JPWO2016181460A1 - 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 - Google Patents

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１は、光学作用を有する少なくとも３面の光学面を有し、入射した光が少なくとも３回の内部反射をした後に射出して像を形成する光学素子１０を含み、光学素子１０は、光が入射した直後に反射する入射側反射面１２と、光が射出する直前に反射する射出側反射面１４と、光路上の入射側反射面１２と射出側反射面１４の間で反射する中間反射面１３と、を有し、原点である入射瞳中心を通り、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、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、原点から像面中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸とするとき、Ｘ−Ｚ平面内における中間反射面１３を含む中間領域Ａｎの厚さＴｃは、入射側反射面１２を含む入射側領域Ａｃの厚さＴｃ又は射出側反射面１４を含む射出側領域Ａｓの厚さＴｓよりも厚いことを特徴とする。【選択図】図２

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（図の上部）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、本発明にかかる一実施形態のプリズム光学系は、光学作用を有する少なくとも３面の光学面を有し、入射した光が少なくとも３回の内部反射をした後に射出して像を形成する光学素子を含み、前記光学素子は、光路上において最も入射側で反射する入射側反射面と、光路上において最も射出側で反射する射出側反射面と、光路上の前記入射側反射面と前記射出側反射面の間で反射する中間反射面と、を有し、原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、Ｘ−Ｚ平面内における中間反射面を含む中間領域の厚さは、前記入射側反射面を含む入射側領域の厚さ又は前記射出側反射面を含む射出側領域の厚さよりも厚いことを特徴とする。

また、本発明にかかる一実施形態の画像表示装置は、前記光学素子を有する前記プリズム光学系と、前記光学素子の前記光路上において最も射出側の透過面に対向して配備される画像表示素子と、を備え、前記光学素子の前記光路上において最も入射側の透過面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。

また、本発明にかかる一実施形態の撮像装置は、前記光学素子を有する前記プリズム光学系と、前記光学素子の前記光路上において最も射出側の透過面に対向して配備される撮像素子と、前記光学素子の前記光路上において最も入射側の透過面の近傍に配備される開口絞りと、を備え、外界像を撮像することを特徴とする。

以上の本発明にかかる一実施形態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。 本実施形態のプリズム光学系のＸ−Ｙ断面で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。 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。 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を示す。

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。図２は、本実施形態のプリズム光学系のＸ−Ｙ断面で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。本実施形態では、撮像系では順光線追跡、表示系では逆光線追跡を用いて説明する。

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原点Ｏから入射瞳中心を通り、入射瞳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２の中心を含む平面を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、原点から像面２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。

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３面の光学面を有し、入射した光が少なくとも３回の内部反射をした後に射出して像を形成する光学素子１０を含み、光学素子１０は、光路上において最も入射側で反射する入射側反射面１２と、光路上において最も射出側で反射する射出側反射面１４と、光路上の入射側反射面１２と射出側反射面１４の間で反射する中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３と、を有し、Ｘ−Ｚ平面内における中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３を含む中間領域Ａｃの厚さＴｃは、入射側反射面１２を含む入射側領域Ａｎの厚さＴｎ又は射出側反射面１４を含む射出側領域の厚さＴｓよりも厚くする。

本実施形態のプリズム光学系１によれば、光学面を少なくとも３面用いたプリズムとして各面の光学的な機能を有効に使うことができ、入射瞳ＥｎＰを通過した光線を複数回反射させて像面Ｉｍに導くことができるため、プリズムの形状の自由度が増し、像面Ｉｍと瞳の相対的な位置、光線の入射角、射出角を所望の状態にすることができる。

また、画像表示装置Ｄとして用いるときは光の射出面、撮像装置Ｃとして用いるときは光の入射面では、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反射面とすることで、その透過領域とプリズム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。

撮像系の場合、入射瞳ＥｎＰを通過し、プリズム光学系１に入射する光束は、入射瞳径によって光束径が決まり、また、設定された画角によって瞳に入射する角度が決まる。プリズム光学系１の最も物体面側の透過面である入射面１１ａを通過した全光束は入射側反射面１２にて最初の反射を行い、中間反射面１３に向かう。１面或いは複数面の中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３によって内部反射をして射出側反射面１４で最後の反射をしてプリズム射出面１５から射出した光は像面上に結像する。

この場合に、軸上光線の振る舞いは光学系のパワー配置（プリズム光学系１の場合には、各面の配置とその面のパワーになる）に依存するが、通常、光線は入射面１１ａから像面Ｉｍに進むに従って光束は細くなっていく。或いは、高解像な光学系にする場合には、開口数を大きくするために中間位置における光束径を大きくすることが必要となる。入射面１１ａから広がった後に光束が細くなることもありうる。

一方、軸外光線も同様になるのだが、画角の分だけ光束は外側に向かい、特にマージナル光線は入射側反射面１２よりも中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３における光線高が高くなることが多い。したがって、有効高さとして入射側反射面１２よりも中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３の方が高くなることになる。

したがって、Ｘ−Ｚ面内においては、入射側領域Ａｓよりも中間領域を厚くすると軸外光束が遮断されないで、厚さを部分的に最小化して光学素子１０の体積及び重量を抑えることが可能となる。

上述したように、射出側領域では、像面Ｉｍに近いため光束径が細くなっており、軸上光線の従属光線は中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３の光線高よりも射出側反射面１４のほうが低くなっている。また、軸外光線の従属光線においても同様である。したがって、有効高さとして射出側反射面１４よりも中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３の方が高くなることになる場合がある。

したがって、Ｘ−Ｚ面内においては、射出側領域よりも中間領域を厚くすると軸外光束が遮断されないで、部分的に厚さを最小化して光学素子１０の体積及び重量を抑えることが可能となる。

このように、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Ｃの場合には、装置全体の小型軽量化に貢献する。

特に、観察光学系として本発明のプリズム光学系１を利用する場合には、逆光線追跡でのプリズム光学系１の入射側反射面１２が含まれる入射側領域Ａｎと射出側反射面１４が含まれる射出側領域ＡｓのＸ−Ｚ面内の厚さを中間反射面が含まれる中間領域Ａｃよりも薄くすることによって、入射側では、眼前に位置する部分が薄いものになるため、周辺の外界像を観察し易いものとなる。さらに、ヒトの瞳孔径よりも薄い設定にすることで、電子画像を拡大投影した画像を観察するのと同時に、外界像も観察することが可能となる。

一方、射出側では、像面位置に配備される表示素子、及びその表示素子に画像を表示させるための電気回路、保持機構などの部材を配備する必要があり、観察装置を大型化する要因となるが、射出側反射面１４から最も射出側の透過面１５までの領域のＸ−Ｚ面内の厚さを薄くすることによって、表示素子等の光学素子以外の部材を配備しても装置全体が比較的薄く構成することが可能となる。

また、本実施形態のプリズム光学系１では、光学作用を有する光学面は、互いに偏心して配置されており、少なくとも３面の光学面のうち、少なくとも２面は、回転非対称面である。

ここで、光学系が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。

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。

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。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。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。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、本実施形態では、１個の偏心プリズムを用いて、少なくとも、光をプリズム内に入射させる入射面１１ａ、その入射面１１ａから入射した光束を内部反射させる入射側反射面１２、入射側反射面１２で反射した光束を内部反射させる中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３、中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３で反射した光束を内部反射させる射出側反射面１４、射出側反射面１４で反射した光束を射出する射出面１５、で構成し、それらの光学面のうち少なくとも２面の光学面には、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。なお、入射面１１ａと中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３、又は、入射側反射面１２と射出側反射面１４と中間反射面１１ｂ，１１ｃ，１３は、同一でもよい。

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結像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。ここで、画像表示素子の表示面の中心から眼前の拡散面の中心に到達する光線を中心主光線としたとき、プリズムの少なくとも１つの反射面が中心主光線に対して偏心していないと、中心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、中心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。また、パワーを付けた反射面を中心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、本実施形態においては、投影光学系の偏心プリズムを構成する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。

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。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。

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、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。

この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡自身で補正するには、凹面鏡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。

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では、軸上光線に対しても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。

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では、軸上光線に対しても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。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。

また、本実施形態のプリズム光学系１では、入射側反射面１２と少なくとも一面の中間反射面１１ｂ、１１ｃ，１３、又は、射出側反射面１４と少なくとも一面の中間反射面１１ｂ、１１ｃ，１３は、同一面である。

このように、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、本実施形態のプリズム光学系１では、入射側反射面１２と射出側反射面１４と少なくとも一面の中間反射面１１ｂ、１１ｃ，１３は、同一面である。

このように、１つの面で３回の反射をさせるため、面のつなぎ目を意識せずに３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、本実施形態のプリズム光学系１では、光路上において最も入射側の透過面である入射面１１ａは、負のパワーを有する。

入射面１１ａは内部反射面１１ｂ，１１ｃを兼ねており、入射側領域Ａｎと中間反射領域Ａｃがオーバーラップすることがある。その場合には、内部反射は臨界角以上の入射角を持って反射する全反射であることが望ましい。全反射でなければ、ハーフミラーコーティングなどの特殊な表面処理を行う必要があり、コストアップとなる。さらに、ＨＭコートをすると、部分的透過と部分的反射の作用により、光量が大きく減少することになる。上記全反射条件を満たした場合には、理論的には透過、反射共に損失がないため、光量はほとんど減衰しない。

また、本実施形態のプリズム光学系１では、入射側反射面１２を含む入射側領域Ａｎの厚さをＴｎ、中間反射面を含む中間領域Ａｃの厚さをＴｃとするとき、以下の条件式（１）を満足する。
０．５＜Ｔｎ／Ｔｃ＜１．０ （１）

条件式（１）を満足することで、入射側領域Ａｎの厚さＴｎが薄くなり、瞳前で眼を覆う部材が薄くなるため、外界像の認識が容易になる。条件式（１）の上限を超えて大きくなると、入射側領域Ａｎの厚さＴｎが中間領域Ａｃの厚さＴｃに比べて厚くなるため、眼前の部材の厚さが厚くなり、外界を観察する範囲が狭くなる。条件式（１）の下限を超えて小さくなると、有効光線を遮断する恐れが生じる。また、有効光線自体の幅を小さくすると、入射瞳ＥｎＰを小さくすることになるため、画像表示装置Ｄの場合には、使用者に観察しづらい装置となる。撮像装置Ｃの場合には、ＮＡの小さい暗い撮像装置となる。

さらに、以下の条件式（１）’を満足することが好ましい。
０．５＜Ｔｎ／Ｔｃ＜０．９ （１）’

条件式（１）’を満足することで、入射側領域Ａｃの厚さＴｃがより薄くなり、瞳前で眼を覆う部材がより薄くなるため、外界像の認識がより容易になる。

また、本実施形態のプリズム光学系１では、射出側反射面１４を含む射出側領域Ａｓの厚さをＴｓ、中間反射面１１ａ，１１ｂ，１３を含む中間領域の厚さをＴｃとするとき、以下の条件式（２）を満足する。
０．３＜Ｔｓ／Ｔｃ＜１．０ （２）

条件式（２）の上限を超えて大きくなると、射出側領域Ａｓの厚さＴｓが中間領域Ａｃの厚さＴｃに比べて厚くなるため、表示素子や撮像素子が配備される直前の部材の厚さが厚くなり、装置全体が大型化してしまう。条件式（２）の下限を超えて小さくなると、有効光線を遮断する恐れが生じる。また、有効光線自体の幅を小さくすると、各光束の光線の広がりを抑えることになるため、結局小さな入射瞳となり、画像表示装置Ｄの場合には、使用者に観察しづらい装置となる。撮像装置Ｃの場合には、ＮＡの小さい暗い撮像装置Ｃとなる。

さらに、以下の条件式（２）’を満足することが好ましい。
０．４＜Ｔｓ／Ｔｃ＜０．９ （２）’

上限を０．９とすることによって、射出側領域Ａｓの厚さＴｓがより薄くなり、表示素子等の部材と光学素子を所定の位置に配備する固定部材が接続する部分がより薄くなるため、装置全体がより小型化する。下限を０．４とすることによって、画像表示装置Ｄの場合には、使用者がより観察しやすい装置となる。撮像装置Ｃの場合には、ＮＡがより大きな明るい撮像装置Ｃとなる。

さらに、本発明にかかる画像表示装置Ｄは、光学素子１０を有するプリズム光学系１と、光学素子１０の逆光線追跡の光路上において射出面に対向して配備される画像表示素子２ｂと、を備え、光学素子１０の逆光線追跡の光路上において入射面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、逆光線追跡となり、射出面１５から入射し、少なくとも３回の内部反射をした後、入射面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１１ａ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２の射出瞳をプリズム光学系１の入射面１１ａの近傍または入射側反射面１２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、光学素子１０を有するプリズム光学系１と、光学素子１０の光路上において射出面に対向して配備される撮像素子２ａと、光学素子１０の光路上において入射面又はその入射面の近傍に配備される開口絞りＳと、を備え、外界像を撮像する。

プリズム光学系１の入射面１１の下側近傍に円形の開口を持つ開口絞りＳを配備し、射出面１５に対向してＣＣＤ等の撮像素子２ａを配備することで、開口絞りＳを通過しプリズムの入射面１１ａから入射した光は、少なくとも３回の内部反射をして射出面１５から射出して撮像素子に到達し、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を経て画像表示素子２ｂに向かう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、ダミー面と中心主光線ＣＬとの交点Ｏを偏心光学系の偏心光学面の原点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Ｌ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_j Ｘ^m Ｙⁿ ・・・（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_j Ｘ^m Ｙ^n
j=1
＝Ｃ₁
＋Ｃ₂ Ｘ＋Ｃ₃ Ｙ
＋Ｃ₄ Ｘ² ＋Ｃ₅ ＸＹ＋Ｃ₆ Ｙ²
＋Ｃ₇ Ｘ³ ＋Ｃ₈ Ｘ² Ｙ＋Ｃ₉ ＸＹ² ＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₂Ｘ³ Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ² Ｙ² ＋Ｃ₁₄ＸＹ³ ＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵ ＋Ｃ₁₇Ｘ⁴ Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³ Ｙ² ＋Ｃ₁₉Ｘ² Ｙ³ ＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶ ＋Ｃ₂₃Ｘ⁵ Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴ Ｙ² ＋Ｃ₂₅Ｘ³ Ｙ³ ＋Ｃ₂₆Ｘ² Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵ ＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷ ＋Ｃ₃₀Ｘ⁶ Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵ Ｙ² ＋Ｃ₃₂Ｘ⁴ Ｙ³ ＋Ｃ₃₃Ｘ³ Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ² Ｙ⁵ ＋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。

さらに、非球面データには、面データ中、非球面形状としたレンズ面に関するデータが示されている。非球面形状は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると下記の式にて表される。
ｚ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）・（ｙ／ｒ）²｝^1/2］
＋Ａ4ｙ⁴＋Ａ6ｙ⁶＋Ａ8ｙ⁸＋Ａ10ｙ¹⁰…

ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ4、Ａ6、Ａ8はそれぞれ４次、６次、８次の非球面係数である。なお、記号“ｅ”は、それに続く数値が１０を底にもつ、べき指数であることを示している。例えば「１．０ｅ−５」は「１．０×１０^-5」であることを意味している。

次に、本実施形態の実施例について説明する。

図３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４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５及び図６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。

なお、収差図中、ｄ線（実線）は、５８７．６ｎｍ、Ｆ線（一点鎖線）は、４８６．１ｎｍ（Ｆ線：一点鎖線）、Ｃ線（破線）は、６５６．３ｎｍの各波長について示されている（以下の実施例も同じ。）。

実施例１のプリズム光学系１は、撮像系の光路上において入射面１１ａ及び内部反射面である中間反射面１１ｂ、１１ｃを含む第１面１１と、第１面１１に対向した入射側反射面としての第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射出側反射面としての第４面１４と、第１面１１に隣接しかつ第４面１４に対向した光路上において射出面としての第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に含まれる入射面１１ａを透過して光学素子１０に入射し、第２面１２に含まれる入射側反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｂで内部反射し、第３面１３に含まれる中間反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｃで内部反射し、第４面１４に含まれる射出側反射面で内部反射し、第５面１５に含まれる射出面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に含まれる射出面を透過して光学素子１０に入射し、第４面１４に含まれる射出側反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｃで内部反射し、第３面１３に含まれる中間反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｂで内部反射し、第２面１２に含まれる入射側反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる入射面１１ａを透過してプリズム光学系１から射出する。

図７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８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９及び図１０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、撮像系の光路上において入射面１１ａ、内部反射面である中間反射面１１ｂ、及び最も射出側の反射面である射出側反射面１１ｄを含む第１面１１と、第１面１１に対向した最も入射側の反射面である入射側反射面としての第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中間反射面としての第３面１３と、第１面１１の射出側反射面１１ｄに対向しかつ第３面１３に隣接した射出面としての第４面１４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、及び第３面１３である。

撮像系の場合、光束は、第１面１１に含まれる入射面１１ａを透過して光学素子１０に入射し、第２面１２に含まれる入射側反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｂで内部反射し、第３面１３に含まれる中間反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる射出側反射面１１ｄで内部反射し、第４面１４に含まれる射出面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４面１４に含まれる射出面を透過して光学素子１０に入射し、第１面１１に含まれる射出側反射面１１ｄで内部反射し、第３面１３に含まれる中間反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｂで内部反射し、第２面１２に含まれる入射側反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる入射面１１ａを透過してプリズム光学系１から射出する。

図１１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１２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１３及び図１４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、光路上において最も入射側の透過面である入射面１１ａ及び中間反射面１１ｂとしての第１面１１と、第１面１１に対向した入射側反射面１２ａ及び射出側反射面１２ｂとしての第２面１２と、第１面１１及び第２面１２に隣接した最も射出側の透過面であり射出面としての第３面１３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、自由曲面は第２面１２及び第３面１３であり、非球面は第１面１１である。

撮像系の場合、光束は、第１面１１に含まれる入射面１１ａを透過して光学素子１０に入射し、第２面１２に含まれる入射側反射面で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｂで内部反射し、第２面１２に含まれる射出側反射面１２ｂで内部反射し、第３面１３に含まれる射出面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３面１３に含まれる射出面を透過して光学素子１０に入射し、射出側反射面１２ｂとしての第２面１２で内部反射し、第１面１１に含まれる中間反射面１１ｂで内部反射し、第２面１２に含まれる射出側反射面１２ｂで内部反射し、第１面１１に含まれる入射面１１ａを透過してプリズム光学系１から射出する。

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 -1.3402e-002 Ｃ6 -1.7657e-001 Ｃ8 2.7289e-003
Ｃ10 2.9057e-003 Ｃ11 -1.9224e-004 Ｃ13 -2.0376e-003
Ｃ15 -1.7505e-004 Ｃ17 7.1627e-005 Ｃ19 2.2069e-004
Ｃ21 2.1308e-005 Ｃ22 -9.0441e-007 Ｃ24 -1.0841e-005
Ｃ26 -1.2337e-005 Ｃ28 -1.3293e-006

FFS[2]
Ｃ4 -8.2459e-003 Ｃ6 -1.7088e-002 Ｃ8 -7.5033e-004
Ｃ10 1.0102e-003 Ｃ11 -1.0484e-005 Ｃ13 3.9381e-005
Ｃ15 -7.5421e-005 Ｃ17 5.3635e-008 Ｃ19 -1.5262e-006
Ｃ21 2.8111e-006

FFS[3]
Ｃ4 -2.6005e-002 Ｃ6 -1.1451e-002 Ｃ8 -4.2703e-004
Ｃ10 2.2631e-004 Ｃ11 -2.4754e-005 Ｃ13 -1.1650e-005
Ｃ15 -1.5880e-005 Ｃ17 -1.2142e-006 Ｃ19 -3.7262e-007
Ｃ21 1.0548e-006 Ｃ22 -5.0257e-008 Ｃ24 -2.5619e-008
Ｃ26 6.4305e-009 Ｃ28 -3.4263e-008

FFS[4]
Ｃ4 -9.6520e-003 Ｃ6 -1.5312e-003 Ｃ8 -1.4966e-004
Ｃ10 2.9621e-005 Ｃ11 4.2504e-005 Ｃ13 3.7292e-005
Ｃ15 -4.9784e-006 Ｃ17 4.6081e-006 Ｃ19 6.7018e-007
Ｃ21 1.7467e-007 Ｃ22 -5.2166e-007 Ｃ24 -9.7681e-007
Ｃ26 -4.2798e-007 Ｃ28 2.9056e-007

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 -7.00 Ｚ 15.84
α -58.92 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.41 Ｚ 20.90
α -26.70 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 8.06 Ｚ 23.39
α 8.36 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 24.90 Ｚ 18.07
α 21.98 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 26.76 Ｚ 13.26
α -23.11 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 27.80 Ｚ 10.39
α -20.00 β 0.00 γ 0.00

X方向画角7.4度、Y方向画角13.1度、入射瞳径 6mm、

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 2.3512e-002 Ｃ6 -1.8454e-001 Ｃ8 -1.1118e-002
Ｃ10 3.2149e-003 Ｃ11 2.3426e-004 Ｃ13 -7.5806e-004
Ｃ15 8.7273e-006 Ｃ17 -4.6410e-005 Ｃ19 2.8567e-004
Ｃ21 2.6397e-005 Ｃ22 -2.4510e-007 Ｃ24 6.7266e-007
Ｃ26 -1.6843e-005 Ｃ28 -2.2892e-006

FFS[2]
Ｃ4 -1.2609e-002 Ｃ6 -7.2315e-003 Ｃ8 -3.8539e-006
Ｃ10 -9.1949e-005 Ｃ11 -1.1300e-005 Ｃ13 -1.0442e-005
Ｃ15 2.0398e-006

FFS[3]
Ｃ4 -1.9017e-002 Ｃ6 -1.0219e-002 Ｃ8 -3.6396e-004
Ｃ10 -2.0903e-005 Ｃ11 -1.8047e-006 Ｃ13 -3.0333e-005
Ｃ15 -4.9276e-006 Ｃ17 1.6834e-006 Ｃ19 -6.9522e-007
Ｃ21 4.6685e-008

FFS[4]
Ｃ4 -1.0144e-002 Ｃ6 2.5803e-003 Ｃ8 -7.5004e-004
Ｃ10 1.2499e-004 Ｃ11 4.3020e-005 Ｃ13 3.4186e-005
Ｃ15 2.0953e-005 Ｃ17 -4.8356e-007 Ｃ19 6.4195e-006
Ｃ21 4.0905e-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 -11.60 Ｚ 15.19
α -63.64 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.69 Ｚ 20.60
α -24.49 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 15.20 Ｚ 21.51
α 13.83 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 21.62 Ｚ 19.18
α 21.06 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 23.33 Ｚ 14.78
α -24.94 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 24.17 Ｚ 12.39
α -19.37 β 0.00 γ 0.00

X方向画角7.4度、Y方向画角13.1度、入射瞳径 6mm、

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 非球面[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
4 FFS[1] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
5 非球面[1] 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2
6 FFS[1] 0.00 偏心(3) 1.5254 56.2
7 FFS[2] 0.00 偏心(4)
8 ∞ 0.00 偏心(5)
像 面 ∞ 0.00

非球面[1]
曲率半径 -102.47
k 0.0000e+000
a 1.0851e-005 b -2.7562e-008

FFS[1]
Ｃ4 -7.8476e-003 Ｃ6 -9.2499e-005 Ｃ8 -2.3026e-004
Ｃ10 -6.3167e-004 Ｃ11 6.0763e-006 Ｃ13 -4.0590e-006
Ｃ15 2.4348e-005 Ｃ17 3.8980e-007 Ｃ19 7.8045e-007
Ｃ21 -3.7845e-007

FFS[2]
Ｃ4 7.2049e-002 Ｃ6 -7.9408e-002 Ｃ8 8.8428e-003
Ｃ10 1.0410e-002 Ｃ11 -1.9082e-004 Ｃ13 1.9511e-003
Ｃ15 3.4916e-004

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 28.30
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 5.79 Ｚ 28.34
α 0.56 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -7.51 Ｚ 31.34
α -26.48 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 22.97 Ｚ 36.49
α -32.55 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 24.17 Ｚ 32.69
α -40.00 β 0.00 γ 0.00

X方向画角15度、Y方向画角11.3度、入射瞳径 4mm、

上記実施例１〜３について、各構成要素の値及び各条件式（１）及び（２）の値を下記に示しておく。

図１５は、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。

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２ｂ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、プリズム光学系をよりコンパクトにすることができる。

図１６は、プリズム光学系を用いた画像表示装置の側面図である。

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１７は、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。

図１７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を示す。図１９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１８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１９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Ｃを提供することが可能である。

図２０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を示す。

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

上記課題を解決するために、本発明にかかる一実施形態のプリズム光学系は、光学作用を有する少なくとも３面の光学面を有し、入射した光が少なくとも３回の内部反射をした後に射出して像を形成する光学素子を含み、前記光学素子は、光路上において最も入射側で反射する入射側反射面と、光路上において最も射出側で反射する射出側反射面と、光路上の前記入射側反射面と前記射出側反射面の間で反射する中間反射面と、を有し、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、Ｘ−Ｚ平面内における中間反射面を含む中間領域の厚さは、前記入射側反射面を含む入射側領域の厚さ又は前記射出側反射面を含む射出側領域の厚さよりも厚いことを特徴とする。

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原点Ｏから入射瞳中心を通り、入射瞳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２の中心を含む平面を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、原点から像面２の中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸正方向とする。

Claims (9)

1. 光学作用を有する少なくとも３面の光学面を有し、入射した光が少なくとも３回の内部反射をした後に射出して像を形成する光学素子を含み、
   前記光学素子は、光路上において最も入射側で反射する入射側反射面と、光路上において最も射出側で反射する射出側反射面と、光路上の前記入射側反射面と前記射出側反射面の間で反射する中間反射面と、を有し、
   原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、
   Ｘ−Ｚ平面内における中間反射面を含む中間領域の厚さは、前記入射側反射面を含む入射側領域の厚さ又は前記射出側反射面を含む射出側領域の厚さよりも厚い
   ことを特徴とするプリズム光学系。
2. 光学作用を有する前記光学面は、互いに偏心して配置されており、
   少なくとも３面の光学面のうち、少なくとも２面は、回転非対称面である
   請求項１に記載のプリズム光学系。
3. 前記入射側反射面と少なくとも一面の前記中間反射面、又は、前記射出側反射面と少なくとも一面の前記中間反射面は、同一面である
   請求項１又は２に記載のプリズム光学系。
4. 前記入射側反射面と前記射出側反射面と少なくとも一面の前記中間反射面は、同一面である
   請求項１又は２に記載のプリズム光学系。
5. 前記光路上において最も入射側の透過面は、負のパワーを有する
   請求項１乃至４のいずれか１つに記載のプリズム光学系。
6. 前記入射側反射面を含む前記入射側領域の厚さをＴｎ、
   前記中間反射面を含む前記中間領域の厚さをＴｃとするとき、
   以下の条件式（１）を満足する請求項１乃至５のいずれか１つに記載のプリズム光学系。
   ０．５＜Ｔｎ／Ｔｃ＜１．０ （１）
7. 前記射出側反射面を含む前記射出側領域の厚さをＴｓ、
   前記中間反射面を含む前記中間領域の厚さをＴｃとするとき、
   以下の条件式（２）を満足する請求項１乃至６のいずれか１つに記載のプリズム光学系。
   ０．３＜Ｔｓ／Ｔｃ＜１．０ （２）
8. 前記光学素子を有する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のプリズム光学系と、
   前記光学素子の前記光路上において最も射出側の透過面に対向して配備される画像表示素子と、
   を備え、
   前記光学素子の前記光路上において最も入射側の透過面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
   ことを特徴とするプリズム光学系を用いた画像表示装置。
9. 前記光学素子を有する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のプリズム光学系と、
   前記光学素子の前記光路上において最も射出側の透過面に対向して配備される撮像素子と、
   前記光学素子の前記光路上において最も入射側の透過面の近傍に配備される開口絞りと。
   を備え、
   外界像を撮像する
   ことを特徴とするプリズム光学系を用いた撮像装置。

Images