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
【課題】
非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供する。
【解決手段】
少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供する。
【解決手段】
少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転非対称面を用いた偏心光学系と、それを用いた画像表示装置、および撮像装置といった光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光学面を有するプリズムを、画像表示素子を観察する光学系として用いることが知られている。このようなプリズムにおいて、表示素子から発した光はプリズム内に入射し、プリズム内部で反射してプリズムから射出し、観察者眼球に到達することにより拡大された虚像として画像を観察することができる。
【０００３】
このような画像を観察する光学系として、特許文献１には、少なくとも３つの反射面により１次像を形成して眼球に投影するプリズムによるものが、特許文献２、３には、ホログラム素子を眼鏡レンズ部に配置したものなどが提案されている。
【０００４】
また、その他の画像表示装置の光学系として、特許文献４には、導光板と接眼レンズによって眼球に投影するものが、そして、特許文献５では、３面で挟まれた空間を屈折率１より大きい媒質で満たされ、少なくとも１面は対称面を持たない曲面からなる偏心光学系を備え、２つの画像表示素子は一直線上に配列して配置されるので、輻輳角を有する配置とする場合に画像表示素子と偏心光学系の軸上主光線がねじれて配置されても収差補正されるものなどが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７６４２９号公報
【特許文献２】特開２００７−９４１７５号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５９８５号公報
【特許文献４】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献５】特許第３９２４３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、３つの反射面での３回の反射により、表示素子１１から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。このような光路の折り曲げのために、表示素子側（図の上部）の素子形状が大きくなる。眼鏡のフレーム等に保持し、レンズの外側に配置する提案がされているが、導光路が外部に出っ張り外観上好ましくない。
【０００７】
特許文献２、３にはホログラム素子を利用した方法が提案されている。これによると、ホログラムによる回折を利用して光学系を薄型にしたレイアウトが可能である。しかしながら、ホログラムには別の問題もある。ホログラム素子は製造が非常に困難であり、コストも高い。
【０００８】
さらに、波長選択性が高いため、波長の非常に狭いレーザー光線のような光源を用いるか、またはＬＥＤの一部の波長のみを利用するといった方法が取られており、レーザー光源はまだまだ３原色の小型化されたチップは開発途上であり高コストで、消費電力も高く、眼鏡に組み込めるものではない。また、ＬＥＤ光源を利用したものは狭帯域のバンドパスフィルターを通過させるため光の利用効率が低い。
【０００９】
さらにホログラム素子の課題として、低消費電力であり、自発光タイプで照明系もいらず、小型化に有利な有機ＥＬパネルが使用できない。有機ＥＬパネルはＬＥＤよりも波長帯が比較的広く、ホログラム素子との組み合わせは効率が悪く、不要光も多くなり画質を確保できない。
【００１０】
特許文献４では、導光板あるいはプリズムと接眼レンズを組合せる必要があり、複数の光学素子を筐体内に配置させる。したがって、棒状の光学部材支持部材が配置されるため外観上問題があった。さらに、組立、調整の工数がかかり、耐水性などの装置の耐性にも問題があった。
【００１１】
特許文献５では、偏心光学系を３面で構成しているため、光学系は三角プリズムの断面形状を成し、画像表示素子は観察者眼球とは逆方向に配備される。この配置では表示素子部が観察者の顔の前方に配備されるため眼鏡型の画像表示装置とはならない。
【００１２】
本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の偏心光学系は、少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、前記光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面は前記Ｙ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、前記複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、前記少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記偏心光学系に入射する軸上主光線と、前記偏心光学系から射出する軸上主光線のＸ−Ｚ面内における角度をαとした場合に、
５°≦α ≦ ４５°
を満たすことを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記偏心光学系において、前記少なくとも５面の光学面により形成された空間は、屈折率１．３以上の光学媒質で満たされていることを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記偏心光学系は５面の光学面を有し、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記偏心光学系に入射し、その後前記偏心光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、前記第２面に対向した内部反射面かつ透過面である第３面、前記第３面に対向しかつ前記第２面に隣接した内部反射面である第４面、前記第４面に隣接しかつ前記第３面に対向した内部反射面である第５面によって構成されることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面において、少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００１９】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面は、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有
することを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記偏心光学系において、前記第４面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有することを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記偏心光学系において、前記第２面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００２４】
さらに、前記偏心光学系において、前記第２面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする。
【００２５】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記偏心光学系において、前記第１面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする。
【００２７】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００２８】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００２９】
さらに、前記偏心光学系において、前記第２面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００３０】
さらに、前記偏心光学系において、第４面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の画像表示装置は、前記偏心光学系を有し、前記第１面に対向して前記画像表示素子を配備し、前記第３面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することを特徴とする。
【００３２】
さらに、前記画像表示装置において、前記偏心光学系の射出瞳は、前記第３面の射出窓近傍、または、前記第３面と観察者の眼球の間に形成されることを特徴とする。
【００３３】
さらに、前記画像表示装置において、前記画像表示素子からの画像を前記偏心光学系の入射面から取り込み、前記偏心光学系の射出面から略平行光として射出し、観察者の眼球に投影する場合、前記画像表示素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の撮像装置は、前記偏心光学系を有し、前記第１面に対向して撮像素子を配備し、前記第３面の透過領域の前方近傍に開口絞りを配備し、外界像を撮像することを特徴とする。
【００３５】
さらに、前記撮像装置において、略平行光を入射瞳から前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系の外部の撮像素子によって撮像する場合、前記撮像素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
以上、本発明によれば、光学系の配置の自由度が高く、入射光軸と射出光軸がＹ−Ｚ面内、Ｘ−Ｚ面内のそれぞれにおいて同軸上ではなく、ある角度を有している偏心光学系であり、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る偏心光学系の構成を示す図である。
【図２】実施例１における偏心光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図３】実施例１における偏心光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図４】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図５】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図６】実施例２における偏心光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図７】実施例２における偏心光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図８】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図９】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１０】偏心光学系を用いた画像表示装置の基本構成図である。
【図１１】偏心光学系を用いた画像表示装置の上面図である。
【図１２】偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１３】偏心光学系を用いた画像表示装置の正面図である。
【図１４】偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１５】偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１６】プリズム光学系を用いた撮像装置の基本構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明に係る偏心光学系１は、少なくとも５面の光学面を有し、少なくとも５面の光学面はＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることが好ましい。
【００３９】
このような構成により、少なくとも５面の光学系はＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心（シフトまたはチルト）することで、Ｙ−Ｚ面内において光軸である軸上主光線は同軸上ではなく、偏心光学系に入射する光軸と射出する光軸は異なる向きに設定することが可能となる。このような偏心光学系１を、例えば、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、画像を表示する画像表示素子２の位置と、その画像表示素子２の画像を観察する観察者眼球位置をＹ−Ｚ面内においてある程度自由に配置させることが可能となる。
【００４０】
さらに、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心した面とすることで、Ｘ−Ｚ面内においても光軸である軸上主光線は同軸上ではなく、偏心光学系１に入射する光軸と射出する光軸は異なる向きに設定することができる。このような偏心光学系１を、例えば、画像表示装置Ｐに用いる場合には、画像を表示する画像表示素子２の位置と、その画像表示素子２の画像を観察する観察者の眼球位置をＸ−Ｚ面内においてある程度自由に配置させることが可能となる。
【００４１】
ところで、このような構成の偏心光学系１においては、Ｙ−Ｚ面内において通常のザイデル収差とは異なる、光学面の偏心による収差、いわゆる偏心収差が発生する。この偏心収差はパワーを有する光学面を偏心させることによって発生し、軸上において通常発生しないコマ収差や非点収差が発生し、軸外においても像面の倒れ、非対称な歪曲収差などが発生する。これらの回転非対称な収差を補正するためには、回転対称面である球面、非球面では補正することはできない。そこで、本発明の偏心光学系１では、回転非対称な曲面を用いることによって収差補正を行うこととしている。
【００４２】
Ｙ−Ｚ面内における複数の光学面の偏心量は大きく、発生する偏心収差量も大きいことが想定される。したがって、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であることがこの偏心収差補正に良好に作用する。
【００４３】
そして、Ｙ−Ｚ面に直交するＸ−Ｚ面内において少なくとも１面は偏心した面とすることで、Ｘ−Ｚ面内において光学系の光軸である軸上主光線が角度を持つことになる。<Br>
【００４４】
上記のような偏心光学系によれば、Ｙ−Ｚ面内、及びＸ−Ｚ面内のそれぞれにおいて、入射する軸上主光線と射出する軸上主光線は互いに角度を有する配置にすることができる。そのため、画像表示装置Ｐの場合にはＹ−Ｚ面内においては観察者の眼球に対して偏心光学系１及び画像表示素子２などを所望の位置に配備することができ、画像表示装置Ｐとしてコンパクトな形状となり、装着者の違和感や煩わしさを軽減する。
【００４５】
一方、Ｘ−Ｚ面内においても同軸上に配置する必要が無いため、例えば、観察者の眼球に対して偏心光学系１と画像表示素子２はシフトした位置に配備し、偏心光学系１から射出する光線が観察者眼球に対して斜めに入射するように配備することが可能となる。そのため、観察者の装着した眼球のつる（テンプル部）の部分に、つるに対して平行に偏心光学系１と画像表示素子２を配備しても、観察者眼球には斜め下から射出して眼球中心に向けて射出する光線にすることが可能となる。したがって、このような画像表示装置Ｐによれば、眼鏡のつるなどの保持部の形状に依存せず、観察者は斜め下に画像表示素子２の画像を観察することができる。
【００４６】
また、本発明に係る偏心光学系１を撮像装置に採用した場合には、装置全体の小型軽量化と共に、３次元的に撮像素子を自由な位置に配備することが可能となる。
【００４７】
また、偏心光学系１に入射する軸上主光線と、偏心光学系１から射出する軸上主光線のＸ−Ｚ面内における角度をαとした場合に、
５°≦α ≦ ４５°
を満たすことが好ましい。
【００４８】
このような構成により、Ｙ−Ｚ面に直交するＸ−Ｚ面内において少なくとも１面は偏心した面とすることで、Ｘ−Ｚ面内において光学系の光軸である軸上主光線が角度を持つことになる。その場合に、入射する光束と射出する光束の向きが変化することによって、例えば、画像表示装置Ｐに利用する場合には、画像表示素子２と観察者眼球の偏心光学系に対する角度を異なる配置にすることが可能になる。
【００４９】
上記のような配置にすることで、観察者に対して本発明の偏心光学系１を搭載した画像表示装置Ｐを水平に配置しても、画像表示装置Ｐからは、ある角度を持って光軸（軸上主光線）が射出するようにすることができる。
【００５０】
また、偏心光学系１は少なくとも５面の光学面により形成された空間を屈折率１．３以上の光学媒質で満たされていることが好ましい。
【００５１】
このように偏心光学系１が少なくとも５面の光学面により形成された空間を屈折率１．３以上の光学媒質で満たすことで、偏心光学系１は１つの光学部材となるため、製造において構成する光学面は偏心光学系１の１面となり、それぞれの面の相対的な位置調整を行う必要が無くなる。さらに、偏心光学系１の内部を光が通過するため、内部における反射においては、臨界角以上の入射角とすることによって、全反射させることが可能となる。
【００５２】
このような偏心光学系１によれば、少なくとも５面を有する光学系を１つのプリズムとすることが可能となり、各光学面をそれぞれの形状で形成し、それらの面を組み合わせて金型を作り、成形することで、安定した品質の光学素子を製造することが可能となる。また、全反射作用を用いるようにすることで、光学面の１面で反射と透過の２つの作用を有する面にすることが可能となり、光学系の小型化に有利になる。
【００５３】
また、画像を表示する画像表示面から射出した光が偏心光学系１に入射し、その後偏心光学系１から射出し、射出瞳Ｓを形成して観察者眼球に投影する場合の偏心光学系１の構成は、偏心光学系１に入射し、偏心光学系１から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、第１面に対向した内部反射面である第２面、第２面に対向した内部反射面かつ透過面である第３面、第３面に対向しかつ第２面に隣接した内部反射面である第４面、第４面に隣接しかつ第３面に対向した内部反射面である第５面によって構成されることが好ましい。
【００５４】
上記のような光学面の構成の偏心光学系によれば、第３面は第２面と第４面と第５面に対向した面となるため、偏心光学系は左右の面内で多重反射をすることになり、非常に小さい素子でありながら実際の光路長を長くすることができる。また、偏心光学系の形状は曲面を有する略棒状になり、後述する眼鏡のガラスの外形状に沿った形状にすることが可能となる。さらに、眼鏡のガラス枠の一部として使用することも可能である。
【００５５】
このように、光学素子が小さく、略棒状にしたために、画像観察装置観察者の眼球前方に配備する場合には、観察者の外界視野の妨げる面積を小さくすることができる。
【００５６】
さらに、偏心光学系は第３面にて２回の内部反射を行い、その前後で、第２面、第４面、第５面で内部反射を行うようにしたため、第２面の傾きを適切な角度にすることで画像表示素子を所望の角度に配置することができる。また、第５面の傾きを適切な角度にすることによって観察者眼球の設定を所望の位置、角度にすることができる。
【００５７】
このような構成の偏心光学系を利用することで、観察者に対して邪魔にならないように、ある程度自由な相対位置、相対角度で画像表示素子を設置することが可能となる。
【００５８】
このような偏心光学系を利用した画像表示装置によれば、ユーザーはシースルー表示により死角をなくすことができるとともに、画像表示素子が邪魔にならない位置に配置することもできるため、より快適に装着して使用することができる。さらに、偏心光学系の形状の自由度が高いことで、偏心光学系を眼鏡のフレームの一部として用いることができ、画像表示装置を装着した人を客観的に見て違和感の無いものにすることが可能である。
【００５９】
また、第３面において、少なくとも１回の内部反射は全反射作用を用いることが好ましい。
【００６０】
このように第３面の内部反射を全反射面とすることで、第３面は反射コートをしなくても内部反射をすることができる。全反射する領域は透明なため、光は透過できるので、第３面を入射面または射出面として用いる場合に、ハーフミラーコーティング、ＨＯＥなど
の特殊な手段を講じる必要がない。
【００６１】
さらに、全反射であるため反射率は略１００％となり、金属コートに比べて反射率が高いため、全体の効率の低下を抑制することが可能となる。
【００６２】
この結果、偏心光学系を製造する場合に特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造することが可能となる。さらに、反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置を提供することが可能となる。
【００６３】
また、偏心光学系１において、第３面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００６４】
第３面は、透過面、かつ２回の内部反射を行う面のため、透過作用、及び反射作用を受ける際にこの面による大きな収差補正効果を得ることができ、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００６５】
また、偏心光学系１において、第３面はＹ−Ｚ面内において負のパワーを持たせることが好ましい。
【００６６】
第３面は、２回の内部反射を行う面であり、その内部反射は全反射であることが望ましい。全反射条件は、反射点における入射角が臨界角以上である必要がある。プリズムの硝材の屈折率ｎが場合、臨界角θｃは、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）で与えられる。例えば、ｎ＝１．５の場合には、θｃ＝４１．８１°となる。
【００６７】
したがって、第３面への入射角が４１．８１°以上の角度であれば、全反射するが、第３面が正パワーを持った面であれば、斜め上方からの入射光に対してある部分では面の法線の方向が入射光の方向に向くため、入射角は小さい傾向となり、全ての光束が臨界角以上の入射角にすることは難しい。しかしながら、入射光に対して凸面を向けた負のパワーを持たせることで、全ての光束に対して入射角は大きくなる傾向を示し、全反射条件を満たすのに有効となる。
【００６８】
このような偏心光学系１の構成によれば、プリズムを製造する場合に特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造できる。さらに、反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置となる。
【００６９】
また、偏心光学系１において、第４面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００７０】
第４面は内部反射を行う面であり、さらに、この面は偏心光学系１の中間位置にあるため、各光束が比較的大きい断面積になる。したがって、この面を回転非対称面とすることで、反射作用を受ける際、球面収差やコマ収差の大きな補正効果を得ることができる。
【００７１】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００７２】
また、偏心光学系１において、第５面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００７３】
第５面は内部反射面である。画像表示装置Ｐの場合を考えると、この面は偏心光学系１
の射出瞳および射出面の直前に位置するため、射出角（画角）の異なる各光束の断面積は略同等で比較的大きく、この面の偏心（チルト）によるコマ収差が発生しやすい。偏心収差が発生する面でその収差補正を行うこと、つまり、偏心収差を大きく発生させないようにすることが光学系全体の性能向上に有利となる。
【００７４】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００７５】
また、偏心光学系１において、第５面はＹ−Ｚ面内において正のパワーを持たせることが好ましい。
【００７６】
第５面は内部反射を行う正のパワーを有する面であることが有効である。第３面は負のパワーを有する面とするならば、偏心光学系が結像系にするためには第１面、第２面、第４面、第５面のいずれか、または複数面を正のパワーを有する面とする必要があるが、射出瞳から略平行光を入射して像面を形成する場合で考えると、第５面を正のパワーとすることにより、光学系のパワー配置は、物体側から像面に向かって負、正、負、（正か負かゼロ）、負となり、入射光は入射後に負の後すぐに正のパワーが得られるため、光学系全体のパワーを正にする作用が得られる。
【００７７】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置として用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００７８】
また、偏心光学系１において、第２面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００７９】
第２面は内部反射面であり、偏心光学系の像面近くに位置するため、光束は比較的小さくなった状態となる。この面を回転非対称面とすることで、軸外収差の補正に有効に作用する。特に、画角が大きい場合にはディストーションの補正に有効である。
【００８０】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置として用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００８１】
また、偏心光学系１において、第２面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面とすることが好ましい。
【００８２】
第２面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることによれば、画像表示装置Ｐとして本発明の偏心光学系を用いる場合には、画像表示素子から射出した光は透過面の第１面から光学系に入射した直後の第２面において、光束がＸ−Ｚ面内において角度を有することになる。
【００８３】
このような偏心光学系１の構成によれば、第２面のＸ−Ｚ面内の偏心により、画像表示素子からの光束はＸ−Ｚ面内の角度を有するものになり、偏心光学系から射出するときにＸ−Ｚ面内の角度を有するものになる。
【００８４】
また、偏心光学系１において、第５面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面
とすることが好ましい。
【００８５】
第５面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面とすることで、画像表示装置Ｐに偏心光学系１を用いる場合には、画像表示素子２から射出した光が偏心光学系１を介して観察者眼球に向けて射出する直前の反射面である第５面において、光束がＸ−Ｚ面内において角度を付与することが可能になる。
【００８６】
このような偏心光学系１の構成によれば、第５面のＸ−Ｚ面内の偏心により、画像表示素子２からの光束はＸ−Ｚ面内の角度を有するものになり、偏心光学系１から射出するときにＸ−Ｚ面内の角度を付けることが可能となり、例えば、画像表示装置Ｐに採用した場合には、偏心光学系１を観察者の視界の邪魔にならない位置に配置させることが可能となる。
【００８７】
また、偏心光学系１において、第１面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面とすることが好ましい。
【００８８】
第２面または第５面がＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることにより、画像表示装置Ｐとして偏心光学系１を用いる場合には、画像表示素子から射出した光が偏心光学系１を介して観察者眼球に向けて射出する光束がＸ−Ｚ面内において角度を有することになるが、入射面である第１面をＸ−Ｚ面内において偏心させることによって、入射光軸の調整を行うことができる。
【００８９】
このような偏心光学系１の構成によれば、第１面のＸ−Ｚ面内の偏心により、画像表示素子２からの光束は、第１面で屈曲して偏心光学系１に入射することになり、偏心光学系１に入射する角度を調整することになるため、微妙な角度の調整を行うことが可能となる。
【００９０】
また、偏心光学系１において、第３面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９１】
第３面をＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることで、第３面は透過面、かつ２回の内部反射を行う面であるため、透過作用、及び反射作用を受ける際に、Ｘ−Ｚ面内においても、この面による大きな収差補正効果を得ることが可能となる。
【００９２】
また、偏心光学系１において、第５面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９３】
第５面は内部反射面である。画像表示装置Ｐに利用した場合を考えると、この面は偏心光学系１の射出瞳および射出面の直前に位置するため、射出角（画角）の異なる各光束の断面積は略同等で比較的大きく、この面の偏心（チルト）によるコマ収差が発生しやすい。偏心収差が発生する面でその収差補正を行うこと、つまり、偏心収差を大きく発生させないようにすることが、Ｘ−Ｚ面内においても光学系全体の性能向上に望ましい。
【００９４】
また、偏心光学系１において、第２面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９５】
第２面は内部反射面であり、光学系の像面近くに位置するため、光束は比較的小さくなった状態となる。この面を回転非対称面のＸ奇数次数項とすることで、Ｘ−Ｚ面内の軸外収差の補正に有効に作用する。特に、画角が大きい場合にはディストーションの補正に有効である。
【００９６】
また、偏心光学系１において、第４面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９７】
第４面は内部反射を行う面であり、さらに、この面は偏心光学系１の中間位置であって、各光束が比較的大きい断面積になるため、反射作用を受ける際、Ｘ奇数次数項とすることで、この面によってＸ−Ｚ面内の球面収差やコマ収差の大きな補正効果が得られる。
【００９８】
以上のような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置として用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００９９】
また、本発明に係る画像形成装置は、前記偏心光学系１の第１面に対向して画像表示素子２を配備し、第３面の透過領域に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示することとしている。
【０１００】
画像表示素子２から発した光は、偏心光学系１の第１面から入射し、第２面、第３面、第４面、第３面、第５面で５回の内部反射した後第３面から光は略平行光となって射出し、観察者眼球の瞳孔に入射する。このような構成の画像表示装置Ｐによれば、観察者は拡大された虚像を観察することができる。
【０１０１】
また、画像形成装置Ｐにおいて、偏心光学系の射出瞳は、偏心光学系の第３面の射出窓近傍または第３面と観察者眼球の間に形成されることが好ましい。
【０１０２】
画像表示素子２の射出瞳が、偏心光学系１の第３面の射出窓近傍または第３面と観察者眼球の間に形成されることで、観察画像周縁の光束のケラレを小さくできる。
【０１０３】
このような構成の画像表示装置Ｐによれば、観察者は画面の周辺まで鮮明な画像を観察することができる。
【０１０４】
また、画像表示装置Ｐにおいて、画像表示素子２からの画像を偏心光学系１の入射面から取り込み、偏心光学系１の射出面から略平行光として射出し、観察者眼球に投影する場合に、画像表示素子２は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることが好ましい。
【０１０５】
Ｙ−Ｚ面内と共にＸ−Ｚ面内において偏心する場合には、形成される像が光軸周りに回転するため、その回転に合わせて画像表示素子２を回転させることで、観察者には、画像表示素子２の画像が回転せずに、通常の縦、横の像として観察することができる。
【０１０６】
また、本発明に係る撮像装置は、前記偏心光学系１の第１面に対向して撮像素子を配備し、第３面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備することで、外界像を撮像することとしている。
【０１０７】
偏心光学系１の第３面の下側近傍に円形の開口を持つ開口絞りを配備し、第１面に対向してＣＣＤ等の撮像素子を配備することで、開口絞りを通過し偏心光学系の第３面から入射した光は、第５面、第３面、第４面、第３面、第２面で５回の内部反射をして第１面から射出して撮像素子に到達し、光を集光させることが可能となる。
【０１０８】
このような構成によれば、小型軽量化された撮像装置を実現することができる。
【０１０９】
また、撮像装置において、略平行光を入射瞳から偏心光学系１に入射し、偏心光学系１の外部の撮像素子によって撮像する場合に、撮像素子は軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることが好ましい。
【０１１０】
Ｙ−Ｚ面内と共にＸ−Ｚ面内において偏心する場合には、形成される像が光軸周りに回転するため、その回転に合わせて撮像素子を回転させることで、撮像素子と形成される像の方向が一致し、通常の縦、横の像として撮像することが可能となる。
【０１１１】
以下、実施例に基づいて本実施形態の偏心光学系１について説明する。
【０１１２】
具体的な構成パラメータは後記するが、プリズム光学系１の構成パラメータは、図１に示すように、観察者の観察位置、すなわち、眼球３が配置される位置付近に設定された仮想面ｒ１を通る中心光線Ａが、プリズム光学系１を経て画像表示素子２に向かう逆光線追跡の結果に基づくものである。
【０１１３】
図１に示すように、プリズム光学系１から射出される中心光線Ａは、観察位置にて観察されることで、プリズム光学系１の右側に逆光線追跡における虚像面（逆光線追跡でいう物体面）を形成する。ここでは、虚像面から射出側に１ｍ離れた位置に仮想面ｒ１を設定し、仮想面ｒ１と中心光線Ａの交点を原点Ｏとしている。さらに、原点Ｏからプリズム光学系１側へ向かう中心主光線の方向をＺ軸正方向とし、原点Ｏから画像表示素子２側でＺ軸に直交する方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【０１１４】
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系１の原点Ｏの中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。
【０１１５】
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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【０１１６】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、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。
【０１１７】
また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。
【０１１８】
また、本発明にかかる実施形態で用いられる自由曲面の面の形状は、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軸が自由曲面の軸とする。
Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］
∞
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn ・・・（ａ）
j=1
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
図１は本発明の実施形態に係る偏心光学系１を用いた画像表示装置Ｐの概念図である。
【０１２６】
第１実施形態の偏心光学系１は、図１に示すように、少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、各光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線
に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面としている。
【０１２７】
また、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第３面１３に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
【０１２８】
次に、本発明の偏心光学系１に係る実施例１について説明する。
【０１２９】
実施例１の偏心光学系１を備えた画像表示装置ＰのＹ−Ｚ断面図を図２に、Ｘ−Ｚ断面図を図３に、光学系全体の横収差図を図４及び図５に示す。
【０１３０】
実施例１の画像表示装置Ｐは、偏心光学系１と、画像表示素子２とを有する。
【０１３１】
偏心光学系１は、光学作用を有する光学面を５面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、１回の透過作用を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。第３面１３は、第２面１２、後述する第４面１４及び第５面１５に対向し、画像表示素子２側に配置され、２回の内部反射作用と１回の透過作用を有する。
【０１３２】
第４面１４は、第３面１３に対向し、画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。第５面１５は、第３面１３に対して画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。また、第３面１３の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。
【０１３３】
実施例１では、第３面１３、第４面１４及び第５面１５を回転非対称面としての自由曲面としている。第３面１３は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面、第４面１４は、Ｘ偶数次数項のみの自由曲面、第５面１５は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面である。なお、第１面１１、第２面は平面にて形成されている。
【０１３４】
逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第３面１３を透過して偏心光学系１に入射し、第５面１５で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第４面１４で内部反射し、第３面１３で再び内部反射し、第２面１２で内部反射し、第１面１１を透過して偏心光学系１から射出される。偏心光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。
【０１３５】
また、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第３面１３に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
【０１３６】
実施例２の偏心光学系１を備えた画像表示装置ＰのＹ−Ｚ断面図を図６に、Ｘ−Ｚ断面図を図７に、光学系全体の横収差図を図８及び図９に示す。
【０１３７】
実施例２の画像表示装置Ｐは、偏心光学系１と、画像表示素子２とを有する。
【０１３８】
偏心光学系１は、光学作用を有する光学面を５面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、１回の透過作用を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、１回の内部反射作用を有す
る。第３面１３は、第２面１２、後述する第４面１４及び第５面１５に対向し、画像表示素子２側に配置され、２回の内部反射作用と１回の透過作用を有する。
【０１３９】
第４面１４は、第３面１３に対向し、画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。第５面１５は、第３面１３に対して画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。また、第３面１３の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。
【０１４０】
この実施例２では、第２面１２、第３面１３、第４面１４及び第５面１５を回転非対称面としている。第２面１２、第３面１３は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面、第４面１４は、Ｘ偶数次数項のみの自由曲面、第５面１５は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面である。なお、第１面１１は平面にて形成されている。
【０１４１】
逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第３面１３を透過して偏心光学系１に入射し、第５面１５で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第４面１４で内部反射し、第３面１３で再び内部反射し、第２面１２で内部反射し、第１面１１を透過して偏心光学系１から射出される。偏心光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。
【０１４２】
また、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第３面１３に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
【０１４３】
以下に、上記実施例１、２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。
【０１４４】
実施例１
画角：水平 6.84°垂直 9.12°
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
r1 ∞（ダミー面） 0.00
r2 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(1)
r3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r8 ∞ 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
r9 ∞ 0.00 偏心(6)
像 面 ∞ 0.00 偏心(7)
FFS[1]
Ｃ4 -2.291e-002 Ｃ5 -1.765e-003 Ｃ6 2.612e-003
Ｃ7 -3.974e-005 Ｃ8 3.471e-004 Ｃ9 5.867e-005
Ｃ10 2.178e-004 Ｃ11 -3.281e-005 Ｃ12 -1.364e-005
Ｃ13 2.202e-005 Ｃ14 1.069e-006 Ｃ15 -3.903e-005
Ｃ16 -1.009e-006 Ｃ17 4.788e-008 Ｃ18 1.970e-006
Ｃ19 -6.284e-007 Ｃ20 -1.241e-008 Ｃ21 1.527e-006
Ｃ22 2.716e-007 Ｃ23 5.949e-008 Ｃ24 7.843e-008
Ｃ25 -5.576e-008 Ｃ26 -7.025e-009 Ｃ27 -1.111e-009
Ｃ28 -2.061e-008
FFS[2]
Ｃ4 -1.197e-002 Ｃ5 -8.411e-004 Ｃ6 2.154e-003
Ｃ7 -4.091e-005 Ｃ8 3.916e-004 Ｃ9 1.137e-004
Ｃ10 -5.298e-004 Ｃ11 -6.495e-006 Ｃ12 5.546e-006
Ｃ13 -1.007e-005 Ｃ14 -5.394e-006 Ｃ15 2.234e-005
FFS[3]
Ｃ4 -2.054e-002 Ｃ6 -6.736e-003 Ｃ8 3.023e-004
Ｃ10 -3.166e-005 Ｃ11 -1.155e-005 Ｃ13 -8.948e-006
Ｃ15 -1.338e-005 Ｃ17 1.453e-006 Ｃ19 -4.042e-007
Ｃ21 2.479e-007
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.61 Ｚ 18.07
α 2.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -1.09 Ｚ 21.72
α -25.72 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 9.82 Ｚ 24.73
α 2.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 27.99 Ｚ 22.00
α 17.89 β 7.50 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 30.77 Ｚ 15.22
α -25.91 β 8.66 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 3.65 Ｙ 32.75 Ｚ 9.59
α -19.69 β 15.00 γ 0.00
【０１４５】
実施例２
画角 ：水平 6.84°垂直 9.12°
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -640.00
r1 ∞（ダミー面） 0.00
r2 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(1)
r3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r8 FFS[4] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
r9 ∞ 0.00 偏心(6)
像 面 ∞ 0.00 偏心(7)
FFS[1]
Ｃ4 -4.128e-002 Ｃ5 -9.216e-004 Ｃ6 -4.297e-003
Ｃ7 1.134e-004 Ｃ8 3.066e-003 Ｃ9 2.687e-005
Ｃ10 9.480e-004 Ｃ11 5.238e-005 Ｃ12 -1.052e-005
Ｃ13 -1.010e-004 Ｃ14 3.545e-007 Ｃ15 -1.564e-004
Ｃ16 3.767e-007 Ｃ17 5.254e-006 Ｃ18 1.824e-007
Ｃ19 -6.216e-006 Ｃ20 5.878e-009 Ｃ21 7.764e-006
Ｃ22 -1.755e-006 Ｃ23 -1.766e-008 Ｃ24 3.193e-007
Ｃ25 2.088e-009 Ｃ26 2.403e-007 Ｃ27 -6.327e-010
Ｃ28 -1.274e-007
FFS[2]
Ｃ4 -8.733e-003 Ｃ5 -2.991e-004 Ｃ6 -5.071e-003
Ｃ7 1.043e-005 Ｃ8 -3.405e-004 Ｃ9 -2.968e-006
Ｃ10 -3.611e-005 Ｃ11 2.212e-005 Ｃ12 -2.694e-006
Ｃ13 -1.312e-004 Ｃ14 -1.222e-006 Ｃ15 1.223e-005
FFS[3]
Ｃ4 -3.133e-002 Ｃ6 -9.781e-003 Ｃ8 3.977e-004
Ｃ10 2.969e-004 Ｃ11 -2.128e-006 Ｃ13 -3.871e-005
Ｃ15 -4.617e-005 Ｃ17 9.071e-007 Ｃ19 2.308e-007
Ｃ21 1.099e-006
FFS[4]
Ｃ4 -6.772e-003 Ｃ5 2.483e-004 Ｃ6 -3.547e-003
Ｃ7 1.216e-004 Ｃ8 -3.862e-004 Ｃ9 -2.906e-004
Ｃ10 1.453e-004 Ｃ11 6.816e-005 Ｃ12 3.378e-005
Ｃ13 6.418e-005 Ｃ14 -5.529e-006 Ｃ15 -4.316e-005
Ｃ16 -1.295e-006 Ｃ17 2.692e-006 Ｃ18 3.029e-006
Ｃ19 1.445e-005 Ｃ20 2.068e-006 Ｃ21 -4.782e-006
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.71 Ｚ 17.99
α -0.80 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 4.60 Ｚ 24.57
α -21.26 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 7.45 Ｚ 24.62
α 2.03 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 27.66 Ｚ 21.08
α 19.23 β 7.50 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 31.72 Ｚ 12.66
α -35.00 β 5.73 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 3.63 Ｙ 32.98 Ｚ 8.95
α -19.66 β 15.00 γ 0.00
【０１４６】
図１０は、偏心光学系１を用いた画像表示装置Ｐの基本構成を示す模式図である。
【０１４７】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、偏心光学系１と画像表示素子２とを用いることで、小型軽量、低コスト化が可能でかつ、装着した人が客観的に違和感の少ない画像表示装置Ｐを提供することを目的としている。
【０１４８】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、画像表示素子２として液晶表示素子を用いている。液晶表示素子を用いる場合、光源としてのバックライトＢＬが必要となる。本実施形態では、バックライトＢＬと画像表示素子２との間に照明レンズＬを有する。
【０１４９】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、このような構成により、画像表示素子２から射出された画像光を正のパワーを持つ偏心光学系１によって眼球方向に屈曲させるとともに、観察者が虚像として画像を観察することを可能とする。
【０１５０】
また、射出部の近傍を開口絞りＳとなるよう機能させることで、偏心光学系１自体を薄く細くしても映像を観察することができる。
【０１５１】
さらに、画像表示素子２が液晶表示素子である場合には、バックライトＢＬが必要であり、照明の効率上、光源の像を射出窓近傍に位置させることが望ましい。
【０１５２】
また、偏心光学系１を眼球の正面方向よりもやや外側に配置することが好ましい。これにより、視界の正面を偏心光学系１、あるいは、偏心光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。また、光路を短くすることができ、偏心光学系１をよりコンパクトにすることができる。
【０１５３】
図１１は、偏心光学系１を備えた画像表示装置Ｐを、眼鏡Ｇに装着した場合の上面図を、図１２は、その側面図を示している。本実施形態では、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１、画像表示素子２、電装系３を主な構成要素としている。本実施形態では、観察者に対し画像表示装置Ｐを位置固定するため、眼鏡Ｇを流用することとしているが、画像表示装置Ｐの位置固定には、専用のものをもちいるなど適宜手段を採用することができる。
【０１５４】
電装系３は、画像表示素子２に対して映像を供給する。この電装系３には、バッテリーなどの電源部、映像コンテンツを記憶する記憶部、他の装置と通信するための通信部、あ
るいは、インターフェイス部などを備えて個構成される。本実施形態では、画像表示素子２と一体となって構成されており、眼鏡Ｇのテンプル部（つる）Ｇ１に対してネジなどで固定される。
【０１５５】
本実施形態では、偏心光学系１、電装系３、画像表示素子２がユニット化されており、このユニットをテンプル部Ｇ１の下側に位置するようにクリップなどで眼鏡Ｇに固定している。なお、ユニット化を行うことなく、偏心光学系１、電装系３、画像表示素子２の何れかを独立させ、それぞれを眼鏡Ｇに固定されることとしてもよい。
【０１５６】
また、画像表示素子２に対する偏心光学系１の配置位置を前後させることで視度調整を行うことが可能となり、観察者の視力に合わせた映像を提供することが可能となる。本実施形態では、図１１に矢印Ｔで示すように、画像表示素子２を含む電装系３の配置位置を前後させることで、偏心光学系１との距離を変化させ視度調整することが可能となっている。
【０１５７】
このような眼鏡Ｇに装着された画像表示装置Ｐにおいて、正面方向を向いた画像表示素子２から射出された画像光は、偏心光学系１により瞳孔へ向けて射出される。偏心光学系１は正のパワーを持ち、画像表示素子２の画像を拡大し、装着者は虚像として観察することができる。なお、画像表示素子２の中心から射出する第１の軸上主光線Ｂ１と、偏心光学系１から射出され観察者の瞳孔中心に到達する第２の軸上主光線Ｂ２によって形成される角度αは０°〜４０°であることが望ましい。
【０１５８】
図１２は、図１１に示す画像表示装置Ｐの装着の様子の側面図を示した図である。本実施形態では、ユニット化された画像表示装置Ｐは、テンプル部Ｇ１の下方にクリップなどで取り付けられている。観察者の正面方向を向いた画像表示素子２から水平に射出された軸上主光線は、偏心光学系１によって斜め上方に射出され、観察者の眼球に入射する。
【０１５９】
このように本実施形態の偏心光学系１では、水平方向に照射された画像光を、観察者の斜め下方方向、すなわち、図３で説明したようにＸ−Ｚ面での角度を付与して観察者の眼球に入射させることが可能となり、偏心光学系１を視界の正面よりも下方に配置することが可能となる。そのため、視界を偏心光学系１、あるいは、偏心光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。
【０１６０】
なお、画像表示素子２の中心から射出する軸上主光線Ｃ１と、偏心光学系１から射出され観察者の瞳孔中心に到達する軸上主光線Ｃ２によって形成されるＸ−Ｚ面の角度βは５゜〜４５゜であることが望ましい。
【０１６１】
図１３は、偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図、図１４、図１５は、偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【０１６２】
図１３に示すように、正面から見ると、偏心光学系１が観察者の瞳Ｅに対向して配置され、観察者に拡大した虚像を呈示することが可能となる。また、本実施形態の偏心光学系１では、画像表示素子２から正面に向けて照射された画像光を、上方に向けて観察者の眼球に照射することができるため、偏心光学系１を下方に位置させることが可能となる。よって、偏心光学系１、あるいは、偏心光学系１にて投影される映像にて観察者の視界が邪魔されることがない。
【０１６３】
図１４に示すように、偏心光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍ未満に設定すると、偏心光学系１の上下から観察者の瞳Ｅに偏心光学系１の後ろの風景を見ることが可能となり、シースルー効果を出すことがで
きる。観察者は、下方、すなわち、偏心光学系１の方向に視線を向けたときにも外界の様子を観察することができる。
【０１６４】
また、図１５に示すように、偏心光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を４ｍｍ以上にすると、長い縦幅により、上下方向のズレに対して許容範囲を広くすることができる。
【０１６５】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察すること（シースルー機能）を可能とするとともに、小型軽量・低コスト化が可能な眼鏡型画像表示装置を提案する。
【０１６６】
また、本実施形態のプリズム光学系１は、画像表示素子２に代えて、図示しない撮像素子とともに用いることで、小型軽量で低コスト化が可能な撮像装置を提供することが可能である。
【０１６７】
図１６に本実施形態のプリズム光学系を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の基本構成図を示す。撮像装置に本発明のプリズム光学系を適用する場合には、画像表示装置における射出瞳が入射瞳として作用し、瞳位置近傍に開口絞り４６を設ける。この開口絞り４６の開口を拡縮することで明るさの調整が行われる。さらに、表示素子の代わりにＣＣＤなどの撮像素子４４を配備する。
【０１６８】
デジタルカメラ本体には、光を取り入れ、内部の汚れを防ぐことにもなる入射窓４７、スイッチ４２、シャッター４１、及び、操作、撮像の様子を確認するための背面表示パネル４３が装備されている。スイッチ４２をＯＮにしてシャッター４１を押すと、撮像素子４４に付属したシャッター（図示せず）が作動し、シャッタースピードで設定された時間の静止画を撮像素子４４で撮像し、画像記録メモリー４５に画像データが蓄積される。動画像を撮影する場合は、シャッターを開放にして撮像素子４４で取り込んだ動画像を画像記録メモリー４５に蓄積する。
【０１６９】
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】
【０１７０】
１…偏心光学系
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１５…第５面
２…画像表示素子
３…電装系
４…デジタルカメラ（撮像装置）
４１…シャッター
４２…スイッチ
４３…背面表示パネル
４４…撮像装置（ＣＣＤ）
４５…画像記録メモリー
４６…開口絞り
４７…入射窓
Ｐ…画像表示装置
Ｇ…眼鏡
Ｇ１…テンプル部
Ｇ２…眼鏡レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転非対称面を用いた偏心光学系と、それを用いた画像表示装置、および撮像装置といった光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光学面を有するプリズムを、画像表示素子を観察する光学系として用いることが知られている。このようなプリズムにおいて、表示素子から発した光はプリズム内に入射し、プリズム内部で反射してプリズムから射出し、観察者眼球に到達することにより拡大された虚像として画像を観察することができる。
【０００３】
このような画像を観察する光学系として、特許文献１には、少なくとも３つの反射面により１次像を形成して眼球に投影するプリズムによるものが、特許文献２、３には、ホログラム素子を眼鏡レンズ部に配置したものなどが提案されている。
【０００４】
また、その他の画像表示装置の光学系として、特許文献４には、導光板と接眼レンズによって眼球に投影するものが、そして、特許文献５では、３面で挟まれた空間を屈折率１より大きい媒質で満たされ、少なくとも１面は対称面を持たない曲面からなる偏心光学系を備え、２つの画像表示素子は一直線上に配列して配置されるので、輻輳角を有する配置とする場合に画像表示素子と偏心光学系の軸上主光線がねじれて配置されても収差補正されるものなどが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７６４２９号公報
【特許文献２】特開２００７−９４１７５号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５９８５号公報
【特許文献４】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献５】特許第３９２４３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、３つの反射面での３回の反射により、表示素子１１から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。このような光路の折り曲げのために、表示素子側（図の上部）の素子形状が大きくなる。眼鏡のフレーム等に保持し、レンズの外側に配置する提案がされているが、導光路が外部に出っ張り外観上好ましくない。
【０００７】
特許文献２、３にはホログラム素子を利用した方法が提案されている。これによると、ホログラムによる回折を利用して光学系を薄型にしたレイアウトが可能である。しかしながら、ホログラムには別の問題もある。ホログラム素子は製造が非常に困難であり、コストも高い。
【０００８】
さらに、波長選択性が高いため、波長の非常に狭いレーザー光線のような光源を用いるか、またはＬＥＤの一部の波長のみを利用するといった方法が取られており、レーザー光源はまだまだ３原色の小型化されたチップは開発途上であり高コストで、消費電力も高く、眼鏡に組み込めるものではない。また、ＬＥＤ光源を利用したものは狭帯域のバンドパスフィルターを通過させるため光の利用効率が低い。
【０００９】
さらにホログラム素子の課題として、低消費電力であり、自発光タイプで照明系もいらず、小型化に有利な有機ＥＬパネルが使用できない。有機ＥＬパネルはＬＥＤよりも波長帯が比較的広く、ホログラム素子との組み合わせは効率が悪く、不要光も多くなり画質を確保できない。
【００１０】
特許文献４では、導光板あるいはプリズムと接眼レンズを組合せる必要があり、複数の光学素子を筐体内に配置させる。したがって、棒状の光学部材支持部材が配置されるため外観上問題があった。さらに、組立、調整の工数がかかり、耐水性などの装置の耐性にも問題があった。
【００１１】
特許文献５では、偏心光学系を３面で構成しているため、光学系は三角プリズムの断面形状を成し、画像表示素子は観察者眼球とは逆方向に配備される。この配置では表示素子部が観察者の顔の前方に配備されるため眼鏡型の画像表示装置とはならない。
【００１２】
本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の偏心光学系は、少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、前記光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面は前記Ｙ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、前記複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、前記少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記偏心光学系に入射する軸上主光線と、前記偏心光学系から射出する軸上主光線のＸ−Ｚ面内における角度をαとした場合に、
５°≦α ≦ ４５°
を満たすことを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記偏心光学系において、前記少なくとも５面の光学面により形成された空間は、屈折率１．３以上の光学媒質で満たされていることを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記偏心光学系は５面の光学面を有し、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記偏心光学系に入射し、その後前記偏心光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、前記第２面に対向した内部反射面かつ透過面である第３面、前記第３面に対向しかつ前記第２面に隣接した内部反射面である第４面、前記第４面に隣接しかつ前記第３面に対向した内部反射面である第５面によって構成されることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面において、少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００１９】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面は、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有
することを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記偏心光学系において、前記第４面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有することを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記偏心光学系において、前記第２面は、回転非対称面であることを特徴とする。
【００２４】
さらに、前記偏心光学系において、前記第２面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする。
【００２５】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記偏心光学系において、前記第１面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする。
【００２７】
さらに、前記偏心光学系において、前記第３面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００２８】
さらに、前記偏心光学系において、前記第５面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００２９】
さらに、前記偏心光学系において、前記第２面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００３０】
さらに、前記偏心光学系において、第４面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の画像表示装置は、前記偏心光学系を有し、前記第１面に対向して前記画像表示素子を配備し、前記第３面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することを特徴とする。
【００３２】
さらに、前記画像表示装置において、前記偏心光学系の射出瞳は、前記第３面の射出窓近傍、または、前記第３面と観察者の眼球の間に形成されることを特徴とする。
【００３３】
さらに、前記画像表示装置において、前記画像表示素子からの画像を前記偏心光学系の入射面から取り込み、前記偏心光学系の射出面から略平行光として射出し、観察者の眼球に投影する場合、前記画像表示素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の撮像装置は、前記偏心光学系を有し、前記第１面に対向して撮像素子を配備し、前記第３面の透過領域の前方近傍に開口絞りを配備し、外界像を撮像することを特徴とする。
【００３５】
さらに、前記撮像装置において、略平行光を入射瞳から前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系の外部の撮像素子によって撮像する場合、前記撮像素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
以上、本発明によれば、光学系の配置の自由度が高く、入射光軸と射出光軸がＹ−Ｚ面内、Ｘ−Ｚ面内のそれぞれにおいて同軸上ではなく、ある角度を有している偏心光学系であり、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る偏心光学系の構成を示す図である。
【図２】実施例１における偏心光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図３】実施例１における偏心光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図４】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図５】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図６】実施例２における偏心光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図７】実施例２における偏心光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図８】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図９】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１０】偏心光学系を用いた画像表示装置の基本構成図である。
【図１１】偏心光学系を用いた画像表示装置の上面図である。
【図１２】偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１３】偏心光学系を用いた画像表示装置の正面図である。
【図１４】偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１５】偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１６】プリズム光学系を用いた撮像装置の基本構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明に係る偏心光学系１は、少なくとも５面の光学面を有し、少なくとも５面の光学面はＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることが好ましい。
【００３９】
このような構成により、少なくとも５面の光学系はＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心（シフトまたはチルト）することで、Ｙ−Ｚ面内において光軸である軸上主光線は同軸上ではなく、偏心光学系に入射する光軸と射出する光軸は異なる向きに設定することが可能となる。このような偏心光学系１を、例えば、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、画像を表示する画像表示素子２の位置と、その画像表示素子２の画像を観察する観察者眼球位置をＹ−Ｚ面内においてある程度自由に配置させることが可能となる。
【００４０】
さらに、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心した面とすることで、Ｘ−Ｚ面内においても光軸である軸上主光線は同軸上ではなく、偏心光学系１に入射する光軸と射出する光軸は異なる向きに設定することができる。このような偏心光学系１を、例えば、画像表示装置Ｐに用いる場合には、画像を表示する画像表示素子２の位置と、その画像表示素子２の画像を観察する観察者の眼球位置をＸ−Ｚ面内においてある程度自由に配置させることが可能となる。
【００４１】
ところで、このような構成の偏心光学系１においては、Ｙ−Ｚ面内において通常のザイデル収差とは異なる、光学面の偏心による収差、いわゆる偏心収差が発生する。この偏心収差はパワーを有する光学面を偏心させることによって発生し、軸上において通常発生しないコマ収差や非点収差が発生し、軸外においても像面の倒れ、非対称な歪曲収差などが発生する。これらの回転非対称な収差を補正するためには、回転対称面である球面、非球面では補正することはできない。そこで、本発明の偏心光学系１では、回転非対称な曲面を用いることによって収差補正を行うこととしている。
【００４２】
Ｙ−Ｚ面内における複数の光学面の偏心量は大きく、発生する偏心収差量も大きいことが想定される。したがって、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であることがこの偏心収差補正に良好に作用する。
【００４３】
そして、Ｙ−Ｚ面に直交するＸ−Ｚ面内において少なくとも１面は偏心した面とすることで、Ｘ−Ｚ面内において光学系の光軸である軸上主光線が角度を持つことになる。<Br>
【００４４】
上記のような偏心光学系によれば、Ｙ−Ｚ面内、及びＸ−Ｚ面内のそれぞれにおいて、入射する軸上主光線と射出する軸上主光線は互いに角度を有する配置にすることができる。そのため、画像表示装置Ｐの場合にはＹ−Ｚ面内においては観察者の眼球に対して偏心光学系１及び画像表示素子２などを所望の位置に配備することができ、画像表示装置Ｐとしてコンパクトな形状となり、装着者の違和感や煩わしさを軽減する。
【００４５】
一方、Ｘ−Ｚ面内においても同軸上に配置する必要が無いため、例えば、観察者の眼球に対して偏心光学系１と画像表示素子２はシフトした位置に配備し、偏心光学系１から射出する光線が観察者眼球に対して斜めに入射するように配備することが可能となる。そのため、観察者の装着した眼球のつる（テンプル部）の部分に、つるに対して平行に偏心光学系１と画像表示素子２を配備しても、観察者眼球には斜め下から射出して眼球中心に向けて射出する光線にすることが可能となる。したがって、このような画像表示装置Ｐによれば、眼鏡のつるなどの保持部の形状に依存せず、観察者は斜め下に画像表示素子２の画像を観察することができる。
【００４６】
また、本発明に係る偏心光学系１を撮像装置に採用した場合には、装置全体の小型軽量化と共に、３次元的に撮像素子を自由な位置に配備することが可能となる。
【００４７】
また、偏心光学系１に入射する軸上主光線と、偏心光学系１から射出する軸上主光線のＸ−Ｚ面内における角度をαとした場合に、
５°≦α ≦ ４５°
を満たすことが好ましい。
【００４８】
このような構成により、Ｙ−Ｚ面に直交するＸ−Ｚ面内において少なくとも１面は偏心した面とすることで、Ｘ−Ｚ面内において光学系の光軸である軸上主光線が角度を持つことになる。その場合に、入射する光束と射出する光束の向きが変化することによって、例えば、画像表示装置Ｐに利用する場合には、画像表示素子２と観察者眼球の偏心光学系に対する角度を異なる配置にすることが可能になる。
【００４９】
上記のような配置にすることで、観察者に対して本発明の偏心光学系１を搭載した画像表示装置Ｐを水平に配置しても、画像表示装置Ｐからは、ある角度を持って光軸（軸上主光線）が射出するようにすることができる。
【００５０】
また、偏心光学系１は少なくとも５面の光学面により形成された空間を屈折率１．３以上の光学媒質で満たされていることが好ましい。
【００５１】
このように偏心光学系１が少なくとも５面の光学面により形成された空間を屈折率１．３以上の光学媒質で満たすことで、偏心光学系１は１つの光学部材となるため、製造において構成する光学面は偏心光学系１の１面となり、それぞれの面の相対的な位置調整を行う必要が無くなる。さらに、偏心光学系１の内部を光が通過するため、内部における反射においては、臨界角以上の入射角とすることによって、全反射させることが可能となる。
【００５２】
このような偏心光学系１によれば、少なくとも５面を有する光学系を１つのプリズムとすることが可能となり、各光学面をそれぞれの形状で形成し、それらの面を組み合わせて金型を作り、成形することで、安定した品質の光学素子を製造することが可能となる。また、全反射作用を用いるようにすることで、光学面の１面で反射と透過の２つの作用を有する面にすることが可能となり、光学系の小型化に有利になる。
【００５３】
また、画像を表示する画像表示面から射出した光が偏心光学系１に入射し、その後偏心光学系１から射出し、射出瞳Ｓを形成して観察者眼球に投影する場合の偏心光学系１の構成は、偏心光学系１に入射し、偏心光学系１から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、第１面に対向した内部反射面である第２面、第２面に対向した内部反射面かつ透過面である第３面、第３面に対向しかつ第２面に隣接した内部反射面である第４面、第４面に隣接しかつ第３面に対向した内部反射面である第５面によって構成されることが好ましい。
【００５４】
上記のような光学面の構成の偏心光学系によれば、第３面は第２面と第４面と第５面に対向した面となるため、偏心光学系は左右の面内で多重反射をすることになり、非常に小さい素子でありながら実際の光路長を長くすることができる。また、偏心光学系の形状は曲面を有する略棒状になり、後述する眼鏡のガラスの外形状に沿った形状にすることが可能となる。さらに、眼鏡のガラス枠の一部として使用することも可能である。
【００５５】
このように、光学素子が小さく、略棒状にしたために、画像観察装置観察者の眼球前方に配備する場合には、観察者の外界視野の妨げる面積を小さくすることができる。
【００５６】
さらに、偏心光学系は第３面にて２回の内部反射を行い、その前後で、第２面、第４面、第５面で内部反射を行うようにしたため、第２面の傾きを適切な角度にすることで画像表示素子を所望の角度に配置することができる。また、第５面の傾きを適切な角度にすることによって観察者眼球の設定を所望の位置、角度にすることができる。
【００５７】
このような構成の偏心光学系を利用することで、観察者に対して邪魔にならないように、ある程度自由な相対位置、相対角度で画像表示素子を設置することが可能となる。
【００５８】
このような偏心光学系を利用した画像表示装置によれば、ユーザーはシースルー表示により死角をなくすことができるとともに、画像表示素子が邪魔にならない位置に配置することもできるため、より快適に装着して使用することができる。さらに、偏心光学系の形状の自由度が高いことで、偏心光学系を眼鏡のフレームの一部として用いることができ、画像表示装置を装着した人を客観的に見て違和感の無いものにすることが可能である。
【００５９】
また、第３面において、少なくとも１回の内部反射は全反射作用を用いることが好ましい。
【００６０】
このように第３面の内部反射を全反射面とすることで、第３面は反射コートをしなくても内部反射をすることができる。全反射する領域は透明なため、光は透過できるので、第３面を入射面または射出面として用いる場合に、ハーフミラーコーティング、ＨＯＥなど
の特殊な手段を講じる必要がない。
【００６１】
さらに、全反射であるため反射率は略１００％となり、金属コートに比べて反射率が高いため、全体の効率の低下を抑制することが可能となる。
【００６２】
この結果、偏心光学系を製造する場合に特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造することが可能となる。さらに、反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置を提供することが可能となる。
【００６３】
また、偏心光学系１において、第３面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００６４】
第３面は、透過面、かつ２回の内部反射を行う面のため、透過作用、及び反射作用を受ける際にこの面による大きな収差補正効果を得ることができ、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００６５】
また、偏心光学系１において、第３面はＹ−Ｚ面内において負のパワーを持たせることが好ましい。
【００６６】
第３面は、２回の内部反射を行う面であり、その内部反射は全反射であることが望ましい。全反射条件は、反射点における入射角が臨界角以上である必要がある。プリズムの硝材の屈折率ｎが場合、臨界角θｃは、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）で与えられる。例えば、ｎ＝１．５の場合には、θｃ＝４１．８１°となる。
【００６７】
したがって、第３面への入射角が４１．８１°以上の角度であれば、全反射するが、第３面が正パワーを持った面であれば、斜め上方からの入射光に対してある部分では面の法線の方向が入射光の方向に向くため、入射角は小さい傾向となり、全ての光束が臨界角以上の入射角にすることは難しい。しかしながら、入射光に対して凸面を向けた負のパワーを持たせることで、全ての光束に対して入射角は大きくなる傾向を示し、全反射条件を満たすのに有効となる。
【００６８】
このような偏心光学系１の構成によれば、プリズムを製造する場合に特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造できる。さらに、反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置となる。
【００６９】
また、偏心光学系１において、第４面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００７０】
第４面は内部反射を行う面であり、さらに、この面は偏心光学系１の中間位置にあるため、各光束が比較的大きい断面積になる。したがって、この面を回転非対称面とすることで、反射作用を受ける際、球面収差やコマ収差の大きな補正効果を得ることができる。
【００７１】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００７２】
また、偏心光学系１において、第５面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００７３】
第５面は内部反射面である。画像表示装置Ｐの場合を考えると、この面は偏心光学系１
の射出瞳および射出面の直前に位置するため、射出角（画角）の異なる各光束の断面積は略同等で比較的大きく、この面の偏心（チルト）によるコマ収差が発生しやすい。偏心収差が発生する面でその収差補正を行うこと、つまり、偏心収差を大きく発生させないようにすることが光学系全体の性能向上に有利となる。
【００７４】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｐとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００７５】
また、偏心光学系１において、第５面はＹ−Ｚ面内において正のパワーを持たせることが好ましい。
【００７６】
第５面は内部反射を行う正のパワーを有する面であることが有効である。第３面は負のパワーを有する面とするならば、偏心光学系が結像系にするためには第１面、第２面、第４面、第５面のいずれか、または複数面を正のパワーを有する面とする必要があるが、射出瞳から略平行光を入射して像面を形成する場合で考えると、第５面を正のパワーとすることにより、光学系のパワー配置は、物体側から像面に向かって負、正、負、（正か負かゼロ）、負となり、入射光は入射後に負の後すぐに正のパワーが得られるため、光学系全体のパワーを正にする作用が得られる。
【００７７】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置として用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００７８】
また、偏心光学系１において、第２面は回転非対称面とすることが好ましい。
【００７９】
第２面は内部反射面であり、偏心光学系の像面近くに位置するため、光束は比較的小さくなった状態となる。この面を回転非対称面とすることで、軸外収差の補正に有効に作用する。特に、画角が大きい場合にはディストーションの補正に有効である。
【００８０】
このような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置として用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００８１】
また、偏心光学系１において、第２面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面とすることが好ましい。
【００８２】
第２面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることによれば、画像表示装置Ｐとして本発明の偏心光学系を用いる場合には、画像表示素子から射出した光は透過面の第１面から光学系に入射した直後の第２面において、光束がＸ−Ｚ面内において角度を有することになる。
【００８３】
このような偏心光学系１の構成によれば、第２面のＸ−Ｚ面内の偏心により、画像表示素子からの光束はＸ−Ｚ面内の角度を有するものになり、偏心光学系から射出するときにＸ−Ｚ面内の角度を有するものになる。
【００８４】
また、偏心光学系１において、第５面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面
とすることが好ましい。
【００８５】
第５面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面とすることで、画像表示装置Ｐに偏心光学系１を用いる場合には、画像表示素子２から射出した光が偏心光学系１を介して観察者眼球に向けて射出する直前の反射面である第５面において、光束がＸ−Ｚ面内において角度を付与することが可能になる。
【００８６】
このような偏心光学系１の構成によれば、第５面のＸ−Ｚ面内の偏心により、画像表示素子２からの光束はＸ−Ｚ面内の角度を有するものになり、偏心光学系１から射出するときにＸ−Ｚ面内の角度を付けることが可能となり、例えば、画像表示装置Ｐに採用した場合には、偏心光学系１を観察者の視界の邪魔にならない位置に配置させることが可能となる。
【００８７】
また、偏心光学系１において、第１面はＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面とすることが好ましい。
【００８８】
第２面または第５面がＸ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることにより、画像表示装置Ｐとして偏心光学系１を用いる場合には、画像表示素子から射出した光が偏心光学系１を介して観察者眼球に向けて射出する光束がＸ−Ｚ面内において角度を有することになるが、入射面である第１面をＸ−Ｚ面内において偏心させることによって、入射光軸の調整を行うことができる。
【００８９】
このような偏心光学系１の構成によれば、第１面のＸ−Ｚ面内の偏心により、画像表示素子２からの光束は、第１面で屈曲して偏心光学系１に入射することになり、偏心光学系１に入射する角度を調整することになるため、微妙な角度の調整を行うことが可能となる。
【００９０】
また、偏心光学系１において、第３面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９１】
第３面をＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることで、第３面は透過面、かつ２回の内部反射を行う面であるため、透過作用、及び反射作用を受ける際に、Ｘ−Ｚ面内においても、この面による大きな収差補正効果を得ることが可能となる。
【００９２】
また、偏心光学系１において、第５面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９３】
第５面は内部反射面である。画像表示装置Ｐに利用した場合を考えると、この面は偏心光学系１の射出瞳および射出面の直前に位置するため、射出角（画角）の異なる各光束の断面積は略同等で比較的大きく、この面の偏心（チルト）によるコマ収差が発生しやすい。偏心収差が発生する面でその収差補正を行うこと、つまり、偏心収差を大きく発生させないようにすることが、Ｘ−Ｚ面内においても光学系全体の性能向上に望ましい。
【００９４】
また、偏心光学系１において、第２面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９５】
第２面は内部反射面であり、光学系の像面近くに位置するため、光束は比較的小さくなった状態となる。この面を回転非対称面のＸ奇数次数項とすることで、Ｘ−Ｚ面内の軸外収差の補正に有効に作用する。特に、画角が大きい場合にはディストーションの補正に有効である。
【００９６】
また、偏心光学系１において、第４面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面とすることが好ましい。
【００９７】
第４面は内部反射を行う面であり、さらに、この面は偏心光学系１の中間位置であって、各光束が比較的大きい断面積になるため、反射作用を受ける際、Ｘ奇数次数項とすることで、この面によってＸ−Ｚ面内の球面収差やコマ収差の大きな補正効果が得られる。
【００９８】
以上のような偏心光学系１の構成によれば、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置として用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置として用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。
【００９９】
また、本発明に係る画像形成装置は、前記偏心光学系１の第１面に対向して画像表示素子２を配備し、第３面の透過領域に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示することとしている。
【０１００】
画像表示素子２から発した光は、偏心光学系１の第１面から入射し、第２面、第３面、第４面、第３面、第５面で５回の内部反射した後第３面から光は略平行光となって射出し、観察者眼球の瞳孔に入射する。このような構成の画像表示装置Ｐによれば、観察者は拡大された虚像を観察することができる。
【０１０１】
また、画像形成装置Ｐにおいて、偏心光学系の射出瞳は、偏心光学系の第３面の射出窓近傍または第３面と観察者眼球の間に形成されることが好ましい。
【０１０２】
画像表示素子２の射出瞳が、偏心光学系１の第３面の射出窓近傍または第３面と観察者眼球の間に形成されることで、観察画像周縁の光束のケラレを小さくできる。
【０１０３】
このような構成の画像表示装置Ｐによれば、観察者は画面の周辺まで鮮明な画像を観察することができる。
【０１０４】
また、画像表示装置Ｐにおいて、画像表示素子２からの画像を偏心光学系１の入射面から取り込み、偏心光学系１の射出面から略平行光として射出し、観察者眼球に投影する場合に、画像表示素子２は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることが好ましい。
【０１０５】
Ｙ−Ｚ面内と共にＸ−Ｚ面内において偏心する場合には、形成される像が光軸周りに回転するため、その回転に合わせて画像表示素子２を回転させることで、観察者には、画像表示素子２の画像が回転せずに、通常の縦、横の像として観察することができる。
【０１０６】
また、本発明に係る撮像装置は、前記偏心光学系１の第１面に対向して撮像素子を配備し、第３面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備することで、外界像を撮像することとしている。
【０１０７】
偏心光学系１の第３面の下側近傍に円形の開口を持つ開口絞りを配備し、第１面に対向してＣＣＤ等の撮像素子を配備することで、開口絞りを通過し偏心光学系の第３面から入射した光は、第５面、第３面、第４面、第３面、第２面で５回の内部反射をして第１面から射出して撮像素子に到達し、光を集光させることが可能となる。
【０１０８】
このような構成によれば、小型軽量化された撮像装置を実現することができる。
【０１０９】
また、撮像装置において、略平行光を入射瞳から偏心光学系１に入射し、偏心光学系１の外部の撮像素子によって撮像する場合に、撮像素子は軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることが好ましい。
【０１１０】
Ｙ−Ｚ面内と共にＸ−Ｚ面内において偏心する場合には、形成される像が光軸周りに回転するため、その回転に合わせて撮像素子を回転させることで、撮像素子と形成される像の方向が一致し、通常の縦、横の像として撮像することが可能となる。
【０１１１】
以下、実施例に基づいて本実施形態の偏心光学系１について説明する。
【０１１２】
具体的な構成パラメータは後記するが、プリズム光学系１の構成パラメータは、図１に示すように、観察者の観察位置、すなわち、眼球３が配置される位置付近に設定された仮想面ｒ１を通る中心光線Ａが、プリズム光学系１を経て画像表示素子２に向かう逆光線追跡の結果に基づくものである。
【０１１３】
図１に示すように、プリズム光学系１から射出される中心光線Ａは、観察位置にて観察されることで、プリズム光学系１の右側に逆光線追跡における虚像面（逆光線追跡でいう物体面）を形成する。ここでは、虚像面から射出側に１ｍ離れた位置に仮想面ｒ１を設定し、仮想面ｒ１と中心光線Ａの交点を原点Ｏとしている。さらに、原点Ｏからプリズム光学系１側へ向かう中心主光線の方向をＺ軸正方向とし、原点Ｏから画像表示素子２側でＺ軸に直交する方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【０１１４】
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系１の原点Ｏの中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。
【０１１５】
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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【０１１６】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、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。
【０１１７】
また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。
【０１１８】
また、本発明にかかる実施形態で用いられる自由曲面の面の形状は、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軸が自由曲面の軸とする。
Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］
∞
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn ・・・（ａ）
j=1
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
図１は本発明の実施形態に係る偏心光学系１を用いた画像表示装置Ｐの概念図である。
【０１２６】
第１実施形態の偏心光学系１は、図１に示すように、少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、各光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線
に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面はＹ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面としている。
【０１２７】
また、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第３面１３に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
【０１２８】
次に、本発明の偏心光学系１に係る実施例１について説明する。
【０１２９】
実施例１の偏心光学系１を備えた画像表示装置ＰのＹ−Ｚ断面図を図２に、Ｘ−Ｚ断面図を図３に、光学系全体の横収差図を図４及び図５に示す。
【０１３０】
実施例１の画像表示装置Ｐは、偏心光学系１と、画像表示素子２とを有する。
【０１３１】
偏心光学系１は、光学作用を有する光学面を５面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、１回の透過作用を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。第３面１３は、第２面１２、後述する第４面１４及び第５面１５に対向し、画像表示素子２側に配置され、２回の内部反射作用と１回の透過作用を有する。
【０１３２】
第４面１４は、第３面１３に対向し、画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。第５面１５は、第３面１３に対して画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。また、第３面１３の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。
【０１３３】
実施例１では、第３面１３、第４面１４及び第５面１５を回転非対称面としての自由曲面としている。第３面１３は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面、第４面１４は、Ｘ偶数次数項のみの自由曲面、第５面１５は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面である。なお、第１面１１、第２面は平面にて形成されている。
【０１３４】
逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第３面１３を透過して偏心光学系１に入射し、第５面１５で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第４面１４で内部反射し、第３面１３で再び内部反射し、第２面１２で内部反射し、第１面１１を透過して偏心光学系１から射出される。偏心光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。
【０１３５】
また、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第３面１３に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
【０１３６】
実施例２の偏心光学系１を備えた画像表示装置ＰのＹ−Ｚ断面図を図６に、Ｘ−Ｚ断面図を図７に、光学系全体の横収差図を図８及び図９に示す。
【０１３７】
実施例２の画像表示装置Ｐは、偏心光学系１と、画像表示素子２とを有する。
【０１３８】
偏心光学系１は、光学作用を有する光学面を５面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、１回の透過作用を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、１回の内部反射作用を有す
る。第３面１３は、第２面１２、後述する第４面１４及び第５面１５に対向し、画像表示素子２側に配置され、２回の内部反射作用と１回の透過作用を有する。
【０１３９】
第４面１４は、第３面１３に対向し、画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。第５面１５は、第３面１３に対して画像表示素子２と反対側に配置され、１回の内部反射作用を有する。また、第３面１３の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。
【０１４０】
この実施例２では、第２面１２、第３面１３、第４面１４及び第５面１５を回転非対称面としている。第２面１２、第３面１３は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面、第４面１４は、Ｘ偶数次数項のみの自由曲面、第５面１５は、Ｘ奇数次数項を有する自由曲面である。なお、第１面１１は平面にて形成されている。
【０１４１】
逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第３面１３を透過して偏心光学系１に入射し、第５面１５で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第４面１４で内部反射し、第３面１３で再び内部反射し、第２面１２で内部反射し、第１面１１を透過して偏心光学系１から射出される。偏心光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。
【０１４２】
また、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第３面１３に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
【０１４３】
以下に、上記実施例１、２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。
【０１４４】
実施例１
画角：水平 6.84°垂直 9.12°
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
r1 ∞（ダミー面） 0.00
r2 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(1)
r3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r8 ∞ 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
r9 ∞ 0.00 偏心(6)
像 面 ∞ 0.00 偏心(7)
FFS[1]
Ｃ4 -2.291e-002 Ｃ5 -1.765e-003 Ｃ6 2.612e-003
Ｃ7 -3.974e-005 Ｃ8 3.471e-004 Ｃ9 5.867e-005
Ｃ10 2.178e-004 Ｃ11 -3.281e-005 Ｃ12 -1.364e-005
Ｃ13 2.202e-005 Ｃ14 1.069e-006 Ｃ15 -3.903e-005
Ｃ16 -1.009e-006 Ｃ17 4.788e-008 Ｃ18 1.970e-006
Ｃ19 -6.284e-007 Ｃ20 -1.241e-008 Ｃ21 1.527e-006
Ｃ22 2.716e-007 Ｃ23 5.949e-008 Ｃ24 7.843e-008
Ｃ25 -5.576e-008 Ｃ26 -7.025e-009 Ｃ27 -1.111e-009
Ｃ28 -2.061e-008
FFS[2]
Ｃ4 -1.197e-002 Ｃ5 -8.411e-004 Ｃ6 2.154e-003
Ｃ7 -4.091e-005 Ｃ8 3.916e-004 Ｃ9 1.137e-004
Ｃ10 -5.298e-004 Ｃ11 -6.495e-006 Ｃ12 5.546e-006
Ｃ13 -1.007e-005 Ｃ14 -5.394e-006 Ｃ15 2.234e-005
FFS[3]
Ｃ4 -2.054e-002 Ｃ6 -6.736e-003 Ｃ8 3.023e-004
Ｃ10 -3.166e-005 Ｃ11 -1.155e-005 Ｃ13 -8.948e-006
Ｃ15 -1.338e-005 Ｃ17 1.453e-006 Ｃ19 -4.042e-007
Ｃ21 2.479e-007
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.61 Ｚ 18.07
α 2.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -1.09 Ｚ 21.72
α -25.72 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 9.82 Ｚ 24.73
α 2.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 27.99 Ｚ 22.00
α 17.89 β 7.50 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 30.77 Ｚ 15.22
α -25.91 β 8.66 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 3.65 Ｙ 32.75 Ｚ 9.59
α -19.69 β 15.00 γ 0.00
【０１４５】
実施例２
画角 ：水平 6.84°垂直 9.12°
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -640.00
r1 ∞（ダミー面） 0.00
r2 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(1)
r3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
r5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
r7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
r8 FFS[4] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
r9 ∞ 0.00 偏心(6)
像 面 ∞ 0.00 偏心(7)
FFS[1]
Ｃ4 -4.128e-002 Ｃ5 -9.216e-004 Ｃ6 -4.297e-003
Ｃ7 1.134e-004 Ｃ8 3.066e-003 Ｃ9 2.687e-005
Ｃ10 9.480e-004 Ｃ11 5.238e-005 Ｃ12 -1.052e-005
Ｃ13 -1.010e-004 Ｃ14 3.545e-007 Ｃ15 -1.564e-004
Ｃ16 3.767e-007 Ｃ17 5.254e-006 Ｃ18 1.824e-007
Ｃ19 -6.216e-006 Ｃ20 5.878e-009 Ｃ21 7.764e-006
Ｃ22 -1.755e-006 Ｃ23 -1.766e-008 Ｃ24 3.193e-007
Ｃ25 2.088e-009 Ｃ26 2.403e-007 Ｃ27 -6.327e-010
Ｃ28 -1.274e-007
FFS[2]
Ｃ4 -8.733e-003 Ｃ5 -2.991e-004 Ｃ6 -5.071e-003
Ｃ7 1.043e-005 Ｃ8 -3.405e-004 Ｃ9 -2.968e-006
Ｃ10 -3.611e-005 Ｃ11 2.212e-005 Ｃ12 -2.694e-006
Ｃ13 -1.312e-004 Ｃ14 -1.222e-006 Ｃ15 1.223e-005
FFS[3]
Ｃ4 -3.133e-002 Ｃ6 -9.781e-003 Ｃ8 3.977e-004
Ｃ10 2.969e-004 Ｃ11 -2.128e-006 Ｃ13 -3.871e-005
Ｃ15 -4.617e-005 Ｃ17 9.071e-007 Ｃ19 2.308e-007
Ｃ21 1.099e-006
FFS[4]
Ｃ4 -6.772e-003 Ｃ5 2.483e-004 Ｃ6 -3.547e-003
Ｃ7 1.216e-004 Ｃ8 -3.862e-004 Ｃ9 -2.906e-004
Ｃ10 1.453e-004 Ｃ11 6.816e-005 Ｃ12 3.378e-005
Ｃ13 6.418e-005 Ｃ14 -5.529e-006 Ｃ15 -4.316e-005
Ｃ16 -1.295e-006 Ｃ17 2.692e-006 Ｃ18 3.029e-006
Ｃ19 1.445e-005 Ｃ20 2.068e-006 Ｃ21 -4.782e-006
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.71 Ｚ 17.99
α -0.80 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 4.60 Ｚ 24.57
α -21.26 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 7.45 Ｚ 24.62
α 2.03 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 27.66 Ｚ 21.08
α 19.23 β 7.50 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 31.72 Ｚ 12.66
α -35.00 β 5.73 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 3.63 Ｙ 32.98 Ｚ 8.95
α -19.66 β 15.00 γ 0.00
【０１４６】
図１０は、偏心光学系１を用いた画像表示装置Ｐの基本構成を示す模式図である。
【０１４７】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、偏心光学系１と画像表示素子２とを用いることで、小型軽量、低コスト化が可能でかつ、装着した人が客観的に違和感の少ない画像表示装置Ｐを提供することを目的としている。
【０１４８】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、画像表示素子２として液晶表示素子を用いている。液晶表示素子を用いる場合、光源としてのバックライトＢＬが必要となる。本実施形態では、バックライトＢＬと画像表示素子２との間に照明レンズＬを有する。
【０１４９】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、このような構成により、画像表示素子２から射出された画像光を正のパワーを持つ偏心光学系１によって眼球方向に屈曲させるとともに、観察者が虚像として画像を観察することを可能とする。
【０１５０】
また、射出部の近傍を開口絞りＳとなるよう機能させることで、偏心光学系１自体を薄く細くしても映像を観察することができる。
【０１５１】
さらに、画像表示素子２が液晶表示素子である場合には、バックライトＢＬが必要であり、照明の効率上、光源の像を射出窓近傍に位置させることが望ましい。
【０１５２】
また、偏心光学系１を眼球の正面方向よりもやや外側に配置することが好ましい。これにより、視界の正面を偏心光学系１、あるいは、偏心光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。また、光路を短くすることができ、偏心光学系１をよりコンパクトにすることができる。
【０１５３】
図１１は、偏心光学系１を備えた画像表示装置Ｐを、眼鏡Ｇに装着した場合の上面図を、図１２は、その側面図を示している。本実施形態では、画像表示装置Ｐは、偏心光学系１、画像表示素子２、電装系３を主な構成要素としている。本実施形態では、観察者に対し画像表示装置Ｐを位置固定するため、眼鏡Ｇを流用することとしているが、画像表示装置Ｐの位置固定には、専用のものをもちいるなど適宜手段を採用することができる。
【０１５４】
電装系３は、画像表示素子２に対して映像を供給する。この電装系３には、バッテリーなどの電源部、映像コンテンツを記憶する記憶部、他の装置と通信するための通信部、あ
るいは、インターフェイス部などを備えて個構成される。本実施形態では、画像表示素子２と一体となって構成されており、眼鏡Ｇのテンプル部（つる）Ｇ１に対してネジなどで固定される。
【０１５５】
本実施形態では、偏心光学系１、電装系３、画像表示素子２がユニット化されており、このユニットをテンプル部Ｇ１の下側に位置するようにクリップなどで眼鏡Ｇに固定している。なお、ユニット化を行うことなく、偏心光学系１、電装系３、画像表示素子２の何れかを独立させ、それぞれを眼鏡Ｇに固定されることとしてもよい。
【０１５６】
また、画像表示素子２に対する偏心光学系１の配置位置を前後させることで視度調整を行うことが可能となり、観察者の視力に合わせた映像を提供することが可能となる。本実施形態では、図１１に矢印Ｔで示すように、画像表示素子２を含む電装系３の配置位置を前後させることで、偏心光学系１との距離を変化させ視度調整することが可能となっている。
【０１５７】
このような眼鏡Ｇに装着された画像表示装置Ｐにおいて、正面方向を向いた画像表示素子２から射出された画像光は、偏心光学系１により瞳孔へ向けて射出される。偏心光学系１は正のパワーを持ち、画像表示素子２の画像を拡大し、装着者は虚像として観察することができる。なお、画像表示素子２の中心から射出する第１の軸上主光線Ｂ１と、偏心光学系１から射出され観察者の瞳孔中心に到達する第２の軸上主光線Ｂ２によって形成される角度αは０°〜４０°であることが望ましい。
【０１５８】
図１２は、図１１に示す画像表示装置Ｐの装着の様子の側面図を示した図である。本実施形態では、ユニット化された画像表示装置Ｐは、テンプル部Ｇ１の下方にクリップなどで取り付けられている。観察者の正面方向を向いた画像表示素子２から水平に射出された軸上主光線は、偏心光学系１によって斜め上方に射出され、観察者の眼球に入射する。
【０１５９】
このように本実施形態の偏心光学系１では、水平方向に照射された画像光を、観察者の斜め下方方向、すなわち、図３で説明したようにＸ−Ｚ面での角度を付与して観察者の眼球に入射させることが可能となり、偏心光学系１を視界の正面よりも下方に配置することが可能となる。そのため、視界を偏心光学系１、あるいは、偏心光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。
【０１６０】
なお、画像表示素子２の中心から射出する軸上主光線Ｃ１と、偏心光学系１から射出され観察者の瞳孔中心に到達する軸上主光線Ｃ２によって形成されるＸ−Ｚ面の角度βは５゜〜４５゜であることが望ましい。
【０１６１】
図１３は、偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図、図１４、図１５は、偏心光学系を用いた画像表示装置の側面図である。
【０１６２】
図１３に示すように、正面から見ると、偏心光学系１が観察者の瞳Ｅに対向して配置され、観察者に拡大した虚像を呈示することが可能となる。また、本実施形態の偏心光学系１では、画像表示素子２から正面に向けて照射された画像光を、上方に向けて観察者の眼球に照射することができるため、偏心光学系１を下方に位置させることが可能となる。よって、偏心光学系１、あるいは、偏心光学系１にて投影される映像にて観察者の視界が邪魔されることがない。
【０１６３】
図１４に示すように、偏心光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍ未満に設定すると、偏心光学系１の上下から観察者の瞳Ｅに偏心光学系１の後ろの風景を見ることが可能となり、シースルー効果を出すことがで
きる。観察者は、下方、すなわち、偏心光学系１の方向に視線を向けたときにも外界の様子を観察することができる。
【０１６４】
また、図１５に示すように、偏心光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を４ｍｍ以上にすると、長い縦幅により、上下方向のズレに対して許容範囲を広くすることができる。
【０１６５】
本実施形態の画像表示装置Ｐは、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察すること（シースルー機能）を可能とするとともに、小型軽量・低コスト化が可能な眼鏡型画像表示装置を提案する。
【０１６６】
また、本実施形態のプリズム光学系１は、画像表示素子２に代えて、図示しない撮像素子とともに用いることで、小型軽量で低コスト化が可能な撮像装置を提供することが可能である。
【０１６７】
図１６に本実施形態のプリズム光学系を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の基本構成図を示す。撮像装置に本発明のプリズム光学系を適用する場合には、画像表示装置における射出瞳が入射瞳として作用し、瞳位置近傍に開口絞り４６を設ける。この開口絞り４６の開口を拡縮することで明るさの調整が行われる。さらに、表示素子の代わりにＣＣＤなどの撮像素子４４を配備する。
【０１６８】
デジタルカメラ本体には、光を取り入れ、内部の汚れを防ぐことにもなる入射窓４７、スイッチ４２、シャッター４１、及び、操作、撮像の様子を確認するための背面表示パネル４３が装備されている。スイッチ４２をＯＮにしてシャッター４１を押すと、撮像素子４４に付属したシャッター（図示せず）が作動し、シャッタースピードで設定された時間の静止画を撮像素子４４で撮像し、画像記録メモリー４５に画像データが蓄積される。動画像を撮影する場合は、シャッターを開放にして撮像素子４４で取り込んだ動画像を画像記録メモリー４５に蓄積する。
【０１６９】
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】
【０１７０】
１…偏心光学系
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１５…第５面
２…画像表示素子
３…電装系
４…デジタルカメラ（撮像装置）
４１…シャッター
４２…スイッチ
４３…背面表示パネル
４４…撮像装置（ＣＣＤ）
４５…画像記録メモリー
４６…開口絞り
４７…入射窓
Ｐ…画像表示装置
Ｇ…眼鏡
Ｇ１…テンプル部
Ｇ２…眼鏡レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、
前記光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面は前記Ｙ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、
前記複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、
前記少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
偏心光学系。
【請求項２】
前記偏心光学系に入射する軸上主光線と、前記偏心光学系から射出する軸上主光線のＸ−Ｚ面内における角度をαとした場合に、
５°≦α ≦ ４５°
を満たすことを特徴とする
請求項１に記載の偏心光学系
【請求項３】
前記少なくとも５面の光学面により形成された空間は、屈折率１．３以上の光学媒質で満たされていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の偏心光学系。
【請求項４】
画像を表示する画像表示面から射出した光が前記偏心光学系に入射し、その後前記偏心光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、
前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、前記第２面に対向した内部反射面かつ透過面である第３面、前記第３面に対向しかつ前記第２面に隣接した内部反射面である第４面、前記第４面に隣接しかつ前記第３面に対向した内部反射面である第５面によって構成され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。
【請求項５】
前記第３面において、少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする
請求項４に記載の偏心光学系。
【請求項６】
前記第３面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４または請求項５に記載の偏心光学系。
【請求項７】
前記第３面は、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有することを特徴とする
請求項４から請求項６の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項８】
前記第４面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項７の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項９】
前記第５面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項８の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１０】
前記第５面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有することを特徴とする
請求項４から請求項９の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１１】
前記第２面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１０の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１２】
前記第２面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする
請求項４から請求項１１の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１３】
前記第５面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする
請求項４から請求項１２の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１４】
前記第１面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする
請求項４から請求項１３の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１５】
前記第３面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１４の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１６】
前記第５面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１５の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１７】
前記第２面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１６の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１８】
第４面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１７の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８の何れか１項に記載の偏心光学系を有し、
前記第１面に対向して前記画像表示素子を配備し、
前記第３面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することを特徴とする
画像表示装置。
【請求項２０】
前記偏心光学系の射出瞳は、前記第３面の射出窓近傍、または、前記第３面と観察者の眼球の間に形成されることを特徴とする
請求項１９に記載の画像表示装置。
【請求項２１】
前記画像表示素子からの画像を前記偏心光学系の入射面から取り込み、前記偏心光学系の射出面から略平行光として射出し、観察者の眼球に投影する場合、
前記画像表示素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする
請求項１８または請求項１９に記載の画像表示装置。
【請求項２２】
請求項１から請求項１８の何れか１項に記載の偏心光学系を有し、
前記第１面に対向して撮像素子を配備し、
前記第３面の透過領域の前方近傍に開口絞りを配備し、
外界像を撮像することを特徴とする
撮像装置。
【請求項２３】
略平行光を入射瞳から前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系の外部の撮像素子によって撮像する場合、
前記撮像素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする
請求項２２に記載の撮像装置。
【請求項１】
少なくとも５面の光学面を有する偏心光学系であり、
前記光学面は、ＸＹＺ座標空間におけるＹ−Ｚ面内において軸上主光線に対して偏心しており、かつ、少なくとも１面は前記Ｙ−Ｚ面と直交するＸ−Ｚ面内において偏心した面であり、
前記複数の光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、
前記少なくとも２面の回転非対称面のうち、少なくとも１面はＸの奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
偏心光学系。
【請求項２】
前記偏心光学系に入射する軸上主光線と、前記偏心光学系から射出する軸上主光線のＸ−Ｚ面内における角度をαとした場合に、
５°≦α ≦ ４５°
を満たすことを特徴とする
請求項１に記載の偏心光学系
【請求項３】
前記少なくとも５面の光学面により形成された空間は、屈折率１．３以上の光学媒質で満たされていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の偏心光学系。
【請求項４】
画像を表示する画像表示面から射出した光が前記偏心光学系に入射し、その後前記偏心光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、
前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、前記第２面に対向した内部反射面かつ透過面である第３面、前記第３面に対向しかつ前記第２面に隣接した内部反射面である第４面、前記第４面に隣接しかつ前記第３面に対向した内部反射面である第５面によって構成され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。
【請求項５】
前記第３面において、少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする
請求項４に記載の偏心光学系。
【請求項６】
前記第３面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４または請求項５に記載の偏心光学系。
【請求項７】
前記第３面は、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有することを特徴とする
請求項４から請求項６の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項８】
前記第４面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項７の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項９】
前記第５面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項８の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１０】
前記第５面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有することを特徴とする
請求項４から請求項９の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１１】
前記第２面は、回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１０の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１２】
前記第２面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする
請求項４から請求項１１の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１３】
前記第５面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする
請求項４から請求項１２の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１４】
前記第１面は、Ｘ−Ｚ面内においてチルトまたはシフトした面であることを特徴とする
請求項４から請求項１３の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１５】
前記第３面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１４の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１６】
前記第５面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１５の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１７】
前記第２面は、Ｘ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１６の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１８】
第４面はＸ奇数次数項を有する回転非対称面であることを特徴とする
請求項４から請求項１７の何れか１項に記載の偏心光学系。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８の何れか１項に記載の偏心光学系を有し、
前記第１面に対向して前記画像表示素子を配備し、
前記第３面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することを特徴とする
画像表示装置。
【請求項２０】
前記偏心光学系の射出瞳は、前記第３面の射出窓近傍、または、前記第３面と観察者の眼球の間に形成されることを特徴とする
請求項１９に記載の画像表示装置。
【請求項２１】
前記画像表示素子からの画像を前記偏心光学系の入射面から取り込み、前記偏心光学系の射出面から略平行光として射出し、観察者の眼球に投影する場合、
前記画像表示素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする
請求項１８または請求項１９に記載の画像表示装置。
【請求項２２】
請求項１から請求項１８の何れか１項に記載の偏心光学系を有し、
前記第１面に対向して撮像素子を配備し、
前記第３面の透過領域の前方近傍に開口絞りを配備し、
外界像を撮像することを特徴とする
撮像装置。
【請求項２３】
略平行光を入射瞳から前記偏心光学系に入射し、前記偏心光学系の外部の撮像素子によって撮像する場合、
前記撮像素子は、軸上主光線周り（γ）に回転して配備されることを特徴とする
請求項２２に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−５８３０１（Ｐ２０１２−５８３０１Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９８６５９（Ｐ２０１０−１９８６５９）
【出願日】平成２２年９月６日（２０１０．９．６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月６日（２０１０．９．６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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