WO2012032684A1 - 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撮像装置 - Google Patents

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撮像装置 Download PDF

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WO2012032684A1
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高橋　浩一
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a prism optical system using a rotationally asymmetric surface, and an image display device and an imaging device using the prism optical system.
  • a decentered optical system for example, a prism having a plurality of optical surfaces, and when used as an optical system for observing an image display element, light emitted from the display element enters the prism and is reflected inside the prism. Then, the image can be observed as a virtual image enlarged by emitting from the prism and reaching the observer's eyeball.
  • Patent Document 1 uses a prism that forms a primary image with at least three reflecting surfaces and projects it onto an eyeball.
  • Patent Documents 2 and 3 include a hologram element. The thing arrange
  • Patent Document 4 proposes an optical system that projects onto an eyeball using a light guide plate and an eyepiece.
  • the light beam intersects three times in the optical path from the display element 11 to the observer's pupil by three reflections on the three reflecting surfaces. Due to such bending of the optical path, the element shape on the display element side (upper part in the figure) becomes large. Although it has been proposed to hold it on the frame of an eyeglass and arrange it outside the lens, the light guide is projected to the outside, which is not preferable in terms of appearance.
  • Patent Documents 2 and 3 propose a method using a hologram element. According to this, a layout in which the optical system is thinned using diffraction by a hologram is possible. However, there are other problems with holograms. Hologram elements are very difficult to manufacture and costly.
  • the wavelength selectivity is high, a method of using a light source such as a laser beam having a very narrow wavelength or using only a part of the wavelengths of the LED is employed, and the laser light source is still a small size of three primary colors.
  • the developed chip is still under development, high cost, high power consumption, and cannot be incorporated into glasses.
  • the thing using an LED light source passes a narrow band pass filter, the utilization efficiency of light is low.
  • organic EL panels that are low power consumption, self-luminous type, no illumination system, and advantageous for miniaturization cannot be used.
  • the organic EL panel has a relatively wider wavelength band than the LED, and the combination with the hologram element is inefficient and the amount of unnecessary light increases, so that the image quality cannot be ensured.
  • Patent Document 4 it is necessary to combine a light guide plate or prism with an eyepiece, and a plurality of optical elements are arranged in a casing. Therefore, there is a problem in appearance because the rod-shaped optical member support member is disposed. Furthermore, it took time for assembly and adjustment, and there was a problem with the durability of the apparatus such as water resistance.
  • the present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and the main object of the present invention is to provide an image display element that is very small, lightweight, and has a high degree of freedom in shape.
  • An object of the present invention is to provide a decentered optical system capable of projecting an image as a virtual image onto an observer's eyeball.
  • the prism optical system of the present invention is filled with a medium having a refractive index greater than 1 in a space formed by at least two optical surfaces that are decentered with respect to the axial principal ray of the incident light beam. And at least two of the optical surfaces are rotationally asymmetric surfaces. Internal reflection is performed five times in the prism, and an intermediate image is formed in the prism. An image is formed outside the prism.
  • one of the surfaces on which light enters or exits has at least one transmission action and two internal reflection actions.
  • At least one internal reflection of one of the incident or exiting surfaces has a total reflection function.
  • a surface facing a surface on which light enters or exits is configured by one surface.
  • the prism optical system light emitted from an image display surface for displaying an image enters the prism optical system, and then exits from the prism optical system, forms an exit pupil, and projects it onto the observer's eyeball.
  • the second surface again the first surface that is an internal reflection surface, the second surface that is an internal reflection surface again, the first surface that is an internal reflection surface again, the second surface that is an internal reflection surface again, the first surface It is configured to transmit through one surface and exit from the prism optical system.
  • the angle formed by the axial principal ray incident on the prism optical system and the axial principal ray emitted from the prism optical system is ⁇ , 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 60 ° It is characterized by satisfying.
  • the entrance surface and the exit surface are the same surface.
  • the entrance surface and the exit surface are different surfaces.
  • a part of a surface facing a surface on which light enters or exits is cut off.
  • the image display device of the present invention includes the prism optical system, the image display element is disposed to face the first surface of the prism optical system, and is opposed to the transmission region of the first surface.
  • the observer's eyeball When the observer's eyeball is deployed, an enlarged virtual image is presented to the observer.
  • the exit pupil of the prism optical system is formed in the vicinity of the exit window of the first surface or between the first surface and the observer's eyeball.
  • the image pickup apparatus of the present invention includes the prism optical system, and an image pickup device is provided facing the first surface, an aperture stop is provided near the front in the transmission region of the first surface, and an external image Is taken.
  • one optical element that is very small, lightweight, and has a high degree of freedom in shape, the prism optical that can project an image of the image display element as a virtual image on the observer's eyeball.
  • a system can be provided.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a prism optical system in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is an optical path diagram at the YZ section of the prism optical system in Example 1.
  • FIG. 3 is an optical path diagram at the XZ section of the prism optical system in Example 1.
  • 2 is a transverse aberration diagram for the whole optical system of Example 1.
  • FIG. 2 is a transverse aberration diagram for the whole optical system of Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a prism optical system in Embodiment 2.
  • FIG. 7 is an optical path diagram at the YZ section of the prism optical system in Example 2.
  • FIG. 7 is an optical path diagram at the XZ section of the prism optical system in Example 2.
  • FIG. 6 is a lateral aberration diagram for the whole optical system of Example 2.
  • FIG. 6 is a lateral aberration diagram for the whole optical system of Example 2.
  • FIG. 10 is an optical path diagram at the YZ section of the prism optical system in a modification of Example 2.
  • 1 is a basic configuration diagram of an image display device using a prism optical system. It is a top view of the image display apparatus using a prism optical system. It is a front view of the image display apparatus using a prism optical system. It is a side view of the image display apparatus using a prism optical system. It is a side view of the image display apparatus using a prism optical system. It is a basic lineblock diagram of an imaging device using a prism optical system.
  • the prism optical system 1 is a prism optical system 1 in which a space formed by at least two optical surfaces decentered from each other with respect to an axial principal ray of an incident light beam is filled with a medium having a refractive index of 1 or more.
  • the at least two optical surfaces are rotationally asymmetric surfaces, perform internal reflection five times in the prism and form an intermediate image in the prism, and the intermediate image is external to the prism optical system 1. It is preferable to form an image.
  • the space formed by at least two optical surfaces that are decentered with respect to the axial principal ray of the incident light beam is a prism optical system 1 that is filled with a medium having a refractive index of 1 as shown in FIG.
  • a smooth streamline shape can be obtained.
  • the image display device P attached to the face a near-future smart impression can be given.
  • it when used as an imaging device, it can be a device having a shape that is completely different from that of a normal camera. Therefore, in security applications and the like, it is possible to take a picture without being noticed by the other party. .
  • the space formed by at least two optical surfaces is a prism optical system 1 filled with an optical medium having a refractive index greater than 1, light passes through the prism medium.
  • the incident angle greater than the critical angle, total reflection can be achieved.
  • each optical surface is formed in a respective shape, a mold is formed by combining these surfaces, and stable optical properties are achieved. An element can be manufactured.
  • the incident light beam passes through one eccentric surface of the prism and enters the prism, passes through the medium in the space formed by the two optical surfaces eccentric to each other, and passes through the at least two surfaces. 5 internal reflections. Therefore, if each transmission surface and reflection surface is not a flat surface but a surface having a certain power, decentration aberration occurs.
  • the decentration aberration at least two surfaces decentered from each other are rotationally asymmetric surfaces, so that it is possible to satisfactorily correct the decentration aberration generated on each decentered surface.
  • the optical path length in the prism can be controlled. For example, even if the prism is short, it is possible to make the optical path length long.
  • the overall focal length f is determined by the size of the display element and the viewing angle of view, and the length of the prism is also determined to some extent by the f. Therefore, in order to ensure the required optical path length, it is possible to control by changing the distance between at least two surfaces constituting the prism.
  • the observation angle of view can be controlled by changing the size of the intermediate image in the prism. Since the intermediate image of the image display element 2 which is an object is a secondary object, increasing the intermediate image is equivalent to increasing H. Therefore, the angle of view 2 ⁇ can be easily changed from the above equation. You can see that
  • the focal length in this case is considered to be a combination of two optical systems, a portion up to primary image formation (focal length f1) and a portion that projects the primary image almost infinitely (focal length f2).
  • H ′ tan ( ⁇ ′ / 2) ⁇ f1 (Where ⁇ ′ is the angle of view in this case).
  • ⁇ ′ 2 ⁇ arctan (H ′ / (2 ⁇ f1)) It becomes. For example, by increasing H ′ and decreasing f2, ⁇ ′ increases and a wide angle of view can be realized.
  • one of the surfaces on which light enters or exits has at least one transmission action and two internal reflection actions.
  • the surface on which light enters or exits is a surface that has a light transmitting surface when used as a display device, and a surface that has a transmitting function as an incident surface when used as an imaging device.
  • the transmissive region and the reflective region inside the prism can be overlapped, and further, the internal reflection is performed twice, so that reflection is performed twice on one surface. It is possible to overlap two reflection areas without being aware of the above. Therefore, it is possible to make the prism itself compact, which effectively works for reducing the size and weight of the apparatus.
  • the prism optical system 1 has a compact shape, and in the case of the image display apparatus P, the wearer's discomfort and annoyance are reduced. Further, in the case of an imaging device, it contributes to a reduction in size and weight of the entire device.
  • At least one internal reflection of one of the incident or exiting surfaces uses a total reflection action.
  • the first surface By making the internal reflection of the first surface a total reflection surface, the first surface can be internally reflected without a reflective coating. Since the totally reflecting region is transparent, light can be transmitted. Therefore, when the first surface is used as an incident surface or an exit surface, it is not necessary to take special measures such as half mirror coating or HOE. Furthermore, since it is total reflection, the reflectivity is approximately 100%, and the reflectivity is higher than that of the metal coat, so that it is possible to suppress a decrease in overall efficiency.
  • the prism when a prism is manufactured, a special coating or the like is not necessary, and the prism can be manufactured at a low cost. Further, since the reflectance is high, the device can be efficient and save energy.
  • the surface facing the surface on which light is incident or emitted is constituted by one surface.
  • one surface of the prism can be configured with one surface that is smooth in appearance.
  • this surface is provided on the outside, it is possible to form a shape with a less uncomfortable appearance.
  • the prism optical system 1 in the prism optical system 1 according to the present invention, light emitted from the image display surface 2 for displaying an image enters the prism optical system 1 and then exits from the prism optical system 1 to form an exit pupil.
  • the first surface of the transmission surface which is an incident surface, is projected in order along the path of light that is projected onto the eyeball of the observer, enters the prism optical system 1, and exits from the prism optical system 1.
  • the prism optical system 1 having the optical surface configuration as described above, the prism performs multiple reflections in the planes of the first surface and the second surface as shown in FIG.
  • the actual optical path length can be increased.
  • the prism shape is substantially a rod shape having a curved surface, and it is possible to make the shape along the outer shape of the glass of the glasses described later. Further, it can be used as a part of a frame of glasses.
  • the optical element is small and substantially rod-shaped, when it is arranged in front of the eyeball of the observer of the image observation apparatus, the area obstructed by the external field of view of the observer can be reduced.
  • the prism performs internal reflection twice on the first surface and performs internal reflection three times on the second surface before and after that, the image is obtained by setting the inclination of the second surface to an appropriate angle.
  • the display element 2 can be disposed at a desired angle. Further, the observer eyeball can be set to a desired position and angle by setting the inclination of the first surface to an appropriate angle. Therefore, according to the prism optical system 1 having such a configuration, the image display element 2 can be installed at a relatively free relative position and relative angle so as not to disturb the observer.
  • the user can eliminate the blind spot of the external field of view in see-through observation, and can prevent the image display element 2 from getting in the way, so that it can be used more comfortably. Furthermore, since the degree of freedom of the shape is high, the prism optical system 1 of the present invention can be used as a part of the frame of the spectacles, and the person wearing the image display device P can be objectively viewed without any sense of incongruity. Is possible.
  • the angle formed by the axial principal ray incident on the prism optical system 1 and the axial principal ray emitted from the prism optical system 1 is ⁇ , 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 60 ° It is preferable to satisfy.
  • the angle ⁇ formed by the axial principal ray that emerges from the center of the image display element 2 and the axial principal ray that emerges from the prism and reaches the observer pupil center is set within the above range.
  • the position of the display screen is outside the front, so that the external field of view of the front is not obstructed.
  • the display surface is arranged substantially frontward.
  • the temple part slightly opens outward, so that the shaft is ejected from the display element.
  • the angle formed between the axial principal ray of the incident light and the axial principal ray of the emitted light is set within the above-described range.
  • the incident surface and the exit surface of the prism optical system 1 are the same surface.
  • the prism optical system 1 Since the incident surface and the exit surface of the prism optical system 1 are the same surface, the prism can be the entrance surface and the exit surface within the same surface. Therefore, in the case of the image display device P, the image display element 2 is provided. Since it can be deployed in the same direction as the observer's eyeball, it is possible to deploy the image display element 2 toward the front of the observer on the temple part of the glasses and project the image of the image display element 2 onto the observer's eyeball. It becomes possible.
  • the entrance surface and the exit surface may be different surfaces.
  • the orientation of the entrance surface and exit surface of the prism optical system 1 can be set freely. Therefore, the incident angle of the principal ray with respect to the image plane can be set by freely setting the angle of the exit surface facing the image plane.
  • the image display element 2 It becomes easy to set the incident angle of the chief ray according to the viewing angle characteristics. Furthermore, according to such a configuration, since telecentricity can be controlled, a reduction in light amount is suppressed to the periphery of the observation screen, and a screen with high brightness uniformity can be obtained.
  • the prism optical system 1 is characterized in that a part of the surface facing the light incident surface or the light emitting surface is cut off. More preferably, the portion to be cut out is near the intermediate image.
  • the image display device P has the image display element 2 disposed opposite to the first surface of the prism optical system 1 and the observer's eyeball disposed opposite to the transmission region of the first surface. When this is done, an enlarged virtual image is presented to the observer.
  • the light emitted from the image display element 2 enters from the prism incident surface, and after being internally reflected at least two times by five times, the light is emitted from the first surface as substantially parallel light, and enters the pupil of the observer's eyeball. Incident. According to the image display device P having such a configuration, an observer can observe an enlarged virtual image.
  • the exit pupil of the prism optical system 1 is preferably formed in the vicinity of the exit window of the first surface or between the first surface and the observer's eyeball.
  • the exit pupil of the display element By forming the exit pupil of the display element in the vicinity of the exit window of the first surface of the prism optical system 1 or between the first surface and the observer's eyeball, vignetting of the light beam at the periphery of the observation image can be reduced.
  • the observer can observe a clear image up to the periphery of the screen.
  • the imaging apparatus provides an imaging element facing the first surface of the prism optical system 1, and an aperture stop in the vicinity of the front in the transmission region of the first surface, so that an external image can be obtained. I'm going to take an image.
  • An aperture stop having a circular opening is provided near the lower side of the first surface of the prism, and an image pickup device such as a CCD is provided opposite to the first surface, so that the first surface of the prism passes through the aperture stop.
  • the incident light is internally reflected five times on the first surface and the second surface, exits from the first surface and reaches the imaging device, and the light can be condensed, and the imaging device is reduced in size and weight. Can be realized.
  • the configuration parameters of the prism optical system 1 include a virtual surface r1 set near the observation position of the observer, that is, the position where the eyeball 3 is arranged, as shown in FIG.
  • the passing central ray A is based on the result of tracing the reverse ray toward the image display element 2 through the prism optical system 1.
  • the central ray A emitted from the prism optical system 1 is observed at the observation position.
  • the virtual plane r1 is set at a position 1 m away from the virtual image plane on the exit side, and the intersection of the virtual plane r1 and the central ray A is set as the origin O.
  • the direction of the central principal ray from the origin O toward the prism optical system 1 side is defined as the Z-axis positive direction
  • the direction perpendicular to the Z-axis from the origin O on the image display element 2 side is defined as the Y-axis positive direction.
  • the inside is the YZ plane.
  • the axes constituting the Y-axis and Z-axis and the right-handed orthogonal coordinate system are defined as the X-axis positive direction.
  • the amount of eccentricity from the center of the origin O of the optical system 1 of the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and optical
  • inclination angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ (°), respectively) of the coordinate system defining each plane centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin of the system are given. .
  • positive ⁇ and ⁇ mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis
  • positive ⁇ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis.
  • the ⁇ , ⁇ , and ⁇ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by ⁇ and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by ⁇ . It is.
  • optical action surfaces constituting the optical system of each embodiment when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, in addition, the curvature radius of the surface, The refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods.
  • coefficient terms for which no data is described in the configuration parameters described later are zero.
  • a refractive index and an Abbe number the thing with respect to d line (wavelength 587.56nm) is described.
  • the unit of length is mm.
  • the eccentricity of each surface is expressed by the amount of eccentricity from the reference surface as described above.
  • the shape of the surface of the free-form surface used in the embodiment according to the present invention is defined by the following formula (a).
  • the Z axis of the defining formula is the axis of the free-form surface.
  • the first term of the equation (a) is a spherical term
  • the second term is a free-form surface term.
  • the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane, but in the present invention, by setting all odd-numbered terms of X to 0, the free-form surface is parallel to the YZ plane.
  • This is a free-form surface with only one symmetrical plane. For example, in the above defining equation (a), C 2, C 5, C 7, C 9, C 12, C 14, C 16, C 18, C 20, C 23, C 25, C 27, C 29, This is possible by setting the coefficient of each term of C 31 , C 33 , C 35 .
  • any one of the directions of the symmetry plane is set as a symmetry plane, and the eccentricity in the corresponding direction, for example, the eccentric direction of the optical system with respect to the symmetry plane parallel to the YZ plane is the Y-axis direction,
  • the decentering direction of the optical system is set to the X-axis direction, so that it is possible to improve the manufacturability while effectively correcting the rotationally asymmetric aberration caused by the decentering. It becomes.
  • the definition formula (a) is shown as an example as described above, and the free curved surface of the present invention is generated by eccentricity by using a rotationally asymmetric surface having only one symmetric surface. It is characterized by correcting rotationally asymmetric aberrations and at the same time improving the manufacturability, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other defining formula.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an image display device P using a prism optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the prism optical system 1 is a medium in which a space formed by at least two optical surfaces that are decentered with respect to the axial principal ray of an incident light beam is larger than a refractive index of 1.
  • the at least two optical surfaces are rotationally asymmetric surfaces, perform internal reflection five times in the prism, and form an intermediate image in the prism. It is supposed to form an image outside.
  • the image display device P has the image display element 2 disposed opposite to the first surface 11 as an incident surface on which light enters the prism optical system 1, and the first surface as a transmission region of the surface from which the light is emitted.
  • Example 1 according to the prism optical system 1 of the present invention will be described.
  • FIG. 2 is a YZ sectional view of the image display device P including the prism optical system 1 of Example 1
  • FIG. 3 is an XZ sectional view
  • FIGS. 4 and 5 are lateral aberration diagrams of the entire optical system. Show.
  • the image display apparatus P of Example 1 includes a prism optical system 1 and an image display element 2.
  • the prism optical system 1 is formed using two continuous optical surfaces having an optical action.
  • the first surface 11 is disposed to face the image display element 2 and has two transmission actions and two internal reflections.
  • the second surface 12 is arranged on the opposite side of the first surface 11 from the image display element 2 and has two internal reflection effects.
  • An exit pupil S is provided in the vicinity of the transmission surface of the first surface 11.
  • both the first surface 11 and the second surface 12 are formed as free-form surfaces as rotationally asymmetric surfaces.
  • the light beam that has passed through the exit pupil S passes through the first surface 11 (r3), enters the prism optical system 1, is internally reflected by the second surface 12 (r4), and is reflected by the first surface 11 (r5).
  • the prism optical system 1 is transmitted through the prism optical system 1.
  • the light beam emitted from the prism optical system 1 enters the image display element 2.
  • the image display device P has the image display element 2 disposed so as to face the first surface 11 (r9) as an incident surface on which light enters the prism optical system 1, and serves as a transmission region of the surface from which the light is emitted.
  • the eyeball 3 of the observer By locating the eyeball 3 of the observer so as to face the first surface 11 (r3), an enlarged virtual image is presented to the observer.
  • FIG. 6 shows a configuration of an image display apparatus P including the prism optical system 1 according to the second embodiment
  • FIG. 7 shows a YZ sectional view
  • FIG. 8 shows an XZ sectional view
  • FIG. It shows in FIG.9 and FIG.10.
  • the image display device P includes a prism optical system 1 and an image display element 2.
  • the prism optical system 1 is formed using three optical surfaces having an optical action.
  • the first surface 11 is disposed to face the image display element 2 and has one transmission action and two internal reflection actions.
  • the second surface 12 is disposed on the opposite side of the image display element 2 with respect to the first surface 11 and has three internal reflection effects.
  • the third surface 13 faces the second surface 12 and is disposed on the image display element 2 side, and has a single transmission operation.
  • An exit pupil S is provided in the vicinity of the transmission surface of the first surface 11.
  • the first surface 11, the second surface 12, and the third surface 13 are rotationally asymmetric surfaces.
  • the first surface 11 serves as an exit surface and two internal reflection surfaces
  • the second surface 12 is It functions as a three-time internal reflection surface
  • the third surface 13 functions as an incident surface.
  • the light beam that has passed through the exit pupil S passes through the first surface 11 (r3), enters the prism optical system 1, is internally reflected by the second surface 12 (r4), and is reflected by the first surface 11 (r5).
  • the prism optical system 1 is internally reflected again at the second surface 12 (r6), again internally reflected at the first surface 11 (r7), again internally reflected again at the second surface 12 (r8), and third surface 13 (r9) is transmitted and emitted from the prism optical system 1.
  • the light beam emitted from the prism optical system 1 enters the image display element 2.
  • the image display device P has the image display element 2 disposed so as to face the third surface 13 as an incident surface on which light enters the prism optical system 1, and the first surface as a transmission region of the surface from which the light is emitted.
  • Example 1 Angle of View: Horizontal 6.84 ° Vertical 9.12 ° Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ⁇ -1000.00 r1 ⁇ (virtual surface) r2 ⁇ (exit pupil) Eccentricity (1) r3 FFS [1] Eccentricity (2) 1.5254 56.2 r4 FFS [2] Eccentricity (3) 1.5254 56.2 r5 FFS [1] Eccentricity (2) 1.5254 56.2 r6 FFS [2] Eccentricity (3) 1.5254 56.2 r7 FFS [1] Eccentricity (2) 1.5254 56.2 r8 FFS [2] Eccentricity (3) 1.5254 56.2 r9 FFS [1] Eccentricity (2) 1.5254 56.2 Image plane ⁇ Eccentricity (4) FFS [1] C4 -4.097e-002 C6 2.797e-003 C8 -1.021e-003 C10 2.852e-005 C11 -6.159e-004 C13 -
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a modification of the second embodiment, in which a portion E including the second surface 12 is cut from the prism optical system 1. In this way, it is possible to reduce the weight by cutting the portion that does not contribute to the optical path from the prism optical system 1.
  • the prism optical system 1 Furthermore, by using a cut-out shape with a stop in the vicinity of the position where the intermediate image formed inside the prism optical system 1 is formed, it is possible to limit light other than the illustrated light path, so-called stray light. It becomes. According to the prism optical system 1 having such a shape, since ghost and flare are limited, a clear image can be observed or captured. In addition, as a manufacturing method of the prism optical system 1 of such a shape, it is good also as cutting out the part E from the manufactured prism optical system 1, or manufacturing the prism optical system 1 by which the part E was cut out beforehand. Also good.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a basic configuration of an image display device P using the prism optical system 1.
  • the image display apparatus P uses the prism optical system 1 and the image display element 2, so that the image display apparatus P can be reduced in size and weight and can be manufactured at low cost, and the person who wears the image has less sense of discomfort objectively.
  • the purpose is to provide.
  • the image display device P of the present embodiment uses a liquid crystal display element as the image display element 2.
  • a backlight BL as a light source is necessary.
  • an illumination lens L is provided between the backlight BL and the image display element 2.
  • the image display device P of the present embodiment bends the image light emitted from the image display element 2 in the eyeball direction by the prism optical system 1 having a positive power, and the observer displays an image as a virtual image. It is possible to observe.
  • the vicinity of the exit part function as an aperture stop S, it is possible to observe an image even if the prism optical system 1 itself is made thin and thin.
  • the image display element 2 is a liquid crystal display element
  • a backlight BL is necessary, and it is desirable to position the image of the light source in the vicinity of the exit window for the efficiency of illumination.
  • the prism optical system 1 is disposed slightly outside the front direction of the eyeball. Thereby, the front of the visual field is not disturbed by the prism optical system 1 or an image projected by the prism optical system 1. Further, the optical path can be shortened, and the prism optical system 1 can be made more compact.
  • FIG. 13 shows a top view when the image display device P including the prism optical system 1 is attached to the glasses G.
  • the image display device P includes the prism optical system 1, the image display element 2, and the electrical system 3 as main components.
  • the glasses G are used to fix the position of the image display device P to the observer.
  • appropriate means such as using a dedicated device are adopted. be able to.
  • the electrical system 3 supplies video to image display element 2.
  • the electrical system 3 includes a power supply unit such as a battery, a storage unit for storing video content, a communication unit for communicating with other devices, an interface unit, and the like.
  • the image display device 2 is integrated with the image display element 2, and is fixed to the temple portion (vine) G ⁇ b> 1 of the glasses G with a clip or the like.
  • the prism optical system 1, the electrical system 3, and the image display element 2 are unitized, and this unit is fixed to the glasses G with a clip or the like so as to be positioned below the temple portion G1.
  • any of the prism optical system 1, the electrical system 3, and the image display element 2 may be made independent and fixed to the glasses G without being unitized.
  • the diopter adjustment can be performed by changing the distance from the prism optical system 1 by moving the arrangement position of the electrical system 3 including the image display element 2 back and forth. It has become.
  • the image light emitted from the image display element 2 facing the front direction is emitted toward the pupil by the prism optical system 1.
  • the prism optical system 1 has positive power, enlarges the image of the image display element 2, and the wearer can observe it as a virtual image.
  • FIG. 13 is a side view showing a state of mounting the image display device P shown in FIG.
  • the unitized image display device P is attached to the lower portion of the temple portion G1 with a clip or the like.
  • the axial principal ray emitted horizontally from the image display element 2 facing the front direction of the observer is emitted obliquely upward by the prism optical system 1 and enters the eyeball of the observer.
  • the image light irradiated in the horizontal direction is given an angle in the diagonally downward direction of the observer, that is, the XZ plane as described with reference to FIG. It becomes possible to make it enter into an observer's eyeball, and it becomes possible to arrange
  • FIG. 14 is a front view of the image display device P using the prism optical system
  • FIGS. 15 and 16 are side views of the image display device P using the prism optical system.
  • the prism optical system 1 when viewed from the front, the prism optical system 1 is arranged to face the observer's pupil E, and an enlarged virtual image can be presented to the observer.
  • the prism optical system 1 when the vertical width of the portion of the prism optical system 1 facing the observer's pupil E is set to less than 4 mm, which is the average human pupil diameter, the prism optical system 1 is observed from above and below. The scenery behind the prism optical system 1 can be seen on the pupil E of the person, and a see-through effect can be produced.
  • the allowable range for the vertical shift is widened due to the long vertical width. can do.
  • the image display device P of the present embodiment is a glasses-type image display device that enables simultaneous observation of the outside world and an electronic image (see-through function) without obstructing the outside field of view, and enables reduction in size, weight, and cost. suggest.
  • the prism optical system 1 of the present embodiment can be used together with an image pickup device (not shown) instead of the image display device 2 to provide an image pickup apparatus that is small and light and can be reduced in cost.
  • FIG. 17 shows a basic configuration diagram when the prism optical system of the present embodiment is applied to a digital camera which is an image pickup apparatus.
  • the exit pupil in the image display device acts as an entrance pupil
  • an aperture stop 46 is provided in the vicinity of the pupil position. Brightness is adjusted by expanding or reducing the aperture of the aperture stop 46.
  • an image pickup device 44 such as a CCD is provided in place of the display device.
  • the main body of the digital camera is equipped with an entrance window 47, a switch 42, a shutter 41, and a back display panel 43 for confirming the operation and imaging, which take in light and prevent internal dirt. .
  • a switch 42 When the switch 42 is turned on and the shutter 41 is pressed, a shutter (not shown) attached to the image sensor 44 is actuated, and a still image for a time set by the shutter speed is captured by the image sensor 44, and the image recording memory 45.
  • the image data is stored in When shooting a moving image, the moving image captured by the image sensor 44 is stored in the image recording memory 45 with the shutter opened.
  • An optical system can be provided.

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Abstract

　非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、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。　入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面（１１、１２）により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有したプリズム光学系（１）において、少なくとも２面の光学面（１１、１２）は、回転非対称面であり、プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズムの外部に結像することを特徴とする。

Description

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撮像装置
　本発明は、回転非対称面を用いたプリズム光学系と、プリズム光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置に関するものである。
　従来、偏心光学系として、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は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することができる。
　このような画像を観察する光学系として、特許文献１には、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が、特許文献２、３には、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。また、その他の画像表示装置の光学系として、特許文献４には、導光板と接眼レンズによって眼球に投影するものが提案されている。
特開２００８－７６４２９号公報 特開２００７－９４１７５号公報 特開２００４－３２５９８５号公報 特開２００６－３８７９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１１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。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。
　特許文献２、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。
　さらに、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。
　特許文献４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。
　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って、その主たる目的は、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、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偏心光学系を提供するところにある。
　上記課題を解決するため、本発明のプリズム光学系は、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、前記光学面のうち少なくとも２面は回転非対称面であり、前記プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、前記プリズム内にて中間像を形成し、その中間像を前記プリズムの外部に結像することを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、光が入射あるいは射出する面のうち１面は少なくとも１回の透過作用と２回の内部反射作用を有することを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、前記入射あるいは射出する面のうち１面の少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、光が入射あるいは射出する面に対向する面は、１つの面で構成されることを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記プリズム光学系に入射し、その後前記プリズム光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記プリズム光学系に入射し、前記プリズム光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、前記第１面を透過し、前記プリズム光学系から射出するように構成されていることを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、前記プリズム光学系に入射する軸上主光線と、前記プリズム光学系から射出する軸上主光線のなす角度をαとすると、
　　０°≦　α　≦　６０°
を満たすことを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、入射面と射出面は同一面であることを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、入射面と射出面は異なる面であることを特徴とする。
　さらに、前記プリズム光学系において、光が入射する面あるいは射出する面に対向する面の一部が切り取られていることを特徴とする。
　また、本発明の画像表示装置は、前記プリズム光学系を有し、前記プリズム光学系の前記第１面に対向して前記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球を配備させたとき、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。
　さらに、前記画像表示装置において、前記プリズム光学系の射出瞳は、第１面の射出窓近傍、または、第１面と観察者眼球の間に形成されることを特徴とする。
　また、本発明の撮像装置は、前記プリズム光学系を有し、前記第１面に対向して撮像素子を配備し、前記第１面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備し、外界像を撮像することを特徴とする。
　以上、本発明によれば、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子であって、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。さらに、本発明によれば、小型軽量・低コストでデザイン性に優れた眼鏡型画像表示装置を提供することができる。
実施例１におけるプリズム光学系の構成を示す図である。 実施例１におけるプリズム光学系のＹ－Ｚ断面での光路図である。 実施例１におけるプリズム光学系のＸ－Ｚ断面での光路図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２におけるプリズム光学系の構成を示す図である。 実施例２におけるプリズム光学系のＹ－Ｚ断面での光路図である。 実施例２におけるプリズム光学系のＸ－Ｚ断面での光路図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の変形例におけるプリズム光学系のＹ－Ｚ断面での光路図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の基本構成図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の上面図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の正面図である。 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画像表示装置の側面図である。 プリズム光学系を用いた撮像装置の基本構成図である。
　本発明に係るプリズム光学系１は、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間を屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズム光学系１であり、前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズム光学系１の外部に結像することが好ましい。
　入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間を屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズム光学系１とすることで、図１に示されるような、なめらかな流線型形状とすることが可能となり、例えば顔面に装着する画像表示装置Ｐの場合には、近未来的なスマートな印象を与えることができる。また、撮像装置として用いる場合には、通常のカメラとはまったく異なった形状の装置にすることができるため、セキュリティ用途などでは、撮像していることを相手に気づかれずに撮影を行うことができる。
　さらに、少なくとも２面の光学面により形成された空間を屈折率１より大きい光学媒質で満たされたプリズム光学系１とすると、プリズムの媒質内を光が通過するため、プリズム内部の反射においては、臨界角以上の入射角とすることによって、全反射させることが可能となる。
　さらに、少なくとも２面を有する光学系が１つのプリズムとしたことで、各光学面をそれぞれの形状で形成し、それらの面を組み合わせて金型を作り、成形することで、安定した品質の光学素子を製造することが可能となる。
　さらに、入射する光束は、プリズムの偏心した１面を透過してプリズム内に入射し、互いに偏心した２面の光学面によって形成される空間内の媒質中を通過して、前記少なくとも２面において５回の内部反射をする。したがって、各透過面、反射面が平面ではなく、あるパワーを持った面であれば、偏心収差が発生する。その偏心収差は互いに偏心した少なくとも２面は回転非対称面であることにより、各偏心面で発生する偏心収差を良好に補正することが可能となる。
　また、プリズム内において５回の内部反射を行うことで、プリズム内における光路長を制御することが可能となり、例えば、プリズムが短くても長い光路長にすることが可能である。眼鏡に取り付けて観察するタイプの画像表示装置Ｐであって、観察者眼球の前にプリズムの射出面を、また、眼鏡のテンプル部付近にある画像表示素子２の前にプリズムの入射面を配置する場合には、プリズムの長さはその間の距離で制限を受けることになる。
　また、光学系としては、表示素子の大きさと観察画角によって、全体の焦点距離ｆが決まり、そのｆによってプリズムの長さもある程度決まってしまう。したがって、必要な光路長を確保するには、プリズムを構成する少なくとも２面の間隔を変化させることで制御することが可能となる。
　このような構成により、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズム光学系１の外部に結像することにより、光学系の仕様をある程度自由に制御することが可能となる。
　また、中間像を形成せずに結像させた場合、例えば、画像表示装置Ｐの場合には、光学系の画角ωと表示素子の水平方向の長さＨと光学系の焦点距離ｆの関係は、
　Ｈ／２＝ｔａｎ（ω／２）×ｆ
　で一義的に決まることとなる。実際には表示素子の大きさにしたがって、プリズムの長さと形状が決められるため、観察画角の大きさの自由度は小さい。しかしながら、中間像をプリズム内に形成し、その中間像をプリズム外部に結像させるようにすることで、光学系全体の仕様をより自由に決めることが可能となる。
　例えば、画像表示装置Ｐの場合には、プリズム内の中間像の大きさを変化させることで、観察画角を制御することが可能となる。物体である画像表示素子２の中間像は２次物体であるため、中間像を大きくすることはＨが大きくなるのと等価である、したがって、上式からも容易に画角２ωを変化させることができることがわかる。
　ちなみに、この場合の焦点距離は一次像形成までの部分（焦点距離ｆ１）と、１次像を略無限に投影する部分（焦点距離ｆ２）の２つの光学系の合成と考えられ、全体の光学系の焦点距離ｆｚは、二つの光学系の間の距離をΔとして、ｆｚ＝ｆ１×ｆ２/Δで与えられる。（本光学系の場合、２つの光学系に分離し、それぞれの主点位置を特定することは困難であるため、Δを特定することはできない）
　上記の中間像を２次物体（物体高Ｈ’）として捉えると、２次物体を観察者眼球に投影するだけの光学系となり、上記式は、
Ｈ’／２＝ｔａｎ（ω’／２）×ｆ１
となる（ただし、ω’はこの場合の画角）。変形すると、
ω’＝２・ａｒｃｔａｎ（Ｈ’／（２・ｆ１)）
となる。例えば、Ｈ’を大きく、ｆ２を小さくすることによってω’は大きくなり、広い画角を実現できる。
　また、本発明に係るプリズム光学系１において、光が入射或いは射出する面のうち１面は少なくとも１回の透過作用と２回の内部反射作用を有することが好ましい。
　光が入射或いは射出する面とは、表示装置として用いるときは光の射出面、撮像装置として用いるときは入射面として透過作用を有する面のことであり、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内部における反射領域をオーバーラップさせることができ、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が可能である。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。
　このような構成によれば、プリズム光学系１がコンパクトな形状となり、画像表示装置Ｐ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、本発明に係るプリズム光学系１において、前記入射あるいは射出する面のうち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ことが好ましい。
　第１面の内部反射を全反射面とすることで、第１面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とが可能となる。
　このような構成によれば、プリズム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することができる。
　また、本発明に係るプリズム光学系１において、光が入射あるいは射出する面に対向する面は、１つの面で構成されることが好ましい。
　このような構成によれば、プリズムの１面が外観的になめらかな１面で構成することが可能となる。画像表示装置Ｐの場合には、この面を外側に配備されるため、外観上の違和感の少ない形状とすることが可能となる。
　また、本発明に係るプリズム光学系１において、画像を表示する画像表示面２から射出した光が前記プリズム光学系１に入射し、その後前記プリズム光学系１から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記プリズム光学系１に入射し、前記プリズム光学系１から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、前記第１面を透過し、前記プリズム光学系１から射出するように構成されていることが好ましい。
　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、図１のようにプリズムは第１面と第２面の面内で多重反射をすることになり、非常に小さい素子でありながら実際の光路長を長くすることが可能となる。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となる。さらに、眼鏡のフレームの一部として使用することも可能である。
　このように、光学素子が小さく、略棒状にしたために、画像観察装置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、プリズムは第１面にて２回の内部反射を行い、その前後で、第２面で３回の内部反射を行うようにしたため、第２面の傾きを適切な角度にすることで画像表示素子２を所望の角度に配置することができる。また、第１面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２を設置できる。
　このような構成によれば、ユーザーはシースルー観察において外界視野の死角をなくすことができ、画像表示素子２が邪魔にならないように出来るため、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Ｐ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、本発明に係るプリズム光学系１において、前記プリズム光学系１に入射する軸上主光線と、前記プリズム光学系１から射出する軸上主光線のなす角度をαとすると、
０°≦　α　≦　６０°
を満たすようにすることが好ましい。
　画像表示素子２の中心から射出する軸上主光線とプリズムから射出し、観察者瞳孔中心に到達する軸上主光線によって出来る角度αは上記範囲に設定されることが望ましい。単眼で画像表示装置Ｐを観察する観察者にとって、表示画面の位置は正面より外側であることにより、正面の外界視野を妨げることないため、外界の視認性を高い状態を維持しつつ、電子画像を観察したいときには眼球を外側にすることで観察することが可能である。
　画像表示素子２が眼鏡テンプル部に取り付く場合には、表示面を略正面に向けて配備されるが、観察者が眼鏡を装着するときテンプル部は外側に若干開くため、表示素子から射出する軸上主光線もある角度を持ってプリズムに入射することを考慮すると、入射光の軸上主光線と、射出光の軸上主光線のなす角度は上述の範囲で設定されることが望ましい。
　また、本発明に係るプリズム光学系１において、プリズム光学系１の入射面と射出面は同一面であることが好ましい。
　プリズム光学系１の入射面と射出面は同一面であることにより、プリズムは同一面内に入射面と射出面とすることができるため、画像表示装置Ｐの場合には、画像表示素子２を観察者眼球と同じ向きに配備することができるため、眼鏡のテンプル部に画像表示素子２を観察者前方に向けて配備し、観察者の眼球にその画像表示素子２の画像を投影することが可能となる。
　また、本発明に係るプリズム光学系１において、入射面と射出面は異なる面であることとしてもよい。
　プリズム光学系１の入射面と射出面は異なる面とすることで、入射面と射出面の向きを自由に設定できる。そのため、像面に直面する射出面の角度を自由に設定することによって、像面に対する主光線の入射角を設定することができ、例えば、画像表示装置Ｐの場合には、画像表示素子２の視野角特性に合わせて主光線の入射角を設定することが容易になる。さらに、このような構成によれば、テレセン性の制御ができるため、観察画面の周辺まで光量低下が抑制され、明るさの均一性の高い画面とすることができる。
　また、本発明に係るプリズム光学系１において、光が入射する面あるいは射出する面に対向する面の一部が切り取られていることを特徴としている。さらに好ましくは、切り取られる部分が中間像近傍となるようにするとよい。
　光学面の一部を切り取ることで、プリズム光学系１の軽量化を図ることが可能となる。さらに、切り取られる部分を中間像近傍とすることで、ゴースト、フレアーを制限し、鮮明な画像を観察、または撮像することが可能となる。
　また、本発明に係る画像表示装置Ｐは、前記プリズム光学系１の第１面に対向して前記画像表示素子２を配備し、第１面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することとしている。
　画像表示素子２から発した光は、プリズム入射面から入射し、少なくとも２面で５回の内部反射した後、第１面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Ｐ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、画像表示装置Ｐにおいて、前記プリズム光学系１の射出瞳は、第１面の射出窓近傍、または、第１面と観察者眼球の間に形成されることが好ましい。
　表示素子の射出瞳をプリズム光学系１の第１面の射出窓近傍または第１面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Ｐ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。
　また、本発明に係る撮像装置は、前記プリズム光学系１の第１面に対向して撮像素子を配備し、第１面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としている。
　プリズムの第１面の下側近傍に円形の開口を持つ開口絞りを配備し、第１面に対向してＣＣＤ等の撮像素子を配備することで、開口絞りを通過しプリズムの第１面から入射した光は、第１面、第２面で５回の内部反射をして第１面から射出して撮像素子に到達し、光は集光させることができ、小型軽量化された撮像装置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。
　具体的な構成パラメータは後記するが、プリズム光学系１の構成パラメータは、図１に示すように、観察者の観察位置、すなわち、眼球３が配置される位置付近に設定された仮想面ｒ１を通る中心光線Ａが、プリズム光学系１を経て画像表示素子２に向かう逆光線追跡の結果に基づくものである。
　図１に示すように、プリズム光学系１から射出される中心光線Ａは、観察位置にて観察されることで、プリズム光学系１の右側に逆光線追跡における虚像面（逆光線追跡でいう物体面）を形成する。ここでは、虚像面から射出側に１ｍ離れた位置に仮想面ｒ１を設定し、仮想面ｒ１と中心光線Ａの交点を原点Ｏとしている。さらに、原点Ｏからプリズム光学系１側へ向かう中心主光線の方向を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１の原点Ｏ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 Ｃj Ｘm 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 Ｃj Ｘm Ｙn 
　　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、Ｃj （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いうまでもない。
　図１は本発明の実施形態に係るプリズム光学系１を用いた画像表示装置Ｐの概念図である。
　実施例１のプリズム光学系１は、図１に示すように、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズムの外部に結像することとしている。
　また、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第１面１１に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
　次に、本発明のプリズム光学系１に係る実施例１について説明する。
　実施例１のプリズム光学系１を備えた画像表示装置ＰのＹ－Ｚ断面図を図２に、Ｘ－Ｚ断面図を図３に、光学系全体の横収差図を図４及び図５に示す。
　実施例１の画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１と、画像表示素子２とを有する。
　プリズム光学系１は、光学作用を有する２面の連続した光学面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、２回の透過作用と２回の内部反射を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、２回の内部反射作用を有する。また、第１面１１の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。
　実施例１では、第１面１１、第２面１２の両方が回転非対称面としての自由曲面として形成している。
　逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第１面１１（ｒ３）を透過してプリズム光学系１に入射し、第２面１２（ｒ４）で内部反射し、第１面１１（ｒ５）で再び内部反射し、第２面１２（ｒ６）で再度内部反射し、第１面１１（ｒ７）で再度内部反射し、第２面１２（ｒ８）で再々度内部反射し、第１面１１（ｒ９）を透過してプリズム光学系１から射出される。プリズム光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。
　また、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１（ｒ９）に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第１面１１（ｒ３）に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
　実施例２のプリズム光学系１を備えた画像表示装置Ｐの構成を図６に、Ｙ－Ｚ断面図を図７に、Ｘ－Ｚ断面図を図８に、光学系全体の横収差図を図９及び図１０に示す。
　実施例２の画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１と、画像表示素子２とを有する。
　プリズム光学系１は、光学作用を有する３面の光学面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、１回の透過作用と２回の内部反射作用を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、３回の内部反射作用を有する。第３面１３は、第２面１２に対向し、画像表示素子２側に配置され、１回の透過作用を有する。また、第１面１１の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。
　この実施例２では、第１面１１、第２面１２、第３面１３を回転非対称面としており、第１面１１は、射出面と２回の内部反射面を兼ね、第２面１２は、３回の内部反射面として機能し、第３面１３は入射面として機能する。
　逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第１面１１（ｒ３）を透過してプリズム光学系１に入射し、第２面１２（ｒ４）で内部反射し、第１面１１（ｒ５）で再び内部反射し、第２面１２（ｒ６）で再度内部反射し、第１面１１（ｒ７）で再度内部反射し、第２面１２（ｒ８）で再々度内部反射し、第３面１３（ｒ９）を透過してプリズム光学系１から射出される。プリズム光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。
　また、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１に光が入射する入射面としての第３面１３に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第１面１１に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。
　以下に、上記実施例１、２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
画角　：水平　6.84°垂直　9.12°

面番号　　曲率半径　　面間隔　　　偏心　　　屈折率　アッベ数
物体面　　∞　　　　-1000.00
  r1　　　∞（仮想面）
  r2　　　∞（射出瞳）　　　　　　偏心(1)
  r3　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
  r4　　　FFS[2]　　　　　　　　　偏心(3) 　1.5254　　56.2
  r5　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
  r6　　　FFS[2]　　　　　　　　　偏心(3) 　1.5254　　56.2
  r7　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
  r8　　　FFS[2]　　　　　　　　　偏心(3) 　1.5254　　56.2
  r9　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
像　面　　∞　　　　　　　　　　　偏心(4)

　　　　　　　　　　　　　FFS[1]
Ｃ4 　-4.097e-002    Ｃ6 　 2.797e-003    Ｃ8 　-1.021e-003
Ｃ10　 2.852e-005    Ｃ11　-6.159e-004    Ｃ13　-3.355e-005
Ｃ15　-4.324e-006    Ｃ17　 3.462e-006    Ｃ19　 2.193e-007
Ｃ21　-2.226e-007    Ｃ22　 3.358e-005    Ｃ24　 1.043e-006
Ｃ26　 2.298e-007    Ｃ28　 2.873e-009

　　　　　　　　　　　　　FFS[2]
Ｃ4 　-2.854e-002    Ｃ6 　-1.554e-002    Ｃ8 　-1.861e-003
Ｃ10　-9.123e-004    Ｃ11　-3.462e-004    Ｃ13　-1.594e-004
Ｃ15　-3.945e-005    Ｃ17　-8.232e-006    Ｃ19　-2.028e-006
Ｃ21　-7.821e-007    Ｃ22　 8.407e-006    Ｃ24　 1.641e-009
Ｃ26　 7.859e-008    Ｃ28　-3.656e-009

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

　　　　　　偏心[2] 
Ｘ　  0.00　Ｙ　 13.35　Ｚ　 23.84
α　-17.83　β　  0.00　γ　  0.00

　　　　　　偏心[3] 
Ｘ　  0.00　Ｙ　 19.19　Ｚ　 33.24
α　-19.17　β　  0.00　γ　  0.00

　　　　　　偏心[4] 
Ｘ　  0.00　Ｙ　 34.85　Ｚ　 19.26
α　-12.57　β　  0.00　γ　  0.00
実施例２
画角　：水平　6.84°垂直　9.12°

面番号　　曲率半径　　面間隔　　　偏心　　　屈折率　アッベ数
物体面　　∞　　　　-1000.00
  r1　　　∞（仮想面）
  r2　　　∞（射出瞳）　　　　　　偏心(1)
  r3　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
  r4　　　FFS[2]　　　　　　　　　偏心(3) 　1.5254　　56.2
  r5　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
  r6　　　FFS[2]　　　　　　　　　偏心(3) 　1.5254　　56.2
  r7　　　FFS[1]　　　　　　　　　偏心(2) 　1.5254　　56.2
  r8　　　FFS[2]　　　　　　　　　偏心(3) 　1.5254　　56.2
  r9　　　FFS[3]　　　　　　　　　偏心(4) 　1.5254　　56.2
像　面　　∞　　　　　　　　　　　偏心(5)

　　　　　　　　　　　　　FFS[1]
Ｃ4 　-1.217e-002    Ｃ6 　 5.572e-003    Ｃ8 　-1.257e-003
Ｃ10　-3.312e-005    Ｃ11　 1.245e-004    Ｃ13　-1.277e-004
Ｃ15　-6.142e-006    Ｃ17　 6.123e-005    Ｃ19　-2.452e-006
Ｃ21　 1.608e-007    Ｃ22　 3.857e-005    Ｃ24　 1.679e-006
Ｃ26　 6.144e-008    Ｃ28　 1.729e-008

　　　　　　　　　　　　　FFS[2]
Ｃ4 　-2.035e-002    Ｃ6 　-1.492e-002    Ｃ8 　-1.879e-003
Ｃ10　-9.249e-004    Ｃ11　-2.082e-004    Ｃ13　-1.320e-004
Ｃ15　-3.946e-005    Ｃ17　-8.566e-006    Ｃ19　-2.398e-006
Ｃ21　-7.783e-007    Ｃ22　 1.605e-005    Ｃ24　-3.599e-007
Ｃ26　 8.955e-009    Ｃ28　-3.586e-009

　　　　　　　　　　　　　FFS[3]
Ｃ4 　-2.463e-002    Ｃ6 　-7.680e-003    Ｃ8 　-1.859e-003
Ｃ10　-1.639e-003    Ｃ11　-3.787e-004    Ｃ13　-6.550e-004
Ｃ15　-9.815e-004    Ｃ17　 7.054e-006    Ｃ19　-1.161e-003
Ｃ21　 1.416e-004    Ｃ22　 1.524e-004    Ｃ24　-9.199e-005
Ｃ26　-1.939e-004    Ｃ28　 4.349e-005

　　　　　　偏心[1]
7Ｘ　 0.00  Ｙ　  0.00　Ｚ　 20.00
α　  0.00　β　  0.00　γ　  0.00

　　　　　　偏心[2]
Ｘ　  0.00　Ｙ　 13.83　Ｚ　 22.99
α　-16.26　β　  0.00　γ　  0.00

　　　　　　偏心[3]
Ｘ　  0.00　Ｙ　 19.46　Ｚ　 32.03
α　-17.89　β　  0.00　γ　  0.00

　　　　　　偏心[4]
Ｘ　  0.00　Ｙ　 31.27　Ｚ　 27.97
α　-10.20　β　  0.00　γ　  0.00

　　　　　　偏心[5]
Ｘ　  0.00　Ｙ　 34.18　Ｚ　 14.79
α　-12.15　β　  0.00　γ　  0.00
　図１１は、実施例２の変形例を示した模式図であって、プリズム光学系１から第２面１２を含んだ部分Ｅを切り取った形状としている。このように、プリズム光学系１から光路に寄与しない部分を切り取った形状とするにより軽量化を図ることが可能となる。
　さらに、プリズム光学系１の内部に形成された中間像が形成される位置近傍で絞りを付けたような切り取り形状とすることで、図示した光線経路以外の光、所謂迷光を制限することが可能となる。このような形状のプリズム光学系１によれば、ゴースト、フレアーが制限されるため、鮮明な画像を観察、または撮像することが可能となる。なお、このような形状のプリズム光学系１の製造方法としては、製造したプリズム光学系１から部分Ｅを切り取ることとしてもよいし、予め部分Ｅが切り取られたプリズム光学系１を製造することとしてもよい。
　図１２は、プリズム光学系１を用いた画像表示装置Ｐの基本構成を示す模式図である。
　本実施形態の画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１と画像表示素子２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Ｐ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Ｐは、画像表示素子２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が必要となる。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Ｐは、このような構成により、画像表示素子２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、プリズム光学系１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２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、プリズム光学系１を眼球の正面方向よりもやや外側に配置することが好ましい。これにより、視界の正面をプリズム光学系１、あるいは、プリズム光学系１にて投影される映像にて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１３は、プリズム光学系１を備えた画像表示装置Ｐを、眼鏡Ｇに装着した場合の上面図を示している。本実施形態では、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１、画像表示素子２、電装系３を主な構成要素としている。本実施形態では、観察者に対し画像表示装置Ｐを位置固定するため、眼鏡Ｇを流用することとしているが、画像表示装置Ｐの位置固定には、専用のものを用いるなど適宜手段を採用することができる。
　電装系３は、画像表示素子２に対して映像を供給する。この電装系３には、バッテリーなどの電源部、映像コンテンツを記憶する記憶部、他の装置と通信するための通信部、あるいは、インターフェイス部などを備えて個構成される。本実施形態では、画像表示素子２と一体となって構成されており、眼鏡Ｇのテンプル部（つる）Ｇ１に対してクリップなどで固定される。
　本実施形態では、プリズム光学系１、電装系３、画像表示素子２がユニット化されており、このユニットをテンプル部Ｇ１の下側に位置するようにクリップなどで眼鏡Ｇに固定している。なお、ユニット化を行うことなく、プリズム光学系１、電装系３、画像表示素子２の何れかを独立させ、それぞれを眼鏡Ｇに固定されることとしてもよい。
　また、画像表示素子２に対するプリズム光学系１の配置位置を前後させることで視度調整を行うことが可能となり、観察者の視力に合わせた映像を提供することが可能となる。本実施形態では、図１２に矢印Ｔで示すように、画像表示素子２を含む電装系３の配置位置を前後させることで、プリズム光学系１との距離を変化させ視度調整することが可能となっている。
　このような眼鏡Ｇに装着された画像表示装置Ｐにおいて、正面方向を向いた画像表示素子２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２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。なお、画像表示素子２の中心から射出する第１の軸上主光線Ｂ１と、プリズム光学系１から射出され観察者の瞳孔中心に到達する第２の軸上主光線Ｂ２によって形成される角度αは０°～６０°であることが望ましい。
　図１３は、図１２に示す画像表示装置Ｐの装着の様子の側面図を示した図である。本実施形態では、ユニット化された画像表示装置Ｐは、テンプル部Ｇ１の下方にクリップなどで取り付けられている。観察者の正面方向を向いた画像表示素子２から水平に射出された軸上主光線は、プリズム光学系１によって斜め上方に射出され、観察者の眼球に入射する。
　このように本実施形態のプリズム光学系１では、水平方向に照射された画像光を、観察者の斜め下方方向、すなわち、図３で説明したようにＸ－Ｚ面での角度を付与して観察者の眼球に入射させることが可能となり、プリズム光学系１を視界の正面よりも下方に配置することが可能となる。そのため、視界をプリズム光学系１、あるいは、プリズム光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。
　図１４は、プリズム光学系を用いた画像表示装置Ｐの正面図、図１５、図１６は、プリズム光学系を用いた画像表示装置Ｐの側面図である。図１４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。
　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。
　また、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。
　本実施形態の画像表示装置Ｐ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眼鏡型画像表示装置を提案する。
　また、本実施形態のプリズム光学系１は、画像表示素子２に代えて、図示しない撮像素子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１７に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基本構成図を示す。撮像装置に本発明のプリズム光学系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４６を設ける。この開口絞り４６の開口を拡縮することで明るさの調整が行われる。さらに、表示素子の代わりにＣＣＤなどの撮像素子４４を配備する。
　デジタルカメラ本体には、光を取り入れ、内部の汚れを防ぐことにもなる入射窓４７、スイッチ４２、シャッター４１、及び、操作、撮像の様子を確認するための背面表示パネル４３が装備されている。スイッチ４２をＯＮにしてシャッター４１を押すと、撮像素子４４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４４で撮像し、画像記録メモリー４５に画像データが蓄積される。動画像を撮影する場合は、シャッターを開放にして撮像素子４４で取り込んだ動画像を画像記録メモリー４５に蓄積する。
　以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
　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個の光学素子によって、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偏心光学系を提供することができる。

Claims (12)

  1. 　入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、
    　前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、前記プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、前記プリズム内にて中間像を形成し、その中間像を前記プリズムの外部に結像することを特徴とする
    　プリズム光学系。
  2. 　光が入射あるいは射出する面のうち１面は少なくとも１回の透過作用と２回の内部反射作用を有する
    　請求項１に記載のプリズム光学系。
  3. 　前記入射あるいは射出する面のうち１面の少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする
    　請求項２に記載のプリズム光学系。
  4. 　光が入射あるいは射出する面に対向する面は、１つの面で構成されることを特徴とする
    　請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプリズム光学系。
  5. 　画像を表示する画像表示面から射出した光が前記プリズム光学系に入射し、その後前記プリズム光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、
    　前記プリズム光学系に入射し、前記プリズム光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、前記第１面を透過し、前記プリズム光学系から射出するように構成されていることを特徴とする
    　請求項１から請求項４の何れか１項に記載のプリズム光学系。
  6. 　前記プリズム光学系に入射する軸上主光線と、前記プリズム光学系から射出する軸上主光線のなす角度をαとすると、
    　　０°≦　α　≦　６０°
    を満たすことを特徴とする
    　請求項１から請求項５の何れか１項に記載のプリズム光学系。
  7. 　入射面と射出面は同一面であることを特徴とする
    　請求項１から請求項６の何れか１項に記載のプリズム光学系。
  8. 　入射面と射出面は異なる面であることを特徴とする
    　請求項１から請求項６の何れか１項に記載のプリズム光学系。
  9. 　光が入射する面あるいは射出する面に対向する面の一部が切り取られていることを特徴とする
    　請求項１から請求項８の何れか１項に記載のプリズム光学系。
  10. 　請求項１から請求項９の何れか１項に記載のプリズム光学系を有し、
    　前記プリズム光学系の前記第１面に対向して前記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球を配備させたとき、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
    　画像表示装置。
  11. 　前記プリズム光学系の射出瞳は、第１面の射出窓近傍、または、第１面と観察者眼球の間に形成されることを特徴とする
    　請求項１０に記載の画像表示装置。
  12. 　請求項１から請求項９の何れか１項に記載のプリズム光学系を有し、
    　前記第１面に対向して撮像素子を配備し、
    　前記第１面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備し、
    　外界像を撮像することを特徴とする
    　撮像装置。
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