(57)【要約】    【課題】  液晶ディスプレイ等の表示手段に表示した画像情報を観察と、撮像手段で得られた画像情報の双方を観察することができる薄型の光学系及びそれを用いた複合表示装置を得ること。    【解決手段】  画像情報を表示した表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する表示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させる撮像光学系とを有し、光路中に設けた光路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外界光軸とを略一致させており  該撮像光学系は同一媒質上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させており、かつ母線断面合成パワーが負である第１光学素子を有していること。【選択図】        図１
2005070804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報を表示した表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する表示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させる撮像光学系とを有し、光路中に設けた光路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外界光軸とを略一致させており
該撮像光学系は同一媒質上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させており、かつ母線断面合成パワーが負である第１光学素子を有していることを特徴とする複合表示装置。
【請求項２】
前記撮像光学系はレンズの両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とよりなる少なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回転対称レンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対称レンズの光軸が全て略一致している複合レンズ群を有し、
外界からの光束を該第１光学素子を介した後、該複合レンズ群によって該撮像素子上に導光していることを特徴とする請求項１の複合表示装置。
【請求項３】
前記第１光学素子の射出面のローカル母線断面焦点距離ｆypoutとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び該光学素子の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐとが
｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１）
｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２）
を満足するように構成されていることを特徴とする請求項２の複合表示装置。
【請求項４】
前記複合レンズ群の非回転対称面のローカル母線断面焦点距離ｆｙｌとローカル子線断面ｆｘｌと前記複合レンズ群の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合成焦点距離ｆｘｇが、
｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３）
｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４）
を満足するように構成されていることを特徴とする請求項３の複合表示装置。
【請求項５】
前記撮像光学系の全系の母線断面合成焦点距離をｆｙ、子線断面合成焦点距離をｆｘとし、前記第１光学素子の母線断面合成焦点距離をｆｙｐ、子線断面合成焦点距離をｆｘｐとするときに、
−１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５）
−１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６）
を満足するように構成されていることを特徴とする請求項４の複合表示装置。
【請求項６】
前記撮像光学系の入射瞳を視軸上に展開したときの展開入射瞳位置から前記表示光学系の射出瞳位置までの距離をＤｐｐ、前記表示光学系の射出面から前記表示光学系の射出瞳までの距離をｅｒとするとき、
０．２５ ＜ Ｄｐｐ／ｅｒ ＜８．０ ・・・・・・（７）
を満足するよう構成されていることを特徴とする請求項５の複合表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びそれを用いた複合表示装置に関する。
【０００２】
この他本発明は薄型（視軸方向が薄い）で広画角の表示及び撮像が容易で自由
曲面を有する光学素子を用いてレイアウト自由度を高めた撮像表示装置等に好適
な光学系に関する。
【０００３】
この他本発明は外界の画像情報からの光を取り込み撮像素子に形成する撮像光学系と液晶等の表示手段に表示した画像情報を観察する表示光学系とを合わせ持ち全体の小型化を図った複合表示装置に関し、特にヘッドマンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）やメガネ型ディスプレイと称せられる装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００４】
従来より、ＨＭＤに小型のＣＣＤカメラを取り付け、小型のＣＣＤカメラから得られた画像情報をＨＭＤにそのまま表示する装置や、小型のＣＣＤカメラから得られた画像情報を処理して別の画像情報に変換し、それをＨＭＤに表示する装置が提案されている。
【０００５】
また、ＨＭＤにおいてシースルー型のＨＭＤ（外界の光をダイレクトに角倍率略１で観察できる構成のＨＭＤ）も種々提案されている。このような形態のＨＭＤは、ＨＭＤの表示手段で表示した画像情報を観察するための表示光学系の眼球光軸と外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させるＣＣＤカメラの光軸が異なっているとこれらの間に視差（パララックス）が生じてくるため好ましくない。パララックスがなく、撮像光学系と表示光学系とを併せ持つ装置が、提案されている（特許文献１〜５）。
【特許文献１】特開平４−２２３５８号公報
【特許文献２】特開平５−３０３０５３号公報
【特許文献３】特開平１０−２３９６２８号公報
【特許文献４】特開平１１−１７４３６７号公報
【特許文献５】特開２０００−７５２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で提案されている表示光学系は、小型ＬＣＤから発せられた光が平面ハーフミラーを介した後、小型カメラに結像されている。
【０００７】
一方、撮像光学系は外界の光が平面ハーフミラーを介した後、小型カメラに結像されている。この平面ハーフミラーは光軸に対し４５度で配置されているため、装置が大きくなる傾向があった。
【０００８】
また、眼球の前に接眼レンズがあるため、シースルー光学系が成り立たない構成であった。
【０００９】
特許文献２では、シースルー光学系が成り立つ構成を開示しているが、光学系が複雑で装置が非常に大きくなる傾向があった。
【００１０】
特許文献３〜５では、これらの問題点を解決したＨＭＤが提案されている。
【００１１】
これらの公報で提案されている複合表示装置は、アジムス角度により異なるパワーを有する所謂自由曲面を適切に配置したプリズム状の光学素子（自由曲面プリズム）を表示光学系と撮像光学系との両方に用いて、両方の自由曲面プリズムの接合面をハーフミラー等の光路分離手段として用いることにより、小型の複合表示装置を実現している。
【００１２】
本発明はこれらで提案されている光学系を更に改良し、表示光学系や撮像光学系側の自由曲面プリズム（光学素子）や結像光学系を適切に構成することで、小型で眼球光軸方向に薄型で且つ広画角化に好適な光学素子及びこれを用いた複合表示装置の提供を目的とする。
【００１３】
この他本発明は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する為の複数の偏心反射面を有する表示光学系の構成及び外界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像させる撮像光学系の構成を適切に設定することによって、装置全体の小型化を図りつつ、該双方の画像情報を良好なる状態で観察及び結像することができる複合表示装置の提供を目的とする。
【００１４】
更に前述の目的に加えて、外界の画像情報も同時に観察することができるシースル光学系を含んだ複合表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明の複合表示装置は画像情報を表示した表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する表示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させる撮像光学系とを有し、光路中に設けた光路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外界光軸とを略一致させており
該撮像光学系は同一媒質上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させており、かつ母線断面合成パワーが負である第１光学素子を有していることを特徴としている。
【００１６】
請求項２の発明は請求項１の発明において前記撮像光学系はレンズの両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とよりなる少なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回転対称レンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対称レンズの光軸が全て略一致している複合レンズ群を有し、
外界からの光束を該第１光学素子を介した後、該複合レンズ群によって該撮像素子上に導光していることを特徴としている。
【００１７】
請求項３の発明は請求項２の発明において前記第１光学素子の射出面のローカル母線断面焦点距離ｆypoutとローカル子線断面焦点距離ｆxpout及び該光学素子の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐとが
｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１）
｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２）
を満足するように構成されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項４の発明は請求項３の発明において前記複合レンズ群の非回転対称面のローカル母線断面焦点距離ｆｙｌとローカル子線断面ｆｘｌと前記複合レンズ群の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合成焦点距離ｆｘｇが、
｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３）
｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４）
を満足するように構成されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項５の発明は請求項４の発明において前記撮像光学系の全系の母線断面合成焦点距離をｆｙ、子線断面合成焦点距離をｆｘとし、前記第１光学素子の母線断面合成焦点距離をｆｙｐ、子線断面合成焦点距離をｆｘｐとするときに、
−１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５）
−１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６）
を満足するように構成されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項６の発明は請求項５の発明において前記撮像光学系の入射瞳を視軸上に展開したときの展開入射瞳位置から前記表示光学系の射出瞳位置までの距離をＤｐｐ、前記表示光学系の射出面から前記表示光学系の射出瞳までの距離をｅｒとするとき、
０．２５ ＜ Ｄｐｐ／ｅｒ ＜８．０ ・・・・・・（７）
を満足するよう構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば薄型・軽量で明るく広画角の光学系を達成することが容易となり、又該光学系を用いることで小型・軽量で且つ広画角の画像表示装置や撮像装置を含む複合表示装置を達成することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の複合表示装置の基本構成を成す実施形態１の要部概略図である。同図において、１０１は表示光学系（ＬＣＤ表示光学系）であり、第２光学素子７を有しており、表示手段としてのＬＣＤ８で表示した画像情報を観察者の眼球Ｅに導光している。ＲｄはＬＣＤ８の表示面中心から表示光学系１０１の形成する射出瞳Ｓの中心に至る光線であり、Ｒｄを表示基準光線と呼ぶ。第２光学素子７は、表示基準光線Ｒｄに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有している。
【００２３】
また、Ｒｄの第２光学素子７の射出面から射出瞳Ｓの中心までの光線を延長した線を眼球光軸と呼ぶ。１０２は撮像光学系（ＣＣＤ結像光学系）であり、第１光学素子１，絞り２，複合レンズ群３，偏向手段４，ローパスフィルター５，等を有しており外界の画像情報を撮像素子であるＣＣＤ６に結像している。Ｒｉは絞り２の略中心を通り、ＣＣＤ６の受光面の中心に至る光線であり、Ｒｉを撮像基準光線（基準光線）と呼ぶ。
【００２４】
又、該撮像基準光線Ｒｉの外界から第１光学素子の入射面までの光線を外界光軸と呼び、外界光軸を外界側に所定距離延長した所を外界中心と呼ぶ。
【００２５】
本実施形態の第１光学素子１は同一媒質上に入射面、射出面、並びに基準光線Riに対して偏心し且つパワーを有する偏心反射面を複数有し、該複数の偏心反射面のうちの少なくとも１面が透過面と反射面とを兼用した兼用面であり、該入射面から入射した光束を該複数の偏心反射面により反射させて光路を折り畳み該射出面より射出させる光学素子であって、
該光学素子の母線断面合成パワーが負であることを特徴としている。
【００２６】
本実施形態では、表示光学系１０１と撮像光学系１０２の両方に、複数の内面反射を利用したプリズム体（光学素子）を使用している。そして２つのプリズム体を光路分離手段ＢＳを境にして接合している。光路分離手段ＢＳは、偏心し曲率を有した偏心反射面より成り、表示光学系１０１の光路と撮像光学系１０２の光路とを分離する面となっている。光路分離手段ＢＳは表示光学系１０１で一方側の反射面を使用し、撮像光学系１０２では他方側の反射面を使用している。本実施形態においては、光路分離手段ＢＳはハーフミラーである。
【００２７】
複合レンズ群３はレンズの両面がそれぞれ非回転対称面と回転対称面とよりなる少なくとも１枚の非回転対称レンズと、複数の回転対称レンズとを有し、該非回転対称レンズの回転対称面の光軸と該回転対称レンズの光軸が全て略一致している。
【００２８】
尚、ここで言う光軸とは、回転対称レンズの回転軸であり、通常の共軸光学系において用いられる所謂光軸と同義である。
【００２９】
１０３はシースルー光学系である。シースルー光学系１０３は撮像光学系１０２の入射面を外界光の入射面とし、ハーフミラーである光路分離手段ＢＳを通過し、表示光学系１０１の射出面を射出面として観察者の眼球Ｅに導かれる。
【００３０】
尚、本実施形態における偏心反射面は面頂点回りのアジムス角によって屈折力が異なるようにして良好なる光学性能を維持している。
【００３１】
本実施形態の表示光学系１０１はＬＣＤ（表示手段）８からの光が第２光学素子７を介して眼球Ｅに導かれる。このように表示光学系はＬＣＤ８からの光束を複数回反射して結像することなく眼球Ｅに導光している。これによってＬＣＤ８に表示した画像情報を観察している。
【００３２】
撮像光学系１０２は外界からの光が第１光学素子１を介し、絞り２、光学系３、フィルター５を経て撮像素子ＣＣＤ６に結像する。これによって外界の画像情報を記録している。
【００３３】
本実施形態のシースルー光学系１０３は外界からの光が撮像光学系１０２の第１光学素子１に入射し、光路分離手段ＢＳ（ハーフミラー）を透過し、表示光学系１０１の第２光学素子７を介して眼球Ｅに導かれている。これによって外界の画像情報を観察している。
【００３４】
本実施形態では表示光学系１０１と撮像光学系１０２とを光束分離手段ＢＳで対向配置し、表示光学系１０１及び撮像光学系１０２及びシースルー光学系１０３の各基準光線がＢＳ上の略同一点を通るようにすることによって、眼球光軸と、外界光軸が略一致するようにして、ＬＣＤ８に表示された画像情報の観察と、外界の画像情報のＣＣＤ６上における結像、そして外界の画像情報の観察（シースルー光学系）をパララックスのない状態で同時に観察及び撮像できるようにしている。
【００３５】
尚、光路分離手段ＢＳのハーフミラーは透過率と反射率との比が１：１のものに限るものではなく、比率は任意である。
【００３６】
本実施形態においては、第１光学素子と第２光学素子とをｎ＞１の屈折率ｎの同一材質で構成し、第１光学素子１の入射面と第２光学素子７の射出面とを適切な形状とし、シースルー光学系１０３のパワーが略０となり、外界像が角倍率略１の状態で観察者に外界像が略歪みなく観察されるよう構成する。
【００３７】
又Ｒｓは外界中心からシースルー光学系１０３を介して表示光学系１０１の射出瞳Ｓの中心に至る光線であり、Ｒｓをシースルー基準光線と呼ぶ。
【００３８】
本実施形態ではシースルー基準光線Ｒｓと撮像基準光線Ｒｉとが外界側で略一致（即ち、ＲｓとＲｉとが外界光軸に略一致）し、且つシースルー基準光線Ｒｓと表示基準光線Ｒｄとが眼球側で略一致（即ち、ＲｓとＲｄとが眼球光軸と略一致）するようにして、コンパクトな構成でありながらＬＣＤからの表示とＣＣＤへの撮像と外界からのシースルーが視差なく行えるようにしている。
【００３９】
図２は、本発明の複合表示装置における基準光線、ローカル母線断面、ローカル子線断面等を説明するための説明図である。
【００４０】
図３は、本発明の複合表示装置の基本構成例の斜視図である。
【００４１】
まず、図面を用いて、本発明の複合表示装置における基準光線、ローカル母線断面、ローカル子線断面、母線断面合成焦点距離、子線断面合成焦点距離等の用語の定義を説明する。
【００４２】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でz軸を光軸とすると、yz断面が従来の定義による母線断面（メリジオナル断面）、xz断面が従来の定義による子線断面（サジタル断面）となる。本発明は偏心系なので偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００４３】
まず、表示手段８の表示面上の中心より射出し、表示光学系１０１の形成する射出瞳Ｓの中心に至る光線を表示基準光線Ｒｄと定義する。
【００４４】
また、このときの第２光学素子７の射出面Ｓ７１における表示基準光線ＲｄのヒットポイントＳ７１ａと射出瞳Ｓの中心とを結ぶ線を視軸と定義する。即ち、視軸は前述した眼球光軸に一致している。尚、図２に示すように、該視軸をｚ軸とし、紙面内でｚ軸に垂直な方向にｙ軸をとり、紙面に垂直な方向にｘ軸をとった座標系をグローバル座標系と呼ぶことにする。該視軸を屈折の法則に従って、第２光学素子７の面Ｓ７１と第１光学素子１の面Ｓ１１とで屈折するよう延長した線上を通る光線をシースルー基準光線Ｒｓと定義する。
【００４５】
また、撮像光学系１０２の絞り２の中心を通り、撮像素子６の撮像面上の中心に至る光線を撮像基準光線（基準光線）Ｒｉと定義する。
【００４６】
上述のように定義した各基準光線Ｒｄ，Ｒｓ，Ｒｉと各面とのヒットポイント上で、各基準光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。ローカル母線断面の曲率をｒｙ、ローカル子線断面の曲率をｒｘとして、該当する面の前後の屈折率をそれぞれｎｄ、ｎｄ'とするときに、
ｆｙ＝ｒｙ／（ｎｄ'−ｎｄ）
で与えられるｆｙをローカル母線断面焦点距離、
ｆｘ＝ｒｘ／（ｎｄ'−ｎｄ）
で与えられるｆｘをローカル子線断面焦点距離と定義する。
【００４７】
また、
φｙ＝１／ｆｙ、φｘ＝１／ｆｘ
で与えられるφｙ、φｘをそれぞれ各面のローカル母線断面パワー、ローカル子線断面パワーとする。今、第ｉ番目のローカル母線断面パワーをφｙｉ、第ｉ番目の光学面と各基準光線とのヒットポイントと第ｉ＋１番目の光学面と各基準光線とのヒットポイント間の距離をその間の媒質の屈折率で割った値を換算面間隔ｅｉ’とした場合に、第ｍ面から第ｎ面まで通常の近軸追跡計算と同様にして求めた合成パワーを母線断面合成パワーφｙｍｎとし、φｙｍｎの逆数ｆｙｍｎを第ｍ面から第ｎ面までの母線断面合成焦点距離とする。
【００４８】
同様に第ｍ面から第ｎ面までローカル子線断面パワーφｘｉ，ヒットポイント間の換算間隔ｅｉ’について求めた合成パワーを子線断面合成パワーφｘｍｎ、その逆数を子線断面合成焦点距離ｆｘｍｎとする。
【００４９】
次に図１の実施形態の基本構成例における各要素の作用について説明する。
【００５０】
第１光学素子１及び第２光学素子７は同一形状の面Ｓ１２と面Ｓ７２とにおいて少なくとも一方の面に半透過の反射膜が形成された状態で接合されており、面Ｓ１２及び面Ｓ７２は光路分離手段ＢＳとして機能している。
【００５１】
表示手段８からの光は、入射面Ｓ７３より第２光学素子７内に入射する。入射した光のうちの有効光束の大部分は表示基準光線Ｒｄに対して偏心して配置されたパワーを有する面Ｓ７１に向かい、第２光学素子７の媒質の屈折率をｎとするとき、面Ｓ７１にarcsin（１／ｎ）以上の入射角度で入射して内部全反射する。このようにして反射された光束は、表示基準光線Ｒｄに対して偏心したパワーを有する面Ｓ７２で反射されて再度面Ｓ７１に向かい、今度は面Ｓ７１にarcsin（１／ｎ）以下の入射角度で入射して面Ｓ７１を透過し、表示光学系１０１の形成する射出瞳Ｓに導かれる。以上の構成により、射出瞳Ｓの近傍に眼球Ｅを置いた観察者に表示手段８上に表示された画像を拡大して提示している。以上のように表示基準光線Ｒｄに対して偏心した複数の偏心反射面Ｓ７１，Ｓ７２により光路を折り畳む構成としたことにより、視軸方向に薄型の構成としている。
【００５２】
また、該複数の偏心反射面Ｓ７１，Ｓ７２をともにパワーを有する面としたことで、光学面数の低減を図っている。この際、少なくとも一方の偏心反射面を母線断面(紙面)を唯一の対称面とする非回転対称面とすることでパワーを有する偏心反射面により発生する偏心収差を補正することが好ましい。更に、複数の偏心反射面乃至全ての面を母線断面を唯一の対称面とする非回転対称面とすると、偏心収差をより良好に補正できるようになるため、好ましい。
【００５３】
また、該偏心反射面である面Ｓ７１を内部全反射及び透過の作用をする兼用面として、面数の削減並びに光量ロスの少ない表示光学系を構成している。
【００５４】
また、第１光学素子１の入射面Ｓ１１より入射した外界からの光は、光路分離手段ＢＳの構成面である撮像基準光線Ｒｉに対して偏心したパワーを有する偏心反射面Ｓ１２により一部反射され、撮像基準光線Ｒｉに対して偏心したパワーを有する偏心反射面Ｓ１１に向かう。これらの光は第１光学素子１の媒質の屈折率をｎとするとき、面Ｓ１１に対してarcsin（１／ｎ）以上の入射角度で入射して内部全反射し、射出面Ｓ１３より射出して第１光学素子１を出て、絞り２に向かう。絞り２を通過した光は、複数の回転対称レンズ３１，３２，３３並びに一方の面が回転対称面Ｒ８、他方の面が非回転対称面ＦＦＳ１である非回転対称レンズ３４を少なくとも１つ有する複合レンズ群３とローパスフィルター５を介して撮像素子６の撮像面上に外界の像を結像している。
【００５５】
この際、撮像光学系（１〜５）中の絞り２より前側の部分である第１光学素子１の母線断面(紙面内)合成パワーを負とすることにより、ネガティブリードの所謂レトロフォーカスタイプの撮像光学系とすることができ、ＣＣＤ等の撮像光学素子におけるフィルター系５の入るスペース所謂バックフォーカスを十分に確保しつつ、広画角の外界像撮影に向く構成としている。更に好ましくは、第１光学素子１の子線断面(紙面と垂直面)合成パワーも負とすることで、子線断面方向にも広画角に適した光学系の構成とすることが出来る。
【００５６】
また、表示基準光線Ｒｉに対して偏心した複数の偏心反射面Ｓ１１，Ｓ１２により光路を折り畳む構成としたことにより、第１光学素子１を視軸方向に薄型の構成としている。
【００５７】
また、該複数の偏心反射面Ｓ１１，Ｓ１２をともにパワーを有する面としたことで、結像に寄与しない光学面をなくし、光学面数の低減を図っている。この際、少なくとも一方の偏心反射面を母線断面を唯一の対称面とする非回転対称面とすることでパワーを有する偏心反射面により発生する偏心収差を補正することが好ましい。
【００５８】
更に、絞り２に近い射出面Ｓ１３を母線断面を唯一の対称面とする非回転対称面とすることで、瞳の偏心収差を補正することが容易になる。
【００５９】
更に好ましくは、複数の偏心反射面乃至全ての面を母線断面を唯一の対称面とする非回転対称面とすると、偏心収差をより良好に補正できるようになる。
【００６０】
また、該偏心反射面である面Ｓ１１を内部全反射及び透過の作用をする兼用面としたことで、面数の削減並びに光量ロスの少ない光学素子としている。ここで、第１光学素子１においては面Ｓ１２が強い負のパワーを有しているが、射出面Ｓ１３のローカル母線断面パワー，ローカル子線断面パワーの少なくとも一方を負として、負のパワーを分担させることで、面Ｓ１２の負のパワーを必要以上に上げることなく、第１光学素子全体としての負のパワーを増大させることが容易となり、更に広画角に好適な構成とすることが出来る。更に、第１光学素子１の射出面Ｓ１３におけるローカル母線断面焦点距離ｆｙｐoutとローカル子線断面焦点距離ｆｘｐout及び該光学素子１の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐとが以下の条件式
｜ｆｙｐ／ｆｙｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（１）
｜ｆｘｐ／ｆｘｐｏｕｔ｜＜２ ・・・・・・（２）
を満足するように構成することで、第１光学素子１での母線断面合成焦点距離と子線断面合成焦点距離とをうまくバランスさせることが好ましい。
【００６１】
（１）式、（２）式ともに上限を超えると、射出面Ｓ１３単独で発生する偏心収差が大きくなり好ましくない。
【００６２】
また、絞り２より後方の結像に寄与する複合レンズ群３に少なくとも１つの非回転対称レンズを用いることで、第１光学素子１において補正しきれない偏心収差を補正した高性能の撮像光学系を提供することが容易になる。
【００６３】
また、色収差補正等を複数の回転対称レンズにより行うことで、作製の困難な非回転対称レンズの部品数を少なく抑えつつ、高い結像性能が得られるようにしている。尚、本実施形態の複合レンズ群３においては、図２に示すように、複合レンズ群３を構成している回転対称面の回転対称軸が、共軸光学系でいうところの光軸（図２の１点鎖線）３ａを共有するような同軸構成としている。このように構成することで、複合レンズ群３は非回転対称面を含みながらも、通常の共軸光学系と同様の組立工程で組み立てられるようにし、組立に要する手間を省くことを容易としている。尚、非回転対称レンズの光軸周りの回転ずれ補正には、例えば円形の一部をカットした形状の非回転対称レンズを用いて鏡筒に対する方向決めを行う等の手段により行うことが可能である。
【００６４】
また、図に示すように、回転対称系の光軸３が撮像基準光線Ｒｉと必ずしも一致している必要はない。このような複合レンズ群を用いることで、第１光学素子１と複合レンズ群３を有する鏡筒、撮像素子６の３点の位置出しのみを偏心を含んだ調整とする、偏心調整の少ない撮像光学系を提供することが容易となる。更に、複合レンズ群３中の非回転対称面のローカル母線断面焦点距離ｆｙｌとローカル子線断面焦点距離ｆｘｌ、及び複合レンズ群３の母線断面合成焦点距離ｆｙｇ及び子線断面合成焦点距離ｆｘｇとが以下の条件式
｜ｆｙｇ／ｆｙｌ｜＜１ ・・・・・・（３）
｜ｆｘｇ／ｆｘｌ｜＜１ ・・・・・・（４）
を満足するように構成することで、母線断面焦点距離及び子線断面焦点距離がうまくバランスするように構成している。（３）式、（４）式ともに上限を超えると、該当する非回転対称面単独で発生する偏心収差が大きくなり好ましくない。更に、撮像光学系全系での母線断面合成焦点距離ｆｙ、子線断面合成焦点距離ｆｘと、第１光学素子１の母線断面合成焦点距離ｆｙｐ、子線断面合成焦点距離ｆｘｐとの間に以下の条件式、
−１＜ｆｙ／ｆｙｐ＜０ ・・・・・・（５）
−１＜ｆｘ／ｆｘｐ＜０ ・・・・・・（６）
を満足させることが望ましい。（５）式及び（６）式の下限を超えると全系のパワーに対する第１光学素子のパワーが強くなりすぎ、第１光学素子１で発生した収差を複合レンズ群３で補正することが困難となる。
【００６５】
また、上限を超えると、広画角の達成が困難になる。
【００６６】
また、撮像光学系は偏向手段４を有することが好ましい。偏向手段４は例えば図３に示すような三角プリズム柱形状で、図１，２で説明した光路の折り畳み方向である母線断面と異なる方向に光路を偏向させるようにしている。図３では、光路を母線断面に略垂直に折り返すような構成とし、グローバル座標系のｙ軸方向の長さ並びにｚ軸方向の長さが短くなるようにして、全体としてコンパクトな撮像光学系とすることが可能となる。
【００６７】
また、第１光学素子１の面Ｓ１１より入射した外界からの光は光路分離手段ＢＳの構成面である面Ｓ１２及びＳ７２を一部透過して第２光学素子７に入射し、面Ｓ７１より射出して観察者の眼Ｅに導かれるようにシースルー光学系を構成しており、観察者に外界像観察を可能とさせている。この際、面Ｓ１１と面Ｓ７１との形状を適切に設計し、面Ｓ７１から面Ｓ１１へのシースルー光学系のパワーが略０になり、角倍率が略１になるように構成することにより、観察者に観察される外界像の歪みを少なくすることが可能になる。
【００６８】
このとき、図２に示すように撮像光学系の入射瞳を視軸上に展開した展開入射瞳位置から表示光学系の射出瞳Ｓの位置までの距離をＤｐｐとし、表示光学系を構成する第２光学素子７の射出面Ｓ７１における射出光線のヒットポイント（入射点）から射出瞳Ｓの位置までの距離をｅｒとするとき、以下の条件式
０．２５＜Ｄｐｐ／ｅｒ＜８．０・・・・・・（７）
を満足するように構成することが好ましい。ここで、展開入射瞳位置とは、絞り２中心を通り撮像素子６の撮像面上でのローカル母線断面上で最端の位置に入射する２つの光線のそれぞれ面Ｓ１１から入射して面Ｓ１２に至るものを射出瞳Ｓの方向に延長した光線同士の交点を視軸上に射影した位置のことである。（７）式の下限を超えると、撮像光学系が大きくなってしまう。（７）式の上限を超えると、撮像光学系の撮像画角と表示光学系の表示画角が同じであっても、近距離物体を撮像した場合に生じるずれが大きくなってしまう。
【００６９】
また、例えば、表示手段への画像表示と撮像素子の外界画像取り込みとのタイミングをずらすことによって、表示手段からの光が撮像素子に写り込まないようにして撮像素子上のノイズ除去を行うことが可能である。
【００７０】
本実施形態では以上のように構成することにより、小型で広画角の複合表示装置、及び該複合表示装置に好適な撮像光学系、並びに該撮像光学系を構成する光学素子（第１光学素子）と複合レンズ群３を提供することを容易にしている。
【００７１】
［数値実施例］
以下に本発明の数値実施例１〜５を示す。各数値実施例ともに表示光学系は表１に示した数値のものである。
【００７２】
また各数値実施例の撮像光学系の構成は表２〜６に示す通りである。
【００７３】
表１においては、射出瞳Ｓの位置を原点（０，０，０）としたグローバル座標系における位置をｘ，ｙ，ｚ及びｘ軸周りの回転角度（°）で表している。
【００７４】
また、表２〜６はＳ２面のローカル座標（Ｓ２面の関数を定義したｘ、ｙ、ｚ座標系）によりＳ５面までは該Ｓ２面ローカル座標上での各面頂点の位置（ｘ，ｇ，ｚ）及び各面ローカル座標軸のｘ軸まわりの回転角度（反時計まわりを正とする）により位置を示し、Ｓ５面以降の面においては面間隔ｄ（Ｓ５面ローカル座標系のｚ軸方向の面間距離）により次の面までの間隔を示している。その為、Ｓ６面以降の各面頂点のＳ２面ローカル座標に対する相対位置（ｘ，ｙ，ｚ）は省略した。
【００７５】
又、Ｓ６面以降の面Ｓｉにおいては、Ｓｉ−１面ローカル座標系ｚ軸に対する各面ローカル座標系のｚ軸のｘ軸回りの回転角度をａとし、Ｓｉ−１面に対してＳｉ面が傾いていない。即ち同軸の場合にはａを省略している。
【００７６】
表中の他の記号はそれぞれｔｙｐｅが面形状タイプを示し、ＦＦＳは非回転対称面、ＳＰＨは球面、ＡＳＰは回転対称非球面を表している。ｓは面番号、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄ及びｖｄは屈折率並びにアッベ数である。
【００７７】
また、ＦＦＳ面は以下の定義式により与えられる形状である。
Z=(1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+C1)*(1/R)2*(x2+y2))(1/2))+C5*(x2-y2)+C6*(-1+2*x2+2*y2)+C10*(-2*y+3*x2*y+3*y3)+C11*(3*x2*y-y3)+C12*(x4-6*x2*y2+y4)+C13*(-3*x2+4*x4+3*y2-4*y4)+C14*(1-6*x2+6*x4-6*y2+12*x2*y2+6*y4)+C20*(3*y-12*x2*y+10*x4*y-12*y3+20*x2*y3+10*y5)+C21*(-12*x2*y+15*x4*y+4*y3+10*x2*y3-5*y5)+C22*(5*x4*y-10*x2*y3+y5)+C23*(x6-15*x4*y2+15*x2*y4-y6)+C24*(-5*x4+6*x6+30*x2*y2-30*x4*y2-5*y4-30*x2*y4+6*y6)+C25*(6*x2-20*x4+15*x6-6*y2+15*x4*y2+20*y4-15*x2*y4-15*y6)+C26*(-1+12*x2- 30*x4+20*x6+12*y2-60*x2*y2+60*x4*y2-30*y4+60*x2*y4+20*y6) ……（８）
尚、表中で不指示の係数は０であるものとする。
【００７８】
【数１】
2005070804.tif 000003
【００７９】
【数２】
2005070804.tif 000004
【００８０】
【数３】
2005070804.tif 000005
【００８１】
【数４】
2005070804.tif 000006
【００８２】
【数５】
2005070804.tif 000007
【００８３】
【数６】
2005070804.tif 000008
【００８４】
【数７】
2005070804.tif 000009
【００８５】
【数８】
2005070804.tif 000010
【００８６】
【数９】
2005070804.tif 000011
【００８７】
【数１０】
2005070804.tif 000012
【００８８】
【数１１】
2005070804.tif 000013
【００８９】
次に本発明にかかる表示光学系と撮像光学系の実施例について説明する。
【実施例１】
【００９０】
図４は表示光学系１０１の数値実施例の図である。表示光学系１０１を示す表１におけるｓ１は射出瞳Ｓをｓ２〜５は第２光学素子７の各面を構成しており、表示手段８の表示面にあたる面ｓ８からの光を射出瞳Ｓに導いている。
【００９１】
図５は撮像光学系１０２の数値実施例１の図である。撮像光学系１０２を示す表２におけるｓ１〜４は第１光学素子の各面であり、面ｓ５，６は偏向手段４を表すダミーガラスである。
【００９２】
また、絞りはｓ６となっている。面ｓ７〜ｓ１８は複合レンズ群３のレンズ群であり、面ｓ７，８は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１１，１２は第２の非回転対称レンズ、面ｓ１７，１８は第３の非回転対称レンズである。その他の面は球面である。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１７までは同軸で構成され、面Ｓ１８のみが傾いた構成である。
【００９３】
面ｓ１９，ｓ２０はフィルター系のダミーガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通して撮像面２０上に結像させている。
【００９４】
図４の面ｓ３及び図５の面ｓ２は同一面形状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に示されている）であり、接合されて光路分離手段として作用する。
【実施例２】
【００９５】
図６は撮像光学系１０２の数値実施例２の図である。本実施例の撮像光学系１０２を示す表３における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であり、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスである。
【００９６】
また、絞り２は面ｓ６となっている。面ｓ７〜ｓ１６は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ９，ｓ１０は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１３，ｓ１４は第２の非回転対称レンズ、面ｓ１５，ｓ１６は第３の非回転対称レンズである。その他の面は球面である。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１５までは同軸で構成され、面ｓ１６のみが傾いた構成である。
【００９７】
面ｓ１７，ｓ１８はフィルター系のダミーガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通して撮像面１８上に結像させている。
【００９８】
図４の面ｓ３及び図６の面ｓ２は同一面形状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に示されている）であり、接合されて光路分離手段として作用する。
【実施例３】
【００９９】
図７は撮像光学系１０２の数値実施例３の図である。本実施例の撮像光学系１０２を示す表４における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であり、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスである。
【０１００】
また、絞り２はｓ６となっている。面ｓ７〜ｓ１８は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ７，ｓ８は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１１，ｓ１２は第２の非回転対称レンズ、ｓ１７，１８は第３の非回転対称レンズである。その他の面は球面である。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１７までは同軸で構成され、面ｓ１８のみが傾いた構成である。
【０１０１】
面ｓ１９，ｓ２０はフィルター系のダミーガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通して撮像面２０上に結像させている。
【０１０２】
図４の面ｓ３及び図７の面ｓ２は同一面形状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に示されている）であり、接合されて光路分離手段として作用する。
【実施例４】
【０１０３】
図８は撮像光学系１０２の数値実施例４の図である。本実施例の撮像光学系１０２を示す表５における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であり、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスである。
【０１０４】
また、絞り２は面ｓ５となっている。面ｓ７〜ｓ１９は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ７，ｓ８は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１８，ｓ１９は第２の非回転対称レンズである。
【０１０５】
また、面ｓ１１，ｓ１２，ｓ１４は回転対称非球面である。その他の面は球面である。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１８までは同軸で構成され、面ｓ１９のみが傾いた構成である。
【０１０６】
面ｓ２０，ｓ２１はフィルター系のダミーガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通して撮像面２１上に結像させている。図４の面ｓ３及び図８の面ｓ２は同一面形状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に示されている）であり、接合されて光路分離手段として作用する。
【実施例５】
【０１０７】
図９は撮像光学系１０２の数値実施例５の図である。本実施例の撮像光学系１０２を示す表６における面ｓ１〜ｓ４は第１光学素子１であり、面ｓ５，ｓ６は偏向手段４を表すダミーガラスである。
【０１０８】
また、絞り２は面ｓ５となっている。面ｓ７〜ｓ２０は複合レンズ群３の各レンズ面であり、面ｓ７，ｓ８は第１の非回転対称レンズ、面ｓ１９，ｓ２０は第２の非回転対称レンズである。
【０１０９】
また、面ｓ１２は回転対称非球面である。その他の面は球面である。表からも分るように、面ｓ７〜ｓ１９までは同軸で構成され、面ｓ２０のみが傾いた構成である。
【０１１０】
面ｓ２１，ｓ２２はフィルター系のダミーガラスである。外界からの光を第１光学素子１、偏向手段４、絞り２、複合レンズ群３、フィルター系５を通して撮像面２２上に結像させている。
【０１１１】
図４の面ｓ３及び図８の面ｓ２は同一面形状（但し、ｚ軸の向きが反転しているため、符号が逆に示されている）であり、接合されて光路分離手段として作用する。
【０１１２】
いずれの構成も撮像面サイズ３．６ｍｍ×２．７ｍｍの撮像素子に対して水平画角４７°垂直画角３６°の撮影画角を有している撮像光学系となっている。
【０１１３】
図１０は本発明の各実施形態の複合表示装置ＣＳを観察者ＳＡの左右眼用に一対設けるように構成することにより、両眼式のヘッドマウントディスプレイを構成した時の説明図である。
【０１１４】
本発明において、例えば表示素子に表示する画像として両眼視差を用いれば立体視が可能な画像観察システムを構築することができる。
【０１１５】
尚、必ずしも両眼でなく、左右どちらかの眼用に１ユニットのみ設けた単眼式ＨＭＤとしてもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の複合表示装置の基本構成例を示す断面図。
【図２】本発明の複合表示装置における基準光線、ローカル母線断面、ローカル子線断面等を説明するための説明図。
【図３】本発明の複合表示装置の基本構成例の斜視図。
【図４】本発明の複合表示装置の表示光学系の数値例。
【図５】本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例１の要部断面図。
【図６】本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例２の要部断面図。
【図７】本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例３の要部断面図。
【図８】本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例４の要部断面図。
【図９】本発明の複合表示装置の撮像光学系の数値例５の要部断面図。
【図１０】本発明のヘッドマウントディスプレイの説明図。
【符号の説明】
【０１１７】
１  第１光学素子（光学素子）
２  絞り
３  複合レンズ群
４  偏向手段
５  フィルター素子
６  撮像素子
７  第２光学素子
８  表示手段
Ｅ  観察者の眼球
Ｓ  瞳
ＢＳ  光路分離手段
１０１  表示光学系
１０２  撮像光学系
１０３  シースルー光学系
【図１】
2005070804.tif 000014
【図２】
2005070804.tif 000015
【図３】
2005070804.tif 000016
【図４】
2005070804.tif 000017
【図５】
2005070804.tif 000018
【図６】
2005070804.tif 000019
【図７】
2005070804.tif 000020
【図８】
2005070804.tif 000021
【図９】
2005070804.tif 000022
【図１０】
2005070804.tif 000023