JPWO2016181459A1

JPWO2016181459A1 - プリズム光学系、プリズム光学系を用いた画像表示装置及びプリズム光学系を用いた撮像装置

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Publication number: JPWO2016181459A1
Application number: JP2017517482A
Authority: JP
Inventors: 高橋　浩一; 浩一高橋
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US10444481B2; WO2016181459A1; US20180067289A1

Abstract

【課題】非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い光学素子を含み、画像周辺まで高い解像性能を有し、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能なプリズム光学系を提供する。【解決手段】プリズム光学系は、光学作用を有する少なくとも５面の光学面を有し、少なくとも５面の前記光学面のうち少なくとも３面は回転非対称面であり、光が入射或いは射出する２面のうち１面は１回の透過作用と少なくとも１回の内部反射作用を有する光学素子を含み、入射瞳から前記光学素子を介して像面に向かう光線において、光路に沿って前記像面に最も近い反射面の少なくとも１部は負のパワーを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、回転非対称面を用いたプリズム光学系、プリズム光学系を用いた画像表示装置及びプリズム光学系を用いた撮像装置に関するものである。

従来、プリズム光学系は、例えば、複数の光学面を有するプリズムであり、画像表示素子を観察する光学系として用いる場合には、表示素子から発した光がプリズム内に入射し、プリズム内部で反射してプリズムから射出し、観察者眼球に到達することにより拡大された虚像として画像を観察できるようにしたものである。この点に関する先行技術としては、例えば、少なくとも３つの反射面により１次像を形成して眼球に投影するプリズムによるもの（特許文献１参照）、ホログラム素子を眼鏡レンズ部に配置したものなどが提案されている（特許文献1、２又は３参照）。

また、従来のその他のプリズム光学系としては、平行四辺形柱プリズムで複数回反射して観察者眼球の前に配置し、接眼レンズによって眼球に投影するものや、導光板と接眼レンズによって眼球に投影するものなどが提案されている（特許文献４又は５参照）。さらに、互いに偏心した５面の光学面を組合せて構成したプリズムを用いて、画像表示素子の画像を観察者眼球に投影するものが開示されている（特許文献６参照）。

特開２００８−０７６４２９号公報特開２００７−０９４１７５号公報特開２００４−３２５９８５号公報特開２００１−２６４６８１号公報特開２００６−００３８７９号公報特開２０１２−０２７３５０号公報

特許文献１では、３つの反射面での３回の反射により、表示素子から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。このような光路の折り曲げのために、表示素子側の素子形状が大きくなる。また、眼鏡のフレーム等に保持し、レンズの外側に配置する提案がされているが、導光路が外部に出っ張り、外観上好ましくない。

文献２及び３にはホログラム素子を利用した方法が提案されている。これによると、ホログラムによる回折を利用して光学系を薄型にしたレイアウトが可能である。しかしながら、ホログラムには別の問題もある。ホログラム素子は製造が非常に困難であり、コストも高い。

また、波長選択性が高いため、波長の非常に狭いレーザー光線のような光源を用いるか、またはＬＥＤの一部の波長のみを利用するといった方法が取られており、レーザー光源はまだまだ３原色の小型化されたチップは開発途上であり高コストで、消費電力も高く、眼鏡に組み込めるものではない。また、ＬＥＤ光源を利用したものは狭帯域のバンドパスフィルターを通過させるため光の利用効率が低い。

さらにホログラム素子の課題として、低消費電力であり、自発光タイプで照明系もいらず、小型化に有利な有機ＥＬパネルが使用できない。有機ＥＬパネルはＬＥＤよりも波長帯が比較的広く、ホログラム素子との組み合わせは効率が悪く、不要光も多くなり画質を確保できない。

文献４では、表示装置の射出瞳位置が使用者の眼球の瞳あるいはその回旋中心近傍にあるため、作動距離が長くなると頭部装着型表示装置の接眼窓の口径がそれにつれて比例的に大きくなり、結果、小型・軽量の頭部装着型表示装置は実現し得ず、外界視野も大きく遮蔽していた。また、外部から装着者を見たときに目を完全に覆ってしまっており、装着者の自然な表情が伝わらないといった問題も生じていた。

文献５では、導光板あるいはプリズムと接眼レンズを組合せる必要があり、複数の光学素子を筐体内に配置させる。したがって、棒状の光学部材支持部材が配置されるため外観上問題があった。さらに、組立、調整の工数がかかり、耐水性などの装置の耐性にも問題があった。

文献６では、互いに偏心した５面の光学面を組合せて構成したプリズムを用いて、画像表示素子の画像を観察者眼球に投影するものであるが、軸外の収差補正に対してあまり考慮されていないため、画面周辺の像面湾曲、歪み補正がわずかに足りず、画面中心と比較して画面周辺の結像性能が多少落ちるものであった。

本発明にかかる実施形態は、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、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い光学素子を含み、画像周辺まで高い解像性能を有し、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影すること、又は入射瞳を介して外界の物体を撮像素子に撮像することが可能なプリズム光学系を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のプリズム光学系は、光学作用を有する少なくとも５面の光学面を有し、少なくとも５面の前記光学面のうち少なくとも３面は回転非対称面であり、光が入射或いは射出する２面のうち１面は１回の透過作用と少なくとも１回の内部反射作用を有する光学素子を含み、入射瞳から前記光学素子を介して像面に向かう光線において、光路に沿って前記像面に最も近い反射面の少なくとも１部は負のパワーを有することを特徴とする。

また、本発明のプリズム光学系では、前記光学素子は、入射してから射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面としての透過面、かつ内部反射面である第１面と、前記第１面に対向した内部反射面である第２面と、前記第１面に対向しかつ前記第２面に隣接した内部反射面である第３面と、前記第１面に対向しかつ前記第３面に隣接した内部反射面であり、前記像面に最も近い反射面を構成する第４面と、前記第１面に隣接しかつ前記第４面に対向した透過面である第５面と、によって構成されている。

また、本発明のプリズム光学系では、原点であるダミー面に含まれる１点から前記入射瞳中心を通り、前記入射瞳を形成する面に垂直な中心主光線の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、前記Ｚ軸と前記像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、前記原点を通り前記Ｙ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸正方向とし、前記Ｘ軸、前記Ｚ軸と右手直交座標系を構成し、前記原点から前記像面中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸とするとき、前記第４面は、前記Ｙ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第４面は、前記Ｘ−Ｚ面内において、正のパワーを有する回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第４面の前記中心主光線が反射する位置のＹ方向の曲率をcx(x,y)とし、前記第１面の前記中心主光線が透過する位置のＸ方向の曲率をcy(x,y)とするとき、以下の条件式（１）を満足する。
−４＜cy(x,y)／cx(x,y)＜−０．０１（１）

また、本発明のプリズム光学系では、前記第４面は、前記Ｘ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第１面の少なくとも1回の内部反射は、全反射作用を用いる。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第１面は、回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第１面は、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有する。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第３面は、回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第２面は、回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第２面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有する。

また、本発明の画像表示装置は、前記光学素子の前記第５面に対向して画像表示素子を配備し、前記第１面の透過領域に対向して観察者の眼を配備することで、前記観察者に拡大した虚像を呈示する。

また、本発明の撮像装置は、前記光学素子の前記第５面に対向して撮像素子を配備し、第１面の透過領域の前方近傍に開口絞りを配備することで、外界像を撮像する。

以上の本発明のプリズム光学系においては、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子を含み、画像周辺まで高い解像性能を有し、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能なプリズム光学系を提供することができる。

本実施形態のプリズム光学系の構成を示す図である。本実施形態の実施例１のプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。本実施形態の実施例１のプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。本実施形態の実施例１のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。本実施形態の実施例１のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。本実施形態の実施例２のプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。本実施形態の実施例２のプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。本実施形態の実施例２のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。本実施形態の実施例２のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。本実施形態の実施例３のプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。本実施形態の実施例３のプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。本実施形態の実施例３のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。本実施形態の実施例３のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。プリズム光学系を用いた画像表示装置の基本構成を示す図である。プリズム光学系を用いた画像表示装置の側面図である。プリズム光学系を用いた他の例の画像表示装置の側面図である。プリズム光学系を用いた頭部装着型画像表示装置を示す図である。プリズム光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の正面図である。本実施形態のプリズム光学系を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の概念図である。

図１は、本実施形態のプリズム光学系の構成を示す図である。

本実施形態のプリズム光学系１は、撮像装置Ｃとして用いる場合には、プリズム光学系１の入射瞳ＥｎＰを通過した光線が、プリズム光学系１に入射し、プリズム光学系１を介して撮像素子２ａの撮像面である像面Ｉｍに結像して、実像を形成する。一方、プリズム光学系１を画像表示装置Ｄとして用いる場合には、画像表示素子２ｂの表示面である像面Ｉｍから射出した光線が、プリズム光学系１に入射し、プリズム光学系１を介して射出瞳ＥｘＰを形成し、その射出瞳ＥｘＰの近傍またはその前方にある観察者眼球に入射して、拡大した虚像を形成する。この場合には、逆光線追跡による設計を行うことが設計の便宜上有効であり、その場合には、撮像系と同じ光学系として認識することができる。

また、本実施形態の座標系は、観察者の仮想瞳孔位置としてダミー面を設定し、このダミー面に含まれる１点から原点Ｏである入射瞳ＥｎＰの中心を通り、入射瞳ＥｎＰを形成する面に垂直な中心主光線ＣＬの進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸と像面Ｉｍの中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点Ｏを通りＹ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成し、原点Ｏから像面Ｉｍの中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸とする。

本実施形態にかかるプリズム光学系１は、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子１０によって、入射瞳ＥｎＰを介して外界の物体を撮像素子２ａに撮像すること、及び、画像表示素子２ｂの画像を虚像として観察者眼球に投影することを可能とする。また、プリズム光学系１によって、軸外まで良好に収差補正されて、画面周辺まで解像力が高く、かつ低いディストーションで歪みの少ない画像を撮像または投影することが可能となる。

さらに、本実施形態では、撮像素子２ａとこのプリズム光学系１を用いることで、小型軽量で低コスト化が可能な撮像装置Ｃを提供する。また、本実施形態では、画像表示素子２ｂとこのプリズム光学系１を用いることで、小型軽量、低コスト化が可能でかつ、装着した人が客観的に違和感の少ない画像表示装置Ｄを提供する。例えば、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察することを可能とするとともに、小型軽量・低コスト化が可能な頭部装着型画像表示装置を提案する。プリズム光学系１は、光学性能の影響が少ない場合には、光学素子１０以外にカバーやフィルタ等を含んでもよい。

そのために本実施形態にかかるプリズム光学系１は、光学作用を有する少なくとも５面の光学面を有し、少なくとも５面の光学面のうち少なくとも３面は回転非対称面であり、光が入射或いは射出する２面のうち１面は１回の透過作用と少なくとも１回の内部反射作用を有する光学素子１０を含み、入射瞳ＥｎＰから光学素子１０を介して像面Ｉｍに向かう光線において、光路に沿って像面Ｉｍに最も近い反射面の少なくとも１部は負のパワーを有する。

このような構成により、光学面を５面用いたプリズム光学系１として各面の光学的な機能を有効に使うことができ、表示系の場合、画像表示素子２０の画像を複数回反射させて観察者眼球に導くことができるため、プリズム光学系１の形状の自由度が増し、画像表示素子２ｂと射出瞳ＥｘＰの相対的な位置、光線の入射角、射出角を所望の状態にすることができる。

さらに、画像表示装置Ｄとして用いるときは射出面、撮像装置Ｃとして用いるときには入射面として用いられる第１面１１は、入出力面であるので、透過作用を有するが、その面は内部で反射する作用も同時に有する面とすることで、その透過領域とプリズム光学系１の内部における反射領域をオーバーラップすることができ、さらに内部反射を２回とすることで、１つの面で２回の反射をさせるため、面のつなぎ目を意識せずに２つの反射領域をオーバーラップさせることも可能である。したがって、プリズム光学系１自体をコンパクトにすることが可能であり、装置の小型軽量化に有効に作用する。

また、像面Ｉｍに最も近い最終反射面１４にて反射する光は、像面Ｉｍに近いため細い光束径の状態である。そのため、光路上、像面Ｉｍに最も近い反射面１４の一部が負のパワーを有することによって、軸外収差補正に有効に作用する。軸外収差として考慮すべきなのは、像面湾曲、ディストーションである。一般に正のパワーによって結像する光学系においては、像面Ｉｍに対して像面湾曲は負の方向に発生するため、その直前に位置する像面Ｉｍに最も近い反射面１４の一部に負のパワーを持たせることによって、像面湾曲補正が可能となる。さらに、同様の光学系において、ディストーションは負（樽型）になる傾向があり、直前に位置する像面Ｉｍに最も近い反射面１４の一部に負のパワーを持たせることによって、ディストーション補正が可能となる。

このように、像面Ｉｍに最も近い反射面１４の一部が負のパワーを有することによって、プリズム光学系の軸外収差である像面湾曲、及びディストーションが補正されるため、画面周辺までクリアーで歪みの少ない画像を撮像、観察することができる。さらに、プリズム光学素子１０がコンパクトな形状となり、画像表示装置Ｄの場合には装着者の違和感や煩わしさを軽減する。また、撮像装置の場合には、装置全体の小型軽量化に貢献する。

また、プリズム光学系１では、光学素子１０は、入射してから射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面としての透過面、かつ内部反射面である第１面１１と、第１面１１に対向した内部反射面である第２面１２と、第１面１１に対向しかつ第２面１２に隣接した内部反射面である第３面１３と、第１面１１に対向しかつ第３面１３に隣接した内部反射面であり、像面Ｉｍに最も近い反射面を構成する第４面１４と、第１面１１に隣接しかつ第４面１４に対向した透過面である第５面１５と、によって構成されている。

上記のような光学面の構成のプリズム光学系１によれば、第１面１１は、第２面１２と第３面１３と第４面１４に対向した面となるためプリズムは左右の面内で多重反射をすることになり、非常に小さいプリズム光学系１としての光学素子１０でありながら実際の光路長は長くできる。また、プリズム形状は曲面を有する略棒状になり、後述する眼鏡のガラスの外形状に沿った形状にすることも可能である。さらに、眼鏡のガラス枠の一部として使用することも可能である。

このように、プリズム状の光学素子１０が小さく、略棒状にしたために、画像表示装置Ｄを観察者の眼球前方に配備する場合には、観察者の外界視野の妨げる面積を小さくすることができる。

さらに、プリズム光学系１は第１面１１にて２回の内部反射を行い、その前後の第２面１２、第３面１３、第４面１４で内部反射を行うようにしたため、第４面１４の傾きを適切な角度にすることで像面Ｉｍに配置する撮像素子２ａ又は画像表示素子２ｂを所望の角度に配置することができる。また、第２面１２の傾きを適切な角度にすることによって観察者眼球の設定を所望の位置、角度にすることができる。したがって、このような構成のプリズム光学系１によると観察者に対して邪魔にならないように、ある程度自由な相対位置、相対角度で画像表示素子２ｂを設置できる。

この結果、ユーザーは外界像を観察するシーアラウンド機能における死角を低減することができ、より快適に装着して使用することができる。さらに、形状の自由度が高いことで、本発明のプリズム光学系１を眼鏡のフレームの一部として用いることができ、画像表示装置Ｄを装着した人を客観的に見て違和感の無いものにすることが可能である。

また、第４面１４は、Ｙ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面であることが好ましい。

Ｙ−Ｚ面内においては、プリズム光学系１が大きく偏心（チルト及びシフト）をしており、その中の光路はジグザグに反射されている。このような光学系の場合には、Ｙ−Ｚ面内の偏心収差が大きく発生するため、ザイデル収差と共にその偏心収差補正を行う必要がある。軸外の偏心収差としては非対称な像面湾曲、像面の倒れを考慮する。

さらに、偏心収差として非対称なディストーションも発生するが、像面の補正と同様に回転非対称面とすることで複雑な非対称ディストーションを補正することが必要となる。

そこで、像面Ｉｍに最も近い反射面としての第４面１４では、その複雑な軸外偏心収差補正を行うために、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有する回転非対称面とすることが重要となる。負のパワーによって、上述したように光学系が持つ軸外収差を補正し、回転非対称にすることで、偏心による軸外収差を補正する。

また、第４面１４は、Ｘ−Ｚ面内において、正のパワーを有する回転非対称面であることが好ましい。

Ｘ−Ｚ面内においては、プリズム光学系１を構成する光学面が偏心していない場合には、偏心収差補正を考慮しなくてもよい。さらに、光学素子１０が持つ軸外収差を補正するよりも、正のパワーを有することが望ましい場合も発生する。

画角が比較的小さい場合には、軸外収差が大きく発生しない場合があり、球面収差、コマ収差などの補正を重視したほうが良い結果となる場合がある。その場合には、第４面のＸ−Ｚ面内のパワーを正パワーとして、光学系全体の正パワーを分散することで、球面収差、コマ収差の発生を抑える方が光学性能向上に効果的となる。

また、第４面１４の中心主光線ＣＬが反射する位置のＹ方向の曲率をcx(x,y)とし、第１面１１の中心主光線ＣＬが透過する位置のＸ方向の曲率をcy(x,y)とするとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
−４＜cy(x,y)／cx(x,y)＜−０．０１（１）

条件式（１）を満たしていることで、第４面１４がＹ−Ｚ面内において負のパワーを有し、Ｘ−Ｚ面内においては正のパワーを有し、５面で構成されたプリズム光学系１のＹ−Ｚ面内、Ｘ−Ｚ面内のそれぞれにおいて、より好ましい性能を実現できる。

条件式（１）の下限を超えて小さい値の場合には、Ｙ−Ｚ面内とＸ−Ｚ面内の曲率の差が大きくなりすぎてしまい、特にＹ−Ｚ面内の負のパワーが大きくなりすぎ、ディストーションや像面湾曲が補正過多となる。

条件式（１）の上限を超えて大きい値の場合には、Ｘ−Ｚ面内の正のパワーが大きくなりすぎ、ディストーションや像面湾曲の補正が十分に行われない。

さらに好ましくは、以下の条件式（１）’を満足することが好ましい。
−２．０＜cy(x,y)／cx(x,y)＜−０．０２（１）’

また、第４面１４は、Ｘ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面であることが好ましい。

Ｘ−Ｚ面内においては、プリズム光学系１を構成する光学面が偏心していないことも考えられる。その場合には、偏心収差補正を考慮しなくてもよいが、光学系が持つ軸外収差を補正するため、負のパワーを有することが望ましい。

また、第１面１１の少なくとも1回の内部反射は全反射作用を用いることが好ましい。

このように、第１面１１の内部反射を全反射面とすることで、第１面１１は反射コートをしなくても内部反射をすることができる。全反射する領域は透明なため、光は透過できるので、第１面１１を入射面または射出面として用いる場合に、ハーフミラーコーティング、ＨＯＥなどの特殊な手段を講じる必要がない。さらに、全反射なので、反射率は略100％であり、金属コートに比べて反射率が高いため、全体の効率の低下を抑制する。

この結果、プリズム光学系１を製造する場合に特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造できる。さらに、反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置となる。

また、プリズム光学系１において、第１面１１は回転非対称面であることが好ましい。

第１面１１は、透過面、かつ少なくとも２回の内部反射を行う面のため、透過作用、及び反射作用を受ける際にこの面による大きな収差補正効果が得られる。

この結果、収差が良好に補正された像を得ることができる。したがって、画像表示装置Ｄとして用いる場合には、歪みの少なく、鮮明な映像を観察できる。撮像装置Ｃとして用いる場合にも同様に、歪みが少なく、高い解像の画像を撮影できる。

また、プリズム光学系１において、第１面１１はＸ−Ｚ面内において負のパワーを有することが好ましい。

第１面１１は、２回の内部反射を行う面であり、その内部反射は全反射であることが望ましい。全反射条件は、反射点における入射角が臨界角以上である必要がある。プリズムの硝材の屈折率ｎの場合には、臨界角θｃは θｃ＝arcsin(1/n)で与えられる。例えば、ｎ＝1.5の場合には、θｃ＝41.81°となる。したがって、第１面１１への入射角が41.81°以上の角度であれば、全反射するのだが、第１面１１が正パワーを持った面であれば、斜め上方からの入射光に対してある部分では面の法線の方向が入射光の方向に向くため、入射角は小さい傾向になり、全ての光束が臨界角以上の入射角にすることは難しい。第１面１１が、中心主光線ＣＬを含むＹ−Ｚ面内において、入射光に対して凸面を向けた負のパワーを持っていれば、全ての光束に対して入射角は大きくなる傾向を示し、全反射条件を満たすのに有効となる。

この結果、プリズム光学系１を製造する場合に通常の反射コーティング以外、特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造できる。さらに、全反射は反射コートよりも反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置となる。

また、プリズム光学系１において、第３面１３は回転非対称面であることが好ましい。

第３面１３は内部反射を行う面であり、さらに、この面はプリズム光学系１の中間位置にあるため、第１面１１の透過及び内部反射による負のパワーによって各光束が比較的大きい断面積になるため、反射作用を受ける際にこの面における偏心による球面収差やコマ収差が発生しやすい。この偏心による収差を大きく発生させないようにすることは、プリズム光学系１全体の性能向上に望ましいことである。

また、プリズム光学系１において、第２面１２は回転非対称面であることが好ましい。

第２面１２は内部反射面である。撮像装置Ｃの場合を考えると、この面は光学系の入射瞳および入射面の直後に位置するため、入射角の異なる各光束の断面積は略同等で比較的大きく、この面の偏心（チルト）によるコマ収差が発生しやすい。偏心収差が発生する面でその収差補正を行うこと、つまり、偏心収差を大きく発生させないようにすることが光学系全体の性能向上に望ましい。

また、プリズム光学系１において、第２面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有することが好ましい。

第２面１２は、中心主光線ＣＬを含むＹＺ面内において、内部反射を行う正のパワーを有する面であることが有効である。第１面１１を負のパワーを有する面とするならば、光学系が結像系にするためには第２面１２、第３面１３、第４面１４のいずれか、または複数面を正のパワーを有する面とする必要がある。入射瞳ＥｎＰから略平行光を入射して像面Ｉｍを形成する撮像系の場合で考えると、第２面１２を正のパワーとすることにより、プリズム光学系１のパワー配置を考慮すると、入射光は入射後の第１面に負のパワーの後に、すぐに正のパワーとなり、プリズム光学系１全体のパワーを正にする作用が比較的容易に得られる。

さらに、本実施形態の画像表示装置Ｄは、プリズム光学系１の第５面１５に対向して画像表示素子２ｂを配備し、第１面１１の透過領域に対向して観察者の眼を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示することが好ましい。

画像表示素子２ｂから発した光は、プリズム光学系１の第５面１５から入射し、第４面１４、第１面１１、第３面１３、第１面１１、第２面１２で５回の内部反射した後、第１面１１から光は略平行光となって射出し、観察者眼球の瞳孔に入射する。

このような構成の画像表示装置Ｄによれば、観察者は拡大された虚像を観察することができる。

また、射出瞳ＥｘＰはプリズム光学系１の第１面の射出窓近傍または第１面１１と観察者眼球の間に形成されることが好ましい。

画像表示素子２ｂの射出瞳ＥｘＰをプリズム光学系１の第１面１１の近傍または第１面１１と観察者眼球の間に形成されることで、観察画像周縁の光束のケラレを小さくできる。このような構成の画像表示装置Ｄによれば、観察者は画面の周辺まで鮮明な画像を観察することができる。

さらに、本発明にかかる撮像装置Ｃは、プリズム光学系１の第５面１５に対向して撮像素子２ａを配備し、第１面１１の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備することで、外界像を撮像することができる。

プリズム光学系１の第１面１１の下側近傍に円形の開口を持つ開口絞りＳを配備し、第５面１５に対向してＣＣＤ等の撮像素子を配備することで、開口絞りＳを通過しプリズムの第１面１１から入射した光は、第２面１２、第１面１１、第３面１３、第１面１１、第４面１４で５回の内部反射をして第５面１５から射出して撮像素子２ａに到達し、光は集光する。

このような構成によれば、小型軽量化された撮像装置Ｃを実現することができる。

以下、実施例に基づいて本実施形態のプリズム光学系１について説明する。

これら光学系の構成パラメータは後記するが、例えば図１に示すように、観察者の観察する位置（瞳孔位置）をプリズム光学系１の逆光線追跡におけるダミー面とし、ダミー面を通る光線が、プリズム光学系１を経て、撮像素子２ａに向かう撮像系の光線追跡、及び、画像表示素子２ｂに向かう表示系の逆光線追跡の結果に基づくものである。

座標系は、図１に示すように、ダミー面ｒ１と中心主光線ＣＬとの交点Ｏを偏心光学系の光学原点Ｏとし、原点Ｏからプリズム光学系１側へ向かう中心主光線ＣＬの方向をＺ軸正方向とし、原点Ｏから画像表示素子２側でＺ軸に直交する方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、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。

また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

また、本発明にかかる実施形態で用いられる自由曲面の面の形状は、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する。

Ｚ＝（ｒ²／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）²｝］
∞
＋Σ Ｃ_jＸ^mＹⁿ ・・・（ａ）
^j=1
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。

球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²）
である。

自由曲面項は、
₆₆
Σ Ｃ_jＸ^mＹⁿ
^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
・・・・・・
ただし、Ｃ_j（ｊは１以上の整数）は係数である。

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、Ｃ₂₇、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。

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、Ｃ₂₃、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。

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。

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、本発明の自由曲面は、対称面を１面のみ有する回転非対称な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。

次に、本実施形態の実施例について説明する。

図２は、本実施形態の実施例１のプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。図３は、本実施形態の実施例１のプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。図４及び図５は、本実施形態の実施例１のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。

実施例１のプリズム光学系１は、入射面としての透過面、かつ内部反射面である第１面１１と、第１面１１に対向した内部反射面である第２面１２と、第１面１１に対向しかつ第２面１２に隣接した内部反射面である第３面１３と、第１面１１に対向しかつ第３面１３に隣接した内部反射面であり、像面に最も近い反射面を構成する第４面１４と、第１面１１に隣接しかつ第４面１４に対向した透過面である第５面１５と、によって構成されている光学素子１０を含む。

回転非対称面としての自由曲面は、第１面１１、第２面１２、第３面１３、及び第４面１４である。

撮像系の場合、光束は、第１面１１を透過して光学素子１０に入射し、第２面１２で内部反射し、第１面１１で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第１面１１で内部反射し、第４面１４で内部反射し、第５面１５を透過してプリズム光学系１から射出し、像面Ｉｍに像を形成する。

表示系の場合、逆光線追跡で、光束は、第５面１５を透過して光学素子１０に入射し、第４面１４で内部反射し、第１面１１で内部反射し、第３面１３で内部反射し、第１面１１で内部反射し、第２面１２で内部反射し、第１面１１を透過してプリズム光学系１から射出する。

図６は、本実施形態の実施例２のプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。図７は、本実施形態の実施例２のプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。図８及び図９は、本実施形態の実施例２のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。

実施例２のプリズム光学系１は、逆光線追跡における入射面としての透過面、かつ内部反射面である第１面１１と、第１面１１に対向した内部反射面である第２面１２と、第１面１１に対向しかつ第２面１２に隣接した内部反射面である第３面１３と、第１面１１に対向しかつ第３面１３に隣接した内部反射面であり、像面に最も近い反射面を構成する第４面１４と、第１面１１に隣接しかつ第４面１４に対向した透過面である第５面１５と、によって構成されている光学素子１０を含む。

図１０は、本実施形態の実施例３のプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。図１１は、本実施形態の実施例３のプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。図１２及び図１３は、本実施形態の実施例３のプリズム光学系全体の横収差図を示す図である。

実施例３のプリズム光学系１は、逆光線追跡における入射面としての透過面、かつ内部反射面である第１面１１と、第１面１１に対向した内部反射面である第２面１２と、第１面１１に対向しかつ第２面１２に隣接した内部反射面である第３面１３と、第１面１１に対向しかつ第３面１３に隣接した内部反射面であり、像面に最も近い反射面を構成する第４面１４と、第１面１１に隣接しかつ第４面１４に対向した透過面である第５面１５と、によって構成されている光学素子１０を含む。

以下に、上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。

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 ∞（ダミー面） 0.00
2 絞り面 0.00 偏心(1)
3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
8 FFS[4] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
9 ∞ 0.00 偏心(6)
10 ∞ 0.00 偏心(7)
像面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -4.3281e-002 Ｃ6 -1.5662e-001 Ｃ8 6.8174e-003
Ｃ10 -1.1761e-003 Ｃ11 -4.8076e-004 Ｃ13 -8.1235e-004
Ｃ15 4.7909e-004 Ｃ17 1.1573e-004 Ｃ19 3.0998e-005
Ｃ21 4.7949e-006 Ｃ22 3.6016e-007 Ｃ24 -8.7227e-006
Ｃ26 -1.9086e-006 Ｃ28 -3.4639e-006

FFS[2]
Ｃ4 -1.2484e-002 Ｃ6 -1.1577e-002 Ｃ8 -7.2834e-005
Ｃ10 -4.0446e-005 Ｃ11 -1.2599e-005 Ｃ13 1.2521e-007
Ｃ15 2.0398e-006

FFS[3]
Ｃ4 -1.1545e-002 Ｃ6 -9.0290e-003 Ｃ8 3.5115e-004
Ｃ10 2.3751e-004 Ｃ11 -3.1467e-005 Ｃ13 2.1809e-005
Ｃ15 8.3907e-006 Ｃ17 -3.9784e-007 Ｃ19 1.5985e-006
Ｃ21 4.3226e-007

FFS[4]
Ｃ4 -3.9660e-003 Ｃ6 4.6220e-003 Ｃ8 -2.5575e-004
Ｃ10 1.0111e-004 Ｃ11 -1.0411e-005 Ｃ13 5.8183e-006
Ｃ15 -2.4468e-005 Ｃ17 -2.1875e-006 Ｃ19 -4.6611e-006
Ｃ21 -2.7422e-006

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -11.14 Ｚ 14.74
α -64.85 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -5.42 Ｚ 19.13
α -29.33 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 13.92 Ｚ 21.29
α 14.57 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 20.17 Ｚ 18.84
α 20.16 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 21.81 Ｚ 15.03
α -29.68 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 22.63 Ｚ 12.79
α -20.00 β 0.00 γ 0.00

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 ∞（ダミー面） 0.00
2 絞り面 0.00 偏心(1)
3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
8 FFS[4] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
9 ∞ 0.00 偏心(6)
10 ∞ 0.00 偏心(7)
像面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -1.8441e-002 Ｃ6 -1.1201e-002 Ｃ8 8.3033e-004
Ｃ10 5.4819e-004 Ｃ11 -1.8981e-005 Ｃ13 -4.5693e-005
Ｃ15 -4.7393e-005 Ｃ17 -2.8595e-007 Ｃ19 2.0649e-006
Ｃ21 2.0130e-006 Ｃ22 1.3939e-007 Ｃ24 8.0133e-008
Ｃ26 -2.5868e-008 Ｃ28 -3.4775e-008

FFS[2]
Ｃ4 -1.1002e-002 Ｃ6 -3.0220e-003 Ｃ8 3.2404e-004
Ｃ10 -8.8065e-005 Ｃ11 -3.7848e-006 Ｃ13 -8.4278e-006
Ｃ15 3.7775e-007

FFS[3]
Ｃ4 -1.8532e-002 Ｃ6 -1.4244e-002 Ｃ8 4.5530e-004
Ｃ10 1.3328e-004 Ｃ11 -1.1385e-005 Ｃ13 -1.8310e-005
Ｃ15 -1.2761e-005 Ｃ17 6.5322e-007 Ｃ19 6.7078e-007
Ｃ21 6.4319e-008

FFS[4]
Ｃ4 -5.9883e-004 Ｃ6 3.1193e-004 Ｃ8 2.3311e-004
Ｃ10 1.7427e-005 Ｃ11 -7.2186e-007 Ｃ13 2.0729e-005
Ｃ15 -2.2180e-006 Ｃ17 1.4516e-006 Ｃ19 -1.3306e-007
Ｃ21 -9.4438e-007

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 10.15 Ｚ 20.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 8.89 Ｚ 20.04
α 0.95 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 4.92 Ｚ 21.83
α -22.85 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 16.56 Ｚ 25.14
α 3.87 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 32.45 Ｚ 20.50
α 21.95 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 35.15 Ｚ 14.00
α -27.47 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 38.86 Ｚ 3.82
α -20.00 β 0.00 γ 0.00

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 ∞（ダミー面） 0.00
2 絞り面 0.00 偏心(1)
3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
8 FFS[4] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
9 ∞ 0.00 偏心(6)
10 ∞ 0.00 偏心(7)
像面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.2853e-002 Ｃ5 -1.7050e-003 Ｃ6 2.5968e-003
Ｃ7 -4.6064e-005 Ｃ8 3.4217e-004 Ｃ9 7.8387e-005
Ｃ10 2.2531e-004 Ｃ11 -2.7281e-005 Ｃ12 -1.4220e-005
Ｃ13 1.7186e-005 Ｃ14 4.4297e-007 Ｃ15 -3.9147e-005
Ｃ16 -7.6072e-007 Ｃ17 2.2808e-007 Ｃ18 1.9559e-006
Ｃ19 -8.5698e-007 Ｃ20 -4.1911e-008 Ｃ21 1.5100e-006
Ｃ22 1.9476e-007 Ｃ23 2.3761e-008 Ｃ24 9.0444e-008
Ｃ25 -5.1442e-008 Ｃ26 8.4923e-009 Ｃ27 -1.5955e-010
Ｃ28 -1.9539e-008 Ｃ67 2.7000e+001

FFS[2]
Ｃ4 -1.1688e-002 Ｃ5 -6.0364e-004 Ｃ6 1.2232e-003
Ｃ7 -4.2456e-005 Ｃ8 3.3290e-004 Ｃ9 9.7235e-005
Ｃ10 -4.5317e-004 Ｃ11 -4.7710e-006 Ｃ12 5.6142e-006
Ｃ13 -1.2120e-005 Ｃ14 -5.6772e-006 Ｃ15 1.9824e-005
Ｃ67 1.4000e+001

FFS[3]
Ｃ4 -2.0389e-002 Ｃ6 -5.7908e-003 Ｃ8 2.8410e-004
Ｃ10 1.3862e-006 Ｃ11 -8.2994e-006 Ｃ13 -8.8314e-006
Ｃ15 -1.3995e-005 Ｃ17 1.3031e-006 Ｃ19 -2.8655e-008
Ｃ21 3.2629e-007 Ｃ67 2.0000e+001

FFS[4]
Ｃ4 -1.2582e-003 Ｃ6 3.9997e-005 Ｃ8 2.3346e-005
Ｃ10 -1.5353e-005 Ｃ11 1.1285e-005 Ｃ13 8.2584e-006
Ｃ15 -1.7561e-005 Ｃ17 1.4387e-006 Ｃ19 1.7918e-006
Ｃ21 -2.6767e-006 Ｃ67 2.0000e+001

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -3.14 Ｚ 18.16
α 3.35 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.99 Ｚ 22.09
α -23.97 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 9.45 Ｚ 25.04
α 2.33 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 28.24 Ｚ 21.28
α 17.59 β 7.50 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ -0.00 Ｙ 30.51 Ｚ 15.92
α -27.65 β 7.78 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 3.63 Ｙ 32.98 Ｚ 8.95
α -19.66 β 15.00 γ 0.00

以下の表は、各実施例の条件式（１）に対応する値を示す。

図１４は、プリズム光学系１を用いた画像表示装置Ｄの基本構成を示す図である。

本実施形態の画像表示装置Ｄは、プリズム光学系１と画像表示素子２ｂとを用いることで、小型軽量、低コスト化が可能でかつ、装着した人が客観的に違和感の少ない画像表示装置Ｄを提供することを目的としている。

本実施形態の画像表示装置Ｄは、画像表示素子２ｂとして液晶表示素子を用いている。液晶表示素子を用いる場合、光源としてのバックライトＢＬを必要とする。本実施形態では、バックライトＢＬと画像表示素子２との間に照明レンズＬを有する。

本実施形態の画像表示装置Ｄは、このような構成により、画像表示素子２ｂから射出された画像光を正のパワーを持つプリズム光学系１によって眼球方向に屈曲させるとともに、観察者が虚像として画像を観察することを可能とする。

また、射出部の近傍を開口絞りＳとなるよう機能させることで、プリズム自体を薄く細くしても映像を観察することができる。

さらに、画像表示素子２ｂが液晶表示素子である場合には、バックライトＢＬが必要であり、照明の効率上、光源の像を射出窓近傍に位置させることが望ましい

また、画像表示装置Ｄから出射する中心主光線を眼球の正面方向よりもやや外側になるように配置することが好ましい。これにより、視界の正面を表示画面や反射部で邪魔することがない。また、光路を短くすることができ、プリズム光学系１をよりコンパクトにすることができる。

図１５は、プリズム光学系１を用いた画像表示装置Ｄの側面図である。

図１５に示すように、プリズム光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍ未満に設定すると、プリズム光学系１の上下から観察者の瞳Ｅにプリズム光学系１の後ろの風景を見ることが可能となり、シースルー効果を出すことができる。

図１６は、プリズム光学系１を用いた他の例の画像表示装Ｄ置の側面図である。

図１６に示すように、プリズム光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を４ｍｍ以上にすると、長い縦幅により、上下方向のズレに対して許容範囲を広くすることができる。

図１７は、プリズム光学系１を用いた頭部装着型の画像表示装置Ｄを示す図である。図１８は、プリズム光学系１を用いた頭部装着型の画像表示装置Ｄの正面図である。

本実施形態の画像表示装置Ｄは、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察すること（シースルー機能）を可能とするとともに、小型軽量・低コスト化が可能な頭部装着型画像表示装置を提案する。

図１７に示すように、プリズム光学系１は、眼鏡Ｇに装着することが可能である。正面方向を向いた画像表示素子２ｂから射出された画像光は、プリズム光学系１により瞳孔へ向けて射出される。プリズム光学系１は正のパワーを持ち、画像表示素子２ｂの画像を拡大し、装着者は虚像として観察することができる。また、画像表示素子２ｂを略テンプル部Ｇ１に沿った方向（矢印Ｔ方向）に沿って前後することで観察者の視度に合わせて調整できる。なお、画像表示素子２ｂの中心から射出する第１の中心主光線ＣＬ１とプリズムから射出し、観察者瞳孔中心に到達する第２の中心主光線ＣＬ２によって出来る角度は０°〜４０°であることが望ましい。

図１で示した画像表示装置Ｄは、図１８に示すように、正面から見ると、プリズム光学系１が観察者の瞳Ｅに対向して配置され、観察者に拡大した虚像を呈示することが可能となる。

本実施形態のプリズム光学系１は、画像表示素子２ｂに代えて、撮像素子２ａとともに用いることで、小型軽量で低コスト化が可能な撮像装置を提供することが可能である。

図１９は、本実施形態のプリズム光学系１を撮像装置Ｃであるデジタルカメラに適用した場合の概念図である。

撮像装置Ｃに本発明のプリズム光学系１を適用する場合には、画像表示装置Ｄにおける射出瞳が入射瞳として作用し、瞳位置近傍に開口絞り２２を設ける。この絞りの開口を拡縮して明るさの調整を行う。さらに、表示素子の代わりに撮像素子２３を配備する。

カメラ本体２４には、光を取り入れ、内部の汚れを防ぐことにもなる入射窓２５、スイッチ２６、シャッター２７、及び操作、撮像の様子を確認するための背面パネル２８が装備されている。スイッチ２６をＯＮにしてシャッター２７を押すと、撮像素子２３に付属したシャッター（図示せず）が作動し、シャッタースピードで設定された時間の静止画を撮像素子（CCD）２３で撮像し、画像記録メモリー２９に画像データが蓄積される。動画像の場合は、静止画と同様の動作だがシャッターを開放にして撮像素子２３で取り込んだ動画像をメモリーに蓄積する。

１…プリズム光学系
２ａ…撮像素子
２ｂ…画像表示素子
Ｃ…撮像装置
Ｄ…画像表示装置

また、本発明のプリズム光学系では、原点であるダミー面に含まれる１点から前記入射瞳中心を通り、前記入射瞳を形成する面に垂直な中心主光線の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、前記Ｚ軸と前記像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、前記原点を通り前記Ｙ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、前記Ｘ軸、前記Ｚ軸と右手直交座標系を構成し、前記原点から前記像面中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸正方向とするとき、前記第４面は、前記Ｙ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面である。

また、本発明のプリズム光学系では、前記第４面の前記中心主光線が反射する位置のＹ方向の曲率をcy(x,y)とし、前記第４面の前記中心主光線が透過する位置のＸ方向の曲率をcx(x,y)とするとき、以下の条件式（１）を満足する。
−４＜cy(x,y)／cx(x,y)＜−０．０１（１）
ここで、位置(x,y)における面形状をf (x,y)とすると、位置(x,y)におけるＸ方向の曲率cx (x,y)及びＹ方向の曲率cy (x,y)は、それぞれ以下のように表される。

また、本実施形態の座標系は、観察者の仮想瞳孔位置としてダミー面を設定し、このダミー面に含まれる１点から原点Ｏである入射瞳ＥｎＰの中心を通り、入射瞳ＥｎＰを形成する面に垂直な中心主光線ＣＬの進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸と像面Ｉｍの中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点Ｏを通りＹ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成し、原点Ｏから像面Ｉｍの中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸正方向とする。

また、第４面１４の中心主光線ＣＬが反射する位置のＹ方向の曲率をcy(x,y)とし、第４面１１の中心主光線ＣＬが透過する位置のＸ方向の曲率をcx(x,y)とするとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
−４＜cy(x,y)／cx(x,y)＜−０．０１（１）
ここで、位置(x,y)における面形状をf (x,y)とすると、位置(x,y)におけるＸ方向の曲率cx (x,y)及びＹ方向の曲率cy (x,y)は、それぞれ以下のように表される。

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 ∞（ダミー面） 0.00
2 絞り面 0.00 偏心(1)
3 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
4 FFS[2] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
5 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
6 FFS[3] 0.00 偏心(4) 1.5254 56.2
7 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
8 FFS[4] 0.00 偏心(5) 1.5254 56.2
9 ∞ 0.00 偏心(6)
10 ∞ 0.00 偏心(7)
像面 ∞ 0.00

FFS[1]
Ｃ4 -2.2853e-002 Ｃ5 -1.7050e-003 Ｃ6 2.5968e-003
Ｃ7 -4.6064e-005 Ｃ8 3.4217e-004 Ｃ9 7.8387e-005
Ｃ10 2.2531e-004 Ｃ11 -2.7281e-005 Ｃ12 -1.4220e-005
Ｃ13 1.7186e-005 Ｃ14 4.4297e-007 Ｃ15 -3.9147e-005
Ｃ16 -7.6072e-007 Ｃ17 2.2808e-007 Ｃ18 1.9559e-006
Ｃ19 -8.5698e-007 Ｃ20 -4.1911e-008 Ｃ21 1.5100e-006
Ｃ22 1.9476e-007 Ｃ23 2.3761e-008 Ｃ24 9.0444e-008
Ｃ25 -5.1442e-008 Ｃ26 8.4923e-009 Ｃ27 -1.5955e-010
Ｃ28 -1.9539e-008

FFS[2]
Ｃ4 -1.1688e-002 Ｃ5 -6.0364e-004 Ｃ6 1.2232e-003
Ｃ7 -4.2456e-005 Ｃ8 3.3290e-004 Ｃ9 9.7235e-005
Ｃ10 -4.5317e-004 Ｃ11 -4.7710e-006 Ｃ12 5.6142e-006
Ｃ13 -1.2120e-005 Ｃ14 -5.6772e-006 Ｃ15 1.9824e-005

FFS[3]
Ｃ4 -2.0389e-002 Ｃ6 -5.7908e-003 Ｃ8 2.8410e-004
Ｃ10 1.3862e-006 Ｃ11 -8.2994e-006 Ｃ13 -8.8314e-006
Ｃ15 -1.3995e-005 Ｃ17 1.3031e-006 Ｃ19 -2.8655e-008
Ｃ21 3.2629e-007

FFS[4]
Ｃ4 -1.2582e-003 Ｃ6 3.9997e-005 Ｃ8 2.3346e-005
Ｃ10 -1.5353e-005 Ｃ11 1.1285e-005 Ｃ13 8.2584e-006
Ｃ15 -1.7561e-005 Ｃ17 1.4387e-006 Ｃ19 1.7918e-006
Ｃ21 -2.6767e-006

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 18.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -3.14 Ｚ 18.16
α 3.35 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.99 Ｚ 22.09
α -23.97 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 9.45 Ｚ 25.04
α 2.33 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 28.24 Ｚ 21.28
α 17.59 β 7.50 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ -0.00 Ｙ 30.51 Ｚ 15.92
α -27.65 β 7.78 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 3.63 Ｙ 32.98 Ｚ 8.95
α -19.66 β 15.00 γ 0.00

Claims

光学作用を有する少なくとも５面の光学面を有し、少なくとも５面の前記光学面のうち少なくとも３面は回転非対称面であり、光が入射或いは射出する２面のうち１面は１回の透過作用と少なくとも１回の内部反射作用を有する光学素子を含み、
入射瞳から前記光学素子を介して像面に向かう光線において、光路に沿って前記像面に最も近い反射面の少なくとも１部は負のパワーを有する
ことを特徴とするプリズム光学系。
前記光学素子は、入射してから射出するまでの光の経路に沿って順に、
入射面としての透過面、かつ内部反射面である第１面と、
前記第１面に対向した内部反射面である第２面と、
前記第１面に対向しかつ前記第２面に隣接した内部反射面である第３面と、
前記第１面に対向しかつ前記第３面に隣接した内部反射面であり、前記像面に最も近い反射面を構成する第４面と、
前記第１面に隣接しかつ前記第４面に対向した透過面である第５面と、
によって構成されている
請求項１に記載のプリズム光学系。
原点であるダミー面に含まれる１点から前記入射瞳中心を通り、前記入射瞳を形成する面に垂直な中心主光線の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、前記Ｚ軸と前記像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、前記原点を通り前記Ｙ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸正方向とし、前記Ｘ軸、前記Ｚ軸と右手直交座標系を構成し、前記原点から前記像面中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸とするとき、
前記第４面は、前記Ｙ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面である
請求項１又は２に記載のプリズム光学系。
前記第４面は、前記Ｘ−Ｚ面内において、正のパワーを有する回転非対称面である
請求項３に記載のプリズム光学系。
前記第４面の前記中心主光線が反射する位置のＹ方向の曲率をcx(x,y)とし、
前記第１面の前記中心主光線が透過する位置のＸ方向の曲率をcy(x,y)とするとき、
以下の条件式（１）を満足する
−４＜cy(x,y)／cx(x,y)＜−０．０１（１）
請求項４に記載のプリズム光学系。
前記第４面は、前記Ｘ−Ｚ面内において、負のパワーを有する回転非対称面である
請求項３に記載のプリズム光学系。
前記第１面の少なくとも1回の内部反射は、全反射作用を用いる
請求項３乃至６のいずれか１項に記載のプリズム光学系。
前記第１面は、回転非対称面である
請求項３乃至７のいずれか１項に記載のプリズム光学系。
前記第１面は、Ｙ−Ｚ面内において負のパワーを有する
請求項３乃至請求項８のいずれか１項に記載のプリズム光学系。
前記第３面は、回転非対称面である
請求項３乃至請求項９のいずれか１項に記載のプリズム光学系。
前記第２面は、回転非対称面である
請求項３乃至請求項１０のいずれか１項に記載のプリズム光学系。
前記第２面は、Ｙ−Ｚ面内において正のパワーを有する
請求項３乃至請求項１１のいずれか１項に記載のプリズム光学系。
前記光学素子の前記第５面に対向して画像表示素子を配備し、
前記第１面の透過領域に対向して観察者の眼を配備することで、前記観察者に拡大した虚像を呈示する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプリズム光学系を用いた画像表示装置。
前記光学素子の前記第５面に対向して撮像素子を配備し、
第１面の透過領域の前方近傍に開口絞りを配備することで、外界像を撮像する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプリズム光学系を用いた撮像装置。