JP5980627B2 - 偏心光学系、偏心光学系を用いた画像投影装置、及び偏心光学系を用いた画像撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射ミラーを偏心して配置する偏心光学系、偏心光学系を用いた画像投影装置、及び偏心光学系を用いた画像撮像装置に関するものである。

従来、小型画像表示素子を用い、これらの表示素子の原画像を光学系によって拡大した像を投影する画像投影装置が知られている（特許文献１〜４）この画像投影装置は、携帯性の高いものとするために装置全体の小型化、軽量化することが要望されている。また、画像を呈示するには、表示素子の原画像をある程度の大きさに拡大するための画角で投影すると共に、高い解像度で表現できる光学系が求められる。このような要求を満たすための手段として、投影光学系を観察者視軸に対して偏心した凹面鏡である偏心ミラーを配備し、画像表示素子の拡大した虚像を投影するようにしたものである。

特開２００１−２１５４１２号公報 特開２００４−２９５０４２号公報 特許２００４−２５８６２０号公報 特許２００６−２３５５１６号公報

特許文献１は、画像表示素子の１次像を、ダイクロイックプリズムを介し、共軸屈折系で色収差補正を行い、且つ、射出瞳を形成し、その射出瞳位置の絞りの後に配備された反射鏡２枚によって拡大投影するものである。この投影光学系では、一次像と射出瞳の間に屈折系を用いているため、光学素子数が多く、コスト高に繋がる。さらに、射出瞳の後に反射ミラー２枚を配備しているため、一次像から２枚の反射ミラーまでの光路長が長くなり、反射ミラーが大きくなるため、装置全体が大型化する。

特許文献２から特許文献４は、画像表示素子の原画像を複数の反射ミラーを用いて拡大投影するものである。これらの投影光学系では、一次像と投影する物体面の間に中間像を形成しているため、構成する光学素子は２枚の反射ミラーだけでは到底達成することができない。さらに、中間像を形成し、さらにその中間像を拡大投影する光学系が必要となり、光学系全体は大型化する。

本発明は、２つの反射面を、像面、射出瞳、及び物体面のそれぞれの中心を通る軸上主光線に対して偏心して配置することで、小型、且つ、簡単な構造でありながら、画像を投影又は撮像することが可能となる偏心光学系、偏心光学系を用いた画像投影装置、及び偏心光学系を用いた画像撮像装置を提供することを目的としている。

本発明の一実施形態である画像投影装置は、像面から物体面へ向かっての逆光線追跡にて順に、像面側に向けた第１反射面を持つ第１反射部材と、前記第１反射面に対向して物体面側に向けた第２反射面を持つ第２反射部材と、を有し、前記第１反射面の像面側に射出瞳を形成し、前記像面から前記射出瞳中心を通り、前記物体面の中心までの光線を軸上主光線としたとき、前記第１反射面及び前記第２反射面は回転非対称面または回転対称面のいずれかの曲面であり、それぞれ前記軸上主光線に対して反射面を傾けて配置される光学系、および、前記物体面に配置されて画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子に表示される画像は、前記第２反射面で反射され、前記第１反射面で反射され、前記射出瞳を通り、中間像を形成することなく、前記像面に拡大して投影されることを特徴とする。

また、前記射出瞳の中心での前記軸上主光線の延長線と、前記物体面のなす角度をαとすると、以下の式（１）を満足する。
５０° ≦ α ≦ １２０° （１）

また、前記第１反射面と前記第２反射面間の前記軸上主光線と前記第１反射面の法線とのなす角度をβとすると、以下の式（２）を満足する。
１０° ≦ β ≦ ５０° （２）

また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、表面反射面である。

また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、裏面反射面である。

また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つの反射面の中心は、観察者の視軸からずれている。

また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、回転非対称面である。

また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面である。

また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、回転対称面である。

また、前記光学系は、結像距離を変更することにより、光線が射出する方向に前記画像の実像を形成する実像投影する状態と、光線が射出する方向とは反対側に前記画像の虚像を形成する虚像投影状態に切り替える。

また、前記射出瞳の中心を原点とし、前記射出瞳の中心から前記第１反射面に向かう前記軸上主光線の方向をＺ軸の正方向とし、前記第１反射面と前記物体面間の前記軸上主光線を前記原点が含まれ前記Ｚ軸に直交する面に投影した線が前記原点から前記物体面へ向かう方向をＹ軸の負方向とし、前記Ｚ軸及び前記Ｙ軸に直交し、右手直交座標系を形成する軸をＸ軸とすると、以下の条件式（３）及び条件式（４）を満足する。

０．１ ≦ ２ｆｘ／ＤＬｘ ≦ １０ （３）
０．１ ≦ ２ｆｙ／ＤＬｙ ≦ ８ （４）
ただし、
ｆｘは、Ｘ−Ｚ面内の焦点距離、
ＤＬｘは、前記画像表示素子のＸ−Ｚ面内の長さ、
ｆｙは、Ｙ−Ｚ面内の焦点距離、
ＤＬｙは、前記画像表示素子のＹ−Ｚ面内の長さ、
である。

また、前記射出瞳の位置に移動可能に設置される開口絞りを備える。

また、前記画像表示素子を保持する第１保持部と、前記画像表示素子に対して前記第１反射部材を移動可能に保持する第２保持部と、前記画像表示素子に対して前記第２反射部材を移動可能に保持する第３保持部と、を有する保持部材を備える。

また、前記第２保持部は、前記第１反射部材を、前記画像表示素子上に重なるように収納する収納状態と、前記画像表示素子に表示される画像を前記像面に投影する投影状態と、に切り替えて保持し、前記第３保持部は、前記第２反射部材を、前記画像表示素子上に重なるように収納する収納状態と、前記画像表示素子に表示される画像を投影する投影状態と、に切り替えて保持する。

また、前記射出瞳の位置から前記画像表示素子までの光路長を変更させて前記画像表示素子の画像に対する虚像を投影する。

また、前記第２保持部が前記第１反射部材を前記画像表示素子に対して移動させ、前記第３保持部が前記第２反射部材を前記画像表示素子に対して移動させることにより、虚像を投影する。

また、前記第１反射部材及び前記第２反射部材は、相対的に移動する。

また、前記画像表示素子を移動させることにより、前記画像表示素子の画像に対する虚像を投影する。

また、前記第１反射部材は、０より大きい透過率を持つ。

また、前記第１反射部材は、１０％以上の反射率を持つ。

また、前記第１反射部材は、ハーフミラーである。

また、前記偏心光学系は、外界光に対して５％以上の透過率を持つ。

また、前記第１反射部材は、前記第２反射部材に対向する透過面と、前記透過面に対して前記第２反射部材と反対側に配置される前記第１反射面と、を有し、前記透過面と前記第１反射面は、同一形状である。

また、前記画像表示素子は、反射型液晶又は半透過型液晶であり、前記画像表示素子を照明する照明部を備える。

また、前記照明部は、偏光ビームスプリッターを有する。

また、前記照明部は、回折光学素子を有する。

本発明の一実施形態である画像撮像装置は、像面から物体面へ向かって順に、像面側に向けた第１反射面を持つ第１反射部材と、前記第１反射面に対向して物体面側に向けた第２反射面を持つ第２反射部材と、を有し、前記第１反射面の像面側に入射瞳を形成し、前記像面から前記入射瞳中心を通り、前記物体面の中心までの光線を軸上主光線としたとき、前記第１反射面及び前記第２反射面は回転非対称面または回転対称面のいずれかの曲面であり、それぞれ前記軸上主光線に対して反射面を傾けて配置される光学系、および、 前記物体面に配置されて画像を撮像する画像撮像素子と、前記第１反射面に対向する所定の位置に移動可能に設置される入射瞳となる開口絞りと、を備え、前記像面の画像は、前記開口絞りを通り、前記第１反射面で反射され、前記第２反射面で反射され、前記画像撮像素子に撮像されることを特徴とする。

本発明の一実施形態である偏心光学系によれば、２つの反射面を、像面、射出瞳、及び物体面のそれぞれの中心を通る軸上主光線に対して偏心して配置することで、小型、且つ、簡単な構造でありながら、画像を投影又は撮像することが可能となる偏心光学系を提供することを目的としている。

本発明の一実施形態に係る偏心光学系を用いた画像投影装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る偏心光学系の座標系を示す図である。 本発明の一実施形態に係る偏心光学系と像面、物体面及び射出瞳の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像投影装置の投影状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像投影装置の収納状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像投影装置の移動状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシースルー機能で外界光の入射光路を示す図である。 本発明の一実施形態に係る照明部を備えた画像投影装置を示す図である。 偏心光学系を画像投影装置に用いた実施例１を示す図である。 偏心光学系を画像投影装置に用いた実施例２を示す図である。 虚像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例２を示す図である。 実像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例２を示す図である。 実施例２の実像を投影する画像投影装置を示す図である。 偏心光学系を画像投影装置に用いた実施例３を示す図である。 虚像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例３を示す図である。 実像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例３を示す図である。 本発明の一実施形態に係る偏心光学系を画像投影装置に使用して投影した場合のディストーションマップを示す図である。 本発明の一実施形態に係る偏心光学系を画像投影装置に使用して投影した場合のスポットダイアグラムを示す図である。

本発明の実施形態に係る偏心光学系、偏心光学系を用いた画像投影装置、及び偏心光学系を用いた画像撮像装置について図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系を用いた画像投影装置の断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系の座標系を示す図である。

本発明の一実施形態に係る偏心光学系２について、設計上の利便性から、画像投影装置として用いる場合には、投影面である像面（〔０１６３〕〜〔０１６５〕の実施例１〜実施例３の構成パラメータでは、物体面）から原画像である物体面（〔０１６３〕〜〔０１６５〕の実施例１〜実施例３の構成パラメータでは、像面）に向かう逆光線追跡によって説明する。また、画像撮影装置として用いる場合には、順光線追跡によって説明する。

画像投影装置として用いる場合には、像面１１から物体面１２へ向かって順に、像面１１側に向けた第１反射面２１ａを持つ第１反射部材２１と、第１反射面２１ａに対向して物体面側に向けた第２反射面２２ａを持つ第２反射部材２２と、を有し、第１反射面２１ａの像面１１側に射出瞳１３を形成し、像面１１から射出瞳１３の中心を通り、物体面１２の中心までの光線を軸上主光線Ｌｃとしたとき、第１反射面２１ａ及び第２反射面２２ａは、それぞれ軸上主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。

ここで、このような偏心光学系２で構成することのメリットについて説明する。

レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の波長分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。

一方、ミラーのような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても媒質内を通過しないため、原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的のために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。

同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。

このような構成の反射光学系では、第１ミラー、第２ミラーの２つの反射面に光学的パワーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状に構成して、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。このような基本構成をとることで、屈折光学系あるいは回転対称なリレー光学系を用いた光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の画像表示装置を得ることが可能となる。

ここで、逆光線追跡で、射出瞳１３の中心を通過して画像表示素子３の表示面の中心に到達する光線を軸上主光線Ｌｃとしたとき、反射面の少なくとも１つの反射面が軸上主光線Ｌｃに対して偏心していないと、軸上主光線Ｌｃの入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線Ｌｃが光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。また、パワーを付けた反射面を軸上主光線Ｌｃに対し偏心させることも当然可能である。

また、第１反射面２１ａと第２反射面２２ａのうち少なくとも１つは表面反射面であることが好ましい。

本実施形態では、第２反射面２２ａを表面反射面とした。第２反射面２２ａが表面反射面であることで、光は空気以外の媒質を通過することなく、観察者眼球に到達するため、光学系で色収差が全く発生しない。

なお、第１反射面２１ａが表面反射面であってもよい。

また、本実施形態の第１反射面２１ａと第２反射面２２ａのうち少なくとも１つは、裏面反射面であることが好ましい。

本実施形態では、第１反射面２１ａを裏面反射面とした。第１反射面２１ａを裏面反射にすることによって、第１反射部材２１の入射射出面２１ｂと第１反射面２１ａの間に挟まれた光学媒質中で反射することになるため、第１反射面２１ａのパワーφは、面の曲率半径ｒ、媒質の屈折率ｎとすると、φ＝ｎ／ｒとなる。例えば、光学プラスチック等であれば、ｎ＝１．５程度であるから、表面反射に比べるとパワーは１．５倍となる。したがって、表面反射に比べて反射面の曲率半径を大きく設計することができるため、この面で発生する収差を小さく抑えることが可能となる。

さらに、入射射出面２１ｂの２回の屈折作用と、第１反射面２１ａの反射作用を受けることになるため、表面反射に比べて大きな収差補正効果を得ることになる。したがって、良好に収差補正された鮮明な画像を観察者に呈示することが可能となる。

なお、第２反射面２２ａが裏面反射面であってもよい。

また、第１反射面２１ａと第２反射面２２ａのうち少なくとも１つの反射面の中心は、観察者の視軸からずれていることが好ましい。

パワーを持つ反射面が偏心して配備されると、共軸光学系ではなくなる。このような非共軸光学系、すなわち偏心光学系では、通常の光学系では発生しない偏心による非対称な収差、すなわち偏心収差が発生する。その偏心収差を補正するためには、偏心光学系であるミラー等の反射面に非対称性を持たせることが非対称な収差の補正には望ましい。そのために、反射面の中心点であるローカル座標原点を観察者視軸と一致させないことで反射面の非対称性の効果を持たせることができる。このような構成により、非対称な偏心収差を補正することが容易となる。

また、第１反射面２１ａと第２反射面２２ａのうち少なくとも１つは、回転非対称面であることが好ましい。

偏心収差のような非対称な収差を補正するためには、偏心光学系である反射面に非対称性を持たせることが望ましい。そのために、反射面を非回転対称面とすることで実現できる。

本実施形態で用いる座標系、回転非対称な面について説明する。

軸上主光線が、偏心光学系２の第１反射面２１ａに交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、光軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸、すなわち図２において紙面手前から奥に向かう軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、上記のように射出瞳１３から画像表示素子３に向かう逆光線追跡で説明する。

一般に、球面レンズでのみ構成されたレンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。

一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面単体で発生する各種収差自体を少なくするためである。しかし、偏心した光学系においては、光学面の偏心により発生する回転非対称な偏心収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心収差には、非対称な歪曲収差や像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。

まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像面側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。偏心した凹面で反射した光は、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。

この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡自身で補正するには、凹面鏡を回転非対称な面で構成する必要がある。本実施形態では、Ｙ軸正の方向に対して曲率、すなわち屈折力を強くし、Ｙ軸負の方向に対して曲率、すなわち屈折力を弱くすれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡とは別に光学系中に配置することにより、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。

次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡では、軸上光線に対しても非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。

さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡では、軸上主光線に対してもコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。また、本発明の結像光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となる。

また、本実施形態で用いる回転非対称面としての反射面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。

本実施形態で用いられる自由曲面ＦＦＳ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が自由曲面ＦＦＳのＺ軸となる。なお、データの記載されていない係数項は０である。

Ｚ＝ｃｒ² ／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ²ｒ² ｝］
₆₆
＋Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙⁿ （ａ）
^j=2
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。
また、球面項中、
ｃ：頂点の曲率
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 Ｃ_j Ｘ^m Ｙ^n
j=2
＝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２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、本実施形態では、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（ａ）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。

なお、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、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、第１反射面２１ａと第２反射面２２ａのうち少なくとも１つは、回転対称面であってもよい。

反射面を回転対称面とすると、光学素子を製作する上で旋盤等による回転運動による加工が可能となるため、高い精度で比較的低いコストで加工することが可能となる。非対称な偏心収差に対しては、反射面をシフトまたはチルトすることによって補正効果を持たせることになる。すなわち、面精度の高い反射面が低いコストで製作することが可能となる。

また、偏心光学系２は、射出瞳１３の中心での軸上主光線Ｌｃの延長線と、物体面１２のなす角度をαとすると、以下の式（１）を満足することが好ましい。

５０° ≦ α ≦ １２０° （１）

図３は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系２と像面１１、物体面１２及び射出瞳１３の位置関係を示す図である。

条件式（１）は、物体面１２に配置した画像表示素子３の画像を１つの反射ミラーで広い画角で射出瞳１３位置の眼球に投影させるための、観察者と観察光学系と画像表示素子の相対的位置関係を決める条件である。

条件式（１）の下限を超えて小さくなると、画像表示素子の表示面からの直接光が眼球に到達するため、偏心光学系を介した観察がしづらいものになる。条件式（１）の上限を超えて大きくなると、画像表示素子と観察者の顔面が干渉するため配置するのが困難となる。

また、偏心光学系２は、第１反射面２１ａと第２反射面２２ａ間の軸上主光線Ｌｃの第１反射面２１ａに対する角度をβとすると、以下の式（２）を満足することが好ましい。

１０° ≦ β ≦ ５０° （２）

図３に示すように、条件式（２）は、物体面１２に配置した画像表示素子３の画像を１つの反射ミラーで広い画角で射出瞳１３位置の眼球に投影させるための、観察者と観察光学系と画像表示素子３の相対的位置関係を決める条件である。

条件式（２）の下限を超えて小さくなると、画像表示素子３と観察者の顔面が干渉するため配置することが困難となる。条件式（２）の上限を超えて大きくなると、偏心光学系２で発生する偏心収差が補正しきれないほど大きくなり、鮮明な観察像を呈示することが困難となる。

さらに、本実施形態の画像投影装置１は、偏心光学系２と、物体面１２に配置されて画像を表示する画像表示素子３と、を備え、画像表示素子３に表示される画像は、第２反射面２２で反射され、第１反射面２１で反射され、射出瞳１３を通り、中間像を形成することなく、像面１１に拡大して投影される。

このように画像投影装置を構成することで、小型、且つ、簡単な構造でありながら、収差の少ない画像を投影することが可能となる。

また、上記図２で説明した座標系において、以下の条件式（３）及び条件式（４）を満足することが好ましい。

０．１ ≦ ２ｆｘ／ＤＬｘ ≦ １０ （３）
０．１ ≦ ２ｆｙ／ＤＬｙ ≦ ８ （４）
ただし、
ｆｘは、Ｘ−Ｚ面内の焦点距離、
ＤＬｘは、前記画像表示素子のＸ−Ｚ面内の長さ、
ｆｙは、Ｙ−Ｚ面内の焦点距離、
ＤＬｙは、前記画像表示素子のＹ−Ｚ面内の長さ、
である。

条件式（３）及び条件式（４）は、画像表示素子３の画像を１つの反射ミラーで広い画角で眼球に投影させるために必要な偏心光学系２の焦点距離と画像表示素子３の大きさの関係を決める条件式である。

条件式（３）及び条件式（４）の下限をそれぞれ超えて小さくなると、光学系の焦点距離に対して画像表示素子が大きくなりすぎ、周辺の収差補正が困難となり、観察画像を鮮明に呈示することが困難となる。条件式（３）及び条件式（４）の上限をそれぞれ超えて大きくなると、画像素子に対して焦点距離が長くなるため拡大率が小さく、十分な画角で観察することができない。

また、射出瞳１３の位置又は第１反射面２１ａに対向する所定の位置に移動可能に設置される開口絞りＳを備えることが好ましい。

例えばプロジェクターのように、実像を投影する場合には、偏心光学系２の射出瞳１３の位置の近傍に開口絞りＳを配備することで、偏心光学系２の設計時に設定した射出瞳１３の径によって投影することになる。この開口絞りＳがないと、設計値以上の射出瞳１３で投影することとなり、投影像の解像が低下する可能性がある。また、この開口絞りＳを可変にすることで、明るさや解像力を調整することが可能になる。

また、画像投影装置１は、画像表示素子３を保持する第１保持部４１と、画像表示素子３に対して第１反射部材２１を移動可能に保持する第２保持部４２と、画像表示素子３に対して第２反射部材２２を移動可能に保持する第３保持部４３と、を有する保持部材４を備えることが好ましい。

さらに、第２保持部４２は、第１反射部材２１を、画像表示素子３に表示される画像を像面１１に投影する投影状態と、画像表示素子３上に重なるように収納する収納状態と、に切り替え可能に保持し、第３保持部４３は、第２反射部材２２を、画像表示素子３に表示される画像を投影する投影状態と、画像表示素子３上に重なるように収納する収納状態と、に切り替え可能に保持することが好ましい。

図４は、本発明の一実施形態に係る画像投影装置１の投影状態を示す図である。また、図５は、本発明の一実施形態に係る画像投影装置１の収納状態を示す図である。

図４に示すように、画像投影装置１の投影状態では、保持部材４の第２保持部４２が第１反射部材２１を所定の反射位置に設定され、第３保持部４３が第２反射部材２２を所定の反射位置に設定される。

また、図５に示すように、画像投影装置１の収納状態では、保持部材４の第２保持部４２が第１反射部材２１を第２反射部材２２と重なるような所定の収納位置に設定され、第３保持部４３が第２反射部材２２を画像表示素子３と重なるような所定の収納位置に設定される。

第２保持部４２の構造としては、第１反射部材２１を支持すると共に、図示しない軸部材等に対して回転可能であって、観察状態の反射位置と収納状態の収納位置で回転を止めて固定されるように、ラッチ等の一時的に位置を固定できるロック機構を設けることが望ましい。

また、第３保持部４３の構造としては、第２反射部材２２を支持すると共に、第２保持部４２と同様に、図示しない軸部材等に対して回転可能であって、観察状態の反射位置と収納状態の収納位置で回転を止めて固定されるように、ラッチ等の一時的に位置を固定できるロック機構を設けることが望ましい。

このような保持部材４で保持することによって、第１反射部材２１及び第２反射部材２２が観察状態の反射位置にある時には、観察者は、画像表示素子３上の画像を観察することが可能となり、第１反射部材２１及び第２反射部材２２が収納状態の収納位置にある時には、コンパクトな形状に折りたたむことが可能となる。したがって、画像投影装置１の持ち運びが便利になる。

また、射出瞳１３の位置から画像表示素子３までの光路長を変更させて、虚像を投影することが好ましい。

図６は、本発明の一実施形態に係る画像投影装置１の移動状態を示す図である。図７は、本発明の一実施形態に係る画像投影装置１による虚像観察状態を示す図である。

図６において、実線で示しているのは、実像を投影する状態の偏心光学系２である。また、破線で示しているのは、虚像を投影する状態の偏心光学系２である。

実像投影の状態から虚像を投影するためには、偏心光学系２の結像距離をマイナスに変化させるため、射出瞳１３の位置から画像表示素子３までの距離を短くさせることになる。このような簡単な変化によって、実像を結像するプロジェクターを、図７に示すような眼球Ｅに虚像を投影する観察光学装置に切り替えることができる。

図７に示すように、外界からの外界光Ｌｏは第１反射部材２１の反射面と略同様な形状の面の外側の面から入射し、内面の反射面はハーフミラー面となっており、外界光Ｌｏは射出瞳１３の位置に瞳が位置する観察者の眼球Ｅ内に入射され、外界を観察することになる。第１反射部材２１の第１面と第２面は同様の自由曲面形状の曲面であり、水平画角３５度の略全ての画角において、略無収差、倍率１倍で観察が可能となる。

また、第２保持部４２が第１反射部材２１を画像表示素子３に対して移動させ、第３保持部４３が第２反射部材２２を画像表示素子３に対して移動させることにより、虚像を投影することが好ましい。

２枚のミラー等の反射部材２１，２２が画像表示素子３に対して相対的に移動することにより、虚像を投影することが可能となる。画像表示素子３に対して２枚の反射部材２１，２２の位置を変化させ、偏心光学系２のパワーを変え、結像距離をマイナスに変化させることで、虚像を投影することになる。したがって、偏心光学系２の射出瞳１３の位置の近傍に観察者の眼球Ｅの瞳孔を位置すると、拡大した虚像を観察することができる。

また、第１反射部材２１及び第２反射部材２２は、相対的に移動することが好ましい。

２枚のミラー等の反射部材２１，２２は、相対的な位置関係が可変となることが望ましい。２枚の反射部材２１，２２の反射有効範囲を変化させる、あるいは、２枚の反射部材２１，２２間距離を変化させて、偏心光学系２のパワーを変えることによって、短い結像距離に変化させる場合にも高い結像性能を維持することが可能となる。したがって、ニアアイディスプレイとして虚像を観察する場合にも収差の少ない良好な画像を呈示することが可能となる。

なお、画像表示素子３を移動させることにより、虚像を投影する構成としてもよい。簡単で安定した移動により虚像を投影することが可能となる。

また、第１反射部材２１は、０より大きい透過率を持つことが好ましい。

観察者の反対側の面は透過率が０より大であることで、外界光Ｌｏを眼球Ｅに到達させることができるため、観察者は外界を観察することができる。第１反射部材２１を通して外界を観察することが可能となるため、外界像と画像表示素子３の観察像を重畳させて観察することが可能となる。

また、第１反射部材２１は、１０％以上の反射率を持つことが好ましい。

第１反射部材２１の反射率が１０％以上であれば、観察者は画像表示素子３に表示された画像を観察することが可能となる。

また、第１反射部材２１は、ハーフミラーであることが好ましい。

例えば、第１反射部材２１を光学プラスチック、光学ガラスなどの透明部材で製作し、反射面が反射率と透過率が有限の値を持つように所定の金属薄膜、誘電体膜等を形成することで、入射光を部分的に反射、透過するハーフミラーとすることができる。このように、
第１反射部材２１を通して外界を観察することが可能となるため、外界像と画像表示素子３の観察像を重畳させて観察することが可能となる。

また、偏心光学系２は、外界光に対して５％以上の透過率を持つことが好ましい。

偏心光学系２の透過率が５％以上であれば、観察者は偏心光学系２を介して外界を観察することが可能となる。

また、第１反射部材２１は、第２反射部材２２に対向する透過面２１ｂと、透過面２１ｂに対して第２反射部材２２と反対側に配置される第１反射面２１ａと、を有し、透過面２１ｂと第１反射面２１ａは、同一形状であることが好ましい。

第１反射部材２１の入射、射出透過面２１ｂとその裏面の第１反射面２１ａの面形状を同一にすることで外界光に対してパワーがない状態を実現できる。また、略同一とすることで外界光に対して略パワーがない状態を実現できる。シースルー効果、あるいは外界像に電子像を重畳させるスーパーインポーズ効果を得ることができる。

また、画像表示素子３は、反射型液晶又は半透過型液晶であり、画像表示素子３を照明する照明部５を備えることが好ましい。

図８は、本発明の一実施形態に係る照明部５を備えた画像投影装置１を示す図である。

画像表示素子３の表示面に反射型液晶或いは半透過型液晶を用いることによって、表示面の前方から照明光を照射することができる。そして、照明光の開口数を投影光の開口数に近いものにすることで、光の利用効率が高くなり、少ない光量でも投影する画像が明るくなり、観察者に見えやすい投影像を呈示することができる。

図８に示す例では、画像表示素子３と第２反射部材２２との間に三角プリズム６を配備し、三角プリズム６の底辺の下側に照明部５を配備している。光源部５を発した光は、偏光素子（図示せず）によってある直線偏光になっている。簡単のために、ここでＳ偏光とする。さらに、図示していないが、フレネルレンズ等で光束は略平行光束となっている。光は三角プリズム６の底辺から入射し、画像表示素子３側の面で全反射して第２反射部材２２側の面で反射する。この面は薄膜成膜或いはフィルム貼合を用いた偏光ビームスプリッターとなっており、光源のＳ偏光光は高い反射率で反射する。反射した光は、三角プリズム６から射出し、画像表示素子３を照明する。画像表示素子３によって変調された光はＰ偏光光となり、三角プリズム６上部の偏光ビームスプリッターを透過して観察光学系に入射する光路となる。

また、照明部５は、偏光ビームスプリッターを有することが好ましい。

照明部５は、画像表示素子３の表示面の前方から照明光を入射し、その照明光は偏光ビームスプリッターの反射する方向に光が偏光した偏光光であり、偏光ビームスプリッターで反射した光は液晶面で反射し、偏光方向が９０度回転し、再び偏光ビームスプリッターに入射するときには、透過する振動方向の偏光光となって偏心光学系２に導入される。したがって、照明光は偏光光になった後は理論的にはロスすることなく、照明し投影されることになる。

また、照明部５は、回折光学素子を有することが好ましい。

照明部５は、画像表示素子３の表示面の前方から照明光を入射するのだが、その照明光の入射角に対して、回折光学素子は反射作用を有する設計で作られている。表示面で反射され画像表示素子から発した投影光に対しては透過作用を有するように設計され、作られている。このような作用を有する回折光学素子を表示面の前方にある角度で配備することによって、偏光状態によらず、高い効率で照明することが可能となる。

さらに、本実施形態の画像撮像装置は、偏心光学系２と、像面３に配置されて画像を撮像する画像撮像素子と、射出瞳１３の位置又は第１反射面２１ａに対向する所定の位置に移動可能に設置される開口絞りＳと、を備え、物体面１１の画像は、入射瞳１３を通り、第１反射面２１ａで反射され、第２反射面２２ａで反射され、画像撮像素子に撮像される。

このように画像撮像装置を構成することで、小型、且つ、簡単な構造でありながら、収差の少ない画像を撮像することが可能となる。

次に、本発明の一実施形態に係る各実施例について説明する。

図９は、偏心光学系を画像投影装置に用いた実施例１を示す図である。

実施例１の偏心光学系２は、（図が小さくなるため図９には図示していない）像面から物体面１２へ向かって順に、像面側に向けた第１反射面２１ａを持つ第１反射部材２１と、第１反射面２１ａに対向して物体面側に向けた第２反射面２２ａを持つ第２反射部材２２と、を有し、第１反射面２１ａの像面側に射出瞳１３を形成し、像面から射出瞳１３の中心を通り、物体面１２の中心までの光線を軸上主光線Ｌｃとしたとき、第１反射面２１ａ及び第２反射面２２ａは、それぞれ軸上主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。

第１反射部材２１は、裏面反射鏡であって、第１反射面２１ａと透過面２１ｂを有する。第２反射部材２２は、表面反射鏡であって、第２反射面２２ａを有する。

偏心光学系２を画像投影装置１に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子３の表示面としての物体面１２を射出した光線は、第２反射部材２２の第２反射面２２ａで反射する。第２反射部材２２で反射した光線は、第１反射部材２１の透過面２１ｂから入射し、第１反射面２１ａで反射して、透過面２１ｂから射出する。第１反射部材２１を射出した光線は、射出瞳１３を通過して、像面に配置されたスクリーン等に結像して投影される。

実施例１の画像表示素子３は、アスペクト比が２：３、表示面積３．５インチを想定している。また、Ｙ−Ｚ面内の水平、Ｘ−Ｚ面内の垂直画角は、それぞれ２９．３°、１９．６°、射出瞳径を１２ｍｍとする。

なお、偏心光学系２は、物体面１２に画像表示素子３を配置した画像投影装置１に使用する場合と、１２を像面として用い、３に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。

偏心光学系２を画像撮像装置に使用する場合の光線追跡について説明する。図９では図示していない物体面を射出した光線は、入射瞳１３を通過して、第１反射部材２１に入射する。第１反射部材２１では、光線は、透過面２１ｂから入射し、第１反射面２１ａで反射して、透過面２１ｂから射出する。第１反射部材２１を射出した光線は、第２反射部材２２の第２反射面２２ａで反射する。第２反射部材２２で反射した光線は、像面１２に入射し撮像される。

図１０は、偏心光学系を画像投影装置に用いた実施例２を示す図である。図１１は、図１０に図示した光学系のうち、虚像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例２を示す図である。図１２は、図１０に図示した光学系のうち、実像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例２を示す図である。図１３は、実施例２の実像を投影する画像投影装置全体を示す図である。

実施例２の偏心光学系２は、像面から物体面１２へ向かって順に、像面側に向けた第１反射面２１ａを持つ第１反射部材２１と、第１反射面２１ａに対向して物体面側に向けた第２反射面２２ａを持つ第２反射部材２２と、を有し、第１反射面２１ａの像面側に射出瞳１３を形成し、像面１１から射出瞳１３の中心を通り、物体面１２の中心までの光線を軸上主光線Ｌｃとしたとき、第１反射面２１ａ及び第２反射面２２ａは、それぞれ軸上主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。

第１反射部材２１は、第１反射面２１ａを有する。第２反射部材２２は、第２反射面２２ａを有する。実施例２の第１反射面２１ａ及び第２反射面２２ａは、自由曲面形状である。

第１反射部材２１と第２反射部材２２とは、相対的に位置を変化させることが可能である。図１０に示すように、相対的に位置を変化させることで、図１１に示すように、虚像を投影する場合と、図１２及び図１３に示すように、実像を投影する場合とを選択することが可能となる。

偏心光学系２を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子の表示面としての物体面１２を射出した光線は、第２反射部材２２の第２反射面２２ａで反射する。第２反射部材２２で反射した光線は、第１反射部材２１の第１反射面２１ａで反射する。第１反射部材２１で反射した光線は、射出瞳１３に到達する。

図１１に示すような虚像を投影する場合には、射出瞳１３近傍に観察者の虹彩又は眼球中心を配置することで、観察者に拡大された虚像を呈示することが可能となる。また、図１２及び図１３に示すような実像を投影する場合には、光線は、射出瞳１３を通過して、像面に配置されたスクリーン等に投影される。

この場合、画像表示素子は、アスペクト比が２：３、表示面積３．５インチを想定している。また、虚像を投影する場合のＹ−Ｚ面内の水平、Ｘ−Ｚ面内の垂直画角は、それぞれ３５．０°、２３．８°、射出瞳径を６ｍｍとし、実像を投影する場合のＹ−Ｚ面内の水平、Ｘ−Ｚ面内の垂直画角は、それぞれ２９．０°、１９．６°、射出瞳径を１５ｍｍとする。

なお、偏心光学系２は、物体面１２に画像表示素子を配置し実像及び虚像を投影する画像投影装置に使用する場合と、像面１２に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。

偏心光学系２を画像撮像装置に使用する場合の光線追跡について説明する。物体面１１を射出した光線は、入射瞳１３を通過して、第１反射部材２１に入射する。第１反射部材２１では、光線は、透過面２１ｂから入射し、第１反射面２１ａで反射して、透過面２１ｂから射出する。第１反射部材２１を射出した光線は、第２反射部材２２の第２反射面２２ａで反射する。第２反射部材２２で反射した光線は、像面１２に入射し撮像される。

図１４は、偏心光学系を画像投影装置に用いた実施例３を示す図である。図１５は、虚像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例３を示す図である。図１６は、実像を投影する画像投影装置に偏心光学系を用いた実施例３を示す図である。

実施例３の偏心光学系２は、像面１１から物体面１２へ向かって順に、像面側に向けた第１反射面２１ａを持つ第１反射部材２１と、第１反射面２１ａに対向して像面側に向けた第２反射面２２ａを持つ第２反射部材２２と、を有し、第１反射面２１ａの像面側に射出瞳１３を形成し、像面１１から射出瞳１３の中心を通り、物体面１２の中心までの光線を軸上主光線Ｌｃとしたとき、第１反射面２１ａ及び第２反射面２２ａは、それぞれ軸上主光線Ｌｃに対して偏心して配置される。

第１反射部材２１は、第１反射面２１ａを有する。第２反射部材２２は、第２反射面２２ａを有する。実施例２の第１反射面２１ａ及び第２反射面２２ａは、自由曲面形状である。

第１反射部材２１と第２反射部材２２とは、相対的に位置を変化させることが可能である。図１４に示すように、相対的に位置を変化させることで、図１５に示すように、虚像を投影する場合と、図１６に示すように、実像を投影する場合とを選択することが可能となる。

偏心光学系２を画像投影装置に使用する場合の光線追跡について説明する。画像表示素子の表示面としての物体面１２を射出した光線は、第２反射部材２２の第２反射面２２ａで反射する。第２反射部材２２で反射した光線は、第１反射部材２１の第１反射面２１ａで反射する。第１反射部材２１で反射した光線は、射出瞳１３に到達する。

図１４に示すような虚像を投影する場合には、射出瞳１３近傍に観察者の虹彩又は眼球中心を配置することで、観察者に拡大された虚像を呈示することが可能となる。また、図１５に示すような実像を投影する場合には、光線は、射出瞳１３を通過して、像面に配置されたスクリーン等に投影される。

この場合、画像表示素子は、アスペクト比が２：３、表示面積３．５インチを想定している。また、虚像を投影する場合のＹ−Ｚ面内の水平、Ｘ−Ｚ面内の垂直画角は、それぞれ３５．０°、２３．８°、射出瞳径を６ｍｍとし、実像を投影する場合のＹ−Ｚ面内の水平、Ｘ−Ｚ面内の垂直画角は、それぞれ２９．０°、１９．６°、射出瞳径を１５ｍｍとする。

なお、偏心光学系２は、物体面１２に画像表示素子を配置し実像及び虚像を投影する画像投影装置に使用する場合と、１２を像面として用い、３に画像撮像素子を配置した画像撮像装置に使用する場合と、がある。

偏心光学系２を画像撮像装置に使用する場合の光線追跡について説明する。物体面１１を射出した光線は、入射瞳１３を通過して、第１反射部材２１に入射する。第１反射部材２１では、光線は、透過面２１ｂから入射し、第１反射面２１ａで反射して、透過面２１ｂから射出する。第１反射部材２１を射出した光線は、第２反射部材２２の第２反射面２２ａで反射する。第２反射部材２２で反射した光線は、像面１２に入射し撮像される。

以下に、上記実施例１〜実施例３の構成パラメータを示す。

各実施例では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。偏心面については、対応する座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、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。

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（仮想面を含む。）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられている。また、偏心後は、偏心前の原点に戻り、面間隔で与えられたＺ軸方向に進んで次の面の原点とする。

その他、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、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

なお、記号“ｅ”は、それに続く数値が１０を底にもつ、べき指数であることを示している。例えば「１．０ｅ−５」は「１．０×１０^-5」であることを意味している。

実施例１
投影光学系
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 2000.00
1 絞り面 0.00
2 FFS[1] 0.00 偏心(1) 1.5256 56.4
3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5256 56.4
4 FFS[1] 0.00 偏心(1)
5 FFS[2] 0.00 偏心(3)
6 ∞ 0.00 偏心(4)
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.5766e-003 Ｃ6 -2.0435e-003 Ｃ8 2.8731e-006
Ｃ10 -7.9739e-006 Ｃ11 3.4572e-007 Ｃ13 -2.2244e-007
Ｃ15 4.3487e-008 Ｃ17 -2.8059e-008 Ｃ19 -6.4257e-009
Ｃ21 1.6737e-009

FFS[2]
Ｃ4 -2.7993e-003 Ｃ6 2.3620e-004 Ｃ8 4.0263e-005
Ｃ10 -1.0601e-005 Ｃ11 2.7088e-006 Ｃ13 -1.3654e-007
Ｃ15 -6.8551e-008 Ｃ17 -6.0725e-008 Ｃ19 -6.0832e-009
Ｃ21 1.2011e-009 Ｃ

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.96 Ｚ 67.89
α 21.44 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.96 Ｚ 69.68
α 21.44 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -75.00 Ｚ 27.31
α 7.71 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -73.16 Ｚ 82.38
α -6.54 β 0.00 γ 0.00

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 ∞ -800.00
1 絞り面 0.00
2 FFS[1] 0.00 偏心(1)
3 FFS[2] 0.00 偏心(2)
4 ∞ 0.00 偏心(3)
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.5525e-003 Ｃ6 -1.8406e-003 Ｃ8 -2.0524e-006
Ｃ10 -3.5796e-006 Ｃ11 -7.0945e-008 Ｃ13 1.1801e-007
Ｃ15 -8.4837e-008 Ｃ17 1.9863e-009 Ｃ19 -4.5831e-009
Ｃ21 2.2551e-009

FFS[2]
Ｃ4 -1.6201e-003 Ｃ6 -4.0531e-004 Ｃ8 -5.6132e-006
Ｃ10 3.3735e-006 Ｃ11 -1.8844e-007 Ｃ13 -7.8778e-008
Ｃ15 -2.0300e-007 Ｃ17 2.4500e-010 Ｃ19 1.7835e-009
Ｃ21 2.1645e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -7.35 Ｚ 67.42
α 24.32 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -68.37 Ｚ 30.81
α 9.39 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -69.92 Ｚ 64.26
α -22.00 β 0.00 γ 0.00

虚像投影 実像投影
射出瞳径 6 15
面番号 物体面 -800 2000

面番号3 偏心Ｙ -68.37105 -68.37105
面番号3 偏心Ｚ 30.81394 27.36526
面番号3 偏心α 9.39432 7.77886

面番号4 偏心Ｙ -69.91578 -90.00619
面番号4 偏心Ｚ 64.25846 81.54933
面番号4 偏心α -22 -22

実施例３
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -800.00
1 絞り面 0.00
2 FFS[1] 0.00 偏心(1)
3 FFS[2] 0.00 偏心(2)
4 ∞ 0.00 偏心(3)
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.5303e-003 Ｃ6 -1.7640e-003 Ｃ8 -3.3451e-006
Ｃ10 -8.7746e-006 Ｃ11 -1.2080e-007 Ｃ13 2.6813e-007
Ｃ15 7.6133e-008 Ｃ17 7.3669e-009 Ｃ19 -1.4412e-008
Ｃ21 6.8840e-010

FFS[2]
Ｃ4 -1.3756e-003 Ｃ6 -2.0607e-004 Ｃ8 -1.2488e-005
Ｃ10 -1.6146e-005 Ｃ11 -5.3829e-007 Ｃ13 4.6677e-007
Ｃ15 2.7885e-007 Ｃ17 1.2728e-008 Ｃ19 -1.0300e-008
Ｃ21 -1.0543e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -9.24 Ｚ 65.03
α 24.01 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -65.19 Ｚ 29.86
α 10.05 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -68.82 Ｚ 67.41
α -10.00 β 0.00 γ 0.00

虚像投影 実像投影
射出瞳径 6 15
面番号 物体面 -800 2000

面番号4 偏心Ｙ -65.18976 -83.18976
面番号3 偏心Ｚ 29.86106 19.86106
面番号3 偏心α 10.05029 10.05029

面番号4 偏心Ｙ -68.82188 -87.1885
面番号4 偏心Ｚ 67.40844 63.58981
面番号4 偏心α -10 -10

上記実施例１〜３について、条件式（１）〜（４）の値を下記に示しておく。

実施例1(実像) 実施例2(虚像) 実施例2(実像)
α 70 80.729 77.124
β 22.733 26.078 26.078
２ｆｘ／ＤＬｘ 4.99 5.42 5.13
２ｆｙ／ＤＬｙ 3.06 3.55 3.41

実施例3(虚像) 実施例3(実像)
α 70 70.526
β 26.208 26.208
２ｆｘ／ＤＬｘ 5.06 4.62
２ｆｙ／ＤＬｙ 3.24 3.03

図１７は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系を画像投影装置に使用して投影した場合のディストーションマップを示す図である。

画像としては、投影した像におけるディストーションを視覚的に認識しやすい長方形の格子を用いた。画面全域における歪曲収差量は最大１．７８％であり、画面周辺まで収差が良好に補正された格子パターンになっていることがわかる。

このように、偏心光学系２によれば、小型、且つ、簡単な構造でありながら、ディストーションを適切に補正し、画像を投影又は撮像することが可能となる。

図１８は、本発明の一実施形態に係る偏心光学系を画像投影装置に使用して投影した場合のスポットダイアグラムを示す図である。

図１８において、縦軸は、各画角によって分かれており、水平、垂直の順に画角が表記されている。また、評価波長は、656.3、587.6、546.1、486.1、435.8（nm）の5波長を比視感度に合わせた割合で白色光になるように設定されている。図１８から画角の変化によるスポットダイアグラムの変化を確認できる。軸外になるにしたがって拡大する傾向であるが、全般に倍率色収差が良好に補正されていることがわかる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…画像投影装置（画像撮像装置）
２…偏心光学系
３…画像表示素子（ただし、画像投影装置の場合。画像撮像装置では「画像撮像素子」）
４…保持部材
５…照明部
６…プリズム
１１…像面（ただし、画像投影装置の場合。画像撮像装置では「物体面」）
１２…物体面（ただし、画像投影装置の場合。画像撮像装置では「像面」）
１３…射出瞳（ただし、画像投影装置の場合。画像撮像装置では「入射瞳」）

Claims (26)

1. 像面から物体面へ向かっての逆光線追跡にて順に、
   像面側に向けた第１反射面を持つ第１反射部材と、
   前記第１反射面に対向して物体面側に向けた第２反射面を持つ第２反射部材と、
   を有し、
   前記第１反射面の像面側に射出瞳を形成し、
   前記像面から前記射出瞳中心を通り、前記物体面の中心までの光線を軸上主光線としたとき、前記第１反射面及び前記第２反射面は回転非対称面または回転対称面のいずれかの曲面であり、それぞれ前記軸上主光線に対して反射面を傾けて配置される光学系、
   および、
   前記物体面に配置されて画像を表示する画像表示素子と、
   前記画像表示素子に表示される画像は、前記第２反射面で反射され、前記第１反射面で反射され、前記射出瞳を通り、中間像を形成することなく、前記像面に拡大して投影される
   ことを特徴とする画像投影装置。
2. 前記射出瞳の中心での前記軸上主光線の延長線と、前記物体面のなす角度をαとすると、以下の式（１）を満足する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
   ５０° ≦ α ≦ １２０° （１）
3. 前記第１反射面と前記第２反射面間の前記軸上主光線と前記第１反射面の法線とのなす角度をβとすると、以下の式（２）を満足する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像投影装置。
   １０° ≦ β ≦ ５０° （２）
4. 前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、表面反射面である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
5. 前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、裏面反射面である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
6. 前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、回転非対称面である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
7. 前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面である
   ことを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。
8. 前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１つは、回転対称面である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
9. 前記光学系は、結像距離を変更することにより、光線が射出する方向に前記画像の実像を形成する実像投影する状態と、光線が射出する方向とは反対側に前記画像の虚像を形成する虚像投影状態に切り替える
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の画像投影装置。
10. 前記射出瞳の中心を原点とし、
    前記射出瞳の中心から前記第１反射面に向かう前記軸上主光線の方向をＺ軸の正方向とし、
    前記第１反射面と前記物体面間の前記軸上主光線を前記原点が含まれ前記Ｚ軸に直交する面に投影した線が前記原点から前記物体面へ向かう方向をＹ軸の負方向とし、
    前記Ｚ軸及び前記Ｙ軸に直交し、右手直交座標系を形成する軸をＸ軸とすると、以下の条件式（３）及び条件式（４）を満足する
    ことを特徴とする請求項９に記載の画像投影装置。
    ０．１ ≦ ２ｆｘ／ＤＬｘ ≦ １０ （３）
    ０．１ ≦ ２ｆｙ／ＤＬｙ ≦ ８ （４）
    ただし、
    ｆｘは、Ｘ−Ｚ面内の焦点距離、
    ＤＬｘは、前記画像表示素子のＸ−Ｚ面内の長さ、
    ｆｙは、Ｙ−Ｚ面内の焦点距離、
    ＤＬｙは、前記画像表示素子のＹ−Ｚ面内の長さ、
    である。
11. 前記射出瞳の位置に移動可能に設置される開口絞りを備える
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の画像投影装置。
12. 前記画像表示素子を保持する第１保持部と、
    前記画像表示素子に対して前記第１反射部材を移動可能に保持する第２保持部と、
    前記画像表示素子に対して前記第２反射部材を移動可能に保持する第３保持部と、
    を有する保持部材を備える
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の画像投影装置。
13. 前記第２保持部は、前記第１反射部材を、前記画像表示素子上に重なるように収納する収納状態と、前記画像表示素子に表示される画像を前記像面に投影する投影状態と、に切り替え可能に保持し、
    前記第３保持部は、前記第２反射部材を、前記画像表示素子上に重なるように収納する収納状態と、前記画像表示素子に表示される画像を投影する投影状態と、に切り替え可能に保持する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の画像投影装置。
14. 前記射出瞳の位置から前記画像表示素子までの光路長を変更させて、前記画像表示素子の画像に対する虚像を投影する
    ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の画像投影装置。
15. 前記第２保持部が前記第１反射部材を前記画像表示素子に対して移動させ、
    前記第３保持部が前記第２反射部材を前記画像表示素子に対して移動させることにより、虚像を投影する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の画像投影装置。
16. 前記第１反射部材及び前記第２反射部材は、相対的に移動する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の画像投影装置。
17. 前記画像表示素子を移動させることにより、前記画像表示素子の画像に対する虚像を投影する
    ことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の画像投影装置。
18. 前記第１反射部材は、０より大きい透過率を持つ
    ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の画像投影装置。
19. 前記第１反射部材は、１０％以上の反射率を持つ
    ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の画像投影装置。
20. 前記第１反射部材は、ハーフミラーである
    ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の画像投影装置。
21. 前記光学系は、外界光に対して５％以上の透過率を持つ
    ことを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の画像投影装置。
22. 前記第１反射部材は、前記第２反射部材に対向する透過面と、前記透過面に対して前記第２反射部材と反対側に配置される前記第１反射面と、を有し、
    前記透過面と前記第１反射面は、同一形状である
    ことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の画像投影装置。
23. 前記画像表示素子は、反射型液晶又は半透過型液晶であり、
    前記画像表示素子を照明する照明部を備える
    ことを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の画像投影装置。
24. 前記照明部は、偏光ビームスプリッターを有する
    ことを特徴とする請求項２３に記載の画像投影装置。
25. 前記照明部は、回折光学素子を有する
    ことを特徴とする請求項２３に記載の画像投影装置。
26. 像面から物体面へ向かって順に、
    像面側に向けた第１反射面を持つ第１反射部材と、
    前記第１反射面に対向して物体面側に向けた第２反射面を持つ第２反射部材と、
    を有し、
    前記第１反射面の像面側に入射瞳を形成し、
    前記像面から前記入射瞳中心を通り、前記物体面の中心までの光線を軸上主光線としたとき、前記第１反射面及び前記第２反射面は回転非対称面または回転対称面のいずれかの曲面であり、それぞれ前記軸上主光線に対して反射面を傾けて配置される光学系、
    および、
    前記物体面に配置されて画像を撮像する画像撮像素子と、
    前記第１反射面に対向する所定の位置に移動可能に設置される入射瞳となる開口絞りと、
    を備え、
    前記像面の画像は、前記開口絞りを通り、前記第１反射面で反射され、前記第２反射面で反射され、前記画像撮像素子に撮像される
    ことを特徴とする画像撮像装置。

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