JP3870075B2 - 画像表示装置および撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子等に表示された原画を拡大表示させるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置に好適な表示光学系および撮像装置に好適な撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が良く知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
図１２には、従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置を示している。同装置では、表示素子１０１に表示された画像からの光束をハーフミラー１０２で反射させ、凹面鏡１０３に入射させ、凹面鏡１０３で反射した光束をハーフミラー１０２を介して観察者の眼Ｅに導いている。表示素子１０１に表示した画像は、凹面鏡１０３によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子１０１に表示した画像の拡大虚像を観察することができる。
【０００５】
また、例えば特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−５０２５６号公報，特開平８−１６０３４０号公報および特開平８−１７９２３８号公報等においては、画像を表示する画像表示素子としてのＬＣＤ（液晶）と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００６】
図１３には、特開平７−３３３５５１号公報で提案されている画像表示装置を示している。この装置において、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、プリズム１１２に形成した曲率を有した全反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これによって表示素子（ＬＣＤ）１１１に表示された画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００７】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００８】
図１３に示す光学系のタイプは、図１２に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、画像を表示する表示素子であるＬＣＤ等の高精細化が進み、従来と同程度の画素数を有しながらも従来より小型化されたＬＣＤ等が開発されている。このような小型化された画像表示素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、従来と同様の画角を達成するためには、光学系の倍率を上げる必要が生じる。
【００１０】
このような状況に鑑みて、特開平１０−１５３７４８号公報には、偏心プリズムとリレーレンズ系とを組み合わせ、リレーレンズ系により一旦中間像を形成してから表示素子に表示された画像を観察者に導く光学系が提案されている。これにより、図１３に示すタイプの薄型という特徴を有しつつ、更なる倍率向上を果たし、ＬＣＤサイズに対して広画角化を図っている。
【００１１】
また、この特開平１０−１５３７４８号公報にて提案の光学系に比べて、更なる光学性能向上を図ったものとして、偏心プリズムの内部反射面を増加させ、偏心プリズムのみで中間像を形成し、その像を観察者に導くタイプや、第１の偏心プリズム光学系に第２の偏心プリズムを設けたタイプ等が、特開２０００−０６６１０６号公報，特開２０００−１０５３３８号公報，特開２０００−１３１６１４号公報，特開２０００−１９９８５３号公報，特開２０００−２２７５５４号公報および特開２０００−２３１０６０号公報等に提案されている。
【００１２】
一般的に、一旦中間像を形成するタイプの光学系は光路長が長くなり、装置が大型化するという問題があるが、これらの各公報にて提案の光学系においても、透過作用と反射作用とを果たす兼用面を用いたり、光路を交差させたりする等の工夫により小型化を目指している。
【００１３】
本発明は、小型の表示素子を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で広撮影画角を達成できる撮像光学系を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明では、画像表示素子と、画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置において、表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面およびこの第１の面で反射した原画からの光を透過する第２の面とを有する光学素子と、この第２の面から光学素子を射出した光を反射して、第２の面を再度透過させて光学素子に入射させる反射部材とを有し、第２の面を再度透過した後、第１の面に再度入射した中心画角主光線が，そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に反射して進むと共に、表示光学系内で原画の中間像を形成している。
【００１５】
すなわち、第１の面および反射部材の間で光を略往復させて光路を折り返すことにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、小型の原画（画像表示素子に表示された画像等）を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することが可能となる。
【００１６】
そして、反射部材を光学素子とは別部材とすることにより、表示光学系の大きさに影響を与えずに光路中の有効面を増やすことができるため、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を図ることが可能となる。
【００１７】
また、表示光学系（例えば、光学素子）内で原画の中間像を形成させている。すなわち、小型の原画の中間結像面を拡大して表示する中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することが可能である。
【００１８】
また、この表示光学系を構成する光学面を光に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで表示光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、原画のアスペクト比と表示画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な表示画像を得ることが可能となる。
【００１９】
なお、この表示光学系は、観察者が頭部に装着して画像を観察するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やスクリーン等の被投射面に画像を拡大投射する投射型画像表示装置（プロジェクタ）等の画像表示装置に好適である。
【００２０】
また、本願第２の発明では、撮像素子と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置において、撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面およびこの第１の面で反射した被写体からの光を透過する第２の面とを有する光学素子と、この第２の面から光学素子を射出した光を反射して、第２の面を再度透過させて光学素子に入射させる反射部材とを有し，第２の面を再度透過した後、第１の面に再度入射した中心画角主光線が、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に反射して進むと共に、撮像光学系内で被写体の中間像を形成している。すなわち、第１の面および反射部材の間で光を略往復させて光路を折り返すことにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、小型でありながらも広撮影画角を達成することが可能となる。
【００２１】
そして、反射部材を光学素子とは別部材とすることにより、撮像光学系の大きさに影響を与えずに光路中の有効面を増やすことができるため、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を図ることが可能となる。
【００２２】
また、撮像光学系（例えば、光学素子）内で被写体の中間像を形成させている。すなわち、被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することが可能である。
【００２３】
また、この撮像光学系を構成する光学面を光に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで撮像光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、複数の回転非対称面（自由曲面）を採用すると、被写体のアスペクト比と撮影画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な撮影画像を得ることが可能となる。
【００２４】
なお、この撮像光学系は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に好適である。
【００２５】
また、第１および第２の発明において、光学素子上の光学面で光を全反射させるようにすることにより、長い光路長でも光量ロスを少なくすることが可能である。
【００２６】
また、表示光学系および撮像光学系のいずれにおいても、光を反射して折り返す面を曲面とするとよい。折り返し反射面が平面であると、反射時に周辺画像の光線の方向を個々に制御できないため、光学系が大型化してしまう。折り返し反射面が回転非対称面であると、周辺画像の光線方向を自由に制御できるため、曲面の場合よりも更に小型化可能となる。さらに、反射部材を透過面および反射面を有する裏面鏡とすることにより、透過面も光学面として使えるため、光学系の大きさに影響を与えずにさらに結像性能を向上させることができる。
【００２７】
ここで、折り返し反射面に、ほぼ１００％近く光を反射する金属ミラーコーティングをして光量ロスをできるだけ少なくすることが望ましい。
【００２８】
なお、上記光学系は、言い換えれば、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、反射部材で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成されている。即ち、第１の面で反射された光を反射部材によって第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反射することによって効果的に光路を重複させ、長い光路長を小型の光学系の中に納めることができるようにしている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系２０は、内部がガラスやプラスチックなどの光学媒質で満たされた透明体（以下、光学素子という）２１と、反射ミラー部材２２とを有して構成されている。
【００３０】
光学素子２１は、入射面および反射面として作用する面２１ａと、反射面および射出面として作用する面２１ｂ（第１の面）と、透過面として作用する面２１ｃ（第２の面）とを有している。なお，面２１ａにはハーフミラーコーティングが施されている。１０は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。
【００３１】
画像表示素子１０により変調された光は、面２１ａから光学素子２１に入射し、面２１ｂで反射して面２１ｃから屈折されつつ光学素子２１を射出する。射出した光は反射ミラー部材２２の反射面２２ａで入射光とほぼ逆向きに反射し、再び面２１ｃから光学素子２１に入射し、面２１ｂにおいて、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に再反射する。そして、面２１ａで反射した後、面２１ｂを透過して光学素子２１を射出し、本表示光学系の射出瞳Ｓに到達する。
【００３２】
この図では、画像表示素子１０から発した光束の例として、画像表示素子１０の表示面中心を射出し、射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を実線で示している。
【００３３】
本実施形態においては、面２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうち少なくとも１つの面を曲面で構成し、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子１０上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【００３４】
この表示光学系２０において、光は面２１ａ→面２１ｂ→面２１ｃ→面２２ａ→面２１ｃ→面２１ｂ→面２１ａ（→面２１ｂ）の順で各面を通り、面２２ａでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。面２１ａ→面２１ｂ→面２１ｃ→面２２ａまでの光路を往路と呼び、面２２ａ→面２１ｃ→２１ｂ→２１ａまでの光路を復路と呼び、これら往路と復路の組み合わせにより往復光路が形成されている。また、面２２ａを折り返し反射面と呼ぶ。
【００３５】
このように、面２２ａを折り返し反射面として表示光学系２０内で往復光路を形成することで光路を重複させるように折り返し、表示光学系２０内のスペースを有効に利用して光路長に対して表示光学系２０を小型化している。
【００３６】
このとき、往復光路を用いることにより表示光学系２０の小型化は図れるが、面を重複して利用するため、設計の自由度が低下し、光学性能の低下や製造許容誤差の減少などが懸念される。
【００３７】
しかし、本実施形態では、折り返し反射面２２ａを含む反射ミラー部材２２を光学素子２１とは別部材とすることにより、光学系の大きさに影響を与えずに光路中の有効面を増やし、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を実現している。
【００３８】
また、図１に示すように、光学素子２１を構成する反射面を，中心画角主光線に対して偏心させて配置することにより、光路を斜めに折り畳み、光学系２０の薄型化を実現している。この際、光学的パワー（１／焦点距離）を有した面を偏心させて配置することにより生じる偏心収差を補正するために、光学素子２１を構成する面のうち少なくとも１つの面をアジムス角度により光学的パワーの異なる回転非対称面（いわゆる自由曲面）で構成することが好ましい。
【００３９】
さらに好ましくは、光学素子２１を構成する全ての面を自由曲面で構成することにより、さらに良好な光学性能を得ることができる。
【００４０】
このとき、各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい。
【００４１】
また、面２１ｂでの反射を光学素子２１内での全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。また、少なくとも面２１ｂでの反射光束と射出光束とが共用する領域においては反射光束が全反射するようにすると、反射光束の全てを全反射とする場合に対して設計の自由度を上げることができる。
【００４２】
このように、透過作用と反射作用の両作用を有する面における反射を全反射とすることにより、光を効率良く利用することができる。
【００４３】
反射ミラー部材２２の反射面２２ａの形状は、結像作用面を増やすという観点から曲面であることが望ましく、さらに，偏心した回転非対称形状とすることにより、光学素子２１で発生する偏心収差の補正に寄与させ、光学性能の向上を図ることができる。
【００４４】
図１に破線で示したように、画像表示素子１０の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両端に至る光線も、面２１ａ→面２１ｂ→面２１ｃ→面２２ａ→面２１ｃ→面２１ｂ→面２１ａ（→面２１ｂ）と中心画角主光線と同様の経路をたどる。この際、画像表示素子１０から射出瞳Ｓまでの光路中で両端からの光線が交わっており、画像表示素子１０上に表示された画像の中間像が形成されている。これにより、画像表示素子１０の表示サイズに対する表示画角設定の自由度を向上させて広画角化（高倍率表示）を可能にしている。
【００４５】
また、中間像を略平行光として射出瞳Ｓに導くいわゆる接眼光学系部分の収差補正を容易にするため、中間結像面は接眼光学系部分での像面湾曲、非点収差や歪曲収差の発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有したり歪曲させたりするように形成されていてもよい。
【００４６】
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子１０に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供することができる。また、表示光学系２０内で１回結像を行うことで、画像表示素子１０の表示サイズに対する表示画角設定の自由度を向上させ、広画角化（高倍率表示）を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを表示光学系２０内に往復光路を形成することで光路を重複させて表示光学系２０の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【００４７】
（第２実施形態）
図２には、本発明の第２実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系２０は、第１実施形態と同じ光学素子２１と、裏面鏡である反射ミラー部材２２’とを有して構成されている。画像表示素子１０から射出した光が表示光学系２０内を進む経路は第１実施形態と同様であるが、反射ミラー部材２２’の反射面２２ａ’での反射の前後に透過面２２ｂ’を通過する点で第１実施形態と異なる。
【００４８】
このように、反射ミラー部材２２’を透過面２２ｂ’および反射面２２ａ’を有する裏面鏡とすることにより、透過面２２ｂ’も光学面として使えるため、光学系の大きさに影響を与えずにさらに結像性能を向上させることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
図３には、本発明の第３実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系２０は、第１実施形態と同じ光学素子２１と、複数の光学素子により構成された反射ミラー部材２２”とを有して構成されている。画像表示素子１０から射出した光が表示光学系２０内を進む経路は第１実施形態と同様であるが、反射ミラー部材２２”を構成する複数の光学素子の各光学面を通過する点で第１実施形態と異なる。
【００５０】
このように、反射ミラー部材２２”を複数の光学素子で構成することにより、色収差の補正が容易となり、さらなる結像性能の向上ができる。
【００５１】
（第４実施形態）
図４には、本発明の第４実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系２０は、第１実施形態と同じ光学素子２１および反射ミラー部材２２とからなる第１の光学系と、画像表示素子１０から射出した光を光学素子２１の入射面に導く第２の光学系３０とを有して構成されている。
【００５２】
これにより、画像表示素子１０から発せられた光に与える光学的パワーを、第１の光学系２０と第２の光学系３０とに分散させることが可能となり、各光学面で発生する収差を抑えることができるため、良好な結像性能が得られる。
【００５３】
（第５実施形態）
図５には、本発明の第５実施形態である撮像光学系を示している。この撮像光学系１２０は、第１実施形態に示したものと同様の光学素子２１と、反射ミラー部材２２とから構成されている。４０はＣＣＤ等の撮像素子である。
【００５４】
Ｓはこの撮像光学系１２０の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００５５】
本実施形態において、光学素子２１の面２１ｂ（第１の面）は被写体からの光の入射面および反射面として作用し、面２１ａ（第３の面）は反射面および射出面として作用し、面２１ｃ（第２の面）は透過面として作用する。また、反射ミラー部材２２の面２２ａは反射面として作用する。
【００５６】
絞りＳを通過した被写体からの光は、光学素子２１に面２１ｂから入射し、面２１ａで反射し、面２１ｂで反射し、面２１ｃを透過して光学素子２１を射出する。光学素子２１から射出した光は、反射ミラー部材２２の面２２ａでほぼ逆向きに折り返し反射し、面２１ｃを透過して光学素子２１に再び入射する。そして、面２１ｂにおける最初の光の反射領域に戻されて反射し、面２１ａを透過して光学素子２１を射出する。
【００５７】
光学素子２１を射出した光は、撮像素子４０に到達する。この際、所望の外界（被写体）からの光は撮像素子４０の撮像面上に結像し、これにより、外界像の撮像を行うことができる。
【００５８】
以上のように撮像光学系を構成することにより、被写体を撮像素子４０に良好な光学性能で結像させる撮像装置を提供することができる。
【００５９】
また、撮像光学系１２０内で１回中間結像させることで、撮像素子４０のサイズに対して撮影画角の自由度を向上させて広画角化を可能にし、これに伴い光路長が長くなるのを光学系１２０内に往復光路を形成することで光路を重複させるよう折り畳み、光学系１２０の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を実現している。
【００６０】
本実施形態においても、光学素子２１の各光学面を回転非対称面で構成したり、図２，３に示すように反射ミラー部材を裏面鏡で構成したり、図４に示すように光学素子２１と撮像素子４０の間の光路中に別の光学系を挿入することにより、より良好な結像性能を得ることができる。
【００６１】
以上説明した第１から第５実施形態においては、中心画角主光線（表示光学系においては画像表示素子の表示面中心から射出瞳Ｓ中心に至る光線であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面中心に至る光線である）の反射ミラー部材における折り返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本発明の光学系はこの構成に限るものではない。
【００６２】
（第６実施形態）
図６および図７にはそれぞれ、第６実施形態である表示光学系の構成を示している。これらの図に示した表示光学系２０’，２０”では、中心画角主光線の光路が第１実施形態のものと異なっている。
【００６３】
図６および図７ともに、面２１ａ→面２１ｂ→面２１ｃ→面２２ａ→面２１ｃ→面２１ｂ→面２１ａ→面２１ｂの往復光路が形成されている点は第１実施形態の表示光学系２０と同様である。
【００６４】
但し、図６の表示光学系２０’では、面２１ｂで反射した中心画角主光線が面２２ａで角度θをなして折り返し反射されて、面２１ｂでの先の反射地点よりも高い位置で再反射される点が第１実施形態と異なる。
【００６５】
また、図７の表示光学系２０”では、面２１ｂで反射した中心画角主光線が面２２ａで角度θをなして折り返し反射されて、面２１ｂでの先の反射地点よりも低い位置で再反射される点が第１実施形態と異なる。
【００６６】
このように折り返し反射面２２ａの前後で光が所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０° …（１）
を満たすことが好ましい。
【００６７】
この式（１）の条件を外れると、光学素子２１が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない。
【００６８】
なお、本実施形態では、表示光学系について説明したが、第５実施形態に示したような撮像光学系にも本実施形態と同様の考え方を適用することができる。
【００６９】
（第７実施形態）
図８には、本発明の第７実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系５０は、内部がガラスやプラスチックなどの光学媒質で満たされた透明体（以下、光学素子という）５１と、反射ミラー部材５２とを有して構成されている。
【００７０】
光学素子５１は、入射面および反射面として作用する面５１ａと、反射面および透過面として作用する面５１ｂ（第２の面）と、反射面として作用する面５１ｃ（第１の面）とを有している。なお、面５１ａにはハーフミラーコーティングが、面５１ｃには反射ミラーコーティングが施されている。１０は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。
【００７１】
画像表示素子１０により変調された光は、面５１ａから光学素子５１に入射し、面５１ｂに臨界角以上の角度で入射して全反射し、面５１ｃで反射し、面５１ｂに臨界角以下の角度で入射して屈折されつつ光学素子５１を射出する。射出した光は、反射ミラー部材５２の反射面５２ａでほぼ逆向きに反射し、再び面５１ｂを透過して光学素子５１に入射する。
【００７２】
光学素子５１に入射した光は、面５１ｃでそのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に反射して、面５１ｂで再び全反射し、面５１ａで反射した後、面５１ｂを透過して光学素子５１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００７３】
この図では、画像表示素子１０から発した光束の例として，画像表示素子１０の表示面中心を射出し、射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【００７４】
本実施形態においては、面５１ａ，５１ｂ，５１ｃのうち少なくとも１つの面を曲面で構成し、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子１０上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【００７５】
この表示光学系５０において、光は面５１ａ→面５１ｂ→面５１ｃ→面５１ｂ→面５２ａ→面５１ｂ→面５１ｃ→面５１ｂ→面５１ａ（→面５１ｂ）の順で各面を通り、面５２ａでの折り返し反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。
【００７６】
面５１ａ→面５１ｂ→面５１ｃ→面５１ｂ→面５２ａまでの光路を往路と、面５２ａ→面５１ｂ→面５１ｃ→面５１ｂ→面５１ａまでの光路を復路と呼び、これら往路と復路を合わせて往復光路と呼ぶ。また、面５２ａを折り返し反射面と呼ぶ。
【００７７】
このように面５２ａを折り返し反射面として、表示光学系５０内で往復光路を形成することで光路を重複させるように折り返し、表示光学系５０内のスペースを有効に利用し、光路長に対して表示光学系５０を小型化している。
【００７８】
このように表示光学系５０を構成することにより、第１実施形態と同様に、画像表示素子１０に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供することができる。
【００７９】
また、表示光学系５０内で１回結像を行うことで、画像表示素子１０の表示サイズに対する表示画角設定の自由度を向上させ、広画角化（高倍率表示）を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを表示光学系５０内に往復光路を形成することで光路を重複させて表示光学系５０の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【００８０】
（第８実施形態）
図９には、本発明の第８実施形態である撮像光学系を示している。この撮像光学系１５０は、第７実施形態に示したものと同様の光学素子５１と、反射ミラー部材５２’とから構成されている。４０はＣＣＤ等の撮像素子である。
【００８１】
Ｓはこの撮像光学系１５０の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００８２】
本実施形態において、光学素子５１は、透過面および反射面として作用する面５１ｂ（第２の面）と、反射面および射出面として作用する面５１ａと、反射面として作用する面５１ｃ（第１の面）とを有している。なお、面５１ａにはハーフミラーコーティングが、面５１ｃには反射ミラーコーティングが施されている。
【００８３】
絞りＳを通過した被写体からの光は、面５１ｂを透過して光学素子５１に入射し、面５１ａで反射し、面５１ｂに臨界角以上の角度で入射して全反射し、面５１ｃで反射し、面５１ｂに臨界角以下の角度で入射して光学素子５１を射出する。光学素子５１を射出した光は、反射ミラー部材５２’の反射面５２ａ’でほぼ逆向きに折り返し反射した後、再び面５１ｂを透過して光学素子５１に入射する。
【００８４】
光学素子５１に入射した光は、面５１ｃでそのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に反射して、面５１ｂで再び全反射し、面５１ａを透過して光学素子５１を射出する。
【００８５】
光学素子５１を射出した光は、撮像素子４０に到達する。この際、所望の外界（被写体）からの光は撮像素子４０の撮像面上に結像し、これにより、外界像の撮像を行うことができる。
【００８６】
以上のように撮像光学系を構成することにより、被写体を撮像素子４０に良好な光学性能で結像させる撮像装置を提供することができる。
【００８７】
また、撮像光学系１５０内で１回結像を行うことで、撮像素子４０のサイズに対して撮影画角の自由度を向上させて広画角化を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを撮像光学系１５０内に往復光路を形成することで光路を重複させて撮像光学系１５０の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を構成できる。
【００８８】
また、図８および図９に示した第７および第８実施形態においても、光学素子５１の各光学面および反射ミラー部材５２，５２’の反射面を回転非対称面で構成したり、反射ミラー部材５２，５２’を図２および３に示したような裏面鏡や複数の光学素子で構成したり、光学素子５１と画像表示素子１０あるいは撮像素子４０との間の光路中に別の光学系を挿入したりすることによるメリットは、第１実施形態と同様である。
【００８９】
また、図６および７に示したように、折り返し反射面５２ａ，５２ａ’の前後で光線が所定の角度をなして入射・反射するようにしてもよい。
【００９０】
以下、上記各実施形態の数値実施例について説明する。
【００９１】
［数値実施例１］
図１０には、図１に示した第１実施形態の数値実施例の光学断面図を示している。図中の２０は表示光学系を示し、２１は３つの光学面を有する光学素子、２２は反射ミラー部材である。
【００９２】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ第１実施形態にて説明した面２１ｂ，２１ａ，２１ｃに相当する。また、Ｓ６は反射ミラー部材２２の反射面２２ａに相当する。
【００９３】
また、図中の３０は第２の光学系であり、光学素子２１のＳ９に接合された面Ｓ９およびＳ１０を有するレンズ形状素子と、面Ｓ１１およびＳ１２を有する凸レンズとから構成されている。
【００９４】
これら光学素子２１および第２の光学系３０を構成する各光学面は全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。本数値実施例の光学データを表１に示す。
【００９５】
ここで、表１の光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）並びに図面上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単位：度）である。
【００９６】
Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、ＦＦＳは以下の式に従う回転非対称面である．
【００９７】
【数１】

【００９８】
ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｃｉ（ｉ＝１，２，３…）に対応する回転非対称形状であることを示している。
【００９９】
Ｎｄ，νｄ（但し、表ではｖｄと記す）はそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示し、アッベ数νｄは省略している。
【０１００】
また、折り返し反射面での中心画角主光線の入射光線と反射光線とのなす角度θの絶対値を｜θ｜として記載している。以上の表の項目は、以降の数値実施例においても同様である。
【０１０１】
【表１】

【０１０２】
表１から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、第２の光学系３０のＳ１２，Ｓ１１，Ｓ１０を介してＳ９（面２１ａ）から光学素子２１に入射し、Ｓ８（面２１ｂ）で反射し、Ｓ７（面２１ｃ）で屈折しつつ光学素子２１を射出する。射出した光は、Ｓ６（反射ミラー部材２２の反射面２２ａ）で折り返し反射し、Ｓ５（面２１ｃ）から再び光学素子２１に入射し、Ｓ４（面２１ｂ）で反射し、Ｓ３（面２１ａ）で反射し、Ｓ２（面２１ｂ）から光学素子２１を射出して射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１０３】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１０４】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の被写体からの光は、絞りＳ１を通過してＳ２から光学素子２１に入射し、Ｓ３，Ｓ４で反射し、Ｓ５を透過して光学素子２１から射出し、Ｓ６で折り返し反射してＳ７を透過して光学素子２１に入射し、Ｓ８で反射してＳ９から光学素子２１を射出する。光学素子２１を射出した光は、第２の光学系のＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を介して撮像面ＳＩ上に外界（被写体）像を結像する。
【０１０５】
［数値実施例２］
図１１には、図８に示した第７実施形態の数値実施例の光学断面図を示している。図中の５０は表示光学系を示し、５１は３つの光学面を有する光学素子、５２は反射ミラー部材である。
【０１０６】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０は同一面、Ｓ３，Ｓ１１は同一面、Ｓ５，Ｓ９は同一面であり、これら３面はそれぞれ第７実施形態にて説明した面５１ｂ，５１ａ，５１ｃに相当する。また、Ｓ７は反射ミラー部材５２の反射面５２ａに相当する。
【０１０７】
また、図中の３０’は第２の光学系であり、面Ｓ１２およびＳ１３を有する凸レンズから構成されている。
【０１０８】
これら光学素子５１および第２の光学系３０’を構成する各光学面は全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。本数値実施例の光学データを表２に示す。
【０１０９】
【表２】

【０１１０】
表２から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、第２の光学系３０’のＳ１３，Ｓ１２を介してＳ１１（面５１ａ）から光学素子５１に入射し、Ｓ１０（面５１ｂ）で反射し、Ｓ９（面５１ｃ）で反射し、Ｓ８（面５１ｂ）で屈折しつつ光学素子５１を射出する。
【０１１１】
射出した光は、Ｓ７（反射ミラー部材５２の反射面５２ａ）で折り返し反射し、Ｓ６（面５１ｂ）から再び光学素子５１に入射し、Ｓ５（面５１ｃ）で反射し、Ｓ４（面５１ｂ）で反射し、Ｓ３（面５１ａ）で反射し、Ｓ２（面５１ｂ）から光学素子５１を射出して射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１１２】
本数値実施例は、長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、数値実施例１とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【０１１３】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の被写体からの光は、絞りＳ１を通過してＳ２から光学素子５１に入射し、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６を透過して光学素子５１から射出し、Ｓ７で折り返し反射してＳ８を透過して光学素子５１に入射し、Ｓ９，Ｓ１０で反射してＳ１１から光学素子５１を射出する。光学素子５１を射出した光は、第２の光学系のＳ１２，Ｓ１３を介して撮像面ＳＩ上に外界（被写体）像を結像する。
【０１１４】
なお、以上説明した全ての実施形態において、第１の光学系を通過する光束の任意の光線をトレースしたとき、その光線は、第１の面における最初の（１回目）の反射と２回目の反射とで、一方の反射角を基準として他方では逆符号の反射角で反射するような光路をとっている。
【０１１５】
具体的には、例えば図１の紙面内において、１回目の反射（面２１ｂでの反射）における反射角が正符号（反射光が法線の紙面内反時計周り方向に存在する場合）であれば、２回目の反射（面２１ｂでの再反射）における反射角は負符号（反射光が法線の紙面内時計周り方向に存在する場合）となるような光路になっている。
【０１１６】
このような光路をとることによって、第１の面と反射部材との間で光束は略往復することになるので、第１の光学系内の空間を有効に利用して光路長を稼ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学系が実現できる。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１の発明によれば、第１の面および反射部材の間で光を略往復させて光路を折り返すようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型の原画を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することができる。
【０１１８】
また、反射部材を光学素子とは別部材としているので、表示光学系の大きさに影響を与えずに光路中の有効面を増やすことができ、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を図ることができる。
【０１１９】
また、表示光学系（例えば、光学素子）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることができるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することができる。
【０１２０】
また、本願第２の発明によれば、第１の面および反射部材の間で光を略往復させて光路を折り返すようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型でありながらも広撮影画角を達成することができる。
【０１２１】
また、反射部材を光学素子とは別部材としているので、撮像光学系の大きさに影響を与えずに光路中の有効面を増やすことができ、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を図ることができる。
【０１２２】
なお、撮像光学系（例えば、光学素子）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である表示光学系の構成図。
【図２】本発明の第２実施形態である表示光学系の構成図。
【図３】本発明の第３実施形態である表示光学系の構成図。
【図４】本発明の第４実施形態である表示光学系の構成図。
【図５】本発明の第５実施形態である撮像光学系の構成図。
【図６】本発明の第６実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図７】上記第６実施形態である表示光学系（２）の構成図。
【図８】上記第７実施形態である表示光学系の構成図。
【図９】本発明の第８実施形態である撮像光学系の構成図。
【図１０】本発明の数値実施例１の光学系断面図。
【図１１】本発明の数値実施例２の光学系断面図。
【図１２】従来の表示光学系の構成図。
【図１３】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
２０，２０’，５０ 表示光学系
２１ 光学素子
２２，２２’，２２”，５２，５２’ 反射ミラー部材
３０，３０’ 第２の光学系
１０ 画像表示素子
４０ 撮像素子

Claims (10)

1. 画像表示素子と、その画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置であって、
   前記表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面およびこの第１の面で反射した前記原画からの光を透過する第２の面とを有する光学素子と、この第２の面から前記光学素子を射出した光を反射して、前記第２の面を再度透過させて前記光学素子に入射させる反射部材を有し、
   前記第２の面を再度透過した後、前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、
   前記表示光学系内で前記原画の中間像を形成することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方が、入射する光線に対して偏心していることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方が、曲率を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方が、回転非対称面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記光学素子上に形成された光学面のいずれかで光が全反射することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記反射部材の反射面が、入射する光線に対して偏心していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記反射部材の反射面が、曲率を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記反射部材の反射面が、回転非対称面であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
9. 前記反射部材が裏面鏡で構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 撮像素子と、被写体からの光をその撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置であって、
    前記撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面およびこの第１の面で反射した前記被写体からの光を透過する第２の面とを有する光学素子と、この第２の面から前記光学素子を射出した光を反射して、前記第２の面を再度透過させて前記光学素子に入射させる反射部材を有し、
    前記第２の面を再度透過した後、前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、
    前記撮像光学系内に前記被写体の中間像を形成することを特徴とする撮像装置。

Images