JP2002258208A - 光学素子及びそれを用いた複合表示装置 - Google Patents

光学素子及びそれを用いた複合表示装置

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JP2002258208A
JP2002258208A JP2001056852A JP2001056852A JP2002258208A JP 2002258208 A JP2002258208 A JP 2002258208A JP 2001056852 A JP2001056852 A JP 2001056852A JP 2001056852 A JP2001056852 A JP 2001056852A JP 2002258208 A JP2002258208 A JP 2002258208A
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optical
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optical element
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Kazutaka Inoguchi
和隆 猪口
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Mixed Reality Systems Laboratory Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶ディスプレイ等の表示手段に表示した画
像情報を観察と、撮像手段で得られた画像情報の双方を
観察することができる薄型の光学系及びそれを用いた複
合表示装置を得ること。 【解決手段】 同一媒質上に入射面、射出面、並びに基
準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面
を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１
面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射
面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射さ
せて光路を折り畳み該射出面より射出させる光学素子で
あって、該光学素子の母線断面合成パワーが負である

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子及びそれ
を用いた複合表示装置に関する。
【０００２】この他本発明は薄型（視軸方向が薄い）で
広画角の表示及び撮像が容易で自由曲面を有する光学素
子を用いてレイアウト自由度を高めた撮像表示装置等に
好適な光学系に関する。
【０００３】この他本発明は外界の画像情報からの光を
取り込み撮像素子に形成する撮像光学系と液晶等の表示
手段に表示した画像情報を観察する表示光学系とを合わ
せ持ち全体の小型化を図った複合表示装置に関し、特に
ヘッドマンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）やメガネ型デ
ィスプレイと称せられる装置に好適なものである。
【０００４】
【従来の技術】従来より、ＨＭＤに小型のＣＣＤカメラ
を取り付け、小型のＣＣＤカメラから得られた画像情報
をＨＭＤにそのまま表示する装置や、小型のＣＣＤカメ
ラから得られた画像情報を処理して別の画像情報に変換
し、それをＨＭＤに表示する装置が提案されている。ま
た、ＨＭＤにおいてシースルー型のＨＭＤ（外界の光を
ダイレクトに角倍率略１で観察できる構成のＨＭＤ）も
種々提案されている。このような形態のＨＭＤは、ＨＭ
Ｄの表示手段で表示した画像情報を観察するための表示
光学系の眼球光軸と外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像
させるＣＣＤカメラの光軸が異なっているとこれらの間
に視差（パララックス）が生じてくるため好ましくな
い。パララックスがなく、撮像光学系と表示光学系とを
併せ持つ装置が、特開平４−２２３５８号公報や特開平
５−３０３０５３号公報で提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】特開平４−２２３５８
号公報で提案されている表示光学系は、小型ＬＣＤから
発せられた光が平面ハーフミラーを介した後、小型カメ
ラに結像されている。一方、撮像光学系は外界の光が平
面ハーフミラーを介した後、小型カメラに結像されてい
る。この平面ハーフミラーは光軸に対し４５度で配置さ
れているため、装置が大きくなる傾向があった。また、
眼球の前に接眼レンズがあるため、シースルー光学系が
成り立たない構成であった。
【０００６】特開平５−３０３０５３号公報では、シー
スルー光学系が成り立つ構成を開示しているが、光学系
が複雑で装置が非常に大きくなる傾向があった。
【０００７】これらの問題点を解決したＨＭＤが、特開
平１０−２３９６２８号公報や本出願人による特開平１
１−１７４３６７号公報、特開２０００−７５２４０号
公報等で提案されている。
【０００８】これらの公報で提案されている複合表示装
置は、アジムス角度により異なるパワーを有する所謂自
由曲面を適切に配置したプリズム状の光学素子（自由曲
面プリズム）を表示光学系と撮像光学系との両方に用い
て、両方の自由曲面プリズムの接合面をハーフミラー等
の光路分離手段として用いることにより、小型の複合表
示装置を実現している。
【０００９】本発明はこれらで提案されている光学系を
更に改良し、表示光学系や撮像光学系側の自由曲面プリ
ズム（光学素子）や結像光学系を適切に構成すること
で、小型で眼球光軸方向に薄型で且つ広画角化に好適な
光学素子及びこれを用いた複合表示装置の提供を目的と
する。
【００１０】この他本発明は液晶ディスプレイ（ＬＣ
Ｄ）等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する
為の複数の偏心反射面を有する表示光学系の構成及び外
界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像させる撮
像光学系の構成を適切に設定することによって、装置全
体の小型化を図りつつ、該双方の画像情報を良好なる状
態で観察及び結像することができる複合表示装置の提供
を目的とする。
【００１１】更に前述の目的に加えて、外界の画像情報
も同時に観察することができるシースル光学系を含んだ
複合表示装置の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学素
子は同一媒質上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに
対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有
し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１面が透過
面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射面から入
射した光束を該複数の偏心反射面により反射させて光路
を折り畳み該射出面より射出させる光学素子であって、
該光学素子の母線断面合成パワーが負であることを特徴
としている。
【００１３】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記複数の偏心反射面のうち、少なくとも１面は非回転
対称面であることを特徴としている。
【００１４】請求項３の発明は請求項２の発明において
前記射出面が非回転対称面であることを特徴としてい
る。
【００１５】請求項４の発明は請求項１の発明において
前記入射面、射出面、並びに前記複数の偏心反射面の全
てが非回転対称面であることを特徴としている。
【００１６】請求項５の発明は請求項３または４の発明
において前記射出面のローカル母線断面焦点距離ｆypou
tとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び該光学素子の
母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆ
ｘｐとが ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２） を満足するように構成されていることを特徴としてい
る。
【００１７】請求項６の発明は請求項１から４のいずれ
か１項に記載の発明において前記射出面は、負のパワー
を有していることを特徴としている。
【００１８】請求項７の発明の光学素子は同一媒質上に
入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且つ
パワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心反
射面のうちの少なくとも１面は透過面と反射面とを兼用
した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該複数
の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射出面
より射出させる光学素子であって、前記複数の偏心反射
面のうち少なくとも１面は非回転対称面であり、前記射
出面のローカル母線断面焦点距離fypoutとローカル子線
断面焦点距離ｆxpout及び該光学素子の母線断面合成焦
点距離をｆｙｐ、子線断面合成焦点距離をｆｘｐとが ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１’） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２’） を満足するよう構成されていることを特徴としている。
【００１９】請求項８の発明の複合レンズ群はレンズの
両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とよりなる少
なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回転対称レ
ンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称面の光軸
と該回転対称レンズの光軸が全て略一致していることを
特徴としている。
【００２０】請求項９の発明は請求項８の発明において
前記非回転対称面のローカル母線断面焦点距離ｆｙｌと
ローカル子線断面ｆｘｌと前記複合レンズ群の母線断面
合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合成焦点距離ｆｘｇ
が、 ｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３） ｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４） を満足するように構成されていることを特徴としてい
る。
【００２１】請求項１０の発明の撮像光学系は同一媒質
上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し
且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏
心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを
兼用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該
複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射
出面より射出させており、かつ母線断面合成パワーが負
である第１光学素子、絞り、レンズの両面がそれぞれ非
回転対称面と回転対称面とよりなる少なくとも１枚の非
回転対称レンズと、複数の回転対称レンズとを有し、該
非回転対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対称レン
ズの光軸が全て略一致している複合レンズ群を有し、外
界からの光を該第１光学素子の該入射面から入射させ該
複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射
出面より射出させ、該絞りを通過させた後、前記複合レ
ンズ群により屈折させて撮像素子上に結像させるよう構
成されていることを特徴としている。
【００２２】請求項１１の発明は請求項１０の発明にお
いて前記撮像光学系の全系の母線断面合成焦点距離をｆ
ｙ、子線断面合成焦点距離をｆｘとし、前記第１光学素
子の母線断面合成焦点距離をｆｙｐ、子線断面合成焦点
距離をｆｘｐとするときに、 −１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５） −１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６） を満足するように構成されていることを特徴としてい
る。
【００２３】請求項１２の発明は請求項１０の発明にお
いて前記第１光学素子と前記絞りとの間、若しくは前記
絞りと前記複合レンズ群との間に、前記第１光学素子の
光路を折り畳む方向とは異なる方向に光路を折り曲げる
偏向手段を有していることを特徴としている。
【００２４】請求項１３の発明の撮像光学系は同一媒質
上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し
且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏
心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを
兼用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該
複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射
出面より射出させており、かつ前記複数の偏心反射面の
うち少なくとも１面が非回転対称面であり、前記射出面
のローカル母線断面焦点距離fypoutとローカル子線断面
焦点距離ｆxpout及び母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子
線断面合成焦点距離ｆｘｐとが以下の条件式 ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１”） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２”） を満足するよう構成されている第１光学素子、絞り、レ
ンズの両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とより
なる少なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回転
対称レンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称面
の光軸と該回転対称レンズの光軸が全て略一致している
複合レンズ群を有し、外界からの光を該第１光学素子の
該入射面から入射させ該複数の偏心反射面により反射さ
せて光路を折り畳み該射出面より射出させ、該絞りを通
過させた後、前記複合レンズ群により屈折させて撮像素
子上に結像させるよう構成されていることを特徴として
いる。
【００２５】請求項１４の発明の複合表示装置は請求項
１０に記載の撮像光学系、撮像素子、表示手段、同一媒
質上に入射面、射出面、並びに表示基準光線Rdに対して
偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有しており
該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により
反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させる第２
光学素子を有し、該第２光学素子を用いて表示手段から
の光を観察者に導いて該表示手段上の像の拡大像を提示
するよう構成された表示光学系を有し、前記第１光学素
子の偏心反射面のうちの一面と該第２光学素子の偏心反
射面のうちの一面とは互いに同一形状の光路分離面の表
裏面を使用しており、且つ、該光路分離面は半透過面で
あり、外界からの光を前記第１光学素子の入射面より入
射させ該光路分離面を透過させて該第２光学素子の射出
面より光を射出させて観察者に導くシースルー光学系と
して機能させており、該シースルー光学系の外界中心と
射出瞳中心とを通るシースルー基準光線をRsとすると
き、該表示基準光線Rdと、該シースルー基準光線Asとは
眼球光軸に略一致し、且つ、該シースルー基準光線と前
記撮像光学系の基準光線Riのそれぞれが外界光軸と略一
致していることを特徴としている。
【００２６】請求項１５の発明の複合表示装置は請求項
１３に記載の撮像光学系、撮像素子、表示手段、同一媒
質上に入射面、射出面、並びに表示基準光線Rdに対して
偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有しており
該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により
反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させる第２
光学素子を有し、該第２光学素子を用いて表示手段から
の光を観察者に導いて該表示手段上の像の拡大像を提示
するよう構成された表示光学系を有し、前記第１光学素
子の偏心反射面のうちの一面と該第２光学素子の偏心反
射面のうちの一面とは互いに同一形状の光路分離面の表
裏面を使用しており、且つ、該光路分離面は半透過面で
あり、外界からの光を前記第１光学素子の入射面より入
射させ該光路分離面を透過させて該第２光学素子の射出
面より光を射出させて観察者に導くシースルー光学系と
して機能させており、該シースルー光学系の外界中心と
射出瞳中心とを通るシースルー基準光線をRsとすると
き、該表示基準光線Rdと、該シースルー基準光線Asとは
眼球光軸に略一致し、且つ、該シースルー基準光線と前
記撮像光学系の基準光線Riのそれぞれが外界光軸に略一
致していることを特徴としている。
【００２７】請求項１６の発明は請求項１４又は１５の
発明において前記撮像光学系の入射瞳を視軸上に展開し
たときの展開入射瞳位置から前記表示光学系の射出瞳位
置までの距離をＤｐｐ、前記表示光学系の射出面から前
記表示光学系の射出瞳までの距離をｅｒとするとき、 ０．２５ ＜ Ｄｐｐ／ｅｒ ＜８．０ ・・・・・・（７） を満足するよう構成されていることを特徴としている。
【００２８】請求項１７の発明の複合表示装置は画像情
報を表示した表示手段からの光束を観察者の眼球に導光
する表示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像さ
せる撮像光学系とを有し、光路中に設けた光路分離手段
によって該表示光学系の観察者の眼球に入射する光束の
眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球光軸と、該
撮像光学系の外界から入射してくる光束の外界光軸とを
略一致させており該撮像光学系は同一媒質上に入射面、
射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且つパワーを
有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心反射面のう
ちの少なくとも１面が透過面と反射面とを兼用した兼用
面であり、該入射面から入射した光束を該複数の偏心反
射面により反射させて光路を折り畳み該射出面より射出
させており、かつ母線断面合成パワーが負である第１光
学素子を有していることを特徴としている。
【００２９】請求項１８の発明は請求項１７の発明にお
いて前記撮像光学系はレンズの両面がそれぞれ非回転対
称面と回転対称面とよりなる少なくとも１枚の非回転対
称レンズと、複数の回転対称レンズとを有し、該非回転
対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対称レンズの光
軸が全て略一致している複合レンズ群を有し、外界から
の光束を該第１光学素子を介した後、該複合レンズ群に
よって該撮像素子上に導光していることを特徴としてい
る。
【００３０】請求項１９の発明は請求項１８の発明にお
いて前記第１光学素子の射出面のローカル母線断面焦点
距離ｆypoutとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び該
光学素子の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成
焦点距離ｆｘｐとが ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２） を満足するように構成されていることを特徴としてい
る。
【００３１】請求項２０の発明は請求項１９の発明にお
いて前記複合レンズ群の非回転対称面のローカル母線断
面焦点距離ｆｙｌとローカル子線断面ｆｘｌと前記複合
レンズ群の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合
成焦点距離ｆｘｇが、 ｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３） ｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４） を満足するように構成されていることを特徴としてい
る。
【００３２】請求項２１の発明は請求項２０の発明にお
いて前記撮像光学系の全系の母線断面合成焦点距離をｆ
ｙ、子線断面合成焦点距離をｆｘとし、前記第１光学素
子の母線断面合成焦点距離をｆｙｐ、子線断面合成焦点
距離をｆｘｐとするときに、 −１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５） −１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６） を満足するように構成されていることを特徴としてい
る。
【００３３】請求項２２の発明は請求項２１の発明にお
いて前記撮像光学系の入射瞳を視軸上に展開したときの
展開入射瞳位置から前記表示光学系の射出瞳位置までの
距離をＤｐｐ、前記表示光学系の射出面から前記表示光
学系の射出瞳までの距離をｅｒとするとき、 ０．２５ ＜ Ｄｐｐ／ｅｒ ＜８．０ ・・・・・・（７） を満足するよう構成されていることを特徴としている。
【００３４】
【発明の実施の形態】図１は本発明の複合表示装置の基
本構成を成す実施形態１の要部概略図である。同図にお
いて、１０１は表示光学系（ＬＣＤ表示光学系）であ
り、第２光学素子７を有しており、表示手段としてのＬ
ＣＤ８で表示した画像情報を観察者の眼球Ｅに導光して
いる。ＲｄはＬＣＤ８の表示面中心から表示光学系１０
１の形成する射出瞳Ｓの中心に至る光線であり、Ｒｄを
表示基準光線と呼ぶ。第２光学素子７は、表示基準光線
Ｒｄに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複
数有している。また、Ｒｄの第２光学素子７の射出面か
ら射出瞳Ｓの中心までの光線を延長した線を眼球光軸と
呼ぶ。１０２は撮像光学系（ＣＣＤ結像光学系）であ
り、第１光学素子１，絞り２，複合レンズ群３，偏向手
段４，ローパスフィルター５，等を有しており外界の画
像情報を撮像素子であるＣＣＤ６に結像している。Ｒｉ
は絞り２の略中心を通り、ＣＣＤ６の受光面の中心に至
る光線であり、Ｒｉを撮像基準光線（基準光線）と呼
ぶ。又、該撮像基準光線Ｒｉの外界から第１光学素子の
入射面までの光線を外界光軸と呼び、外界光軸を外界側
に所定距離延長した所を外界中心と呼ぶ。
【００３５】本実施形態の第１光学素子１は同一媒質上
に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且
つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心
反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを兼
用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該複
数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射出
面より射出させる光学素子であって、該光学素子の母線
断面合成パワーが負であることを特徴としている。
【００３６】本実施形態では、表示光学系１０１と撮像
光学系１０２の両方に、複数の内面反射を利用したプリ
ズム体（光学素子）を使用している。そして２つのプリ
ズム体を光路分離手段ＢＳを境にして接合している。光
路分離手段ＢＳは、偏心し曲率を有した偏心反射面より
成り、表示光学系１０１の光路と撮像光学系１０２の光
路とを分離する面となっている。光路分離手段ＢＳは表
示光学系１０１で一方側の反射面を使用し、撮像光学系
１０２では他方側の反射面を使用している。本実施形態
においては、光路分離手段ＢＳはハーフミラーである。
【００３７】複合レンズ群３はレンズの両面がそれぞれ
非回転対称面と回転対称面とよりなる少なくとも１枚の
非回転対称レンズと、複数の回転対称レンズとを有し、
該非回転対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対称レ
ンズの光軸が全て略一致している。
【００３８】尚、ここで言う光軸とは、回転対称レンズ
の回転軸であり、通常の共軸光学系において用いられる
所謂光軸と同義である。
【００３９】１０３はシースルー光学系である。シース
ルー光学系１０３は撮像光学系１０２の入射面を外界光
の入射面とし、ハーフミラーである光路分離手段ＢＳを
通過し、表示光学系１０１の射出面を射出面として観察
者の眼球Ｅに導かれる。
【００４０】尚、本実施形態における偏心反射面は面頂
点回りのアジムス角によって屈折力が異なるようにして
良好なる光学性能を維持している。
【００４１】本実施形態の表示光学系１０１はＬＣＤ
（表示手段）８からの光が第２光学素子７を介して眼球
Ｅに導かれる。このように表示光学系はＬＣＤ８からの
光束を複数回反射して結像することなく眼球Ｅに導光し
ている。これによってＬＣＤ８に表示した画像情報を観
察している。
【００４２】撮像光学系１０２は外界からの光が第１光
学素子１を介し、絞り２、光学系３、フィルター５を経
て撮像素子ＣＣＤ６に結像する。これによって外界の画
像情報を記録している。
【００４３】本実施形態のシースルー光学系１０３は外
界からの光が撮像光学系１０２の第１光学素子１に入射
し、光路分離手段ＢＳ（ハーフミラー）を透過し、表示
光学系１０１の第２光学素子７を介して眼球Ｅに導かれ
ている。これによって外界の画像情報を観察している。
【００４４】本実施形態では表示光学系１０１と撮像光
学系１０２とを光束分離手段ＢＳで対向配置し、表示光
学系１０１及び撮像光学系１０２及びシースルー光学系
１０３の各基準光線がＢＳ上の略同一点を通るようにす
ることによって、眼球光軸と、外界光軸が略一致するよ
うにして、ＬＣＤ８に表示された画像情報の観察と、外
界の画像情報のＣＣＤ６上における結像、そして外界の
画像情報の観察（シースルー光学系）をパララックスの
ない状態で同時に観察及び撮像できるようにしている。
【００４５】尚、光路分離手段ＢＳのハーフミラーは透
過率と反射率との比が１：１のものに限るものではな
く、比率は任意である。
【００４６】本実施形態においては、第１光学素子と第
２光学素子とをｎ＞１の屈折率ｎの同一材質で構成し、
第１光学素子１の入射面と第２光学素子７の射出面とを
適切な形状とし、シースルー光学系１０３のパワーが略
０となり、外界像が角倍率略１の状態で観察者に外界像
が略歪みなく観察されるよう構成する。
【００４７】又Ｒｓは外界中心からシースルー光学系１
０３を介して表示光学系１０１の射出瞳Ｓの中心に至る
光線であり、Ｒｓをシースルー基準光線と呼ぶ。
【００４８】本実施形態ではシースルー基準光線Ｒｓと
撮像基準光線Ｒｉとが外界側で略一致（即ち、ＲｓとＲ
ｉとが外界光軸に略一致）し、且つシースルー基準光線
Ｒｓと表示基準光線Ｒｄとが眼球側で略一致（即ち、Ｒ
ｓとＲｄとが眼球光軸と略一致）するようにして、コン
パクトな構成でありながらＬＣＤからの表示とＣＣＤへ
の撮像と外界からのシースルーが視差なく行えるように
している。
【００４９】図２は、本発明の複合表示装置における基
準光線、ローカル母線断面、ローカル子線断面等を説明
するための説明図である。
【００５０】図３は、本発明の複合表示装置の基本構成
例の斜視図である。
【００５１】まず、図面を用いて、本発明の複合表示装
置における基準光線、ローカル母線断面、ローカル子線
断面、母線断面合成焦点距離、子線断面合成焦点距離等
の用語の定義を説明する。
【００５２】偏心系に対応していない従来系の定義で
は、各面頂点座標系でz軸を光軸とすると、yz断面が従
来の定義による母線断面（メリジオナル断面）、xz断面
が従来の定義による子線断面（サジタル断面）となる。
本発明は偏心系なので偏心系に対応したローカル母線断
面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００５３】まず、表示手段８の表示面上の中心より射
出し、表示光学系１０１の形成する射出瞳Ｓの中心に至
る光線を表示基準光線Ｒｄと定義する。また、このとき
の第２光学素子７の射出面Ｓ７１における表示基準光線
ＲｄのヒットポイントＳ７１ａと射出瞳Ｓの中心とを結
ぶ線を視軸と定義する。即ち、視軸は前述した眼球光軸
に一致している。尚、図２に示すように、該視軸をｚ軸
とし、紙面内でｚ軸に垂直な方向にｙ軸をとり、紙面に
垂直な方向にｘ軸をとった座標系をグローバル座標系と
呼ぶことにする。該視軸を屈折の法則に従って、第２光
学素子７の面Ｓ７１と第１光学素子１の面Ｓ１１とで屈
折するよう延長した線上を通る光線をシースルー基準光
線Ｒｓと定義する。また、撮像光学系１０２の絞り２の
中心を通り、撮像素子６の撮像面上の中心に至る光線を
撮像基準光線（基準光線）Ｒｉと定義する。
【００５４】上述のように定義した各基準光線Ｒｄ，Ｒ
ｓ，Ｒｉと各面とのヒットポイント上で、各基準光線の
入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒッ
トポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点
座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をロー
カル子線断面として定義する。ローカル母線断面の曲率
をｒｙ、ローカル子線断面の曲率をｒｘとして、該当す
る面の前後の屈折率をそれぞれｎｄ、ｎｄ'とするとき
に、ｆｙ＝ｒｙ／（ｎｄ'−ｎｄ）で与えられるｆｙを
ローカル母線断面焦点距離、ｆｘ＝ｒｘ／（ｎｄ'−ｎ
ｄ）で与えられるｆｘをローカル子線断面焦点距離と定
義する。また、φｙ＝１／ｆｙ、φｘ＝１／ｆｘで与え
られるφｙ、φｘをそれぞれ各面のローカル母線断面パ
ワー、ローカル子線断面パワーとする。今、第ｉ番目の
ローカル母線断面パワーをφｙｉ、第ｉ番目の光学面と
各基準光線とのヒットポイントと第ｉ＋１番目の光学面
と各基準光線とのヒットポイント間の距離をその間の媒
質の屈折率で割った値を換算面間隔ｅｉ’とした場合
に、第ｍ面から第ｎ面まで通常の近軸追跡計算と同様に
して求めた合成パワーを母線断面合成パワーφｙｍｎと
し、φｙｍｎの逆数ｆｙｍｎを第ｍ面から第ｎ面までの
母線断面合成焦点距離とする。同様に第ｍ面から第ｎ面
までローカル子線断面パワーφｘｉ，ヒットポイント間
の換算間隔ｅｉ’について求めた合成パワーを子線断面
合成パワーφｘｍｎ、その逆数を子線断面合成焦点距離
ｆｘｍｎとする。
【００５５】次に図１の実施形態の基本構成例における
各要素の作用について説明する。第１光学素子１及び第
２光学素子７は同一形状の面Ｓ１２と面Ｓ７２とにおい
て少なくとも一方の面に半透過の反射膜が形成された状
態で接合されており、面Ｓ１２及び面Ｓ７２は光路分離
手段ＢＳとして機能している。
【００５６】表示手段８からの光は、入射面Ｓ７３より
第２光学素子７内に入射する。入射した光のうちの有効
光束の大部分は表示基準光線Ｒｄに対して偏心して配置
されたパワーを有する面Ｓ７１に向かい、第２光学素子
７の媒質の屈折率をｎとするとき、面Ｓ７１にarcsin
（１／ｎ）以上の入射角度で入射して内部全反射する。
このようにして反射された光束は、表示基準光線Ｒｄに
対して偏心したパワーを有する面Ｓ７２で反射されて再
度面Ｓ７１に向かい、今度は面Ｓ７１にarcsin（１／
ｎ）以下の入射角度で入射して面Ｓ７１を透過し、表示
光学系１０１の形成する射出瞳Ｓに導かれる。以上の構
成により、射出瞳Ｓの近傍に眼球Ｅを置いた観察者に表
示手段８上に表示された画像を拡大して提示している。
以上のように表示基準光線Ｒｄに対して偏心した複数の
偏心反射面Ｓ７１，Ｓ７２により光路を折り畳む構成と
したことにより、視軸方向に薄型の構成としている。
【００５７】また、該複数の偏心反射面Ｓ７１，Ｓ７２
をともにパワーを有する面としたことで、光学面数の低
減を図っている。この際、少なくとも一方の偏心反射面
を母線断面(紙面)を唯一の対称面とする非回転対称面と
することでパワーを有する偏心反射面により発生する偏
心収差を補正することが好ましい。更に、複数の偏心反
射面乃至全ての面を母線断面を唯一の対称面とする非回
転対称面とすると、偏心収差をより良好に補正できるよ
うになるため、好ましい。また、該偏心反射面である面
Ｓ７１を内部全反射及び透過の作用をする兼用面とし
て、面数の削減並びに光量ロスの少ない表示光学系を構
成している。
【００５８】また、第１光学素子１の入射面Ｓ１１より
入射した外界からの光は、光路分離手段ＢＳの構成面で
ある撮像基準光線Ｒｉに対して偏心したパワーを有する
偏心反射面Ｓ１２により一部反射され、撮像基準光線Ｒ
ｉに対して偏心したパワーを有する偏心反射面Ｓ１１に
向かう。これらの光は第１光学素子１の媒質の屈折率を
ｎとするとき、面Ｓ１１に対してarcsin（１／ｎ）以上
の入射角度で入射して内部全反射し、射出面Ｓ１３より
射出して第１光学素子１を出て、絞り２に向かう。絞り
２を通過した光は、複数の回転対称レンズ３１，３２，
３３並びに一方の面が回転対称面Ｒ８、他方の面が非回
転対称面ＦＦＳ１である非回転対称レンズ３４を少なく
とも１つ有する複合レンズ群３とローパスフィルター５
を介して撮像素子６の撮像面上に外界の像を結像してい
る。
【００５９】この際、撮像光学系（１〜５）中の絞り２
より前側の部分である第１光学素子１の母線断面(紙面
内)合成パワーを負とすることにより、ネガティブリー
ドの所謂レトロフォーカスタイプの撮像光学系とするこ
とができ、ＣＣＤ等の撮像光学素子におけるフィルター
系５の入るスペース所謂バックフォーカスを十分に確保
しつつ、広画角の外界像撮影に向く構成としている。更
に好ましくは、第１光学素子１の子線断面(紙面と垂直
面)合成パワーも負とすることで、子線断面方向にも広
画角に適した光学系の構成とすることが出来る。また、
表示基準光線Ｒｉに対して偏心した複数の偏心反射面Ｓ
１１，Ｓ１２により光路を折り畳む構成としたことによ
り、第１光学素子１を視軸方向に薄型の構成としてい
る。また、該複数の偏心反射面Ｓ１１，Ｓ１２をともに
パワーを有する面としたことで、結像に寄与しない光学
面をなくし、光学面数の低減を図っている。この際、少
なくとも一方の偏心反射面を母線断面を唯一の対称面と
する非回転対称面とすることでパワーを有する偏心反射
面により発生する偏心収差を補正することが好ましい。
更に、絞り２に近い射出面Ｓ１３を母線断面を唯一の対
称面とする非回転対称面とすることで、瞳の偏心収差を
補正することが容易になる。更に好ましくは、複数の偏
心反射面乃至全ての面を母線断面を唯一の対称面とする
非回転対称面とすると、偏心収差をより良好に補正でき
るようになる。また、該偏心反射面である面Ｓ１１を内
部全反射及び透過の作用をする兼用面としたことで、面
数の削減並びに光量ロスの少ない光学素子としている。
ここで、第１光学素子１においては面Ｓ１２が強い負の
パワーを有しているが、射出面Ｓ１３のローカル母線断
面パワー，ローカル子線断面パワーの少なくとも一方を
負として、負のパワーを分担させることで、面Ｓ１２の
負のパワーを必要以上に上げることなく、第１光学素子
全体としての負のパワーを増大させることが容易とな
り、更に広画角に好適な構成とすることが出来る。更
に、第１光学素子１の射出面Ｓ１３におけるローカル母
線断面焦点距離ｆｙｐoutとローカル子線断面焦点距離
ｆｘｐout及び該光学素子１の母線断面合成焦点距離ｆ
ｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐとが以下の条件式 ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２） を満足するように構成することで、第１光学素子１での
母線断面合成焦点距離と子線断面合成焦点距離とをうま
くバランスさせることが好ましい。（１）式、（２）式
ともに上限を超えると、射出面Ｓ１３単独で発生する偏
心収差が大きくなり好ましくない。
【００６０】また、絞り２より後方の結像に寄与する複
合レンズ群３に少なくとも１つの非回転対称レンズを用
いることで、第１光学素子１において補正しきれない偏
心収差を補正した高性能の撮像光学系を提供することが
容易になる。また、色収差補正等を複数の回転対称レン
ズにより行うことで、作製の困難な非回転対称レンズの
部品数を少なく抑えつつ、高い結像性能が得られるよう
にしている。尚、本実施形態の複合レンズ群３において
は、図２に示すように、複合レンズ群３を構成している
回転対称面の回転対称軸が、共軸光学系でいうところの
光軸（図２の１点鎖線）３ａを共有するような同軸構成
としている。このように構成することで、複合レンズ群
３は非回転対称面を含みながらも、通常の共軸光学系と
同様の組立工程で組み立てられるようにし、組立に要す
る手間を省くことを容易としている。尚、非回転対称レ
ンズの光軸周りの回転ずれ補正には、例えば円形の一部
をカットした形状の非回転対称レンズを用いて鏡筒に対
する方向決めを行う等の手段により行うことが可能であ
る。また、図に示すように、回転対称系の光軸３が撮像
基準光線Ｒｉと必ずしも一致している必要はない。この
ような複合レンズ群を用いることで、第１光学素子１と
複合レンズ群３を有する鏡筒、撮像素子６の３点の位置
出しのみを偏心を含んだ調整とする、偏心調整の少ない
撮像光学系を提供することが容易となる。更に、複合レ
ンズ群３中の非回転対称面のローカル母線断面焦点距離
ｆｙｌとローカル子線断面焦点距離ｆｘｌ、及び複合レ
ンズ群３の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合
成焦点距離ｆｘｇとが以下の条件式 ｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３） ｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４） を満足するように構成することで、母線断面焦点距離及
び子線断面焦点距離がうまくバランスするように構成し
ている。（３）式、（４）式ともに上限を超えると、該
当する非回転対称面単独で発生する偏心収差が大きくな
り好ましくない。更に、撮像光学系全系での母線断面合
成焦点距離ｆｙ、子線断面合成焦点距離ｆｘと、第１光
学素子１の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成
焦点距離ｆｘｐとの間に以下の条件式、 −１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５） −１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６） を満足させることが望ましい。（５）式及び（６）式の
下限を超えると全系のパワーに対する第１光学素子のパ
ワーが強くなりすぎ、第１光学素子１で発生した収差を
複合レンズ群３で補正することが困難となる。また、上
限を超えると、広画角の達成が困難になる。
【００６１】また、撮像光学系は偏向手段４を有するこ
とが好ましい。偏向手段４は例えば図３に示すような三
角プリズム柱形状で、図１，２で説明した光路の折り畳
み方向である母線断面と異なる方向に光路を偏向させる
ようにしている。図３では、光路を母線断面に略垂直に
折り返すような構成とし、グローバル座標系のｙ軸方向
の長さ並びにｚ軸方向の長さが短くなるようにして、全
体としてコンパクトな撮像光学系とすることが可能とな
る。
【００６２】また、第１光学素子１の面Ｓ１１より入射
した外界からの光は光路分離手段ＢＳの構成面である面
Ｓ１２及びＳ７２を一部透過して第２光学素子７に入射
し、面Ｓ７１より射出して観察者の眼Ｅに導かれるよう
にシースルー光学系を構成しており、観察者に外界像観
察を可能とさせている。この際、面Ｓ１１と面Ｓ７１と
の形状を適切に設計し、面Ｓ７１から面Ｓ１１へのシー
スルー光学系のパワーが略０になり、角倍率が略１にな
るように構成することにより、観察者に観察される外界
像の歪みを少なくすることが可能になる。
【００６３】このとき、図２に示すように撮像光学系の
入射瞳を視軸上に展開した展開入射瞳位置から表示光学
系の射出瞳Ｓの位置までの距離をＤｐｐとし、表示光学
系を構成する第２光学素子７の射出面Ｓ７１における射
出光線のヒットポイント（入射点）から射出瞳Ｓの位置
までの距離をｅｒとするとき、以下の条件式 ０．２５＜Ｄｐｐ／ｅｒ＜８．０・・・・・・（７） を満足するように構成することが好ましい。ここで、展
開入射瞳位置とは、絞り２中心を通り撮像素子６の撮像
面上でのローカル母線断面上で最端の位置に入射する２
つの光線のそれぞれ面Ｓ１１から入射して面Ｓ１２に至
るものを射出瞳Ｓの方向に延長した光線同士の交点を視
軸上に射影した位置のことである。（７）式の下限を超
えると、撮像光学系が大きくなってしまう。（７）式の
上限を超えると、撮像光学系の撮像画角と表示光学系の
表示画角が同じであっても、近距離物体を撮像した場合
に生じるずれが大きくなってしまう。
【００６４】また、例えば、表示手段への画像表示と撮
像素子の外界画像取り込みとのタイミングをずらすこと
によって、表示手段からの光が撮像素子に写り込まない
ようにして撮像素子上のノイズ除去を行うことが可能で
ある。
【００６５】本実施形態では以上のように構成すること
により、小型で広画角の複合表示装置、及び該複合表示
装置に好適な撮像光学系、並びに該撮像光学系を構成す
る光学素子（第１光学素子）と複合レンズ群３を提供す
ることを容易にしている。
【００６６】［数値実施例］以下に本発明の数値実施例
１〜５を示す。各数値実施例ともに表示光学系は表１に
示した数値のものである。また各数値実施例の撮像光学
系の構成は表２〜６に示す通りである。
【００６７】表１においては、射出瞳Ｓの位置を原点
（０，０，０）としたグローバル座標系における位置を
ｘ，ｙ，ｚ及びｘ軸周りの回転角度（°）で表してい
る。また、表２〜６はＳ２面のローカル座標（Ｓ２面の
関数を定義したｘ、ｙ、ｚ座標系）によりＳ５面までは
該Ｓ２面ローカル座標上での各面頂点の位置（ｘ，ｇ，
ｚ）及び各面ローカル座標軸のｘ軸まわりの回転角度
（反時計まわりを正とする）により位置を示し、Ｓ５面
以降の面においては面間隔ｄ（Ｓ５面ローカル座標系の
ｚ軸方向の面間距離）により次の面までの間隔を示して
いる。その為、Ｓ６面以降の各面頂点のＳ２面ローカル
座標に対する相対位置（ｘ，ｙ，ｚ）は省略した。又、
Ｓ６面以降の面Ｓｉにおいては、Ｓｉ−１面ローカル座
標系ｚ軸に対する各面ローカル座標系のｚ軸のｘ軸回り
の回転角度をａとし、Ｓｉ−１面に対してＳｉ面が傾い
ていない。即ち同軸の場合にはａを省略している。
【００６８】表中の他の記号はそれぞれｔｙｐｅが面形
状タイプを示し、ＦＦＳは非回転対称面、ＳＰＨは球
面、ＡＳＰは回転対称非球面を表している。ｓは面番
号、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄ及びｖｄは屈折率
並びにアッベ数である。
【００６９】また、ＦＦＳ面は以下の定義式により与え
られる形状である。 z=(1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+C1)*(1/R)2*(x2+y2))(1/2)) +C5*(x2-y2)+ C6*(-1+2*x2+2*y2)+C10*(-2*y+3*x2*y+3*y3)+C11*(3*x2*y-y3)+C12*(x4-6*x2*y2 +y4)+C13*(-3*x2+4*x4+3*y2-4*y4)+C14*(1-6*x2+6*x4-6*y2+12*x2*y2+6*y4)+C20 *(3*y-12*x2*y+10*x4*y-12*y3+20*x2*y3+10*y5)+C21*(-12*x2*y+15*x4*y+4*y3+1 0*x2*y3-5*y5)+C22*(5*x4*y-10*x2*y3+y5)+C23*(x6-15*x4*y2+15*x2*y4-y6)+C24 *(-5*x4+6*x6+30*x2*y2-30*x4*y2-5*y4-30*x2*y4+6*y6)+C25*(6*x2-20*x4+15*x6 -6*y2+15*x4*y2+20*y4-15*x2*y4-15*y6)+C26*(-1+12*x2- 30*x4+20*x6+12*y2-60 *x2*y2+60*x4*y2-30*y4+60*x2*y4+20*y6) ……（８） 尚、表中で不指示の係数は０であるものとする。
【００７０】
【外１】
【００７１】
【外２】
【００７２】
【００７３】
【外３】
【００７４】
【００７５】
【外４】
【００７６】
【００７７】
【外５】
【００７８】
【００７９】
【外６】
【００８０】
【００８１】次に本発明にかかる表示光学系と撮像光学
系の実施例について説明する。 ［実施例１］図４は表示光学系１０１の数値実施例の図
である。表示光学系１０１を示す表１におけるｓ１は射
出瞳Ｓをｓ２〜５は第２光学素子７の各面を構成してお
り、表示手段８の表示面にあたる面ｓ８からの光を射出
瞳Ｓに導いている。
【００８２】図５は撮像光学系１０２の数値実施例１の
図である。撮像光学系１０２を示す表２におけるｓ１〜
４は第１光学素子の各面であり、面ｓ５，６は偏向手段
４を表すダミーガラスである。また、絞りはｓ６となっ
ている。面ｓ７〜ｓ１８は複合レンズ群３のレンズ群で
あり、面ｓ７，８は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１
１，１２は第２の非回転対称レンズ、面ｓ１７，１８は
第３の非回転対称レンズである。その他の面は球面であ
る。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１７までは同軸で
構成され、面Ｓ１８のみが傾いた構成である。
【００８３】面ｓ１９，ｓ２０はフィルター系のダミー
ガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手
段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通し
て撮像面２０上に結像させている。
【００８４】図４の面ｓ３及び図５の面ｓ２は同一面形
状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に
示されている）であり、接合されて光路分離手段として
作用する。
【００８５】［実施例２］図６は撮像光学系１０２の数
値実施例２の図である。本実施例の撮像光学系１０２を
示す表３における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であ
り、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスであ
る。また、絞り２は面ｓ６となっている。面ｓ７〜ｓ１
６は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ９，ｓ１
０は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１３，ｓ１４は第２
の非回転対称レンズ、面ｓ１５，ｓ１６は第３の非回転
対称レンズである。その他の面は球面である。表からも
分るように、面ｓ７〜ｓ１５までは同軸で構成され、面
ｓ１６のみが傾いた構成である。
【００８６】面ｓ１７，ｓ１８はフィルター系のダミー
ガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手
段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通し
て撮像面１８上に結像させている。
【００８７】図４の面ｓ３及び図６の面ｓ２は同一面形
状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に
示されている）であり、接合されて光路分離手段として
作用する。
【００８８】［実施例３］図７は撮像光学系１０２の数
値実施例３の図である。本実施例の撮像光学系１０２を
示す表４における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であ
り、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスであ
る。また、絞り２はｓ６となっている。面ｓ７〜ｓ１８
は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ７，ｓ８は
第１の非回転対称レンズ、面ｓ１１，ｓ１２は第２の非
回転対称レンズ、ｓ１７，１８は第３の非回転対称レン
ズである。その他の面は球面である。表からも分るよう
に、面ｓ７〜ｓ１７までは同軸で構成され、面ｓ１８の
みが傾いた構成である。
【００８９】面ｓ１９，ｓ２０はフィルター系のダミー
ガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手
段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通し
て撮像面２０上に結像させている。
【００９０】図４の面ｓ３及び図７の面ｓ２は同一面形
状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に
示されている）であり、接合されて光路分離手段として
作用する。
【００９１】［実施例４］図８は撮像光学系１０２の数
値実施例４の図である。本実施例の撮像光学系１０２を
示す表５における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であ
り、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスであ
る。また、絞り２は面ｓ５となっている。面ｓ７〜ｓ１
９は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ７，ｓ８
は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１８，ｓ１９は第２の
非回転対称レンズである。また、面ｓ１１，ｓ１２，ｓ
１４は回転対称非球面である。その他の面は球面であ
る。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１８までは同軸で
構成され、面ｓ１９のみが傾いた構成である。
【００９２】面ｓ２０，ｓ２１はフィルター系のダミー
ガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手
段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通し
て撮像面２１上に結像させている。図４の面ｓ３及び図
８の面ｓ２は同一面形状（但し、ｚ軸の向きが反転して
いるため、符号が逆に示されている）であり、接合され
て光路分離手段として作用する。
【００９３】［実施例５］図９は撮像光学系１０２の数
値実施例５の図である。本実施例の撮像光学系１０２を
示す表６における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であ
り、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスであ
る。また、絞り２は面ｓ５となっている。面ｓ７〜ｓ２
０は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ７，ｓ８
は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１９，ｓ２０は第２の
非回転対称レンズである。また、面ｓ１２は回転対称非
球面である。その他の面は球面である。表からも分るよ
うに、面ｓ７〜ｓ１９までは同軸で構成され、面ｓ２０
のみが傾いた構成である。
【００９４】面ｓ２１，ｓ２２はフィルター系のダミー
ガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手
段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通し
て撮像面２２上に結像させている。
【００９５】図４の面ｓ３及び図８の面ｓ２は同一面形
状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に
示されている）であり、接合されて光路分離手段として
作用する。
【００９６】いずれの構成も撮像面サイズ３．６ｍｍ×
２．７ｍｍの撮像素子に対して水平画角４７°垂直画角
３６°の撮影画角を有している撮像光学系となってい
る。
【００９７】図１０は本発明の各実施形態の複合表示装
置ＣＳを観察者ＳＡの左右眼用に一対設けるように構成
することにより、両眼式のヘッドマウントディスプレイ
を構成した時の説明図である。
【００９８】本発明において、例えば表示素子に表示す
る画像として両眼視差を用いれば立体視が可能な画像観
察システムを構築することができる。
【００９９】尚、必ずしも両眼でなく、左右どちらかの
眼用に１ユニットのみ設けた単眼式ＨＭＤとしてもよい
ことは勿論である。
【０１００】
【発明の効果】本発明によれば薄型・軽量で明るく広画
角の光学系を達成することが容易となり、又該光学系を
用いることで小型・軽量で且つ広画角の画像表示装置や
撮像装置を含む複合表示装置を達成することが容易にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の複合表示装置の基本構成例を示す断
面図。
【図２】 本発明の複合表示装置における基準光線、ロ
ーカル母線断面、ローカル子線断面等を説明するための
説明図。
【図３】 本発明の複合表示装置の基本構成例の斜視
図。
【図４】 本発明の複合表示装置の表示光学系の数値
例。
【図５】 本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例
１の要部断面図。
【図６】 本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例
２の要部断面図。
【図７】 本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例
３の要部断面図。
【図８】 本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例
４の要部断面図。
【図９】 本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例
５の要部断面図。
【図１０】 本発明のヘッドマウントディスプレイの説
明図。
【符号の説明】
１ 第１光学素子（光学素子） ２ 絞り ３ 複合レンズ群 ４ 偏向手段 ５ フィルター素子 ６ 撮像素子 ７ 第２光学素子 ８ 表示手段 Ｅ 観察者の眼球 Ｓ 瞳 ＢＳ 光路分離手段 １０１ 表示光学系 １０２ 撮像光学系 １０３ シースルー光学系
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 25/00 Ｇ０２Ｂ 25/00 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 同一媒質上に入射面、射出面、並びに基
    準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面
    を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１
    面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射
    面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射さ
    せて光路を折り畳み該射出面より射出させる光学素子で
    あって、 該光学素子の母線断面合成パワーが負であることを特徴
    とする光学素子。
  2. 【請求項２】 前記複数の偏心反射面のうち、少なくと
    も１面は非回転対称面であることを特徴とする請求項１
    に記載の光学素子。
  3. 【請求項３】 前記射出面が非回転対称面であることを
    特徴とする請求項２に記載の光学素子。
  4. 【請求項４】 前記入射面、射出面、並びに前記複数の
    偏心反射面の全てが非回転対称面であることを特徴とす
    る請求項１に記載の光学素子。
  5. 【請求項５】 前記射出面のローカル母線断面焦点距離
    ｆypoutとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び該光学
    素子の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点
    距離ｆｘｐとが ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２） を満足するように構成されていることを特徴とする請求
    項３または４に記載の光学素子。
  6. 【請求項６】 前記射出面は、負のパワーを有している
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載
    の光学素子。
  7. 【請求項７】 同一媒質上に入射面、射出面、並びに基
    準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面
    を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１
    面は透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射
    面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射さ
    せて光路を折り畳み該射出面より射出させる光学素子で
    あって、 前記複数の偏心反射面のうち少なくとも１面は非回転対
    称面であり、前記射出面のローカル母線断面焦点距離fy
    poutとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び該光学素
    子の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距
    離ｆｘｐとが ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１’） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２’） を満足するよう構成されていることを特徴とする光学素
    子。
  8. 【請求項８】 レンズの両面がそれぞれ非回転対称面と
    回転対称面とよりなる少なくとも１枚の非回転対称レン
    ズと、複数の回転対称レンズとを有し、該非回転対称レ
    ンズの回転対称面の光軸と該回転対称レンズの光軸が全
    て略一致していることを特徴とする複合レンズ群。
  9. 【請求項９】 前記非回転対称面のローカル母線断面焦
    点距離ｆｙｌとローカル子線断面ｆｘｌと前記複合レン
    ズ群の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合成焦
    点距離ｆｘｇが、 ｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３） ｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４） を満足するように構成されていることを特徴とする請求
    項８の複合レンズ群。
  10. 【請求項１０】 同一媒質上に入射面、射出面、並びに
    基準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射
    面を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも
    １面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入
    射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射
    させて光路を折り畳み該射出面より射出させており、か
    つ母線断面合成パワーが負である第１光学素子、絞り、 レンズの両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とよ
    りなる少なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回
    転対称レンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称
    面の光軸と該回転対称レンズの光軸が全て略一致してい
    る複合レンズ群を有し、 外界からの光を該第１光学素子の該入射面から入射させ
    該複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該
    射出面より射出させ、該絞りを通過させた後、前記複合
    レンズ群により屈折させて撮像素子上に結像させるよう
    構成されていることを特徴とする撮像光学系。
  11. 【請求項１１】 前記撮像光学系の全系の母線断面合成
    焦点距離をｆｙ、子線断面合成焦点距離をｆｘとし、前
    記第１光学素子の母線断面合成焦点距離をｆｙｐ、子線
    断面合成焦点距離をｆｘｐとするときに、 −１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５） −１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６） を満足するように構成されていることを特徴とする請求
    項１０に記載の撮像光学系。
  12. 【請求項１２】 前記第１光学素子と前記絞りとの間、
    若しくは前記絞りと前記複合レンズ群との間に、前記第
    １光学素子の光路を折り畳む方向とは異なる方向に光路
    を折り曲げる偏向手段を有していることを特徴とする請
    求項１０に記載の撮像光学系。
  13. 【請求項１３】 同一媒質上に入射面、射出面、並びに
    基準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射
    面を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも
    １面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入
    射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射
    させて光路を折り畳み該射出面より射出させており、か
    つ前記複数の偏心反射面のうち少なくとも１面が非回転
    対称面であり、前記射出面のローカル母線断面焦点距離
    fypoutとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び母線断
    面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐと
    が以下の条件式 ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１”） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２”） を満足するよう構成されている第１光学素子、絞り、レ
    ンズの両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とより
    なる少なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回転
    対称レンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称面
    の光軸と該回転対称レンズの光軸が全て略一致している
    複合レンズ群を有し、外界からの光を該第１光学素子の
    該入射面から入射させ該複数の偏心反射面により反射さ
    せて光路を折り畳み該射出面より射出させ、該絞りを通
    過させた後、前記複合レンズ群により屈折させて撮像素
    子上に結像させるよう構成されていることを特徴とする
    撮像光学系。
  14. 【請求項１４】 請求項１０に記載の撮像光学系、撮像
    素子、表示手段、同一媒質上に入射面、射出面、並びに
    表示基準光線Rdに対して偏心し且つパワーを有する偏心
    反射面を複数有しており該入射面から入射した光束を該
    複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射
    出面より射出させる第２光学素子を有し、該第２光学素
    子を用いて表示手段からの光を観察者に導いて該表示手
    段上の像の拡大像を提示するよう構成された表示光学系
    を有し、前記第１光学素子の偏心反射面のうちの一面と
    該第２光学素子の偏心反射面のうちの一面とは互いに同
    一形状の光路分離面の表裏面を使用しており、 且つ、該光路分離面は半透過面であり、外界からの光を
    前記第１光学素子の入射面より入射させ該光路分離面を
    透過させて該第２光学素子の射出面より光を射出させて
    観察者に導くシースルー光学系として機能させており、 該シースルー光学系の外界中心と射出瞳中心とを通るシ
    ースルー基準光線をRsとするとき、該表示基準光線Rd
    と、該シースルー基準光線Asとは眼球光軸に略一致し、
    且つ、該シースルー基準光線と前記撮像光学系の基準光
    線Riのそれぞれが外界光軸と略一致していることを特徴
    とする複合表示装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１３に記載の撮像光学系、 撮像素子、 表示手段、 同一媒質上に入射面、射出面、並びに表示基準光線Rdに
    対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有し
    ており該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面
    により反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させ
    る第２光学素子を有し、該第２光学素子を用いて表示手
    段からの光を観察者に導いて該表示手段上の像の拡大像
    を提示するよう構成された表示光学系を有し、前記第１
    光学素子の偏心反射面のうちの一面と該第２光学素子の
    偏心反射面のうちの一面とは互いに同一形状の光路分離
    面の表裏面を使用しており、 且つ、該光路分離面は半透過面であり、外界からの光を
    前記第１光学素子の入射面より入射させ該光路分離面を
    透過させて該第２光学素子の射出面より光を射出させて
    観察者に導くシースルー光学系として機能させており、 該シースルー光学系の外界中心と射出瞳中心とを通るシ
    ースルー基準光線をRsとするとき、該表示基準光線R d
    と、該シースルー基準光線Asとは眼球光軸に略一致し、
    且つ、該シースルー基準光線と前記撮像光学系の基準光
    線Riのそれぞれが外界光軸に略一致していることを特徴
    とする複合表示装置。
  16. 【請求項１６】 前記撮像光学系の入射瞳を視軸上に展
    開したときの展開入射瞳位置から前記表示光学系の射出
    瞳位置までの距離をＤｐｐ、前記表示光学系の射出面か
    ら前記表示光学系の射出瞳までの距離をｅｒとすると
    き、 ０．２５ ＜ Ｄｐｐ／ｅｒ ＜８．０ ・・・・・・（７） を満足するよう構成されていることを特徴とする請求項
    １４又は１５に記載の複合表示装置。
  17. 【請求項１７】 画像情報を表示した表示手段からの光
    束を観察者の眼球に導光する表示光学系と、外界からの
    光束を撮像素子に結像させる撮像光学系とを有し、光路
    中に設けた光路分離手段によって該表示光学系の観察者
    の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長
    した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射して
    くる光束の外界光軸とを略一致させており該撮像光学系
    は同一媒質上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対
    して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、
    該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と
    反射面とを兼用した兼用面であり、該入射面から入射し
    た光束を該複数の偏心反射面により反射させて光路を折
    り畳み該射出面より射出させており、かつ母線断面合成
    パワーが負である第１光学素子を有していることを特徴
    とする複合表示装置。
  18. 【請求項１８】 前記撮像光学系はレンズの両面がそれ
    ぞれ非回転対称面と回転対称面とよりなる少なくとも１
    枚の非回転対称レンズと、複数の回転対称レンズとを有
    し、該非回転対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対
    称レンズの光軸が全て略一致している複合レンズ群を有
    し、 外界からの光束を該第１光学素子を介した後、該複合レ
    ンズ群によって該撮像素子上に導光していることを特徴
    とする請求項１７の複合表示装置。
  19. 【請求項１９】 前記第１光学素子の射出面のローカル
    母線断面焦点距離ｆypoutとローカル子線断面焦点距離
    ｆxpout及び該光学素子の母線断面合成焦点距離ｆｙ
    ｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐとが ｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１） ｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２） を満足するように構成されていることを特徴とする請求
    項１８の複合表示装置。
  20. 【請求項２０】 前記複合レンズ群の非回転対称面のロ
    ーカル母線断面焦点距離ｆｙｌとローカル子線断面ｆｘ
    ｌと前記複合レンズ群の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及
    び子線断面合成焦点距離ｆｘｇが、 ｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３） ｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４） を満足するように構成されていることを特徴とする請求
    項１９の複合表示装置。
  21. 【請求項２１】 前記撮像光学系の全系の母線断面合成
    焦点距離をｆｙ、子線断面合成焦点距離をｆｘとし、前
    記第１光学素子の母線断面合成焦点距離をｆｙｐ、子線
    断面合成焦点距離をｆｘｐとするときに、 −１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５） −１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６） を満足するように構成されていることを特徴とする請求
    項２０の複合表示装置。
  22. 【請求項２２】 前記撮像光学系の入射瞳を視軸上に展
    開したときの展開入射瞳位置から前記表示光学系の射出
    瞳位置までの距離をＤｐｐ、前記表示光学系の射出面か
    ら前記表示光学系の射出瞳までの距離をｅｒとすると
    き、 ０．２５ ＜ Ｄｐｐ／ｅｒ ＜８．０ ・・・・・・（７） を満足するよう構成されていることを特徴とする請求項
    ２１の複合表示装置。
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