(57)【要約】【課題】観察画角に応じて、好適な状態の光学性能で観察することのできる観察装置を提供する。【解決手段】画像表示素子に表示される原画像を観察者眼球に虚像として投影する接眼光学系を有する観察装置において、接眼光学系は、１面の反射面を有し、反射面は、観察者視軸と画像表示素子のそれぞれに対して偏心して配置されると共に、観察画角の大きさに対応して画像表示素子と接眼光学系が位置決めされることで、画像表示素子に表示される原画像を反射する複数の使用領域を有することを特徴とする。【選択図】図１３
2013160791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子に表示される原画像を観察者眼球に虚像として投影する接眼光学系を有する観察装置において、
前記接眼光学系は、１面の反射面を有し、
前記反射面は、観察者視軸と前記画像表示素子のそれぞれに対して偏心して配置されると共に、観察画角の大きさに対応して前記画像表示素子と前記接眼光学系が位置決めされることで、前記画像表示素子に表示される原画像を反射する複数の使用領域を有する
観察装置。
【請求項２】
前記反射面のパワー分布は、前記反射面において前記画像表示素子から遠くなるにしたがって強くなる
請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
逆光線追跡で前記接眼光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記射出瞳から前記反射面に向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸としたとき、ある観察画角における軸上主光線の反射点におけるＹ−Ｚ面内でのパワーφｙが下記条件式（１）を満足する
請求項１または請求項２に記載の観察装置。
０．００４≦φｙ≦０．０２５          ・・・（１）
【請求項４】
前記反射面は、表面反射面である
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項５】
前記反射面は、裏面反射面である
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項６】
前記反射面は、ハーフミラーである
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項７】
前記接眼光学系は、外部から入射する外界光に対して５％以上の透過率を有する
請求項６に記載の観察装置。
【請求項８】
前記接眼光学系は、外部から入射する外界光に対しては屈折力を略有さず、裸眼と同等の倍率で観察可能とする
請求項６または請求項７に記載の観察装置。
【請求項９】
前記反射面は、回転非対称面である
請求項１から請求項８の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記反射面は、自由曲面である
請求項９に記載の観察装置。
【請求項１１】
前記反射面は、回転対称面である
請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１２】
水平方向の観察画角が所定の範囲内において、観察画角が大きくなるにしたがって、前記画像表示素子から前記反射面までの距離が長くなるように位置決めされる
請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１３】
水平方向の観察画角が所定の範囲内において、観察画角が大きくなるにしたがって、前記反射面において画像表示素子から遠い側の領域を前記使用領域とする
請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１４】
観察者視軸と前記画像表示素子の表示面のなす角度をＡとしたとき、
下記条件式（２）を満足する
請求項１から請求項１３の何れか１項に記載の観察装置。
−２０° ≦ Ａ ≦ ９０°              ・・・（２）
【請求項１５】
軸上主光線について前記画像表示素子から前記反射面への入射角度をＢとしたとき、
下記条件式（３）を満足する
請求項１から請求項１４の何れか１項に記載の観察装置。
１０° ≦ Ｂ ≦ ５０°                ・・・（３）
【請求項１６】
逆光線追跡で前記接眼光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記射出瞳から前記反射面に向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とし、Ｘ−Ｚ面内の前記接眼光学系の焦点距離をｆｘ、Ｙ−Ｚ面内における前記接眼光学系の焦点距離をｆｙ、Ｙ−Ｚ面内における前記画像表示素子の長さをＤＬとしたとき、下記条件式（４）、（５）を満足する
請求項１から請求項１５の何れか１項に記載の観察装置。
０．４ ≦ ２ｆｘ／ＤＬ ≦ １５        ・・・（４）
０．５ ≦ ２ｆｙ／ＤＬ ≦ １５        ・・・（５）
【請求項１７】
使用する観察画角の大きさに対応した位置で、前記画像表示素子と前記接眼光学系を互いに位置決め可能な保持部材を有する
請求項１から請求項１６の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１８】
前記保持部材は、使用する観察画角の大きさに対応した複数の位置で、前記画像表示素子と前記接眼光学系を互いに位置決め可能とする
請求項１７に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示素子に表示された画像を接眼光学系を介して観察者に観察させる観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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観察光学系によって拡大して観察者に呈示する頭部装着型の画像表示装置が知られている。この頭部装着型の画像表示装置は、装置を頭部に装着するため、装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また呈示する画像に高い臨場感を持たせるには、画像表示素子の原画像を出来るだけ広画角に呈示すると共に、高い解像度で表現できる光学系が求められる。
【０００３】
特許文献１〜４には、このような要求を満たすための手段として、観察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が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０６２７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５６２８号公報
【特許文献３】特開２００６−１４６０００号公報
【特許文献４】特開２００６−２０１６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜４では、画像表示素子によって形成された映像を観察者の眼球に導くための接眼光学系を有する画像表示装置において、観察光学系が凹面鏡のみで眼球に虚像を投影することで観察できるようにした画像表示装置であるが、これら画像表示装置では、表示素子の大きさが異なることは想定されるものではない。したがって設計時の画像表示素子の大きさにおいて歪みの少ない表示画像が観察されるものであって、設計時と異なる大きさの画像表示素子に対しては歪みが大きくなってしまう可能性がある。また、画像表示素子の大きさの変動に対しては、単純にスケーリングして対応するしかないため、大きな画像表示素子を用いる場合には光学系が大きくなり、それに伴って装置全体が大型化してしまう。
【０００６】
本発明の課題は、画像表示素子の大きさ、あるいは、画像表示素子にて表示される画像表示領域の大きさが異なることで変化する観察画角の大きさに応じた、好適な状態の光学性能、特に歪み（ディストーション）と解像力のバランスの取れた状態で観察することが可能となる観察装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため本発明に係る観察装置は、
画像表示素子に表示される原画像を観察者眼球に虚像として投影する接眼光学系を有する観察装置において、
前記接眼光学系は、１面の反射面を有し、
前記反射面は、観察者視軸と前記画像表示素子のそれぞれに対して偏心して配置されると共に、観察画角の大きさに対応して前記画像表示素子と前記接眼光学系が位置決めされることで、前記画像表示素子に表示される原画像を反射する複数の使用領域を有するもの
である。
【０００８】
このような構成により、観察画角に応じて、好適な状態の光学性能、特にディストーションと解像力のバランスの取れた状態で観察することが可能となる。したがって、観察者には、画像表示素子に表示された原画像を拡大された虚像として投影され、高い臨場感を得ることができる。
【０００９】
以下に本発明について詳細に説明をする。図１に基本的な画像表示装置の模式図を示す。ここで、観察者眼球（右眼）５の前方には、偏心ミラー３（本発明における「接眼光学系」）と、画像表示素子２からなる画像表示装置１が配備されている。観察者眼球５の前方に配備された偏心ミラー３の後側焦点位置近傍に画像表示素子２が設置されるため、観察者には、画像表示素子２に表示された原画像が拡大投影された虚像として認識される。
【００１０】
本発明の画像表示装置で観察される画像は、図１（水平画角２７度［°］、表示面：２．５インチ）、図２（水平画角４０度［°］、表示面：３インチ）、図３（水平画角６０度［°］、表示面：３．５インチ）、図４（水平画角７０度［°］、表示面：４インチ）に示すように、画像表示素子２における画像表示領域２１ａ〜３の大きさ（観察者にとっては観察画角の大きさ）によって、接眼光学系である偏心ミラー３の使用領域３１ａ〜ｄが異なる。そのため、偏心ミラー３と画像表示素子２の相対的な位置、すなわち、間隔となす角度が異なって設定される。
【００１１】
この画像表示素子２と偏心ミラー３の位置関係は、画像表示領域２１ａ〜ｄの大きさ、すなわち、観察画角の大きさによって予め決められている。画像表示素子２と偏心ミラー３は互いを連結する保持部材によって連結され、観察画角毎（想定している画像表示素子２の大きさ毎、あるいは、画像表示素子２にて表示される画像表示領域２１の大きさ毎）の位置関係が保たれる。観察者は、観察画角の大きさによって保持部材の状態を変える、あるいは、観察画角の大きさにあった保持部材を用いることで、画像表示素子２と偏心ミラー３の相対的な位置関係を変化させて観察する。
【００１２】
図１〜図４は本発明の画像表示装置について、観察画角が異なる４つの状態の光路図が示されている。これらの図からも明らかな様に、それぞれの状態で偏心ミラー３の使用領域３１ａ〜３１ｄが異なっていることが分かる。
【００１３】
それぞれの図に表示されている偏心ミラー３は同一のものを使用しているが、画像表示素子２と偏心ミラー３の相対的な位置は異なっている。それに伴って観察位置、すなわち、観察者眼球５の位置も異なっている。画像表示素子２と偏心ミラー３の相対的な位置は、両者を連結する保持部材（図示せず）によって位置決めされる。一方、これらに対する観察者眼球の位置は、画像表示素子２を含む情報端末装置を、観察者が見やすい位置に自分で位置調整を行うことで位置決めされる。
【００１４】
本実施形態の画像表示装置１は、水平方向の観察画角（水平画角）が所定の範囲内において、偏心ミラー３上の光学的に使用する領域を、広画角になるにしたがって観察者に近い側に移動させている。この場合、画像表示装置１の構成としては、水平画角が大きくなるにしたがって、反射面３１において画像表示素子２から遠い側の領域が使用領域となる。また、偏心ミラー３における反射面３１のパワー分布は、画像表示素子２から離れるにしたがって強くなるように設定されている。
【００１５】
例えば、図１（水平画角：２７度）から図２（水平画角：４０度）に変化する場合、偏心ミラー３の反射面３１における使用領域は、図中、偏心ミラー３の上側に移動する。図２（水平画角：４０度）から図３（水平画角６０度）に変化させた場合においても、同様
に偏心ミラー３の上側に移動する。
【００１６】
ただし、図３（水平画角６０度）から図４（水平画角７０度）に変化させた場合には、使用領域が若干下側に移動した形態となっている。水平画角が所定の範囲よりも大きくなると、観察者顔面と画像表示素子２が近くなり干渉する恐れが生じる。そこで、水平画角が所定範囲以上となった場合には、偏心ミラー３の観察者から遠い領域を使用領域とすることで、図中、上側の光線を瞳から離し、観察者顔面との干渉を避けることとしている。なお、上述した水平画角の所定範囲は、本実施形態のように、
１０° ≦ ２ω ≦ ６０°
とすることが好ましい。上式においてωは半水平画角である。このように本実施形態では、水平方向の画角が所定の範囲内では、観察画角が大きくなるにしたがって、観察者に近い側を使用領域とする、すなわち、画像表示素子２から遠い側を使用領域とすることで反射面３１を有効に利用し、偏心ミラー３の小型化を図ることとしている。また、水平画角が所定範囲を超えた場合には、例外的に観察者から遠い側を使用領域とする、すなわち、画像表示素子２に近い側を使用して、水平画角の大きい画像表示素子２にも対応可能な構成としている。
【００１７】
図８〜図１１に、図１〜図４の各状態におけるディストーションマップを示す。それぞれの観察画角に応じてできるだけ不自然な感覚にならないように考慮されたディストーションとしており、画角６０度（図１０：位置ｃ）から７０度（図１１：位置ｄ）という非常に大きな画角においても、画像処理をせずに拡大観察することが可能である。
【００１８】
以上、本構成によれば、画像表示素子２の大きさ、あるいは、画像表示領域２１の大きさを変更することで観察画角の大きさを変えた場合、画像表示素子２と偏心ミラー３（本発明における「接眼光学系」）の相対的位置を変えることによって、観察者が感じるディストーションを適正なものにし、かつ拡大された原画像を観察することが可能となる。
【００１９】
本発明においては以下に示す構成をさらに有することが好ましい。
【００２０】
上述した観察装置において、逆光線追跡で前記接眼光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記射出瞳から前記反射面に向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸としたとき、ある観察画角における軸上主光線の反射点におけるＹ−Ｚ面内でのパワーφｙが下記条件式（１）を満足することが好ましい。
０．００４≦φｙ≦０．０２５          ・・・（１）
【００２１】
この条件式（１）において、下限値０．００４を超えて小さくなると、焦点距離が長くなりすぎるため、十分な観察画角を確保することが出来なくなる。一方、上限値０．０２５を超えて大きくなると、観察画角と共に画像表示素子２が大きくなるため、画像表示素子２と観察者顔面が干渉してしまい観察できなくなる。
【００２２】
また、上述した観察装置において、反射面は表面反射面であることが好ましい。
【００２３】
接眼光学系における反射面が表面反射面であることで、画像表示素子２からの光は空気以外の媒質を通過することなく、観察者眼球５に到達するため、接眼光学系で色収差が全く発生することなく、鮮明な画像を観察者に呈示することが可能である。
【００２４】
また、上述した観察装置において、反射面は裏面反射面であることが好ましい。
【００２５】
接眼光学系における反射面を裏面反射面とすることによって、接眼光学系は入射射出面
と反射面の間は光学媒質で満たされることとなる。反射面のパワー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、光学媒質に光学プラスチック等
を利用した場合、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が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、入出射面の２回の屈折作用と、反射面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。本構成によれば、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。
【００２６】
また、上述した観察装置において、前記接眼光学系は、ハーフミラーであることが好ましい。
【００２７】
例えば、接眼光学系を、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。ハーフミラーでは透過率が０より大きく、外界からの光を観察者眼球に到達することができるため、観察者は接眼光学系を介して外界を観察することが可能となる。さらに、本構成ではこの外界像と画像表示素子２の観察像を重畳させて観察することが可能となる。
【００２８】
また、上述した観察装置において、前記接眼光学系は、外部から入射する外界光に対して５％以上の透過率を有することが好ましい。
【００２９】
接眼光学系の透過率を５％以上とすることで、観察者は光学系を介して外界を鮮明に観察することが可能となる。
【００３０】
また、上述した観察装置において、前記接眼光学系は、外部から入射する外界光に対しては屈折力を略有さず、裸眼と同等の倍率で観察可能とすることが好ましい。
【００３１】
観察者は、外界の様子を歪みを抑えた状態で観察することが可能となる。
【００３２】
また、上述した観察装置において、前記反射面は、回転非対称面であることが好ましい。
【００３３】
非対称な収差である偏心収差を補正するためには、接眼光学系の反射面に非対称性を持たせることが望ましい。これは、反射面を回転非対称面とすることで実現できる。
【００３４】
また、上述した観察装置において、前記反射面は自由曲面であることが好ましい。
【００３５】
本構成の接眼光学系で用いる上記の回転非対称面は、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。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、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軸が自由曲面の軸となる。
Ｚ＝ｃｒ2 ／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ2ｒ2 ｝］
65
＋Σ Ｃj Ｘm 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。
【００３６】
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。
【００３７】
自由曲面項は、
66
Σ Ｃj Ｘm Ｙn
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。
【００３８】
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、本発明では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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、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、対称面を１面のみ有する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いうまでもない。
【００４２】
以上、本構成によれば非対称な偏心収差を補正することが容易になる。
【００４３】
また、上述した観察装置において、前記反射面は、回転対称面であることが好ましい。
【００４４】
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。
【００４５】
また、上述した観察装置において、観察者視軸と前記画像表示素子の表示面がなす角度であって、観察者視軸か画像表示素子の表示面に対して時計回りを正とする角度をＡとしたとき、下記条件式（２）を満足することが好ましい。
−２０° ≦ Ａ ≦ ９０°              ・・・（２）
【００４６】
図５に観察者眼球５と偏心ミラー３（接眼光学系）と画像表示素子２の位置関係が示されている。この条件式（２）は、画像表示素子２の画像を１つの偏心ミラー３で広い画角で眼球に投影させるための、観察者と接眼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。
【００４７】
条件式（２）の下限値−２０゜を超えて小さくなると、画像表示素子２の表示面からの直接光が眼球に到達するため、接眼光学系を介した観察がしづらいものとなる。一方、上限値９０゜を超えて大きくなると、画像表示素子２と観察者の顔面が干渉するため配置が困難となる。
【００４８】
また、上述した観察装置において、軸上主光線について前記画像表示素子から前記反射面への入射角度をＢとしたとき、下記条件式（３）を満足することが好ましい。
１０° ≦ Ｂ ≦ ５０°                ・・・（３）
【００４９】
この条件式（３）は、画像表示素子２の原画像を１つの接眼光学系で広い画角で眼球に投影させるための、観察者と接眼光学系と画像表示素子２の相対的位置関係を決める条件である。
【００５０】
条件式（３）の下限値１０゜を超えて小さくなると、画像表示素子２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。一方、上限値５０゜を超えて大きくなると、接眼光学系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。
【００５１】
また、上述した観察装置において、逆光線追跡で前記接眼光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記射出瞳から前記反射面に向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とし、Ｘ−Ｚ面内の前記接眼光学系の焦点距離をｆｘ、Ｙ−Ｚ面内における前記接眼光学系の焦点距離をｆｙ、Ｙ−Ｚ面内における前記画像表示素子の長さをＤＬとしたとき、下記条件式（４）、（５）を満足することが好ましい。
０．４ ≦ ２ｆｘ／ＤＬ ≦ １５        ・・・（４）
０．５ ≦ ２ｆｙ／ＤＬ ≦ １５        ・・・（５）
【００５２】
この条件式（４）、（５）は、画像表示素子２の原画像を１つの接眼光学系で広い画角で眼球に投影させるために必要な接眼光学系の焦点距離と画像表示素子２の大きさの関係を決める条件である。
【００５３】
条件式（４）、（５）の条件の下限値を超えて小さくなると、接眼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。一方、条件式（４）、（５）の上限値を超えて大きくなると、画像表示素子に対して焦点距離が長くなるため拡大率が小さく、十分な観察画角で観察することが困難となる。
【００５４】
また、上述した観察装置において、使用する観察画角の大きさに対応した位置で、前記画像表示素子と前記接眼光学系を互いに位置決め可能な保持部材を有することが好ましい。
【００５５】
保持部材は、使用する観察画角、すなわち、画像表示素子の大きさ、あるいは、画像表示素子における画像表示領域の大きさ毎に専用のものを用意してもよいし、調整可能とすることで複数の観察画角に対応可能としてもよい。観察画角の大きさに応じて画像表示素子と接眼光学系を位置決めすることで、観察画角の大きさに応じた好適な状態の光学性能で観察することが可能となる。
【００５６】
さらに前記保持部材は、使用する観察画角の大きさに対応した複数の位置で、前記画像表示素子と前記接眼光学系を互いに位置決め可能とすることが好ましい。
【００５７】
１つの保持部材で複数の観察画角に対応することが可能となり、観察画角の変更に応じて好適な位置決めを行うことが可能となる。なお、位置決めを行うための具体的構成としては、ユーザーに対する位置決めのための表記を設けることや、位置決めされる位置で係止される、あるいは、クリック感を持たせるなど各種形態を採用することが可能である。
【発明の効果】
【００５８】
本発明の観察装置によれば、１面の反射面を有する接眼光学系を有して構成された観察装置において、接眼光学系の反射面に観察画角の大きさに応じた複数の使用領域を設け、観察画角の大きさに対応して画像表示素子と接眼光学系を位置決めすることで、それぞれの大きさの観察画角に対して好適なディストーションと解像力を有する観察状態で観察することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ａ）を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ｂ）を示す図
【図３】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ｃ）を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ｄ）を示す図
【図５】本発明の実施形態に係る画像表示装置の配置関係を説明するための図
【図６】本発明の実施形態に係る画像表示装置（４状態）を示す図
【図７】本発明の実施形態に係る画像表示素子と接眼光学系の位置決めを行う支持部材を説明するための図
【図８】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ａ）のディストーションマップ
【図９】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ｂ）のディストーションマップ
【図１０】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ｃ）のディストーションマップ
【図１１】本発明の実施形態に係る画像表示装置（偏心ミラーの位置ｄ）のディストーションマップ
【図１２】本発明の実施形態に係る画像表示装置で使用するハーフミラーの光路図
【図１３】本発明の実施形態に係る画像表示装置で使用するハーフミラーの光路図
【図１４】本発明の実施形態に係る画像表示装置（シースルー時）のディストーションマップ
【発明を実施するための形態】
【００６０】
本発明の具体的な実施例１、２について説明する。後述する各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線５２を、偏心ミラー３（接眼光学系）の射出瞳５１の中心を通り、像面（画像表示素子２）中心に到る光線で定義する。
【００６１】
各実施例においては、
逆光線追跡で偏心ミラー３（接眼光学系）の射出瞳５１の中心を通り画像表示素子２の表示中心に到る光線を軸上主光線５２とし、射出瞳５１から反射面３１に向かう軸上主光線５２の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸としている。各図には座標系を図示してある。なお、射出瞳５１の中心に原点を設定している。
【００６２】
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。
【００６３】
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おり、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。
【００６４】
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、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００６５】
実施例１の光軸を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図１〜図４に示す。実施例１は画像表示素子２側に、第１面としての反射面３１が設けられている。なお、この反射面３１は半透過面とすることも可能である。反射面３１に代えて半透過面とした場合、入射した光束を透過させる第２面を備える自由曲面偏心ミラーが用いられる。
【００６６】
実施例１の画像表示装置は、図１〜図４に示すように、接眼光学系である偏心ミラー３（自由曲面偏心ミラー）と、原画像を表示する画像表示素子２で構成される。図１〜図４は、それぞれ、画像表示領域２１の大きさ、すなわち、観察画角の大きさが異なる場合の形態における光路図が示されている。偏心ミラー３は、画像表示素子２の画像表示領域２１に表示された原画像を観察者側に反射させる反射面を有している。逆光線追跡で、射出瞳５１を通る軸上主光線５２は、接眼光学系としての偏心ミラー３の反射面３１で反射され、像面の位置に配置された画像表示素子２の画像表示領域２１に到達して結像する。
【００６７】
実際には画像表示素子２から射出された表示光は上記の光路を逆に辿り、射出瞳５１の位置に瞳が位置する観察者の眼球内に拡大投影される。この実施例１の偏心ミラー３は自由曲面形状の曲面であり、表示素子の大きさが２．５インチ（図１）、３インチ（図２）、３．５インチ（図３）、４インチ（図４）に対して水平画角（全角）は、２７度（図１）、４０度（図２）、６０度（図３）、７０度（図４）で呈示される。射出瞳径はφ４．０ｍｍに設定されている。
【００６８】
図６は、この図１〜図４の画像表示素子２、偏心ミラー３、光路の様子を重ねて描画した様子が示されている。画像表示素子２の位置は固定されている。画像表示領域２１ａ〜ｄの大きさに応じて、偏心ミラー３（接眼光学系）の位置が変化するとともに、観察角度が変更されて配備されていることがわかる。その際、画像表示素子２に対する観察者眼球位置５が変化することとなるが、観察者は、提示される画像を観察しながら、画像表示素子２１と偏心ミラー３（接眼光学系）が一体化した装置の位置を調整することで、好適な
画像を観察することになる。図８〜図１１には、図１〜図４の各状態におけるディストーションマップが示されている。
【００６９】
以下に、実施例１の画像表示装置の数値データを示す。データ１には、図１〜図４のそれぞれの状態を、ＺＯＯＭ１、ＺＯＯＭ２、ＺＯＯＭ３、ＺＯＯＭ４として、観察画角、各種条件式の値が記載されている。また、データ２には、ミラー位置と角度のパラメータをそれぞれ記載している。
【００７０】
実施例１
面番号      曲率半径      面間隔        偏心
物体面          ∞        -800.00
1（絞り面）
2            FFS[1]                   偏心[1]
像  面          ∞                    偏心[2]
FFS[1]
Ｃ4   -2.5263e-003    Ｃ6   -2.7179e-003    Ｃ8   -2.3007e-005
Ｃ10  -4.3655e-006    Ｃ11  -4.2529e-007    Ｃ13  -2.0390e-007
Ｃ15  -2.2792e-008    Ｃ17   7.1479e-009    Ｃ19   3.2181e-010
Ｃ21   6.3913e-012
偏心[1]
Ｘ    0.00  Ｙ   63.13  Ｚ   36.95
α   49.45  β    0.00  γ    0.00
偏心[2]
Ｘ    0.00  Ｙ  -84.00  Ｚ   30.00
α   45.00  β    0.00  γ    0.00
【００７１】
データ１
ZOOM1         ZOOM2         ZOOM3         ZOOM4
φy（条件式（１））          0.0097         0.011        0.0148         0.015
Ａ（条件式（２））               45            48         44.98           45
Ｂ（条件式（３））               28         25.94         27.81         30.27
2fx/DL（条件式（４））         5.49          4.04          1.97          1.88
2fy/DL（条件式（５））         4.07          2.76          1.75          1.41
【００７２】
データ２
ZOOM1      ZOOM2       ZOOM3       ZOOM4
面番号２  偏心Ｙ         63.12      23.17      -37.09      -21.27
面番号２  偏心Ｚ         36.95      69.74       80.54       73.19
面番号２  偏心α         49.45      33.76       14.30       22.46
面番号像面  偏心Ｙ      -84.00     -70.12      -56.11      -64.95
面番号像面  偏心Ｚ       30.00      28.00       27.98       25.98
面番号像面  偏心α       45.00      42.00       45.01       45.00
【００７３】
以上、実施例１についてその数値実施例を説明したが、本実施例によれば、４状態の観察画角に応じて、画像表示素子２と偏心ミラー３（接眼光学系）の位置決めを行うことで、好適な状態の光学性能で画像表示素子２に表示された像を観察することが可能となる。
【００７４】
では、この画像表示素子２と偏心ミラー３（接眼光学系）の位置決めを行うための構成について説明する。図７は、画像表示素子２と偏心ミラー３の位置決めを行うための支持部材６を説明する図である。本実施形態の支持部材６は、可動式とされており、画像表示素子２において、ユーザーが画像表示領域２１を可変した場合、それにあわせた状態に位置決めすることが可能とされている。
【００７５】
本実施形態の支持部材６は、支持部６１、第１回動部６２、第２回動部６３を備えて構成されている。第１回動部６２は、画像表示素子２２を収容する筐体２２に取り付け可能とされるともに、支持部６１と筐体２２が形成する角度を可変可能に回動する。一方、第２回動部６３は、偏心ミラー３と支持部６１を回動可能に保持する。さらに、この第２回動部６３は、支持部６１上を摺動可能とされており、画像表示素子２と偏心ミラー３の距離を調節可能としている。
【００７６】
このような支持部材６の構成にて、図７に示すように画像表示素子２に対する偏心ミラー３の位置を可変することが可能とされている。支持部材６には、観察画角、あるいは、画像表示領域の大きさに応じた表記を設ける、あるいは、位置決めされる位置で係止可能な構成、例えば、クリック感を持たせることが好ましい。ユーザー（観察者など）は、観察画角、あるいは、画像表示領域の大きさに応じて位置決めを行うことが容易となる。
【００７７】
本実施形態では、複数の位置で位置決め可能とする支持部材６について説明したが、画像表示素子２に対する接眼光学系の位置決めは、画像表示素子の大きさ、あるいは、画像表示素子における画像表示領域の大きさ毎に専用のものを用意された支持部材を使用することとしてもよい。ユーザー（観察者など）は、観察画角、あるいは、画像表示領域、あるいは、画像表示素子２の大きさに対応した支持部材を使用することで位置決めを行うことが可能となる。
【００７８】
次に実施例２について図を参照しつつ説明を行う。実施例２では、実施例１において、接眼光学系として使用していた偏心ミラー３をハーフミラー４とする点において異なっている。図１２、図１３には、実施例２にて用いられるハーフミラー４の構成、並びに、シースルー時の光路図が示されている。図に示されるように、ハーフミラー４は２つの光学面４１〜４２からなり、その４つの面４１〜４２の間が屈折率が１より大きい透明媒質で埋められている。この第１面４１を半透過面で構成し、第２面４２を透過面とした場合には、外界像を観察することが可能である。なお、ハーフミラー４は、第１面４１を透過面で、第２面４２を半透過面とする形態を採用することとしてもよい。
【００７９】
なお、この実施例２における半透過面４１の配置、並びに、光学的性能は、実施例１の反射面３１に対応したものとなっている。図１２、図１３は、実施例１における位置ｄ（図４）に相当した配置とされている。このように、実施例２では、画像表示素子２から観察者眼球５までの光路については、共通であるため省略し、ハーフミラー４のシースルー時の光学性能について言及することとする。
【００８０】
図１２、図１３に示されるように、外界からの光は光路を逆に辿り、射出瞳５１の位置に瞳が位置する観察者眼球５内に入射され、外界像を観察することになる。この実施例２の透過面４２は半透過面４１と同様の自由曲面形状の曲面であり、水平画角７０度の略全ての画角において、略無収差、１倍で観察が可能であり、瞳径はφ４．０ｍｍで描画している。ここでは、実施例１の位置ｄ（図４）についての配置について説明したが、他の配
置（位置ａ〜ｃ：図１〜図３）についても同様に、略無収差、１倍で外界を観察することが可能である。
【００８１】
図１２、図１３の構成で外界を観察した際のディストーションマップを図１４に示す。偏心ディストーションも、回転対称ディストーションも略ゼロで外界を観察できることがわかる。
【００８２】
実施例２（シースルー時（実施例１のＺＯＯＭ４に対応））
面番号      曲率半径      面間隔        偏心      屈折率      アッベ数
物体面          ∞          ∞
1（絞り面）
2            FFS[1]                     偏心[1]    1.6069      27.0
3            FFS[1]                     偏心[2]
像  面          ∞                      偏心[3]
FFS[1]
Ｃ4   -2.5263e-003    Ｃ6   -2.7179e-003    Ｃ8   -2.3007e-005
Ｃ10  -4.3655e-006    Ｃ11  -4.2529e-007    Ｃ13  -2.0390e-007
Ｃ15  -2.2792e-008    Ｃ17   7.1479e-009    Ｃ19   3.2181e-010
Ｃ21   6.3913e-012
偏心[1]
Ｘ    0.00  Ｙ  -21.28  Ｚ   73.20
α   22.46  β    0.00  γ    0.00
偏心[2]
Ｘ    0.00  Ｙ  -21.24  Ｚ   75.32
α   22.46  β    0.00  γ    0.00
偏心[3]
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    1000
α    0.00  β    0.00  γ    0.00
【００８３】
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。
【符号の説明】
【００８４】
１…画像表示装置
２…画像表示素子
２１ａ〜ｄ…画像表示領域
３…偏心ミラー
３１…反射面
３１ａ〜ｄ…使用領域
４…ハーフミラー
４１…半透過面
４２…透過面
５…観察者眼球（右眼）
５１…射出瞳
６…支持部材
６１…支持部
６２…第１回動部
６３…第２回動部
【図１】
2013160791.tif 000003
【図２】
2013160791.tif 000004
【図３】
2013160791.tif 000005
【図４】
2013160791.tif 000006
【図５】
2013160791.tif 000007
【図６】
2013160791.tif 000008
【図７】
2013160791.tif 000009
【図８】
2013160791.tif 000010
【図９】
2013160791.tif 000011
【図１０】
2013160791.tif 000012
【図１１】
2013160791.tif 000013
【図１２】
2013160791.tif 000014
【図１３】
2013160791.tif 000015
【図１４】
2013160791.tif 000016