JPH10153748A - 観察光学系 - Google Patents
観察光学系Info
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- JPH10153748A JPH10153748A JP8330312A JP33031296A JPH10153748A JP H10153748 A JPH10153748 A JP H10153748A JP 8330312 A JP8330312 A JP 8330312A JP 33031296 A JP33031296 A JP 33031296A JP H10153748 A JPH10153748 A JP H10153748A
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- observation optical
- light beam
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 実像タイプでありながら、前後方向に極めて
薄型で、小型・広視野角の観察光学系を得ること。 【解決手段】 表示手段に表示する原画像からの光束を
光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳
に集光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて
観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系
において，屈折面として作用する第１の面A 、光束を２
回反射する面として作用する曲面より成る第２の面B 、
全反射面及び屈折面として作用する曲面より成る第３の
面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を
有する。
薄型で、小型・広視野角の観察光学系を得ること。 【解決手段】 表示手段に表示する原画像からの光束を
光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳
に集光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて
観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系
において，屈折面として作用する第１の面A 、光束を２
回反射する面として作用する曲面より成る第２の面B 、
全反射面及び屈折面として作用する曲面より成る第３の
面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を
有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は観察光学系に関し、
特にメガネ型ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレ
イ等の名称で呼ばれる頭部装着型の画像表示装置に好適
なものである。
特にメガネ型ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレ
イ等の名称で呼ばれる頭部装着型の画像表示装置に好適
なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、CRT や液晶表示装置（LCD)等
の表示手段を観察者の頭部近傍に配置し、CRT 及びLCD
が表示する像を観察できるようにした画像表示装置が提
案されている。
の表示手段を観察者の頭部近傍に配置し、CRT 及びLCD
が表示する像を観察できるようにした画像表示装置が提
案されている。
【０００３】例えば米国特許4,081,209 号明細書、米国
特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開
平2-297516号公報、特開平3-101709号公報等にかかる表
示装置が開示されている。
特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開
平2-297516号公報、特開平3-101709号公報等にかかる表
示装置が開示されている。
【０００４】特開平3-101709号公報では、表示手段に表
示した原画像を一旦中間像として再結像させ、観察者は
光学系によってこの中間像を観察する所謂実像タイプの
比較的見易い画像表示装置を開示している。
示した原画像を一旦中間像として再結像させ、観察者は
光学系によってこの中間像を観察する所謂実像タイプの
比較的見易い画像表示装置を開示している。
【０００５】一方、米国特許4,081,209 号明細書、米国
特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開
平2-297516号公報では、見易さの点では若干劣るが、小
型化を図る上では有利な、光学系の途中で中間像を形成
しない虚像観察タイプの画像表示装置を開示している。
特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開
平2-297516号公報では、見易さの点では若干劣るが、小
型化を図る上では有利な、光学系の途中で中間像を形成
しない虚像観察タイプの画像表示装置を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】特開平3-101709号公報
に開示されている画像表示装置では、再結像させるため
の光学レンズを用いているために装置が大型化する問題
がある。
に開示されている画像表示装置では、再結像させるため
の光学レンズを用いているために装置が大型化する問題
がある。
【０００７】また、米国特許4,081,209 号明細書、米国
特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開
平2-297516号公報に開示されている画像表示装置では、
確かに実像タイプに比べ小型化を図れるとはいえ、まだ
まだ十分小型とは言えなかった。
特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開
平2-297516号公報に開示されている画像表示装置では、
確かに実像タイプに比べ小型化を図れるとはいえ、まだ
まだ十分小型とは言えなかった。
【０００８】これらの中で、特開昭58-78116号公報に開
示されているものは比較的小型であるが、観察者の眼の
光軸方向の厚みはまだ厚い。又、観察される像に光学的
歪み、非点収差、コマ収差等の発生することが記載され
ている。
示されているものは比較的小型であるが、観察者の眼の
光軸方向の厚みはまだ厚い。又、観察される像に光学的
歪み、非点収差、コマ収差等の発生することが記載され
ている。
【０００９】本発明は、実像タイプでありながら、前後
方向に極めて薄型で、小型・広視野角の観察光学系の提
供を目的とする。
方向に極めて薄型で、小型・広視野角の観察光学系の提
供を目的とする。
【００１０】更に、表示手段及びリレー光学系を画像表
示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部よ
り下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置
を構成できる観察光学系の提供を目的とする。
示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部よ
り下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置
を構成できる観察光学系の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の観察光学系は、 （１−１） 表示手段に表示する原画像からの光束を光
学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳に
集光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて該
観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系
において，屈折面として作用する第１の面A 、光束を２
回反射する面として作用する曲面より成る第２の面B 、
全反射面及び屈折面として作用する曲面より成る第３の
面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を
有すること等を特徴としている特に、 （１−１−１） 前記原画像からの光束は前記第１の面
A を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の
面B により反射して前記第３の面C へ向かい、該第３の
面C により全反射して該第２の面B へ向かい、該第２の
面B により再度反射して該第３の面C へ向かい、該第３
の面C を透過して該光学素子を出射て前記射出瞳に集光
し、その際、該光束は該第２の面C の１回目の反射から
該第３の面C に至る間に実像を形成する。 （１−１−２） 前記原画像からの光束をリレー光学系
により集光させて前記第１の面A へ入射させる。 （１−１−３） 前記表示手段の表示面の中心より出射
して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線として、以
下の条件式： 30゜≦ 2β＋α≦90゜ −10゜≦α≦30゜ （ただし、αは該基準光線が前記第３の面C を屈折する
際の入射点における面法線に対する屈折基準光線の傾き
角、βは該基準光線が前記第２の面B において２回目の
反射をする際の入射点における面法線に対する反射基準
光線の傾き角）を満足する。 （１−１−４） 前記表示手段の表示面の中心より出射
して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線として、以
下の条件式： 0 ＜｜ra/rc ｜＜1.5 （ただし、rcは該基準光線が前記第２の面B において１
回目の反射をする際の入射点における垂直断面の曲率半
径、raは該基準光線が前記第２の面B において２回目の
反射をする際の入射点における垂直断面の曲率半径）を
満足する。 （１−１−５） 前記表示手段と前記リレー光学系を画
像表示装置の支持部より上に配置し、前記光学素子を該
支持部より下に配置する。 （１−１−６） (1-1) 〜(1-1-5) のいずれか１項に記
載の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つ
ずつ配置している。こと等を特徴としている。
学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳に
集光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて該
観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系
において，屈折面として作用する第１の面A 、光束を２
回反射する面として作用する曲面より成る第２の面B 、
全反射面及び屈折面として作用する曲面より成る第３の
面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を
有すること等を特徴としている特に、 （１−１−１） 前記原画像からの光束は前記第１の面
A を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の
面B により反射して前記第３の面C へ向かい、該第３の
面C により全反射して該第２の面B へ向かい、該第２の
面B により再度反射して該第３の面C へ向かい、該第３
の面C を透過して該光学素子を出射て前記射出瞳に集光
し、その際、該光束は該第２の面C の１回目の反射から
該第３の面C に至る間に実像を形成する。 （１−１−２） 前記原画像からの光束をリレー光学系
により集光させて前記第１の面A へ入射させる。 （１−１−３） 前記表示手段の表示面の中心より出射
して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線として、以
下の条件式： 30゜≦ 2β＋α≦90゜ −10゜≦α≦30゜ （ただし、αは該基準光線が前記第３の面C を屈折する
際の入射点における面法線に対する屈折基準光線の傾き
角、βは該基準光線が前記第２の面B において２回目の
反射をする際の入射点における面法線に対する反射基準
光線の傾き角）を満足する。 （１−１−４） 前記表示手段の表示面の中心より出射
して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線として、以
下の条件式： 0 ＜｜ra/rc ｜＜1.5 （ただし、rcは該基準光線が前記第２の面B において１
回目の反射をする際の入射点における垂直断面の曲率半
径、raは該基準光線が前記第２の面B において２回目の
反射をする際の入射点における垂直断面の曲率半径）を
満足する。 （１−１−５） 前記表示手段と前記リレー光学系を画
像表示装置の支持部より上に配置し、前記光学素子を該
支持部より下に配置する。 （１−１−６） (1-1) 〜(1-1-5) のいずれか１項に記
載の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つ
ずつ配置している。こと等を特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の基本
構成図である。図は垂直断面図である。図中１は原画像
を表示する表示手段で，例えば公知の液晶表示素子(LC
D) やCRT 等で構成する。２は光学素子であり、第１の
面A 、第２の面B 、第３の面C の３つの光学作用面を有
している。このうち、第１の面A は屈折面である。第２
の面B は表面に反射膜を付けており、反射面として作用
する。第３の面C は全反射面及び屈折面として作用す
る。３は集光レンズ（リレー光学系）である。４は観察
光学系の射出瞳である。９は観察光学系を収納している
筐体の壁であり、画像からの表示光束が射出する略長方
形の覗窓ｗを設けている。w0は覗窓ｗの中心である。観
察者は射出瞳４の位置に瞳を位置させて覗窓ｗを通して
原画像の虚像を観察する。なお、光学素子２、集光レン
ズ３及び覗窓ｗ等は観察光学系の一要素を構成してい
る。
構成図である。図は垂直断面図である。図中１は原画像
を表示する表示手段で，例えば公知の液晶表示素子(LC
D) やCRT 等で構成する。２は光学素子であり、第１の
面A 、第２の面B 、第３の面C の３つの光学作用面を有
している。このうち、第１の面A は屈折面である。第２
の面B は表面に反射膜を付けており、反射面として作用
する。第３の面C は全反射面及び屈折面として作用す
る。３は集光レンズ（リレー光学系）である。４は観察
光学系の射出瞳である。９は観察光学系を収納している
筐体の壁であり、画像からの表示光束が射出する略長方
形の覗窓ｗを設けている。w0は覗窓ｗの中心である。観
察者は射出瞳４の位置に瞳を位置させて覗窓ｗを通して
原画像の虚像を観察する。なお、光学素子２、集光レン
ズ３及び覗窓ｗ等は観察光学系の一要素を構成してい
る。
【００１３】本実施形態の作用を説明する。表示手段１
に表示する画像からの光束はまず集光レンズ３で屈折作
用を受けて集光した後、光学素子３の第１の面A に向か
い、この面を屈折して光学素子２の中にはいり、第２の
面B へ向かう。光束は第２の面B により反射されて第３
の面C に向かい、第３の面C により全反射されて再び第
２の面B に向かう。光束は第２の面B により再び反射さ
れて再び第３の面C に向かい、今度は第３の面C を屈折
・透過して覗窓ｗを通過して射出瞳４に向かう。表示手
段１の表示面上の各点からの光束は射出瞳４に集まる。
そして、各光束はこの射出瞳４の位置にある観察者の瞳
へ入射する。この時、射出光束は遠方に原画像の虚像を
形成しているので観察者はこの射出瞳４の位置に瞳をお
けばこの虚像を観察することができる。
に表示する画像からの光束はまず集光レンズ３で屈折作
用を受けて集光した後、光学素子３の第１の面A に向か
い、この面を屈折して光学素子２の中にはいり、第２の
面B へ向かう。光束は第２の面B により反射されて第３
の面C に向かい、第３の面C により全反射されて再び第
２の面B に向かう。光束は第２の面B により再び反射さ
れて再び第３の面C に向かい、今度は第３の面C を屈折
・透過して覗窓ｗを通過して射出瞳４に向かう。表示手
段１の表示面上の各点からの光束は射出瞳４に集まる。
そして、各光束はこの射出瞳４の位置にある観察者の瞳
へ入射する。この時、射出光束は遠方に原画像の虚像を
形成しているので観察者はこの射出瞳４の位置に瞳をお
けばこの虚像を観察することができる。
【００１４】このとき、表示手段１からの光束が、光学
素子２の第２の面B による１回目の反射から第３の面C
に向かう際に一旦中間像を結像しており、光束が第３の
面Cで全反射して第２の面B に向かう際に上記の中間結
像面８を横切るよう構成している。
素子２の第２の面B による１回目の反射から第３の面C
に向かう際に一旦中間像を結像しており、光束が第３の
面Cで全反射して第２の面B に向かう際に上記の中間結
像面８を横切るよう構成している。
【００１５】本実施形態では、屈折面として作用する第
１の面A 、光束を２回反射する面として作用する第２の
面B 、全反射面及び屈折面として作用する第３の面C の
少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を観察光
学系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束
が、第１の面A から入射して、第２の面B での１回目の
反射から第３の面C へ向かう光束群を横切る様に実像を
形成することにより、第３の面C における全反射の条件
を満足しつつ、第２の面B のパワーを従来よりも強くす
ることが可能となるため、観察光学系の薄型化を可能に
するものである。
１の面A 、光束を２回反射する面として作用する第２の
面B 、全反射面及び屈折面として作用する第３の面C の
少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を観察光
学系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束
が、第１の面A から入射して、第２の面B での１回目の
反射から第３の面C へ向かう光束群を横切る様に実像を
形成することにより、第３の面C における全反射の条件
を満足しつつ、第２の面B のパワーを従来よりも強くす
ることが可能となるため、観察光学系の薄型化を可能に
するものである。
【００１６】又、本実施形態は前記光学素子以外に集光
レンズ（リレー光学系）を有し、原画像からの光束を該
集光レンズにより集光させて該光学素子へ入射するよう
構成することにより、該光学素子の入射面の有効径を小
さくしている。
レンズ（リレー光学系）を有し、原画像からの光束を該
集光レンズにより集光させて該光学素子へ入射するよう
構成することにより、該光学素子の入射面の有効径を小
さくしている。
【００１７】又、本実施形態は特に前記光学素子中の第
２の面B における１回目の反射部位と２回目の反射部位
とを少なくとも一部分共通にすることにより全長を制限
し、更に軽量な観察光学系としている。
２の面B における１回目の反射部位と２回目の反射部位
とを少なくとも一部分共通にすることにより全長を制限
し、更に軽量な観察光学系としている。
【００１８】以下，垂直断面方向における構成をもとに
本実施形態をより詳しく説明する。本発明の観察光学系
は通常の光学系にある光軸が無い。そこで本発明の観察
光学系では”基準光線”を設定して構成を明確にする。
本発明で言う基準光線とは、表示手段１の表示面の中心
から射出して射出瞳４の中心を通る光線である。なお、
本実施形態の場合この基準光線は視窓ｗの中心w0 も通
っている。
本実施形態をより詳しく説明する。本発明の観察光学系
は通常の光学系にある光軸が無い。そこで本発明の観察
光学系では”基準光線”を設定して構成を明確にする。
本発明で言う基準光線とは、表示手段１の表示面の中心
から射出して射出瞳４の中心を通る光線である。なお、
本実施形態の場合この基準光線は視窓ｗの中心w0 も通
っている。
【００１９】図２は本発明の観察光学系の基準光線と各
面との関係の説明図である。この基準光線が光学素子２
で反射・全反射・屈折を行う際の各面の入射点をそれぞ
れ図のようにa,b,c,d とし、基準光線が第３の面C を屈
折する際の入射点d における面法線dd1 に対する屈折基
準光線の傾き角をαとする。又、基準光線が第２の面B
において２回目の反射をする際の入射点a における面法
線に対する反射基準光線の傾き角をβとする。又、基準
光線が第２の面B において１回目の反射をする際の入射
点c における面法線に対する反射基準光線の傾き角をγ
とする。
面との関係の説明図である。この基準光線が光学素子２
で反射・全反射・屈折を行う際の各面の入射点をそれぞ
れ図のようにa,b,c,d とし、基準光線が第３の面C を屈
折する際の入射点d における面法線dd1 に対する屈折基
準光線の傾き角をαとする。又、基準光線が第２の面B
において２回目の反射をする際の入射点a における面法
線に対する反射基準光線の傾き角をβとする。又、基準
光線が第２の面B において１回目の反射をする際の入射
点c における面法線に対する反射基準光線の傾き角をγ
とする。
【００２０】本実施形態においては、上記αとβとが以
下の条件式 30゜≦ 2β＋α≦90゜ (条件式1) を満たすように設定している。（条件式1)の下限値は第
３の面C での全反射の条件に関するものであり，下限を
越えると第３の面C で全反射させることが非常に困難と
なる。また，上限を越えると基準光線に対して下側の視
野画角の光束で光量不足を生じ易くなり、性能が低下す
る。
下の条件式 30゜≦ 2β＋α≦90゜ (条件式1) を満たすように設定している。（条件式1)の下限値は第
３の面C での全反射の条件に関するものであり，下限を
越えると第３の面C で全反射させることが非常に困難と
なる。また，上限を越えると基準光線に対して下側の視
野画角の光束で光量不足を生じ易くなり、性能が低下す
る。
【００２１】更に，このとき上記αを −10゜≦α≦30゜ (条件式2) と設定することが好ましい。 (条件式2)の下限を越える
と光学素子２の第３の面C に垂直な方向の厚みが増し重
量が増加するので好ましくない。また，上限を越えると
第３の面C で全反射させることが難しくなる。
と光学素子２の第３の面C に垂直な方向の厚みが増し重
量が増加するので好ましくない。また，上限を越えると
第３の面C で全反射させることが難しくなる。
【００２２】また，基準光線が第２の面B において１回
目の反射をする際の入射点c における垂直断面（紙面
内）の曲率半径をrc、基準光線が第２の面B において２
回目の反射をする際の入射点a における垂直断面（紙面
内）の曲率半径をraとするとき，これらを 0 ＜｜ra/rc|＜1.5 (条件式3) を満足するように設定することが望ましい。 (条件式3)
の条件を越えると光学素子２の第３の面C に平行な方向
の長さが増し，全体の重量増を招くため好ましくない。
特に（条件式3）の下限を越えると光学素子２をコンパ
クトに保ちつつ、十分な瞳径を確保するのが困難にな
る。また、（条件式3）の上限を越えると光学素子２を
コンパクトに保ちつつ、広画角を確保するのが困難にな
る。
目の反射をする際の入射点c における垂直断面（紙面
内）の曲率半径をrc、基準光線が第２の面B において２
回目の反射をする際の入射点a における垂直断面（紙面
内）の曲率半径をraとするとき，これらを 0 ＜｜ra/rc|＜1.5 (条件式3) を満足するように設定することが望ましい。 (条件式3)
の条件を越えると光学素子２の第３の面C に平行な方向
の長さが増し，全体の重量増を招くため好ましくない。
特に（条件式3）の下限を越えると光学素子２をコンパ
クトに保ちつつ、十分な瞳径を確保するのが困難にな
る。また、（条件式3）の上限を越えると光学素子２を
コンパクトに保ちつつ、広画角を確保するのが困難にな
る。
【００２３】尚、本実施形態では上記の様に基準光線に
対して光学素子２の第３の面C 、第２の面B を偏心配置
させているため、これらにより生じる偏心収差を補正す
るために、光学素子２の第１の面A 及び集光レンズ３を
偏心配置させることが望ましい。
対して光学素子２の第３の面C 、第２の面B を偏心配置
させているため、これらにより生じる偏心収差を補正す
るために、光学素子２の第１の面A 及び集光レンズ３を
偏心配置させることが望ましい。
【００２４】図３は本発明の観察光学系を用いた画像表
示装置の概略配置図である。図中31は本発明の観察光学
系を観察者の頭部に装着するための支持部で、例えばベ
ルトと光学系保持部を支持するための支持部材により構
成されている。32は光学系２を保持する保持部（筐
体）、34は表示手段１の表示部の駆動を行う回路部、33
は集光レンズ３並びに表示手段１、回路部34を保持する
保持部である。図３に示す様に、本発明の観察光学系を
支持部31を介して観察者の頭部に装着する際、観察光学
系の光学素子２の保持部32を支持部31より下方に、集光
レンズ３及び表示手段等の保持部33を上方に配置するこ
とにより、重量バランスの良い画像表示装置を構成する
ことが可能である。即ち、観察光学系が該光学素子２以
外に集光レンズ（リレー光学系）３を有し、該集光レン
ズ３と該光学素子２とを支持部に対して上下に配置する
ことにより重量バランスの良い観察光学系が得られる。
示装置の概略配置図である。図中31は本発明の観察光学
系を観察者の頭部に装着するための支持部で、例えばベ
ルトと光学系保持部を支持するための支持部材により構
成されている。32は光学系２を保持する保持部（筐
体）、34は表示手段１の表示部の駆動を行う回路部、33
は集光レンズ３並びに表示手段１、回路部34を保持する
保持部である。図３に示す様に、本発明の観察光学系を
支持部31を介して観察者の頭部に装着する際、観察光学
系の光学素子２の保持部32を支持部31より下方に、集光
レンズ３及び表示手段等の保持部33を上方に配置するこ
とにより、重量バランスの良い画像表示装置を構成する
ことが可能である。即ち、観察光学系が該光学素子２以
外に集光レンズ（リレー光学系）３を有し、該集光レン
ズ３と該光学素子２とを支持部に対して上下に配置する
ことにより重量バランスの良い観察光学系が得られる。
【００２５】以下に本発明にかかる３つの数値実施例の
構成データを示す。
構成データを示す。
【００２６】尚、構成データ中、R は面の曲率半径、D
は面間隔、N は媒質の屈折率、νは媒質のアッベ数であ
り、θは前面の光軸に対する面の光軸の傾き、YDは光軸
に対する垂直方向の面の移動量、ZDは光軸方向の面の移
動量を示す。
は面間隔、N は媒質の屈折率、νは媒質のアッベ数であ
り、θは前面の光軸に対する面の光軸の傾き、YDは光軸
に対する垂直方向の面の移動量、ZDは光軸方向の面の移
動量を示す。
【００２７】また、ASP と示された面は以下の式で表さ
れる非球面であり、記載のない係数は 0である。
れる非球面であり、記載のない係数は 0である。
【００２８】A ＝0.5・(C71+C72)・{cos(C73)2y2+x2} B ＝cos(C73)[1+0.5(C71-C72)・sin(C73)y+〔1+(C71-
C72)・sin(C73)y-C71C72y2-{C71C72+0.25(C71+C72)2・tan
(C73)2}x2 〕1/2] C ＝C20x2+C11xy+C2y2+C30x3+C21x2y+C12xy2+C3y3+C40x
4+C31x3y+C22x2y2+C13xy3+C4y4+C50x5+C41x4y+C32x3y2+
C23x2y3+C14xy4+C5y5 として：
C72)・sin(C73)y-C71C72y2-{C71C72+0.25(C71+C72)2・tan
(C73)2}x2 〕1/2] C ＝C20x2+C11xy+C2y2+C30x3+C21x2y+C12xy2+C3y3+C40x
4+C31x3y+C22x2y2+C13xy3+C4y4+C50x5+C41x4y+C32x3y2+
C23x2y3+C14xy4+C5y5 として：
【００２９】
【数１】 なお、各数値実施例の厚さを示す為に、図２の点a にお
いて法線dd1 に平行に測ったプリズムの厚みをDa、点c
において法線dd1 に平行に測ったプリズムの厚みをDcと
してその数値を示す。 ［数値実施例１］図４は数値実施例１の垂直方向の断面
図である。その構成データを以下に示す。
いて法線dd1 に平行に測ったプリズムの厚みをDa、点c
において法線dd1 に平行に測ったプリズムの厚みをDcと
してその数値を示す。 ［数値実施例１］図４は数値実施例１の垂直方向の断面
図である。その構成データを以下に示す。
【００３０】 R D N ν S1: ∞ 11.711401 θ: -1.927677 S2: 81.23041 11.071629 1.583 30.23 S3: -32.02662 6.694080 S4: 29.88043 10.674838 1.583 30.23 S5: -39.04404 5.000000 YD: 3.909487 θ: 3.347305 S6: ASP 0.000000 1.583 30.23 C2 : -6.6514E-03 C3 : 6.6013E-06 C4 : -9.8359E-10 C5 : -7.7812E-11 C71: 1.0081E-01 YD: 52.933899 ZD:-30.997073 θ:-43.034002 S7: ASP -12.347377 1.583 30.23 C2 : 4.2043E-04 C3 : 2.1184E-05 C4 : 6.5545E-13 C5 : -1.8682E-15 C71: -2.4736E-02 θ: -25.461353 S8: ASP 11.148143 1.583 30.23 GL2: C2 : 2.2667E-04 C3 : 1.7493E-06 C4 : 1.8175E-11 C5 : 4.8004E-13 C71: 8.0982E-04 YD: -5.308164 θ: 5.400591 垂直方向視野画角±23.4゜ α:-5.40゜、β:25.46゜ 2β＋α＝45.52 ゜ ra 86.011mm rc 173.836mm ｜ra/rc| = 0.495 Da=11.77mm、Dc=21.28mm ［数値実施例２］図５は数値実施例２の垂直方向の断面
図である。その構成データを以下に示す。
図である。その構成データを以下に示す。
【００３１】 R D N ν S1: ∞ 5.146040 YD: 0.000000 ZD: 0.000000 θ: -5.563477 S2: 1049.14580 7.266592 1.583 30.23 S3: -14.00196 0.100000 S4: 31.85395 10.800601 1.583 30.23 S5: -20.04263 5.000000 YD: -3.882250 θ: 4.870778 S6: ASP 0.000000 1.583 30.23 C2 : -1.5243E-02 C3 : -3.7039E-04 C71: 1.3058E-01 YD: 61.623578 ZD:-32.030343 θ: -46.813281 S7: ASP -13.205595 1.583 30.23 C2 : 1.5153E-04 C3 : 2.0378E-05 C71: -2.3266E-02 YD: 2.200000 θ: -20.838384 S8: ASP 11.559172 1.583 30.23 GL2: C2 : -3.4388E-04 C3 : -1.2492E-05 C71: 4.7642E-03 YD: -6.753760 θ:-20.000000 垂直方向視野画角±23.4゜ α:20.00゜、β:20.84゜ 2β＋α＝61.68 ゜ ra= 86.619mm rc=166.355mm ｜ra/rc|= 0.521 Da=13.68mm、Dc=19.84mm ［数値実施例３］図６は数値実施例３の垂直方向の断面
図である。その構成データを以下に示す。
図である。その構成データを以下に示す。
【００３２】 R D N ν S1: ∞ 9.821393 θ: -10.277126 S2: 44.15093 5.982094 1.583 30.23 S3: -17.88129 5.376661 YD: 0.743224 θ: 9.350792 S4: 12.20301 10.355331 1.583 30.23 S5: -18.97049 2.000000 YD: 1.470082 θ: -3.720546 S6: ASP 0.000000 1.583 30.23 C71: -1.0000E-01 YD: 46.094234 ZD:-23.527186 θ: -14.562164 S7: ASP -10.000000 1.583 30.23 C2 : 1.9892E-03 C12: 3.5609E-16 C20: 9.7931E-04 C21: -1.5228E-04 C30: -1.0000E-02 C71: -1.2141E-02 C72: -2.1328E-02 C73: 4.2066E-01 YD: 0.000000 ZD: 0.000000 θ: -22.153996 S8: ASP 9.261737 1.583 30.23 GL2: C2 : -9.9073E-06 C12: 1.9252E-15 C20: 6.4650E-04 C21: -2.7748E-04 C30: 1.4584E-15 C71: 1.3352E-03 C72: 1.8195E-04 C73: 1.1967E+00 YD: -3.770973 ZD: 0.000000 θ: -27.072006 垂直方向視野画角±23.4゜ α:27.07゜、β:22.15゜ 2β＋α＝71.37 ゜ ra= 90.584mm rc= 68.158mm ｜ra/rc|= 1.329 Da=10.56mm、Dc=15.02mm 以上のように、本発明の各数値実施例は原画像からの光
束を光学素子を介して観察者の眼球の位置する射出瞳に
導く観察光学系において，屈折面として作用する第１の
面A 、光束を２回反射する面として作用する第２の面B
、全反射面及び屈折面として作用する第３の面C の少
なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を観察光学
系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束
が、第１の面A から入射して、第２の面B での１回目の
反射から第３の面C へ向かう光束群を横切る様に中間結
像面を形成することにより、垂直方向画角±20゜程度の
広視野画角で、薄型で軽量な観察光学系となっている。
束を光学素子を介して観察者の眼球の位置する射出瞳に
導く観察光学系において，屈折面として作用する第１の
面A 、光束を２回反射する面として作用する第２の面B
、全反射面及び屈折面として作用する第３の面C の少
なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を観察光学
系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束
が、第１の面A から入射して、第２の面B での１回目の
反射から第３の面C へ向かう光束群を横切る様に中間結
像面を形成することにより、垂直方向画角±20゜程度の
広視野画角で、薄型で軽量な観察光学系となっている。
【００３３】更に、該観察光学系は前記光学素子以外に
集光レンズ（リレー光学系）を有し、該集光レンズと該
光学素子とを支持部に対して上下に配置することにより
重量バランスの良い画像表示装置を構成できる。
集光レンズ（リレー光学系）を有し、該集光レンズと該
光学素子とを支持部に対して上下に配置することにより
重量バランスの良い画像表示装置を構成できる。
【００３４】更に、上記の各数値実施例のいずれか１つ
の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つず
つ配置して画像表示装置を構成すれば、軽量で使用感の
良い画像表示装置が得られ、更に左右の表示手段に表示
する原画像を左右の視差画像とすれば軽量な立体画像表
示装置が得られる。
の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つず
つ配置して画像表示装置を構成すれば、軽量で使用感の
良い画像表示装置が得られ、更に左右の表示手段に表示
する原画像を左右の視差画像とすれば軽量な立体画像表
示装置が得られる。
【００３５】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、実像タイプ
でありながら、前後方向に極めて薄型で、小型・広視野
角の観察光学系を達成する。
でありながら、前後方向に極めて薄型で、小型・広視野
角の観察光学系を達成する。
【００３６】更に、表示手段及びリレー光学系を画像表
示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部よ
り下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置
を構成できる観察光学系を達成する。
示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部よ
り下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置
を構成できる観察光学系を達成する。
【図１】 本発明の観察光学系の実施形態１の基本構成
図
図
【図２】 本発明の観察光学系の基準光線と各面との関
係の説明図
係の説明図
【図３】 本発明の観察光学系を用いた画像表示装置の
概略配置図
概略配置図
【図４】 本発明の数値実施例１の垂直方向断面図
【図５】 本発明の数値実施例２の垂直方向断面図
【図６】 本発明の数値実施例３の垂直方向断面図
１・・・表示手段 ２・・・光学素子 ３・・・集光レンズ（リレー光学系） ４・・・射出瞳（観察者の瞳が位置する） Ａ・・・第１の面 Ｂ・・・第２の面 Ｃ・・・第３の面 ８・・・中間結像面 ９・・・筐体の壁 ｗ・・・覗窓 ｗ0 ・・覗窓の中心 31・・・支持部 32・・・保持部 33・・・保持部 34・・・回路部
Claims (7)
- 【請求項１】 表示手段に表示する原画像からの光束を
光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳
に集光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて
該観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学
系において，屈折面として作用する第１の面A 、光束を
２回反射する面として作用する曲面より成る第２の面B
、全反射面及び屈折面として作用する曲面より成る第
３の面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素
子を有することを特徴とする観察光学系。 - 【請求項２】 前記原画像からの光束は前記第１の面A
を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の面
B により反射して前記第３の面C へ向かい、該第３の面
C により全反射して該第２の面B へ向かい、該第２の面
B により再度反射して該第３の面C へ向かい、該第３の
面C を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に集光
し、その際、該光束は該第２の面C の１回目の反射から
該第３の面C に至る間に実像を形成することを特徴とす
る請求項１の観察光学系。 - 【請求項３】 前記原画像からの光束をリレー光学系に
より集光させて前記第１の面A へ入射させることを特徴
とする請求項２の観察光学系。 - 【請求項４】 前記表示手段の表示面の中心より出射し
て前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線として、以下
の条件式： 30゜≦ 2β＋α≦90゜ −10゜≦α≦30゜ （ただし、αは該基準光線が前記第３の面C を屈折する
際の入射点における面法線に対する屈折基準光線の傾き
角、βは該基準光線が前記第２の面B において２回目の
反射をする際の入射点における面法線に対する反射基準
光線の傾き角）を満足することを特徴とする請求項２又
は３の観察光学系。 - 【請求項５】 前記表示手段の表示面の中心より出射し
て前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線として、以下
の条件式： 0 ＜｜ra/rc ｜＜1.5 （ただし、rcは該基準光線が前記第２の面B において１
回目の反射をする際の入射点における垂直断面の曲率半
径、raは該基準光線が前記第２の面B において２回目の
反射をする際の入射点における垂直断面の曲率半径）を
満足することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項
に記載の観察光学系。 - 【請求項６】 前記表示手段と前記リレー光学系を画像
表示装置の支持部より上に配置し、前記光学素子を該支
持部より下に配置することを特徴とする請求項３の観察
光学系。 - 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項に記載の観
察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配
置していることを特徴とする観察光学系。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| WO2005085933A1 (ja) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Sony Corporation | 画像表示装置 |
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| JP6065630B2 (ja) | 2013-02-13 | 2017-01-25 | セイコーエプソン株式会社 | 虚像表示装置 |
| JP6065631B2 (ja) | 2013-02-13 | 2017-01-25 | セイコーエプソン株式会社 | 虚像表示装置 |
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1996
- 1996-11-25 JP JP33031296A patent/JP3787399B2/ja not_active Expired - Fee Related
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