JP3597456B2 - 偏心光学系及びそれを用いた視覚表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、偏心光学系及びそれを用いた視覚表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能とする頭部又は顔面装着式視覚表示装置に用いられる偏心光学系とその視覚表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、頭部装着式視覚表示装置として、図２１に平面図を示したようなものが知られている（米国特許第４０２６６４１号）。これは、ＣＲＴのような画像表示素子４６の像を画像伝達素子２５で物体面１２に伝達し、この物体面１２の像をトーリック反射面１０によって空中に投影するようにしたものである。
【０００３】
さらに、本出願人による先行技術として、特願平３−２９５８７４号において、偏心して配置した凹面接眼光学系と、偏心して配置したリレー光学系を使用した頭部装着式視覚表示装置がある。その１実施例の断面図を図２２に示す。図中Ｐは観察者眼球１３の回旋中心、Ｃは観察者にとって正面に相当する観察視軸、Ｑ１ は観察者瞳位置、Ｓ８ はＴを回転中心軸とする回転楕円体、１６はその回転楕円体の反射面、１７はリレー光学系の光軸、Ｑ２ は回転楕円体の焦点、１５はリレー光学系、１４は２次元画像表示素子である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
頭部装着式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを小さくすることと、重量を軽くすることは、装着性を損なわなくするために重要な点である。この装置全体の大きさを決定する要因は、光学系のレイアウトである。
【０００５】
装置全体を小型にするためには、２次元画像表示素子を凸レンズで拡大して直接観察する直視型のレイアウトでは、観察者顔面からの装置突出量が大きくなる。さらに、広い観察画角をとるためには、大きな正レンズ系と大きな２次元画像表示素子を使用する必要があり、装置が大きくなると同時に、重くなる。
【０００６】
疲労を感じさせずに長時間の観察を可能としたり、簡単に着脱するためには、観察者の眼球直前に反射面からなる接眼光学系を配置した構成が望ましい。これにより、２次元画像表示素子と照明光学系等を観察者の頭部周辺に小さくまとめて配置でき、装置の突出量が減ると同時に、軽量化が可能となる。
【０００７】
次に、大きな画角を確保することは、画像観察時の臨場感を上げるために必要である。特に、提示される画像の立体感は提示画角によって決まってしまう（テレビジョン学会誌 Ｖｏｌ．４５， Ｎｏ．１２， ｐｐ．１５８９−１５９６（１９９１））。
【０００８】
広い画角と高い解像力が得られる光学系をいかにして実現するかが、次に重要な問題となる。
【０００９】
立体感・迫力感等を観察者に与えるためには、水平方向で４０°（±２０°）以上の提示画角を確保することが必要であると同時に、１２０°（±６０°）付近でその効果は飽和してしまうことが知られている。つまり、４０°以上で、なるべく１２０°に近い観察画角にすることが望ましい。しかし、上記の接眼光学系が平面の反射鏡の場合は、観察者の眼球に上記の４０°以上の画角の光線を入射させようとした場合には、非常に大きな２次元画像表示素子を必要とし、結局装置全体が大きくて重いものとなってしまう。
【００１０】
さらに、凹面鏡は、その性質上、凹面鏡の表面に沿った凹面の強い像面歪曲を発生するために、平面の２次元画像表示素子を凹面鏡の焦点位置に配置すると、その観察像面は湾曲を起こしてしまい、視野周辺まで明瞭な観察像を得ることはできない。また、２次元画像表示素子の表示面を湾曲して配置する方法も、図２１の先行技術のように存在する。しかし、図２１のように凹面鏡を使用して、凹面鏡の前側焦点位置に２次元画像表示素子を配置し、凹面鏡のみで２次元画像表示素子を空中に拡大投影する配置をとっても、４０°以上の観察画角を提供する場合には、凹面鏡の収差のために高い解像力を得ることは難しかった。
【００１１】
また、図２２のような偏心配置の補正光学系を使用する場合、その偏心補正光学系が顔面近傍に位置するために、眼鏡等を使用しながら像を観察することができなかった。これは、図２２より明らかなように、眼鏡の縁の部分が偏心補正光学系と干渉することと、観察像を形成するリレー光学系からの光線が眼鏡レンズに裏側から当たってしまい、正常な観察像を観察することができなくなってしまうことによる。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、広い観察画角を提供しつつ、小型・軽量で、高い解像力と大きい射出瞳径を持った視覚表示装置、及び、このような視覚表示装置でありながら、眼鏡を掛けたまま観察できる視覚表示装置を提供しようとするものである。
【００１３】
以下、本発明の大きい射出瞳径を提供する目的について説明する。光学系の射出瞳径を大きくとらないと、周辺の画角を観察する時の眼の回旋運動によって視野がケラレてしまう。この様子を図４に示す。図（ａ）は、視野中心を観察している観察者の眼１の瞳位置２が光学系の射出瞳径位置に合っている場合であり、図（ｂ）は、視野周辺を観察しようとして観察者が眼１をその方向に回旋させて見ようとした場合であり、観察者の瞳２と眼球１の回旋中心がズレているために、図（ｂ）においては、あたかも瞳２が横ズレしたようになる。このため、例えば左方向を観察しようとして眼球１を左に回すと、右側の視野がケラレて見えなくなる問題が発生する。
【００１４】
また、観察者の瞳と装置自体の射出瞳は、装置の装着状態で変化する。観察者の瞳径に対してある程度余裕を持った射出瞳径を持った装置でないと、装置装着時や観察者の個人差によって起こる観察者瞳位置と装置の射出瞳位置のズレを吸収できずに、観察者の瞳で観察画像が遮られ、広い観察画角を確保することはできない。
【００１５】
この問題を解決するためには、観察系の射出瞳径を大きく設計することが重要となる。一般のカメラレンズでも、瞳径を大きくすること、すなわち、Ｆナンバーを小さくすることは、レンズの収差補正上難しくなり、瞳径を２倍にすることには大変な困難が伴う。例えば、Ｆナンバー２．８で焦点距離５０ｍｍのカメラ用標準レンズとＦナンバー１．４の標準レンズでは、その構成枚数は３枚のトリプレットタイプから６枚のガウスタイプにする必要がある。このように、瞳径（Ｆナンバー）を２倍にすることは、光学系の構成を大きく変え、レンズ構成の大形化を招いてしまう。
【００１６】
ところで、一般の人の約半数は近視・乱視等の視覚障害を持っている。近年、コンタクトレンズが普及してコンタクトレンズ装着者の割合が増えてはいるが、コンタクトレンズは、その取扱いや保守性から一部の人の使用に限られており、価格や取扱い等の問題で眼鏡を使用している人が殆どである。
【００１７】
眼鏡を利用している人が眼鏡を取った裸眼により、例えば図２１〜２２のような視覚表示装置を装着して、明瞭な観察画像を観察できるようにするには、視覚表示装置側に何らかの視度補正手段を設ける必要がある。
【００１８】
しかし、小型・軽量を目的とする本発明のような視覚表示装置に乱視を含めた視度補正手段を設けることは、装置の大型化と重量の増大を招くと共に、装置側の視度補正量を観察者に合うよう適切に調整できるようにすることは非常に難しくなる。また、間違った視度で正常な観察視力を持った観察者が長時間観察してしまった場合、その観察者の視度が逆に装置側の間違った視度に順応してしまって、観察者の視力が悪くなってしまう危険性もある。
【００１９】
さらに、２次元画像表示素子の空中像と外界の観察像を重畳して観察する所謂「スーパーインポーズ」での観察では、外界の像の視度と視覚表示装置により空間に投影された空中像との両方に視度補正機構を付加することが必要になり、ますます装置の大型化を招いてしまう。
【００２０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、４０°（±２０°）以上の観察画角で観察でき、かつ、周辺までフラットで鮮明な画像が観察でき、さらに、広い射出瞳径を確保した視覚表示装置用の偏心光学系を提供することである。
【００２１】
また、本発明の別の目的は、眼鏡等を装着したまま空間に投影された広い観察画角の空中像を鮮明に観察することが可能な視覚表示装置用の偏心光学系を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の偏心光学系は、像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第１透過面、第２透過面、第１反射面及びリレー光学系を含み、
前記第１反射面、光路上前記第１反射面よりも前記像面側にある前記第１透過面及び前記第２透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第１透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第１反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その形状が回転対称ではなく、回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成され、
前記第１透過面と前記第２透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第２の偏心光学系は、像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第１透過面、第２透過面、第１反射面及びリレー光学系を含み、
前記第１反射面、光路上前記第１反射面よりも前記像面側にある前記第１透過面及び前記第２透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第１透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第１反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その面形状が前記第１反射面に入射する光軸と反射後に射出する光軸の両方の光軸を含んだＹ−Ｚ平面を断面とした時の面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面と光軸上垂直なＸ−Ｚ平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成され、
前記第１透過面と前記第２透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために前記Ｙ−Ｚ平面を断面した時の面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面と光軸上垂直なＸ−Ｚ平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
これらの場合、偏心光学系が、前記第１透過面とは別に、第２透過面を有し、第２透過面は、第１透過面と相関して、少なくとも第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正する回転非対称な非球面形状にて構成されていることが望ましい。
【００２５】
そして、偏心光学系は、第１透過面と像面との間に、前記リレー像を形成するリレー光学群を配置し、
リレー光学群は、平面状の前記像面を、湾曲した曲面状のリレー像として光路内にリレーするように構成されていることが望ましい。
【００２６】
また、第１反射面は、瞳中心を透過する光軸の直線上に傾いて配置されていることが望ましい。
【００２７】
また、第１反射面は、その反射面にて光軸が反射屈曲される時の屈曲角度が６０°以上となるように構成されていることが望ましい。
【００２８】
なお、本発明は、像面上に配置された画像表示素子と、以上の何れかの偏心光学系とを含んでなる視覚表示装置を含むものである。
【００２９】
【作用】
以下、上記配置をとる理由と作用について説明する。以下は、設計上の利便性から、観察者瞳位置から２次元画像表示素子へ向けて光線を追跡する逆追跡の光路に沿って説明する。
【００３０】
接眼凹面反射光学系とリレー光学系の間に配置された偏心補正光学素子は、偏心して配置された接眼凹面反射光学系で発生する光軸に対して対称ではない収差を補正するためのものである。
【００３１】
以下、上記配置をとる理由について、リレー光学系を省略した図３を用いて説明する。図３は、観察者の右眼に当たる光学系の接眼凹面鏡によって発生する像面湾曲を逆追跡によって示した図である。この図は右眼用の光学系であり、左眼用の光学系はこれと対称に配置される。この図において、観察者眼球を１、観察者瞳位置を２、接眼凹面鏡を３、観察者の視軸を４、接眼凹面鏡３による無限遠物体の像面を５、接眼凹面鏡３によって屈曲した光軸を６、接眼凹面鏡３による観察者の瞳投影位置を７で示す。
【００３２】
この図は、観察者眼球位置１での瞳径は８ｍｍ、追跡光線の画角は５０°（半画角２５°）と、３５°（半画角１７．５°）の光線を示している図である。前記のように、観察画角が４０°を越える広画角の接眼凹面反射光学系では、凹面鏡の結像特性として、凹面鏡の焦点面５は湾曲してしまう。観察画角の中心である視軸４は、接眼凹面鏡３によって反射され、光軸６となる。凹面鏡３を視軸４に対して偏心して配置しているために、像面５と光軸６は垂直にならずに、光軸６に対して斜めに傾いた像面５として形成される。
【００３３】
つまり、偏心した凹面鏡３で光軸６までも屈曲させているために、観察画角の中心である光軸６に対して傾いてなおかつ湾曲した像面５を形成する。この像面湾曲は、凹面反射鏡３を非球面で構成しても、トーリック面で構成しても、同じである。
【００３４】
この像面をリレー光学系で２次元画像表示素子上に投影することは、傾いて湾曲した物体面を平面の２次元画像表示素子上に投影することをリレー光学系に要求することとなる。本発明のような偏心補正光学系がなくとも、リレーレンズ系の偏心と２次元画像表示素子の傾きによって、像面の傾きと像面湾曲を補正できることは、一般に周知の事実であるが、本発明のように大きな瞳径と高い解像力を同時に満足することは困難で、大掛かりなリレー光学系が必要となる。
【００３５】
そこで、本発明においては、光軸に対して傾いていて湾曲した物体面を光軸に対して垂直に起こすと共に像面湾曲を補正する偏心補正光学系を、接眼凹面反射光学系とリレー光学系の間の像面近傍に配置することで、上記のような像面の光軸に対する傾きと湾曲を同時に補正することに成功したものである。
【００３６】
この偏心補正光学系の少なくとも１つの面は、光軸に対して傾いていることはもちろん、リレー光学系の光軸に対しても傾いていると同時に、偏心補正光学系の２つの面も互いに偏心した面で構成することが好ましい。これは、接眼凹面鏡による像面が単に傾いた平面ではなく、湾曲を持った曲面になっていて、なおかつ、傾いているためである。この傾いた像面を平面に補正するためには、複雑に偏心した曲面で上記偏心補正光学系を構成する必要がある。
【００３７】
このような構成をとる効果について、図１の本発明の概念図を用いて説明する。図１の概念図において、観察者眼球位置を１、観察者虹彩位置を２、接眼凹面鏡を３、観察者視軸を４、接眼凹面鏡３による無限遠物体の像面を５、接眼凹面鏡３で反射された視軸を６、偏心補正光学系を８、偏心補正光学系８を射出した後の光軸を９、偏心補正光学系８で補正された像面を１８で示す。
【００３８】
先ず、第１に、偏心補正光学系８が楔状をしていることが重要である。図１に示すように、楔状の偏心補正光学系８は、視軸６に対して非対称な光路長を持つことによって、視軸６に対して傾いて形成される像５を光軸９に対してほぼ垂直な像面１８に変換する作用がある。
【００３９】
次に、視軸に対して対称な像面湾曲を補正するために、リレー光学系（図１中では省略）に対して凹面を向けている像面湾曲補正のために、偏心補正光学系８の第１面Ｓ１ を図１のＳ２ のように凸面することで、上記像面湾曲を補正できる。これにより、リレー光学系は平坦な像面を２次元画像表示素子に投影するだけですむので、リレー光学系の収差補正の負担が大幅に減り、小型のリレー光学系で構成することに成功したものである。
【００４０】
図２に本発明による偏心補正光学系の光路図を示す。この図は後記する実施例１の偏心補正光学系による補正状態を示すもので、図において、観察者眼球を１、観察者瞳位置を２、接眼凹面鏡を３、観察者の視軸を４、接眼凹面鏡３による像面を５、接眼凹面鏡３と図示しないリレー光学系の間に配置される偏心補正光学系を８、接眼凹面鏡３及び偏心補正光学系８によって屈曲した光軸を９、接眼凹面鏡３及び偏心補正光学系８による観察者の瞳２の投影位置を７、接眼凹面鏡３と偏心補正光学系８によって補正された像面を１８で示す。この光路図から明らかなように、接眼凹面鏡３による像面５は、偏心補正光学系８によって光軸９に対して垂直で平坦な像面１８に補正される。
【００４１】
このように、偏心した面で構成されている偏心補正光学系８によって、リレー光学系での収差補正の負担が減り、本発明のように、大きな瞳径を確保しつつ、高い解像力を満足した観察光学系とすることが可能となる。なお、上記のように、偏心補正光学系８の第１面と第２面は、軸上光線に対して楔状をしていることが、像面の傾きを補正し、解像力の高い観察像を提供するために重要である。
【００４２】
さらに好ましくは、接眼凹面鏡３で発生した非点収差は、接眼凹面鏡３が偏心して配置されているために、視軸に対して回転対称ではない複雑な非点隔差を発生させている。この複雑な非点隔差を補正するために、偏心補正光学系８はアナモルフィク面で構成することが望ましく、図２の紙面内のＹ−Ｚ軸面内の屈折力より、紙面と垂直なＸ−Ｚ軸面内の屈折力が小さくなるように構成することが、非点収差を補正して解像力の高い観察像を視野周辺まで提供するために必要となる。
【００４３】
さらに好ましくは、偏心補正光学系８の接眼凹面鏡３側の面を凸面で構成することが、収差補正上好ましい。このことは、像面５の湾曲の形に偏心補正光学系８の１面を合わせる形となる。これによって、この偏心補正光学系８を通過する光線の光路長が光軸近傍より周辺画角で短くなるために、像面湾曲補正に有利になるからである。このことは、偏心補正光学系８の役割が、像面湾曲を補正する役割が比較的強い時に重要となる。
【００４４】
さらに好ましくは、偏心補正光学系とリレー光学系、像面の偏心との両方を組み合わせることによって、更に良好な収差補正ができることは、言うまでもない。
【００４５】
また、さらに好ましくは、偏心補正光学系又は接眼凹面鏡を非球面にすることによって、図１の偏心補正光学系８のように、リレー光学系に入射する瞳収差を補正することが可能となり、リレー光学系の収差補正の負担が減り、リレー光学系を小型にできる。
【００４６】
さらに好ましくは、光軸６（図１）に対して、リレー光学系の一部又は全部を傾けて配置することにより、偏心補正光学系８で発生する色収差に対しても、リレー光学系で補正することが可能となる。
【００４７】
さらに好ましくは、偏心補正光学系の像面の傾き補正の負担を減らし、色収差補正によい結果を得るように、２次元画像表示素子を傾けて配置すると、全体の性能に良い結果を与える。
【００４８】
さらに、接眼凹面反射光学系３の前側焦点位置より凹面鏡３から離れた位置に観察者の瞳２位置を配置すると、接眼凹面鏡３の像面５を小さくすることが可能となり、観察者頭部と偏心補正光学素子８との干渉が避けやすく、接眼凹面光学系３の焦点距離をＦＲ 、接眼凹面光学系３と観察者虹彩位置２までの距離をＤとするとき、
Ｄ＞０．５×ＦＲ ・・・・（１）
なる条件式（１）を満足することが好ましい。
【００４９】
上記条件式（１）の下限を越えると、接眼凹面鏡３で反射した光線が極端に広がってしまい、偏心補正光学系８が大きくなり、観察者頭部に当たってしまう。また、リレー光学系が大型となり、装置全体が大型のものになってしまう。
【００５０】
また、接眼凹面反射光学系３と観察者眼球１の虹彩位置２又は眼球回旋点との距離は、接眼凹面反射光学系３を観察者眼球１直前に配置するために、余りに短いと、観察者の睫毛に当たったり恐怖感を与えてしまう。このために、接眼凹面反射光学系３と観察者虹彩位置２又は眼球回旋点までの距離Ｄは３０ｍｍ以上離して配置することが望ましく、
Ｄ＞３０ 〔ｍｍ〕 ・・・・（２）
なる条件（２）を満足することが好ましい。
【００５１】
さらに、第２の本発明のように、視軸の屈曲角を６０°以上傾けるようにすると、接眼凹面反射鏡によって発生する像面の屈曲後の視軸に対する傾きと、凹面反射鏡に斜めに光束が入射するために発生する複雑な非点収差の発生とにより、観察画角周辺まで明瞭な観察像を観察することができない。上記の収差を補正するためには、偏心補正光学系の第１面と第２面のＹ−Ｚ軸平面（観察者の左右方向と視軸を含む平面）内での曲率半径をＲＹ１、ＲＹ２とするとき、
ＲＹ１／ＲＹ２＜０．５ ・・・・（３）
なる条件（３）を満足することが重要である。
【００５２】
この条件（３）は、偏心補正光学系のＹ−Ｚ平面内での屈折力を表している。ただし、本発明の場合は、偏心補正光学系の第１面と第２面はお互いに偏心しているので、厳密には屈折力を定義することは不可能である。本発明のような光学系の場合、この条件式（３）の上限の０．５を越えると、特に６０°以上の屈曲角を接眼凹面鏡で得る場合、接眼凹面光学系で発生する強い像面湾曲を補正することが難しくなる。この像面湾曲は凹面鏡で発生するもので、比較的屈曲角が小さい場合は、屈曲後の視軸に対して垂直であり、かつ、曲率も緩い像面となる。しかし、屈曲角が６０°を越えてくると、視軸に対する傾きと曲率が共に大きくなり、この強い像面湾曲と像面の傾きをリレー光学系で補正できる限界を越えてしまう。さらに、偏心補正光学系でも、上記条件式（３）に示す範囲を越えると、湾曲補正が不可能となり、フラットで鮮明な観察像を得ることができなくなってしまう。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明の視覚表示装置の実施例１〜８について説明する。
実施例１
図５を参照にしてこの実施例を説明する。図中、２は観察者瞳位置、４は観察者が正面を観察している時の視軸、３は接眼凹面鏡、８は偏心補正光学系、１５はリレー光学系、１４は２次元画像表示素子である。
【００５４】
座標系を図示のように、観察者の左右方向の右から左を正方向とするＹ軸、観察者の視軸４方向の眼球側から凹面鏡３側を正方向とするＺ軸、上下方向の上から下を正方向とするＸ軸と定義する。
【００５５】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。
【００５６】
偏心量と傾き角は、凹面鏡３（面番号：２）についてはＹ軸方向への偏心量のみが与えられ、その頂点が射出瞳２中心を通る視軸４（Ｚ軸方向）からのＹ軸方向へ偏心している距離であり、偏心補正光学系８に関しては、各面（面番号：３、４）の頂点の射出瞳２中心からのＹ軸正方向及びＺ軸正方向への偏心量と、その面の頂点を通る中心軸のＺ軸方向からの傾き角が与えられる。面の中心軸の傾き角はＺ軸正方向からＹ軸正方向へ向かう回転角（図で反時計方向）を正方向の角度として与えられる。リレー光学系１５については、その第１面（面番号：５）の頂点位置が偏心補正光学系８の各面と同様に与えられ、その頂点を通る中心軸が光軸になり、その光軸の傾き角が同様に与えられる。リレー光学系１５の中の第１面以外の特定面（面番号：８）の偏心量と傾き角は、その面の頂点を通る中心軸（光軸）のその前の面の光軸に直角な方向への偏心量と傾き角で与えられる。偏心量と傾き角の表示のない面は、その前の面と同軸であることを表す。また、２次元画像表示素子１４（面番号：１３）については、その中心の射出瞳２中心からのＹ軸正方向及びＺ軸正方向への偏心量と、その面の法線のＺ軸方向からの傾き角とを与えてある。
【００５７】
また、各面の非球面形状は、座標系を図示のようにとり、各面の近軸曲率半径を、Ｙ−Ｚ面（紙面）に垂直な面内での曲率半径をＲｘ 、Ｙ−Ｚ面内での曲率半径をＲｙ とすると、次の式で表される。
【００５８】
ここで、Ｋｘ はＸ方向の円錐係数、Ｋｙ はＹ方向の円錐係数、ＡＲ、ＢＲはそれぞれ回転対称な４次、６次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰはそれぞれ非対称な４次、６次の非球面係数である。
【００５９】
また、面間隔は、射出瞳２と凹面鏡３の間については、射出瞳２中心と凹面鏡３頂点間のＺ軸方向の間隔、リレー光学系１５の第１面からその像面（２次元画像表示素子１４）に到る間隔は、その光軸に沿う間隔で示してある。リレー光学系１５については、面の曲率半径をｒ１ 〜ｒｉ で、面間隔をｄ１ 〜ｄｉ で、ｄ線の屈折率をｎ１ 〜ｎｉ で、アッベ数をν１ 〜νｉ で示す。
上記実施例の画角は、左右画角が４５°、上下画角が３４．６５°で、瞳径８ｍｍである。
【００６０】
この実施例の収差補正状態を示すスポットダイアグムを図１３に示す。図１３において、スポットダイアグムの左側の４つの数字の中、上段の２つの数字は、長方形の画面中央の座標（Ｘ，Ｙ）を（０．００，０．００）、右端中央の座標を（０．００，−１．００）、右上隅の座標を（１．００，−１．００）、上端中央の座標を（１．００，０．００）のように表現した場合の座標（Ｘ，Ｙ）を示し、下段の２つの数字は、視軸（画面中央）に対して上記座標（Ｘ，Ｙ）方向がなす角度のＸ成分、Ｙ成分（度表示）を示す。
実施例２
図６を参照にして、実施例２について説明する。この実施例の構成は実施例１と同じであるが、接眼凹面鏡３がＹ軸を軸とする回転楕円鏡からなる。
【００６１】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数も実施例１と同様である。各面の非球面形状も同様であるが、接眼凹面鏡３については、曲率半径をＲとすると、次の式で表される。
【００６２】
Ｚ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋｛ １−（１＋Ｋ） （ ｈ２／Ｒ２）｝１／２ ］＋Ａｈ４ ＋Ｂｈ６
（ｈ２ ＝Ｘ２ ＋Ｙ２ ）
ここで、Ｋは円錐係数、Ａ、Ｂはそれぞれ４次、６次の非球面係数である。
上記実施例の画角は、左右画角が４５°、上下画角が３４．６５°で、瞳径８ｍｍである。
【００６３】
この実施例の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムを図１４に示す。
実施例３
図７を参照にして、実施例３について説明する。この実施例の構成は実施例１と同じである。
【００６４】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が４５°、上下画角が３４．６５°で、瞳径６ｍｍである。
【００６５】
この実施例の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムを図１５に示す。
実施例４
図８を参照にして、実施例４について説明する。この実施例の構成は実施例１とほぼ同じである。
【００６６】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が５０°、上下画角が３５°で、瞳径８ｍｍである。なお、上記の表中、面番号：５の偏心量、傾き角の括弧内の数値にリレーレンズ系１５を移動することによって、左右の観察画角が５０°から３０°に切り換え可能となっている。
【００６７】
この実施例の広い画角時及び狭い画角時の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムをそれぞれ図１６、図１７に示す。
実施例５
図９を参照にして、実施例５について説明する。この実施例の構成は実施例１とほぼ同じである。
【００６８】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様である。
【００６９】
なお、以下に示す実施例５〜８の何れも接眼凹面鏡３による屈曲角は７０°である。
上記実施例の画角は、左右画角が５０°、上下画角が３８．５°で、瞳径１０ｍｍである。
【００７０】
この実施例の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムを図１８〜図２０に示す。
実施例６
図１０を参照にして、実施例６について説明する。この実施例の構成は実施例１とほぼ同じである。
【００７１】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数も実施例１と同様である。各面の非球面形状も同様であるが、リレー光学系１５については、実施例２の式で表される。
上記実施例の画角は、左右画角が５０°、上下画角が３８．５°で、瞳径１０ｍｍである。
実施例７
図１１を参照にして、実施例７について説明する。この実施例の構成は実施例６とほぼ同じである。
【００７２】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例６と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が５０°、上下画角が３８．５°で、瞳径１０ｍｍである。
実施例８
図１２を参照にして、実施例８について説明する。この実施例の構成は実施例６とほぼ同じである。
【００７３】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例６と同様である。
上記実施例の画角は、左右画角が５０°、上下画角が３５°で、瞳径１０ｍｍである。
【００７４】
実施例５〜８の場合、リレー光学系１５を観察者頭部（眼球上部）に配置することが可能となり、偏心補正光学系８が眼球の上部に位置するため、空中像ではなく外界像を観察している時に、偏心補正光学系８が邪魔をして外界の観察像の視野が観察できなくなる問題が発生しない。この問題が起こると、視覚表示装置を装着したまま他の仕事をしたり、場所を移動したりする時に、観察者の視野の狭さからくる不安を与えることになってしまう。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に基づき、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察できる頭部装着式視覚表示装置用偏心光学系を提供することができる。
【００７６】
また、眼鏡等を装着したまま空間に投影された広い観察画角の空中像を鮮明に観察することが可能な頭部装着式視覚表示装置偏心光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の視覚表示装置の概念図である。
【図２】本発明による偏心補正光学系の光路図である。
【図３】視覚表示装置の接眼凹面鏡によって発生する像面湾曲を示す図である。
【図４】眼の回旋運動によって視野がケラレる様子を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の光学的構成を示す断面図である。
【図６】実施例２の光学的構成を示す断面図である。
【図７】実施例３の光学的構成を示す断面図である。
【図８】実施例４の光学的構成を示す断面図である。
【図９】実施例５の光学的構成を示す断面図である。
【図１０】実施例６の光学的構成を示す断面図である。
【図１１】実施例７の光学的構成を示す断面図である。
【図１２】実施例８の光学的構成を示す断面図である。
【図１３】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１４】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１５】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１６】実施例４の広い画角時の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１７】実施例４の狭い画角時の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１８】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグムの一部である。
【図１９】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグムの別の一部である。
【図２０】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグムの残りの部分である。
【図２１】従来の頭部装着式視覚表示装置の構成を示す平面図である。
【図２２】本出願人による先行技術の頭部装着式視覚表示装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…観察者眼球
２…観察者瞳位置
３…接眼凹面鏡
４…観察者の視軸
５…接眼凹面鏡による無限遠物体の像面
６…接眼凹面鏡によって屈曲した光軸
７…観察者の瞳投影位置
８…偏心補正光学系
９…偏心補正光学系を射出した後の光軸
１４…２次元画像表示素子
１５…リレー光学系
１８…偏心補正光学系で補正された像面
【産業上の利用分野】
本発明は、偏心光学系及びそれを用いた視覚表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能とする頭部又は顔面装着式視覚表示装置に用いられる偏心光学系とその視覚表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、頭部装着式視覚表示装置として、図２１に平面図を示したようなものが知られている（米国特許第４０２６６４１号）。これは、ＣＲＴのような画像表示素子４６の像を画像伝達素子２５で物体面１２に伝達し、この物体面１２の像をトーリック反射面１０によって空中に投影するようにしたものである。
【０００３】
さらに、本出願人による先行技術として、特願平３−２９５８７４号において、偏心して配置した凹面接眼光学系と、偏心して配置したリレー光学系を使用した頭部装着式視覚表示装置がある。その１実施例の断面図を図２２に示す。図中Ｐは観察者眼球１３の回旋中心、Ｃは観察者にとって正面に相当する観察視軸、Ｑ１ は観察者瞳位置、Ｓ８ はＴを回転中心軸とする回転楕円体、１６はその回転楕円体の反射面、１７はリレー光学系の光軸、Ｑ２ は回転楕円体の焦点、１５はリレー光学系、１４は２次元画像表示素子である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
頭部装着式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを小さくすることと、重量を軽くすることは、装着性を損なわなくするために重要な点である。この装置全体の大きさを決定する要因は、光学系のレイアウトである。
【０００５】
装置全体を小型にするためには、２次元画像表示素子を凸レンズで拡大して直接観察する直視型のレイアウトでは、観察者顔面からの装置突出量が大きくなる。さらに、広い観察画角をとるためには、大きな正レンズ系と大きな２次元画像表示素子を使用する必要があり、装置が大きくなると同時に、重くなる。
【０００６】
疲労を感じさせずに長時間の観察を可能としたり、簡単に着脱するためには、観察者の眼球直前に反射面からなる接眼光学系を配置した構成が望ましい。これにより、２次元画像表示素子と照明光学系等を観察者の頭部周辺に小さくまとめて配置でき、装置の突出量が減ると同時に、軽量化が可能となる。
【０００７】
次に、大きな画角を確保することは、画像観察時の臨場感を上げるために必要である。特に、提示される画像の立体感は提示画角によって決まってしまう（テレビジョン学会誌 Ｖｏｌ．４５， Ｎｏ．１２， ｐｐ．１５８９−１５９６（１９９１））。
【０００８】
広い画角と高い解像力が得られる光学系をいかにして実現するかが、次に重要な問題となる。
【０００９】
立体感・迫力感等を観察者に与えるためには、水平方向で４０°（±２０°）以上の提示画角を確保することが必要であると同時に、１２０°（±６０°）付近でその効果は飽和してしまうことが知られている。つまり、４０°以上で、なるべく１２０°に近い観察画角にすることが望ましい。しかし、上記の接眼光学系が平面の反射鏡の場合は、観察者の眼球に上記の４０°以上の画角の光線を入射させようとした場合には、非常に大きな２次元画像表示素子を必要とし、結局装置全体が大きくて重いものとなってしまう。
【００１０】
さらに、凹面鏡は、その性質上、凹面鏡の表面に沿った凹面の強い像面歪曲を発生するために、平面の２次元画像表示素子を凹面鏡の焦点位置に配置すると、その観察像面は湾曲を起こしてしまい、視野周辺まで明瞭な観察像を得ることはできない。また、２次元画像表示素子の表示面を湾曲して配置する方法も、図２１の先行技術のように存在する。しかし、図２１のように凹面鏡を使用して、凹面鏡の前側焦点位置に２次元画像表示素子を配置し、凹面鏡のみで２次元画像表示素子を空中に拡大投影する配置をとっても、４０°以上の観察画角を提供する場合には、凹面鏡の収差のために高い解像力を得ることは難しかった。
【００１１】
また、図２２のような偏心配置の補正光学系を使用する場合、その偏心補正光学系が顔面近傍に位置するために、眼鏡等を使用しながら像を観察することができなかった。これは、図２２より明らかなように、眼鏡の縁の部分が偏心補正光学系と干渉することと、観察像を形成するリレー光学系からの光線が眼鏡レンズに裏側から当たってしまい、正常な観察像を観察することができなくなってしまうことによる。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、広い観察画角を提供しつつ、小型・軽量で、高い解像力と大きい射出瞳径を持った視覚表示装置、及び、このような視覚表示装置でありながら、眼鏡を掛けたまま観察できる視覚表示装置を提供しようとするものである。
【００１３】
以下、本発明の大きい射出瞳径を提供する目的について説明する。光学系の射出瞳径を大きくとらないと、周辺の画角を観察する時の眼の回旋運動によって視野がケラレてしまう。この様子を図４に示す。図（ａ）は、視野中心を観察している観察者の眼１の瞳位置２が光学系の射出瞳径位置に合っている場合であり、図（ｂ）は、視野周辺を観察しようとして観察者が眼１をその方向に回旋させて見ようとした場合であり、観察者の瞳２と眼球１の回旋中心がズレているために、図（ｂ）においては、あたかも瞳２が横ズレしたようになる。このため、例えば左方向を観察しようとして眼球１を左に回すと、右側の視野がケラレて見えなくなる問題が発生する。
【００１４】
また、観察者の瞳と装置自体の射出瞳は、装置の装着状態で変化する。観察者の瞳径に対してある程度余裕を持った射出瞳径を持った装置でないと、装置装着時や観察者の個人差によって起こる観察者瞳位置と装置の射出瞳位置のズレを吸収できずに、観察者の瞳で観察画像が遮られ、広い観察画角を確保することはできない。
【００１５】
この問題を解決するためには、観察系の射出瞳径を大きく設計することが重要となる。一般のカメラレンズでも、瞳径を大きくすること、すなわち、Ｆナンバーを小さくすることは、レンズの収差補正上難しくなり、瞳径を２倍にすることには大変な困難が伴う。例えば、Ｆナンバー２．８で焦点距離５０ｍｍのカメラ用標準レンズとＦナンバー１．４の標準レンズでは、その構成枚数は３枚のトリプレットタイプから６枚のガウスタイプにする必要がある。このように、瞳径（Ｆナンバー）を２倍にすることは、光学系の構成を大きく変え、レンズ構成の大形化を招いてしまう。
【００１６】
ところで、一般の人の約半数は近視・乱視等の視覚障害を持っている。近年、コンタクトレンズが普及してコンタクトレンズ装着者の割合が増えてはいるが、コンタクトレンズは、その取扱いや保守性から一部の人の使用に限られており、価格や取扱い等の問題で眼鏡を使用している人が殆どである。
【００１７】
眼鏡を利用している人が眼鏡を取った裸眼により、例えば図２１〜２２のような視覚表示装置を装着して、明瞭な観察画像を観察できるようにするには、視覚表示装置側に何らかの視度補正手段を設ける必要がある。
【００１８】
しかし、小型・軽量を目的とする本発明のような視覚表示装置に乱視を含めた視度補正手段を設けることは、装置の大型化と重量の増大を招くと共に、装置側の視度補正量を観察者に合うよう適切に調整できるようにすることは非常に難しくなる。また、間違った視度で正常な観察視力を持った観察者が長時間観察してしまった場合、その観察者の視度が逆に装置側の間違った視度に順応してしまって、観察者の視力が悪くなってしまう危険性もある。
【００１９】
さらに、２次元画像表示素子の空中像と外界の観察像を重畳して観察する所謂「スーパーインポーズ」での観察では、外界の像の視度と視覚表示装置により空間に投影された空中像との両方に視度補正機構を付加することが必要になり、ますます装置の大型化を招いてしまう。
【００２０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、４０°（±２０°）以上の観察画角で観察でき、かつ、周辺までフラットで鮮明な画像が観察でき、さらに、広い射出瞳径を確保した視覚表示装置用の偏心光学系を提供することである。
【００２１】
また、本発明の別の目的は、眼鏡等を装着したまま空間に投影された広い観察画角の空中像を鮮明に観察することが可能な視覚表示装置用の偏心光学系を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の偏心光学系は、像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第１透過面、第２透過面、第１反射面及びリレー光学系を含み、
前記第１反射面、光路上前記第１反射面よりも前記像面側にある前記第１透過面及び前記第２透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第１透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第１反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その形状が回転対称ではなく、回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成され、
前記第１透過面と前記第２透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第２の偏心光学系は、像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第１透過面、第２透過面、第１反射面及びリレー光学系を含み、
前記第１反射面、光路上前記第１反射面よりも前記像面側にある前記第１透過面及び前記第２透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第１透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第１反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その面形状が前記第１反射面に入射する光軸と反射後に射出する光軸の両方の光軸を含んだＹ−Ｚ平面を断面とした時の面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面と光軸上垂直なＸ−Ｚ平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成され、
前記第１透過面と前記第２透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために前記Ｙ−Ｚ平面を断面した時の面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面と光軸上垂直なＸ−Ｚ平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
これらの場合、偏心光学系が、前記第１透過面とは別に、第２透過面を有し、第２透過面は、第１透過面と相関して、少なくとも第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正する回転非対称な非球面形状にて構成されていることが望ましい。
【００２５】
そして、偏心光学系は、第１透過面と像面との間に、前記リレー像を形成するリレー光学群を配置し、
リレー光学群は、平面状の前記像面を、湾曲した曲面状のリレー像として光路内にリレーするように構成されていることが望ましい。
【００２６】
また、第１反射面は、瞳中心を透過する光軸の直線上に傾いて配置されていることが望ましい。
【００２７】
また、第１反射面は、その反射面にて光軸が反射屈曲される時の屈曲角度が６０°以上となるように構成されていることが望ましい。
【００２８】
なお、本発明は、像面上に配置された画像表示素子と、以上の何れかの偏心光学系とを含んでなる視覚表示装置を含むものである。
【００２９】
【作用】
以下、上記配置をとる理由と作用について説明する。以下は、設計上の利便性から、観察者瞳位置から２次元画像表示素子へ向けて光線を追跡する逆追跡の光路に沿って説明する。
【００３０】
接眼凹面反射光学系とリレー光学系の間に配置された偏心補正光学素子は、偏心して配置された接眼凹面反射光学系で発生する光軸に対して対称ではない収差を補正するためのものである。
【００３１】
以下、上記配置をとる理由について、リレー光学系を省略した図３を用いて説明する。図３は、観察者の右眼に当たる光学系の接眼凹面鏡によって発生する像面湾曲を逆追跡によって示した図である。この図は右眼用の光学系であり、左眼用の光学系はこれと対称に配置される。この図において、観察者眼球を１、観察者瞳位置を２、接眼凹面鏡を３、観察者の視軸を４、接眼凹面鏡３による無限遠物体の像面を５、接眼凹面鏡３によって屈曲した光軸を６、接眼凹面鏡３による観察者の瞳投影位置を７で示す。
【００３２】
この図は、観察者眼球位置１での瞳径は８ｍｍ、追跡光線の画角は５０°（半画角２５°）と、３５°（半画角１７．５°）の光線を示している図である。前記のように、観察画角が４０°を越える広画角の接眼凹面反射光学系では、凹面鏡の結像特性として、凹面鏡の焦点面５は湾曲してしまう。観察画角の中心である視軸４は、接眼凹面鏡３によって反射され、光軸６となる。凹面鏡３を視軸４に対して偏心して配置しているために、像面５と光軸６は垂直にならずに、光軸６に対して斜めに傾いた像面５として形成される。
【００３３】
つまり、偏心した凹面鏡３で光軸６までも屈曲させているために、観察画角の中心である光軸６に対して傾いてなおかつ湾曲した像面５を形成する。この像面湾曲は、凹面反射鏡３を非球面で構成しても、トーリック面で構成しても、同じである。
【００３４】
この像面をリレー光学系で２次元画像表示素子上に投影することは、傾いて湾曲した物体面を平面の２次元画像表示素子上に投影することをリレー光学系に要求することとなる。本発明のような偏心補正光学系がなくとも、リレーレンズ系の偏心と２次元画像表示素子の傾きによって、像面の傾きと像面湾曲を補正できることは、一般に周知の事実であるが、本発明のように大きな瞳径と高い解像力を同時に満足することは困難で、大掛かりなリレー光学系が必要となる。
【００３５】
そこで、本発明においては、光軸に対して傾いていて湾曲した物体面を光軸に対して垂直に起こすと共に像面湾曲を補正する偏心補正光学系を、接眼凹面反射光学系とリレー光学系の間の像面近傍に配置することで、上記のような像面の光軸に対する傾きと湾曲を同時に補正することに成功したものである。
【００３６】
この偏心補正光学系の少なくとも１つの面は、光軸に対して傾いていることはもちろん、リレー光学系の光軸に対しても傾いていると同時に、偏心補正光学系の２つの面も互いに偏心した面で構成することが好ましい。これは、接眼凹面鏡による像面が単に傾いた平面ではなく、湾曲を持った曲面になっていて、なおかつ、傾いているためである。この傾いた像面を平面に補正するためには、複雑に偏心した曲面で上記偏心補正光学系を構成する必要がある。
【００３７】
このような構成をとる効果について、図１の本発明の概念図を用いて説明する。図１の概念図において、観察者眼球位置を１、観察者虹彩位置を２、接眼凹面鏡を３、観察者視軸を４、接眼凹面鏡３による無限遠物体の像面を５、接眼凹面鏡３で反射された視軸を６、偏心補正光学系を８、偏心補正光学系８を射出した後の光軸を９、偏心補正光学系８で補正された像面を１８で示す。
【００３８】
先ず、第１に、偏心補正光学系８が楔状をしていることが重要である。図１に示すように、楔状の偏心補正光学系８は、視軸６に対して非対称な光路長を持つことによって、視軸６に対して傾いて形成される像５を光軸９に対してほぼ垂直な像面１８に変換する作用がある。
【００３９】
次に、視軸に対して対称な像面湾曲を補正するために、リレー光学系（図１中では省略）に対して凹面を向けている像面湾曲補正のために、偏心補正光学系８の第１面Ｓ１ を図１のＳ２ のように凸面することで、上記像面湾曲を補正できる。これにより、リレー光学系は平坦な像面を２次元画像表示素子に投影するだけですむので、リレー光学系の収差補正の負担が大幅に減り、小型のリレー光学系で構成することに成功したものである。
【００４０】
図２に本発明による偏心補正光学系の光路図を示す。この図は後記する実施例１の偏心補正光学系による補正状態を示すもので、図において、観察者眼球を１、観察者瞳位置を２、接眼凹面鏡を３、観察者の視軸を４、接眼凹面鏡３による像面を５、接眼凹面鏡３と図示しないリレー光学系の間に配置される偏心補正光学系を８、接眼凹面鏡３及び偏心補正光学系８によって屈曲した光軸を９、接眼凹面鏡３及び偏心補正光学系８による観察者の瞳２の投影位置を７、接眼凹面鏡３と偏心補正光学系８によって補正された像面を１８で示す。この光路図から明らかなように、接眼凹面鏡３による像面５は、偏心補正光学系８によって光軸９に対して垂直で平坦な像面１８に補正される。
【００４１】
このように、偏心した面で構成されている偏心補正光学系８によって、リレー光学系での収差補正の負担が減り、本発明のように、大きな瞳径を確保しつつ、高い解像力を満足した観察光学系とすることが可能となる。なお、上記のように、偏心補正光学系８の第１面と第２面は、軸上光線に対して楔状をしていることが、像面の傾きを補正し、解像力の高い観察像を提供するために重要である。
【００４２】
さらに好ましくは、接眼凹面鏡３で発生した非点収差は、接眼凹面鏡３が偏心して配置されているために、視軸に対して回転対称ではない複雑な非点隔差を発生させている。この複雑な非点隔差を補正するために、偏心補正光学系８はアナモルフィク面で構成することが望ましく、図２の紙面内のＹ−Ｚ軸面内の屈折力より、紙面と垂直なＸ−Ｚ軸面内の屈折力が小さくなるように構成することが、非点収差を補正して解像力の高い観察像を視野周辺まで提供するために必要となる。
【００４３】
さらに好ましくは、偏心補正光学系８の接眼凹面鏡３側の面を凸面で構成することが、収差補正上好ましい。このことは、像面５の湾曲の形に偏心補正光学系８の１面を合わせる形となる。これによって、この偏心補正光学系８を通過する光線の光路長が光軸近傍より周辺画角で短くなるために、像面湾曲補正に有利になるからである。このことは、偏心補正光学系８の役割が、像面湾曲を補正する役割が比較的強い時に重要となる。
【００４４】
さらに好ましくは、偏心補正光学系とリレー光学系、像面の偏心との両方を組み合わせることによって、更に良好な収差補正ができることは、言うまでもない。
【００４５】
また、さらに好ましくは、偏心補正光学系又は接眼凹面鏡を非球面にすることによって、図１の偏心補正光学系８のように、リレー光学系に入射する瞳収差を補正することが可能となり、リレー光学系の収差補正の負担が減り、リレー光学系を小型にできる。
【００４６】
さらに好ましくは、光軸６（図１）に対して、リレー光学系の一部又は全部を傾けて配置することにより、偏心補正光学系８で発生する色収差に対しても、リレー光学系で補正することが可能となる。
【００４７】
さらに好ましくは、偏心補正光学系の像面の傾き補正の負担を減らし、色収差補正によい結果を得るように、２次元画像表示素子を傾けて配置すると、全体の性能に良い結果を与える。
【００４８】
さらに、接眼凹面反射光学系３の前側焦点位置より凹面鏡３から離れた位置に観察者の瞳２位置を配置すると、接眼凹面鏡３の像面５を小さくすることが可能となり、観察者頭部と偏心補正光学素子８との干渉が避けやすく、接眼凹面光学系３の焦点距離をＦＲ 、接眼凹面光学系３と観察者虹彩位置２までの距離をＤとするとき、
Ｄ＞０．５×ＦＲ ・・・・（１）
なる条件式（１）を満足することが好ましい。
【００４９】
上記条件式（１）の下限を越えると、接眼凹面鏡３で反射した光線が極端に広がってしまい、偏心補正光学系８が大きくなり、観察者頭部に当たってしまう。また、リレー光学系が大型となり、装置全体が大型のものになってしまう。
【００５０】
また、接眼凹面反射光学系３と観察者眼球１の虹彩位置２又は眼球回旋点との距離は、接眼凹面反射光学系３を観察者眼球１直前に配置するために、余りに短いと、観察者の睫毛に当たったり恐怖感を与えてしまう。このために、接眼凹面反射光学系３と観察者虹彩位置２又は眼球回旋点までの距離Ｄは３０ｍｍ以上離して配置することが望ましく、
Ｄ＞３０ 〔ｍｍ〕 ・・・・（２）
なる条件（２）を満足することが好ましい。
【００５１】
さらに、第２の本発明のように、視軸の屈曲角を６０°以上傾けるようにすると、接眼凹面反射鏡によって発生する像面の屈曲後の視軸に対する傾きと、凹面反射鏡に斜めに光束が入射するために発生する複雑な非点収差の発生とにより、観察画角周辺まで明瞭な観察像を観察することができない。上記の収差を補正するためには、偏心補正光学系の第１面と第２面のＹ−Ｚ軸平面（観察者の左右方向と視軸を含む平面）内での曲率半径をＲＹ１、ＲＹ２とするとき、
ＲＹ１／ＲＹ２＜０．５ ・・・・（３）
なる条件（３）を満足することが重要である。
【００５２】
この条件（３）は、偏心補正光学系のＹ−Ｚ平面内での屈折力を表している。ただし、本発明の場合は、偏心補正光学系の第１面と第２面はお互いに偏心しているので、厳密には屈折力を定義することは不可能である。本発明のような光学系の場合、この条件式（３）の上限の０．５を越えると、特に６０°以上の屈曲角を接眼凹面鏡で得る場合、接眼凹面光学系で発生する強い像面湾曲を補正することが難しくなる。この像面湾曲は凹面鏡で発生するもので、比較的屈曲角が小さい場合は、屈曲後の視軸に対して垂直であり、かつ、曲率も緩い像面となる。しかし、屈曲角が６０°を越えてくると、視軸に対する傾きと曲率が共に大きくなり、この強い像面湾曲と像面の傾きをリレー光学系で補正できる限界を越えてしまう。さらに、偏心補正光学系でも、上記条件式（３）に示す範囲を越えると、湾曲補正が不可能となり、フラットで鮮明な観察像を得ることができなくなってしまう。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明の視覚表示装置の実施例１〜８について説明する。
実施例１
図５を参照にしてこの実施例を説明する。図中、２は観察者瞳位置、４は観察者が正面を観察している時の視軸、３は接眼凹面鏡、８は偏心補正光学系、１５はリレー光学系、１４は２次元画像表示素子である。
【００５４】
座標系を図示のように、観察者の左右方向の右から左を正方向とするＹ軸、観察者の視軸４方向の眼球側から凹面鏡３側を正方向とするＺ軸、上下方向の上から下を正方向とするＸ軸と定義する。
【００５５】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。
【００５６】
偏心量と傾き角は、凹面鏡３（面番号：２）についてはＹ軸方向への偏心量のみが与えられ、その頂点が射出瞳２中心を通る視軸４（Ｚ軸方向）からのＹ軸方向へ偏心している距離であり、偏心補正光学系８に関しては、各面（面番号：３、４）の頂点の射出瞳２中心からのＹ軸正方向及びＺ軸正方向への偏心量と、その面の頂点を通る中心軸のＺ軸方向からの傾き角が与えられる。面の中心軸の傾き角はＺ軸正方向からＹ軸正方向へ向かう回転角（図で反時計方向）を正方向の角度として与えられる。リレー光学系１５については、その第１面（面番号：５）の頂点位置が偏心補正光学系８の各面と同様に与えられ、その頂点を通る中心軸が光軸になり、その光軸の傾き角が同様に与えられる。リレー光学系１５の中の第１面以外の特定面（面番号：８）の偏心量と傾き角は、その面の頂点を通る中心軸（光軸）のその前の面の光軸に直角な方向への偏心量と傾き角で与えられる。偏心量と傾き角の表示のない面は、その前の面と同軸であることを表す。また、２次元画像表示素子１４（面番号：１３）については、その中心の射出瞳２中心からのＹ軸正方向及びＺ軸正方向への偏心量と、その面の法線のＺ軸方向からの傾き角とを与えてある。
【００５７】
また、各面の非球面形状は、座標系を図示のようにとり、各面の近軸曲率半径を、Ｙ−Ｚ面（紙面）に垂直な面内での曲率半径をＲｘ 、Ｙ−Ｚ面内での曲率半径をＲｙ とすると、次の式で表される。
【００５８】
【００５９】
また、面間隔は、射出瞳２と凹面鏡３の間については、射出瞳２中心と凹面鏡３頂点間のＺ軸方向の間隔、リレー光学系１５の第１面からその像面（２次元画像表示素子１４）に到る間隔は、その光軸に沿う間隔で示してある。リレー光学系１５については、面の曲率半径をｒ１ 〜ｒｉ で、面間隔をｄ１ 〜ｄｉ で、ｄ線の屈折率をｎ１ 〜ｎｉ で、アッベ数をν１ 〜νｉ で示す。
【００６０】
この実施例の収差補正状態を示すスポットダイアグムを図１３に示す。図１３において、スポットダイアグムの左側の４つの数字の中、上段の２つの数字は、長方形の画面中央の座標（Ｘ，Ｙ）を（０．００，０．００）、右端中央の座標を（０．００，−１．００）、右上隅の座標を（１．００，−１．００）、上端中央の座標を（１．００，０．００）のように表現した場合の座標（Ｘ，Ｙ）を示し、下段の２つの数字は、視軸（画面中央）に対して上記座標（Ｘ，Ｙ）方向がなす角度のＸ成分、Ｙ成分（度表示）を示す。
実施例２
図６を参照にして、実施例２について説明する。この実施例の構成は実施例１と同じであるが、接眼凹面鏡３がＹ軸を軸とする回転楕円鏡からなる。
【００６１】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数も実施例１と同様である。各面の非球面形状も同様であるが、接眼凹面鏡３については、曲率半径をＲとすると、次の式で表される。
【００６２】
Ｚ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋｛ １−（１＋Ｋ） （ ｈ２／Ｒ２）｝１／２ ］＋Ａｈ４ ＋Ｂｈ６
（ｈ２ ＝Ｘ２ ＋Ｙ２ ）
ここで、Ｋは円錐係数、Ａ、Ｂはそれぞれ４次、６次の非球面係数である。
【００６３】
この実施例の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムを図１４に示す。
実施例３
図７を参照にして、実施例３について説明する。この実施例の構成は実施例１と同じである。
【００６４】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様である。
【００６５】
この実施例の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムを図１５に示す。
実施例４
図８を参照にして、実施例４について説明する。この実施例の構成は実施例１とほぼ同じである。
【００６６】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様である。
【００６７】
この実施例の広い画角時及び狭い画角時の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムをそれぞれ図１６、図１７に示す。
実施例５
図９を参照にして、実施例５について説明する。この実施例の構成は実施例１とほぼ同じである。
【００６８】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様である。
【００６９】
なお、以下に示す実施例５〜８の何れも接眼凹面鏡３による屈曲角は７０°である。
【００７０】
この実施例の収差補正状態を示す図１３と同様なスポットダイアグムを図１８〜図２０に示す。
実施例６
図１０を参照にして、実施例６について説明する。この実施例の構成は実施例１とほぼ同じである。
【００７１】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数も実施例１と同様である。各面の非球面形状も同様であるが、リレー光学系１５については、実施例２の式で表される。
実施例７
図１１を参照にして、実施例７について説明する。この実施例の構成は実施例６とほぼ同じである。
【００７２】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例６と同様である。
実施例８
図１２を参照にして、実施例８について説明する。この実施例の構成は実施例６とほぼ同じである。
【００７３】
以下、この光学系の構成パラメータを示すが、面番号は、射出瞳２位置から２次元画像表示素子１４へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のとり方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例６と同様である。
【００７４】
実施例５〜８の場合、リレー光学系１５を観察者頭部（眼球上部）に配置することが可能となり、偏心補正光学系８が眼球の上部に位置するため、空中像ではなく外界像を観察している時に、偏心補正光学系８が邪魔をして外界の観察像の視野が観察できなくなる問題が発生しない。この問題が起こると、視覚表示装置を装着したまま他の仕事をしたり、場所を移動したりする時に、観察者の視野の狭さからくる不安を与えることになってしまう。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に基づき、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察できる頭部装着式視覚表示装置用偏心光学系を提供することができる。
【００７６】
また、眼鏡等を装着したまま空間に投影された広い観察画角の空中像を鮮明に観察することが可能な頭部装着式視覚表示装置偏心光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の視覚表示装置の概念図である。
【図２】本発明による偏心補正光学系の光路図である。
【図３】視覚表示装置の接眼凹面鏡によって発生する像面湾曲を示す図である。
【図４】眼の回旋運動によって視野がケラレる様子を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の光学的構成を示す断面図である。
【図６】実施例２の光学的構成を示す断面図である。
【図７】実施例３の光学的構成を示す断面図である。
【図８】実施例４の光学的構成を示す断面図である。
【図９】実施例５の光学的構成を示す断面図である。
【図１０】実施例６の光学的構成を示す断面図である。
【図１１】実施例７の光学的構成を示す断面図である。
【図１２】実施例８の光学的構成を示す断面図である。
【図１３】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１４】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１５】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１６】実施例４の広い画角時の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１７】実施例４の狭い画角時の収差補正状態を示すスポットダイアグムである。
【図１８】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグムの一部である。
【図１９】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグムの別の一部である。
【図２０】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグムの残りの部分である。
【図２１】従来の頭部装着式視覚表示装置の構成を示す平面図である。
【図２２】本出願人による先行技術の頭部装着式視覚表示装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…観察者眼球
２…観察者瞳位置
３…接眼凹面鏡
４…観察者の視軸
５…接眼凹面鏡による無限遠物体の像面
６…接眼凹面鏡によって屈曲した光軸
７…観察者の瞳投影位置
８…偏心補正光学系
９…偏心補正光学系を射出した後の光軸
１４…２次元画像表示素子
１５…リレー光学系
１８…偏心補正光学系で補正された像面
Claims (6)
- 像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第１透過面、第２透過面、第１反射面及びリレー光学系を含み、
前記第１反射面、光路上前記第１反射面よりも前記像面側にある前記第１透過面及び前記第２透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第１透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第１反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その形状が回転対称ではなく、回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成され、
前記第１透過面と前記第２透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために回転非対称な非球面係数を含んだ非球面形状にて構成されていることを特徴とする偏心光学系。 - 像面と観察者の瞳との間に配置され、少なくとも光軸に対して偏心した光学面を含んだ偏心光学系において、
前記偏心光学系は、少なくとも、第１透過面、第２透過面、第１反射面及びリレー光学系を含み、
前記第１反射面、光路上前記第１反射面よりも前記像面側にある前記第１透過面及び前記第２透過面は、前記観察者の瞳側に位置する無限物点からの光を集光して前記第１透過面近傍にリレー像を形成し、
前記リレー光学系は、該リレー像を前記像面に投影し、
前記第１反射面が、光線を反射させる方向に凹面を向けて偏心配置され、その面形状が前記第１反射面に入射する光軸と反射後に射出する光軸の両方の光軸を含んだＹ−Ｚ平面を断面とした時の面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面と光軸上垂直なＸ−Ｚ平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成され、
前記第１透過面と前記第２透過面とは楔状に配置され、
少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正するために前記Ｙ−Ｚ平面を断面した時の面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面と光軸上垂直なＸ−Ｚ平面を断面とした時の面形状とが互いに異なった回転非対称な非球面形状にて構成されていることを特徴とする偏心光学系。 - 前記第２透過面は、前記第１透過面と相関して、少なくとも前記第１反射面によって発生する回転対称ではない非点隔差を補正する回転非対称な非球面形状にて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の偏心光学系。
- 前記第１反射面は、前記瞳中心を透過する光軸の直線上に傾いて配置されていることを特徴とする請求項１記載の偏心光学系。
- 前記第１反射面は、その反射面にて前記光軸が反射屈曲される時の屈曲角度が６０°以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の偏心光学系。
- 前記像面上に配置された画像表示素子と、請求項１から５の何れか１項記載の偏心光学系とを含んだことを特徴とする視覚表示装置。
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