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JP3594266B2 - Optical system - Google Patents
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JP3594266B2 - Optical system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接眼光学系又は結像光学系として使用可能な光学系に関し、特に、回転非対称な光学面を有する光学系に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、さまざまの分野での技術革新に伴い、今までにない新規な光学系が要求されている。それに応えるために、様々な特殊な光学系が開発されている。その中には回転非対称な光学面もあり、様々な設計がなされている。
【0003】
例えば、頭部又は顔面装着式画像表示装置のような小型軽量が求められる光学系においては、小型化のために光軸に対し傾いて配置された凹面鏡を用いることがある。このとき、凹面鏡を傾けることによりコマ収差や非点収差等の収差が大きく発生する。これらの収差を補正するために、凹面鏡やその他の面の面形状を回転非対称な面、例えばアナモルフィック面、トーリック面とすることが考えられる。しかし、単に光学面を傾けただけでは偏心方向に非対称なディストーションが発生する。すなわち、図23に示したように、光学系の光軸32方向をZ軸とし、光学系の偏心方向にY軸をとり、Y,Z軸に垂直にX軸をとった場合に、面形状の中心33を有する回転非対称な光学面31によりY軸方向に非対称なディストーションが発生する。これを補正するためには、図24に示したように、回転非対称な光学面31の面形状の中心33を光軸32に対してずらして配置することで補正することができる。ここで、面形状の中心33とは、アナモルフィック面、トーリック面等においては、面形状を表す数式の原点、より一般的には、少なくともある領域において直交する2方向に面形状が対称な点である。また、このように光軸に対して面形状の中心をずらして配置する場合、光学面の外形により決定される中心と面形状の中心とが一致していないことが一般的である。ここで言う光学面の外形により決定される中心とは、光学面の外径が円である場合、その円の中心であり、光学面の外径が四角形であればその四角形の対角線の交点である。
【0004】
しかし、面形状中心と光学面の外形により決定される中心とがずれて配置されている場合には、以下のような問題点が発生する。
回転非対称な光学面を加工した後に面形状を測定する際には、いわゆる三次元形状測定機を用いることが多い。この測定機は、例えば図25に示すように、測定機66に置かれた被測定面である光学面67の面上の数千から数万の点のX,Y,Zの3次元座標をプローブ68により測定し、それらの座標から設計式とのずれを測定するものである。光学面の外形と面形状の中心とが一致している場合には、外形を基準として、被測定物である光学面67の位置を正確に決定できるので、面形状の設計式と測定値との比較を正確に行うことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光学面の外形の中心と面形状の中心とが一致していない場合には、外形を基準にして光学面の位置決めを行うことができないため、測定機に対する光学面の位置は、光学面の面形状測定結果からの推測、例えば、面形状の設計式に対する測定結果である数千から数万の座標データのフィッティングによる方法で求めていた。測定データのフィッティングは、例えば、最小自乗法等による残差が最小となるように各変数を変化させる、等の方法によって行う。
【0006】
このときのフィッティングの変数は、面形状の自由度以外には、3次元的な位置の自由度及び傾きの自由度を合わせて6つもの変数でフィッティングを行うことになる。すなわち、一般には、図26に模式的に示すように、設計式の面71と測定値の面72とがずれているため、図27に矢符で示したように、光学面67の6つの自由度のある位置と傾きを変化させ、設計式からの測定値のずれ量の総量、すなわち残差を最小となるような位置、傾きを求めるのである。
【0007】
この方法では、被測定物の位置決めを多くの変数に対する近似によって行うため、正確な光学面の位置が不明であり、測定精度が悪化していた。特に、反射面では、面精度が特に厳しく要求されるため、測定も高精度が要求され、被測定物の位置が正確に求められないことが大きな問題となっていた。
【0008】
本発明は従来技術の上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、正確な測定を行うことが可能で、光学面の外形と面形状の中心とが一致しない回転非対称な光学面を有する光学系を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第1発明の光学系は、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学反射面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学反射面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも1つの指標が設けられていることを特徴とするものである。
【0010】
第2発明の光学系は、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学反射面を少なくとも1面有する反射光学素子を備えた光学系において、
前記反射光学素子の非光学面である側面に、前記回転非対称な光学面の位置又は傾きを示す少なくとも1つの指標を設けたことを特徴とするものである。
【0011】
第3発明の光学系は、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置された光学反射面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学反射面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも1つの指標が設けられていることを特徴とするものである。
第4発明の光学系は、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置された光学反射面を少なくとも1面有する反射光学素子を備えた光学系において、
前記反射光学素子の非光学面である側面に、前記回転非対称な光学面の位置又は傾きを示す少なくとも1つの指標を設けたことを特徴とするものである。
【0012】
以下、本発明において、上記の構成をとる理由と作用について説明する。
第1の本発明は、図1に模式的に示すように、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系に関するものであり、その回転非対称な光学面の少なくとも1面67に、面形状の基準位置を示す少なくとも1つの指標61を設けるものである。このようにすると、測定データを設計値にフィッティングする際の設計値に対する測定データの位置、傾きの自由度は、例えば図1に矢符で示すように6から3になり、被測定物のずれ、傾きを正確に求めることが可能になるので、精度の良い面精度の測定が可能になる。
【0013】
また、図2に模式的に示すように、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系に関するものであり、その回転非対称な光学面の少なくとも1面67に、面形状の基準位置を示す少なくとも2つの指標61を設けるものである。このようにすると、測定データを設計値にフィッティングする際の設計値に対する測定データの位置、傾きの自由度は、例えば図2に矢符で示すように1になり、被測定物のずれ、傾きを正確に求めることが可能になるので、高精度な面精度の測定が可能になる。
【0014】
また、図3に模式的に示すように、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系に関するものであり、その回転非対称な光学面の少なくとも1面67に、面形状の基準位置を示す少なくとも3つの指標61を設けるものである。このようにすると、測定データを設計値にフィッティングする際の設計値に対する測定データの位置、傾きの自由度が、例えば図3に示すように0になり、被測定物のずれ、傾きを正確に求めることが可能になるので、非常に高精度な面精度の測定が可能になる。
【0015】
このような指標は、光学面の窪みあるいは突起として設けるのが望ましい。すなわち、回転非対称な光学面を加工するには成形による方法が一般的である。この際、指標が光学面の窪みあるいは突起であれば、指標を面形状と同時に転写することができるので、正確かつ容易に指標を設けることができる。
【0016】
また、このような指標は、光学面の有効領域の外側に設けるのが望ましい。このようにすれば、光学面を通過する光線に影響を与えることなく、指標を設けることができるので、より好ましい。
【0017】
また、本発明においては、回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系において、非光学面である光学系の側面に、前記回転非対称な光学面の位置又は傾きを示す少なくとも1つの指標を設けるようにしてもよい。このようにすると、光学面を通過する光線に影響を与えることなく、指標を設けることができるので、より好ましい。なお、ここで、非光学面とは、光軸の透過あるいは反射に寄与しない面を意味する。
【0018】
このような光学系において、その回転非対称な形状をした光学面を反射面とすることができる。反射面においては透過面よりも高精度な面精度がより求められるので、反射面に本発明を用いると、より効果的である。
【0019】
また、このような光学系を画像表示素子と共に頭部又は顔面装着式の画像表示装置に用いることができる。頭部又は顔面装着式画像表示装置においては、より小型で良好に収差が補正された光学系が求められるため、偏心した凹面鏡を用いることが考えられている。そこで、図4に側面図を示すように、本発明による光学系21を画像表示素子22と共に頭部又は顔面装着式画像表示装置に用いることは、より効果的である。なお、この図においては、光学系21として後記の実施例1の光学系を用いている。
【0020】
なお、後記の各実施例に記載されたような構成をとることにより、広い画角において明瞭に観察が可能であり、像の明るさの低下がほとんど生じることがなく、さらに非常に小型軽量であるために、疲労し難い頭部又は顔面装着式等の画像表示装置に使用可能な光学系を実現することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光学系を接眼光学系に適用し、図4に示したように、画像表示素子と共に用いて、頭部装着式画像表示装置に応用した実施例を説明する。
実施例1
本実施例の光学系は、図5に光路を示すように、第1面3、第2面4、第3面5の3面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第3面5からプリズムに入射し、第1面3で全反射し、第2面4で反射した後に第1面3を透過して観察者瞳1に達する。なお、図中、2は観察者の視軸であり、13は光学面の軸であり、14はその面形状の中心を示す。
【0022】
この実施例の構成パラメータは後記するが、第1面3及び第2面4は回転非対称なアナモルフィック面であり、図6、図7に示すように、それぞれ3つの指標61を設けて、アナモルフィック面の原点の位置を明確にし、面形状の高精度な測定を可能にしている。すなわち、面形状の設計値に対する測定データのフィッティングの際、測定時の3つの指標61の位置を設計時の指標の位置に合わせることによって、位置、傾きの自由度を0として、面形状の測定を高精度に行うことができる。なお、図6、図7は対称軸方向から見た図であり、指標の位置はこれらの図に示す通りであり、光学面の窪みにより構成されている。
【0023】
実施例2
本実施例の光学系は実施例1と同様な光学系であり、構成パラメータは実施例1に同じである。
接眼光学系の非光学面の側面に、図8に示すように、2面の基準面からなる板状の指標81を設けることで、回転非対称な光学面である第1面3、第2面4の位置及び傾きを明確にし、面形状の高精度な測定を可能にしている。指標の形状、位置は図9に示す通りである。
【0024】
実施例3
本実施例の光学系は実施例1と同様な光学系であり、構成パラメータは実施例1に同じである。
接眼光学系の非光学面の側面に、図10に示すように、3面の基準面からなる三角形の指標82を設けることで、各面の位置及び傾きを明確にし、面形状の高精度な測定を可能にしている。図11に示すように、3つの基準面はそれぞれの面3、4、5の偏心量に等しい角度で傾いている。
【0025】
実施例4
本実施例の光学系は、図12に光路を示すように、裏面鏡である凹面鏡11と正レンズ12とから構成されており、画像表示素子8から射出された光線は、順に、裏面鏡11の透過面、裏面鏡11の反射面、再び裏面鏡11の透過面と通過し、正レンズ12を通過後、観察者瞳1に達する。
この実施例においては、凹面鏡11の透過面及び反射面が回転非対称な光学面であり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0026】
実施例5
本実施例の光学系は、図13に光路を示すように、裏面鏡である第1の反射鏡9と、同じく裏面鏡である第2の反射鏡10とから構成されている。画像表示素子8から射出された光線は、順に、第2の反射鏡10の透過面、第2の反射鏡10の反射面、再び第2の反射鏡10の透過面、第1の反射鏡9の透過面、第1の反射鏡9の反射面、再び第1の反射鏡9の透過面と通過した後、観察者瞳1に達する。
この実施例においては、第1の反射鏡9の透過面及び反射面が回転非対称な光学面であり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0027】
実施例6
本実施例の光学系は、図14に光路を示すように、正レンズ12と裏面鏡である凹面鏡11とから構成されている。画像表示素子8から射出された光線は、順に、正レンズ12を透過し、凹面鏡11の透過面、凹面鏡11の反射面、再び凹面鏡11の透過面と通過した後、観察者瞳1に達する。
この実施例においては、凹面鏡11の透過面及び反射面が回転非対称な光学面であり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0028】
実施例7
本実施例の光学系は、図15に光路を示すように、第1面3、第2面4、第3面5からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第3面5からプリズムに入射し、第2面4で反射した後に第1面3を透過して、観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第1面3、第2面4、第3面5が回転非対称な光学面でけあり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0029】
実施例8
本実施例の光学系は、図16に光路を示すように、第1面3、第2面4、第4面6の3面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第2面4からプリズムに入射し、第4面6で反射し、第2面4で反射した後に第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第1面3、第4面6が回転非対称な光学面であり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0030】
実施例9
本実施例の光学系は、図17に光路を示すように、第1面3、第2面4、第4面6の3面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第2面4からプリズムに入射し、第4面6で反射し、第2面4で反射し、再び第4面6で反射し、再び第2面4で反射した後、第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第2面4、第4面6が回転非対称な光学面であり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0031】
実施例10
本実施例の光学系は、図18に光路を示すように、第1面3、第2面4、第4面6の3面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第2面4からプリズムに入射し、第1面3で反射し、第4面6で反射し、第2面4で反射した後、第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第1面3、第4面6が回転非対称な光学面であり、それぞれに実施例1と同様な指標が設けられている。
【0032】
実施例11
本実施例の光学系は、図19に光路を示すように、第1面3、第2面4、第3面5、第4面6の4面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第3面5からプリズムに入射し、第4面6で反射し、第2面4で反射した後、第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第2面4が回転非対称な光学面であり、実施例1と同様な指標が設けられている。
【0033】
実施例12
本実施例の光学系は、図20に光路を示すように、第1面3、第2面4、第3面5、第4面6の4面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第3面5からプリズムに入射し、第2面4で反射し、第4面6で反射し、再び第2面4で反射した後、第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第2面4が回転非対称な光学面であり、実施例1と同様な指標が設けられている。
【0034】
実施例13
本実施例の光学系は、図21に光路を示すように、第1面3、第2面4、第3面5、第4面6の4面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第3面5からプリズムに入射し、第4面6で反射し、第3面5で反射し、第2面4で反射した後、第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第2面4が回転非対称な光学面であり、実施例1と同様な指標が設けられている。
【0035】
実施例14
本実施例の光学系は、図22に光路を示すように、第1面3、第2面4、第4面6、第5面7の4面からなるプリズムであり、画像表示素子8から射出された光線は、順に、第2面4からプリズムに入射し、第5面7で反射し、第2面4で反射し、第4面6で反射し、再び第2面4で反射した後、第1面3を透過して観察者瞳1に達する。
この実施例においては、光学系の第2面4、第4面6が回転非対称な光学面であり、実施例1と同様な指標が設けられている。
【0036】
以下に、実施例1(実施例2、3も同じ。)の構成パラメータを示す。この構成パラメータにおいては、図5に示すように、観察者の瞳位置1を光学系の原点として、観察者の視軸2をZ軸としている。なお、Z軸の符号は、瞳1から遠ざかる方向を正としている。また、図5の平面内に図の上を正としてZ軸に直交するようにY軸をとる。さらに、Y軸、Z軸に直交するように、すなわち、図5の面に垂直にX軸をとるものとする。なお、光線追跡は、観察者の眼球側を物体側として、画像表示素子8側を像面側とした逆追跡により行っている。
【0037】
この構成パラメータにおいて、偏心量Y、Z、傾き量θは、光学系の原点である観察者瞳1からのその面の面頂のY方向、Z方向のずれ量、及び、その面の中心軸のZ軸に対する傾き角を表している。なお、傾き角は反時計回りの方向を正としている。
【0038】
なお、アナモルフィック面の形状は以下の式により定義する。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。

Figure 0003594266
ただし、Zは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、CXはX軸方向曲率、CYはY軸方向曲率、KはX軸方向円錐係数、KはY軸方向円錐係数、Rは非球面項回転対称成分、Pは非球面項回転非対称成分である。
なお、次の構成パラメータでは、
:X軸方向曲率半径
:Y軸方向曲率半径
を用いており、曲率CX、CYとの間には、
=1/CX,R=1/CY
の関係にある。また、データの記載されていない非球面に関する項は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。
【0039】
なお、実施例4〜14については、構成パラメータを略している。また、指標の位置についても、図示を省略しているが、実施例1と同様の指標を設けているので、図6、図7より明らかである。
【0040】
なお、構成パラメータは、以下のものに限定されるものではなく、回転非対称な面形状をし、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系であれば、本発明を実施することができる。
【0041】
Figure 0003594266
Figure 0003594266
【0042】
以上の本発明の光学系は、例えば次のように構成することができる。
〔1〕 回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも1つの指標が設けられていることを特徴とする光学系。
【0043】
〔2〕 回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも2つの指標が設けられていることを特徴とする光学系。
【0044】
〔3〕 回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも3つの指標が設けられていることを特徴とする光学系。
【0045】
〔4〕 前記指標が光学面の窪みあるいは突起として設けられていることを特徴とする上記〔1〕から〔3〕の何れか1項に記載の光学系。
【0046】
〔5〕 前記指標が光学面の有効領域の外側に設けられていることを特徴とする上記〔1〕から〔4〕の何れか1項に記載の光学系。
【0047】
〔6〕 回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学面を少なくとも1面有する光学系において、
非光学面である光学系の側面に、前記回転非対称な光学面の位置又は傾きを示す少なくとも1つの指標を設けたことを特徴とする光学系。
【0048】
〔7〕 前記光学系において、前記回転非対称な形状をした光学面が反射面であることを特徴とする上記〔1〕から〔6〕の何れか1項に記載の光学系。
【0049】
〔8〕 前記光学系が画像表示素子と共に頭部又は顔面装着式の画像表示装置に用いられることを特徴とする上記〔1〕から〔7〕の何れか1項に記載の光学系。
【0050】
〔9〕 前記光学系が少なくとも2つの面を有し、透過面を形成する第1面と、反射面を形成する第2面とを含み、前記の少なくとも2つの面は観察者の視軸に対して傾いて配置されており、かつ、前記第1面と第2面との間の領域が屈折率が1よりも大きな媒質で満たされていることを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0051】
〔10〕 前記光学系が互いに偏心して配置された少なくとも2つの反射鏡を有し、その中の少なくとも1つが凹面鏡であることを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0052】
〔11〕 前記光学系が観察者の視軸に対して傾いて配置された少なくとも1つの凹面鏡を有し、前記凹面鏡と前記画像表示素子との間に少なくとも1つの正の屈折力を有する光学素子が配置されていることを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0053】
〔12〕 前記光学系が少なくとも3つの面を有し、画像表示素子から射出された光線の通過する順に、少なくとも透過面を形成する第3面と、反射面を形成する第2面と、透過面を形成する第1面とを含むことを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0054】
〔13〕 前記光学系の第1面が透過面と同時に反射面を形成していることを特徴とする上記〔12〕記載の光学系。
【0055】
〔14〕 前記光学系が少なくとも3つの面を有し、画像表示素子から射出された光線の通過する順に、少なくとも透過面と同時に反射面を形成する第2面と、反射面を形成する第4面と、透過面を形成する第1面とを含むことを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0056】
〔15〕 前記光学系が第2面において、光線が1度の透過と2度の反射を行い、かつ、第4面において2度の反射を行うことを特徴とする上記〔14〕記載の光学系。
【0057】
〔16〕 前記光学系が少なくとも3つの面を有し、画像表示素子から射出された光線の通過する順に、少なくとも透過面と同時に反射面を形成する第2面と、反射面と同時に透過面を形成する第1面と、反射面を形成する第4面とを含むことを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0058】
〔17〕 前記光学系が少なくとも4つの面を有し、画像表示素子から射出された光線の通過する順に、少なくとも透過面を形成する第3面と、反射面を形成する第4面と、反射面を形成する第2面、透過面を形成する第1面とを含むことを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0059】
〔18〕 前記光学系が、第2面において光線が2度の反射を行うことを特徴とする上記〔17〕記載の光学系。
【0060】
〔19〕 前記光学系の第3面が透過面と同時に反射面を形成していることを特徴とする上記〔17〕記載の光学系。
【0061】
〔20〕 前記光学系が少なくとも4つの面を有し、画像表示素子から射出された光線の通過する順に、少なくとも1度の透過と2度の反射とを行う第2面と、反射面を形成する第5面と、反射面を形成する第4面と、透過面を形成する第1面とを含むことを特徴とする上記〔8〕記載の光学系。
【0062】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、光学系に含まれる光学面の外形と面形状の中心とが一致しない回転非対称な光学面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す1つ以上の指標が設けられているので、測定データを設計値にフィッティングする際の設計値に対する測定データの位置、傾きの自由度が半分以下に減少し、被測定物のずれ、傾きを正確に求めることが可能になり、精度の良い面精度の測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の本発明の構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第2の本発明の構成を示す模式図である。
【図3】本発明の第3の本発明の構成を示す模式図である。
【図4】本発明による光学系を用いた頭部装着式画像表示装置の側面図である。
【図5】本発明の実施例1の光学系の光路図である。
【図6】実施例1の第1面に設けた指標の位置を示す図である。
【図7】実施例1の第2面に設けた指標の位置を示す図である。
【図8】実施例2の指標を示す図である。
【図9】実施例2の指標の形状、位置を示す図である。
【図10】実施例3の指標を示す図である。
【図11】実施例3の指標の形状、位置を示す図である。
【図12】本発明の実施例4の光学系の光路図である。
【図13】本発明の実施例5の光学系の光路図である。
【図14】本発明の実施例6の光学系の光路図である。
【図15】本発明の実施例7の光学系の光路図である。
【図16】本発明の実施例8の光学系の光路図である。
【図17】本発明の実施例9の光学系の光路図である。
【図18】本発明の実施例10の光学系の光路図である。
【図19】本発明の実施例11の光学系の光路図である。
【図20】本発明の実施例12の光学系の光路図である。
【図21】本発明の実施例13の光学系の光路図である。
【図22】本発明の実施例14の光学系の光路図である。
【図23】光軸に対し傾いて配置された回転非対称な光学面によりディストーションが発生する様子を示す図である。
【図24】光軸に対し傾いて配置された回転非対称な光学面を光軸に対してずらして配置することによりディストーションを補正する様子を示す図である。
【図25】三次元形状測定機を用いて面形状を測定する様子を示す図である。
【図26】設計式の面と測定値の面とのフィッティングの際のずれを示す模式図である。
【図27】光学面の6つの自由度を示す図である。
【符号の説明】
1…観察者瞳位置
2…観察者視軸
3…光学系の第1面
4…光学系の第2面
5…光学系の第3面
6…光学系の第4面
7…光学系の第5面
8…画像表示素子
9…第1の反射鏡
10…第2の反射鏡
11…裏面鏡(凹面鏡)
12…正レンズ
13…アナモルフィック面の軸
14…面形状の中心
21…接眼光学系
22…画像表示素子
31…回転非対称な光学面
32…光学系の光軸
33…面形状の中心
61…指標
66…測定機
67…光学面
68…プローブ
71…設計式の面
72…測定値の面
81…板状の指標
82…三角形の指標[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical system that can be used as an eyepiece optical system or an imaging optical system, and more particularly, to an optical system having a rotationally asymmetric optical surface.
[0002]
[Prior art]
In recent years, along with technological innovations in various fields, new optical systems have never been required before. To respond to this, various special optical systems have been developed. Among them, there is a rotationally asymmetric optical surface, and various designs are made.
[0003]
For example, in an optical system requiring a small size and light weight, such as a head or a face-mounted image display device, a concave mirror arranged to be inclined with respect to the optical axis may be used for miniaturization. At this time, when the concave mirror is tilted, large aberrations such as coma and astigmatism occur. In order to correct these aberrations, it is conceivable that the surface shape of the concave mirror or other surfaces is a rotationally asymmetric surface, for example, an anamorphic surface or a toric surface. However, simply tilting the optical surface generates an asymmetric distortion in the eccentric direction. That is, as shown in FIG. 23, when the optical axis 32 direction of the optical system is set as the Z axis, the Y axis is set in the eccentric direction of the optical system, and the X axis is set perpendicular to the Y and Z axes, the surface shape becomes Asymmetric distortion occurs in the Y-axis direction due to the rotationally asymmetric optical surface 31 having the center 33. In order to correct this, as shown in FIG. 24, the correction can be performed by displacing the center 33 of the surface shape of the rotationally asymmetric optical surface 31 with respect to the optical axis 32. Here, the center 33 of the surface shape is the origin of a mathematical expression representing the surface shape in an anamorphic surface, a toric surface, or the like, and more generally, the surface shape is symmetric in at least two directions orthogonal to each other at least in a certain region. Is a point. When the center of the surface shape is displaced with respect to the optical axis in this way, the center determined by the outer shape of the optical surface and the center of the surface shape generally do not match. The center determined by the outer shape of the optical surface here is the center of the circle when the outer diameter of the optical surface is a circle, and at the intersection of the diagonal of the square if the outer diameter of the optical surface is a square. is there.
[0004]
However, if the center of the surface shape and the center determined by the outer shape of the optical surface are arranged to be shifted, the following problems occur.
When measuring a surface shape after processing a rotationally asymmetric optical surface, a so-called three-dimensional shape measuring machine is often used. For example, as shown in FIG. 25, this measuring machine converts three-dimensional X, Y, and Z three-dimensional coordinates of thousands to tens of thousands of points on the surface of an optical surface 67 which is a measured surface placed on the measuring machine 66. The measurement is performed by the probe 68, and the deviation from the design formula is measured from the coordinates. When the outer shape of the optical surface matches the center of the surface shape, the position of the optical surface 67, which is the object to be measured, can be accurately determined based on the outer shape. Can be accurately compared.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the center of the outer shape of the optical surface does not match the center of the surface shape, the optical surface cannot be positioned with reference to the outer shape. From the surface shape measurement results, for example, by a method of fitting thousands to tens of thousands of coordinate data, which are the measurement results for the design formula of the surface shape. The fitting of the measurement data is performed by, for example, a method of changing each variable so as to minimize a residual by a least square method or the like.
[0006]
At this time, the fitting is performed with as many as six variables including the degree of freedom of the three-dimensional position and the degree of freedom of the inclination in addition to the degree of freedom of the surface shape. That is, in general, as schematically shown in FIG. 26, since the surface 71 of the design formula and the surface 72 of the measured value are shifted, as shown by arrows in FIG. By changing the position and the inclination having a degree of freedom, the total amount of the deviation of the measured value from the design equation, that is, the position and the inclination that minimize the residual error are obtained.
[0007]
In this method, since the positioning of the object to be measured is performed by approximation to many variables, the exact position of the optical surface is unknown, and the measurement accuracy has deteriorated. In particular, since the reflection surface requires particularly strict surface accuracy, high accuracy is also required for measurement, and it has been a serious problem that the position of the object to be measured cannot be accurately obtained.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a rotationally asymmetric optical surface that can perform accurate measurement and that does not coincide with the outer shape of the optical surface and the center of the surface shape. An optical system having the following.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The optical system according to the first aspect of the present invention that achieves the above object has a rotationally asymmetric surface shape, is arranged to be inclined with respect to the optical axis, and has a center determined by the outer shape and a center of the surface shape. In an optical system having at least one optical reflection surface that does not match,
At least one index indicating a reference position of a surface shape is provided on at least one of the rotationally asymmetric optical reflection surfaces.
[0010]
The optical system according to the second aspect of the invention has a rotationally asymmetric surface shape, is disposed at an angle to the optical axis, and has at least one optical reflection surface whose center determined by the outer shape does not coincide with the center of the surface shape. In an optical system having a reflective optical element having a surface,
At least one index indicating a position or an inclination of the rotationally asymmetric optical surface is provided on a side surface that is a non-optical surface of the reflective optical element.
[0011]
An optical system according to a third aspect of the present invention is an optical system having at least one optical reflection surface having a rotationally asymmetric surface shape and inclined with respect to the optical axis.
At least one index indicating a reference position of a surface shape is provided on at least one of the rotationally asymmetric optical reflection surfaces.
An optical system according to a fourth aspect of the present invention is an optical system including a reflective optical element having a rotationally asymmetric surface shape and having at least one optical reflective surface that is arranged to be inclined with respect to the optical axis,
At least one index indicating a position or an inclination of the rotationally asymmetric optical surface is provided on a side surface that is a non-optical surface of the reflective optical element.
[0012]
Hereinafter, the reason and operation of the above configuration in the present invention will be described.
The first aspect of the present invention, as schematically shown in FIG. 1, has a rotationally asymmetric surface shape, is arranged inclined with respect to the optical axis, and has a center determined by the outer shape and a center of the surface shape. The present invention relates to an optical system having at least one optical surface that does not match, and at least one index 61 indicating a reference position of the surface shape is provided on at least one surface 67 of the rotationally asymmetric optical surface. In this way, the degree of freedom of the position and inclination of the measured data with respect to the design value when fitting the measured data to the design value is changed from 6 to 3 as shown by an arrow in FIG. , The inclination can be accurately obtained, so that highly accurate surface accuracy measurement can be performed.
[0013]
In addition, as schematically shown in FIG. 2, an optical surface having a rotationally asymmetric surface shape, being arranged to be inclined with respect to the optical axis, and having a center determined by the outer shape and a center of the surface shape not coincident with each other. And at least two indices 61 indicating the reference position of the surface shape are provided on at least one surface 67 of the rotationally asymmetric optical surface. In this case, the degree of freedom of the position and inclination of the measured data with respect to the design value when fitting the measured data to the design value becomes, for example, 1 as indicated by an arrow in FIG. Can be accurately obtained, so that highly accurate surface accuracy measurement can be performed.
[0014]
In addition, as schematically shown in FIG. 3, an optical surface having a rotationally asymmetric surface shape, being inclined with respect to the optical axis, and having the center of the surface determined by the outer shape not coincident with the center of the surface shape. And at least three indices 61 indicating the reference position of the surface shape are provided on at least one surface 67 of the rotationally asymmetric optical surface. By doing so, the position of the measurement data and the degree of freedom of the inclination with respect to the design value when fitting the measurement data to the design value become zero, for example, as shown in FIG. Since it is possible to obtain the surface accuracy, it is possible to measure the surface accuracy with a very high accuracy.
[0015]
Such an index is desirably provided as a depression or projection on the optical surface. That is, to process a rotationally asymmetric optical surface, a molding method is generally used. At this time, if the index is a depression or a projection on the optical surface, the index can be transferred simultaneously with the surface shape, so that the index can be provided accurately and easily.
[0016]
It is desirable that such an index is provided outside the effective area of the optical surface. This is more preferable because the index can be provided without affecting the light passing through the optical surface.
[0017]
Further, in the present invention, at least one optical surface having a rotationally asymmetric surface shape, being inclined with respect to the optical axis, and having the center of the surface determined by the outer shape and the center of the surface shape not coincident is provided. In the optical system, at least one index indicating the position or inclination of the rotationally asymmetric optical surface may be provided on a side surface of the optical system that is a non-optical surface. This is more preferable because the index can be provided without affecting the light beam passing through the optical surface. Here, the non-optical surface means a surface that does not contribute to transmission or reflection of the optical axis.
[0018]
In such an optical system, the rotationally asymmetric optical surface can be used as a reflection surface. Since the reflection surface is required to have higher surface accuracy than the transmission surface, it is more effective to use the present invention for the reflection surface.
[0019]
Such an optical system can be used together with an image display element in a head- or face-mounted image display device. In a head-mounted or face-mounted image display device, since an optical system that is smaller in size and in which aberration is well corrected is required, use of an eccentric concave mirror has been considered. Therefore, as shown in a side view in FIG. 4, it is more effective to use the optical system 21 according to the present invention together with the image display element 22 in a head or face-mounted image display device. In this drawing, the optical system 21 according to the first embodiment described later is used as the optical system 21.
[0020]
In addition, by adopting the configuration described in each embodiment described later, clear observation is possible at a wide angle of view, little reduction in image brightness occurs, and further, a very small and lightweight For this reason, it is possible to realize an optical system that can be used for an image display device such as a head or a face-mounted type that is hardly fatigued.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the optical system according to the present invention is applied to an eyepiece optical system and used together with an image display element as shown in FIG. 4 and applied to a head mounted image display device will be described.
Example 1
The optical system of this embodiment is a prism composed of three surfaces, a first surface 3, a second surface 4, and a third surface 5, as shown in the optical path of FIG. Sequentially, the light enters the prism from the third surface 5, is totally reflected by the first surface 3, is reflected by the second surface 4, transmits through the first surface 3, and reaches the observer pupil 1. In the drawing, reference numeral 2 denotes the visual axis of the observer, 13 denotes the axis of the optical surface, and 14 denotes the center of the surface shape.
[0022]
Although the configuration parameters of this embodiment will be described later, the first surface 3 and the second surface 4 are rotationally asymmetric anamorphic surfaces, and three indices 61 are provided as shown in FIGS. The position of the origin of the anamorphic surface is clarified, enabling highly accurate measurement of the surface shape. That is, when fitting the measurement data to the design value of the surface shape, the positions of the three indices 61 at the time of the measurement are matched with the positions of the indices at the time of the design, so that the degree of freedom of the position and the inclination is set to 0, and the surface shape is measured. Can be performed with high accuracy. 6 and 7 are views as viewed from the direction of the symmetry axis. The positions of the indices are as shown in these figures, and are constituted by depressions on the optical surface.
[0023]
Example 2
The optical system of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configuration parameters are the same as those of the first embodiment.
As shown in FIG. 8, a plate-like index 81 composed of two reference surfaces is provided on the side surface of the non-optical surface of the eyepiece optical system, so that the first surface 3 and the second surface, which are rotationally asymmetric optical surfaces, are provided. The position and inclination of 4 are clarified, and highly accurate measurement of the surface shape is enabled. The shape and position of the index are as shown in FIG.
[0024]
Example 3
The optical system of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configuration parameters are the same as those of the first embodiment.
As shown in FIG. 10, by providing triangular indices 82 including three reference planes on the side surfaces of the non-optical surface of the eyepiece optical system, the positions and inclinations of the respective surfaces are clarified, and the surface shape is highly accurate. Enables measurement. As shown in FIG. 11, the three reference planes are inclined at an angle equal to the eccentricity of each of the planes 3, 4, and 5.
[0025]
Example 4
As shown in FIG. 12, the optical system according to the present embodiment includes a concave mirror 11 serving as a rear mirror and a positive lens 12, and light rays emitted from the image display element 8 are sequentially transmitted to the rear mirror 11 , The reflection surface of the back mirror 11, and the transmission surface of the back mirror 11 again. After passing through the positive lens 12, the light reaches the observer pupil 1.
In this embodiment, the transmission surface and the reflection surface of the concave mirror 11 are rotationally asymmetric optical surfaces, and the same index as in the first embodiment is provided for each.
[0026]
Example 5
As shown in FIG. 13, the optical system of this embodiment includes a first reflecting mirror 9 which is a back mirror and a second reflecting mirror 10 which is also a back mirror. Light rays emitted from the image display element 8 are sequentially transmitted through the transmission surface of the second reflection mirror 10, the reflection surface of the second reflection mirror 10, the transmission surface of the second reflection mirror 10, and the first reflection mirror 9 in that order. After passing through the transmission surface of the first reflection mirror 9 and the transmission surface of the first reflection mirror 9 again, the light reaches the observer pupil 1.
In this embodiment, the transmitting surface and the reflecting surface of the first reflecting mirror 9 are rotationally asymmetric optical surfaces, and the same index as in the first embodiment is provided for each.
[0027]
Example 6
As shown in FIG. 14, the optical system of this embodiment includes a positive lens 12 and a concave mirror 11, which is a rear mirror. Light rays emitted from the image display element 8 sequentially pass through the positive lens 12, pass through the transmitting surface of the concave mirror 11, the reflecting surface of the concave mirror 11, and again the transmitting surface of the concave mirror 11, and then reach the observer pupil 1.
In this embodiment, the transmission surface and the reflection surface of the concave mirror 11 are rotationally asymmetric optical surfaces, and the same index as in the first embodiment is provided for each.
[0028]
Example 7
The optical system of the present embodiment is a prism composed of a first surface 3, a second surface 4, and a third surface 5, as shown in the optical path in FIG. The light enters the prism from the third surface 5, is reflected by the second surface 4, transmits through the first surface 3, and reaches the observer pupil 1.
In this embodiment, the first surface 3, the second surface 4, and the third surface 5 of the optical system are rotationally asymmetric optical surfaces, and the same index as in the first embodiment is provided for each.
[0029]
Example 8
The optical system of the present embodiment is a prism composed of three surfaces, a first surface 3, a second surface 4, and a fourth surface 6, as shown in the optical path in FIG. In turn, the light enters the prism from the second surface 4, is reflected by the fourth surface 6, is reflected by the second surface 4, passes through the first surface 3, and reaches the observer pupil 1.
In this embodiment, the first surface 3 and the fourth surface 6 of the optical system are rotationally asymmetric optical surfaces, and each is provided with the same index as that of the first embodiment.
[0030]
Example 9
The optical system of this embodiment is a prism composed of three surfaces, a first surface 3, a second surface 4, and a fourth surface 6, as shown in the optical path of FIG. In order, the light enters the prism from the second surface 4, is reflected on the fourth surface 6, is reflected on the second surface 4, is reflected on the fourth surface 6 again, is reflected on the second surface 4 again, and The light passes through the surface 3 and reaches the observer pupil 1.
In this embodiment, the second surface 4 and the fourth surface 6 of the optical system are rotationally asymmetric optical surfaces, and the same index as in the first embodiment is provided for each.
[0031]
Example 10
The optical system of this embodiment is a prism composed of three surfaces, a first surface 3, a second surface 4, and a fourth surface 6, as shown in an optical path in FIG. In order, the light enters the prism from the second surface 4, is reflected by the first surface 3, is reflected by the fourth surface 6, is reflected by the second surface 4, is transmitted through the first surface 3, and is transmitted through the first surface 3. Reach
In this embodiment, the first surface 3 and the fourth surface 6 of the optical system are rotationally asymmetric optical surfaces, and each is provided with the same index as that of the first embodiment.
[0032]
Example 11
As shown in FIG. 19, the optical system of this embodiment is a prism composed of four surfaces of a first surface 3, a second surface 4, a third surface 5, and a fourth surface 6. The emitted light rays sequentially enter the prism from the third surface 5, are reflected on the fourth surface 6, are reflected on the second surface 4, pass through the first surface 3, and reach the observer pupil 1.
In this embodiment, the second surface 4 of the optical system is a rotationally asymmetric optical surface, and the same index as in the first embodiment is provided.
[0033]
Example 12
The optical system of the present embodiment is a prism composed of four surfaces of a first surface 3, a second surface 4, a third surface 5, and a fourth surface 6, as shown in the optical path in FIG. The emitted light rays sequentially enter the prism from the third surface 5, are reflected on the second surface 4, are reflected on the fourth surface 6, are again reflected on the second surface 4, and then pass through the first surface 3. And reaches the observer's pupil 1.
In this embodiment, the second surface 4 of the optical system is a rotationally asymmetric optical surface, and the same index as in the first embodiment is provided.
[0034]
Example 13
The optical system of the present embodiment is a prism composed of four surfaces of a first surface 3, a second surface 4, a third surface 5, and a fourth surface 6, as shown in an optical path in FIG. The emitted light rays are sequentially incident on the prism from the third surface 5, reflected on the fourth surface 6, reflected on the third surface 5, reflected on the second surface 4, and then transmitted on the first surface 3. To observer pupil 1.
In this embodiment, the second surface 4 of the optical system is a rotationally asymmetric optical surface, and the same index as in the first embodiment is provided.
[0035]
Example 14
The optical system of the present embodiment is a prism composed of four surfaces of a first surface 3, a second surface 4, a fourth surface 6, and a fifth surface 7, as shown in the optical path in FIG. The emitted light rays sequentially enter the prism from the second surface 4, are reflected on the fifth surface 7, are reflected on the second surface 4, are reflected on the fourth surface 6, and are reflected on the second surface 4 again. Thereafter, the light passes through the first surface 3 and reaches the observer's pupil 1.
In this embodiment, the second surface 4 and the fourth surface 6 of the optical system are rotationally asymmetric optical surfaces, and the same index as in the first embodiment is provided.
[0036]
The configuration parameters of the first embodiment (the same applies to the second and third embodiments) are shown below. In these configuration parameters, as shown in FIG. 5, the pupil position 1 of the observer is set as the origin of the optical system, and the visual axis 2 of the observer is set as the Z axis. Note that the sign of the Z axis is positive in the direction away from the pupil 1. Further, the Y axis is set in the plane of FIG. 5 so that the top of the figure is positive and orthogonal to the Z axis. Further, it is assumed that the X axis is taken so as to be orthogonal to the Y axis and the Z axis, that is, perpendicular to the plane of FIG. The ray tracing is performed by reverse tracing with the observer's eyeball side as the object side and the image display element 8 side as the image plane side.
[0037]
In these constituent parameters, the amounts of eccentricity Y and Z and the amount of inclination θ are the amounts of shift in the Y and Z directions of the top of the surface from the observer pupil 1 which is the origin of the optical system, and the central axis of the surface Represents an inclination angle with respect to the Z axis. The tilt angle is positive in the counterclockwise direction.
[0038]
The shape of the anamorphic surface is defined by the following equation. A straight line passing through the origin of the surface shape and perpendicular to the optical surface is the axis of the anamorphic surface.
Figure 0003594266
Here, Z is the amount of deviation of the surface shape from the tangent plane to the origin, CX is the curvature in the X-axis direction, CY is the curvature in the Y-axis direction, K is x Is the cone coefficient in the X-axis direction, K y Is the Y-axis cone coefficient, R n Is the aspheric term rotationally symmetric component, P n Is an aspherical term rotationally asymmetric component.
For the following configuration parameters,
R x : X-axis direction radius of curvature
R y : Y-axis direction radius of curvature
Is used between the curvatures CX and CY.
R x = 1 / CX, R y = 1 / CY
In a relationship. The term relating to an aspheric surface for which no data is described is zero.
The refractive index for d-line (wavelength 587.56 nm) is shown.
[0039]
In Examples 4 to 14, the configuration parameters are omitted. The positions of the indices are also omitted from the drawing, but since the indices similar to those in the first embodiment are provided, it is clear from FIGS.
[0040]
Note that the configuration parameters are not limited to the following, but have a rotationally asymmetric surface shape, are arranged inclined with respect to the optical axis, and the center of the surface determined by the outer shape and the center of the surface shape are different. The present invention can be implemented as long as the optical system has at least one optical surface that does not match.
[0041]
Figure 0003594266
Figure 0003594266
[0042]
The above optical system of the present invention can be configured, for example, as follows.
[1] An optical system having at least one optical surface that has a rotationally asymmetric surface shape, is arranged to be inclined with respect to the optical axis, and does not coincide with the center of the surface determined by the outer shape and the center of the surface shape,
An optical system, wherein at least one index indicating a reference position of a surface shape is provided on at least one of the rotationally asymmetric optical surfaces.
[0043]
[2] In an optical system having at least one optical surface having a rotationally asymmetric surface shape, arranged to be inclined with respect to the optical axis, and having the center of the surface determined by the outer shape and the center of the surface shape not coincident,
An optical system, wherein at least two indices indicating a reference position of a surface shape are provided on at least one of the rotationally asymmetric optical surfaces.
[0044]
[3] In an optical system having at least one optical surface having a rotationally asymmetric surface shape, arranged to be inclined with respect to the optical axis, and having a center determined by the outer shape and a center of the surface shape not coincident with each other,
An optical system, wherein at least one index indicating a reference position of a surface shape is provided on at least one of the rotationally asymmetric optical surfaces.
[0045]
[4] The optical system according to any one of [1] to [3], wherein the index is provided as a depression or a projection on an optical surface.
[0046]
[5] The optical system according to any one of [1] to [4], wherein the index is provided outside an effective area of the optical surface.
[0047]
[6] In an optical system having at least one optical surface having a rotationally asymmetric surface shape, being inclined with respect to the optical axis, and having a center determined by the outer shape and a center of the surface shape not coincident with each other,
An optical system, wherein at least one index indicating a position or an inclination of the rotationally asymmetric optical surface is provided on a side surface of the optical system that is a non-optical surface.
[0048]
[7] The optical system according to any one of [1] to [6], wherein in the optical system, the optical surface having the rotationally asymmetric shape is a reflection surface.
[0049]
[8] The optical system according to any one of [1] to [7], wherein the optical system is used together with an image display element in a head- or face-mounted image display device.
[0050]
[9] The optical system has at least two surfaces, and includes a first surface forming a transmission surface, and a second surface forming a reflection surface, wherein the at least two surfaces are aligned with a visual axis of an observer. The optical system according to the above [8], wherein the optical system is arranged so as to be inclined with respect to the first surface, and a region between the first surface and the second surface is filled with a medium having a refractive index larger than 1. system.
[0051]
[10] The optical system according to [8], wherein the optical system has at least two reflecting mirrors arranged eccentrically to each other, and at least one of the reflecting mirrors is a concave mirror.
[0052]
[11] The optical system has at least one concave mirror arranged to be inclined with respect to the visual axis of the observer, and has at least one positive refractive power between the concave mirror and the image display element. The optical system according to the above [8], wherein is disposed.
[0053]
[12] The optical system has at least three surfaces, and in the order of passage of light rays emitted from the image display element, at least a third surface forming a transmission surface, a second surface forming a reflection surface, and a transmission surface. The optical system according to the above [8], including a first surface forming a surface.
[0054]
[13] The optical system according to the above [12], wherein the first surface of the optical system forms a reflective surface simultaneously with a transmission surface.
[0055]
[14] The optical system has at least three surfaces, and a second surface forming a reflecting surface at least simultaneously with a transmitting surface and a fourth surface forming a reflecting surface in the order of passage of light rays emitted from the image display element. The optical system according to the above [8], comprising a surface and a first surface forming a transmission surface.
[0056]
[15] The optical system according to [14], wherein the optical system performs one-time transmission and two-time reflection on the second surface, and performs two-time reflection on the fourth surface. system.
[0057]
[16] The optical system has at least three surfaces, a second surface forming a reflecting surface at the same time as the transmitting surface, and a transmitting surface at the same time as the reflecting surface in the order of passage of light rays emitted from the image display element. The optical system according to the above [8], including a first surface to be formed and a fourth surface to form a reflection surface.
[0058]
[17] The optical system has at least four surfaces, and in the order of passage of light rays emitted from the image display element, at least a third surface forming a transmission surface, a fourth surface forming a reflection surface, and a reflection surface. The optical system according to the above [8], including a second surface forming a surface and a first surface forming a transmission surface.
[0059]
[18] The optical system according to the above [17], wherein the optical system reflects light rays twice on the second surface.
[0060]
[19] The optical system according to the above [17], wherein the third surface of the optical system forms a reflection surface simultaneously with a transmission surface.
[0061]
[20] The optical system has at least four surfaces, and forms a second surface that performs at least one transmission and two reflections in the order of passage of light rays emitted from the image display element, and a reflection surface. The optical system according to the above [8], further comprising: a fifth surface that forms a reflective surface, a fourth surface that forms a reflective surface, and a first surface that forms a transmissive surface.
[0062]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the present invention, the reference position of the surface shape is indicated on at least one of the rotationally asymmetric optical surfaces where the outer shape of the optical surface included in the optical system does not coincide with the center of the surface shape. Since one or more indices are provided, the degree of freedom of the position and inclination of the measurement data with respect to the design value when fitting the measurement data to the design value is reduced to less than half, and the deviation and inclination of the DUT are accurately determined. , And accurate surface accuracy measurement becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a first present invention of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a second present invention of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a third invention of the invention.
FIG. 4 is a side view of a head mounted image display device using an optical system according to the present invention.
FIG. 5 is an optical path diagram of the optical system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating positions of indices provided on a first surface according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a position of an index provided on a second surface according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating indices according to the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating shapes and positions of indices according to the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating indices according to a third embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating shapes and positions of indices according to the third embodiment.
FIG. 12 is an optical path diagram of an optical system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an optical path diagram of an optical system according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an optical path diagram of an optical system according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an optical path diagram of an optical system according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an optical path diagram of an optical system according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an optical path diagram of an optical system according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an optical path diagram of an optical system according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is an optical path diagram of an optical system according to Example 11 of the present invention.
FIG. 20 is an optical path diagram of an optical system according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an optical path diagram of an optical system according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is an optical path diagram of an optical system according to Example 14 of the present invention.
FIG. 23 is a diagram illustrating a state in which distortion is generated by a rotationally asymmetric optical surface that is arranged to be inclined with respect to the optical axis.
FIG. 24 is a diagram showing how distortion is corrected by disposing a rotationally asymmetric optical surface inclined with respect to the optical axis to be displaced from the optical axis.
FIG. 25 is a diagram showing a state of measuring a surface shape using a three-dimensional shape measuring instrument.
FIG. 26 is a schematic diagram showing a deviation at the time of fitting between the surface of the design formula and the surface of the measured value.
FIG. 27 is a diagram illustrating six degrees of freedom of an optical surface.
[Explanation of symbols]
1: Observer pupil position
2 ... Visual axis of observer
3. First surface of optical system
4: Second surface of optical system
5: Third surface of optical system
6: fourth surface of the optical system
7: Fifth surface of the optical system
8 Image display element
9: First reflecting mirror
10 second mirror
11 ... back mirror (concave mirror)
12 Positive lens
13 ... Anamorphic surface axis
14: Center of surface shape
21 ... Eyepiece optical system
22 ... Image display element
31 ... rotationally asymmetric optical surface
32: Optical axis of optical system
33: Center of surface shape
61… Index
66… Measuring machine
67 ... Optical surface
68… Probe
71: Design equation
72: Measured value plane
81: Plate-like index
82 ... Triangle index

Claims (17)

回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学反射面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学反射面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも1つの指標が設けられていることを特徴とする光学系。
In an optical system having a rotationally asymmetric surface shape, disposed at an angle to the optical axis, and having at least one optical reflection surface in which the center of the surface determined by the outer shape does not match the center of the surface shape,
An optical system, wherein at least one index indicating a reference position of a surface shape is provided on at least one of the rotationally asymmetric optical reflecting surfaces.
前記指標が光学反射面の窪みあるいは突起として設けられていることを特徴とする請求項1記載の光学系。The optical system according to claim 1, wherein the index is provided as a depression or a projection on an optical reflection surface. 前記指標が光学反射面の有効領域の外側に設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載の光学系。The optical system according to claim 1, wherein the index is provided outside an effective area of the optical reflection surface. 回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置され、かつ、外形で決まる面の中心と面形状の中心とが一致しない光学反射面を少なくとも1面有する反射光学素子を備えた光学系において、
前記反射光学素子の非光学面である側面に、前記回転非対称な光学面の位置又は傾きを示す少なくとも1つの指標を設けたことを特徴とする光学系。
A reflecting optical element having a rotationally asymmetric surface shape, being arranged inclined with respect to the optical axis, and having at least one optical reflecting surface in which the center of the surface determined by the outer shape does not coincide with the center of the surface shape; In the optical system,
Non the optical surface der Ru aspects, the optical system characterized by comprising at least one indicator indicating the position or tilt of the rotationally asymmetric optical surface of the reflective optical element.
前記指標は基準面であることを特徴とする請求項4記載の光学系。The optical system according to claim 4, wherein the index is a reference plane. 前記指標は転写により設けたことを特徴とする請求項1からの何れか1項記載の光学系。The index optical system according to any one of claims 1-5, characterized in that provided by the transfer. 回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置された光学反射面を少なくとも1面有する光学系において、
前記回転非対称な光学反射面の少なくとも1面に、面形状の基準位置を示す少なくとも1つの指標が設けられていることを特徴とする光学系。
In an optical system having a rotationally asymmetric surface shape and having at least one optical reflection surface arranged to be inclined with respect to the optical axis,
An optical system, wherein at least one index indicating a reference position of a surface shape is provided on at least one of the rotationally asymmetric optical reflecting surfaces.
回転非対称な面形状を有し、光軸に対して傾いて配置された光学反射面を少なくとも1面有する反射光学素子を備えた光学系において、
前記反射光学素子の非光学面である側面に、前記回転非対称な光学面の位置又は傾きを示す少なくとも1つの指標を設けたことを特徴とする光学系。
An optical system including a reflection optical element having a rotationally asymmetric surface shape and having at least one optical reflection surface that is arranged to be inclined with respect to the optical axis,
Non the optical surface der Ru aspects, the optical system characterized by comprising at least one indicator indicating the position or tilt of the rotationally asymmetric optical surface of the reflective optical element.
前記回転非対称な光学反射面の少なくとも1面に、少なくとも3つの指標が設けられていることを特徴とする請求項1から3又は7の何れか1項記載の光学系。8. The optical system according to claim 1, wherein at least three indices are provided on at least one of the rotationally asymmetric optical reflecting surfaces. 9. 前記指標が光学反射面の窪みあるいは突起として設けられていることを特徴とする請求項7に記載の光学系。The optical system according to claim 7, wherein the index is provided as a depression or a protrusion on an optical reflection surface. 前記指標が光学面の有効領域の外側に設けられていることを特徴とする請求項7又は10記載の光学系。11. The optical system according to claim 7, wherein the index is provided outside an effective area of the optical surface. 前記光学系が、透過面と、前記光学反射面を含む光学素子を有することを特徴とする請求項1から11の何れか1項記載の光学系。The optical system according to any one of claims 1 to 11, wherein the optical system includes an optical element including a transmission surface and the optical reflection surface. 前記光学系が互いに偏心して配置された少なくとも2つの反射鏡面を有し、その中の少なくとも1つが凹面であることを特徴とする請求項1から11の何れか1項記載の光学系。The optical system according to any one of claims 1 to 11, wherein the optical system has at least two reflecting mirror surfaces decentered from each other, and at least one of the reflecting mirror surfaces is a concave surface. 前記光学系が少なくとも1つの凹面反射鏡面と少なくとも1つの正の屈折力を有する光学素子を有していることを特徴とする請求項1から11の何れか1項記載の光学系。12. The optical system according to claim 1, wherein the optical system has at least one concave reflecting mirror surface and at least one optical element having a positive refractive power. 前記光学系が、光線の通過する順に、少なくとも透過面と、前記光学反射面と、透過面とを含むプリズム光学素子を有することを特徴とする請求項1から11の何れか1項記載の光学系。The optical system according to any one of claims 1 to 11, wherein the optical system includes a prism optical element including at least a transmission surface, the optical reflection surface, and a transmission surface in the order in which light beams pass. system. 前記光学系のプリズム光学素子が前記何れかの透過面と前記光学反射面を一体形成していることを特徴とする請求項15記載の光学系。16. The optical system according to claim 15, wherein the prism optical element of the optical system integrally forms any one of the transmission surface and the optical reflection surface. 前記基準面は、前記回転非対称な光学面と等しい角度で傾いていることを特徴とする請求項5記載の光学系。The optical system according to claim 5, wherein the reference surface is inclined at an angle equal to the rotationally asymmetric optical surface.
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