JP2000206446A - 画像表示装置 - Google Patents

画像表示装置

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JP2000206446A
JP2000206446A JP11003729A JP372999A JP2000206446A JP 2000206446 A JP2000206446 A JP 2000206446A JP 11003729 A JP11003729 A JP 11003729A JP 372999 A JP372999 A JP 372999A JP 2000206446 A JP2000206446 A JP 2000206446A
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optical system
image display
image
display device
reflection
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Tetsuei Takeyama
武山哲英
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
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    • G02B17/0832—Catadioptric systems using three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系をさらにコンパクト化すると共に、リ
レー光学系での中間像拡大率を大きくして接眼光学系の
凹面鏡部分のパワーを小さく保ったまま広画角を実現し
た画像表示装置。 【解決手段】 観察光学系が、画像表示素子３から射出
された光束に反射時にパワーを与える偏心曲面形状を有
し、かつ、偏心曲面の反射によって発生する偏心収差を
補正するような回転非対称な面形状を有した像源側反射
面１２と、像源側反射面１２を反射した光束を透過又は
反射する半透過反射面９と、半透過反射面９との間に折
り返し光路を形成し半透過反射面９側に凹面を向けた形
状の凹反射曲面８とを備え、像源側反射面１２と半透過
反射面９との間に画像表示素子３の像を拡大した中間像
６を形成するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に関
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能
にする頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、個人が大画面の画像を楽しむこと
を目的として、画像表示装置が、特にその中でも頭部又
は顔面装着式画像表示装置の開発が盛んになされてい
る。
【０００３】従来、頭部装着式画像表示装置として、液
晶表示装置（ＬＣＤ）、ＣＲＴ等の画像表示素子上の画
像をリレー光学系により１度空中に結像し、更に半透過
鏡と凹面鏡からなる接眼光学系により観察者の眼球に導
くものが知られている（特開平３−３９９２５号、特開
平７−１５１９９３号等）。また、画像表示素子上の画
像を半透過鏡と凹面鏡からなる光学系により１度空中に
結像し、通常の接眼光学系により観察者の眼球に導くも
のも知られている（特表平１０−５０４１１５号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なリレー光学系を用いて１次像を結像し、半透過鏡と凹
面鏡からなる接眼光学系でその１次像を眼球に導く光学
系を備えた画像表示装置においては、リレー光学系を備
えていない画像表示装置に比べて、以下の点で優れてい
る。 接眼光学系で発生する収差をリレー光学系で補正する
ことができる。 リレー光学系により小さなＬＣＤを中間結像面に大き
く拡大するこで、見かけ上大きなＬＣＤパネルを半透過
鏡と凹面鏡からなる接眼光学系に用いたものと等価にな
る。これにより、小さなＬＣＤを用いても広い観察画角
を得ることができる。リレー光学系を用いないで、半透
過鏡と凹面鏡からなる接眼光学系だけで画像表示装置を
構成しようとすると、広い観察画角を達成するために
は、凹面鏡の焦点距離を短くして倍率を上げる必要があ
るが、凹面鏡のパワーを強くしすぎと収差を悪化させ
る。
【０００５】ところで、偏心光学系を用いて画像表示装
置の光学系を高い光学性能（明るさ、画角、解像力等）
を維持したまま小型軽量化できることが、特開平７−３
３３５５１号、特開平８−２３４１３７号等において提
案されている。
【０００６】本発明は従来技術のこのような状況に鑑み
てなされたものであり、その目的は、画像表示素子の中
間像を形成するリレー光学系と半透過鏡と凹面鏡からな
る接眼光学系とからなる画像表示装置において、リレー
光学系部分に偏心光学系を用いて光路を折り曲げること
により光学系をさらにコンパクト化すると共に、リレー
光学系での中間像拡大率を大きくして接眼光学系の凹面
鏡部分のパワーを小さく保ったまま広画角を実現するこ
とである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素
子により形成された画像を観察者眼球位置に導く観察光
学系とを有する画像表示装置において、前記観察光学系
が、少なくとも、前記画像表示素子から射出された光束
に反射時にパワーを与える偏心曲面形状を有し、かつ、
前記偏心曲面の反射によって発生する偏心収差を補正す
るような回転非対称な面形状を有した像源側反射面と、
前記像源側反射面を反射した光束を透過又は反射するハ
ーフミラーコーティングされた半透過反射面と、前記半
透過反射面との間に折り返し光路を形成し前記半透過反
射面側に凹面を向けた形状の凹反射曲面とを備え、前記
像源側反射面と前記半透過反射面との間に前記画像表示
素子の像を拡大した中間像を形成するように構成されて
いることを特徴とするものである。
【０００８】この場合に、観察光学系が、屈折率が１よ
りも大きい媒質を挟んだ第１面と第２面の少なくとも２
つの面を有し、第１面が画像表示素子から射出された光
束をその媒質内に入射させる入射面にて構成され、第２
面が像源側反射面として構成され、かつ、第１面と第２
面とが中間像と画像表示素子との間に配置されているも
のとすることができる。
【０００９】そして、その場合に観察光学系が、第１面
と第２面と共にその屈折率が１よりも大きい媒質を挟ん
だ第３面を有し、第３面が少なくとも反射時に光束にパ
ワーを与える曲面形状であって偏心収差を補正する回転
非対称な面形状を有した反射面にて構成され、かつ、第
３面が第１面と半透過反射面との間の光路上に配置され
ているものとすることができる。
【００１０】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。本発明においては、画像表
示素子と、その画像表示素子により形成された画像を観
察者眼球位置に導く観察光学系とを有する画像表示装置
において、その観察光学系が、少なくとも、画像表示素
子から射出された光束に反射時にパワーを与える偏心曲
面形状を有し、かつ、その偏心曲面の反射によって発生
する偏心収差を補正するような回転非対称な面形状を有
した像源側反射面と、その像源側反射面を反射した光束
を透過又は反射するハーフミラーコーティングされた半
透過反射面と、その半透過反射面との間に折り返し光路
を形成し半透過反射面側に凹面を向けた形状の凹反射曲
面とを備え、像源側反射面と半透過反射面との間に画像
表示素子の像を拡大した中間像を形成するように構成さ
れており、中間像を形成するリレー光学系部分が少なく
とも像源側反射面を備えているので、光路を折り曲げる
て構成することができ、リレー光学系を従来の軸対称な
光学系を用いる場合に比較してさらにコンパクト化する
ことができる。また、リレー光学系で中間像を収差補正
をして拡大させるので、半透過反射面と凹反射曲面とか
らなる接眼光学系の凹反射曲面のパワーを小さく保った
まま広画角を実現することができるものである。また、
リレー光学系に含まれる像源側反射面が、偏心曲面形状
を有しかつその偏心曲面の反射によって発生する偏心収
差を補正するような回転非対称な面形状を有しているの
で、リレー光学系に偏心光学系を用いても収差補正が十
分可能になる。
【００１１】そして、リレー光学系として、屈折率が１
よりも大きい媒質を挟んだ第１面と第２面の少なくとも
２つの面を有し、第１面が前記画像表示素子から射出さ
れた光束を前記媒質内に入射させる入射面にて構成さ
れ、第２面が像源側反射面として構成され、かつ、第１
面と第２面とが中間像と画像表示素子との間に配置され
ているようにすると、リレー光学系をよりコンパクト化
することができると共に、リレー光学系の収差補正をよ
り確実に行うことができる。
【００１２】ここで、リレー光学系をこのような偏心光
学系、特に、内部反射の偏心プリズムで構成することの
メリットについて説明する。レンズのような屈折光学素
子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワ
ーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面
で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性によ
る色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補
正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的
である。
【００１３】一方、ミラーやプリズム等のような反射光
学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色
収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために
別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光
学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系
に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の
削減が可能である。
【００１４】同時に、反射光学素子を用いた反射光学系
は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比
べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００１５】また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感
度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。
しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの
面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム
単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て
精度、調整工数が不要である。
【００１６】さらに、プリズムは、屈折面である入射面
と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもた
ないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特
に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面
である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミ
ラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レ
ンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を
非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内
部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているた
めに、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中
に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型
化、小型化が可能である。
【００１７】また、観察光学系は、中心性能はもちろん
のこと周辺まで良好な結像性能を要求される。そこで、
本発明では、上記のように、観察光学系を構成するリレ
ー光学系に１個のプリズムを用いて、少なくとも、画像
表示素子から射出された像光をプリズム内に入射させる
第１面と、その第１面から入射した光束を反射させる第
２面とで構成し、少なくともその反射面に光束に光学的
パワーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面
形状に構成して、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補
正することを可能にしている。
【００１８】このような基本構成をとることで、屈折光
学系あるいは回転対称なリレー光学系を用いた光学系に
比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで
性能の良好な、小型の画像表示装置を得ることが可能と
なる。
【００１９】ここで、逆光線追跡で、瞳中心を通過して
画像表示素子の表示面の中心に到達する光線を軸上主光
線としたとき、プリズムの少なくとも１つの反射面が軸
上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射
光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主
光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部
が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心
が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりし
てしまう。
【００２０】また、パワーを付けた反射面を軸上主光線
に対し偏心させることも当然可能である。上記したよう
に、本発明においては、リレー光学系を構成する像源側
反射面の面形状として、光束に光学的パワーを与えかつ
偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状に構成してい
る。このような面形状は偏心収差を補正する上で好まし
い。その理由を以下に詳述する。まず、用いる座標系、
回転非対称な面について説明する。軸上主光線が、光学
系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光
軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、撮像光学系を
構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸
と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。
光線の追跡方向は、上記のように瞳から画像表示素子に
向かう逆光線追跡で説明する。
【００２１】一般に、球面レンズでのみ構成された球面
レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収
差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正し
あい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００２２】一方、少ない面数で収差を良好に補正する
ためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球
面で発生する各種収差自体を少なくするためである。し
かし、偏心した光学系においては、偏心により発生する
回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不
可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差
は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非
点収差、コマ収差がある。
【００２３】まず、回転非対称な像面湾曲について説明
する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射
した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線
が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、
像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の
半分になる。すると、図１６に示すように、軸上主光線
に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対
称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可
能である。
【００２４】この傾いた像面湾曲をその発生源である凹
面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面
で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く
（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く
（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。ま
た、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹
面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない
構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。ま
た、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称
軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由
度が増え収差補正上は好ましい。
【００２５】次に、回転非対称な非点収差について説明
する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍ
では、軸上光線に対しても図１７に示すような非点収差
が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説
明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向
の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００２６】さらに、回転非対称なコマ収差について説
明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡
Ｍでは、軸上光線に対しても図１８に示すようなコマ収
差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転
非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変
えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変え
ることによって可能となる。
【００２７】また、本発明の結像光学系では、前述の反
射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し
偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可
能である。このような構成をとれば、その反射面にパワ
ーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補
正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを
緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることがで
きる。
【００２８】また、本発明で用いる上記の回転非対称面
は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であること
が好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、
以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定
義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２９】 ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面
項である。
【００３０】球面項中、 ｃ：頂点の曲率 ｋ：コーニック定数（円錐定数） ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ） である。
【００３１】自由曲面項は、 ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００３２】上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、
Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸ
の奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平
行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例え
ば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、
Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ
27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０に
することによって可能である。
【００３３】また、Ｙの奇数次項を全て０にすることに
よって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自
由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、
Ｃ5、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ
23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項
の係数を０にすることによって可能である。
【００３４】また上記対称面の方向の何れか一方を対称
面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面
と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向
に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方
向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非
対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向
上させることが可能となる。
【００３５】また、上記定義式（ａ）は、前述のように
１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を
１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により
発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向
上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式
に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００３６】上記のように、リレー光学系を入射面の第
１面と像源側反射面のとして第２面を含むプリズムで構
成する場合に、第１面の面形状を、第２面で発生する偏
心収差の補正を助ける作用を持った回転非対称な曲面形
状にて構成することがより望ましい。
【００３７】また、リレー光学系を偏心プリズムで構成
する場合に、少なくとも第１面〜第３面の３つの面でプ
リズムを構成し、第１面を画像表示素子から射出された
光束を媒質内に入射させる入射面にて構成し、第２面を
その第１面から入射した光束を反射させる反射面で構成
し、第３面をその第２面から反射した光束を反射させる
反射面で構成し、第２面、第３面共に光束に光学的パワ
ーを与えかつ偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状
に構成することが収差補正上より望ましい。
【００３８】また、観察光学系の接眼光学系部分の構成
としては、画像表示素子からの光束を半透過反射面を透
過させ、その後に凹反射曲面によって反射させ、その後
半透過反射面によって光束を反射させるように構成する
こともできるし、画像表示素子からの光束を半透過反射
面で反射させ、その後に凹反射曲面によって反射させ、
その後半透過反射面によって光束を透過させるように構
成することもできる。
【００３９】また、接眼光学系部分の凹反射曲面が観察
光学系全体で発生する偏心収差を補正する作用を持った
回転非対称な曲面形状にて構成することもできる。この
ように構成すると、より一層良好な収差補正が可能にな
る。
【００４０】また、画像表示素子からの光束を半透過反
射面で反射させ、その後に凹反射曲面によって反射さ
せ、その後半透過反射面によって光束を透過させるよう
に構成する場合に、その凹反射曲面を画像表示素子から
の光束を反射すると共に、外界光を入射させる反射作用
と透過作用とを兼用する面にて構成することができる。
このように構成すると、画像表示素子の表示画像の拡大
観察と共に、選択的にあるいはそれと重畳して外界を観
察することができる。
【００４１】その場合に、凹反射曲面が、屈折率が１よ
りも大きい媒質を挟んだ略平行な２つの凹曲面間の薄肉
部材にて構成され、外界光が凹反射曲面を介して入射す
る際に発生する収差を補正するように構成することが望
ましい。
【００４２】また、その場合に、凹反射曲面の２つの凹
曲面間の薄肉部材の厚さは、０．１ｍｍ〜６．０ｍｍの
範囲内にて構成することが望ましい。その厚さが０．１
ｍｍを越えると、薄すきるため量産性が低下すると共
に、シースルー機能実現のためにハーフミラーコーティ
ングする場合等に破損しやすくなり好ましくない。ま
た、６．０ｍｍを越えると、厚くなりすぎ重量が増加し
てしまい好ましくない。
【００４３】また、これらの場合に、凹反射曲面を通過
する光束に加えられる歪曲収差発生量が、有効面内にお
ける中心から１／３の径の領域において１０％（望まし
くは５％）の範囲内となるように、凹反射曲面の２つの
凹曲面の形状を構成することが望ましい。その歪曲収差
発生量が１０％を越えてしまうと、外界観察において観
察者に不快な印象を与えてしまい望ましくない。なお、
好ましくは５％の範囲内に収めるように構成することで
あり、外界をより美しく観察可能となる。
【００４４】また、本発明の観察光学系は、少なくとも
第１面と第２面とを含んだ第１プリズムと、第１プリズ
ムとは別体に配置された半透過反射面と、第１プリズム
と半透過反射面と別体に配置された凹反射曲面とを有す
るように構成することができる。
【００４５】また、観察光学系は、少なくとも第１面と
第２面とを含んだ第１プリズムと、半透過反射面と凹反
射曲面とを少なくとも有する第２プリズムとを有するよ
うに構成することができる。
【００４６】また、観察光学系は、少なくとも第１面と
第２面と半透過反射面と凹反射曲面とを含んだプリズム
にて構成することができる。
【００４７】また、半透過反射面は平面形状にて構成す
ることが望ましい。もちろん、他の曲面形状に構成して
もよい。
【００４８】また、本発明の観察光学系の有する少なく
とも１面の回転非対称な曲面を、対称面を１面のみ有す
る面対称自由曲面形状にて構成することが望ましい。
【００４９】なお、本発明の画像表示装置は、観察光学
系と、その観察光学系の光束を観察者眼球に導くために
観察光学系を観察者頭部に保持できるように形成された
支持部材とを有するように構成するのが実際的である。
【００５０】さて、リレー光学系部分を、後記の数値実
施例のように、画像表示素子から射出された像光をプリ
ズム内に入射させる第１面と、その第１面から入射した
光束を反射させる第２面と、その第２面から反射された
光束を反射させる第３面とを有し、第１面と第２面とを
結ぶ光路と第３面からの反射光路とがプリズム内で交差
するように構成され、半透過反射面と凹反射曲面とから
独立した偏心プリズムで構成する場合（実施例１〜
３）、及び、半透過反射面と凹反射曲面とを含んだ１個
の偏心プリズム（実施例４）で構成する場合、コンパク
トにリレー光学系部分を構成できる特徴がある。また、
このようなプリズム構成においては、入射瞳位置がプリ
ズムの内部に位置しているので、プリズムの面のパワー
を瞳位置に対して略対称的に配置することで、収差補正
を良好に行うことができる。
【００５１】さて、ここで本発明のような偏心光学系及
び光学面のパワーを定義する。図１９に示すように、偏
心光学系Ｓの偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、偏心
光学系Ｓの軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さ
ｄの光線を物体側（本発明の場合は、射出瞳側から逆光
線追跡で）から入射し、偏心光学系Ｓから射出したその
光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面に投影したときのなす角を
δｙとし、δｙ／ｄをＹ方向の偏心光学系ＳのパワーＰ
ｙ、偏心光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交す
るＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、偏
心光学系Ｓから射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ
面に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影した
ときのなす角をδｘとし、δｘ／ｄをＸ方向の偏心光学
系ＳのパワーＰｘとする。同様に偏心光学系Ｓを構成す
る偏心光学面ｎのＹ方向のパワーＰｙｎ、Ｘ方向のパワ
ーＰｘｎが定義される。
【００５２】さらに、これらのパワーの逆数がそれぞれ
偏心光学系のＹ方向の焦点距離Ｆｙ、偏心光学系のＸ方
向の焦点距離Ｆｘ、偏心光学面ｎのＹ方向の焦点距離Ｆ
ｙｎ、Ｘ方向の焦点距離Ｆｘｎと定義される。
【００５３】上記のように、本発明の画像表示装置のリ
レー光学系部分を、画像表示素子から射出された像光を
プリズム内に入射させる第１面と、その第１面から入射
した光束を反射させる第２面と、その第２面から反射さ
れた光束を反射させる第３面とを有し、第１面と第２面
とを結ぶ光路と第３面からの反射光路とがプリズム内で
交差するような偏心プリズムで構成する場合に、光学系
全系のＸ方向のパワーの絶対値をＰｘ、Ｙ方向のパワー
の絶対値をＰｙとする。また、その偏心プリズムの各面
を画像表示装置側からＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４（半透過
反射面と凹反射曲面とを含んだ１個の偏心プリズムで構
成する場合（実施例４）には、Ｓ４は存在しない。）と
し、射出瞳中心を通過して画像表示素子の表示面の中心
に到達する軸上主光線がＳ１〜Ｓ４面と交わる位置での
それらの面のパワーをＰｘＳ１，ＰｘＳ２，ＰｘＳ３，
ＰｘＳ４とするとき、 −２．０＜ＰｘＳ３／Ｐｘ＜３．５ ・・・（１） −２．５＜ＰｙＳ３／Ｐｙ＜３．５ ・・・（２） の何れかの条件式を満足することが重要である。
【００５４】この条件式は、光学系全系におけるＳ３面
でのパワーを規定する条件である。これらの条件式の下
限の−２．０あるいは−２．５を越えると、Ｓ３面のパ
ワーが負に強くなりすぎ、この面で発生する偏心収差を
他の面で補正することができなくなる。また、上限の
３．５を越えると、Ｓ３面のパワーが正に強くなりす
ぎ、この面で発生する偏心収差を他の面で補正すること
ができなくなる。
【００５５】さらに望ましくは、 −０．５＜ＰｘＳ３／Ｐｘ＜２．５ ・・・（１−１） −１．５＜ＰｙＳ３／Ｐｙ＜２．５ ・・・（２−１） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００５６】さらに望ましくは、 ０．５＜ＰｘＳ３／Ｐｘ＜１．８ ・・・（１−２） −０．５＜ＰｙＳ３／Ｐｙ＜１．５ ・・・（２−２） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００５７】また、 −２．０＜ＰｘＳ２／Ｐｘ＜３．５ ・・・（３） −１．５＜ＰｙＳ２／Ｐｙ＜４．５ ・・・（４） の何れかの条件式を満足することが重要である。
【００５８】この条件式は、光学系全系におけるＳ２面
でのパワーを規定する条件である。これらの条件式の下
限の−２．０あるいは−１．５を越えると、Ｓ２面のパ
ワーが負に強くなりすぎ、この面で発生する偏心収差を
他の面で補正することができなくなる。また、上限の
３．５あるいは４．５を越えると、Ｓ２面のパワーが正
に強くなりすぎ、この面で発生する偏心収差を他の面で
補正することができなくなる。
【００５９】さらに望ましくは、 −１．０＜ＰｘＳ２／Ｐｘ＜２．５ ・・・（３−１） −０．５＜ＰｙＳ２／Ｐｙ＜３．５ ・・・（４−１） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００６０】さらに望ましくは、 ０．０＜ＰｘＳ２／Ｐｘ＜１．５ ・・・（３−２） ０．５＜ＰｙＳ２／Ｐｙ＜２．５ ・・・（４−２） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００６１】また、本発明の画像表示装置のリレー光学
系部分を、画像表示素子から射出された像光をプリズム
内に入射させる第１面と、その第１面から入射した光束
を反射させる第２面と、その第２面から反射された光束
を反射させる第３面とを有し、第１面と第２面とを結ぶ
光路と第３面からの反射光路とがプリズム内で交差する
ように構成され、半透過反射面と凹反射曲面とから独立
した偏心プリズムで構成する場合（実施例１〜３）に、
その偏心プリズムのＸ方向のパワーををＰｘＨＰ、Ｙ方
向のパワーをＰｙＨＰとすると、 −１．５＜ＰｘＳ３／ＰｘＨＰ＜３．０ ・・・（５） −３．０＜ＰｙＳ３／ＰｙＨＰ＜２．５ ・・・（６） の何れかの条件式を満足することが重要である。
【００６２】これらの条件式は、画像表示素子側の偏心
プリズムにおけるＳ３面でのパワーを規定する条件であ
る。これらの条件式の下限の−１．５あるいは−３．０
を越えると、Ｓ３面のパワーが負に強くなりすぎ、この
面で発生する偏心収差を他の面で補正することができな
くなる。また、上限の３．０あるいは２．５を越える
と、Ｓ３面のパワーが正に強くなりすぎ、この面で発生
する偏心収差を他の面で補正することができなくなる。
【００６３】さらに望ましくは、 −０．５＜ＰｘＳ３／ＰｘＨＰ＜２．０ ・・・（５−１） −２．０＜ＰｙＳ３／ＰｙＨＰ＜１．５ ・・・（６−１） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００６４】さらに望ましくは、 ０．５＜ＰｘＳ３／ＰｘＨＰ＜１．０ ・・・（５−２） −１．０＜ＰｙＳ３／ＰｙＨＰ＜０．５ ・・・（６−２） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００６５】また、 −２．０＜ＰｘＳ２／ＰｘＨＰ＜２．５ ・・・（７） −２．０＜ＰｙＳ２／ＰｙＨＰ＜４．０ ・・・（８） の何れかの条件式を満足することが重要である。この条
件式は、画像表示素子側の偏心プリズムにおけるＳ２面
でのパワーを規定する条件である。これらの条件式の下
限の−２．０を越えると、Ｓ２面のパワーが負に強くな
りすぎ、この面で発生する偏心収差を他の面で補正する
ことができなくなる。また、上限の２．５あるいは４．
０を越えると、Ｓ２面のパワーが正に強くなりすぎ、こ
の面で発生する偏心収差を他の面で補正することができ
なくなる。
【００６６】さらに望ましくは、 −１．０＜ＰｘＳ２／ＰｘＨＰ＜１．５ ・・・（７−１） −１．０＜ＰｙＳ２／ＰｙＨＰ＜３．０ ・・・（８−１） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００６７】さらに望ましくは、 ０．０＜ＰｘＳ２／ＰｘＨＰ＜０．８ ・・・（７−２） ０．０＜ＰｙＳ２／ＰｙＨＰ＜２．０ ・・・（８−２） の何れかの条件式を満足することが重要である。これら
の条件式の上限及び下限の意味は上記条件式と同様であ
る。
【００６８】
【発明の実施の形態】次に、まず、本発明の具体的な数
値実施例１〜４について説明する。後述する各実施例の
構成パラメータにおいては、図１に示すように、逆光線
追跡で、軸上主光線２を、接眼光学系の射出瞳１の中心
を通り、像面（画像表示素子）３中心に到る光線で定義
する。そして、軸上主光線２と接眼光学系５の射出瞳１
に面する入射面（順光線追跡では射出面。具体的には、
実施例１、２においては、半透過鏡７の射出瞳１に面す
る側の面、実施例３においては、プリズム２０の射出面
２３、実施例４においては、プリズム１０の射出面１
５）、リレー光学系４の画像表示素子３に面する射出面
（順光線追跡では入射面。実施例１〜３においては、第
１プリズム１０の第１面１１、実施例４においては、プ
リズム１０の第１面１１）、リレー光学系４を構成する
プリズムの入射面（順光線追跡では射出面。実施例１〜
３においては、第１プリズム１０のの第４面１４、実施
例４においては、プリズム中の半透過反射面９の位置）
との交点を通り、入射面についてはその面に入射する軸
上主光線１に垂直に、射出面についてはその面から射出
する軸上主光線１に垂直に、それぞれ仮想面をとる。各
仮想面の交点を、その交点を通る光学面から次の仮想面
（最後の仮想面について像面）までの間の偏心光学面の
原点として、入射面の交点について定められた仮想面の
場合は、入射する軸上主光線１、射出面の交点について
定められた仮想面の場合は、射出する軸上主光線１に沿
う方向をＺ軸方向とし、軸上主光線１の進行方向に沿っ
た方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平
面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、
紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、
Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とす
る。図１には、各仮想面と、半透過鏡７の射出瞳１に面
する側の面の交点について定められた第１仮想面に関す
る座標系とを図示してある。実施例２〜４を示すそれぞ
れ図２〜図４については、これら仮想面と座標系の図示
は省く。
【００６９】実施例１〜４では、このＹ−Ｚ平面内で各
面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の
唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００７０】偏心面については、対応する座標系の原点
から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方
向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心
軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれ
α，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場
合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計
回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味
する。
【００７１】また、各実施例の光学系を構成する光学作
用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面
が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられてお
り、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って
与えられている。
【００７２】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が
自由曲面の軸となる。
【００７３】なお、データの記載されていない自由曲面
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。長さ
の単位はｍｍである。
【００７４】また、自由曲面の他の定義式として、以下
の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。
この面の形状は以下の式により定義する。その定義式の
Ｚ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面
の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定
義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回
りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００７５】 ｘ＝Ｒ×cos(A) ｙ＝Ｒ×sin(A) Ｚ＝Ｄ2 ＋Ｄ3 Ｒcos(A)＋Ｄ4 Ｒsin(A) ＋Ｄ5 Ｒ2 cos(2A)＋Ｄ6 （Ｒ2 −１）＋Ｄ7 Ｒ2 sin(2A) ＋Ｄ8 Ｒ3 cos(3A) ＋Ｄ9 （３Ｒ3 −２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ10（３Ｒ3 −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ11Ｒ3 sin(3A) ＋Ｄ12Ｒ4cos(4A)＋Ｄ13（４Ｒ4 −３Ｒ2 ）cos(2A) ＋Ｄ14（６Ｒ4 −６Ｒ2 ＋１）＋Ｄ15（４Ｒ4 −３Ｒ2 ）sin(2A) ＋Ｄ16Ｒ4 sin(4A) ＋Ｄ17Ｒ5 cos(5A) ＋Ｄ18（５Ｒ5 −４Ｒ3 ）cos(3A) ＋Ｄ19（１０Ｒ5 −１２Ｒ3 ＋３Ｒ）cos(A) ＋Ｄ20（１０Ｒ5 −１２Ｒ3 ＋３Ｒ）sin(A) ＋Ｄ21（５Ｒ5 −４Ｒ3 ）sin(3A) ＋Ｄ22Ｒ5 sin(5A) ＋Ｄ23Ｒ6cos(6A)＋Ｄ24（６Ｒ6 −５Ｒ4 ）cos(4A) ＋Ｄ25（１５Ｒ6 −２０Ｒ4 ＋６Ｒ2 ）cos(2A) ＋Ｄ26（２０Ｒ6 −３０Ｒ4 ＋１２Ｒ2 −１） ＋Ｄ27（１５Ｒ6 −２０Ｒ4 ＋６Ｒ2 ）sin(2A) ＋Ｄ28（６Ｒ6 −５Ｒ4 ）sin(4A) ＋Ｄ29Ｒ6sin(6A)・・・・・ ・・・（ｂ） なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ
4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ
20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００７６】その他の面の例として、次の定義式（ｄ）
があげられる。 Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ 例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したと
き、以下の式で表せる。 Ｚ＝Ｃ2 ＋Ｃ3 ｙ＋Ｃ4 ｜ｘ｜ ＋Ｃ5 ｙ2 ＋Ｃ6 ｙ｜ｘ｜＋Ｃ7 ｘ2 ＋Ｃ8 ｙ3 ＋Ｃ9 ｙ2 ｜ｘ｜＋Ｃ10ｙｘ2 ＋Ｃ11｜ｘ3 ｜ ＋Ｃ12ｙ4 ＋Ｃ13ｙ3 ｜ｘ｜＋Ｃ14ｙ2 ｘ2 ＋Ｃ15ｙ｜ｘ3 ｜＋Ｃ16ｘ4 ＋Ｃ17ｙ5 ＋Ｃ18ｙ4 ｜ｘ｜＋Ｃ19ｙ3 ｘ2 ＋Ｃ20ｙ2 ｜ｘ3 ｜ ＋Ｃ21ｙｘ4 ＋Ｃ22｜ｘ5 ｜ ＋Ｃ23ｙ6 ＋Ｃ24ｙ5 ｜ｘ｜＋Ｃ25ｙ4 ｘ2 ＋Ｃ26ｙ3 ｜ｘ3 ｜ ＋Ｃ27ｙ2 ｘ4 ＋Ｃ28ｙ｜ｘ5 ｜＋Ｃ29ｘ6 ＋Ｃ30ｙ7 ＋Ｃ31ｙ6 ｜ｘ｜＋Ｃ32ｙ5 ｘ2 ＋Ｃ33ｙ4 ｜ｘ3 ｜ ＋Ｃ34ｙ3 ｘ4 ＋Ｃ35ｙ2 ｜ｘ5 ｜＋Ｃ36ｙｘ6 ＋Ｃ37｜ｘ7 ｜ ・・・（ｃ） なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由
曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、
（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言う
までもない。
【００７７】実施例１〜４の光軸を含むＹ−Ｘ断面図を
それぞれ図１〜図４に示す。実施例１〜４は全て水平画
角３０°で０．４７インチのＬＣＤを想定しており、ま
た、画像表示素子３側に、第１面１１と、第１面１１か
ら入射した光束を反射させる第２面１２と、第２面１２
から反射された光束を反射させる第３面１３とを備え、
第１面１１と第２面１２とを結ぶ光路と第３面１３から
の反射光路とがプリズム内で交差するような光学面を有
するプリズム１０を用いており、これら第１面１１〜第
３面１３に面対称自由曲面を用いている。
【００７８】実施例１の画像表示装置は、図１に示すよ
うに、リレー光学系４を構成する第１プリズム１０と接
眼光学系５とからなり、第１プリズム１０は４つの光学
面１１〜１４からなり、その４つの面１１〜１４の間が
屈折率が１より大きい透明媒質で埋められている。ま
た、接眼光学系５は半透過反射面９を有する半透過鏡７
と凹面鏡８とからなる。逆光線追跡で、射出瞳１を通る
軸上主光線２は、接眼光学系５の半透過鏡７の半透過反
射面９とは反対側の平面から入射して半透過鏡７を通過
し、凹面鏡８で反対側に反射され、今度は半透過鏡７の
半透過反射面９で反射され、次に第１プリズム１０の透
過面である第４面１４に入射して第１プリズム１０内に
入り、反射面である第３面１３で反射され、次に反射面
の第２面１２で反射され、その反射光線は透過作用のみ
を有する第１面１１を透過して第１プリズム１０から射
出して、像面の位置に配置された画像表示素子３の表示
面に到達して結像する。そして、半透過鏡７の半透過反
射面９と第１プリズム１０の第４面１４との間に湾曲し
た中間像面６が形成されている。
【００７９】実際には画像表示素子３から射出された表
示光は上記の光路を逆に辿り、射出瞳１の位置に瞳が位
置する観察者の眼球内に拡大投影される。なお、画像表
示素子３として透過型ＬＣＤを用いても反射型ＬＣＤを
用いてもよいが、反射型ＬＣＤを用いる場合は、第１プ
リズム１０の第２面１２あるいは第３面１３を半透過反
射面として、それらの面の前方に配置された光源２５か
らの光をその半透過反射面を経て第１プリズム１０内に
入れ、第２面１２で反射させて（図示のように、第２面
１２から入射させる場合はそのまま）、第１面１１から
射出させてその反射型ＬＣＤを照明するようにすること
が望ましい。以下の実施例でも同様である。また、この
実施例では、凹面鏡８を半透過反射面とすることにより
外界のシースルーが可能になる。
【００８０】この実施例の凹面鏡８は球面鏡であり、全
光学系のＸ方向の焦点距離は１７．１５ｍｍ、Ｙ方向の
焦点距離は１７．７９ｍｍであり、瞳径はφ４．０ｍｍ
である。
【００８１】実施例２の画像表示装置は、図２に示すよ
うに、リレー光学系４を構成する第１プリズム１０と接
眼光学系５とからなり、第１プリズム１０は４つの光学
面１１〜１４からなり、その４つの面１１〜１４の間が
屈折率が１より大きい透明媒質で埋められている。ま
た、接眼光学系５は半透過反射面９を有する半透過鏡７
と凹面鏡８とからなる。逆光線追跡で、射出瞳１を通る
軸上主光線２は、接眼光学系５の半透過鏡７の半透過反
射面９側から入射して半透過鏡７で反射され、凹面鏡８
で反対側に反射され、今度は半透過鏡７を通過し、次に
第１プリズム１０の透過面である第４面１４に入射して
第１プリズム１０内に入り、反射面である第３面１３で
反射され、次に反射面の第２面１２で反射され、その反
射光線は透過作用のみを有する第１面１１を透過して第
１プリズム１０から射出して、像面の位置に配置された
画像表示素子３の表示面に到達して結像する。この実施
例の場合は、第１プリズム１０中の第４面１４と第３面
１３の間に湾曲した中間像面６が形成されている。
【００８２】実際には画像表示素子３から射出された表
示光は上記の光路を逆に辿り、射出瞳１の位置に瞳が位
置する観察者の眼球内に拡大投影される。この実施例の
場合は、射出瞳１前方に半透過反射面９しかないので、
このままで外界のシースルーが可能になる。
【００８３】この実施例の凹面鏡８は自由曲面形状の曲
面鏡であり、全光学系のＸ方向の焦点距離は１７．３０
ｍｍ、Ｙ方向の焦点距離は１７．３３ｍｍであり、瞳径
はφ４．０ｍｍである。
【００８４】実施例３の画像表示装置は、図３に示すよ
うに、リレー光学系４を構成する第１プリズム１０と接
眼光学系５を構成する第２プリズム２０とからなり、第
１プリズム１０は４つの光学面１１〜１４からなり、そ
の４つの面１１〜１４の間が屈折率が１より大きい透明
媒質で埋められている。第２プリズム２０は、プリズム
中に配置された半透過反射面９と、裏面鏡として構成さ
た凹面鏡２２（８）と、入射面２１と、射出面２３とか
らなる。逆光線追跡で、射出瞳１を通る軸上主光線２
は、第２プリズム２０の射出面２３からプリズム内に入
射して半透過反射面９で反射され、凹面鏡２２（８）で
反対側に反射され、今度は半透過反射面９を通過し、入
射面２１からプリズム外に射出し、次に第１プリズム１
０の透過面である第４面１４に入射して第１プリズム１
０内に入り、反射面である第３面１３で反射され、次に
反射面の第２面１２で反射され、その反射光線は透過作
用のみを有する第１面１１を透過して第１プリズム１０
から射出して、像面の位置に配置された画像表示素子３
の表示面に到達して結像する。この実施例の場合は、第
２プリズム２０中の入射面２１近傍に湾曲した中間像面
６が形成されている。
【００８５】実際には画像表示素子３から射出された表
示光は上記の光路を逆に辿り、射出瞳１の位置に瞳が位
置する観察者の眼球内に拡大投影される。この実施例の
第２プリズム２０の入射面２１、凹面鏡２２（８）は球
面で構成されており、全光学系のＸ方向の焦点距離は１
８．７６ｍｍ、Ｙ方向の焦点距離は１８．４１ｍｍであ
り、瞳径はφ４．０ｍｍである。
【００８６】実施例４の画像表示装置は、図４に示すよ
うに、リレー光学系４と接眼光学系５は１つのプリズム
１０で構成されており、そのプリズム１０は５つの光学
面１１〜１５とプリズム１０中に配置された半透過反射
面９とからなり、その５つの面１１〜１５の間が屈折率
が１より大きい透明媒質で埋められている。逆光線追跡
で、射出瞳１を通る軸上主光線２は、プリズム１０の第
５面１５からプリズム内に入射して半透過反射面９で反
射され、次に第４面１４が構成する凹面鏡８で反対側に
反射され、今度は半透過反射面９を通過し、次に反射面
である第３面１３で反射され、次に反射面の第２面１２
で反射され、その反射光線は透過作用のみを有する第１
面１１を透過して第１プリズム１０から射出して、像面
の位置に配置された画像表示素子３の表示面に到達して
結像する。この実施例の場合は、半透過反射面９と第３
面１３の間のプリズム中に湾曲した中間像面６が形成さ
れている。
【００８７】実際には画像表示素子３から射出された表
示光は上記の光路を逆に辿り、射出瞳１の位置に瞳が位
置する観察者の眼球内に拡大投影される。この実施例の
第１面１１〜第４面１４は自由曲面で構成されており、
全光学系のＸ方向の焦点距離は１７．７９ｍｍ、Ｙ方向
の焦点距離は１８．１８ｍｍであり、瞳径はφ４．０ｍ
ｍである。
【００８８】以下に上記実施例１〜４の構成パラメータ
を示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＨＲ
Ｐ”は仮想面、“ＲＳ”は反射面を示す。
【００８９】 実施例１ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞ （瞳面） 32.00 2 ∞ （ＨＲＰ１） 3 ∞ 偏心(1) 1.4922 57.5 4 ∞ 偏心(2) 5 -48.16（ＲＳ） 偏心(3) 6 ∞ （ＲＳ） 偏心(2) 7 ∞ （ＨＲＰ２） 偏心(4) 8 ＦＦＳ 偏心(5) 1.4922 57.5 9 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(6) 1.4922 57.5 10 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(7) 1.4922 57.5 11 ＦＦＳ 偏心(8) 12 ∞ （ＨＲＰ３） 8.46 偏心(9) 像 面 ∞ ＦＦＳ Ｃ4 1.1235×10-2 Ｃ6 5.2235×10-2 Ｃ8 -4.9368×10-3 Ｃ10 3.1015×10-3 Ｃ11 1.0181×10-4 Ｃ13 3.0334×10-5 Ｃ15 -2.9591×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 -7.0629×10-3 Ｃ6 5.9878×10-3 Ｃ8 -1.2169×10-3 Ｃ10 1.5230×10-3 Ｃ11 3.3560×10-5 Ｃ13 -8.2285×10-5 Ｃ15 2.0974×10-4 ＦＦＳ Ｃ4 8.1996×10-3 Ｃ6 1.4581×10-2 Ｃ8 -8.8947×10-4 Ｃ10 5.4462×10-4 Ｃ11 -4.4237×10-5 Ｃ13 -9.5349×10-6 Ｃ15 1.4762×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 -5.4275×10-2 Ｃ6 -2.8406×10-2 Ｃ8 -6.3344×10-3 Ｃ10 4.1841×10-3 Ｃ11 1.2388×10-4 Ｃ13 2.2282×10-4 Ｃ15 3.3460×10-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.49 Ｚ 1.63 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 0.49 Ｚ 15.50 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 21.19 Ｚ 1.63 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 13.58 α -20.75 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 7.10 Ｚ 5.55 α -61.49 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ -7.48 Ｚ 7.73 α -83.04 β 0.00 γ 0.00 偏心(9) Ｘ 0.00 Ｙ -7.48 Ｚ 7.73 α -80.73 β 0.00 γ 0.00 。
【００９０】 実施例２ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞ （瞳面） 32.00 2 ∞ （ＨＲＰ１） 3 ∞ （ＲＳ） 偏心(1) 4 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(2) 5 ∞ 偏心(1) 1.4922 57.5 6 ∞ 偏心(3) 7 ∞ （ＨＲＰ２） 偏心(4) 8 ＦＦＳ 偏心(5) 1.4922 57.5 9 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(6) 1.4922 57.5 10 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(7) 1.4922 57.5 11 ＦＦＳ 偏心(8) 12 ∞ （ＨＲＰ３） 4.37 偏心(9) 像 面 ∞ ＦＦＳ Ｃ4 1.2949×10-2 Ｃ6 8.7943×10-3 Ｃ8 -2.8166×10-5 Ｃ11 1.5791×10-7 Ｃ13 1.8422×10-6 Ｃ15 -1.1847×10-6 ＦＦＳ Ｃ4 4.8593×10-3 Ｃ6 3.8587×10-2 Ｃ8 -1.3058×10-3 Ｃ10 9.3848×10-4 Ｃ11 1.3998×10-4 Ｃ13 1.2985×10-4 Ｃ15 1.4469×10-4 ＦＦＳ Ｃ4 -1.0713×10-2 Ｃ6 9.4423×10-3 Ｃ8 1.4411×10-5 Ｃ10 7.5087×10-4 Ｃ11 7.7474×10-6 Ｃ13 5.1807×10-5 Ｃ15 6.6119×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 1.0709×10-2 Ｃ6 2.0989×10-2 Ｃ8 -1.1792×10-4 Ｃ10 1.1751×10-4 Ｃ11 4.5784×10-6 Ｃ13 1.7026×10-5 Ｃ15 2.1826×10-5 ＦＦＳ Ｃ４ ２．７３６０×10-3 Ｃ6 -5.3650×10-2 Ｃ8 -6.4859×10-4 Ｃ10 -2.3854×10-3 Ｃ11 -2.5665×10-4 Ｃ13 3.1764×10-4 Ｃ15 -4.8135×10-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -13.87 Ｚ 0.00 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 1.63 Ｚ 0.49 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 14.59 Ｚ 0.49 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 14.74 α -24.87 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 8.19 Ｚ 7.81 α -71.75 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ -7.97 Ｚ 6.75 α -90.43 β 0.00 γ 0.00 偏心(9) Ｘ 0.00 Ｙ -7.97 Ｚ 6.75 α -95.39 β 0.00 γ 0.00 。
【００９１】 実施例３ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞ （瞳面） 22.00 2 ∞ （ＨＲＰ１） 3 ∞ 偏心(1) 1.4922 57.5 4 ∞ （ＲＳ） 偏心(2) 1.4922 57.5 5 46.16 偏心(3) 1.4922 57.5 6 ∞ 偏心(2) 1.4922 57.5 7 21.44 偏心(4) 8 ∞ （ＨＲＰ２） 偏心(5) 9 ＦＦＳ 偏心(6) 1.4922 57.5 10 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(7) 1.4922 57.5 11 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(8) 1.4922 57.5 12 ＦＦＳ 偏心(9) 13 ∞ （ＨＲＰ３） 3.75 偏心(10) 像 面 ∞ ＦＦＳ Ｃ4 2.5605×10-2 Ｃ6 6.9971×10-2 Ｃ8 2.7542×10-3 Ｃ10 2.3554×10-3 Ｃ11 -1.0259×10-4 Ｃ13 4.0110×10-4 Ｃ15 -6.7103×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 -1.3050×10-2 Ｃ6 -9.2644×10-3 Ｃ8 2.0857×10-4 Ｃ10 1.2339×10-4 Ｃ11 -1.0853×10-5 Ｃ13 -5.7038×10-6 Ｃ15 1.4138×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 1.0040×10-2 Ｃ6 8.1423×10-3 Ｃ8 -5.2562×10-5 Ｃ10 -1.1967×10-4 Ｃ11 -1.4043×10-5 Ｃ13 -1.0513×10-5 Ｃ15 -1.2592×10-6 ＦＦＳ Ｃ4 2.0698×10-2 Ｃ6 -3.1565×10-2 Ｃ8 -1.4175×10-3 Ｃ10 1.6290×10-3 Ｃ11 -4.0580×10-5 Ｃ13 2.1474×10-4 Ｃ15 -1.1738×10-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 10.00 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -13.87 Ｚ 10.00 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 9.50 Ｚ 10.00 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 15.13 Ｚ 10.00 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 14.74 α -23.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 7.71 Ｚ 7.30 α -68.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(9) Ｘ 0.00 Ｙ -8.37 Ｚ 7.30 α -76.67 β 0.00 γ 0.00 偏心(10) Ｘ 0.00 Ｙ -8.37 Ｚ 7.30 α -96.79 β 0.00 γ 0.00 。
【００９２】 実施例４ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞ （瞳面） 22.00 2 ∞ （ＨＲＰ１） 3 ∞ 偏心(1) 1.4922 57.5 4 ∞ （ＲＳ） 偏心(2) 1.4922 57.5 5 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(3) 1.4922 57.5 6 ∞ 偏心(2) 1.4922 57.5 7 ∞ （ＨＲＰ２） 偏心(4) 1.4922 57.5 8 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(5) 1.4922 57.5 9 ＦＦＳ（ＲＳ） 偏心(6) 1.4922 57.5 10 ＦＦＳ 偏心(7) 11 ∞ （ＨＲＰ３） 6.27 偏心(8) 像 面 ∞ ＦＦＳ Ｃ4 1.2759×10-2 Ｃ6 8.6811×10-3 Ｃ8 -2.3027×10-5 Ｃ10 4.2348×10-6 Ｃ11 4.7429×10-7 Ｃ13 3.6744×10-6 Ｃ15 -1.9230×10-6 ＦＦＳ Ｃ4 -1.4396×10-2 Ｃ6 3.0583×10-3 Ｃ8 2.2655×10-4 Ｃ10 3.0158×10-4 Ｃ11 1.2388×10-5 Ｃ13 -1.5280×10-5 Ｃ15 8.0358×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 9.8336×10-3 Ｃ6 1.8822×10-2 Ｃ8 -4.1156×10-5 Ｃ10 1.9563×10-5 Ｃ11 3.5163×10-6 Ｃ13 -2.7404×10-6 Ｃ15 3.0271×10-5 ＦＦＳ Ｃ4 -1.6959×10-2 Ｃ6 -6.1766×10-2 Ｃ8 4.1156×10-4 Ｃ10 2.5521×10-4 Ｃ11 2.0350×10-6 Ｃ13 5.3092×10-4 Ｃ15 -1.3544×10-3 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 10.00 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -13.87 Ｚ 10.00 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 10.00 α 90.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 24.13 α -23.10 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 7.74 Ｚ 16.71 α -68.27 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ -9.69 Ｚ 16.61 α -83.41 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ -9.69 Ｚ 16.61 α -93.79 β 0.00 γ 0.00 。
【００９３】次に、上記実施例１の横収差図を図５に示
す。この横収差図において、括弧内に示された数字は
（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、
その画角における横収差を示す。
【００９４】次に上記実施例１〜４の前記条件式（１）
〜（８）に関する値は次の通りである。 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ （１） 0.7231 1.0890 1.4614 1.5291 （２） -0.6359 -0.9768 1.0184 -0.3319 （３） 0.0215 1.0886 1.1243 1.0445 （４） 1.5486 2.1712 0.8950 2.0426 （５） 0.6546 0.6935 0.7362 − （６） -0.6940 -0.8133 0.1562 − （７） 0.0194 0.6933 0.5664 − （８） 1.6899 1.8078 0.1373 − 。
【００９５】ところで、以上の実施例の本発明の画像表
示装置の観察光学系のリレー光学系４としては、４つの
光学面１１〜１４からなり、その４つの面１１〜１４の
間が屈折率が１より大きい透明媒質で埋められており、
画像表示素子３からの光束を入射させる第１面１１と、
第１面１１から入射した光束を反射させる第２面１２
と、第２面１２から反射された光束を反射させる第３面
１３と、第３面１３から反射された光束を射出させる第
４面１４とを備え、第１面１１と第２面１２とを結ぶ光
路と第３面１３からの反射光路とがプリズム内で交差す
る偏心プリズム１０を用いていたが（実施例４もこのよ
うなプリズム１０を接眼光学系５を構成するプリズムと
一体にしていると言える。）、リレー光学系４としては
このような光学系、偏心プリズムに限定されず、種々の
偏心反射結像光学系を用いることができる。図６〜図１
１にその例を示す。
【００９６】図６の場合は、リレー光学系４として、偏
心配置の凹面鏡１０’を用いており、画像表示素子３か
らの光束をこの凹面鏡１０’で反射させ、中間像面６に
中間像を結像し、その後に接眼光学系５により射出瞳の
位置に瞳が位置する観察者の眼球Ｅ内に画像表示素子３
の表示像を拡大投影する。なお、図６においては、接眼
光学系５の構成としては、図１のような半透過鏡７の前
方に凹面鏡８を配置した構成のものを用いているが、実
施例２〜４のような凹面鏡８を観察者の眼球Ｅの視野外
に配置する構成、半透過鏡７と凹面鏡８を一体にしてプ
リズム化した構成のものでもよい。以下、図７〜図１１
のものにおいても同様である。
【００９７】図７の場合は、リレー光学系４として、第
１面１１、第２面１２、第３面１３からなる偏心プリズ
ム１０を用いており、画像表示素子３からの光束をこの
プリズム１０の第１面１１から入射させ、第２面１２で
反射させ、第３面１３を経てプリズム外に出し、その後
に接眼光学系５により射出瞳の位置に瞳が位置する観察
者の眼球Ｅ内に画像表示素子３の表示像を拡大投影す
る。
【００９８】図８の場合は、リレー光学系４として、第
１面１１、第２面１２、第３面１３からなる偏心プリズ
ム１０を用いており、画像表示素子３からの光束をこの
プリズム１０の第１面１１から入射させ、第２面１２で
全反射させ、次に第３面１３で反射させ、今度は第２面
１２を透過させてプリズム外に出し、その後に接眼光学
系５により射出瞳の位置に瞳が位置する観察者の眼球Ｅ
内に画像表示素子３の表示像を拡大投影する。
【００９９】図９の場合は、リレー光学系４として、第
１面１１、第２面１２、第３面１３からなる偏心プリズ
ム１０を用いており、画像表示素子３からの光束をこの
プリズム１０の第１面１１から入射させ、第２面１２で
反射させ、今度は第１面１１で全反射させ、次に第３面
１３を経てプリズム外に出し、その後に接眼光学系５に
より射出瞳の位置に瞳が位置する観察者の眼球Ｅ内に画
像表示素子３の表示像を拡大投影する。
【０１００】図１０の場合は、リレー光学系４として、
第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４から
なる偏心プリズム１０を用いており、画像表示素子３か
らの光束をこのプリズム１０の第１面１１から入射さ
せ、第２面１２で反射させ、今度は第１面１１で全反射
させ、次に第３面１３でＺ字型の光路をなすように反射
させ、次に第４面１４を経てプリズム外に出し、その後
に接眼光学系５により射出瞳の位置に瞳が位置する観察
者の眼球Ｅ内に画像表示素子３の表示像を拡大投影す
る。
【０１０１】図１１の場合は、リレー光学系４として、
第１面１１、第２面１２、第３面１３、第４面１４から
なる偏心プリズム１０を用いており、画像表示素子３か
らの光束をこのプリズム１０の第１面１１から入射さ
せ、第２面１２で反射させ、第３面１３でＺ字型の光路
をなすように反射させ、次に第４面１４を経てプリズム
外に出し、その後に接眼光学系５により射出瞳の位置に
瞳が位置する観察者の眼球Ｅ内に画像表示素子３の表示
像を拡大投影する。
【０１０２】ところで、図１２に例示するように、接眼
光学系５を、リレー光学系４からの光束が入射する入射
面２１と、プリズム中に配置された半透過反射面９と、
その半透過反射面９の前方に配置された裏面鏡の半透過
凹面鏡２２（８）と、射出面２３とからなる第２プリズ
ム２０で構成し、入射面２１から入射した光束を半透過
反射面９で反射させ、その後に半透過凹面鏡２２（８）
によって反射させ、その後半透過反射面９を透過させ、
射出面２３から射出させて画像表示素子の表示像を拡大
表示すると共に、半透過凹面鏡２２（８）から入射し、
プリズム２０を横断し、射出面２３から射出した外界光
によって外界をシースルー可能にする場合には、第２プ
リズム２０の半透過凹面鏡２２（８）と射出面２３とを
略同一の平行な曲面で構成することが望ましい。そのと
きには、これらの両面を通過する外界からの光束に加え
られる歪曲収差発生量が、これらの面の有効面内におけ
る中心から１／３の径の領域において１０％の範囲内と
なる。逆に言えば、これらの面の有効面内における中心
から１／３の径の領域において歪曲収差発生量が１０％
の範囲内となるようにこれらの面の曲面形状を構成する
ことが望ましい。
【０１０３】さて、以上に説明したような画像表示装置
を１組用意し、片眼装着用に構成しても、また、そのよ
うな組を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して
支持することにより、両眼装着用に構成してもよい。そ
のようにして、片眼あるいは両眼で観察できる据え付け
型又はポータブル型の画像表示装置として構成すること
ができる。
【０１０４】片眼に装着する構成にした場合に画像表示
装置を観察者頭部に装着した状態を図１３に（この場合
は、左眼に装着）、両眼に装着する構成にした場合の同
様の状態を図１４にそれぞれ示す。また、図１５にその
断面図を示す。本発明による観察光学系を図１５の断面
に示すように用いており（この場合は、実施例４のよう
な形状の観察光学系を用いている。）、この観察光学系
と反射型ＬＣＤ３とそれを照明する光源２５とからなる
表示装置本体部３１を、図１３の場合は観察者の顔面の
左眼の前方に１組、図１４の場合は観察者の顔面の両眼
の前方に別々に２組保持されるよう支持部材が頭部を介
して固定している。なお、接眼光学系の射出瞳１に面す
る射出面（図１５の場合は第５面１５）を保護するため
に、図１５に示すように、射出瞳とその射出面の間にカ
バー部材２６が配置されている。このカバー部材２６と
しては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れ
を用いてもよい。
【０１０５】表示装置本体部３１の支持部材としては、
一端を表示装置本体部３１に接合し、観察者のこめかみ
から耳の上部にかけて延在する左右の前フレーム３２
と、前フレーム３２の他端に接合され、観察者の側頭部
を渡るように延在する左右の後フレーム３３とから（図
１３の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム３
３の他端に挟まれるように自らの両端を一方づつ接合
し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム３４とから
（図１４の場合）構成されている。
【０１０６】また、前フレーム３２における上記の後フ
レーム３３との接合近傍には、弾性体からなり例えば金
属板バネ等で構成されたリヤプレート３５が接合されて
いる。このリヤプレート３５は、上記支持部材の一翼を
担うリヤカバー３６が観察者の後頭部から首のつけねに
かかる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように
接合されている（図１４の場合）。リヤプレート３５又
はリヤカバー３６内にの観察者の耳に対応する位置にス
ピーカー３９が取り付けられている。
【０１０７】映像・音声信号等を外部から送信するため
のケーブル４１が表示装置本体部３１から、頭頂フレー
ム３４（図１４の場合）、後フレーム３３、前フレーム
３２、リヤプレート３５の内部を介してリヤプレート３
５あるいはリヤカバー３６の後端部より外部に突出して
いる。そして、このケーブル４１はビデオ再生装置４０
に接続されている。なお、図中、４０ａはビデオ再生装
置４０のスイッチやボリュウム調整部である。
【０１０８】なお、ケーブル４１は先端をジャックし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしても構わな
い。
【０１０９】以上の本発明の画像表示装置は例えば次の
ように構成することができる。 〔１〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成
された画像を観察者眼球位置に導く観察光学系とを有す
る画像表示装置において、前記観察光学系が、少なくと
も、前記画像表示素子から射出された光束に反射時にパ
ワーを与える偏心曲面形状を有し、かつ、前記偏心曲面
の反射によって発生する偏心収差を補正するような回転
非対称な面形状を有した像源側反射面と、前記像源側反
射面を反射した光束を透過又は反射するハーフミラーコ
ーティングされた半透過反射面と、前記半透過反射面と
の間に折り返し光路を形成し前記半透過反射面側に凹面
を向けた形状の凹反射曲面とを備え、前記像源側反射面
と前記半透過反射面との間に前記画像表示素子の像を拡
大した中間像を形成するように構成されていることを特
徴とする画像表示装置。
【０１１０】〔２〕 前記観察光学系が、屈折率が１よ
りも大きい媒質を挟んだ第１面と第２面の少なくとも２
つの面を有し、前記第１面が前記画像表示素子から射出
された光束を前記媒質内に入射させる入射面にて構成さ
れ、前記第２面が前記像源側反射面として構成され、か
つ、前記第１面と前記第２面とが前記中間像と前記画像
表示素子との間に配置されていることを特徴とする上記
１記載の画像表示装置。
【０１１１】〔３〕 前記第１面が前記第２面で発生す
る偏心収差の補正を助ける作用を持った回転非対称な曲
面形状にて構成されていることを特徴とする上記２記載
の画像表示装置。
【０１１２】〔４〕 前記観察光学系が、前記第１面と
前記第２面と共に前記屈折率が１よりも大きい媒質を挟
んだ第３面を有し、前記第３面が少なくとも反射時に光
束にパワーを与える曲面形状であって偏心収差を補正す
る回転非対称な面形状を有した反射面にて構成され、か
つ、前記第３面が前記第１面と前記半透過反射面との間
の光路上に配置されていることを特徴とする上記２又は
３記載の画像表示装置。
【０１１３】〔５〕 前記観察光学系の半透過反射面と
前記凹反射曲面とが、前記画像表示素子からの光束を前
記半透過反射面を透過させ、その後に前記凹反射曲面に
よって反射させ、その後前記半透過反射面によって光束
を反射させるように構成されていることを特徴とする上
記１から４の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１１４】〔６〕 前記半透過反射面と前記凹反射曲
面とが、前記画像表示素子からの光束を前記半透過反射
面で反射させ、その後に前記凹反射曲面によって反射さ
せ、その後前記半透過反射面によって光束を透過させる
ように構成されていることを特徴とする上記１から４の
何れか１項記載の画像表示装置。
【０１１５】〔７〕 前記凹反射曲面が前記観察光学系
全体で発生する偏心収差を補正する作用を持った回転非
対称な曲面形状にて構成されていることを特徴とする上
記１から６の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１１６】〔８〕 前記凹反射曲面が、前記画像表示
素子からの光束を反射すると共に、外界光を入射させる
反射作用と透過作用とを兼用する面にて構成されている
ことを特徴とする上記６又は７記載の画像表示装置。
【０１１７】
〔９〕 前記凹反射曲面が、屈折率が１よ
りも大きい媒質を挟んだ略平行な２つの凹曲面間の薄肉
部材にて構成され、前記外界光が前記凹反射曲面を介し
て入射する際に発生する収差を補正するように構成され
構成されていることを特徴とする上記８記載の画像表示
装置。
【０１１８】〔１０〕 前記凹反射曲面の２つの凹曲面
間の薄肉部材の厚さは、０．１ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲
内にて構成されていることを特徴とする上記９記載の画
像表示装置。
【０１１９】〔１１〕 前記凹反射曲面を通過する光束
に加えられる歪曲収差発生量が、有効面内における中心
から１／３の径の領域において１０％の範囲内となるよ
うに、前記凹反射曲面の２つの凹曲面の形状が構成され
ていることを特徴とする上記９又は１０記載の画像表示
装置。
【０１２０】〔１２〕 前記観察光学系が、少なくとも
前記第１面と前記第２面とを含んだ第１プリズムと、前
記第１プリズムとは別体に配置された前記半透過反射面
と、前記第１プリズムと前記半透過反射面と別体に配置
された前記凹反射曲面とを有するように構成されている
ことを特徴とする上記２から１１の何れか１項記載の画
像表示装置。
【０１２１】〔１３〕 前記観察光学系が、少なくとも
前記第１面と前記第２面とを含んだ第１プリズムと、前
記半透過反射面と前記凹反射曲面とを少なくとも有する
第２プリズムとを有するように構成されていることを特
徴とする上記２から１１の何れか１項記載の画像表示装
置。
【０１２２】〔１４〕 前記観察光学系が、少なくとも
前記第１面と前記第２面と前記半透過反射面と前記凹反
射曲面とを含んだプリズムにて構成されていることを特
徴とする上記２から１１の何れか１項記載の画像表示装
置。
【０１２３】〔１５〕 前記半透過反射面が平面形状に
て構成されていることを特徴とする上記１から１４の何
れか１項記載の画像表示装置。
【０１２４】〔１６〕 前記観察光学系の有する少なく
とも１面の回転非対称な曲面が、対称面を１面のみ有す
る面対称自由曲面形状にて構成されていることを特徴と
する上記１から１５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２５】〔１７〕 前記観察光学系と、前記観察光
学系の光束を観察者眼球に導くために前記観察光学系を
観察者頭部に保持できるように形成された支持部材とを
有することを特徴とする上記１から１６の何れか１項記
載の画像表示装置。
【０１２６】〔１８〕 前記画像表示素子から射出され
た光束を前記媒質内に入射させる第１面と、前記第１面
から入射した光束を反射させる第２面と、前記第２面か
ら反射された光束を反射させる第３面とを有し、前記第
１面と前記第２面とを結ぶ光路と前記第３面からの反射
光路とが前記媒質内で交差するように構成されており、
全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な
面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方
向とするとき、光学系全系のＸ方向のパワーの絶対値を
Ｐｘ、Ｙ方向のパワーの絶対値をＰｙとし、前記第２面
のパワーをＰｘＳ２、前記第３面のパワーをＰｘＳ３と
するとき、 −２．０＜ＰｘＳ３／Ｐｘ＜３．５ ・・・（１） −２．５＜ＰｙＳ３／Ｐｙ＜３．５ ・・・（２） の何れかの条件式を満足することを特徴とする上記１２
から１７の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２７】〔１９〕 前記画像表示素子から射出され
た光束を前記媒質内に入射させる第１面と、前記第１面
から入射した光束を反射させる第２面と、前記第２面か
ら反射された光束を反射させる第３面とを有し、前記第
１面と前記第２面とを結ぶ光路と前記第３面からの反射
光路とが前記媒質内で交差するように構成されており、
全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な
面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方
向とするとき、光学系全系のＸ方向のパワーの絶対値を
Ｐｘ、Ｙ方向のパワーの絶対値をＰｙとし、前記第２面
のパワーをＰｘＳ２、前記第３面のパワーをＰｘＳ３と
するとき、 −２．０＜ＰｘＳ２／Ｐｘ＜３．５ ・・・（３） −１．５＜ＰｙＳ２／Ｐｙ＜４．５ ・・・（４） の何れかの条件式を満足することを特徴とする上記１２
から１８の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２８】〔２０〕 前記画像表示素子から射出され
た光束を前記媒質内に入射させる第１面と、前記第１面
から入射した光束を反射させる第２面と、前記第２面か
ら反射された光束を反射させる第３面とを有し、前記第
１面と前記第２面とを結ぶ光路と前記第３面からの反射
光路とが前記媒質内で交差するように構成されており、
全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な
面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方
向とするとき、光学系全系のＸ方向のパワーの絶対値を
Ｐｘ、Ｙ方向のパワーの絶対値をＰｙとし、前記第２面
のパワーをＰｘＳ２、前記第３面のパワーをＰｘＳ３と
し、前記第１プリズムのＸ方向のパワーををＰｘＨＰ、
Ｙ方向のパワーをＰｙＨＰとすると、 −１．５＜ＰｘＳ３／ＰｘＨＰ＜３．０ ・・・（５） −３．０＜ＰｙＳ３／ＰｙＨＰ＜２．５ ・・・（６） の何れかの条件式を満足することを特徴とする上記１
２、１３、１５から１９の何れか１項記載の画像表示装
置。
【０１２９】〔２１〕 前記画像表示素子から射出され
た光束を前記媒質内に入射させる第１面と、前記第１面
から入射した光束を反射させる第２面と、前記第２面か
ら反射された光束を反射させる第３面とを有し、前記第
１面と前記第２面とを結ぶ光路と前記第３面からの反射
光路とが前記媒質内で交差するように構成されており、
全光学系の偏心方向がＹ軸方向で、軸上主光線と平行な
面をＹ−Ｚ面とし、そのＹ−Ｚ面と直交する方向をＸ方
向とするとき、光学系全系のＸ方向のパワーの絶対値を
Ｐｘ、Ｙ方向のパワーの絶対値をＰｙとし、前記第２面
のパワーをＰｘＳ２、前記第３面のパワーをＰｘＳ３と
し、前記第１プリズムのＸ方向のパワーををＰｘＨＰ、
Ｙ方向のパワーをＰｙＨＰとすると、 −２．０＜ＰｘＳ２／ＰｘＨＰ＜２．５ ・・・（７） −２．０＜ＰｙＳ２／ＰｙＨＰ＜４．０ ・・・（８） の何れかの条件式を満足することを特徴とする上記１
２、１３、１５から２０の何れか１項記載の画像表示装
置。
【０１３０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、画像表示素子の中間像を形成するリレー光学
系と半透過鏡と凹面鏡からなる接眼光学系とからなる画
像表示装置において、リレー光学系部分に偏心光学系を
用いて光路を折り曲げることにより光学系をさらにコン
パクト化することができると共に、リレー光学系での中
間像拡大率を大きくして接眼光学系の凹面鏡部分のパワ
ーを小さく保ったまま広画角を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の画像表示装置の光路図であ
る。
【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光路図であ
る。
【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光路図であ
る。
【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の光路図であ
る。
【図５】実施例１の横収差図である。
【図６】本発明の画像表示装置のリレー光学系の１つの
変形例を示す図である。
【図７】本発明の画像表示装置のリレー光学系の別の変
形例を示す図である。
【図８】本発明の画像表示装置のリレー光学系の別の変
形例を示す図である。
【図９】本発明の画像表示装置のリレー光学系の別の変
形例を示す図である。
【図１０】本発明の画像表示装置のリレー光学系の別の
変形例を示す図である。
【図１１】本発明の画像表示装置のリレー光学系の別の
変形例を示す図である。
【図１２】本発明の画像表示装置の接眼光学系の１形態
における半透過凹面鏡と射出面の面形状を説明するため
の図である。
【図１３】本発明による頭部装着型で片眼装着用の画像
表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図１４】本発明による頭部装着型で両眼装着用の画像
表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図１５】図１３、図１４の断面図である。
【図１６】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説
明するための概念図である。
【図１７】偏心した反射面により発生する非点収差を説
明するための概念図である。
【図１８】偏心した反射面により発生するコマ収差を説
明するための概念図である。
【図１９】偏心光学系及び光学面のパワーの定義を説明
するための図である。
【符号の説明】
１…射出瞳 ２…軸上主光線 ３…像面（画像表示素子） ５…接眼光学系 ４…リレー光学系 ６…中間像面 ７…半透過鏡 ８…凹面鏡 ９…半透過反射面 １０…（第１）プリズム １０’…凹面鏡 １１…第１面 １２…第２面 １３…第３面 １４…第４面 １５…第５面 ２０…第２プリズム ２１…入射面 ２２…裏面鏡として構成さた凹面鏡 ２３…第２プリズムの射出面 ２５…光源 ２６…カバー部材 ３１…表示装置本体部 ３２…前フレーム ３３…後フレーム ３４…頭頂フレーム ３５…リヤプレート ３６…リヤカバー ３９…スピーカー ４１…ケーブル ４０…ビデオ再生装置 ４０ａ…ボリュウム調整部 Ｍ…凹面鏡 Ｓ…偏心光学系 E …観察者眼球

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 画像表示素子と、前記画像表示素子によ
    り形成された画像を観察者眼球位置に導く観察光学系と
    を有する画像表示装置において、 前記観察光学系が、少なくとも、前記画像表示素子から
    射出された光束に反射時にパワーを与える偏心曲面形状
    を有し、かつ、前記偏心曲面の反射によって発生する偏
    心収差を補正するような回転非対称な面形状を有した像
    源側反射面と、前記像源側反射面を反射した光束を透過
    又は反射するハーフミラーコーティングされた半透過反
    射面と、前記半透過反射面との間に折り返し光路を形成
    し前記半透過反射面側に凹面を向けた形状の凹反射曲面
    とを備え、前記像源側反射面と前記半透過反射面との間
    に前記画像表示素子の像を拡大した中間像を形成するよ
    うに構成されていることを特徴とする画像表示装置。
  2. 【請求項２】 前記観察光学系が、屈折率が１よりも大
    きい媒質を挟んだ第１面と第２面の少なくとも２つの面
    を有し、前記第１面が前記画像表示素子から射出された
    光束を前記媒質内に入射させる入射面にて構成され、前
    記第２面が前記像源側反射面として構成され、かつ、前
    記第１面と前記第２面とが前記中間像と前記画像表示素
    子との間に配置されていることを特徴とする請求項１記
    載の画像表示装置。
  3. 【請求項３】 前記観察光学系が、前記第１面と前記第
    ２面と共に前記屈折率が１よりも大きい媒質を挟んだ第
    ３面を有し、前記第３面が少なくとも反射時に光束にパ
    ワーを与える曲面形状であって偏心収差を補正する回転
    非対称な面形状を有した反射面にて構成され、かつ、前
    記第３面が前記第１面と前記半透過反射面との間の光路
    上に配置されていることを特徴とする請求項２記載の画
    像表示装置。
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