JP2010020065A - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構造で、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】 画像表示素子3と、画像表示素子3に表示された画像をリレーするリレー光学系4と、リレー光学系4により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系5と、からなる画像表示装置1において、接眼光学系5は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系4でリレーされたリレー像は、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されるものである。
【選択図】図11
【解決手段】 画像表示素子3と、画像表示素子3に表示された画像をリレーするリレー光学系4と、リレー光学系4により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系5と、からなる画像表示装置1において、接眼光学系5は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系4でリレーされたリレー像は、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されるものである。
【選択図】図11
Description
本発明は、画像表示装置に関し、特に、頭部装着に適し、小型で広い観察画角を表示することが可能な画像表示装置に関するものである。
従来、広い観察画角特に水平画角で60度に相当する映像を観察する表示装置が特許文献1において知られている。
特開2007−11168号公報
しかしながら、特許文献1において知られている従来例の場合、さらに広い観察画角を得るためには非常に大きな表示素子と光学系を用いないと不可能であり、装置が大型となる。また、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーし、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには接眼光学系が複雑で大型になる問題があり、簡単な構造で鮮明な画像を観察することは不可能であった。
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で、小型でありながら、180度のような広い観察画角を鮮明に観察することが可能な画像表示装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された画像をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系と、からなる画像表示装置において、前記接眼光学系は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、前記リレー光学系でリレーされたリレー像は、前記リレー光学系の中心軸に直交する各断面内で前記リレー光学系の中心軸と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されることを特徴とする。
また、前記リレー光学系の中心軸は、前記接眼光学系の射出瞳より前記接眼光学系側に配置されることを特徴とする。
また、前記リレー光学系の中心軸と観察者の視軸は略直交することを特徴とする。
また、前記画像表示素子は、円環状の画像を表示することを特徴とする。
また、前記リレー光学系は、前記リレー光学系の絞り位置と前記接眼反射面との間に形成されるリレー像近傍に負のパワーを有する光学素子を配置したことを特徴とすることを特徴とする。
また、前記リレー像の近傍に拡散作用を有する手段を配置することを特徴とする。
また、前記光学素子の少なくとも1面は軸対称自由曲面で構成されることを特徴とする。
また、前記リレー光学系は、透過面のみ有することを特徴とする。
また、前記画像表示素子に円環状に表示された画像は、前記リレー光学系と前記接眼光学系により、少なくとも180度又は略180度の視野角を有する画像として視認可能である
ことを特徴とする
ことを特徴とする
以上の本発明の画像表示装置においては、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能となる。
以下、実施例に基づいて本発明の画像表示装置について説明する。図1は本発明の画像表示装置1の概念図、図2は図1の平面図、である。
本発明の画像表示装置1は、図1及び図2に示すように、画像表示素子3と、画像表示素子3に表示された画像をリレーするリレー光学系4と、リレー光学系4により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系5と、からなる画像表示装置1において、接眼光学系5は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系4でリレーされたリレー像は、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである。
従来、リレー光学系を使わずに接眼光学系のみで映像を投影する頭部装着型画像表示装置があるが、広い観察像を得るためには非常に大きな表示素子と光学系を用いないと、広い観察画角を観察することは不可能であった。
また、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーして、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには接眼光学系が複雑で大型になる問題があった。
そこで、本発明では接眼光学系5を1面の反射面5aで構成することにより小型軽量化を達成しつつ、非常に広い観察像を提供することに成功したものである。
しかし、通常、1面の反射面では画角が広い場合非常に大きな像面湾曲が接眼光学系で発生してしまい。周辺まで鮮明な映像を観察することは不可能であった。
一方、接眼光学系5の像面湾曲にリレー光学系4のリレー像の像面湾曲を合わせることは従来行われていた。しかし、180度近い観察像を得るために、1面の凹面反射面で接眼光学系を構成すると半円に近い像面湾曲が発生する。リレー光学系4でこの半円に近い像面湾曲を発生させることは、従来の透過レンズの組み合わせの光学系では不可能に近く、たとえ実現しても非常に複雑で大きな光学系になってしまう。
本発明はリレー光学系4のリレーされる像を、中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2を中心とした円周の一部を構成する曲面からなるリレー像面にすることにより、非常に大きな像面湾曲を発生させることに成功し、接眼光学系5の像面湾曲と合わせることにより、この問題を解決したものである。
さらに好ましくは、この様な構成を取り接眼光学系5の水平方向の観察画角を広く取るためには、リレー光学系4の中心軸2と観察者の視軸を略直交させることが重要である。
なお、この両軸の位置方向関係は必ずしも90度に直交することに限定されるものではなく、ほぼ直交する方向関係を有していれば良い。従って、その角度は90度に満たない例えば85度や80度であっても良い。
なお、この両軸の位置方向関係は必ずしも90度に直交することに限定されるものではなく、ほぼ直交する方向関係を有していれば良い。従って、その角度は90度に満たない例えば85度や80度であっても良い。
また、リレー光学系4の中心軸2は、接眼光学系5の射出瞳Eより接眼光学系5側に配置されることが好ましい。観察者瞳位置からなる射出瞳Eとリレー光学系4が干渉しないようにするために、リレー光学系4の中心軸2を含む垂直断面ではリレー光学系を接眼光学系の射出瞳Eの上方に逃げることで干渉を防いでいるが、中心軸2と直行する断面である水平断面では、接眼光学系5の射出瞳Eより中心軸2を接眼光学系5側に近づけることにより干渉を防いでいる。リレー光学系4は回転対称な光学系で構成されているため、リレー光学系4のサジタル断面の接眼光学系5の射出瞳Eは必ず中心軸2上に存在することになる。観察者の額とリレー光学系4の干渉を防ぐ為には、中心軸2を接眼光学系5に近い方に配置することにより初めて可能となる。
さらに好ましくは、観察者眼球位置に相当する接眼光学系5の射出瞳E位置の瞳収差を最小にする為に、接眼光学系5の水平断面の形状は、リレー光学系4の中心軸2と観察者瞳位置である射出瞳Eの2点を焦点とする楕円形状であることが望ましい。この形状により、両眼で180度以上の観察画角を観察することが可能となる。
また、図3に示すように、画像表示素子3は、円環状の画像を表示することが好ましい。リレー光学系4は回転対称な形状であり、リレー像が、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内で、リレー光学系4の中心軸2を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるためには、画像表示素子3には円環状の映像を表示することが重要である。通常の表示では像が視野周辺で回転してしまい、正しい映像を観察することができない。さらに好ましくは、図4に示すように、画像表示素子3の画素数を有効に使うために、円環状の表示映像の観察可能な部分のみ拡大して画像表示素子3に表示することが良い。
また、図5及び図6に示すように、リレー像の近傍に拡散作用を有する手段10を配置することが好ましい。リレー光学系4のリレー像近傍に拡散面等を配置することにより、接眼光学系5の射出瞳Eが広がり、観察者が目を動かしても映像がケラレルことなく、視野周辺まで常に映像を観察することが可能となる。さらに、この拡散面によりリレー光学系4のNAを小さくすることが可能となり、リレー光学系4の構成を簡単にすることが可能となり、小型のリレー光学系4を構成することができる。
また、拡散作用を有する手段10は、光学素子表面を表面処理することにより形成されることが好ましい。光学素子表面を表面処理することにより形成されるので、製作性が向上する。
また、拡散作用を有する手段10を回転又は振動させる手段を有することが好ましい。拡散面自体が観察されてしまうおそれを回避することが可能となる。
また、拡散作用を有する手段10は、ホログラフィック素子により構成されることが好ましい。拡散面自体が観察されてしまうおそれを回避することが可能となる。
また、リレー光学系4は、リレー光学系4の絞り位置と接眼光学系5の反射面の間に形成されるリレー像近傍の位置に、負のパワーを有する光学素子を有することが好ましい。リレー像近傍に配置される光学素子の負のパワーにより、平面の画像表示素子3の表示像をリレー光学系4の中心軸2と同心の円環状のリレー像に変換することが可能となる。
また、光学素子の少なくとも1面は軸対称自由曲面で構成されることが好ましい。軸対
称自由曲面を使うことにより、接眼光学系5の像面湾曲とリレー光学系4で発生させる像面湾曲を一致させることが可能となり、周辺まで鮮明な映像を観察することが可能となる。
称自由曲面を使うことにより、接眼光学系5の像面湾曲とリレー光学系4で発生させる像面湾曲を一致させることが可能となり、周辺まで鮮明な映像を観察することが可能となる。
また、リレー光学系4は、透過面のみ有することが好ましい。透過面のみとすることにより製作性が向上する。
さらに好ましくは、リレー光学系4の使用しない部分を(図中破線の部分)カットすることにより、観察者の額との干渉を防ぐことができるのは言うまでもない。
さらに、接眼光学系5は半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重層表示する所謂コンバイナーとして構成することが可能である。この場合円環状の基盤にホログラフィック素子を貼り付けた、凹面鏡の作用を有するコンバイナーとすることが望ましい。
さらに好ましくは、接眼光学系5から観察者瞳位置としての射出瞳Eまでの距離をDe、接眼光学系5からリレー光学系4の中心軸2までの距離をDaとするとき、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
1.1<De/Da ・・・(1)
1.1<De/Da ・・・(1)
上記条件式(1)の下限の1.1を超えると、リレー光学系4が観察者の額と干渉するおそれがある。
図7及び図8は、他の実施形態を示す図である。この形態は、左右のリレー光学系4の視軸即ち正面方向の視線をずらして配置したものである。図7は平面図、図8は表示素子の表示例を示す図である。このように配置することにより、より広角な観察像を得ることが可能となる。
以下に、本発明の画像表示装置1の光学系の実施例1及び実施例2を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、例えば図9に示すように、観察者の観察する位置を接眼光学系の射出瞳Eとし、射出瞳Eを通り画像表示素子3に向かう光線が、接眼光学系5と、リレー光学系4とを順に経て画像表示素子3に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。
座標系は、例えば図9に示すように、接眼光学系の射出瞳Eと接眼光学系5とを結ぶ主光線と中心軸との交点を偏心光学系の偏心光学面の原点Oとし、中心軸1の画像表示素子3と反対側の方向をZ軸正方向とし、図の紙面内をY−Z平面とする。そして、図9の原点Oから右方向をY軸正方向とし、Y軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸正方向とする。
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,Z)と、光学系の原点に定義される座標系のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられている。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。なお、面の中心軸のα,β,γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずX軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のY軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のZ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
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、面の曲率半径、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。
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、面の曲率半径、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。
また、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。
まず、図10に示すように、Y−Z座標面上で原点を通る下記の曲線(a)が定められる。
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
+C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(a)
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
+C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(a)
次いで、この曲線(a)をX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線F(Y)が定められる。この曲線F(Y)もY−Z座標面上で原点を通る。
その曲線F(Y)をY正方向に距離R(負のときはY負方向)だけ平行移動し、その後にZ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面
その結果、拡張回転自由曲面はY−Z面内で自由曲面(自由曲線)になり、X−Y面内で半径|R|の円になる。
この定義からZ軸が拡張回転自由曲面の軸(回転対称軸)となる。
ここで、RYはY−Z断面での球面項の曲率半径、C1 は円錐定数、C2 、C3 、C4 、C5 …はそれぞれ1次、2次、3次、4次…の非球面係数である。
ここで、RYはY−Z断面での球面項の曲率半径、C1 は円錐定数、C2 、C3 、C4 、C5 …はそれぞれ1次、2次、3次、4次…の非球面係数である。
なお、Z軸を中心軸2に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の1つとして与えられ、RY=∞,C1 ,C2 ,C3 ,C4 ,C5 ,…=0とし、θ=(円錐面の傾き角)、R=(X−Z面内での底面の半径)として与えられる。
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、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。
Z=(r2 /R)/[1+√{1−(1+k)(r/R)2 }]
∞
+Σ Cj Xm Yn ・・・(b)
j=1
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。
∞
+Σ Cj Xm Yn ・・・(b)
j=1
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。
球面項中、
R:頂点の曲率半径
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2 )
である。
R:頂点の曲率半径
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2 )
である。
自由曲面項は、
66
Σ Cj Xm Yn
j=1
=C1
+C2 X+C3 Y
+C4 X2 +C5 XY+C6 Y2
+C7 X3 +C8 X2 Y+C9 XY2 +C10Y3
+C11X4 +C12X3 Y+C13X2 Y2 +C14XY3 +C15Y4
+C16X5 +C17X4 Y+C18X3 Y2 +C19X2 Y3 +C20XY4
+C21Y5
+C22X6 +C23X5 Y+C24X4 Y2 +C25X3 Y3 +C26X2 Y4
+C27XY5 +C28Y6
+C29X7 +C30X6 Y+C31X5 Y2 +C32X4 Y3 +C33X3 Y4
+C34X2 Y5 +C35XY6 +C36Y7
・・・・・・
ただし、Cj (jは1以上の整数)は係数である。
66
Σ Cj Xm Yn
j=1
=C1
+C2 X+C3 Y
+C4 X2 +C5 XY+C6 Y2
+C7 X3 +C8 X2 Y+C9 XY2 +C10Y3
+C11X4 +C12X3 Y+C13X2 Y2 +C14XY3 +C15Y4
+C16X5 +C17X4 Y+C18X3 Y2 +C19X2 Y3 +C20XY4
+C21Y5
+C22X6 +C23X5 Y+C24X4 Y2 +C25X3 Y3 +C26X2 Y4
+C27XY5 +C28Y6
+C29X7 +C30X6 Y+C31X5 Y2 +C32X4 Y3 +C33X3 Y4
+C34X2 Y5 +C35XY6 +C36Y7
・・・・・・
ただし、Cj (jは1以上の整数)は係数である。
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(b)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。
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。
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。
また、上記定義式(b)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な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。
また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は0である。屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。
実施例1の視覚表示装置のリレー光学系の中心軸2に沿ってとった断面図を図11に、その光学系内の光路を示す中心軸101に沿う方向に見た平面図を図12に示す。なお、図12においては、一部のリレー光学系4しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図13及び図14に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、(水平方向画角、垂直方向の画角)を示し、その画角におけるY方向(メリジオナル方向)とX方向(サジタル方向)の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Y軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、X軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。
本実施例1は、画像表示素子3と、画像表示素子3に表示された画像をリレーするリレー光学系4と、リレー光学系4により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系5と、からなる画像表示装置1において、接眼光学系5は、正のパワーを有
する接眼反射面5aを有し、リレー光学系4でリレーされたリレー像は、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである
する接眼反射面5aを有し、リレー光学系4でリレーされたリレー像は、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである
接眼光学系5は、正のパワーを有し、拡張回転自由曲面からなる接眼反射面5aを有する。なお、6は接眼光学系5の回転対称軸であり、中心軸2と平行である。接眼光学系5により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
そして、リレー光学系4は、中心軸2の周りで回転対称な前群Gfと、中心軸2の周りで回転対称な後群Gbと、からなり、後群Gbは、第1群G1、第2群G2、第3群G3及び第4群G4からなる。
前群Gfは、中心軸2の周りで回転対称な屈折率が1より大きい第1透明媒体L1及び第2透明媒体L2からなる。第1透明媒体L1は、接眼光学系5に対向し、第1透明媒体L1の最も外側に配置されたトーリック面からなる第1透過面11と、光路上第1透過面11より画像表示素子3側に配置され、トーリック面からなる第2透過面12をもつ。第2透明媒体L2は、第1透明媒体L1に対向し、トーリック面からなる第3透過面21と、第3透過面21より画像表示素子3側に配置され、球面からなる第4透過面22をもつ。
第1群G1は、画像表示素子3の逆側に凸面を向けた負メニスカスレンズL3と画像表示素子3の逆側に凸面を向けた正メニスカスレンズL4の接合レンズからなり、第5透過面31と、第5透過面31より画像表示素子3側に配置される接合面34と、接合面34より画像表示素子3側に配置される第6透過面41をもつ。
第2群G2は、両凸正レンズL5と画像表示素子3側に凸面を向けた負メニスカスレンズL6の接合レンズからなり、第7透過面51と、第7透過面51より画像表示素子3側に配置される接合面56と、接合面56より画像表示素子3側に配置される第8透過面61をもつ。
第3群G3は、両凸正レンズL7と画像表示素子3側に凸面を向けた負メニスカスレンズL8の接合レンズからなり、第9透過面71と、第9透過面71より画像表示素子3側に配置される接合面78と、接合面78より画像表示素子3側に配置される第10透過面81をもつ。
第4群は、1枚のカバーガラスCGからなり、第11透過面91と、第11透過面91より画像表示素子3側に配置される第12透過面92をもつ。
光路Aとして射出瞳Eから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系5の接眼反射面5aで反射され、リレー光学系4に入る。リレー光学系4では、前群Gfの透明媒体L1内に第1透過面11を経て入り、第2透過面12を経て透明媒体L1から外に出て、透明媒体L2内に第3透過面21を経て入り、第4透過面22を経て透明媒体L2から外に出る。
その後、後群Gbの第1群の負メニスカスレンズL3と正メニスカスレンズL4の接合レンズ内に第5透過面31を経て入り、接合面34を経て、第6透過面41から外に出る。続いて、第2群の両凸正レンズL5と負メニスカスレンズL6の接合レンズに第7透過面51を経て入り、接合面56を経て、第8透過面61から外に出る。次に、第3群の両凸正レンズL7と負メニスカスレンズL8の接合レンズ内に第9透過面71を経て入り、接合面78を経て、第10透過面81から外に出る。続いて、第4群のカバーガラスCG
内に第11透過面91を経て入り、第12透過面92から外に出て、画像表示素子3の中心軸2から外れた半径方向の所定位置に結像する。
内に第11透過面91を経て入り、第12透過面92から外に出て、画像表示素子3の中心軸2から外れた半径方向の所定位置に結像する。
この実施例1の仕様は、
画角 180°
射出瞳径 φ1.000mm
像の大きさ φ9.600mm〜φ19.200mm
である。
画角 180°
射出瞳径 φ1.000mm
像の大きさ φ9.600mm〜φ19.200mm
である。
実施例2の視覚表示装置のリレー光学系の中心軸2に沿ってとった断面図を図15に、その光学系内の光路を示す中心軸101に沿う方向に見た平面図を図16に示す。なお、図16においては、一部のリレー光学系4しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図17及び図18に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、(水平方向画角、垂直方向の画角)を示し、その画角におけるY方向(メリジオナル方向)とX方向(サジタル方向)の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Y軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、X軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。
本実施例2は、画像表示素子3と、画像表示素子3に表示された画像をリレーするリレー光学系4と、リレー光学系4により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系5と、からなる画像表示装置1において、リレー光学系4は、透過面のみで構成され、接眼光学系5は、正のパワーを有する接眼反射面5aを有し、リレー光学系4でリレーされたリレー像は、リレー光学系4の中心軸2に直交する各断面内でリレー光学系4の中心軸2を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである
接眼光学系5は、正のパワーを有し、自由曲面からなる接眼反射面5aを有する。なお、6は接眼光学系5の回転対称軸である。接眼光学系5により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
そして、リレー光学系4は、中心軸2の周りで回転対称な前群Gfと、中心軸2の周りで回転対称な後群Gbと、からなり、後群Gbは、第1群G1、第2群G2、第3群G3及び第4群G4からなる。
前群Gfは、中心軸2の周りで回転対称な屈折率が1より大きい第1透明媒体L1及び第2透明媒体L2からなる。第1透明媒体L1は、接眼光学系5に対向し、第1透明媒体L1の最も外側に配置されたトーリック面からなる第1透過面11と、光路上第1透過面11より画像表示素子3側に配置され、トーリック面からなる第2透過面12をもつ。第2透明媒体L2は、第1透明媒体L1に対向し、トーリック面からなる第3透過面21と、第3透過面21より画像表示素子3側に配置され、球面からなる第4透過面22をもつ。
第1群G1は、画像表示素子3の逆側に凸面を向けた負メニスカスレンズL3と画像表示素子3の逆側に凸面を向けた正メニスカスレンズL4の接合レンズからなり、第5透過面31と、第5透過面31より画像表示素子3側に配置される接合面34と、接合面34より画像表示素子3側に配置される第6透過面41をもつ。
第2群G2は、両凸正レンズL5と画像表示素子3側に凸面を向けた負メニスカスレンズL6の接合レンズからなり、第7透過面51と、第7透過面51より画像表示素子3側に配置される接合面56と、接合面56より画像表示素子3側に配置される第8透過面61をもつ。
第3群G3は、両凸正レンズL7と画像表示素子3側に凸面を向けた負メニスカスレンズL8の接合レンズからなり、第9透過面71と、第7透過面71より画像表示素子3側に配置される接合面78と、接合面78より画像表示素子3側に配置される第10透過面81をもつ。
第4群は、1枚のカバーガラスCGからなり、第11透過面91と、第11透過面91より画像表示素子3側に配置される第12透過面92をもつ。
光路Aとして射出瞳Eから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系5の接眼反射面5aで反射され、リレー光学系4に入る。リレー光学系4では、前群Gfの透明媒体L1内に第1透過面11を経て入り、第2透過面12を経て透明媒体L1から外に出て、透明媒体L2内に第3透過面21を経て入り、第4透過面22を経て透明媒体L2から外に出る。
その後、後群Gbの第1群の負メニスカスレンズL3と正メニスカスレンズL4の接合レンズ内に第5透過面31を経て入り、接合面34を経て、第6透過面41から外に出る。続いて、第2群の両凸正レンズL5と負メニスカスレンズL6の接合レンズに第7透過面51を経て入り、接合面56を経て、第8透過面61から外に出る。次に、第3群の両凸正レンズL7と負メニスカスレンズL8の接合レンズ内に第9透過面71を経て入り、接合面78を経て、第10透過面81から外に出る。続いて、第4群のカバーガラスCG内に第11透過面91を経て入り、第12透過面92から外に出て、画像表示素子3の中心軸2から外れた半径方向の所定位置に結像する。
この実施例2の仕様は、
画角 180°
射出瞳径 φ1.000mm
像の大きさ φ9.600mm〜φ19.199mm
である。
画角 180°
射出瞳径 φ1.000mm
像の大きさ φ9.600mm〜φ19.199mm
である。
また、実施例1及び実施例2における条件式(1)の値を以下に示す。
実施例1 実施例2
条件式(1) 1.358 1.358
条件式(1) 1.358 1.358
以下に、上記実施例1及び実施例2の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ERFS”は拡張回転自由曲面、“FFS”は自由曲面を示す。
実施例1
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(射出瞳) 0.000 偏心(1)
2 ERFS[1](RE) 0.000 偏心(2)
3 ERFS[2] 0.000 偏心(3) 1.6204 60.2
4 ERFS[3] 0.000 偏心(4)
5 ERFS[4] 0.000 偏心(5) 1.6204 60.2
6 -10.24 -14.902 偏心(6)
7 -9.58 -2.000 1.5505 46.9
8 -6.58 -3.000 1.6704 49.5
9 -184.62 -2.820
10 -54.22 -4.000 1.5246 66.7
11 4.20 -2.000 1.7552 27.6
12 10.17 -0.100
13 -28.38 -10.000 1.4875 70.4
14 8.46 -2.000 1.6504 37.3
15 11.95 -0.100
16 ∞ -2.250 1.5163 64.1
17 ∞ -0.100
像 面 ∞
ERFS[1]
RY -85.495
θ 72.000
R 73.295
C4 -9.2247E-006
ERFS[2]
RY -22.149
θ 67.661
R 28.467
ERFS[3]
RY -29.777
θ 62.774
R 24.109
ERFS[4]
RY -67.060
θ 6.071
R 10.321
偏心[1]
X 0.000 Y -21.969 Z 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
X 0.000 Y 61.336 Z 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
X 0.000 Y 0.000 Z -23.881
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
X 0.000 Y 0.000 Z -26.469
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
X 0.000 Y 0.000 Z -35.383
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[6]
X 0.000 Y 0.000 Z -36.586
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(射出瞳) 0.000 偏心(1)
2 ERFS[1](RE) 0.000 偏心(2)
3 ERFS[2] 0.000 偏心(3) 1.6204 60.2
4 ERFS[3] 0.000 偏心(4)
5 ERFS[4] 0.000 偏心(5) 1.6204 60.2
6 -10.24 -14.902 偏心(6)
7 -9.58 -2.000 1.5505 46.9
8 -6.58 -3.000 1.6704 49.5
9 -184.62 -2.820
10 -54.22 -4.000 1.5246 66.7
11 4.20 -2.000 1.7552 27.6
12 10.17 -0.100
13 -28.38 -10.000 1.4875 70.4
14 8.46 -2.000 1.6504 37.3
15 11.95 -0.100
16 ∞ -2.250 1.5163 64.1
17 ∞ -0.100
像 面 ∞
ERFS[1]
RY -85.495
θ 72.000
R 73.295
C4 -9.2247E-006
ERFS[2]
RY -22.149
θ 67.661
R 28.467
ERFS[3]
RY -29.777
θ 62.774
R 24.109
ERFS[4]
RY -67.060
θ 6.071
R 10.321
偏心[1]
X 0.000 Y -21.969 Z 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
X 0.000 Y 61.336 Z 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
X 0.000 Y 0.000 Z -23.881
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
X 0.000 Y 0.000 Z -26.469
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
X 0.000 Y 0.000 Z -35.383
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[6]
X 0.000 Y 0.000 Z -36.586
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
実施例2
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(射出瞳) 0.000 偏心(1)
2 FFS[1] 0.000 偏心(2)
3 ERFS[1] 0.000 偏心(3) 1.6204 60.2
4 ERFS[2] 0.000 偏心(4)
5 ERFS[3] 0.000 偏心(5) 1.6204 60.2
6 -15.10 -16.276 偏心(6)
7 -8.73 -2.000 1.5311 51.8
8 -6.66 -3.000 1.6165 43.3
9 -36.43 -2.454
10 -96.15 -4.000 1.5766 62.8
11 4.06 -2.000 1.7550 27.6
12 9.35 -0.100
13 -29.11 -10.000 1.4875 70.4
14 8.64 -2.000 1.6267 35.7
15 12.41 -0.100
16 ∞ -2.550 1.5163 64.1
17 ∞ -0.100
像 面 ∞
FFS[1]
RY -85.495
C4 -6.9834E-004 C8 1.7522E-007 C10 -1.1257E-005
ERFS[1]
RY -20.898
θ 65.003
R 29.180
ERFS[2]
RY -25.613
θ 61.762
R 25.307
ERFS[3]
RY -96.578
θ 1.878
R 11.628
偏心[1]
X 0.000 Y -21.959 Z 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
X 0.000 Y 61.282 Z 0.000
α 72.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
X 0.000 Y 0.000 Z -23.323
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
X 0.000 Y 0.000 Z -25.720
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
X 0.000 Y 0.000 Z -34.928
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[6]
X 0.000 Y 0.000 Z -36.510
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(射出瞳) 0.000 偏心(1)
2 FFS[1] 0.000 偏心(2)
3 ERFS[1] 0.000 偏心(3) 1.6204 60.2
4 ERFS[2] 0.000 偏心(4)
5 ERFS[3] 0.000 偏心(5) 1.6204 60.2
6 -15.10 -16.276 偏心(6)
7 -8.73 -2.000 1.5311 51.8
8 -6.66 -3.000 1.6165 43.3
9 -36.43 -2.454
10 -96.15 -4.000 1.5766 62.8
11 4.06 -2.000 1.7550 27.6
12 9.35 -0.100
13 -29.11 -10.000 1.4875 70.4
14 8.64 -2.000 1.6267 35.7
15 12.41 -0.100
16 ∞ -2.550 1.5163 64.1
17 ∞ -0.100
像 面 ∞
FFS[1]
RY -85.495
C4 -6.9834E-004 C8 1.7522E-007 C10 -1.1257E-005
ERFS[1]
RY -20.898
θ 65.003
R 29.180
ERFS[2]
RY -25.613
θ 61.762
R 25.307
ERFS[3]
RY -96.578
θ 1.878
R 11.628
偏心[1]
X 0.000 Y -21.959 Z 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
X 0.000 Y 61.282 Z 0.000
α 72.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
X 0.000 Y 0.000 Z -23.323
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
X 0.000 Y 0.000 Z -25.720
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
X 0.000 Y 0.000 Z -34.928
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[6]
X 0.000 Y 0.000 Z -36.510
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
なお、実施例1及び2では、画角が180度としたが、180度を超える仕様とすることも出来るし、180度よりは小さい略180度にする等、その仕様を自在に選択できるのはもちろんである。
1…画像表示装置
2…リレー光学系中心軸
3…画像表示素子
4…リレー光学系
5…接眼光学系
E…射出瞳
2…リレー光学系中心軸
3…画像表示素子
4…リレー光学系
5…接眼光学系
E…射出瞳
Claims (9)
- 画像表示素子と、
前記画像表示素子に表示された画像をリレーするリレー光学系と、
前記リレー光学系により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系と、
からなる画像表示装置において、
前記接眼光学系は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、
前記リレー光学系でリレーされたリレー像は、前記リレー光学系の中心軸に直交する各断面内で前記リレー光学系の中心軸と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影される
ことを特徴とする画像表示装置。 - 前記リレー光学系の中心軸は、前記接眼光学系の射出瞳より前記接眼光学系側に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記リレー光学系の中心軸と観察者の視軸は略直交する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の画像表示装置。 - 前記画像表示素子は、円環状の画像を表示する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の画像表示装置。 - 前記リレー光学系は、前記リレー光学系の絞り位置と前記接眼反射面との間に形成されるリレー像近傍に負のパワーを有する光学素子を配置した
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載の画像表示装置。 - 前記リレー像の近傍に拡散作用を有する手段を配置する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載の画像表示装置。 - 前記光学素子の少なくとも1面は軸対称自由曲面で構成される
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の画像表示装置。 - 前記リレー光学系は、透過面のみ有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1つに記載の画像表示装置。 - 前記画像表示素子に円環状に表示された画像は、前記リレー光学系と前記接眼光学系により、少なくとも180度又は略180度の視野角を有する画像として視認可能である
ことを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。
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