专利名称：投影光学系统及使用该投影光学系统的视觉显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影光学系统及使用该投影光学系统的视觉显示装置，涉及能够显示较宽的观察视场角的投影光学系统及使用该投影光学系统的视觉显示装置。
背景技术：
以往，作为使用目镜光学系统和投影光学系统来观察虚像的光学系统，公知有日本特开平6-2294943号公报、日本特开平7-134266号公报、日本特开平6-319092号公报、日本特开2004-98834号公报、日本特开2004-226997号公报或日本特开2009-58754号公报所记载的那样的光学系统。
但是，专利文献1～3所记载的技术为使用两组单眼的光学系统从而用双眼来观察影像的技术。因此，需要保持双眼用的光学系统的机构，存在装置变复杂的问题。
此外，专利文献4～6所记载的技术具有分辨率较低、在投影面上产生失真的情况。
发明内容
本发明鉴于这种状况，提供一种结构简单的小型的投影光学系统及使用该投影光学系统的视觉显示装置，该投影光学系统在圆筒状的投影面上以较少的影像失真将影像显示元件的影像投影成高分辨率影像，以使较宽的观察视场角清晰且能够观察为远方的影像。
鉴于上述课题，投影光学系统对显示在影像显示元件上的影像进行投影，在该投影光学系统中，其特征在于，所述影像显示元件的显示面和所述投影光学系统的投影面在Y-Z截面内偏心，所述投影面由在X-Z截面内在所述投影光学系统侧具有中心线的圆弧状的曲面构成，该投影光学系统具有校正所述投影面上的影像失真的至少一个旋转不对称的校正光学面。
此外，上述投影光学系统的特征在于，所述显示面和所述投影面在Y-Z截面内平行且偏移偏心，所述校正光学面针对在所述Y-Z截面内由于倾斜投影了光束的所述投影面为圆柱状而呈弓形产生的影像失真进行校正。
此外，上述投影光学系统的特征在于，所述校正光学面随着在X轴方向的正方向和负方向上从Y-Z截面远离而使面的角度相对于Y-Z截面对称性变化。
此外，上述投影光学系统的特征在于，所述校正光学面随着在X轴的正方向和负方向上从所述Y-Z截面远离而将光线朝向所述投影光学系统的中心轴的相反侧，针对在所述X-Y截面内以弦朝向所述投影光学系统的中心轴侧且圆弧朝向所述投影光学系统的中心轴的相反侧的弓形产生的影像失真进行校正。
此外，上述投影光学系统的特征在于，所述校正光学面在由以下的式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)， j＝1 其中为R顶点的曲率半径 k圆锥常数(conic constant) 此外，上述投影光学系统的特征在于，所述显示面和所述投影面在Y-Z截面内以形成角度的方式进行倾斜偏心，所述校正光学面具有校正影像失真的至少两个旋转不对称面。
此外，上述投影光学系统的特征在于，在所述至少两个校正光学面中，面的角度随着在X轴方向的正方向和负方向上从Y-Z截面远离而变化，由此同时校正呈弓形产生的影像失真和呈梯形产生的影像失真。
此外，上述投影光学系统的特征在于，所述校正光学面具有从所述Y-Z面随着在X轴的正方向和负方向上从所述Y-Z截面远离而将光线朝向Y轴的正方向和负方向来沿反方向进行校正的至少两个面，同时校正呈弓形产生的影像失真和呈梯形产生的影像失真这两个影像失真。
此外，上述投影光学系统的特征在于，所述至少两个校正光学面在由以下的式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)， j＝1 其中，R为顶点的曲率半径， k为圆锥常数(conic constant)， 此外，视觉显示装置的特征在于，该视觉显示装置具有所述投影光学系统；漫射面，其配置在通过所述投影光学系统所投影的影像的附近；以及目镜光学系统，其具有将通过所述投影光学系统所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，所述目镜光学系统、所述漫射面以及通过所述投影光学系统投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴正交的面内的任意的位置上描绘圆弧。
此外，上述视觉显示装置的特征在于，该视觉显示装置满足以下的条件式(1) 400＜R(1) 其中，R设为在目镜光学系统中由来自投影光学系统的中心主光线照射的部分(视轴附近)的曲率半径。
此外，上述视觉显示装置的特征在于，所述漫射面为复曲面形状。
此外，上述视觉显示装置的特征在于，所述目镜光学系统为球面。
此外，上述视觉显示装置的特征在于，所述目镜光学系统为复曲面。
此外，上述视觉显示装置的特征在于，所述校正光学面由光透射元件构成。
此外，上述视觉显示装置的特征在于，所述光透射元件具有自由曲面。
本发明的其它目的和优点，部分是显而易见的，部分根据说明书是显而易见的。
因此，本发明包含结构特征、元件的组合以及零部件的配置，它们将在以下阐述的结构中被例示，发明的范围将在权利要求书中提出。
图1是本发明的视觉显示装置的剖视图。
图2是图1的俯视图。
图3是将视觉显示装置与座位结合应用时的图。
图4是表示实施方式的视觉显示装置的坐标系的图。
图5是沿本发明实施例1的视觉显示装置的光轴所截取的剖视图。
图6是图5的俯视图。
图7是表示实施例1的影像失真校正元件的自由曲面的形状的图。
图8是沿本发明实施例2的视觉显示装置的光轴所截取的剖视图。
图9是图7的俯视图。
图10是表示实施例2的影像失真校正元件的自由曲面的形状的图。
图11是沿本发明实施例3的视觉显示装置的光轴所截取的剖视图。
图12是图9的俯视图。
图13是表示实施例3的影像失真校正元件的第一面的自由曲面的形状的图。
图14是沿本发明实施例4的视觉显示装置的光轴所截取的剖视图。
图15是图11的俯视图。
图16是表示实施例1的影像失真的图。
图17是表示实施例2的影像失真的图。
图18是表示实施例3的影像失真的图。
图19是表示实施例4的影像失真的图。
图20是表示没有影像失真校正元件时的影像失真的图。
图21是使用了理想透镜以外的投影光学系统的视觉显示装置的剖视图。
图22是图21的俯视图。
图23是沿着投影光学系统4的旋转对称轴42对实施例5的投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6进行截取的剖视图。
图24是图23的俯视图。
图25是表示实施例5的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图。
图26是表示实施例5的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。
图27是实施例5的像差图。
图28是实施例5的像差图。
图29是表示实施例5的影像失真的图。
图30是沿着投影光学系统4的旋转对称轴42对实施例6的投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6进行截取的剖视图。
图31是图30的俯视图。
图32是表示实施例6的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图。
图33是表示实施例6的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。
图34是实施例6的像差图。
图35是实施例6的像差图。
图36是表示实施例6的影像失真的图。
图37是沿着投影光学系统4的旋转对称轴42对实施例7的投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6进行截取的剖视图。
图38是图37的俯视图。
图39是表示实施例7的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图。
图40是表示实施例7的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。
图41是实施例7的像差图。
图42是实施例7的像差图。
图43是表示实施例7的影像失真的图。
图44是沿着投影光学系统4的旋转对称轴42对实施例8的投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6进行截取的剖视图。
图45是图44的俯视图。
图46是表示实施例8的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图。
图47是表示实施例8的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。
图48是实施例8的像差图。
图49是实施例8的像差图。
图50是表示实施例8的影像失真的图。
具体实施例方式 以下，根据实施例对本发明的投影光学系统及使用该投影光学系统的视觉显示装置进行说明。图1是本发明所涉及的视觉显示装置1的概念图，图2是图1的俯视图。
如图1和图2所示，本发明所涉及的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；影像失真校正元件5；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像形成为远方的虚像10的正的反射能力(reflecting power反射屈光本领)，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，作为校正光学面的影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像10的弓形的影像失真进行校正。
以往具有这样的构成，使用转向光学系统将小型的显示元件的影像向目镜光学系统的前侧焦点位置上转向，通过目镜光学系统提供较宽的观察视场角的影像，但是为了得到广视角的观察图像，投影光学系统和目镜光学系统的合成焦距变得非常短，为了在目镜光学系统中得到较宽的出射光瞳，影像显示元件侧的投影光学系统的NA变得非常大，存在投影光学系统变得复杂且大型的问题。
因此，在本发明中，在通过投影光学系统4所投影的影像的附近配置具有漫射性的漫射部件6，由该漫射部件6对所投影的影像进行漫射，能够增大目镜光学系统7的入射光瞳，即使观察者稍微移动，也始终能够观察影像。
更优选的是，在用左右的双眼进行观察的情况下，将漫射部件6设为圆筒状或圆锥状。这是为了恒定保持观察者的双眼的集中的必要条件，这是因为在将漫射部件6设为球状时，到凹面镜的距离由于观察图像的上下方向上的视场角而变化，从而超过能够用双眼融像的范围而成为双像。此外，漫射部件6的漫射面优选为复曲面。
此外，在提供非常宽的观察视场角的目镜光学系统7中会产生较强的像面弯曲。为了校正该像面弯曲，优选目镜光学系统7和漫射部件6相对于相同的轴旋转对称。但是，当利用投影光学系统4从偏心的倾斜位置开始向如本发明那样弯曲的漫射部件6(投影面)上投影影像时，如图20所示，存在产生呈弓形的影像失真和呈梯形的影像失真的问题。在图20中，外侧的大致四边形表示在最大像高的像面上的失真，内侧的大致四边形表示在最大像高×0.7的像面上的失真。一般而言，梯形的影像失真通过影像失真校正电路进行校正，但是在弓形中产生的影像失真一般不进行校正。因此，在本发明中，使用校正在该弓形中产生的影像失真的影像失真校正元件5进行校正。
此外，优选满足以下的条件式(1)。
400＜R(1) 其中，R设为在目镜光学系统中由来自投影光学系统的中心主光线(图3)照射的部分(视轴101附近)的曲率半径。
在用双眼观察由一组目镜光学系统7投影的虚像的光学系统的情况下，反射面7a的大小变小时，由于凹面镜的像差而在左右的观察图像上产生失真。因此，存在这样的问题产生不能在双眼中进行观察图像的融像的视场角。人的眼睛宽度一般为55～65mm，在该范围内能够融像的目镜光学系统7的反射面7a的曲率半径最低为400mm，超过了下限就不能进行融像。
此外，漫射部件6优选在子午截面中为直线形状。
投影到漫射部件6上的投影像被漫射并由目镜光学系统7反射，然后到达观察者的左右眼睛，但是投影到漫射部件6上的投影像的形状在子午截面中弯曲时，入射到观察者双眼的光线的集中角在观察画面的上下方向上不同，不能用双眼进行融像，从而观察为双像。此外更优选的是，在制作上优选将投影面的形状形成为圆筒，将漫射部件6的形状也形成为圆筒。此外，漫射部件6的漫射面优选为复曲面。
此外，目镜光学系统7优选为球面。
通过用球面构成目镜光学系统7，能够使用已有的塑料球，制作性提高并能够廉价制造。此外，凹面镜的反射面可以由塑料球的内表面构成为表面镜，并可以由塑料球的外表面构成为里面镜。
此外，目镜光学系统7更优选为复曲面。
在用复曲面构成目镜光学系统7时，能够消除目镜光学系统7的光瞳像差、尤其是像散，通过降低漫射部件6的漫射特性，能够观察到明亮的观察图像。此外，可以降低影像显示元件3的照明光源的亮度，能够用较少的功率得到明亮的观察图像。
更优选的是，优选将本申请人的日本特开2004-102204号公报中所记载的漫射板使用于漫射部件6。
此外优选的是，配置与左右的眼球(入射光瞳)E对应的两个投影光学系统4，向漫射部件6投影两个投影光学系统4的投影像，同时也能够以不产生两个影像的串扰的方式控制漫射部件6的漫射角来观察立体像。
此外，通过将漫射部件6设为全息(holographic)漫射部件6，能够避免观察到漫射部件6自身的问题。
此外，通过使漫射部件6旋转或振动，能够解决上述问题。此外，目镜光学系统7通过形成为半透半反面，能够构成为对外界的影像和电子影像进行多层显示的所谓的合成仪。此时，期望设为在圆环状的底座上贴附了全息元件、具有凹面镜的作用的合成仪。
图3是将视觉显示装置1与座位S结合应用时的图。座位S是沙发或交通工具等的座位S。视觉显示装置1与该座位S一体连接。由此，在座位S具有自动调节机构的情况下，视觉显示装置1也根据倾斜的背面部S1的角度来改变其角度。
以下对本发明的视觉显示装置1的光学系统的实施例进行说明。这些光学系统的结构参数将后述。如图4所示，这些实施例等的结构参数是基于从漫射部件6朝向影像显示元件3的光线经过影像失真校正元件5而到达影像显示元件3的逆光线追踪的结果的参数。
如图4所示，坐标系将漫射部件6的第一面6a和中心主光线102的交点O作为偏心光学系统的偏心光学面的原点O，将从原点O朝向纸面上方的方向作为Y轴正方向，从图4的原点O开始将纸面右方向设为Z轴正方向，将图4的纸面作为Y-Z平面。并且，将与Y轴、Z轴一起构成右手正交坐标系的轴作为X轴正方向。
针对偏心面，赋予了被定义该面的坐标系从上述光学系统的原点中心开始的偏心量(在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上分别设为X、Y和Z)，以及定义各面的坐标系的倾角(分别为α、β、γ(°))，上述各面分别以定义在该坐标系的原点上的坐标系的X轴、Y轴和Z轴作为中心。在此情况下，α和β为正表示相对于各个轴的正方向逆时针旋转，γ为正表示相对于Z轴的正方向顺时针旋转。并且，面的中心轴旋转α、β、γ的方法如下首先使定义各面的坐标系绕定义在光学系统的原点上的坐标系的X轴逆时针旋转α，接着，绕该旋转后的新的坐标系的Y轴逆时针旋转β，然后，绕该旋转后的另一新的坐标系的Z轴顺时针旋转γ。
此外，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中，在由特定的面以及与其连续的面构成共轴光学系统的情况下，被赋予了面间隔，此外，面的曲率半径、介质的折射率和阿贝数按照惯用的方法来赋予。
并且，在本发明中使用的自由曲面的面的形状由以下的式(a)定义。此外，该定义式的Z轴成为自由曲面的轴。
j＝1 此处，(a)式的第一项为球面项，第二项为自由曲面项。
在球面项中， R顶点的曲率半径 k圆锥常数(conic constant) 自由曲面项为 66 ∑CjXmYn j＝1 ＝C1 +C2X+C3Y +C4X2+C5XY+C6Y2 +C7X3+C8X2Y+C9XY2+C10Y3 +C11X4+C12X3Y+C13X2Y2+C14XY3+C15Y4 +C16X5+C17X4Y+C18X3Y2+C19X2Y3+C20XY4 +C21Y5 +C22X6+C23X5Y+C24X4Y2+C25X3Y3+C26X2Y4 +C27XY5+C28Y6 +C29X7+C30X6Y+C31X5Y2+C32X4Y3+C33X3Y4 +C34X2Y5+C35XY6+C36Y7 …… 其中，Cj为(j为1以上的系数)系数。
上述自由曲面一般而言，X-Z面和Y-Z面不会一起具有对称面，但是在本发明中，通过将X的奇数次项全部设为0，则上述自由曲面成为仅存在一个与Y-Z面平行的对称面的自由曲面。例如，在上述定义式(a)中，通过将C2、C5、C7、C9、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35等各项的系数设为0而能够实现。
此外，通过将Y的奇数次项全部设为0，则自由曲面成为仅存在一个与X-Z面平行的对称面的自由曲面。例如，在上述定义式中，通过将C3、C5、C8、C10、C12、C14、C17、C19、C21、C23、C25、C27、C30、C32、C34、C36等各项的系数设为0而能够实现。
此外，将上述对称面的方向的任意一个设为对称面，将与对应的方向的偏心，例如针对与Y-Z面平行的对称面将光学系统的偏心方向设为Y轴方向，针对与X-Z平行的对称面将光学系统的偏心方向设为X轴方向，由此能够有效地校正由于偏心产生的旋转不对称的像差，同时能提高制作性。
此外，如前所述对上述定义式(a)示出了一个例子，本发明具有如下的特征通过使用仅具有一面对称面的旋转不对称面，校正由于偏心产生的旋转不对称的像差，同时能提高制作性，针对其他任何定义式当然也能够得到相同的效果。
此外，在后述的结构参数中，与没有记载数据的非球面相关的项为0。表记了相对于d线(波长587.56nm)的折射率和阿贝数。长度的单位为mm。如上所述，各面的偏心到离基准面的偏心量表示。
图5表示沿实施例1的视觉显示装置1的旋转对称轴2所截取的剖视图，图6表示俯视图。此外，在图5和图6中，省略目镜光学系统7，未进行图示。
本实施例1下部件构成的视觉显示装置1影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形影像失真进行校正。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61和由圆筒形面构成的第二面62。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有由图7所示的自由曲面构成的第一面51和由平面构成的第二面52。
投影光学系统4具有理想透镜L和影像显示元件3。
在投影光学系统4和影像失真校正元件5之间具有光圈S。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6的第一面61开始穿过第二面62，从而从漫射部件6射出。从漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。从影像失真校正元件5的第一面51入射并从第二面52射出的光束经由光圈S，入射到投影光学系统4。入射到投影光学系统4的光束通过了理想透镜L，成像在影像显示元件3上。
该实施例1的规格为 视场角上下30° 左右60°。
图8表示沿实施例2的视觉显示装置1的旋转对称轴2所截取的剖视图，图9表示俯视图。此外，在图8和图9中，省略目镜光学系统7，未进行图示。
本实施例2的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形影像失真进行校正。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61和由圆筒形面构成的第二面62。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有由图10所示的自由曲面构成的第一面51和由自由曲面构成的第二面52。此外，在本实施例中，在设计上将第二面的自由曲面设成了平面。
投影光学系统4具有理想透镜L和影像显示元件3。
在投影光学系统4和影像失真校正元件5之间具有光圈S。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6的第一面61开始通过了第二面62，从而从漫射部件6射出。从漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。从影像失真校正元件5的第一面51入射并从第二面52射出的光束经由光圈S，入射到投影光学系统4。入射到投影光学系统4的光束通过了理想透镜L，成像在影像显示元件3上。
该实施例2的规格为 视场角上下30° 左右60°。
图11表示沿实施例3的视觉显示装置1的旋转对称轴2所截取的剖视图，图12表示俯视图。此外，在图11和图12中，省略目镜光学系统7，未进行图示。
本实施例3的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形影像失真进行校正。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61和由圆筒形面构成的第二面62。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有第一影像失真校正元件5a和第二影像失真校正元件5b。第一影像失真校正元件5a具有图13所示的自由曲面构成的第一面51和平面构成的第二面52。第二影像失真校正元件5b具有未图示的自由曲面构成的第三面53和平面构成的第四面54。此外，在本实施例中，在设计上将第二面52和第四面54的自由曲面设为了平面。
投影光学系统4具有理想透镜L和影像显示元件3。
在投影光学系统4和影像失真校正元件5之间具有光圈S。
此外，在漫射部件6的第二面62上具有虚拟面，构成为坐标上的偏心位置。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6的第一面61开始通过了第二面62，从而从漫射部件6射出。从漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。从影像失真校正元件5的第一影像失真校正元件5a的第一面51入射，从第二面52射出，再从第二影像失真校正元件5b的第三面53入射，从第四面54射出。从影像失真校正元件5射出的光束经由光圈S，入射到投影光学系统4。入射到投影光学系统4的光束通过了理想透镜L，成像在影像显示元件3上。
该实施例3的规格为 视场角上下30° 左右60°。
图14表示沿实施例4的视觉显示装置1的旋转对称轴2所截取的剖视图，图15表示俯视图。此外，在图14和图15中，省略目镜光学系统7，未进行图示。
本实施例4的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形影像失真进行校正。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61和由圆筒形面构成的第二面62。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有第一影像失真校正元件5a、第二影像失真校正元件5b和第三影像失真校正元件5c。第一影像失真校正元件5a具自由曲面构成的第一面51和自由曲面构成的第二面52。第二影像失真校正元件5b具有自由曲面构成的第三面53和自由曲面构成的第四面54。第三影像失真校正元件5c具有自由曲面构成的第五面55和自由曲面构成的第六面56。
投影光学系统4具有理想透镜L和影像显示元件3。
在投影光学系统4和影像失真校正元件5之间具有光圈S。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6的第一面61开始通过了第二面62，从而从漫射部件6射出。从漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。从影像失真校正元件5的第一影像失真校正元件5a的第一面51入射，从第二面52射出，从第二影像失真校正元件5b的第三面53入射，从第四面54射出，再从第三影像失真校正元件5c的第五面55入射，从第六面56射出。从影像失真校正元件5射出的光束经由光圈S，入射到投影光学系统4。入射到投影光学系统4的光束通过了理想透镜L，成像在影像显示元件3上。
该实施例4的规格为 视场角上下30° 左右90°。
以下，表示上述实施例1～4的结构参数。并且，以下的表中的“FFS”表示自由曲面。此外，省略与目镜光学系统7相关的数据。
实施例1 面编号曲率半径 面间隔偏心折射率阿贝数 物体 面圆筒形面[1] 4.001.516364.1 1 圆筒形面[2] 100.00 2 FFS[1] 4.00偏心(1) 1.516364.1 3 ∞57.00偏心(1) 4 ∞(光圈) 11.00偏心(2) 5 理想透镜 11.02 像面 ∞ 偏心(3) 圆筒形面[1] X方向曲率半径 165.00 Y方向曲率半径∞ 圆筒形面[2] X方向曲率半径161.00Y方向曲率半径∞ FFS[1] C8 1.3501E-004 偏心[1] X0.00 Y59.49 Z 0.00 α 0.00 β 0.00γ 0.00 偏心[2] X0.00 Y94.00 Z 0.00 α 0.00 β 0.00γ 0.00 偏心[3] X0.00 Y99.90 Z 0.00 α 0.00 β 0.00γ 0.00 实施例2 面编号曲率半径 面间隔偏心折射率阿贝数 物体面圆筒形面[1] 4.001.516364.1 1 圆筒形面[2] 261.00 2 FFS[1] 4.00偏心(1) 1.516364.1 3 ∞ 57.00偏心(1) 4 ∞(光圈) 11.00偏心(2) 5 理想透镜 10.35 像面 ∞ 0.00偏心(3) 圆筒形面[1] X方向曲率半径165.00Y方向曲率半径∞ 圆筒形面[2] X方向曲率半径161.00Y方向曲率半径∞ FFS[1] C81.7396E-004 偏心[1] X 0.00 Y 76.67 Z 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心[2] X 0.00 Y 94.00 Z 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心[3] X 0.00 Y 96.91 Z 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 实施例3 面编号曲率半径 面间隔偏心折射率阿贝数 物体面圆筒形面[1]4.001.516364.1 1 圆筒形面[2]0.00 2 ∞(虚拟面) 100.00偏心(1) 3 FFS[1]10.001.516364.1 4 ∞21.00 5 FFS[2] 5.001.516364.1 6 ∞25.00 7 ∞(光圈) 11.00 8 理想透镜 10.70 像面 ∞ 0.00 圆筒形面[1] X方向曲率半径165.00Y方向曲率半径∞ 圆筒形面[2] X方向曲率半径 161.00Y方向曲率半径∞ FFS[1] C8 2.8126E-004 C10 -1.2005E-004 FFS[2] C8 -1.7836E-004 C10 1.8721E-004 偏心[1] X0.00Y0.00Z0.00 α 34.20 β 0.00γ 0.00 实施例4 面编号 曲率半径 面间隔 偏心折射率阿贝数 物体面 圆筒形面[1] 4.001.516364.1 1 圆筒形面[2]116.00 2 FFS[1] 5.00偏心(1) 1.487570.4 3 FFS[2] 15.62偏心(1) 4 FFS[3] 3.00偏心(2) 1.588362.1 5 FFS[4] 10.29偏心(2) 6 FFS[5] 5.00偏心(3) 1.752627.7 7 FFS[6] 7.00偏心(3) 8 ∞(光圈)11.00偏心(4) 9 理想透镜10.82 像面 ∞ 0.00偏心(5) 圆筒形面[1] X方向曲率半径165.00Y方向曲率半径∞ 圆筒形面[2] X方向曲率半径 161.00Y方向曲率半径∞ FFS[1] C42.0282E-002 C6 -2.5421E-002 C8 6.1191E-004 C102.8544E-006 FFS[2] C41.6310E-002 C6 -8.3290E-003 C8 1.9491E-004 C104.2973E-006 FFS[3] C4-1.8690E-002 C6 -3.1837E-004 C8 9.2985E-006 C101.5233E-006 FFS[4] C41.6063E-002 C6 -1.5116E-002 C8 9.0846E-004 C10 -1.8434E-004 FFS[5] C4 -2.9734E-002 C6 7.0777E-004 C8 1.9141E-003 C10 -5.9706E-006 FFS[6] C4 -3.6449E-002 C6 6.1773E-003 C8 1.2721E-003 C10 -3.8750E-005偏心[1] X0.00 Y71.06 Z 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00偏心[2] X0.00 Y81.94 Z 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00偏心[3] X0.00Y 88.59Z 0.00 α 0.00β0.00 γ0.00 偏心[4] X0.00Y 94.00Z 0.00 α 0.00β0.00 γ0.00 偏心[5] X0.00Y 99.78Z 0.00 α 0.00β0.00 γ0.00 图16～19是表示实施例1～4的影像失真的图。外侧的大致四边形表示最大像高的像面上的失真，内侧的大致四边形表示最大像高×0.7的像面上的失真。与图20的影像失真比较可知，大致四边形的上边和下边接近水平，校正了呈弓形的影像失真。
此外，校正光学元件5在实施例1～3中，主要校正呈弓形的影像失真，在实施例4中，尤其在横向上扩大视场角，校正了呈弓形的影像失真和呈梯形的影像失真两者。此外，将投影光学系统4设计为理想透镜L。
此外，在光线追踪上省略了漫射部件6上的漫射。
关于观察者双眼的眼睛宽度，虽然省略了数据，但是在水平界面的光路图中追踪为50mm。
此外，光线追踪采用从观察者的眼球朝向投影光学系统的射出光瞳的逆光线追踪进行追踪。
接着，对实际使用透镜的投影光学系统4的实施方式进行说明。
图21是使用了实际透镜的投影光学系统4的视觉显示装置1的剖视图，图22是图21的俯视图。
本实施方式的投影光学系统4投影被显示在影像显示元件3上的影像，在投影光学系统4中，影像显示元件3的显示面和投影光学系统的投影面在Y-Z截面内偏心，投影面由在X-Z截面内将弦朝向投影光学系统4侧的圆弧状曲面构成，具有影像失真校正元件5，其用作校正投影面上的影像失真的至少一个旋转不对称的校正光学面。
本实施方式的视觉显示装置1通过漫射部件6来扩大光束直径，能够减小投影光学系统4的F数。此外，目镜光学系统7的特征在于在相对于旋转对称轴旋转对称的反射面和漫射面以及漫射面附近形成投影像，因此在投影光学系统4中制作旋转对称的投影面变得重要。
在本实施方式中构成为从偏心的倾斜位置向弯曲的漫射部件6(投影面)投射投影像，所以存在产生呈弓形的影像失真的问题。至少使用一个用于校正该影像失真的校正面是非常重要的。
此外，显示面和投影面在Y-Z截面内平行且偏移偏心，影像失真校正元件5对由于在Y-Z截面内倾斜投影了光束的投影面是圆柱状而产生的弓形影像失真进行校正。
在物体面和像面平行且没有投影光学系统4的影像失真的情况下，当进行互相平行移动物体面和像面的偏移偏心时，原理上不产生影像失真。因此，在本实施方式中，只要对由于投影面为圆筒面而产生的弓形影像失真进行校正即可，需要至少一个校正面。此外，为了校正这种弓形影像失真，需要用旋转不对称的例如自由曲面进行校正。
影像失真校正元件5具有的校正光学面随着在X轴方向的正方向和负方向上从Y-Z截面远离，面的角度相对于所述Y-Z截面对称性地变化。
为了校正呈弓形产生的影像失真，需要是随着在X轴方向(左右方向)的正方向和负方向上远离中心主光线而使面的倾角发生变化的面形状。此外，该变化方式与X轴的振幅无关地在相同的方向上变化是非常重要的。
影像失真校正元件5具有的校正光学面随着在X轴的正方向和负方向上远离Y-Z截面而将光线朝向投影光学系统4的中心轴20的相反侧，对在X-Y截面内将弦朝向投影光学系统4的中心轴20侧并将圆弧朝向投影光学系统4的中心轴20的相反侧的弓形中产生的像差进行校正。
能够通过设为具有以下作用的面形状来校正该弓形的影像失真以Y-Z截面作为基准，按照X轴的正方向和负方向而将光线朝向投影光学系统4的中心轴20的相反侧(下侧)。例如，在Y-Z截面中成为平行平面，但是随着向X轴的正方向和负方向远离，而形成为长边朝下的梯形形状的楔型，由此能够进行影像失真的校正。
影像失真校正元件5具有的校正光学面在由以下的式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)。
j＝1 其中，R是顶点的曲率半径， k是圆锥常数(conic constant)， 在自由曲面中，通过适当赋予C8项，能够进行影像失真的校正。
显示面和投影面在Y-Z截面内以形成角度的方式进行倾斜偏心，影像失真校正元件5具有的校正光学面具有用于校正影像失真的至少两个旋转不对称面。
在物体面和像面构成角度的偏心(倾斜偏心)的情况下，不需要取较宽的投影光学系统4的图像场，但是产生梯形影像失真。该梯形影像失真和投影像面为圆柱状，为了同时校正由于倾斜投影而产生的两个弓形影像失真，影像失真校正元件5至少需要两个旋转不对称的校正面。
在至少两个校正光学面中，随着在X轴方向的正方向和负方向上远离Y-Z截面而使面的角度变化，由此同时校呈弓形产生的影像失真和呈梯形产生的影像失真。
弓形的影像失真是Y坐标的像位置在X轴方向的正、负方向上都变化的影像失真，为了校正该影像失真，面的倾角(角度)变化非常重要。此外，梯形的影像失真是通过X轴方向的像的大小在Y轴正方向上变小，X轴方向的像的大小在Y轴负方向上变大而产生的。为了校正该影像失真，优选方式为在Y轴正方向上，沿X轴方向赋予负屈光力而拓宽X轴方向的光线；在Y轴负方向上，沿X轴方向赋予正屈光力。但是，该影像失真是能够通过与之前的弓形中产生的影像失真相同的面形状来进行校正的影像失真，难以在单一的面中同时校正两个影像失真。因此本实施方式在不同的位置上使用两个面，从而成功消除了影像失真。
此外，校正光学面具有从Y-Z面开始随着在X轴的正方向和负方向上远离Y-Z截面而将光线朝向Y轴的正方向和负方向沿反方向进行校正的至少两个面，同时校正在弓形中产生的影像失真和在梯形中产生的影像失真这两个影像失真。
随着在X轴的正方向和负方向上一起远离原点而改变面的Y-Z截面上的倾角，使光线沿上下变化，从而校正呈弓形的影像失真和呈梯形的影像失真。为了在两个影像失真中同时对其进行校正，需要隔开两个校正面的距离而在反方向上互相产生消除。
此外，至少两个校正光学面在由以下的式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)。
j＝1 其中， R是顶点的曲率半径， k是圆锥常数(conic constant)， C8项为z＝x2y的项，通过适当赋予该值，能够校正影像失真。更优选的是，赋予x4y、x2y3等项。
更优选的是，在从投影面逆追踪时，在具有两个以上校正光学面的情况下，在Y-Z截面内优选所述校正面的屈光力为负-正的位置。根据这种结构，影像失真的产生变少，因此能够将光学系统设为小型。
更优选的是，在X-Y截面内投影面呈圆环状，梯形失真较大，因此为了稍微减小该梯形失真，优选从投影面侧开始具有正-负的屈光力来接近远心配置，从而减少梯形失真的产生。
以下对本发明所涉及的视觉显示装置1的投影光学系统4的实施例进行说明。这些投影光学系统4的结构参数将后述。如图21所示，这些实施例等的结构参数是基于从漫射部件6朝向影像显示元件3的光线经过影像失真校正元件5而到达影像显示元件3的逆光线追踪的结果的参数。
如图21所示，坐标系将漫射部件6的第一面6a和中心主光线102的交点O作为偏心光学系统的偏心光学面的原点O，将从原点O朝向纸面上方的方向作为Y轴正方向，从图21的原点O开始将纸面右向作为Z轴正方向，将图21的纸面设为Y-Z平面。此外，将与Y轴、Z轴一起构成右手正交坐标系的轴作为X轴正方向。
此外，对于偏心面，与实施例1～4相同。此外，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中，在由特定的面以及与其连续的面构成共轴光学系统的情况下，被赋予面间隔，此外，面的曲率半径、介质的折射率和阿贝数按照惯用的方法来赋予。
并且，在本发明中使用的自由曲面的面的形状与实施例1～4同样地，由式(a)定义。此外，该定义式的Z轴成为自由曲面的轴。
此外，在后述的结构参数中与没有记载数据的非球面相关的项为0。表记了相对于d线(波长587.56nm)的折射率和阿贝数。长度的单位为mm。如上所述，各面的偏心用离基准面的偏心量表示。
图23表示沿着投影光学系统4的中心轴20剖切了实施例5的视觉显示装置1的影像显示元件3、投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6的剖视图，图24表示俯视图。此外，在图23和图24中，省略了目镜光学系统7，未进行图示。此外，图25是表示实施例5的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图，图26是表示实施例5的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。此外，图27和图28是实施例5的像差图，图29是表示实施例5的影像失真的图。
本实施例5的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形的影像失真进行校正。
此外，以显示面和投影面在Y-Z截面内形成角度的方式进行倾斜偏心，校正光学面具有对投影面上的影像的失真进行校正的至少两个旋转不对称面。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有第一影像失真校正元件5a和第二影像失真校正元件5b。第一影像失真校正元件5a具有由图25所示的自由曲面构成的第一面51和由平面构成的第二面52。此外，第二影像失真校正元件5b具有由图26所示的自由曲面构成的第一面53和由平面构成的第二面54。
此外，对于影像失真校正元件5具有的至少两个校正光学面即自由曲面，随着在X轴方向的正方向和负方向上远离Y-Z截面而改变面的角度，由此同时校正在弓形中产生的影像失真和在梯形中产生的影像失真。
此外，校正光学面具有从Y-Z面开始随着在X轴的正方向和负方向上远离截面Y-Z而将光线朝向Y轴的正方向和负方向来沿反方向进行校正的至少两个面，同时校正在弓形中产生的影像失真和在梯形中产生的影像失真这两个影像失真。
此外，至少两个校正光学面在由式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)。
投影光学系统4具有由双凸透镜构成的前组第一透镜4f1；由凹面朝向漫射部件6侧的平凹透镜和凸面朝向影像显示元件3侧的平凸透镜的接合透镜构成的前组第二透镜4f2；由凸面朝向漫射部件6侧的平凸透镜和凹面朝向影像显示元件3侧的平凹透镜的接合透镜构成的前组第三透镜4f3；光圈S；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的后组第一透镜4b1；由凸面朝向影像显示元件3侧的平凸透镜构成的后组第二透镜4b2；由双凸透镜构成的后组第三透镜4b3；由凸面朝向漫射部件6侧的正凹凸透镜构成的后组第四透镜4b4；以及滤光器F。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。影像失真校正元件5中的光束从第一影像失真校正元件5a的第一面51入射，从第二面52射出，再从第二影像失真校正元件5b的第一面53入射，从第二面54射出。此后，光束入射到投影光学系统4中。入射到投影光学系统4的光束在前组第一透镜4f1的第一面41f和第二面42f，前组第二透镜4f2的第一面43f、第二面44f和第三面45f，以及前组第三透镜4f3的第一面46f、第二面47f和第三面48f通过，并通过光圈S。此后，在后组第一透镜4b1的第一面41b、第二面42b和第三面43b，后组第二透镜4b2的第一面44b和第二面45b，后组第三透镜4b3的第一面46b和第二面47b，后组第四透镜4b4的第一面48b和第二面49b，以及滤光器F的第一面f1和第二面f2通过，从而成像在影像显示元件3上。
该实施例5的规格为 视场角上下20° 左右35°。
图30表示沿着投影光学系统4的旋转对称轴42剖切了实施例6的视觉显示装置1的影像显示元件3、投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6的剖视图，图31表示俯视图。此外，在图30和图31中，省略了目镜光学系统7，未进行图示。此外，图32是表示实施例6的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图，图33是表示实施例6的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。此外，图34和图35是实施例6的像差图，图36是表示实施例6的影像失真的图。
本实施例6的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形的影像失真进行校正。
此外，显示面和投影面以在Y-Z截面内形成角度的方式进行倾斜偏心，校正光学面具有校正投影面上的影像的失真的至少两个旋转不对称面。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有第一影像失真校正元件5a和第二影像失真校正元件5b。第一影像失真校正元件5a具有图32所示的自由曲面构成的第一面51和平面构成的第二面52。此外，第二影像失真校正元件5b具有图33所示的自由曲面构成的第一面53和平面构成的第二面54。
此外，对于影像失真校正元件5具有的至少两个校正光学面即自由曲面，随着在X轴方向的正方向和负方向上远离Y-Z截面而改变面的角度，由此同时校正在弓形中产生的影像失真和在梯形中产生的影像失真。
此外，校正光学面具有从Y-Z面随着在X轴的正方向和负方向上远离Y-Z截面而将光线朝向Y轴的正方向和负方向来沿反方向进行校正的至少两个面，同时校正在弓形中产生的影像失真和在梯形中产生的影像失真这两个影像失真。
此外，至少两个校正光学面在由式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)。
投影光学系统4具有由凸面朝向漫射部件6侧的平凸透镜构成的前组第一透镜4f1；由双凸透镜和双凹透镜的接合透镜构成的前组第二透镜4f2；光圈S；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的后组第一透镜4b1；由凸面朝向影像显示元件3侧的平凸透镜构成的后组第二透镜4b2；由双凸透镜构成的后组第三透镜4b3；由凸面朝向漫射部件6侧的正凹凸透镜构成的后组第四透镜4b4；以及滤光器F。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。影像失真校正元件5中的光束从第一影像失真校正元件5a的第一面51入射，从第二面52射出，再从第二影像失真校正元件5b的第一面53入射，从第二面54射出。此后，光束入射到投影光学系统4中。入射到投影光学系统4的光束在前组第一透镜4f1的第一面41f和第二面42f，以及前组第二透镜4f2的第一面43f、第二面44f和第三面45f通过，并通过光圈S。此后，在后组第一透镜4b1的第一面41b、第二面42b和第三面43b，后组第二透镜4b2的第一面44b和第二面45b，后组第三透镜4b3的第一面46b和第二面47b，后组第四透镜4b4的第一面48b和第二面49b，以及滤光器F的第一面f1和第二面f2通过，从而成像在影像显示元件3上。
该实施例6的规格为 视场角上下20° 左右35°。
图37表示沿着投影光学系统4的旋转对称轴42剖切了实施例7的视觉显示装置1的影像显示元件3、投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6的剖视图，图38表示俯视图。此外，在图37和图38中，省略了目镜光学系统7，未进行图示。此外，图39是表示实施例7的第一影像失真校正元件5a的第一面51的自由曲面的图，图40是表示实施例7的第二影像失真校正元件5b的第一面53的自由曲面的图。此外，图41和图42是实施例7的像差图，图43是表示实施例7的影像失真的图。
本实施例7的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形的影像失真进行校正。
此外，显示面和投影面在Y-Z截面内平行且偏移偏心，校正光学元件5的校正光学面在Y-Z截面内对因为倾斜投影了光束的投影面为圆柱状而呈弓形产生的影像失真进行校正。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有第一影像失真校正元件5a和第二影像失真校正元件5b。第一影像失真校正元件5a具有图39所示的自由曲面构成的第一面51和平面构成的第二面52。此外，第二影像失真校正元件5b具有图40所示的自由曲面构成的第一面53和平面构成的第二面54。
此外，对于影像失真校正元件5的校正光学面即自由曲面，随着在X轴方向的正方向和负方向上从Y-Z截面远离，面的角度对称性变化。
此外，影像失真校正元件5的校正光学面即自由曲面，随着在X轴的正方向和负方向上从Y-Z截面远离而将光线朝向投影光学系统4的中心轴的相反侧，对在X-Y截面内弦朝向投影光学系统4的中心轴20侧且圆弧朝向投影光学系统4的中心轴的相反侧的弓形中产生的影像失真进行校正。
此外，影像失真校正元件5的校正光学面即自由曲面在由式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)。
投影光学系统4具有由凸面朝向漫射部件6侧的平凸透镜和凹面朝向影像显示元件3侧的平凹透镜的接合透镜构成的前组第一透镜4f1；由双凹透镜构成的前组第二透镜4f2；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的前组第三透镜4f3；由双凸透镜和凸面朝向影像显示元件3侧的负凹凸透镜的接合透镜构成的前组第四透镜4f4；光圈S；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的后组第一透镜4b1；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的后组第二透镜4b2；由双凸透镜构成的后组第三透镜4b3；以及滤光器F。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。影像失真校正元件5中的光束从第一影像失真校正元件5a的第一面51入射，从第二面52射出，再从第二影像失真校正元件5b的第一面53入射，从第二面54射出。此后，光束入射到投影光学系统4中。入射到投影光学系统4的光束在前组第一透镜4f1的第一面41f、第二面42f和第三面43f，前组第二透镜4f2的第一面44f和第二面45f，前组第三透镜4f3的第一面46f、第二面47f和第三面48f，以及前组第四透镜4f4的第一面49f、第二面50f和第三面51f通过，并通过光圈S。此后，在后组第一透镜4b1的第一面41b、第二面42b和第三面43b，后组第二透镜4b2的第一面44b、第二面45b和第三面46b，后组第三透镜4b3的第一面47b和第二面48b以及滤光器F的第一面f1和第二面f2通过，从而成像在影像显示元件3上。
该实施例7的规格为 视场角上下20° 左右35°。
图44表示沿着投影光学系统4的旋转对称轴42对实施例8的视觉显示装置1的影像显示元件3、投影光学系统4、影像失真校正元件5以及漫射部件6进行截取的剖视图，图45表示俯视图。此外，在图44和图45中，省略了目镜光学系统7，未进行图示。此外，图46是表示实施例8的影像失真校正元件5的第一面51的自由曲面的图，图47是表示实施例8的影像失真校正元件5的第二面52的自由曲面的图。此外，图48和图49是实施例8的像差图，图50是表示实施例8的影像失真的图。
本实施例8的视觉显示装置1包括影像显示元件3；投影光学系统4，其对显示在影像显示元件3上的影像进行投影；漫射部件6，其配置在通过投影光学系统4所投影的影像的附近；以及未图示的目镜光学系统7，其具有将通过投影光学系统4所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，在该视觉显示装置1中，目镜光学系统7、漫射部件6以及通过投影光学系统4所投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴2正交的面内的任意的位置上描绘圆弧，影像失真校正元件5对通过目镜光学系统7观察的虚像的弓形的影像失真进行校正。
此外，显示面和投影面在Y-Z截面内平行且偏移偏心，校正光学元件5的校正光学面在Y-Z截面内对因为倾斜投影了光束的投影面为圆柱状而呈弓形产生的影像失真进行校正。
漫射部件6具有由圆筒形面构成的第一面61。通过投影光学系统4所投影的影像在漫射部件6的附近投影成圆筒状或圆锥状。
影像失真校正元件5具有由图46所示的自由曲面构成的第一面51、和由图47所示的自由曲面构成的第二面52。
此外，对于影像失真校正元件5的校正光学面即自由曲面，随着在X轴方向的正方向和负方向上从Y-Z截面远离，面的角度对称性变化。
此外，影像失真校正元件5的校正光学面即自由曲面，随着在X轴的正方向和负方向上从Y-Z截面远离而将光线朝向投影光学系统4的中心轴的相反侧，对在X-Y截面内将弦朝向投影光学系统4的中心轴20侧并将圆弧朝向与投影光学系统4的中心轴的相反侧的弓形中产生的像像失真进行校正。
此外，影像失真校正元件5的校正光学面即自由曲面在由式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)。
投影光学系统4具有由凸面朝向漫射部件6侧的负凹凸透镜和凸面朝向漫射部件6侧的正凹凸透镜的接合透镜构成的前组第一透镜4f1；由双凹透镜构成的前组第二透镜4f2；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的前组第三透镜4f3；由双凸透镜和凹面朝向漫射部件6侧的平凹透镜的接合透镜构成的前组第四透镜4f4；光圈S；由双凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的后组第一透镜4b1；由凹面朝向影像显示元件3的平凹透镜和双凸透镜的接合透镜构成的后组第二透镜4b2；由双凸透镜构成的后组第三透镜4b3；以及滤光器F。
光束在逆光线追踪中，从中间成像的漫射部件6射出的光束进入到影像失真校正元件5。影像失真校正元件5中的光束从第一面51入射，从第二面52射出。此后，光束入射到投影光学系统4中。入射到投影光学系统4的光束穿过前组第一透镜4f1的第一面41f、第二面42f和第三面43f，前组第二透镜4f2的第一面44f和第二面45f，前组第三透镜4f3的第一面46f、第二面47f和第三面48f，以及前组第四透镜4f4的第一面49f、第二面50f和第三面51f，并通过光圈S。此后，在后组第一透镜4b1的第一面41b、第二面42b和第三面43b，后组第二透镜4b2的第一面44b、第二面45b和第三面46b，后组第三透镜4b3的第一面47b和第二面48b以及滤光器F的第一面f1和第二面f2通过，从而成像在影像显示元件3上。
该实施例8的规格为 视场角上下20° 左右35°。
以下，表示上述实施例5～8的结构参数。并且，以下的表中的“FFS”表示自由曲面。此外，省略与目镜光学系统7相关的数据。
实施例5 面编号曲率半径面间隔偏心折射率阿贝数 物体 面圆筒形面[1] 131.87偏心(1) 1 FFS[1] 15.001.516364.1 2 ∞ 24.57 3 FFS[2] 15.001.516364.1 4 ∞ 75.43 5 158.08 15.001.675037.0 6 -145.04 9.41 7 -64.565.001.716329.3 8 ∞ 16.651.747731.2 9 -74.190.50 1052.5218.001.583546.2 11∞ 32.571.742228.1 1217.4022.61 13∞(光圈) 6.87 14-25.432.001.685831.8 1563.40 8.001.601761.3 16-35.180.20 17∞9.001.487570.4 18-33.390.20 1982.00 7.001.578862.7 20-123.44 0.20 2138.32 7.001.620460.3 2298.7317.00 23∞ 25.001.516364.1 24∞1.00 像面 ∞ 圆筒形面[1] X方向曲率半径174.00 Y方向曲率半径∞ FFS[1] C4 3.6997E-003 C6 -1.0875E-002C8 1.3213E-004 C10-6.0176E-005C11-6.2034E-007C133.3663E-007 C158.8509E-007 C17-3.4473E-008C19-2.3720E-008 FFS[2] C4 3.0262E-003 C6 4.8616E-003 C8 -7.5826E-005 C102.1189E-005 C112.9295E-007 C13-2.8004E-007 C15-1.0278E-006C172.4600E-008 C192.1205E-008偏心[1] X 0.00 Y0.00 Z0.00 α -15.46 β 0.00 γ 0.00 实施例6 面编号曲率半径 面间隔偏心 折射率阿贝数 物体面圆筒形面[1]165.02偏心(1) 1 FFS[1] 15.00 1.516364.1 2 ∞ 26.39 3 FFS[2] 15.00 1.516364.1 4 ∞ 73.61 5 62.54 20.00 1.751231.9 6 ∞ 0.72 7 61.25 18.00 1.487570.4 8 -84.16 30.42 1.755227.6 9 15.15 20.44 10∞(光圈) 3.81 11-25.97 2.00 1.659633.8 1232.648.00 1.626959.0 13-35.93 0.20 14∞ 9.00 1.503968.6 15-36.26 0.20 16118.61 7.00 1.614560.6 17-85.65 0.20 1847.007.00 1.620460.3 19551.00 17.00 20∞ 25.00 1.516364.1 21∞ 1.00 像面 ∞ 0.00 圆筒形面[1] X方向曲率半径174.00 Y方向曲率半径∞ FFS[1] C4 2.7004E-003 C6 -9.9436E-003C8 1.0988E-004 C10-4.6195E-005C11-3.8475E-007C132.1619E-007 C151.0451E-006 C17-2.7429E-008C19-1.6604E-008 FFS[2] C4 -1.7866E-003C6 5.3548E-003 C8 -6.5957E-005 C101.7424E-005 C111.3190E-007 C13-3.2801E-007 C15-9.6793E-007C172.0636E-008 C191.3532E-008 偏心[1] X0.00 Y 0.00Z 0.00 α -15.46β0.00γ0.00 实施例7 面编号曲率半径 面间隔偏心 折射率阿贝数 物体面圆筒形面[1]290.00 1 FFS[1] 125.00偏心(1)1.516364.1 2 ∞ 15.00偏心(2) 3 FFS[2] 36.52偏心(3)1.516364.1 4 ∞ 10.00偏心(4) 5 48.65 22.00 1.656541.0 6 ∞ 6.00 1.755227.6 7 45.079.29 8 -48.72 5.00 1.730046.0 9 53.025.31 10-103.76 4.00 1.488970.2 1155.88 10.00 1.749234.6 12 -55.82 0.50 13 32.91 16.001.692349.6 14 -38.88 4.001.755227.6 15 -178.65 8.11 16 ∞(光圈)8.39 17 -19.65 3.001.751231.9 18 50.43 11.001.545365.0 19 -28.72 0.20 20 -767.55 4.001.755127.6 21 47.08 18.001.617460.5 22 -57.09 0.20 23 72.40 16.001.755227.6 24 -163.4220.00 25 ∞ 25.00 1.5163 64.1 26 ∞ 1.00 像面∞ 偏心(5) 圆筒形面[1] X方向曲率半径174.00 Y方向曲率半径∞FFS[1] C4 5.5096E-003C6 -5.3094E-003C8 9.3264E-005 C108.8080E-006C11-9.8704E-008C135.6826E-008 C151.0575E-006C17-7.6124E-010C194.0242E-009FFS[2] C4 -7.0182E-003C6 1.9852E-003C8 -1.2527E-004 C10-7.3098E-005C113.4292E-007C134.1378E-007 C15-1.4075E-007C171.2259E-008C19-3.0206E-008 偏心[1] X0.00Y-66.62 Z0.00 α 0.00β 0.00γ 0.00 偏心[2] X0.00 Y-66.62 Z0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心[3] X0.00 Y-50.41 Z0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心[4] X0.00 Y-50.41 Z0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心[5] X0.00 Y17.93Z0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 实施例8 面编号曲率半径 面间隔偏心 折射率阿贝数 物体面圆筒形面[1] 134.25 1 FFS[1] 30.02偏心(1)1.516364.1 2 FFS[2] 94.98偏心(2) 3 341.17 6.00 1.509268.1 4 30.00 14.00 1.492967.2 5 ∞ 5.20 6 -43.10 5.001.755227.6 7 52.78 6.04 8 -105.644.001.500469.0 9 47.20 14.001.746034.0 10 -46.67 0.50 11 33.83 18.001.689646.8 12 -35.41 4.001.749328.6 13 ∞ 9.20 14 ∞(光圈) 11.25 15 -20.20 3.001.753828.1 16 55.03 11.001.487570.4 17 -31.00 0.20 18 ∞ 4.001.738129.7 19 47.75 18.001.604961.1 20 -59.05 0.20 21 78.13 14.001.755227.6 22 -145.82 20.00 23 ∞25.001.516364.1 24 ∞ 1.00 像面 ∞偏心(3) 圆筒形面[1] X方向曲率半径174.00 Y方向曲率半径∞ FFS[1] C4 9.1671E-003C6 -1.2431E-002C8 3.1029E-004 C103.9468E-006C11-1.3752E-006C132.8039E-006 C152.5329E-006C17-5.5090E-008C19-2.8913E-008FFS[2] C4 1.2580E-002C6 -7.1798E-003C8 3.5968E-004 C107.4992E-005C11-2.7254E-006C131.5745E-006 C151.8755E-006C17-8.3965E-008C19-3.9643E-008 偏心[1] X0.00Y -61.65Z 0.00 α 0.00β0.00 γ0.00 偏心[2] X0.00Y -54.22Z 0.00 α 0.00β0.00 γ0.00 偏心[3] X0.00Y 18.12 Z 0.00 α 0.00β0.00 γ0.00
权利要求
1.一种投影光学系统，其对显示在影像显示元件上的影像进行投影，该投影光学系统的特征在于，
所述影像显示元件的显示面和所述投影光学系统的投影面在Y-Z截面内偏心，
所述投影面由在X-Z截面内在所述投影光学系统侧具有中心线的圆弧状的曲面构成，
该投影光学系统具有校正所述投影面上的影像失真的至少一个旋转不对称的校正光学面。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述显示面和所述投影面在所述Y-Z截面内平行且偏移偏心，
所述校正光学面针对在所述Y-Z截面内由于被倾斜投影了光束的所述投影面为圆柱状而呈弓形产生的影像失真进行校正。
3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，
所述校正光学面随着在X轴方向的正方向和负方向上远离Y-Z截面而使面的角度对称性变化。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，
所述校正光学面随着在X轴的正方向和负方向上远离所述Y-Z截面而将光线朝向所述投影光学系统的中心轴的相反侧，所述校正光学面针对在X-Y截面内以弦朝向所述投影光学系统的中心轴侧且圆弧朝向所述投影光学系统的中心轴的相反侧的弓形产生的影像失真进行校正。
5.根据权利要求2或权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，
所述校正光学面在由以下的式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)，
其中，R为顶点的曲率半径，
k为圆锥常数，
6.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述显示面和所述投影面在所述Y-Z截面内以形成角度的方式进行倾斜偏心，
所述校正光学面具有校正所述投影面上的影像失真的至少两个旋转不对称面。
7.根据权利要求6所述的投影光学系统，其特征在于，所述至少两个校正光学面随着在X轴方向的正方向和负方向上远离Y-Z截面而使面的角度发生变化，由此同时校正呈弓形产生的影像失真和呈梯形产生的影像失真。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的投影光学系统，其特征在于，所述校正光学面具有从所述Y-Z截面随着在X轴的正方向和负方向上远离所述Y-Z截面而将光线朝向Y轴的正方向和负方向来沿反方向进行校正的至少两个面，对呈弓形产生的影像失真和呈梯形产生的影像失真这两个影像失真同时进行校正。
9.根据权利要求6或权利要求7所述的投影光学系统，其特征在于，
所述至少两个校正光学面在由以下的式(a)定义的自由曲面构成的情况下，赋予C8项(x2y项)，
其中，R为顶点的曲率半径，
k为圆锥常数，
10.一种视觉显示装置，其特征在于，该视觉显示装置具有
权利要求1至权利要求3的任意一项所述的所述投影光学系统；
漫射面，其配置在通过所述投影光学系统所投影的影像的附近；以及
目镜光学系统，其具有将通过所述投影光学系统所投影的影像设为远方的虚像的正的反射能力，
所述目镜光学系统、所述漫射面以及通过所述投影光学系统投影的影像配置成在与共同的旋转对称轴正交的面内的任意的位置上描绘圆弧。
11.根据权利要求10所述的视觉显示装置，其特征在于，该视觉显示装置满足以下的条件式(1)
400＜R(1)
其中，R设为在目镜光学系统中由来自投影光学系统的中心主光线照射的部分(视轴附近)的曲率半径。
12.根据权利要求10所述的视觉显示装置，其特征在于，
所述漫射面为复曲面形状。
13.根据权利要求10所述的视觉显示装置，其特征在于，
所述目镜光学系统为球面。
14.根据权利要求10所述的视觉显示装置，其特征在于，
所述目镜光学系统为复曲面。
15.根据权利要求10所述的视觉显示装置，其特征在于，
所述校正光学面由光透射元件构成。
16.根据权利要求15所述的视觉显示装置，其特征在于，
所述光透射元件具有自由曲面。
全文摘要
本发明涉及投影光学系统及具有该投影光学系统的视觉显示装置。在对显示在影像显示元件(3)上的影像进行投影的投影光学系统(4)中，影像显示元件(3)的显示面和投影光学系统(4)的投影面在Y-Z截面内偏心，投影面由在X-Z截面内弦朝向投影光学系统(4)侧的圆弧状的曲面构成，该投影光学系统(4)具有校正影像失真的至少一个旋转不对称的校正光学面(5)。
文档编号G02B27/02GK101750740SQ20091025408
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者研野孝吉 申请人:奥林巴斯株式会社