いた
凹面鏡で構成すれば、拡大像を形成する作用と、光軸を
屈曲させる作用とを１つの反射面で行うことができるの
で、観察装置の突出をより小さくするこができる。この
場合反射鏡を非球面とすれば１枚の反射鏡で画角の大き
い大画面の像の収差を良好に補正することができるが、
リレー光学系が形成する実像の開口数（以下、ＮＡと略
記する）が大きい場合は収差が補正しきれず像が不鮮明
となることがある。

【００１１】本発明において、光路中に設けた開口絞り
は、このような不具合を解決するもので、光束のＮＡを
適度な大きさに制限して球面収差等の発生を抑え、画質
の劣化を防止する。この開口絞りとしては、例えばレン
ズを保持している鏡枠の内縁を利用することができる。
また、光源の発光点において光束のＮＡを制限すること
も、結果として開口絞りを設けたのと同じことになる。

【００１２】開口絞りを設けた場合、使用者側から見れ
ば、これが観察装置全体の射出瞳として作用することに
なる。従って、像の蹴られを防ぐためには、使用者の眼
球の瞳孔と射出瞳とが一致するように、各構成要素の配
置を決定する必要がある。

【００１３】なお、射出瞳が十分大きい場合には、射出
瞳と眼球との位置関係を以下のように定めると良い。図
６、図７は使用者の眼球に光束が入射する様子を示す図
である。図中、１１は眼球の断面、Ｉは瞳孔（虹彩）、
Ｐは眼球回旋点、Ｌ₁、Ｌ₂は観察装置から射出する軸
上、軸外光束の主光線を示している。これらの図では射
出瞳が眼球１１の回旋点Ｐと一致しているので、各光束
Ｌ₁、Ｌ₂は眼球回旋点Ｐを目指して眼球１１に入射す
る。これにより視線を振っても眼球１１は回旋点Ｐを中
心に回転するので、視線を向けている方向から入射する
光束の主光線は瞳孔Ｉの中心を通過する。換言すれば瞳
孔Ｉを通過する光束は主光線Ｌ₁、Ｌ₂を中心とするそ
の近傍の光束である。一般に、球面収差やコマ収差は主
光線近傍の光束ではその発生量が小さく、周縁部では大
きくなるが、この様に射出瞳を回旋点と一致させること
で、常に視線を向けている方向に対しては収差の小さい
主光線回りの光束で画像観察が可能となる。射出瞳の径
を大きくし、光束全体に対しての収差補正が不十分であ
っても、光束中央部での収差を十分に補正しておけば鮮
明な画像が観察出来る。光束径を十分取れない場合に
も、射出瞳を回旋点Ｐと瞳孔Ｉの間に置くことで、ここ
に示した効果は或る程度得られる。

【００１４】特に像観察装置が大画面の映像を提供する
高画角の場合には、射出瞳のＮＡは大きくなり、球面収
差が発生し易くなる。この場合には、楕円鏡は楕円焦点
が２点存在し互いに共役で無収差である（球面収差の発
生は無い）と云う性質を利用して凹面鏡を近似的に楕円
鏡（回転楕円体凹面鏡）にすると良い。装置内の実質的
開口絞りとして機能する部分を楕円焦点の近傍に配置す
れば、他方の焦点には略無収差で射出瞳が形成されるよ
うになる。

【００１５】装置全体の顔面からの突出量を減らすに
は、光軸を顔面に沿って屈曲させると良い。但し、ここ
で云う光軸とは、開口絞りの中心または眼球の瞳孔の中
心を通過する光線で、表示素子の表示中心を射出する所
謂、軸上主光線を云う。顔面は緩い凸面とみなすことが
出来るので、光軸を顔面に沿って屈曲させる働きをリレ
ー光学系に持たせることで装置の突出量を減じることが
可能となる。この屈曲作用を持たせる方法としては、例
えば楔型プリズムを用いて光軸を屈曲させてもよく、ま
たレンズ作用のあるリレー光学系を光軸に対し偏心させ
ることでも屈曲作用を容易に持たすことが可能である。
この場合、光軸の平行移動距離と傾きの大きさを適度に
制限することで、屈曲作用と同時に収差補正効果もも得
られると云う利点がある。即ち、正の屈折力をもつ凹面
鏡を光軸に対し傾けて使用するために発生する収差があ
るが、この種の収差は共軸系の光学系では補正出来ない
が、リレー光学系を適当に偏心させることで、この収差
を減じることができる。

【００１６】以上要約すれば、２次元表示素子の表示す
る画像は、リレー光学系で空中に実像として投影され
る。その像を更に凹面鏡で観察者が観察し易い適当な距
離に空中虚像として拡大投影する。これらの部材は支持
手段により連結され使用者の頭部または顔面を支持点と
して支持されるので、使用者は自らの手でこの装置を保
持することなく、また首等の動きに邪魔されることなく
２次元表示素子の画面を拡大観察することが可能とな
る。

【００１７】

【実施例】図１〜４に基づき第１の実施例につき説明す
る。図１および図２は、光学系の構成を示す図、図３は
像観察装置の外観およびこれと組み合わせて使用される
ＡＶ機器を示す図、図４は像観察装置に内蔵された信号
処理系を示す図である。本実施例の像観察装置は図３に
示すように２次元表示素子２、リレー光学系３等の光学
系を内蔵したゴーグル部３１と、受光部６、スピーカ３
２および信号処理回路５を内蔵した耳当部３３と、これ
ら装置を使用者の頭に装着するためのヘアバンド７ａと
からなる支持手段７から成っている。８はＶＣＲ（ビデ
オ・カセット・レコーダ）、９はビデオ信号を光変調信
号として発信する光伝送装置である。ゴーグル部３１に
内蔵された光学系は、図１、２に示すように発光素子１
ａとコリメータレンズ１ｂとからなるバックライト光源
１と、液晶（ＬＣＤ）型の２次元表示素子２と、フィー
ルドレンズ３ａと結像レンズ３ｂとからなるリレー光学
系３と、非球面凹面鏡（接眼光学系）４とを備えてい
る。１０は使用者の頭部、１１は使用者の眼球である。
なお、図２では光路を延ばして表現するために非球面反
射鏡４を非球面レンズ４’に置き換えて描いてある。

【００１８】次に、上記のような構成の像観察装置の作
用を説明する。ＶＣＲ８で再生されたビデオ信号は光伝
送装置９から光変調信号として発信され、これが像観察
装置の受光部６で受光され、信号処理回路５にビデオ信
号が供給される。信号処理回路５ではビデオ信号を映像
信号と音声信号に分け、それぞれを２次元表示素子２お
よびスピーカ３２に供給する。２次元表示素子２は背面
からバクライト光源１により略平行光束で照射され、２
次元画像を形成する。そしてリレー光学系３はこの２次
元画像の実像を非球面型凹面鏡４の手前に空中像として
投影する。この実像を更に凹面鏡４で眼球１１の前方の
空中に虚像として拡大投影する。この虚像の投影位置を
眼球の１１の視度に合わせ、適宜調整出来るようにし
て、２次元表示素子２に表示された２次元画像の拡大像
を観察する。

【００１９】結像レンズ３ｂの主な役目は、２次元表示
素子２の発光素子１ａの実像を非球面型凹面鏡４の手前
に投影することである。これにより結像レンズ３ｂでの
光束が絞られ、結像レンズ３ｂのレンズを小型化できる
ばかりでなく結像レンズ３ｂの収差発生を抑制し易くな
る。ＬＣＤタイプの２次元表示素子２から良好な画像を
得るためにバックライト光源１はこれを背後から略平行
光束で照射している。即ち、コリメータレンズ１ｂは発
光素子１ａの像を無限遠方に投影している。フィールド
レンズ３ａは、この無限遠方に生じた発光素子１ａの像
を結像レンズ３ｂ近傍に実像としてリレーする。今、発
光素子１ａと２次元表示素子２のそれぞれの中心を通る
光線を光軸Ｒ₀と称することにする。この光軸Ｒ₀に対
し結像レンズ３ｂは光軸Ｒ₀に垂直な方向に配置され、
かつ顔面側に偏心している。光軸Ｒ₀はこれにより結像
レンズ３ｂの作用を受けて図１に示すように顔面に沿っ
て屈曲する。

【００２０】また、この第１の実施例ではリレー光学系
３のＮＡを制限する機械的絞りは無く、このＮＡは発光
素子１ａの発光部の大きさで決まる。このことを図２に
基づき説明する。図２は図１に示される光学系を近軸的
に等価な働きを持つ無偏心屈折光学系に書換えたもの
で、対応する光学素子には同番号を付してある。図にお
いて、R1、R2は主光線を示し、R3は軸上マージナル光線
を示す。マージナル光線R3の２次元表示素子２を射出す
る時の角度θがリレー光学系３の入射ＮＡになるが、こ
の大きさは発光素子１ａの発光径で決まることが図から
判明する。したがって、この実施例では開口絞りは無
く、発光素子１ａ自体がその役割を果たすものである。

【００２１】上述したように発光素子１ａの実像は結像
レンズ３ｂ近傍に一旦結像するが、この像は更に非球面
凹面鏡４により眼球１１の内部に投影される。この投影
像が射出瞳である。従って、この投影像は図６、図７を
用いて前述したように、眼球１１の瞳孔Ｉまたは回旋点
Ｐ、あるいはその間に投影するのが好ましい。なお、実
質開口絞りとして機能しているバックライト光源１の像
をコリメータレンズ１ｂは無限遠方に投影しているの
で、リレー光学系３は物体側テレセントリック光学系と
なる。本実施例は眼球１１の視度に合わせ非球面凹面鏡
４の作る虚像の位置を適当な位置にできるよう、２次元
表示素子２の位置を光軸方向に移動調整出来る機能を有
している。この時、リレー光学系３がテレセントリック
光学系になっているため、調整による倍率変動が無い。
尚、左右眼で観察する像の大きさが異なると大変見辛く
なるが、本実施例では、例えば使用者の左右の眼球視度
が異なる時でも、同一の大きさの像が観察できるように
なっている。

【００２２】尚、このように結像レンズ３ｂ近傍に作ら
れた発光素子１ａの像、即ち、瞳像を非球面凹面鏡４で
眼球内部に再投影するためには、凹面鏡４の焦点距離は
１００ｍｍ以下であることが必要である。これを越える
と、結像レンズ３ｂと非球面凹面鏡４の距離および非球
面凹面鏡４と眼球１１の距離が開き過ぎ、光学系が大型
になってしまう。しかし、逆に１０ｍｍ以下になると、
非球面凹面鏡４の収差が大きくなりやはり問題である。
凹面鏡４の焦点距離は、結像レンズ３ｂの光学特性、瞳
位置、画角等を考慮し決定することになるが、１５〜４
０ｍｍが適当でである。

【００２３】図５により第２の実施例につき説明する。
この実施例は基本的には第１の実施例と同じであるの
で、以下異なる部分についてのみ説明する。２次元表示
素子２として第１の実施例ではＬＣＤタイプのものを用
いたが、ここでは自家発光型のもの、例えば、微細な発
光ダイオードをマトリックス上に配列した２次元表示素
子２を使用しているので、照明光学系は不要となる。ま
た第１の実施例のリレー光学系３のフィールドレンズ３
ａを省略して結像レンズ３ｂだけとしてあり、更に光軸
を屈曲せしめるために楔型プリズム１２を使用している
ので、結像レンズ３ｂは偏心していない。

【００２４】第２の実施例では上述のように自家発光型
２次元表示素子２を使用しているので、この表示素子か
ら発せられる光束のＮＡは極めて大きい。故に、この光
束を適度に制限する開口絞り１３が必要である。この開
口絞り１３を結像レンズ３ｂの後側焦点位置に設けてあ
るこの構成により、２次元表示素子２を射出する各主光
線は、互いに平行となる。即ち、物界側がテレセントリ
ックな光学系となる。従って、被検眼の視度に合わせ２
次元表示素子２の位置を調整する際の倍率変動が生じな
いことは第１の実施例と同様である。

【００２５】第３の実施例を図８に基づき説明する。こ
の実施例は基本的には第２の実施例と同じであるので、
以下異なる部分についてのみ説明する。図において、S
1,S2,S3,----S7 はリレー光学系３のレンズ面、Ａは光
軸が２次元表示素子２と交差する点、Ｂはリレー光学系
３の第１面S1の面頂点、Ｃは眼軸、Ｔは楕円鏡４の面頂
点である。Ｂ点と楕円鏡４の焦点Q2を結ぶ直線はリレー
光学系３の回転中心軸となる。ここで、焦点Q1、Q2の中
心を原点Ｏとし、焦点Q1、Q2を結ぶ線をＹ軸、原点Ｏを
通りＹ軸に直交する軸をＸ軸とする。凹面鏡４には回転
楕円体凹面鏡（以下楕円鏡と云う）４を用いている。楕
円鏡４は図示されていない支持手段により眼球１１の直
前に支持される。

【００２６】この支持される位置について詳しく説明す
る。楕円鏡４の持つ楕円焦点の一方Q1は、被検眼１１の
瞳孔におかれ、さらにこの楕円鏡４の２つの楕円焦点Q
1、Q2を連結する直線は、眼球１１が正面を虎視した際
の眼軸Ｃに略直交するよう、支持手段は楕円鏡４を支持
する。このように支持された楕円鏡４は、顔面からの突
出も少なく、また光軸を顔面に沿って適宜に屈曲させる
ことが出来る。なお、この時、楕円鏡４の焦点Q1、Q2は
楕円の長軸上にありその距離は、３５〜１５０ｍｍが適
当である。３５ｍｍ以下であると楕円鏡４の屈曲力が大
きくなり過ぎ、２次元表示素子２の像に強いコマ収差が
生じてしまう。また１５０ｍｍより長くなると、光軸を
顔面に沿わすことが難しくなる。後述するレンズデータ
にも示されているように、本実施例では約６０ｍｍの間
隔とした。尚、楕円鏡４の楕円率（長軸の長さ／短軸の
長さ）については、この値が小さ過ぎると、焦点Q1、Q2
の距離３５〜１５０ｍｍを確保するためには楕円鏡４の
焦点距離が長くなり、結果的には顔面からの突出量が大
きくなる。また、この値が大き過ぎると、凹面鏡４を作
る２次元表示素子２の像に大きな収差が発生する。この
ことを考慮すると、楕円率は、1.1 〜2.0 が良く、特に
1.2 〜1.5 が適当であり、本実施例での楕円率は約1.22
である。

【００２７】焦点Q1、Q2の距離３５〜１５０ｍｍと、楕
円率1.1 〜2.0 の条件で取り得る楕円鏡４の近軸焦点距
離を計算すると、約１７.5〜１００ｍｍとなる。特に楕
円率が1.1 〜1.5 の時には、約１７.5〜８１.4ｍｍであ
る。

【００２８】この第３の実施例では、楕円鏡４で反射し
形成される開口絞り像、即ち、射出瞳が、眼軸Ｃに対し
てほぼ垂直になるよう、楕円鏡４が光軸に対し傾いてい
るために生じる収差を考慮し、開口絞り１３を大きく傾
けている。このため、開口絞り１３の開口形状は円形よ
り楕円径が好ましい。また開口絞り１３の中心は、楕円
焦点Q2に一致している。２つの焦点Q1、Q2間は互いに共
約で、収差が無いので、このように配置するこで大きな
画角に対しても射出瞳に球面収差は生じることがなく、
くっきりとした射出瞳が眼球１１の瞳孔に投影される。

【００２９】結像レンズ３ｂはその前側焦点が開口絞り
１３の中心に一致するよう支持されているので、結像レ
ンズ３ｂの像側はテレセントリックとなり、２次元表示
素子２を被検眼１１の視度に合わせ光軸方向に調整して
も倍率の変動が生じない。また、このレンズは光軸に対
して大きく偏心しているが、このことにより図示しない
使用者の顔面に沿って光軸を屈曲させる作用があるばか
りか、さらに収差補正の作用も付加される。即ち光軸に
対し大きく偏心した楕円鏡４は光軸に対する像面の倒れ
等、通常利用される共軸光学系とは異なる性質をもつ収
差が発生する。この収差を打ち消すには、シリンドリカ
ルレンズや楔プリズム等の特殊な光学素子を用いて補正
する方法もあるが、この実施例では結像レンズ３ｂを単
に光軸に対し横方向に大きく偏心させることで補正でき
る。開口絞り１３と楕円鏡４との間に、２次元表示素子
２の中心と周辺２点の計３点から発した３つの光束が集
光している部分があるが、これが２次元表示素子２上の
３点の像である。この３点の像を見ても、ここに作られ
た空中像が光軸に対し傾いていることが分かる。この傾
きが楕円鏡４の持つ像面の傾きの収差を打ち消し、楕円
鏡４で反射し、いずれも無限遠方に虚像として明瞭な再
結像をする。

【００３０】各点のＸ−Ｙ座標は次の如し。

【００３１】以下、第３の実施例のリレー光学系のレン
ズデータを示す。この表においてriは各面の曲率半径、
diは面間隔、niは屈折率である。

【００３２】楕円鏡４の非球面方程式は次の通り。但し、Ｃ＝0.03061862、Ｋ＝-0.333333 で、Ｃは楕円鏡
４の基準面の曲率、ＲはＹ軸から非球面（楕円面）まで
の距離、非球面はＹ軸を回転軸とする回転楕円体であ
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明による像観察装置は、小型で観察
倍率が大きいという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による像観察装置の概略を示す平面図で
ある。

【図２】図１の要部の説明用側面図である。

【図３】像観察装置の外観およびＡＶ機器の斜視図であ
る。

【図４】像観察装置に内蔵される信号処理系の概略斜視
図である。

【図５】第２の実施例を示す概略平面図である。

【図６】同じく説明用の要部側面図である。

【図７】同じく説明用の要部側面図である。

【図８】第３の実施例を示す要部平面図である。

【図９】従来の頭部装着式像観察装置の要部平面図であ
る。

【図１０】他の従来技術を示す視覚装置の要部平面図で
ある。

【符号の説明】

１バックライト光源１ａ発光素子１ｂコリメータレンズ２２次元表示素子３リレー光学系３ａフィールドレンズ３ｂ結像レンズ４非球面凹面鏡（接眼光学系）４’ 非球面レンズ５信号処理回路６受光部７支持手段７ａヘアバンド８ＶＣＲ９光伝送装置１０使用者の頭部１１眼球１２楔型プリズム１３開口絞り３１ゴーグル部３２スピーカ３３耳当部

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【手続補正書】

【提出日】平成４年３月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】図１０に示した例では、光軸が屈曲するよ
うな工夫があるが、接眼レンズの厚みに加え斜めに配置
された平面鏡が突出するので、全体の突出はやはり大き
い。然も、この構成では、接眼レンズ２２で拡大観察す
るために２次元表示素子２１に表示された像の虚像を作
る場合、接眼レンズ２２の前側焦点位置より２次元表示
素子２１を接眼レンズ２２側に近付けて配置しなければ
ならず、接眼レンズ２２と２次元表示素子２１との間に
平面鏡２４を挿入すると、接眼レンズと２次元表示素子
との光学的距離が開き、接眼レンズの焦点距離を長くせ
ざるを得ない。更に、接眼レンズの倍率はその焦点距離
に反比例しているので、この場合は大きな倍率を得るこ
とが出来ないので、使用者は実質的に小さな画面を観察
することになる。以上の様に、従来は２次元表示素子そ
のものを接眼レンズで直接観察していたため、平面鏡と
の機械的干渉を避けてこれを配置する必要があり、結果
的に接眼レンズの倍率を大きくとり得ないと云う欠点が
あった。本発明は以上の欠点を解消するもので、小型で
観察倍率を大きく取れる像観察装置を提供することを目
的とするものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る像観察装置
は、観察像を表示する２次元表示素子と、この２次元表
示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、この実
像を空中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光
学系と、この接眼光学系を使用者の眼球直前に位置する
ように支持する支持手段とを備えたものである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】更に、リレー光学系に光軸を屈曲させる作
用を持たせることもできる。なお、本発明において、光
軸とは、表示素子の表示中心を射出して使用者の眼球の
瞳孔の中心または開口絞りの中心を通過する光線、即ち
軸上主光線と一致する軸のこととする。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】装置全体の顔面からの突出量を減らすに
は、光軸を顔面に沿って屈曲させると良い。顔面は緩い
凸面とみなすことが出来るので、光軸を顔面に沿って屈
曲させる働きをリレー光学系に持たせることで装置の突
出量を減じることが可能となる。この屈曲作用を持たせ
る方法としては、例えば楔型プリズムを用いて光軸を屈
曲させてもよく、またレンズ作用のあるリレー光学系を
光軸に対し偏心させることでも屈曲作用を容易に持たす
ことが可能である。この場合、光軸の平行移動距離と傾
きの大きさを適度に制限することで、屈曲作用と同時に
収差補正効果をも得られると云う利点がある。即ち、正
の屈折力をもつ凹面鏡を光軸に対し傾けて使用するため
に発生する収差があるが、この種の収差は共軸系の光学
系では補正出来ないが、リレー光学系を適当に偏心させ
ることで、この収差を減じることができる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】次に、上記のような構成の像観察装置の作
用を説明する。ＶＣＲ８で再生されたビデオ信号は光伝
送装置９から光変調信号として発信され、これが像観察
装置の受光部６で受光され、信号処理回路５にビデオ信
号が供給される。信号処理回路５ではビデオ信号を映像
信号と音声信号に分け、それぞれを２次元表示素子２お
よびスピーカ３２に供給する。２次元表示素子２は背面
からバツクライト光源１により略平行光束で照射され、
２次元画像を形成する。そしてリレー光学系３はこの２
次元画像の実像を非球面型凹面鏡４の手前に空中像とし
て投影する。この実像を更に凹面鏡４で眼球１１の前方
の空中に虚像として拡大投影する。この虚像の投影位置
を眼球の１１の視度に合わせ、適宜調整出来るようにし
て、２次元表示素子２に表示された２次元画像の拡大像
を観察する。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】結像レンズ３ｂの主な役目は、２次元表示
素子２の実像を非球面型凹面鏡４の手前に投影すること
である。ＬＣＤタイプの２次元表示素子から良好な画像
を得るために、バックライト光源１はこれを背後から略
平行光束で照射している。即ち、コリメータレンズ１ｂ
は発光素子１ａの像を無限遠方に投影している。フィー
ルドレンズ３ａは、この無限遠方に生じた発光素子１ａ
の像を結像レンズ３ｂの近傍に実像としてリレーする。
これにより結像レンズ３ｂでの光束が絞られ、結像レン
ズ３ｂのレンズを小型化できるばかりでなく結像レンズ
３ｂの収差発生を抑制し易くなる。今、発光素子１ａと
２次元表示素子２のそれぞれの中心を通る光線を光軸Ｒ
₀と称することにする。この光軸Ｒ₀に対し結像レンズ
３ｂは光軸Ｒ₀に垂直な方向で顔面側に偏心している。
光軸Ｒ₀はこれにより結像レンズ３ｂの作用を受けて図
１に示すように顔面に沿って屈曲する。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】また、この第１の実施例ではリレー光学系
３のＮＡを制限する機械的絞りは無く、このＮＡは発光
素子１ａの発光部の大きさで決まる。このことを図２に
基づき説明する。図２は図１に示される光学系を近軸的
に等価な働きを持つ無偏心屈折光学系に書換えたもの
で、対応する光学素子には同番号を付してある。但し、
非球面型凹面鏡 4は表現の都合上、非球面レンズ4'とし
て示してある。図において、R1、R2は主光線を示し、R3
は軸上マージナル光線を示す。マージナル光線R3の２次
元表示素子２を射出する時の角度θがリレー光学系３の
入射ＮＡになるが、この大きさは発光素子１ａの発光径
で決まることが図から判明する。したがって、この実施
例では開口絞りは無く、発光素子１ａ自体がその役割を
果たすものである。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】第３の実施例を図８に基づき説明する。こ
の実施例は基本的には第２の実施例と同じであるので、
以下異なる部分についてのみ説明する。図において、S
1,S2,S3,----S7 はリレー光学系３のレンズ面、Ａは光
軸が２次元表示素子２と交差する点、Ｂはリレー光学系
３の第１面S1の面頂点、Ｃは眼軸、Ｔは楕円鏡４の面頂
点である。Ｂ点と楕円鏡４の焦点Q2を結ぶ直線はリレー
光学系３の回転中心軸となる。ここで、焦点Q1、Q2の中
心を原点Ｏとし、焦点Q1、Q2を結ぶ線をＹ軸、原点Ｏを
通りＹ軸に直交する軸をＸ軸とする。凹面鏡４には回転
楕円面凹面鏡（以下楕円鏡と云う）４を用いている。楕
円鏡４は図示されていない支持手段により眼球１１の直
前に支持される。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】この支持される位置について詳しく説明す
る。楕円鏡４の持つ楕円焦点の一方Q1は、被検眼１１の
瞳孔におかれ、さらにこの楕円鏡４の２つの楕円焦点Q
1、Q2を連結する直線は、眼球１１が正面を固視した際
の眼軸Ｃに略直交するよう、支持手段は楕円鏡４を支持
する。このように支持された楕円鏡４は、顔面からの突
出も少なく、また光軸を顔面に沿って適宜に屈曲させる
ことが出来る。なお、この時、楕円鏡４の焦点Q1、Q2は
楕円の長軸上にありその距離は、３５〜１５０ｍｍが適
当である。３５ｍｍ以下であると楕円鏡４の屈曲力が大
きくなり過ぎ、２次元表示素子２の像に強いコマ収差が
生じてしまう。また１５０ｍｍより長くなると、光軸を
顔面に沿わすことが難しくなる。後述するレンズデータ
にも示されているように、本実施例では約６０ｍｍの間
隔とした。尚、楕円鏡４の楕円率（長軸の長さ／短軸の
長さ）については、この値が小さ過ぎると、焦点Q1、Q2
の距離３５〜１５０ｍｍを確保するためには楕円鏡４の
焦点距離が長くなり、結果的には顔面からの突出量が大
きくなる。また、この値が大き過ぎると、凹面鏡４を作
る２次元表示素子２の像に大きな収差が発生する。この
ことを考慮すると、楕円率は、1.1 〜2.0 が良く、特に
1.2 〜1.5 が適当であり、本実施例での楕円率は約1.22
である。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】この第３の実施例では、楕円鏡４で反射し
形成される開口絞り像、即ち、射出瞳が、眼軸Ｃに対し
てほぼ垂直になるよう、楕円鏡４が光軸に対し傾いてい
るために生じる収差を考慮し、開口絞り１３を大きく傾
けている。このため、開口絞り１３の開口形状は円形よ
り楕円径が好ましい。また開口絞り１３の中心は、楕円
焦点Q2に一致している。２つの焦点Q1、Q2間は互いに共
役で、球面収差が無いので、このように配置するこで、
大きな画角に対しても射出瞳に球面収差は生じることが
なく、くっきりとした射出瞳が眼球１１の瞳孔に投影さ
れる。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【表１】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】楕円鏡４の非球面方程式は次の通り。

【数１】但し、Ｃ＝0.03061862、Ｋ＝-0.333333 で、Ｃは楕円鏡
４の基準面の曲率、ＲはＹ軸から非球面（楕円面）まで
の距離、非球面はＹ軸を回転軸とする回転楕円面であ
る。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図２】図１の要部の説明用側面図である。

【図４】像観察装置に内蔵される信号処理系の概略構成
図である。

【図５】第２の実施例を示す概略平面図である。

【図６】同じく説明用の要部側面図である。

【図７】同じく説明用の要部側面図である。

【図８】第３の実施例を示す要部平面図である。

【図１０】他の従来技術を示す視覚装置の要部平面図で
ある。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年３月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察像を表示する２次元表示素子と、該
２次元表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系
と、その実像を空中に拡大投影すると共に前記２次元表
示素子の表示中心を射出する光線を屈曲させる接眼光学
系と、該接眼光学系を使用者の眼球直前に位置するよう
に支持する支持手段とを備えた像観察装置。
【請求項２】前記接眼光学系が使用者の眼球に凹面を
向けた非球面反射鏡である請求項１に記載の像観察装
置。
【請求項３】前記２次元表示素子から射出する光束径
を制限する開口絞りを備え、該開口絞りと使用者の眼球
との間の光学系が作る実像が前記眼球の瞳孔近傍または
眼球回旋点若しくはこれらの間に位置するように前記支
持手段を構成した請求項２に記載の像観察装置。
【請求項４】前記非球面反射鏡が近似回転楕円鏡であ
って、前記反射鏡の２つの焦点の内の一方が使用者の眼
球の瞳孔近傍または眼球回旋点若しくはこれらの間に位
置するように前記支持手段を構成した請求項２記載の像
観察装置。
【請求項５】前記リレー光学系が前記２次元表示素子
の表示中心を射出する光線を屈曲させる作用を有する請
求項２に記載の像観察装置。
【請求項６】前記リレー光学系がその光軸に対して偏
心しているレンズを含んでいる請求項２に記載の像観察
装置。