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JP5629996B2 - Stereoscopic optical device and imaging optical device - Google Patents

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JP5629996B2 JP2009206469A JP2009206469A JP5629996B2 JP 5629996 B2 JP5629996 B2 JP 5629996B2 JP 2009206469 A JP2009206469 A JP 2009206469A JP 2009206469 A JP2009206469 A JP 2009206469A JP 5629996 B2 JP5629996 B2 JP 5629996B2
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Description

本発明は、画像の立体的表示を可能とする立体視光学装置、および光学装置に関する。   The present invention relates to a stereoscopic optical device that enables stereoscopic display of an image, and an optical device.

従来、立体視光学装置として、例えばヘッドマウントディスプレイなど、表示面上に左右の視差画像を表示することにより、観察者が立体感を得るものが知られている。例えば特許文献1では、観察者の観察方向である奥行き方向に複数の表示面を設けて、それぞれ異なる画像を表示する技術が紹介されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a stereoscopic optical device, for example, a device that obtains a stereoscopic effect by an observer by displaying left and right parallax images on a display surface such as a head mounted display is known. For example, Patent Document 1 introduces a technique in which a plurality of display surfaces are provided in the depth direction, which is the observer's observation direction, and different images are displayed.

特開2000−333211号公報JP 2000-333211 A

しかしながら、観察方向に複数の表示面を設けた場合、これらの表示面を観察するために観察者との間に設置されるレンズにより、表示面ごとに異なった収差が発生する。表示面ごとに発生する収差が異なると、その収差の表れ方によっては、観察者は、表示される画像を良好に観察できないという問題があった。   However, when a plurality of display surfaces are provided in the observation direction, different aberrations occur for each display surface due to a lens installed between the viewer and the viewer to observe these display surfaces. If the aberration generated on each display surface is different, there is a problem that the observer cannot observe the displayed image satisfactorily depending on how the aberration appears.

上記課題を解決するために、本発明の立体視光学装置は、観察者の観察方向に複数の表示面と、複数の表示面と観察者との間にレンズ群を備える立体視光学装置であって、レンズ群は、観察者側における入射主光線の光軸とのなす角をθ、レンズ群の焦点距離をfとするとき、当該一つの表示面における像面の高さyが下記の条件式を満足することを特徴とする。

Figure 0005629996
そして、本発明においては、複数の表示面のうちの一つの表示面が、レンズ群について無限遠方と共役関係にあることが好ましい。 In order to solve the above-described problems, the stereoscopic optical device of the present invention is a stereoscopic optical device including a plurality of display surfaces in an observer's observation direction and a lens group between the plurality of display surfaces and the observer. In the lens group, when the angle formed by the optical axis of the incident principal ray on the observer side is θ and the focal length of the lens group is f, the height y of the image plane on the one display surface is as follows: It is characterized by satisfying the formula.
Figure 0005629996
In the present invention, it is preferable that one display surface of the plurality of display surfaces is in a conjugate relationship with the lens group at infinity.

上記課題を解決するために、本発明の光学装置は、異なる物体距離に対する結像を行なうレンズ群を有する光学装置であって、レンズ群は、入射主光線の光軸とのなす角をθ、レンズ群の焦点距離をfとするとき、無限遠物体の像面における高さyが上記の条件式と同じ条件式を満足することにより、異なる物体距離に対応するそれぞれの結像面において像面湾曲の発生を抑えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, an optical device of the present invention is an optical device having a lens group that forms an image with respect to different object distances, and the lens group has an angle formed by the optical axis of an incident principal ray as θ, When the focal length of the lens group is f, the height y on the image plane of the object at infinity satisfies the same conditional expression as the above conditional expression, so that the image plane on each imaging plane corresponding to a different object distance. It is characterized by suppressing the occurrence of bending.

本実施形態における立体視光学装置の観察状態を表す概略図である。It is the schematic showing the observation state of the stereoscopic vision optical apparatus in this embodiment. 左右の眼球のそれぞれに対して、図1の光学系を配置した概念図である。It is the conceptual diagram which has arrange | positioned the optical system of FIG. 1 with respect to each of the right and left eyeball. レンズ群10の光学関係を説明する説明図である。3 is an explanatory diagram for explaining an optical relationship of the lens group 10. FIG. 比較例1のレンズ群の構成を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration of a lens group of Comparative Example 1. FIG. 比較例1の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve of the object distance of the comparative example 1 infinitely far. 比較例1の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram of the object distance of the comparative example 1 infinitely far. 比較例1の物体距離が有限距離の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve whose object distance of the comparative example 1 is a finite distance. 比較例1の物体距離が有限距離のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram whose object distance of the comparative example 1 is a finite distance. 比較例1の物体距離が有限距離のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram whose object distance of the comparative example 1 is a finite distance. 実施例1のレンズ群の構成を示す図である。2 is a diagram illustrating a configuration of a lens group of Example 1. FIG. 実施例1の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve of the object distance of Example 1 infinitely far. 実施例1の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram of the object distance of Example 1 infinitely far. 実施例1の物体距離が有限距離の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve whose object distance of Example 1 is a finite distance. 実施例1の物体距離が有限距離のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram whose object distance of Example 1 is a finite distance. 実施例1の物体距離が無限遠方のときに平行平面ガラスを入れた時のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram when parallel plane glass is put when the object distance of Example 1 is infinitely far. 比較例2のレンズ群の構成を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration of a lens group of Comparative Example 2. FIG. 比較例2の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve of the object distance of the comparative example 2 infinitely far. 比較例2の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram of the object distance of the comparative example 2 infinitely far. 比較例2の物体距離が有限距離の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve whose object distance of the comparative example 2 is a finite distance. 比較例2の物体距離が有限距離のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram whose object distance of the comparative example 2 is a finite distance. 実施例2のレンズ群の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a lens group of Example 2. 実施例2の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve of the object distance of Example 2 infinitely far. 実施例2の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram of the object distance of Example 2 infinitely far. 実施例2の物体距離が有限距離の収差曲線を示す図である。It is a figure which shows the aberration curve whose object distance of Example 2 is a finite distance. 実施例2の物体距離が有限距離のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram whose object distance of Example 2 is a finite distance.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図1は、本実施形態における立体視光学装置の観察状態を表す概略図である。立体光学装置は、観察者1の観察方向と平行である光軸2に沿って観察者1側から、接眼レンズとしてのレンズ群10と、有限距離用の表示板11、および無限距離用の表示板12を備える。なお、図ではレンズ群10を一枚のレンズとして表現しているが、実際には複数のレンズより構成されるレンズ群である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an observation state of the stereoscopic optical device according to the present embodiment. The stereoscopic optical device includes a lens group 10 as an eyepiece, a display plate 11 for finite distance, and a display for infinite distance from the viewer 1 side along an optical axis 2 parallel to the viewing direction of the viewer 1. A plate 12 is provided. In the figure, the lens group 10 is expressed as a single lens, but in reality it is a lens group composed of a plurality of lenses.

また、ここでは表示板を、有限距離用の表示板11と無限距離用の表示板12の2枚で表現しているが、さらに増やしても良い。これら複数の表示板は、それぞれ光軸2上に配置されたディスプレイであって、最奥のディスプレイ以外を半透明のディスプレイを用いて構成することができる。または、光軸2の外側に配置される複数のディスプレイから投射されたそれぞれの画像が、光軸2上に配置された部分反射鏡で反射されて投影される、光軸2上の複数の投影面として構成することでもできる。   In addition, here, the display board is represented by two sheets of the display board 11 for a finite distance and the display board 12 for an infinite distance, but the number may be further increased. Each of the plurality of display boards is a display arranged on the optical axis 2 and can be configured using a translucent display other than the innermost display. Alternatively, a plurality of projections on the optical axis 2 in which the respective images projected from a plurality of displays arranged on the outside of the optical axis 2 are reflected and projected by the partial reflecting mirrors arranged on the optical axis 2 It can also be configured as a surface.

立体視光学装置は、有限距離像15を、レンズ群10を介した有限距離用の表示板11の表示像として生成する。同様に無限距離像を、無限距離用の表示板12の表示像として生成する。このように、異なる距離像を、観察方向に対して異なる位置で配置した表示板にそれぞれ表示するので、観察者は、眼球のピント調整を伴った違和感の少ない観察を行うことができる。なお、実施形態の説明としては、図1に示した表示板12を無限距離用としたが、本発明における立体視光学装置としては、複数の表示板が共に有限距離にあってもよく、無限距離用表示板12は、必ずしも無限遠表示用に限られるものではない。   The stereoscopic optical device generates the finite distance image 15 as a display image of the finite distance display plate 11 via the lens group 10. Similarly, an infinite distance image is generated as a display image of the display plate 12 for infinite distance. In this way, different distance images are respectively displayed on the display plates arranged at different positions with respect to the observation direction, so that the observer can perform observation with little discomfort accompanied by focus adjustment of the eyeball. In the description of the embodiment, the display plate 12 shown in FIG. 1 is used for an infinite distance. However, as the stereoscopic optical device according to the present invention, a plurality of display plates may be at a finite distance. The distance display plate 12 is not necessarily limited to infinity display.

図2は、左右の眼球のそれぞれに対して、図1の光学系を配置した概念図である。観察者の右目3に対して、右目用レンズ群30と、右目有限距離用の表示板31、および右目無限距離用の表示板32を備える。同様に、観察者の左目4に対して、左目用レンズ群40と、左目有限距離用の表示板41、および左目無限距離用の表示板42を備える。   FIG. 2 is a conceptual diagram in which the optical system of FIG. 1 is arranged for each of the left and right eyeballs. A right eye lens group 30, a right eye finite distance display board 31, and a right eye infinite distance display board 32 are provided for the right eye 3 of the observer. Similarly, a left eye lens group 40, a left eye finite distance display plate 41, and a left eye infinite distance display plate 42 are provided for the left eye 4 of the observer.

このように構成すると、右目3、左目4でそれぞれ異なる画像を観察することになる。そして、観察方向で対応する表示板、例えば右目有限距離用の表示板31と左目有限距離用の表示板41で視差を考慮した画像を協調表示することにより、観察者は、両眼視、輻輳、眼のピントの関係において違和感の少ない自然な立体視を行うことができる。   With this configuration, different images are observed with the right eye 3 and the left eye 4. Then, by coordinating and displaying an image considering parallax on a display board corresponding to the observation direction, for example, the display board 31 for the right eye finite distance and the display board 41 for the left eye finite distance, the observer can Therefore, it is possible to perform natural stereoscopic vision with less sense of discomfort in terms of eye focus.

次に、レンズ群10の光学関係について説明する。図3は、レンズ群10の光学関係を説明する説明図である。   Next, the optical relationship of the lens group 10 will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the optical relationship of the lens group 10.

一般に、物体距離が変わると収差が発生する。すなわち、有限距離用の表示板11の像が無収差であったとしても、無限距離用の表示板12の像は無収差ではなくなる。また、逆に無限距離用の表示板12について無収差であったとしても有限距離用の表示板11の像については収差が発生する。立体視光学装置のための光学系は、一般的にレンズのFナンバーが大きい(暗い)ので、発生する収差は像面湾曲の影響が大きい。したがって、像面湾曲の影響を小さくなるようにすれば良い。また、図1からも明らかなように、レンズの口径があまり大きくならず、かつ観察者の眼球とレンズ群10との距離を十分とるためには、表示板側での主光線が光軸2と平行であるテレセントリックであることが望ましい。特に、表示板側でテレセントリックであれば、像面が前後しても像の大きさが変わらないので、複数の表示板を挿入する場合に、それぞれの表示板に表示する画像の画像処理等の観点からも有利である。   In general, aberration occurs when the object distance changes. That is, even if the image on the display plate 11 for finite distance has no aberration, the image on the display plate 12 for infinite distance does not have no aberration. On the other hand, even if there is no aberration for the display plate 12 for infinite distance, aberration occurs in the image of the display plate 11 for finite distance. Since an optical system for a stereoscopic optical device generally has a large F number (dark) of a lens, the generated aberration is greatly affected by field curvature. Therefore, it is sufficient to reduce the influence of the field curvature. Further, as is clear from FIG. 1, in order that the aperture of the lens is not so large and the distance between the eyeball of the observer and the lens group 10 is sufficient, the principal ray on the display panel side is the optical axis 2. Telecentric that is parallel to In particular, if the display panel is telecentric, the size of the image does not change even if the image plane moves back and forth. Therefore, when a plurality of display boards are inserted, image processing for images displayed on the respective display boards, etc. It is also advantageous from the viewpoint.

図3は本発明の基本構成であるレンズ群の射影方式を説明するための光路図である。光学設計の通常方式のとおり、左側(設計上の物体側)から右側(設計上の像側)に光が進行するものとして示されている。図3において、レンズ群10の焦点距離をfとすると、主平面100に対して、物体側にfだけ離れた位置に前側焦点面101、像側にfだけ離れた位置に後側焦点面102が存在する。ここでは、テレセントリックである場合を考える。すなわち、左側の焦点面101上に絞りを設けることにより、レンズ群10の右側で結像主光線が光軸に平行になり、いわゆる像側テレセントリックな光学系に構成されている。無限遠方の像は後側焦点面102に作られる。つまり、後側焦点面102は、無限遠方と共役関係にある。そして、図示するように、物体位置が前側焦点からL離れた位置にある場合を考える。実際の立体視光学装置の位置関係では、図1を用いて説明したように、物体は物体距離像としてレンズ群10に対して観察者1と反対側、すなわち図3の右方に存在するが、ここでは説明の簡略化を目的として、等価となるように左方に記して説明する。 FIG. 3 is an optical path diagram for explaining the lens group projection method, which is the basic configuration of the present invention. It is shown that light travels from the left side (designed object side) to the right side (designed image side) as in the normal method of optical design. In FIG. 3, when the focal length of the lens group 10 is f, the front focal plane 101 is located at a position f away from the main plane 100 on the object side, and the rear focal plane 102 is located at a position f away from the image side. Exists. Here, consider the case of telecentricity. That is, by providing a stop on the left focal plane 101, the imaging principal ray becomes parallel to the optical axis on the right side of the lens group 10, and a so-called image side telecentric optical system is configured. An image at infinity is created on the rear focal plane 102. That is, the rear focal plane 102 is in a conjugate relationship with infinity. Then, as shown in the figure, consider a case where the object position is at a position L 0 away from the front focal point. In the actual positional relationship of the stereoscopic optical device, as described with reference to FIG. 1, the object exists as an object distance image on the side opposite to the observer 1 with respect to the lens group 10, that is, on the right side in FIG. Here, for simplification of description, description is made on the left side so as to be equivalent.

物体面103上であって、光軸2外の物点110は、像点111に結像する。また、物体面103上であって、光軸2上の物点120は、光軸2上の像点121に結像する。像点121は、物体像面104上に存在する。すなわち、物体面103と物体像面104は、共役関係である。また、このときの後側焦点面102と物体像面104の距離をx'とする。   An object point 110 on the object plane 103 and outside the optical axis 2 forms an image at an image point 111. An object point 120 on the optical axis 2 on the object plane 103 forms an image at an image point 121 on the optical axis 2. The image point 121 exists on the object image plane 104. That is, the object plane 103 and the object image plane 104 have a conjugate relationship. In addition, the distance between the rear focal plane 102 and the object image plane 104 at this time is x ′.

ここで、物体が光軸方向に移動してもレンズ群10の固有の値であるペッツバール和は不変であるので、メリジョナル像面湾曲の発生を抑えられれば、サジタル像面湾曲も低減できるはずである。いま、レンズ群10の射影関係を、

Figure 0005629996
(1)
と置く。ここで、yは後側焦点面102における像の高さであり、θは物体側での光軸2に対する主光線のなす角である。また、gは射影関係を表す関数である。 Here, even if the object moves in the optical axis direction, the Petzval sum, which is a unique value of the lens group 10, does not change. Therefore, if the occurrence of meridional field curvature is suppressed, sagittal field curvature should be reduced. is there. Now, the projection relationship of the lens group 10 is
Figure 0005629996
(1)
Put it. Here, y is the height of the image on the rear focal plane 102, and θ is the angle formed by the principal ray with respect to the optical axis 2 on the object side. Further, g is a function representing the projection relationship.

式(1)の両辺を微分すると、

Figure 0005629996
(2)
となる。さらに、図3における幾何関係から、
Figure 0005629996
(3)
である。ここで、aは絞りの半径である。物体が光軸方向に移動しても像面湾曲が発生しないということは、物体移動による近軸像点位置の移動と軸外でのメリジョナル像点の移動が一致すれば良い。より具体的には、物体面103の光軸2外の物点110に対する像点111が、物体面103の光軸2上の物点120に対する像点121が存在する平面である物体像面104上に存在すれば良い。 Differentiating both sides of equation (1),
Figure 0005629996
(2)
It becomes. Furthermore, from the geometric relationship in FIG.
Figure 0005629996
(3)
It is. Here, a is the radius of the stop. The fact that the field curvature does not occur even when the object moves in the optical axis direction means that the movement of the paraxial image point position due to the object movement coincides with the movement of the memorial image point off the axis. More specifically, the object image plane 104 in which the image point 111 for the object point 110 outside the optical axis 2 on the object plane 103 is a plane on which the image point 121 for the object point 120 on the optical axis 2 on the object plane 103 exists. It only has to exist above.

一般に、光軸2上での像面移動x'は、ニュートンの公式から

Figure 0005629996
(4)
が成立する。一方、像点111が物体像面104上に存在すると仮定すれば、像面での光線の開き角をα、主光線がΔθ傾いたときの像高の変化をΔyとして、
Figure 0005629996
(5)
が成り立つ。ここで、メリジョナル像点は非常に細い光束を考えているのでtanα≒sinαとし、式(5)を変形して、
Figure 0005629996
(6)
となる。また、ヘルムホルツ・ラグランジュに対応する関係から、より厳密にはストローベルの定理をメリジョナル面内に適用して、
Figure 0005629996
(7)
の関係があるので、式(2)から式(7)を用いて関数gを求めることができる。 In general, the image plane movement x ′ on the optical axis 2 is obtained from Newton's formula.
Figure 0005629996
(4)
Is established. On the other hand, if it is assumed that the image point 111 exists on the object image plane 104, the opening angle of the ray on the image plane is α, and the change in the image height when the chief ray is inclined by Δθ is Δy.
Figure 0005629996
(5)
Holds. Here, since the meridional image point considers a very thin light beam, tan α≈sin α is set, and the equation (5) is modified,
Figure 0005629996
(6)
It becomes. Also, from the relationship corresponding to Helmholtz Lagrange, more strictly, the Strobel theorem is applied in the meridian plane,
Figure 0005629996
(7)
Therefore, the function g can be obtained using the equations (2) to (7).

まず、式(7)より、

Figure 0005629996
(8)
となる。式(8)を式(6)に代入して、
Figure 0005629996
(9)
となり、さらに式(2)(4)を式(9)に代入して、
Figure 0005629996
(10)
となる。さらに式(3)を式(10)に代入して、
Figure 0005629996
(11)
となり、式(11)を積分して
Figure 0005629996
(12)
となる。ここで、Fは第一種楕円積分である。 First, from equation (7):
Figure 0005629996
(8)
It becomes. Substituting equation (8) into equation (6),
Figure 0005629996
(9)
Further, substituting equations (2) and (4) into equation (9),
Figure 0005629996
(10)
It becomes. Furthermore, substituting equation (3) into equation (10),
Figure 0005629996
(11)
And integrating equation (11)
Figure 0005629996
(12)
It becomes. Here, F is the first kind elliptic integral.

式(12)の解をわかりやすく理解するために、式(11)に近似式を当てはめて解くと、

Figure 0005629996
(13)
よって、
Figure 0005629996
(14)
となる。 In order to understand the solution of Equation (12) in an easy-to-understand manner, when applying an approximate equation to Equation (11),
Figure 0005629996
(13)
Therefore,
Figure 0005629996
(14)
It becomes.

以上より、関数gは式(12)として求められ、近似的には式(14)で表される結果が得られた。つまり、このような関数gを式(1)に代入して求められる射影関係を有するようにレンズ群10を設計すれば、像側のいずれの平面においても像面湾曲の無い光学系を実現することができる。   From the above, the function g was obtained as the equation (12), and the result represented approximately by the equation (14) was obtained. That is, if the lens group 10 is designed so as to have a projection relationship obtained by substituting such a function g into the equation (1), an optical system free from curvature of field in any plane on the image side is realized. be able to.

次に、このような射影関係を有する光学系が、具体的にどのような関係にあるかを考察する。一般的なftanθレンズでは、関数gは、

Figure 0005629996
(15)
となる。同様に、一般的なフーリエ変換レンズ(fsinθレンズ)では、関数gは、
Figure 0005629996
(16)
となる。さらに、一般的なfθレンズでは、関数gは、
Figure 0005629996
(17)
となる。式(15)から式(16)と式(14)を比較すると、本実施形態におけるレンズ群10の射影関係は、ftanθレンズの射影関係と、fθレンズの射影関係の間の射影関係であると言える。およそこの範囲であれば、像側のいずれの平面においても像面湾曲の極めて少ない光学系を実現することができる。 Next, the relationship between the optical systems having such a projection relationship will be considered. For a general ftanθ lens, the function g is
Figure 0005629996
(15)
It becomes. Similarly, in a general Fourier transform lens (fsin θ lens), the function g is
Figure 0005629996
(16)
It becomes. Furthermore, in a general fθ lens, the function g is
Figure 0005629996
(17)
It becomes. Comparing equation (15) to equation (16) with equation (14), the projection relationship of the lens group 10 in this embodiment is a projection relationship between the projection relationship of the ftanθ lens and the projection relationship of the fθ lens. I can say that. Within this range, it is possible to realize an optical system with extremely little field curvature in any plane on the image side.

ここで、本実施形態における立体視光学装置との関係について説明する。
立体視光学装置は、観察者1の眼球が前側焦点面101と光軸2の交点である前側焦点に存在するように、使用されるものとして設計される。このとき、無限距離用の表示板12は、後側焦点面102に一致するように配置される。そして、有限距離である物体面103が図1に示すように、レンズ群10の右側に存在するとき、すなわち実際の立体視光学装置の構成と同様であるときには、物体像面104は、主平面100と後側焦点面102の間に存在することになる。したがって、有限距離用の表示板11は、レンズ群10と無限距離用の表示板12の間に配置される。
Here, a relationship with the stereoscopic optical device in the present embodiment will be described.
The stereoscopic optical device is designed to be used so that the eyeball of the observer 1 exists at the front focal point that is the intersection of the front focal plane 101 and the optical axis 2. At this time, the display plate 12 for infinite distance is disposed so as to coincide with the rear focal plane 102. As shown in FIG. 1, when the object plane 103 having a finite distance exists on the right side of the lens group 10, that is, when the object plane 103 is similar to the configuration of the actual stereoscopic optical device, the object image plane 104 is the main plane. 100 and the rear focal plane 102. Therefore, the display plate 11 for finite distance is disposed between the lens group 10 and the display plate 12 for infinite distance.

このようにして構成された立体視光学装置においては、像面湾曲が極めて少ないので、有限距離用の表示板11に表示される画像も、無限距離用の表示板12に表示される画像も、光軸中心から離れた周辺部に至るまでピントの合った画像として観察される。また、テレセントリックである場合、画像の倍率、焦点調整等を気にすることなく、有限距離用の表示板11をさらに挿入することもできる。   In the stereoscopic optical device configured as described above, since the curvature of field is extremely small, an image displayed on the display plate 11 for finite distance and an image displayed on the display plate 12 for infinite distance are both The image is observed as an in-focus image from the center of the optical axis to the periphery. Further, in the case of telecentricity, it is possible to further insert a display board 11 for a finite distance without worrying about image magnification, focus adjustment, and the like.

なお、像面湾曲を極力少なくする本実施形態における光学設計では、歪曲収差の補正が難しくなることがある。つまり、比較的大きな歪曲収差が残ることがある。しかしながら、観察者の観察対象は表示画像であるので、歪曲収差を打ち消すように表示させる表示画像を予め画像処理によって修正すればよい。具体的には、表示させる画像をタル型に画像処理すると良い。タル型に画像処理とは、本来の画像に対して、周辺部の画像データを中心寄りに収縮するように置き換える処理である。このように処理すると処理後の画像は矩形ではなくなるが、必要に応じて矩形にトリミングして表示板に表示すれば良い。   In the optical design in the present embodiment in which the curvature of field is minimized, it may be difficult to correct distortion. That is, a relatively large distortion may remain. However, since the observation target of the observer is a display image, the display image to be displayed so as to cancel the distortion may be corrected in advance by image processing. Specifically, the image to be displayed may be processed into a tall shape. The tall-type image processing is processing for replacing the original image with the image data in the peripheral portion so as to shrink toward the center. When processed in this way, the processed image is no longer rectangular, but if necessary, it may be trimmed into a rectangle and displayed on the display board.

次に、具体的なレンズ群10の光学設計について、比較例と実施例を説明する。
(比較例1)
まず、後述する実施例の効果を示すための比較例として、像面湾曲ではなく歪曲収差を取り除いた場合の例を示す。図4は、比較例1のレンズ群の構成を示す図である。この例では、おおよそftanθの射影関係となっている。また、射出側でほぼテレセントリックとなっている。
Next, a specific example and an example of optical design of the lens group 10 will be described.
(Comparative Example 1)
First, as a comparative example for showing the effect of an embodiment described later, an example in which distortion is removed instead of curvature of field will be shown. FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the lens group of Comparative Example 1. In this example, the projection relationship is approximately ftanθ. Moreover, it is almost telecentric on the exit side.

レンズ群は物体側から順に、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL41と、両凹形状の負レンズL42と両凸形状の正レンズL43との接合レンズと、両凸形状の正レンズL44と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズL45と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズL46との接合レンズと、物体側に凹面を向けた平凹レンズL47とからなる。   The lens group includes, in order from the object side, a positive meniscus lens L41 having a convex surface facing the image side, a cemented lens of a biconcave negative lens L42 and a biconvex positive lens L43, and a biconvex positive lens L44. A cemented lens composed of a positive meniscus lens L45 having a convex surface facing the object side and a positive meniscus lens L46 having a convex surface facing the object side, and a plano-concave lens L47 having a concave surface facing the object side.

以下の表1に、比較例1に係るレンズ群の諸元の値を掲げる。[全体諸元]において、fは焦点距離、FNOはFナンバー、2ωは画角(単位は「°」)をそれぞれ示す。   Table 1 below lists values of specifications of the lens group according to Comparative Example 1. In [Overall specifications], f represents a focal length, FNO represents an F number, and 2ω represents an angle of view (unit: “°”).

[レンズデータ]において、面は物体側からのレンズ面の順序、rはレンズ面の曲率半径、dはレンズ面の間隔をそれぞれ示す。また、ndはd線(λ=587.6nm)に対する屈折率、νdはd線に対するアッベ数をそれぞれ示す。また、曲率半径r=0.0000は平面を示し、空気の屈折率nd=1.0000はその記載を省略している。   In [Lens data], the surface represents the order of the lens surfaces from the object side, r represents the radius of curvature of the lens surfaces, and d represents the distance between the lens surfaces. Further, nd represents the refractive index with respect to the d line (λ = 587.6 nm), and νd represents the Abbe number with respect to the d line. The curvature radius r = 0.0000 indicates a plane, and the refractive index nd = 1.0000 of air is omitted from the description.

ここで、以下の全ての諸元表において掲載されている焦点距離f、曲率半径r、その他長さの単位は一般に「mm」が使われる。しかし光学系は、比例拡大又は縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。   Here, the unit of the focal length f, the radius of curvature r, and other lengths listed in all the following specification tables is generally “mm”. However, the optical system is not limited to this because the same optical performance can be obtained even when proportionally enlarged or reduced.

なお、以下の全比較例、実施例の諸元値においても、本比較例1と同様の符号を用いる。

Figure 0005629996
In addition, the same code | symbol as this comparative example 1 is used also in the following comparative example and the item value of an Example.
Figure 0005629996

図3によると、無限遠方の物体が像側焦点面上に作られる。立体視光学装置では、像側焦点面上に置かれた無限距離用の表示板12の像が無限遠方に作られ、観察者1はそれを観察することになる。   According to FIG. 3, an object at infinity is created on the image side focal plane. In the stereoscopic optical device, an image of the infinite distance display plate 12 placed on the image-side focal plane is created at infinity, and the observer 1 observes it.

図5は、比較例1の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図であり、図6は、比較例1の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。図5において左図は像面湾曲図であり、実線はサジタル像面、点線はメリジョナル像面をそれぞれ示す。縦軸は光軸からの画角を表し、横軸はフォーカスを表す。単位はそれぞれ°(度)と、mmである。図5において右図は歪曲収差図であり、縦軸は光軸からの画角であり、横軸はディストーションである。単位はそれぞれ°(度)と、%である。図6においては、縦軸にフィールドポジションを表し、横軸にデフォーカスを表す。単位はそれぞれ°(度)と、mmである。図6には、各フィールドポジションおよびデフォーカスにおけるエアリーディスク(半径が1.22λF=0.007625mm)を円で示してある。なお、以下の全比較例、実施例においても、同様の図については同様に表すものとする。   FIG. 5 is a diagram showing an aberration curve of the comparative example 1 where the object distance is infinity, and FIG. 6 is a diagram showing a spot diagram of the comparative example 1 where the object distance is infinity. In FIG. 5, the left figure is a field curvature diagram, the solid line shows the sagittal image plane, and the dotted line shows the meridional image plane. The vertical axis represents the angle of view from the optical axis, and the horizontal axis represents the focus. The units are ° (degrees) and mm, respectively. In FIG. 5, the right figure is a distortion diagram, the vertical axis is the angle of view from the optical axis, and the horizontal axis is distortion. The units are ° (degrees) and%, respectively. In FIG. 6, the vertical axis represents field position, and the horizontal axis represents defocus. The units are ° (degrees) and mm, respectively. In FIG. 6, the Airy disk (radius is 1.22λF = 0.0006625 mm) at each field position and defocus is indicated by a circle. In all of the following comparative examples and examples, the same figure is similarly expressed.

図6のエアリーディスクとの関係から、ベストフォーカスでは十分に小さいことが分かる。ここで、物体を前側焦点から有限距離である250mm右方に置くと、収差曲線は図7のようになり、スポットダイアグラムは図8と図9に示すようになる。収差曲線の像面湾曲あるいはスポットダイアグラムからわかるように、像面湾曲が大きく発生していることが分かる。つまり、図4に示す比較例のレンズ群を立体視光学装置に適用した場合、有限距離用の表示板11の像については、像面湾曲が大きく発生し、周辺部で焦点の合っていない画像を観察することを意味する。   From the relationship with the Airy disk in FIG. 6, it can be seen that the best focus is sufficiently small. Here, when the object is placed 250 mm to the right, which is a finite distance from the front focal point, the aberration curve is as shown in FIG. 7, and the spot diagrams are as shown in FIGS. As can be seen from the field curvature of the aberration curve or the spot diagram, it can be seen that the field curvature is large. That is, when the lens group of the comparative example shown in FIG. 4 is applied to a stereoscopic optical device, an image on the display plate 11 for a finite distance has a large field curvature and is not focused on the periphery. Means to observe.

(実施例1)
実施例1の結像光学系では、比較例1に係る結像光学系を参照して、歪曲収差を発生させ、射影関係が(12)、あるいは近似式の(14)式を満足するようにした。図10は、実施例1のレンズ群の構成を示す図である。レンズ群は物体側(図中、左側)から順に、両凸形状の正レンズL11と、両凹形状の負レンズL12と両凸形状の正レンズL13との接合レンズと、両凸形状の正レンズL14と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズL15と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズL16との接合レンズと、物体側に凹面を向けた平凹レンズL17とからなる。
Example 1
In the imaging optical system of Example 1, with reference to the imaging optical system according to Comparative Example 1, distortion is generated and the projection relationship satisfies (12) or the approximate expression (14). did. FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a lens group according to the first embodiment. The lens group includes, in order from the object side (the left side in the figure), a biconvex positive lens L11, a cemented lens of a biconcave negative lens L12 and a biconvex positive lens L13, and a biconvex positive lens. L14 includes a cemented lens of a negative meniscus lens L15 having a convex surface facing the object side and a positive meniscus lens L16 having a convex surface facing the object side, and a plano-concave lens L17 having a concave surface facing the object side.

以下の表2に、実施例1に係るレンズ群の諸元の値を掲げる。

Figure 0005629996
Table 2 below lists the values of the specifications of the lens group according to Example 1.
Figure 0005629996

図11は、実施例1の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図であり、図12は、実施例1の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。ここで、物体を前側焦点から250mm右方に置くと、収差曲線は図13のようになり、スポットダイアグラムは図14に示すようになる。これらの図に示されるように、上記の条件を満足させることにより、物体位置が変わっても収差変化が非常に小さいことがわかる。特に像面湾曲の発生が極めて抑制されていることがわかる。   FIG. 11 is a diagram showing an aberration curve of the first embodiment where the object distance is infinity, and FIG. 12 is a diagram showing a spot diagram of the first embodiment where the object distance is infinity. Here, when the object is placed 250 mm to the right of the front focal point, the aberration curve is as shown in FIG. 13, and the spot diagram is as shown in FIG. As shown in these drawings, it can be seen that, by satisfying the above conditions, the change in aberration is very small even if the object position changes. In particular, it can be seen that the occurrence of curvature of field is extremely suppressed.

さらに、有限距離用の表示板11の厚さを2mmと想定して、平行平面ガラスを入れた時の無限遠方物体のスポットダイアグラムを図15に示す。このスポットダイアグラムから、平行平面板の挿入に起因する収差の発生についても問題がないことも分かる。   Further, FIG. 15 shows a spot diagram of an object at infinity when a plane-parallel glass is put on the assumption that the thickness of the display plate 11 for finite distance is 2 mm. From this spot diagram, it can also be seen that there is no problem with the generation of aberration due to the insertion of the plane parallel plate.

(比較例2)
比較例1と実施例1では色収差を考慮していなかったので、色収差を考慮した設計を行った。図16は、比較例2のレンズ群の構成を示す図である。レンズ群は物体側から順に、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL61と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL62と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズL63との接合レンズと、両凸形状の正レンズL64と、両凸形状の正レンズL65と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズL66との接合レンズと、物体側に凹面を向けた平凹レンズL67とからなる。以下の表3に、比較例2に係るレンズ群の諸元の値を掲げる。

Figure 0005629996
(Comparative Example 2)
Since Comparative Example 1 and Example 1 did not consider chromatic aberration, the design was performed in consideration of chromatic aberration. FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of a lens group of Comparative Example 2. The lens group includes, in order from the object side, a cemented lens of a positive meniscus lens L61 having a convex surface directed to the image side, a positive meniscus lens L62 having a convex surface directed to the image side, and a negative meniscus lens L63 having a convex surface directed to the image side. The lens includes a biconvex positive lens L64, a cemented lens of a biconvex positive lens L65 and a negative meniscus lens L66 having a convex surface facing the image side, and a plano-concave lens L67 having a concave surface facing the object side. Table 3 below lists values of specifications of the lens group according to Comparative Example 2.
Figure 0005629996

図17は、比較例2の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図であり、図18は、比較例2の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。スポットダイアグラムの色収差は、波長0.4861327μm、0.5875618μm、0.6562725μmの3波長について、それぞれ、+、□、△で示す。   FIG. 17 is a diagram showing an aberration curve of the comparative example 2 where the object distance is infinity, and FIG. 18 is a diagram showing a spot diagram of the comparative example 2 where the object distance is infinity. The chromatic aberration of the spot diagram is indicated by +, □ and Δ for three wavelengths of 0.4861327 μm, 0.5875618 μm and 0.6562725 μm, respectively.

ここで、物体を有限距離である前側焦点から250mm右方に置くと、収差曲線は図19のようになり、スポットダイアグラムは図20に示すようになる。図に示されるように、比較例1と同じく有限距離である物体によって像面湾曲が発生している。   Here, when the object is placed 250 mm to the right of the front focal point, which is a finite distance, the aberration curve is as shown in FIG. 19, and the spot diagram is as shown in FIG. As shown in the figure, curvature of field is generated by an object having a finite distance as in Comparative Example 1.

(実施例2)
次に、色収差を考慮した実施例2について説明する。図21は、実施例2のレンズ群の構成を示す図である。レンズ群は物体側から順に、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL21と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL22と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズL23との接合レンズと、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL24と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズL25と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズL26との接合レンズと、物体側に凹面を向けた平凹レンズL27とからなる。以下の表4に、実施例2に係るレンズ群の諸元の値を掲げる。

Figure 0005629996
(Example 2)
Next, Example 2 in consideration of chromatic aberration will be described. FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration of a lens group according to the second embodiment. The lens group includes, in order from the object side, a cemented lens of a positive meniscus lens L21 having a convex surface facing the image side, a positive meniscus lens L22 having a convex surface facing the image side, and a negative meniscus lens L23 having a convex surface facing the image side. A cemented lens of a positive meniscus lens L24 having a convex surface facing the image side, a negative meniscus lens L25 having a convex surface facing the object side, and a positive meniscus lens L26 having a convex surface facing the object side, and a flat surface having a concave surface facing the object side Consists of a concave lens L27. Table 4 below lists values of specifications of the lens group according to Example 2.
Figure 0005629996

図22は、実施例2の物体距離が無限遠方の収差曲線を示す図であり、図23は、実施例2の物体距離が無限遠方のスポットダイアグラムを示す図である。 ここで、物体を有限距離である前側焦点から250mm右方に置くと、収差曲線は図24のようになり、スポットダイアグラムは図25に示すようになる。この例では若干の倍率色収差が発生しているが、物体位置が変わっても像面湾曲の発生が極めて抑制されていることがわかる。   FIG. 22 is a diagram showing an aberration curve of Example 2 with an object distance of infinity, and FIG. 23 is a diagram showing a spot diagram of Example 2 with an object distance of infinity. Here, when the object is placed 250 mm to the right of the front focal point which is a finite distance, the aberration curve is as shown in FIG. 24 and the spot diagram is as shown in FIG. Although slight lateral chromatic aberration is generated in this example, it can be seen that the occurrence of field curvature is extremely suppressed even when the object position is changed.

以上のように、本実施形態によれば物体移動による像面湾曲発生を抑えることができる。つまり、無限距離に存在する物体に対して結像する結像面においても、有限距離に存在する物体に対して結像する結像面においても、更に、異なる有限距離に存在する物体に対して結像するそれぞれの結像面においても、それぞれ像面湾曲の発生が抑えることができる。したがって、このような光学系を立体視光学装置に適用すると、近景と遠景の双方について、もしくはそれ以上の表示板を奥行き方向に配置して、対応する物体距離の像を表示するように構成すれば、いずれの表示像も像面湾曲の抑えられた状態で観察することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, occurrence of field curvature due to object movement can be suppressed. In other words, both on the image plane that forms an image on an object that exists at an infinite distance and on the image plane that forms an image on an object that exists at a finite distance, The occurrence of curvature of field can also be suppressed on each imaging plane where the image is formed. Therefore, when such an optical system is applied to a stereoscopic optical device, it is configured to display an image of a corresponding object distance by disposing display plates in both the near view and the distant view or in the depth direction. In this case, any display image can be observed in a state where the curvature of field is suppressed.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

1 観察者、2 光軸、3 右目、4 左目、10 レンズ群、11 有限距離用の表示板、12 無限距離用の表示板、15 有限距離像、30 右目用レンズ群、31 右目有限距離用の表示板、32 右目無限距離用の表示板、40 左目用レンズ群、41 左目有限距離用の表示板、42 左目無限距離用の表示板、100 主平面、101 前側焦点面、102 後側焦点面、103 物体面、104 物体像面、110、120 物点、111、121 像点 1 observer, 2 optical axes, 3 right eye, 4 left eye, 10 lens group, 11 display board for finite distance, 12 display board for infinite distance, 15 finite distance image, 30 lens group for right eye, 31 for finite distance for right eye 32, right-eye infinite distance display, 40 left-eye lens group, 41 left-eye finite distance display, 42 left-eye infinite distance display, 100 main plane, 101 front focal plane, 102 rear focus Surface, 103 object surface, 104 object image surface, 110, 120 object point, 111, 121 image point

Claims (5)

観察者の観察方向に複数の表示面と、前記複数の表示面と前記観察者との間にレンズ群とを備える立体視光学装置であって、
前記レンズ群は、前記観察者側における入射主光線の光軸とのなす角をθ、前記レンズ群の焦点距離をfとするとき、前記一つの表示面における像面の高さyが下記の条件式を満足することを特徴とする立体視光学装置。
Figure 0005629996
A stereoscopic optical device comprising a plurality of display surfaces in an observation direction of an observer, and a lens group between the plurality of display surfaces and the observer,
In the lens group, when the angle formed by the optical axis of the incident principal ray on the observer side is θ and the focal length of the lens group is f, the height y of the image plane on the one display surface is A stereoscopic optical apparatus characterized by satisfying a conditional expression.
Figure 0005629996
前記複数の表示面のうちの一つの表示面が、前記レンズ群について無限遠方と共役関係にあることを特徴とする請求項1記載の立体視光学装置。   The stereoscopic vision optical apparatus according to claim 1, wherein one display surface of the plurality of display surfaces is in a conjugate relationship with infinity with respect to the lens group. 前記レンズ群は、下記の条件式を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の立体視光学装置。
Figure 0005629996
The lens group, the stereoscopic optical device according to claim 1 or 2, characterized by satisfying the below SL conditional expression.
Figure 0005629996
前記レンズ群は、前記複数の表示面側でテレセントリックとなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の立体視光学装置。   4. The stereoscopic optical apparatus according to claim 1, wherein the lens group is telecentric on the plurality of display surfaces. 5. 前記複数の表示面には、タル型に画像処理した画像を表示することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の立体視光学装置。   5. The stereoscopic optical apparatus according to claim 1, wherein an image that has been image-processed in a tall shape is displayed on the plurality of display surfaces. 6.
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