JP5791991B2 - 偏心光学系、偏心光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置 - Google Patents
偏心光学系、偏心光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置 Download PDFInfo
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Description
としている。
画像表示素子の原画像を観察者眼球に虚像として投影する偏心光学系において、
前記画像表示素子に対向して配置され、少なくとも3面の光学面が相互に偏心し、そのうちの少なくとも2面が回転非対称な形状であって、内部が屈折率1以上の媒質で満たされた偏心プリズムと、
前記観察者眼球と前記偏心プリズムの間に配備され、相互に偏心した2面で構成され、内部が屈折率1以上の媒質で満たされ、前記画像表示素子の中心から射出瞳中心に入射する軸上主光線より前記画像表示素子側は正のパワーを有する部分が存在し、その反対側では負のパワーを有する部分が存在する偏心レンズと、
からなり、
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
前記Z軸と前記Y軸を含む前記偏心面上且つ前記偏心プリズムの入射面である第3面の有効面内において、パワーが正から負、または負から正に変化する変曲点が少なくとも2箇所あり、中心のパワーが正でありその両側の軸外のパワーが負である
ことを特徴とする。
置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
Z=(r2/R)/[1+√{1−(1+k)(r/R)2 }]
66
+Σ Cj Xm Yn
j=1
・・・(a)
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。
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。
る。
は負のパワーを有する部分を存在させることにより、上記した偏心ディストーションの補正が可能になる。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
前記偏心レンズにおけるY方向のパワー分布は、Y方向画角が大から小さくなるにしたがって小さくなることを特徴とする。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
下記条件式(1)を満足することを特徴とする。
0.0005≦(φlenx−φlenm)/φy≦0.015 ・・・(1)
ただし、
φlenxは、偏心レンズのパワーの最大値、
φlenmは、偏心レンズのパワーの最小値、
φyは、光学系全系のY方向のパワーである。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
下記条件式(1’)を満足することを特徴とする。
0.0008≦(φlenx−φlenm)/φy≦0.01 ・・・(1’)
ただし、
φlenxは、偏心レンズのパワーの最大値、
φlenmは、偏心レンズのパワーの最小値、
φyは、光学系全系のY方向のパワーである。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
下記条件式(2)を満足することを特徴とする。
−4 ≦ φylen/φy ≦ 3 ・・・(2)
ただし、
φylenは、偏心レンズのY方向のパワー、
φyは、光学系全系のY方向のパワーである。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
下記条件式(2’)を満足することを特徴とする。
−3 ≦ φylen/φy ≦ 2 ・・・(2’)
ただし、
φylenは、偏心レンズのY方向のパワー、
φyは、光学系全系のY方向のパワーである。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
下記条件式(3)を満足することを特徴とする。
−80 ≦ flex・fy/fley・fx ≦ 40 ・・・(3)
ただし、
flexは、偏心レンズのX方向の焦点距離、
fleyは、偏心レンズのY方向の焦点距離、
fyは、光学系全系のY方向の焦点距離である。
ストーションの補正が過剰になる。上限40を超えると偏心レンズ30の上側のXZ面内に比べてYZ面内の正のパワーが大きくなり、他の面で補正できないレベルの非点隔差が発生する。図8には、各実施例(実施例1〜実施例3)について、条件式(3)の値がグラフで示されている。
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
下記条件式(3’)を満足することを特徴とする。
−70 ≦ flex・fy/fley・fx ≦ 30 ・・・(3’)
ただし、
flexは、偏心レンズのX方向の焦点距離、
fleyは、偏心レンズのY方向の焦点距離、
fyは、光学系全系のY方向の焦点距離である。
前記偏心プリズムの入射面である第3面の有効面内において、パワーが正から負、または負から正に変化する変曲点が少なくとも2箇所あることを特徴とする。
前述した何れかの偏心光学系と、
前記偏心光学系の逆光線追跡における像面に配備された画像表示素子を備え、
前記偏心光学系の入射瞳位置に観察者の眼を配備することを特徴とする。
物体からの光を開口絞りと偏心光学系を介して撮像素子に結像させる撮像装置において、
前記偏心光学系は、
前記撮像素子に対向して配置され、少なくとも3面の光学面が相互に偏心し、そのうちの少なくとも2面が回転非対称な形状であって、内部が屈折率1以上の媒質で満たされた偏心プリズムと、
前記開口絞りと前記偏心プリズムの間に配備され、相互に偏心した2面で構成され、内部が屈折率1以上の媒質で満たされ、前記開口絞り中心から前記撮像素子の中心に入射する軸上主光線より前記画像表示素子側は正のパワーを有する部分が存在し、その反対側では負のパワーを有する部分が存在する偏心レンズと、を備えることを特徴とする。
実施例1〜3は、画像表示素子5として、水平画角55°で0.8インチの液晶表示素子(LCD)を想定しており、また、画像表示素子5側に、第3面43と、第3面43から入射した光束を内部反射させる第1面41と、第1面41から反射された光束を反射させる第2面42と、第2面42から反射された光束を射出する第1面41を備え、第3面43から入射した光線は、第1面41から射出するまでの光線はプリズム内では交差しないような光路を有する偏心プリズム40を用いており、これら第1面41〜第3面43に面対称自由曲面を用いている。さらに、第1面41を射出した光線は、偏心レンズ30の第2面32から入射し、屈折して、第1面31から射出し、観察者眼球2の虹彩位置近傍に射出瞳21を形成する。
の透過面である第1面41に入射して偏心プリズム40内に入り、主に正のパワーを有する内部反射面の第2面42で反射され、次に内部反射面として作用する第1面41で反射され、その反射光線は透過面の第3面41を透過して偏心プリズム40から射出して、画像表示素子のカバーガラスを介して像面の位置に配置された画像表示素子5の表示面に到達して結像する。ここで、第1面41は、第2面42から反射した光線に対しては、第1面41に対する入射角が臨界角以上の場合、その領域では全反射を起こして反射する。第1面41に対する入射角が臨界角より小さい場合には、その領域にはアルミニウムなどの反射膜をコーティングされる。また、この反射コーティングする領域は、画像表示素子5へ射出する領域と重ならないようにすることが肝要となる。
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
1 ∞(絞り面)
2 FFS[1] 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[2] 偏心(2)
4 FFS[3] 偏心(3) 1.5254 56.2
5 FFS[4] 偏心(4) 1.5254 56.2
6 FFS[3] 偏心(3) 1.5254 56.2
7 FFS[5] 偏心(5)
8 ∞ 0.74 偏心(6) 1.5163 64.1
像 面 ∞
FFS[1]
C4 -2.7575e-003 C6 -1.9277e-002 C8 -2.4903e-004
C10 2.0434e-003 C11 -4.1901e-005 C13 -1.3727e-004
C15 -5.4831e-005
FFS[2]
C4 -8.6565e-003 C6 -7.9980e-003 C8 1.3864e-005
C10 2.8199e-004 C11 4.5270e-005 C13 -7.9576e-005
C15 7.9320e-006 C17 -3.7809e-006 C19 -5.2615e-006
C21 1.2706e-006 C22 -1.1061e-007 C24 -5.9560e-009
C26 9.1532e-009 C28 1.0253e-007
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C4 -3.9163e-002 C6 -3.9905e-002 C8 2.2968e-003
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偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 12.00
α 12.16 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 0.14 Z 14.30
α 25.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
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偏心[5]
X 0.00 Y 13.95 Z 16.56
α 75.15 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
X 0.00 Y 15.20 Z 17.00
α 68.62 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
1 ∞
2 ∞(絞り面)
3 FFS[1] 偏心(1) 1.5254 56.2
4 FFS[2] 偏心(2)
5 FFS[3] 偏心(3) 1.5254 56.2
6 FFS[4] 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[3] 偏心(3) 1.5254 56.2
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像 面 ∞
FFS[1]
C4 3.2764e-004 C6 -9.3389e-003 C8 1.5877e-003
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C15 4.4326e-005
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C26 -6.6421e-006 C28 -4.6625e-007
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 12.00
α 6.45 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 0.68 Z 14.07
α 10.10 β 3.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 10.01 Z 12.69
α 20.24 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 2.67 Z 22.42
α -12.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y 11.86 Z 19.71
α 67.20 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
X 0.00 Y 14.15 Z 18.16
α 62.98 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
1 ∞(絞り面)
2 FFS[1] 偏心(1) 1.5254 56.2
3 FFS[2] 偏心(2)
4 FFS[3] 偏心(3) 1.5254 56.2
5 FFS[4] 偏心(4) 1.5254 56.2
6 FFS[3] 偏心(3) 1.5254 56.2
7 FFS[5] 偏心(5)
8 ∞ 0.74 偏心(6) 1.5163 64.1
像 面 ∞
FFS[1]
C4 1.0276e-002 C6 -7.8644e-003 C8 2.6894e-004
C10 1.9581e-003 C11 -2.1167e-004 C13 -1.9504e-005
C15 1.0745e-004
FFS[2]
C4 9.6017e-003 C6 7.4822e-003 C8 2.5826e-004
C11 -8.2212e-005 C13 -8.3341e-005 C15 1.1722e-004
C17 2.4678e-006 C19 -5.6760e-006 C21 6.9844e-006
FFS[3]
C4 -3.6213e-003 C6 -8.3483e-003 C8 4.1354e-004
C10 2.2575e-004 C11 -8.1506e-005 C13 -7.2705e-006
C15 2.0578e-005 C17 -9.3771e-006 C19 -1.5283e-006
C21 3.7919e-007 C22 2.1668e-008 C24 -3.3503e-007
C26 -2.4553e-008 C28 1.6465e-009
FFS[4]
C4 -1.3282e-002 C6 -1.4591e-002 C8 1.1102e-004
C10 1.6441e-004 C11 -2.1345e-005 C13 -4.3870e-006
C15 -3.6691e-006 C17 -1.8030e-007 C19 4.7596e-007
C21 1.5316e-007
FFS[5]
C4 -3.2963e-002 C6 -3.6739e-002 C8 2.3323e-003
C10 -1.4919e-003 C11 4.2887e-004 C13 5.5405e-004
C15 7.2332e-004 C17 2.2387e-006 C19 -2.1346e-005
C21 -3.4126e-005 C22 -2.4689e-007 C24 -1.6318e-006
C26 -1.5202e-006 C28 -8.0673e-007
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 12.00
α 1.41 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y -0.02 Z 13.37
α 6.63 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 11.57 Z 12.75
α 17.83 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 2.86 Z 23.05
α -13.09 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y 13.60 Z 18.30
α 64.81 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
X 0.00 Y 15.49 Z 19.40
α 54.73 β 0.00 γ 0.00
着用に構成してもよい。そのようにして、片眼あるいは両眼で観察できる据え付け型又はポータブル型の画像表示装置として構成することができる。
21…射出瞳
22…軸上主光線(観察者視軸)
3…偏心光学系
30…偏心レンズ
31…第1面
32…第2面
40…偏心プリズム
41…第1面
42…第2面
43…第3面
5…画像表示素子
61…本体
62…前フレーム
63…後フレーム
64…頭頂フレーム
65…リヤプレート
66…リヤカバー
70…ビデオ再生装置
71…ケーブル
101…観察者視軸
102…軸上主光線
103…中間像面
Claims (6)
- 画像表示素子の原画像を観察者眼球に虚像として投影する偏心光学系において、
前記画像表示素子に対向して配置され、少なくとも3面の光学面が相互に偏心し、そのうちの少なくとも2面が回転非対称な形状であって、内部が屈折率1以上の媒質で満たされた偏心プリズムと、
前記観察者眼球と前記偏心プリズムの間に配備され、相互に偏心した2面で構成され、内部が屈折率1以上の媒質で満たされ、前記画像表示素子の中心から射出瞳中心に入射する軸上主光線より前記画像表示素子側は正のパワーを有する部分が存在し、その反対側では負のパワーを有する部分が存在する偏心レンズと、
からなり、
前記偏心光学系から射出された前記軸上主光線と前記射出瞳中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
前記Z軸と前記Y軸を含む前記偏心面上且つ前記偏心プリズムの入射面である第3面の有効面内において、パワーが正から負、または負から正に変化する変曲点が少なくとも2箇所あり、中心のパワーが正でありその両側の軸外のパワーが負である
ことを特徴とする偏心光学系。 - 前記偏心レンズにおけるY方向のパワー分布は、Y方向画角が大から小さくなるにしたがって小さくなる
ことを特徴とする請求項1に記載の偏心光学系。 - 下記条件式(2)を満足する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の偏心光学系。
−4 ≦ φylen/φy ≦ 3 …(2)
ただし、
φylenは、偏心レンズのY方向のパワー、
φyは、光学系全系のY方向のパワー、
である。 - 下記条件式(2')を満足する
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の偏心光学系。
−3 ≦ φylen/φy ≦ 2 …(2')
ただし、
φylenは、偏心レンズのY方向のパワー、
φyは、光学系全系のY方向のパワー、
である。 - 請求項1から請求項4の何れか1項に記載の偏心光学系と、
前記偏心光学系の逆光線追跡における像面に配備された画像表示素子を備え、
前記偏心光学系の入射瞳位置に観察者の眼を配備する
ことを特徴とする画像表示装置。 - 物体からの光を開口絞りと偏心光学系を介して撮像素子に結像させる撮像装置において、
前記偏心光学系は、
前記撮像素子に対向して配置され、少なくとも3面の光学面が相互に偏心し、そのうちの少なくとも2面が回転非対称な形状であって、内部が屈折率1以上の媒質で満たされた偏心プリズムと、
前記開口絞りと前記偏心プリズムの間に配備され、相互に偏心した2面で構成され、内部が屈折率1以上の媒質で満たされ、前記開口絞り中心から前記撮像素子の中心に入射する軸上主光線より前記画像表示素子側は正のパワーを有する部分が存在し、その反対側では負のパワーを有する部分が存在する偏心レンズと、
からなり、
前記偏心光学系に入射する前記軸上主光線と前記開口絞り中心を結ぶ直線で定義される軸をZ軸とし、前記Z軸と直交し、かつ、前記偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記Z軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸としたとき、
前記Z軸と前記Y軸を含む前記偏心面上且つ前記偏心プリズムの射出面である第3面の有効面内において、パワーが正から負、または負から正に変化する変曲点が少なくとも2箇所あり、中心のパワーが正でありその両側の軸外のパワーが負である
ことを特徴とする撮像装置。
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