[发明专利]偏心光学系统、使用偏心光学系统的图像显示装置及摄像装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用旋转非对称面的偏心光学系统、使用该偏心光学系统的图像显示装置以及摄像装置这样的光学装置。

背景技术

以往，公知有将具有多个光学面的棱镜用作观察图像显示元件的光学系统。在这样的棱镜中，从显示元件发出的光入射到棱镜内，在棱镜内部反射后从棱镜射出，到达观察者眼球，由此，就能作为放大后的虚像来观察图像。

作为观察这样的图像的光学系统，在专利文献1中提出有基于经由至少3个反射面形成1次像后投影到眼球的棱镜的光学系统，在专利文献2、3中提出有将全息元件配置于眼镜镜片部的光学系统等。

此外，作为其他图像显示装置的光学系统，在专利文献4中提出了通过导光板和目镜投影到眼球的光学系统，而且，在专利文献5中提出有如下方案，具备用折射率大于1的介质填满被3个面夹着的空间、由至少一个面不具有对称面的曲面构成的偏心光学系统，2个图像显示元件排列在一条直线上进行配置，因此，当为具有两眼视差角(辐辏角)的配置时，即使图像显示元件和偏心光学系统的轴上主光线扭曲配置也能校正像差等。

专利文献1：日本特开2008-76429号公报

专利文献2：日本特开2007-94175号公报

专利文献3：日本特开2004-325985号公报

专利文献4：日本特开2006-3879号公报

专利文献5：日本特许第3924348号公报

在专利文献1中，通过3个反射面的3次反射，在从显示元件11至观察者的瞳孔的光路上3次交叉。为了使这种光路弯折，显示元件侧(图的上部)的元件形状变大。虽然提出有保持于眼镜框等上、配置于镜片的外侧的方案，但是导光通路突出到外部，在外观上不优选。

在专利文献2、3中提出有利用全息元件的方案。由此，就有可能形成利用基于全息元件的衍射使光学系统变薄的布局。但是，在全息元件中还有其他问题。全息元件在制造上非常困难，成本也高。

进而，由于波长选择性高，所以采取使用波长非常窄的激光光线这样的光源或者仅使用LED的一部分波长的方法，激光光源还是3原色的小型化的芯片还处在开发过程中，成本高，耗费电力也高，无法嵌入到眼镜。此外，因为使用了LED光源的装置通过狭窄频带的带通滤波器，因此光的利用效率低。

进而，作为全息元件的课题，无法使用低消耗电力、无需自发光型照明系统、有利于小型化的有机EL面板。有机EL面板的波长带比LED宽，与全息元件的组合效率低，无用光变多，无法确保画质。

在专利文献4中，需要对导光板或棱镜和目镜进行组合，使多个光学元件配置于框体内。因此，由于配置有棒状的光学部件支撑部件，所以有外观上的问题。进而，组装、调整耗费工时，在耐水性等装置的耐性上也有问题。

在专利文献5中，以3面构成偏心光学系统，因此，光学系统成为三角棱镜的截面形状，图像显示元件与观察者眼球配置成相反方向。在该配置中显示元件部配置在观察者的脸部前方，因此，不是眼镜型的图像显示装置。

发明内容

本发明鉴于现有技术的这种状况而完成，其主要目的是提供一种偏心光学系统，其能通过非常小的、轻并且形状自由度高的一个光学元件将图像显示元件的图像作为虚像投影到观察者眼球。

为了解决上述课题，本发明的偏心光学系统是具有至少5个光学面的偏心光学系统，其特征在于，上述光学面在XYZ坐标空间的Y-Z面内相对于轴上主光线偏心，并且至少1个面是在与上述Y-Z面正交的X-Z面内偏心的面，上述多个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，上述至少2个旋转非对称面中的至少1个面是具有X的奇数次数项的旋转非对称面。

进而，其特征在于，当将入射到上述偏心光学系统的轴上主光线和从上述偏心光学系统射出的轴上主光线在X-Z面内的角度设为α时，满足5°≤α≤45°。

进而，在上述偏心光学系统中，由上述至少5个光学面形成的空间由折射率1.3以上的光学介质填满。

进而，上述偏心光学系统具有5个光学面，从显示图像的图像显示面射出的光入射到上述偏心光学系统，之后从上述偏心光学系统射出，形成出瞳而投影到观察者的眼球，并且，沿着从入射到上述偏心光学系统到从上述偏心光学系统射出的光的线路，上述偏心光学系统依次由下述面构成：作为入射面的透射面的第1面、与上述第1面相对的作为内部反射面的第2面、与上述第2面相对的作为内部反射面和透射面的第3面、与上述第3面相对并且与上述第2面相邻的作为内部反射面的第4面、与上述第4面相邻且与上述第3面相对的作为内部反射面的第5面。