JP2001235707A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 色収差が良好に補正されたコンパクトで軽量
な広画角頭部装着式映像表示装置。 【構成】 映像を表示する映像表示素子１と、その映像
を眼球の瞳Ｅに拡大投影するために眼球の瞳Ｅに対向し
て配置された凹面鏡２と、眼球の瞳Ｅと凹面鏡２の間に
配置されたハーフミラー３とを備えた頭部装着式映像表
示装置において、光路の何れかの位置に逆分散特性の回
折光学素子２０を配置して、色収差を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映像表示装置に関し、
特に、使用者の頭部若しくは顔面に保持して眼球に映像
を投影する小型の頭部又は顔面装着式の映像表示装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティー用、ある
いは、個人的に大画面の映像を楽しむことを目的とし
て、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部又は顔面に保持す
る映像表示装置が開発されている。

【０００３】例えば、特開平３−１９１３８９号におい
ては、図２４に示すように、映像を表示する２次元表示
素子１と、その映像を眼球４に拡大投影するために表示
素子１と対向して設けられた凹面鏡２と、両者の間に配
置されたハーフミラー３とを備えることにより、良好な
結像性能を保ったまま光学系を小型化する方法が開示さ
れている。また、米国特許第４，２６９，４７６号で
は、上記のハーフミラーの代わりに、図２５に示すよう
に、ハーフミラーを有するビームスプリッタプリズム５
を使用している。

【０００４】

【発明の解決しようとする課題】図２４、図２５に示し
たような従来の接眼光学系を広画角化するには、２次
元表示素子１を大きくするか、光学系の焦点距離ｆを
小さくすればよい。

【０００５】の方法は、２次元表示素子だけでなく、
ハーフミラーあるいはプリズムも大型化するので、装置
の大きさ・重量が増加し、頭部装着式映像表示装置とし
て好ましくない。また、特に両眼視の場合に、上述の素
子同士が干渉することから、広画角化に限界がある。

【０００６】一方、の方法で図２４の構成の光学系を
広画角化すると、凹面鏡による像面湾曲（負のペッツバ
ール和）や外コマ収差が問題となる。そこで、凹面鏡の
代わりに裏面鏡を使用し、像面湾曲・コマ収差等の収差
補正能力を増すと共に、ミラーの耐久性も向上させる方
法が考えられるが、屈折系レンズにより色収差が発生す
る。

【０００７】この点に関しては、図２６のように、屈折
系レンズをダブレット８とし、色収差を補正すればよい
が、重量が増加するので、頭部装着式映像表示装置とし
て好ましくなくなる。このダブレット８を構成するレン
ズは、効果的に色収差を補正するために、例えば、凹レ
ンズはフリント系ガラス、凸レンズはクラウン系ガラス
としていることから、特に凹レンズの重量が大きい。

【０００８】また、の方法は、２次元表示素子１の大
きさを一定に保ったまま光学系の焦点距離を小さくする
と、眼球４とハーフミラー３の間隔（光学系の作動距
離）が減少し、眼鏡を着けたままの使用が困難になる等
の問題が発生する。また、広画角化にも限界がある。

【０００９】そこで、光学系を大幅に大きくすることな
く広画角化する方法として、眼球とハーフミラーの間に
正の屈折力を有する面若しくは正の屈折力を持つレンズ
を配置することが考えられる。しかし、この場合は、眼
球とハーフミラーの間の正の屈折力を有する面若しくは
正の屈折力を持つレンズにおいて色収差が発生するた
め、この色収差を補正する必要が生ずる。

【００１０】このような光学系の一例の光路図を図２７
に示す。この光学系は、眼球４の瞳Ｅとハーフミラー３
の間隔を大きくするためにプリズム５を使用し、広画角
化に伴う歪曲収差の増加の補正とテレセントリック性の
確保のために、プリズム５の映像表示素子１側の面７を
非球面としている。

【００１１】この構成の光学系は、４０°×３０°とい
う広画角光学系であるにも関わらず、小型で良好な性能
である。しかし、色収差を補正するために反射鏡付近に
ガラスレンズのダブレット８を使用していることから、
プリズム５をプラスチックとして重量の増加を抑えて
も、上記で例示したように、全体の重量が大きく増加し
てしまう。

【００１２】何れにしても、ガラスレンズで色消し光学
系を構成しようとすると、このように重量が大きく増加
するので、この重量を減少させることが非常に重要であ
る。

【００１３】本発明は、このような従来技術の問題点を
解決するためになされたものであり、その目的は、色収
差が良好に補正されたコンパクトで軽量な広画角頭部装
着式映像表示装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表
示手段と、前記映像を観察者眼球位置に導く投影光学系
とからなる映像表示装置において、前記投影光学系が、
少なくとも、光束を透過する作用と反射する作用とを兼
用する透過反射作用面と、光束を反射する反射面と、色
収差補正機能を有するように構成された回折光学部材と
を有し、前記透過反射作用面と前記反射面とは、光学系
をコンパクト化するために、前記透過反射作用面と前記
反射面との間で折り返し光路を形成するように、前記反
射面を前記透過反射作用面を基準に前記観察者眼球位置
とは反対側の位置に設置し、かつ、前記映像表示手段か
ら射出された光束を前記透過反射作用面にて反射させ、
前記透過反射作用面から反射された光束を前記反射面に
て反射させ、前記反射面にて反射された光束を前記透過
反射作用面を透過させて、前記観察者眼球位置に光束を
導くように光路を形成し、前記回折光学部材が、前記映
像表示手段と前記観察者眼球位置との間の光路中に配置
されていることを特徴とするものである。

【００１５】この場合に、投影光学系は、少なくともプ
リズム部材を含み、そのプリズム部材は、少なくとも、
映像表示手段からの映像光束をプリズム内に入射させる
入射面と、透過反射作用面と、反射面とを含んで構成さ
れているものとすることができる。

【００１６】また、そのプリズム部材は、映像表示手段
からの映像光束を入射面より入射させ、入射面より入射
した光束を透過反射作用面にて反射させ、透過反射作用
面にて反射された光束を反射面にて反射させ、反射面に
て反射された光束を透過反射作用面を透過させて、プリ
ズム外に射出するように構成されたものとすることがで
きる。

【００１７】また、回折光学部材は、プリズム部材で発
生した色収差を少なくとも一部相殺するように形成され
ていることができる。

【００１８】また、プリズム部材が、少なくとも正の色
収差を発生させる構成であると共に、回折光学部材が少
なくとも負の色収差を発生させる構成であるようにする
ことができる。

【００１９】また、プリズム部材の入射面は、収差補正
機能を有した非球面形状にて構成されていてもよい。

【００２０】また、回折光学部材は、投影光学系の有す
る光学面に構成されていてもよい。

【００２１】また、投影光学系は、少なくとも曲面形状
の透過面を有し、回折光学部材は、その曲面形状の透過
面上に構成されていてもよい。

【００２２】また、投影光学系は、少なくとも曲面形状
の反射面を有し、回折光学部材は、その曲面形状の反射
面上に構成されていてもよい。

【００２３】

【作用】以下、上記構成を採用する理由とその作用につ
いて説明する。

【００２４】ゾーンプレートに代表される回折光学素子
（以下、ＤＯＥ）は、アッベ数ν_d＝−３．４５という
大きな逆分散特性を持ち、色収差補正能力が大きい。し
たがって、従来技術の問題点で述べた広画角化に伴う色
収差の発生を効果的に補正することができる。

【００２５】さらに、非球面作用を持つＤＯＥの製法は
球面作用を持つＤＯＥの製法と同じであるので、ＤＯＥ
に積極的に非球面作用を持たすことができ、広画角化に
伴う軸外収差の増加を効果的に補正することができる。
この場合、光軸から離れるに従い近軸的な球面系のパワ
ーより弱いパワーとなるような非球面作用（ピッチ分
布）をＤＯＥに持たせると、収差補正能力が大きくな
る。また、このようなピッチ配列は、ＤＯＥの有効径周
辺のピッチを大きくするので、その製作性も向上する。
また、屈折系レンズと異なり、ＤＯＥは、基板の表面に
回折面を加工するだけなので、実質上、体積・重量の増
加は伴わず、頭部装着式映像表示装置の光学系としては
好ましい。

【００２６】光学系の大型化を伴わずに効果的に広画角
化するには、正パワーの面あるいは正パワーの素子を眼
球と光軸屈折屈曲手段の間に配置するとよい。この場
合、ＤＯＥを使用した効果的な色消し光学系には、次の
３通りの構成が考えられる。

【００２７】正パワーを持つ屈折面あるいは屈折レン
ズを眼球と光軸屈曲手段の間に配置し、正パワーのＤＯ
Ｅを光軸屈曲手段と映像表示素子の間、好ましくは、反
射鏡付近に配置する。

【００２８】屈折系とＤＯＥで構成される全体として
正パワーを持つの色消し光学系を眼球と光軸屈曲手段の
間に配置する。

【００２９】正のパワーを持つＤＯＥを眼球と光軸屈
曲手段の間に配置し、正のパワーの屈折面あるい屈折レ
ンズを光軸屈曲手段と映像表示素子の間、好ましくは、
反射鏡付近に配置する。

【００３０】上述の〜の各光学系の色収差補正具合
を表１に示す。

【００３１】 表１に示すように、〜の構成により、光学系が大型
化するのを防止すると共に、屈折系＋ＤＯＥで効果的に
色消し光学系が構成できる。

【００３２】さらに、光軸屈曲手段をプリズムで構成す
ると、作動距離と広画角の確保が容易になり、好まし
い。この際の、上述〜の各光学系の色収差補正具合
を表２に示す。

【００３３】 この場合は、上述のの構成では、軸上色収差・倍率の
色収差の両方を同時に補正することは無理なので、あ
るいはの構成が好ましい。

【００３４】の構成の光学系は、眼球と光軸屈曲手段
の間の正パワーを持つ屈折面あるいは屈折レンズでは正
の色収差が発生し、反射鏡付近のＤＯＥを含む光学系で
は負の色収差が発生し、映像表示素子側のプリズム端面
（射出面）で負の色収差が発生するので、軸上の色収差
・倍率の色収差共に良好に補正される。

【００３５】また、この場合は、ＤＯＥにおける軸上光
束と軸外光束の位置が大きく異なるので、ＤＯＥは、球
面収差・軸上色収差の補正のみならず、歪曲収差・非点
収差等の軸外収差の補正や表示素子側テレセントリック
性の確保に有効である。

【００３６】さらに、光学系全体での色収差を小さくす
るには、光軸屈曲手段として使用するプリズムの分散を
少なくするのが好ましい。プリズムの分散が小さいと、
屈折系の色収差を補正するＤＯＥのパワーが弱くて済む
ので、光学系全体の２次スペクトルが小さくなり、色収
差特性が更に向上するし、ＤＯＥのピッチも大きくな
り、製作上も好ましい。

【００３７】

【実施例】以下、図面を参照にして、本発明による頭部
装着式映像表示装置の光学系の実施例１〜１０について
説明する。

【００３８】まず、最初に、本発明で使用しているＤＯ
Ｅを含む光学系の設計方法について述べる。

【００３９】回折現象に基づく光学素子ＤＯＥについて
の原理的な説明は、例えば「光学デザイナーのための小
型光学エレメント」（オプトロニクス社）の第６章・第
７章に詳しいが、以下に簡単に説明する。

【００４０】屈折現象に基づく光学素子では、図１に示
すように、光線はスネルの法則に基づいて曲げられ
る。

【００４１】 ｎ・sin θ＝ｎ’・sin θ’ ・・・（３） ただし、ｎ ：入射側媒質の屈折率 ｎ’：射出側媒質の屈折率 θ ：光線の入射角 θ’：光線の射出角 それに対して、ＤＯＥの場合は、図２に示すように、光
線は式（４）で表現される回折現象により曲げられ
る。

【００４２】 ｎ・sin θ−ｎ’・sin θ’＝ｍλ／ｄ ・・・（４） ただし、ｎ ：入射側媒質の屈折率 ｎ’：射出側媒質の屈折率 θ ：光線の入射角 θ’：光線の射出角 ｍ ：回折次数 λ ：波長 ｄ ：ＤＯＥのピッチ なお、この際、ブレーズ化あるいはブレーズ近似を行う
と、高回折効率を維持することができる。

【００４３】ＤＯＥを含む光学系を設計する手法とし
て、Sweatt modelが知られている。これについては、
『W.C.Sweatt, "NEW METHODS OF DESIGNING HOLOGRAPHI
C OPTCALELEMENTS", SPIE, Vol.126, pp.46-53(1977)
』に詳しいが、図３を使用して、以下に簡単に説明す
る。

【００４４】図３において、はｎ≫１なる屈折系レン
ズ（超高屈折率レンズ：ultra-highindex lens ）、
は法線、ｚは光軸方向の座標、ｈは基板に沿う方向の座
標とする。

【００４５】上記の論文によれば、式（５）が成立す
る。

【００４６】 （ｎ_u −１）ｄｚ／ｄｈ＝ｎ・sin θ−ｎ’・sin θ’ ・・・（５） ただし、ｎ_u ：ultra-high index lens の屈折率（以下
に説明する設計では、ｎ_u ＝１００１とした。） ｚ ：ultra-high index lens の光軸方向の座標 ｈ ：ultra-high index lens の媒質に沿った座標 ｎ ：入射側媒質の屈折率 ｎ’：射出側媒質の屈折率 θ ：光線の入射角 θ’：光線の射出角 したがって、式（４）、（５）より、次の式（６）が成
立する。

【００４７】 （ｎ_u −１）ｄｚ／ｄｈ＝ｍλ／ｄ ・・・（６） すなわち、「ｎ≫１なる屈折系レンズの面形状」と「Ｄ
ＯＥのピッチ」の間には、式（６）で表現される等価関
係が成立するので、Sweatt modelにより設計した ultr
a-high index lens の面形状から、ＤＯＥのピッチ分布
を求めることができる。

【００４８】具体的には、ultra-high index lens を式
（７）で定義される非球面レンズとして設計したとする
と、 ｚ＝ｃｈ² ／｛１＋〔１−ｃ² （ｋ＋１）ｈ² 〕^1/2 ｝ ＋Ａｈ⁴ ＋Ｂｈ⁶ ＋Ｃｈ⁸ ＋Ｄｈ¹⁰ ・・・（７） ただし、ｚ ：光軸でレンズに接する接平面からのずれ
（サグ値） ｃ ：曲率 ｈ ：光軸からの距離 ｋ ：円錐定数 Ａ ：４次非球面係数 Ｂ ：６次非球面係数 Ｃ ：８次非球面係数 Ｄ ：１０次非球面係数 ここで、説明を簡単にするために、ultra-high index l
ens の片面を平面にすると、式（６）、（７）より、 ｄ＝ｍλ／〔（ｎ−１）ｄｚ／ｄｈ〕 ＝［ｍλ／（ｎ−１）］×［ｃｈ／〔１−ｃ² （ｋ＋１）ｈ² 〕^1/2 ＋４Ａｈ³ ＋６Ｂｈ⁵ ＋８Ｃｈ⁷ ＋１０Ｄｈ⁹ ］^-1 ・・・（８） が得られる。この式（８）で定義されるピッチ分布をも
たせてやればよい。なお、以下に示す実施例では、ｅ線
を基準波長とし、λ＝ｅ線の場合のピッチを計算してい
る。

【００４９】また、式（６）は任意の波長で成立する必
要がある。

【００５０】 ∴ｎ（λ）−１＝Ｋλ ・・・（９） ただし、Ｋ＝ｍ／〔ｄ・ｄｚ／ｄｈ〕 今回は、ｎ_d ＝１００１としたので、Ｋ＝１．７０２
０。

【００５１】したがって、式（９）に従い、ｎ_C ＝１１
１８．０、ｎ_e ＝９３０．３９、ｎ _F ＝８２８．３７、
ｎ_g ＝７４２．７８とすれば、ＤＯＥの分散特性を表現
できる。

【００５２】なお、以下に示す実施例では、非球面項と
して１０次までしか使用していないが、もちろん、１２
次、１４次・・の非球面項を使用してもよい。

【００５３】また、以下に示す実施例では、屈折系レン
ズを球面レンズとして扱える場合が大半であるが、屈折
系レンズを非球面レンズとすれば、更に好ましいことは
言うまでもない。

【００５４】また、以下に示す実施例では、ＤＯＥを１
面しか使用していないが、２面以上使用してももちろん
よい。

【００５５】また、以下に述べる実施例における光線追
跡は、眼球側を物点側とし、映像表示素子を像点とした
逆追跡を行っている。

【００５６】また、式（８）より、回折次数ｍを大きく
すると、ピッチが大きくなり、製作性が向上するが、以
下では、説明を簡単にするために、ｍ＝＋１としてい
る。

【００５７】また、ｅ線を基準波長とし、焦点距離等は
ｅ線における値である。

【００５８】（第１実施例）図４に第１実施例のレンズ
断面図を示す。図４において、符号Ｅは観察者眼球の瞳
孔位置、符号１は映像表示素子、符号２は凹面鏡、符号
３はハーフミラー、符号２０はＤＯＥ（回折面）であ
り、この実施例では、片側が回折面２０で全体として正
の屈折力を持つレンズ２１を、眼球とハーフミラー３の
間に配置している。正作用のレンズ２１を使用すること
で、光学系の大型化を伴わずに広角化が達成できてい
る。

【００５９】図１４にこの実施例の横収差図を示す。図
１４において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１２．８°、（３）は画面の水平方向１７°、垂
直方向１２．８°、（４）は画面の水平方向１７°、垂
直方向０°、（５）は画面の水平方向１７°、垂直方向
−１２．８°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向
−１２．８°における水平方向及び垂直方向の値を示す
ものである。

【００６０】なお、後述する本実施例の数値データおい
て、第１面が非球面で、非球面形状は上記の式（７）で
定義される。また、第２面がＤＯＥ２０を加工する基板
で、第１面〜第２面で定義されるのがＤＯＥ２０が相当
するultra-high index lensである。

【００６１】レンズ２１のペッツバール和は正であるの
で、凹面鏡２の負のペッツバール和を補正し、像面湾曲
が良好に補正される。レンズ２１を屈折系レンズだけで
構成すると、ペッツバール和が補正過剰になりがちであ
るが、屈折率無限大の屈折系レンズと等価であるＤＯＥ
面２０はペッツバール和を発生させないので、レンズ２
１はペッツバール和が大きく過剰補正になるのを防止し
ている。

【００６２】また、ＤＯＥ面２０は、その逆分散作用に
より、屈折系レンズで発生する正の色収差補正してい
る。その結果、図１４に示すように、この光学系は色収
差が良好に補正されアクロマート（２色色消し）となっ
ている。

【００６３】本実施例のように、光軸屈曲手段の後で色
収差が発生しない場合には、光軸屈曲手段の前のレンズ
系を色消しレンズ系とする必要がある。

【００６４】ここで、屈折系レンズとＤＯＥの焦点距離
をそれぞれｆ_ref 、ｆ_DOE 、屈折系レンズ、ＤＯＥのア
ッベ数をそれぞれν_ref 、ν_DOE （＝−３．４５）とす
る。全体としてｆの焦点距離を持つ屈折系レンズ＋ＤＯ
Ｅの合成光学系が軸上色消しとなるためには、ガラス、
プラスチックの場合には、１５＜ν_ref ＜１００である
ことから、 ０．０３３＜ｆ／ｆ_DOE ＜０．１９ ・・・（１０） が必要となる。

【００６５】条件式（１０）の下限の０．０３３を越え
ると、色収差が補正不足で正の色収差が性能を悪化さ
せ、条件式（１０）の上限の０．１９を越えると、色収
差が補正過剰となり、負の色収差と大きな２次スペクト
ルが性能を悪化させる。

【００６６】また、次の条件を満足すると、更に好まし
い。

【００６７】 １５＜ｆ＜６０ ・・・（２） 条件式（２）の下限の１５を越えると、光学系の作動距
離が小さくなり好ましくなく、条件式（２）の上限の６
０を越えると、光学系が大きくなり重量が増加するので
好ましくない。

【００６８】本実施例では、ν_ref ＝５６．２５である
ので、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０５７となっている（ｆ＝４
４．０３）。

【００６９】ＤＯＥを製作する場合、ピッチの配列は自
由であるので、本実施例では、ＤＯＥ（ultra-high ind
ex lens ）２０を非球面レンズとして扱っている。本実
施例におけるＤＯＥ２０の非球面作用は、ＤＯＥ２０の
有効径周辺のピッチを大きくしている。このように、有
効径周辺に向かうにつれて近軸的に決まるピッチ配列よ
りもパワーを弱くする（ピッチを大きくする）ことによ
り、球面収差等を良好に補正する等の収差補正能力が増
すと共に、ＤＯＥ２０の有効径周辺のピッチが小さくな
って作製が困難になるのを防止している。なお、本実施
例におけるＤＯＥ２０の最小ピッチは、５２μｍと製作
上問題ない値である。

【００７０】また、ＤＯＥの場合、製作誤差により着目
次数光以外の不要次数光が発生する。不要次数光の像面
を着目次数光の像面から大きく離すには、ＤＯＥのピッ
チを小さくするか、あるいは、ＤＯＥをマージナル光束
径の大きな箇所に配置すればよい。本実施例では、ＤＯ
Ｅ２０をマージナル光束径の大きな箇所に配置している
ので、色収差が効果的に補正できると共に、不要次数光
の影響を効果的に除去できる配置となっている。

【００７１】（第２実施例）図５に第２実施例のレンズ
断面図を示す。図５において、符号Ｅは観察者眼球の瞳
孔位置、符号１は映像表示素子、符号３はハーフミラ
ー、符号２０はＤＯＥ（回折面）、符号２１は正の屈折
力を持つレンズであり、この実施例では、反射ミラーの
表面に回折面を加工している（反射型ＤＯＥ）。

【００７２】図１５にこの実施例の横収差図を示す。図
１５において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１２．８°、（３）は画面の水平方向１７°、垂
直方向１２．８°、（４）は画面の水平方向１７°、垂
直方向０°、（５）は画面の水平方向１７°、垂直方向
−１２．８°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向
−１２．８°における水平方向及び垂直方向の値を示す
ものである。

【００７３】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第３面が非球面で、非球面形状は上記の式（７）
で定義される。また、第４面がＤＯＥ２０を加工する基
板（反射面）で、第３面〜第４面で定義されるのがＤＯ
Ｅ２０が相当するultra-highindex lens である。

【００７４】本実施例では、光軸屈曲手段３の前のレン
ズ２１で発生した正の色収差を、光軸屈曲手段３の後の
ＤＯＥ２０が良好に補正している。全合成光学系の焦点
距離をｆとすると、レンズ２１とＤＯＥ２０の間隔はほ
ぼｆ／２であるので、合成光学系が色消しになるために
は、次式が成立する必要がある。

【００７５】 ν_ref ｆ² ／２＋（ν_DOE −ν_ref ）ｆ_DOE ｆ−ν_DOE ｆ_DOE ² ≒０ ・・・（１１） １５＜ν_ref ＜１００とすると、 ０．０３３＜ｆ／ｆ_DOE ＜０．１８ ・・・（１２） と、式（１０）とほぼ同様の結果を得る。

【００７６】本実施例では、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０６と、
条件式（１２）を満足している。また、ｆ＝４４．６５
と、条件式（２）を満足している。

【００７７】また、本実施例の場合、軸上と軸外の光束
位置が大きく異なる箇所にＤＯＥ２０を使用しているの
で、ＤＯＥ２０が色収差・球面収差のみならず、歪曲収
差・非点収差等の軸外収差も良好に補正している。

【００７８】また、本実施例におけるＤＯＥ２０も、有
効径周辺に向かうにつれ近軸的に決まるピッチより大き
くなるピッチ配列を持っているが、これは凹面鏡で発生
する負の歪曲収差を補正するのに必要な条件でもある。

【００７９】（第３実施例）図６に第３実施例のレンズ
断面図を示す。図６において、符号Ｅは観察者眼球の瞳
孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビームスプリ
ッタリズム、符号３はハーフミラー、符号２０はＤＯＥ
（回折面）、符号２２は正の屈折力を持つビームスプリ
ッタリズムの入射面（逆追跡で）であり、この実施例で
も、反射ミラーの表面に回折面を加工している（反射型
ＤＯＥ）。この実施例は、より大きな作動距離と画角を
得るために、光軸屈曲手段としてビームスプリッタリズ
ム５を使用している。また、このプリズム５の眼球側の
面２２に正のパワーを持たせることで、プリズム５の大
型化を伴わないで、広画角化を達成している。

【００８０】図１６にこの実施例の横収差図を示す。図
１６において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向９°、（３）は画面の水平方向１２°、垂直方向
９°、（４）は画面の水平方向１２°、垂直方向０°、
（５）は画面の水平方向１２°、垂直方向−９°、
（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−９°における
水平方向及び垂直方向の値を示すものである。

【００８１】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第２面が非球面で、非球面形状は上記の式（７）
で定義される。また、第３面がＤＯＥ２０を加工する基
板（反射面）で、第２面〜第３面で定義されるのがＤＯ
Ｅ２０が相当するultra-highindex lens である。

【００８２】本実施例の場合は、第２実施例と異なり、
プリズム５に収束光が入射し、収束光が射出するので、
プリズム５による正の色収差が発生するが、ＤＯＥ２０
のパワーを適切に設定することで、軸上の色収差・倍率
の色収差共に補正することができる。正パワーの面２２
で発生する正の色収差とプリズム５射出端で発生する正
の色収差を補正するために、第２実施例の場合よりもＤ
ＯＥ２０のパワーを強くする必要がある。

【００８３】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．１０７
５、ｆ＝２０．９０と、条件式（２）、（１２）を満足
している。

【００８４】また、プリズム５の分散をより小さくする
と、２次スペクトルを含め光学系全体の色収差をより小
さくすることができるので好ましい。

【００８５】本実施例の場合、軸上と軸外の光束位置が
大きく異なる箇所にＤＯＥ２０を使用しているので、Ｄ
ＯＥ２０が色収差・球面収差のみならず、コマ収差・非
点収差・歪曲収差等の軸外収差も良好に補正している。

【００８６】また、本実施例におけるＤＯＥ２０も、有
効径周辺に向かうにつれ近軸的に決まるピッチより大き
くなるピッチ配列を持っている。有効径の中心から有効
径の５６％程度の箇所まではピッチがだんだん小さくな
り、この箇所を過ぎ有効径の９０％まではピッチがだん
だん大きくなり、有効径の９０％の箇所でノーパワーと
なり、ここを過ぎると負パワーがだんだん強くなる。

【００８７】（第４実施例）図７に第４実施例のレンズ
断面図を示す。図７において、符号Ｅは観察者眼球の瞳
孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビームスプリ
ッタリズム、符号３はハーフミラー、符号７はビームス
プリッタリズムの射出面（逆追跡で）、符号２０はＤＯ
Ｅ（回折面）、符号２２は正の屈折力を持つビームスプ
リッタリズムの入射面（逆追跡で）であり、この実施例
は、第３実施例におけるビームスプリッタプリズム５の
映像表示素子１側の面７を非球面とし、歪曲収差の補正
とテレセントリック性の確保を行っている。

【００８８】図１７にこの実施例の横収差図を示す。図
１７において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１５°、（３）は画面の水平方向２０°、垂直方
向１５°、（４）は画面の水平方向２０°、垂直方向０
°、（５）は画面の水平方向２０°、垂直方向−１５
°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−１５°に
おける水平方向及び垂直方向の値を示すものである。

【００８９】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第２面、第５面が非球面で、非球面形状は上記の
式（７）で定義される。また、第３面がＤＯＥ２０を加
工する基板（反射面）で、第２面〜第３面で定義される
のがＤＯＥ２０が相当するultra-high index lens であ
る。

【００９０】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０７４
０、ｆ＝２９．５６と、条件式（２）、（１２）を満足
している。

【００９１】ここでは、非球面７を近軸的にノーパワー
としているが、非球面７に近軸的パワーを持たせると色
収差が発生する。しかし、面７は像面に近く近軸光線高
が低いので、発生色収差は少なく、この場合も条件式
（１２）でほぼ代用できる。

【００９２】本実施例におけるＤＯＥ２０も、有効径周
辺に向かうにつれて近軸的に決まるピッチ配列よりも大
きくなるピッチ配列を持っている。有効径中心から有効
径７５％の位置までは徐々にピッチが小さくなるが、有
効径の７５％の位置から外側に向かうにつれてピッチは
だんだん大きくなる。広画角光学系の場合は、このよう
なピッチ配列とすると、ＤＯＥ２０の収差補正能力がよ
り大きくなる。

【００９３】また、本実施例は図２７のダブレット８を
ＤＯＥ２０に置き換えた構成であるが、図２７と比較す
ると、観察者眼球の瞳孔位置Ｅと映像表示素子１の間隔
が小さく、広画角化に有効である。

【００９４】（第５実施例）図８に第５実施例のレンズ
断面図を示す。図８において、符号Ｅは観察者眼球の瞳
孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビームスプリ
ッタリズム、符号３はハーフミラー、符号２０はＤＯＥ
（回折面）、符号２１は正の屈折力を持つレンズであ
り、この実施例は、第３実施例におけるビームスプリッ
タプリズム５の眼球側の正パワーの面２２の代わりに、
正パワーのレンズ２１をプリズム５から独立して使用
し、収差を小さくして更に広画角化を行っている。

【００９５】図１８にこの実施例の横収差図を示す。図
１８において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１１．３°、（３）は画面の水平方向１５°、垂
直方向１１．３、（４）は画面の水平方向１５°、垂直
方向０°、（５）は画面の水平方向１５°、垂直方向−
１１．３°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−
１１．３°における水平方向及び垂直方向の値を示すも
のである。

【００９６】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第４面が非球面で、非球面形状は上記の式（７）
で定義される。また、第５面がＤＯＥ２０を加工する基
板（反射面）で、第４面〜第５面で定義されるのがＤＯ
Ｅ２０が相当するultra-highindex lens である。

【００９７】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０８０
２、ｆ＝２４．７６と、条件式（２）、（１２）を満足
している。

【００９８】本実施例におけるＤＯＥ２０も、有効径周
辺に向かうにつれて近軸的に決まるピッチ配列よりも大
きくなるピッチ配列を持っている。有効径中心から有効
径の７５％（８．８ｍｍ）の位置までは徐々にピッチが
小さくなるが、有効径の７５％の位置から外側に向かう
につれてピッチはだんだん大きくなる。

【００９９】（第６実施例）図９に第６実施例のレンズ
断面図を示す。図９において、符号Ｅは観察者眼球の瞳
孔位置、符号１は映像表示素子、符号２は凹面鏡、符号
５はビームスプリッタリズム、符号３はハーフミラー、
符号２０はＤＯＥ（回折面）、符号２１は正の屈折力を
持つレンズであり、この実施例は、より大きな作動距離
と画角を得るために、第１実施例におけるハーフミラー
３の代わりにビームスプリッタプリズム５を使用してい
る。

【０１００】図１９にこの実施例の横収差図を示す。図
１９において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１１．３°、（３）は画面の水平方向１５°、垂
直方向１１．３、（４）は画面の水平方向１５°、垂直
方向０°、（５）は画面の水平方向１５°、垂直方向−
１１．３°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−
１１．３°における水平方向及び垂直方向の値を示すも
のである。

【０１０１】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第１面が非球面で、非球面形状は上記の式（７）
で定義される。また、第２面がＤＯＥ２０を加工する基
板（屈折面）で、第１面〜第２面で定義されるのがＤＯ
Ｅ２０が相当するultra-highindex lens である。

【０１０２】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０５６
０、ｆ＝２４．８１と、条件式（１０）、（２）を満足
しており、良好な色収差補正がなされている。

【０１０３】（第７実施例）図１０に第７実施例のレン
ズ断面図を示す。図１０において、符号Ｅは観察者眼球
の瞳孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビームス
プリッタリズム、符号３はハーフミラー、符号２２は正
の屈折力を持つビームスプリッタリズムの入射面（逆追
跡で）、符号３０は正の屈折力を持つレンズでその片面
がＤＯＥ（回折面）２０で反対側の面が球面ミラーとな
っており、この実施例は、ビームスプリッタプリズム５
と色収差補正レンズ３０を分離したものである。

【０１０４】図２０にこの実施例の横収差図を示す。図
２０において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１２．８°、（３）は画面の水平方向１７°、垂
直方向１２．８、（４）は画面の水平方向１７°、垂直
方向０°、（５）は画面の水平方向１７°、垂直方向−
１２．８°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−
１２．８°における水平方向及び垂直方向の値を示すも
のである。

【０１０５】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第３・７面が非球面で、非球面形状は（７）式で
定義される。また、第４・６面がＤＯＥ２０を加工する
基板（屈折面）で、第３面〜第４面、第６面〜第７面で
定義されるのがＤＯＥ２０が相当するultra-high index
lens である。

【０１０６】レンズ３０のような裏面鏡は、単なる凹面
反射鏡より負のペッツバール和の発生が少なく、像面湾
曲の補正上好ましい。

【０１０７】この実施例の場合、光束は、ＤＯＥ面２０
を透過した後にミラーで反射され、再びＤＯＥ２０を透
過するので、ＤＯＥ２０は色収差を２回補正する。した
がって、ＤＯＥ２０のパワーは、第２実施例のような場
合のＤＯＥ２０のパワーの半分程度でよい。ＤＯＥのパ
ワーが弱いと、２次スペクトルが減少するし、ＤＯＥの
ピッチも大きくなり、製作性も向上し好ましい。

【０１０８】本実施例の場合、ＤＯＥ２０の焦点距離は
６５２．９ｍｍなので、 ｆ／ｆ_DOE ＝２×（３０．０８／６５２．９）＝０．０
９２ であり、ｆ＝３０．０８なので、条件式（２）、（１
２）を満足しており、良好な色収差補正がなされてい
る。

【０１０９】また、通常のガラスレンズを使用した場合
には、レンズ３０の代わりに「ガラスレンズ＋ガラスレ
ンズ」のダブレットを使用しなければならないので、重
量が非常に増加するが、本実施例のようにＤＯＥ２０を
使用すれば、軽量化される。また、本実施例のようにＤ
ＯＥ２０をプラスチック基板に加工すれば、大きく軽量
化される。

【０１１０】また、重量よりも性能を重視するのであれ
ば、レンズ３０をＤＯＥ２０面を含むダブレットとすれ
ば、２次スペクトルが減少し、アポクロマートにするこ
とができる。この場合は、条件式（１２）の下限値はよ
り小さくなる。

【０１１１】本実施例におけるＤＯＥ２０も、有効径周
辺に向かうにつれて近軸的に決まるピッチ配列よりも大
きくなるピッチ配列を持っている。有効径中心から有効
径の６７％（１０．０８ｍｍ）の位置までは徐々にピッ
チが小さくなるが、有効径の６７％の位置から外側に向
かうにつれてピッチはだんだん大きくなる。なお、最小
ピッチは６５μｍと、第５実施例のような場合の倍程度
の値となっている。

【０１１２】（第８実施例）図１１に第８実施例のレン
ズ断面図を示す。図１１において、符号Ｅは観察者眼球
の瞳孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビームス
プリッタリズム、符号３はハーフミラー、符号２２は正
の屈折力を持つビームスプリッタリズムの入射面（逆追
跡で）、符号７はビームスプリッタリズムの射出面（逆
追跡で）、符号３０は正の屈折力を持つレンズでその片
面がＤＯＥ（回折面）２０で反対側の面が球面ミラーと
なっており、この実施例は、第７実施例のビームスプリ
ッタプリズム５の映像表示素子１側の面７を非球面と
し、歪曲収差の補正とテレセントリック性の確保を行っ
ている。

【０１１３】図２１にこの実施例の横収差図を示す。図
２１において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１６．５°、（３）は画面の水平方向２２°、垂
直方向１６．５、（４）は画面の水平方向２２°、垂直
方向０°、（５）は画面の水平方向２２°、垂直方向−
１６．５°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−
１６．５°における水平方向及び垂直方向の値を示すも
のである。

【０１１４】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第３・７・１０面が非球面で、非球面形状は
（７）式で定義される。また、第４・６面がＤＯＥ２０
を加工する基板（屈折面）で、第３面〜第４面、第６面
〜第７面で定義されるのがＤＯＥ２０が相当するultra-
high index lens である。

【０１１５】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０５
０、ｆ＝３１．０４と、条件式（２）、（１２）を満足
しており、良好な色収差補正がなされている。

【０１１６】（第９実施例）図１２に第９実施例のレン
ズ断面図を示す。図１２において、符号Ｅは観察者眼球
の瞳孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビームス
プリッタリズム、符号３はハーフミラー、符号２１は正
の屈折力を持つレンズ、符号７はビームスプリッタリズ
ムの射出面（逆追跡で）、符号３０は正の屈折力を持つ
レンズでその片面がＤＯＥ（回折面）２０で反対側の面
が球面ミラーとなっており、この実施例は、第８実施例
のビームスプリッタプリズム５の眼球側の正パワーの面
２２の代わりに、正のパワーのレンズ２１をプリズム５
から独立して使用し、更に収差を小さくしている。

【０１１７】図２２にこの実施例の横収差図を示す。図
２２において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１６．５°、（３）は画面の水平方向２２°、垂
直方向１６．５、（４）は画面の水平方向２２°、垂直
方向０°、（５）は画面の水平方向２２°、垂直方向−
１６．５°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−
１６．５°における水平方向及び垂直方向の値を示すも
のである。

【０１１８】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第５・９・１２面が非球面で、非球面形状は
（７）式で定義される。また、第６・８面がＤＯＥ２０
を加工する基板（屈折面）で、第５面〜第６面、第８面
〜第９面で定義されるのがＤＯＥ２０が相当するultra-
high index lens である。

【０１１９】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０５
５、ｆ＝３２．４２と、条件式（２）、（１２）を満足
しており、良好な色収差補正がなされている。

【０１２０】（第１０実施例）図１３に第１０実施例の
レンズ断面図を示す。図１３において、符号Ｅは観察者
眼球の瞳孔位置、符号１は映像表示素子、符号５はビー
ムスプリッタリズム、符号３はハーフミラー、符号２２
は正の屈折力を持つビームスプリッタリズムの入射面
（逆追跡で）、符号７はビームスプリッタリズムの射出
面（逆追跡で）、符号３０は正の屈折力を持つレンズで
その一面が球面ミラーとなっており、この実施例は、反
射鏡付近のプリズム５の面に回折面２０を加工したもの
である。

【０１２１】図２３にこの実施例の横収差図を示す。図
２３において、（１）は画面の視軸方向（水平方向０
°、垂直方向０°）、（２）は画面の水平方向０°、垂
直方向１６．５°、（３）は画面の水平方向２２°、垂
直方向１６．５、（４）は画面の水平方向２２°、垂直
方向０°、（５）は画面の水平方向２２°、垂直方向−
１６．５°、（６）は画面の水平方向０°、垂直方向−
１６．５°における水平方向及び垂直方向の値を示すも
のである。

【０１２２】なお、後述する本実施例の数値データにお
いて、第３・７・１０面が非球面で、非球面形状は
（７）式で定義される。また、第２・８面がＤＯＥ２０
を加工する基板（屈折面）で、第２面〜第３面、第７面
〜第８面で定義されるのがＤＯＥ２０が相当するultra-
high index lens である。

【０１２３】本実施例の場合、ｆ／ｆ_DOE ＝０．０５
５、ｆ＝３１．５８と、条件式（２）、（１２）を満足
しており、良好な色収差補正がなされている。

【０１２４】以上の実施例においては、例えば第１実施
例の断面図を示す図４に示すように、凹面鏡２を視軸前
方に配置し、視軸上に、視野外に配置した映像表示素子
１からの光を反射させてこの凹面鏡２に入射させ、その
反射光を透過させて瞳孔位置Ｅへ入射させるようにハー
フミラー３を配置してある。

【０１２５】以下、上記第１〜第１０実施例の逆追跡の
数値データを示すが、これらのデータは全て、瞳孔Ｅか
ら映像表示素子１に至る逆追跡の順で示してあり、全て
の実施例において、ｒ₀ は瞳孔Ｅを、ｄ₀ は作動距離
（アイレリーフ）を、ｒ₁ 、ｒ ₂ …は各レンズ面又は反
射面の曲率半径を、ｄ₁ 、ｄ₂ …は各面間の間隔を、ｎ
_d1、ｎ_d2…は各硝材のｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2…は各
硝材のアッベ数を表し、ｒ₂₀は映像表示素子１を表す。
また、これら曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数に、
上記したようにＤＯＥ２０を表現するultra-high index
lens を含めてある。なお、ultra-high index lens を
構成する仮想硝材（ＤＯＥ）の屈折率は、ｎ_C ＝１１１
８．０、ｎ_d ＝１００１、ｎ_e ＝９３０．３９、ｎ_F ＝
８２８．３７、ｎ_g ＝７４２．７８とした。また、非球
面形状は、前記（７）式にて表される。なお、瞳孔Ｅ位
置における有効な瞳径は、全実施例において８ｍｍφで
あり、ハーフミラー３は光軸に対して４５°に配置され
る。

【０１２６】 第１実施例 画角：３４×２５．６° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ =773781.74121(ＤＯＥ) ｄ₁ = 0.000000 ｎ_d1 =1001 ν_d1 =-3.45 (非球面) ｒ₂ = ∞ ｄ₂ = 4.000000 ｎ_d2 =1.5254 ν_d2 =56.25 ｒ₃ = -31.87344 ｄ₃ = 24.000000 ｒ₄ = -228.38756(反射面) ｄ₄ = -12.000000 ｒ₅ = ∞ (半透面) ｄ₅ = 11.000000 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第１面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.763110×10^-9 Ｂ = 0.112135×10^-11 Ｃ =Ｄ =0 。

【０１２７】 第２実施例 画角：３４×２５．６° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 340.15056 ｄ₁ = 4.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -37.52897 ｄ₂ = 25.000000 ｒ₃ = -199.63746(ＤＯＥ) ｄ₃ = 0.000000 ｎ_d2 =1001 ν_d2 =-3.45 (非球面) ｒ₄ = -199.58391(反射面) ｄ₄ = -13.000000 ｒ₅ = ∞ (半透面) ｄ₅ = 12.000000 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第３面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.176327×10^-7 Ｂ = 0.133317×10^-10 Ｃ = -0.457458×10^-13 Ｄ = 0.580075×10^-16 。

【０１２８】 第３実施例 画角：２４×１８° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 21.99560 ｄ₁ = 19.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -104.64047(ＤＯＥ) ｄ₂ = 0.000000 ｎ_d2 =1001 ν_d2 =-3.45 (非球面) ｒ₃ = -104.58419(反射面) ｄ₃ = -9.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₄ = ∞ (半透面) ｄ₄ = 8.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₅ = ∞ ｄ₅ = 3.04 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第２面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.124162×10^-6 Ｂ = -0.129508×10^-10 Ｃ = -0.315499×10^-12 Ｄ = 0.151371×10^-14 。

【０１２９】 第４実施例 画角：４０×３０° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 43.51033 ｄ₁ = 27.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -120.84016(ＤＯＥ) ｄ₂ = 0.000000 ｎ_d2 =1001 ν_d2 =-3.45 (非球面) ｒ₃ = -120.80362(反射面) ｄ₃ = -13.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₄ = ∞ (半透面) ｄ₄ = 12.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₅ = ∞ (非球面) ｄ₅ = 6.00 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第２面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.744292×10^-7 Ｂ = 0.765828×10^-11 Ｃ = -0.136963×10^-13 Ｄ = 0 第５面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.327713×10^-4 Ｂ = 0.239321×10^-6 Ｃ =Ｄ =0 。

【０１３０】 第５実施例 画角：３０×２２．６° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 39.89546 ｄ₁ = 4.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -65.09032 ｄ₂ = 0.500000 ｒ₃ = ∞ ｄ₃ = 20.000000 ｎ_d2 =1.5254 ν_d2 =56.25 ｒ₄ = -120.00552(ＤＯＥ) ｄ₄ = 0.000000 ｎ_d3 =1001 ν_d3 =-3.45 (非球面) ｒ₅ = -119.95889(反射面) ｄ₅ = -10.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₆ = ∞ (半透面) ｄ₆ = 10.000000 ｎ_d5 =1.5254 ν_d5 =56.25 ｒ₇ = ∞ ｄ₇ = 3.01 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第４面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.760676×10^-7 Ｂ = -0.180639×10^-11 Ｃ = 0 Ｄ = -0.103948×10^-15 。

【０１３１】 第６実施例 画角：３０×２２．６° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 62.89429(ＤＯＥ) ｄ₁ = 0.000000 ｎ_d1 =1001 ν_d1 =-3.45 (非球面) ｒ₂ = 62.90322 ｄ₂ = 4.000000 ｎ_d2 =1.5254 ν_d2 =56.25 ｒ₃ = -44.06188 ｄ₃ = 0.500000 ｒ₄ = ∞ ｄ₄ = 20.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅ = -112.87621(反射面) ｄ₅ = -10.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₆ = ∞ (半透面) ｄ₆ = 10.000000 ｎ_d5 =1.5254 ν_d5 =56.25 ｒ₇ = ∞ ｄ₇ = 3.00 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第１面 ｋ = -1.000000 Ａ = 0.495161×10^-6 Ｂ = 0.180086×10^-9 Ｃ = -0.101225×10^-11 Ｄ = 0.322344×10^-14 。

【０１３２】 第７実施例 画角：３４×２５．５° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 43.97819 ｄ₁ = 29.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -356.33121 ｄ₂ = 0.500000 ｒ₃ =652937.23077(ＤＯＥ) ｄ₃ = 0.000000 ｎ_d2 =1001 ν_d2 =-3.45 (非球面) ｒ₄ = ∞ ｄ₄ = 2.600000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅ = -132.98513(反射面) ｄ₅ = -2.600000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₆ = ∞ (ＤＯＥ) ｄ₆ = 0.000000 ｎ_d5 =1001 ν_d5 =-3.45 ｒ₇ =652937.23077(非球面) ｄ₇ = -0.500000 ｒ₈ = -356.33121 ｄ₈ = -14.000000 ｎ_d6 =1.5254 ν_d6 =56.25 ｒ₉ = ∞ (半透面) ｄ₉ = 11.000000 ｎ_d7 =1.5254 ν_d7 =56.25 ｒ₁₀= ∞ ｄ₁₀= 3.01 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第３，７面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.274421×10^-8 Ｂ = 0.141423×10^-10 Ｃ = -0.572510×10^-13 Ｄ = 0.831347×10^-16 。

【０１３３】 第８実施例 画角：４４×３３° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 54.73019 ｄ₁ = 32.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -126.01373 ｄ₂ = 0.500000 ｒ₃ =582347.91693(ＤＯＥ) ｄ₃ = 0.000000 ｎ_d2 =1001 ν_d2 =-3.45 (非球面) ｒ₄ = ∞ ｄ₄ = 3.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅ = -209.15616(反射面) ｄ₅ = -3.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₆ = ∞ (ＤＯＥ) ｄ₆ = 0.000000 ｎ_d5 =1001 ν_d5 =-3.45 ｒ₇ =582347.91693(非球面) ｄ₇ = -0.500000 ｒ₈ = -126.01373 ｄ₈ = -15.000000 ｎ_d6 =1.5254 ν_d6 =56.25 ｒ₉ = ∞ (半透面) ｄ₉ = 15.000000 ｎ_d7 =1.5254 ν_d7 =56.25 ｒ₁₀= ∞ (非球面) ｄ₁₀= 3.000 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第３，７面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.166031×10^-8 Ｂ = 0.300191×10^-11 Ｃ = -0.286505×10^-14 Ｄ = 0 第１０面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.146847×10^-4 Ｂ = 0.102104×10^-6 Ｃ =Ｄ =0 。

【０１３４】 第９実施例 画角：４４×３３° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 79.79999 ｄ₁ = 4.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = 742.84061 ｄ₂ = 0.500000 ｒ₃ = ∞ ｄ₃ = 32.500000 ｎ_d2 =1.5254 ν_d2 =56.25 ｒ₄ = -86.60547 ｄ₄ = 0.500000 ｒ₅ =1270400.0000(ＤＯＥ) ｄ₅ = 0.000000 ｎ_d3 =1001 ν_d3 =-3.45 (非球面) ｒ₆ = ∞ ｄ₆ = 3.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₇ = -198.13591(反射面) ｄ₇ = -3.000000 ｎ_d5 =1.5254 ν_d5 =56.25 ｒ₈ = ∞ (ＤＯＥ) ｄ₈ = 0.000000 ｎ_d6 =1001 ν_d6 =-3.45 ｒ₉ =1270400.0000(非球面) ｄ₉ = -0.500000 ｒ₁₀= -86.60547 ｄ₁₀= -16.500000 ｎ_d7 =1.5254 ν_d7 =56.25 ｒ₁₁= ∞ (半透面) ｄ₁₁= 15.000000 ｎ_d8 =1.5254 ν_d8 =56.25 ｒ₁₂= ∞ (非球面) ｄ₁₂= 4.000000 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第５，９面 ｋ = -1.000000 Ａ = -0.268430×10^-9 Ｂ = 0.518185×10^-12 Ｃ = -0.539659×10^-15 Ｄ = 0 第１２面 ｋ = -1.000000 Ａ = 0.132600×10^-4 Ｂ = 0.544729×10^-7 Ｃ =Ｄ =0 。

【０１３５】 第１０実施例 画角：４４×３３° ｒ₀ = ∞ (瞳) ｄ₀ = 20.000000 ｒ₁ = 78.81862 ｄ₁ = 33.000000 ｎ_d1 =1.5254 ν_d1 =56.25 ｒ₂ = -73.11829(ＤＯＥ) ｄ₂ = 0.000000 ｎ_d2 =1001 ν_d2 =-3.45 ｒ₃ = -73.11389(非球面) ｄ₃ = 0.500000 ｒ₄ = -292.23283 ｄ₄ = 3.000000 ｎ_d3 =1.5254 ν_d3 =56.25 ｒ₅ = -182.26137(反射面) ｄ₅ = -3.000000 ｎ_d4 =1.5254 ν_d4 =56.25 ｒ₆ = -292.23283 ｄ₆ = -0.500000 ｒ₇ = -73.11389(ＤＯＥ) ｄ₇ = -0.500000 ｎ_d5 =1001 ν_d5 =-3.45 (非球面) ｒ₈ = -73.11829 ｄ₈ = -16.500000 ｎ_d6 =1.5254 ν_d6 =56.25 ｒ₉ = ∞ (半透面) ｄ₉ = 14.000000 ｎ_d7 =1.5254 ν_d7 =56.25 ｒ₁₀= ∞ (非球面) ｄ₁₀= 4.000000 ｒ₂₀= ∞ (表示面) 非球面係数 第３，７面 ｋ = 0.000000 Ａ = 0.556292×10^-9 Ｂ = -0.161340×10^-11 Ｃ = 0.178046×10^-14 Ｄ = 0 第１０面 ｋ = -1.000000 Ａ = 0.177330×10^-5 Ｂ = 0.896054×10^-7 Ｃ =Ｄ =0 。

【０１３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、色収差が良好に補正されたコンパクトで軽量な広
画角頭部到着式映像表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いる回折光学素子を説明するための
屈折の原理図である。

【図２】本発明で用いる回折光学素子を説明するための
回折の原理図である。

【図３】超高屈折率レンズ（ultra-high index lens ）
の説明図である。

【図４】第１実施例のレンズ断面図である。

【図５】第２実施例のレンズ断面図である。

【図６】第３実施例のレンズ断面図である。

【図７】第４実施例のレンズ断面図である。

【図８】第５実施例のレンズ断面図である。

【図９】第６実施例のレンズ断面図である。

【図１０】第７実施例のレンズ断面図である。

【図１１】第８実施例のレンズ断面図である。

【図１２】第９実施例のレンズ断面図である。

【図１３】第１０実施例のレンズ断面図である。

【図１４】第１実施例の横収差図である。

【図１５】第２実施例の横収差図である。

【図１６】第３実施例の横収差図である。

【図１７】第４実施例の横収差図である。

【図１８】第５実施例の横収差図である。

【図１９】第６実施例の横収差図である。

【図２０】第７実施例の横収差図である。

【図２１】第８実施例の横収差図である。

【図２２】第９実施例の横収差図である。

【図２３】第１０実施例の横収差図である。

【図２４】従来技術の映像表示装置の光学系の一例を示
す断面図である。

【図２５】別の従来例の光学系を示す断面図である。

【図２６】従来技術の映像表示装置を広画角化した光学
系の断面図である。

【図２７】別の従来技術の映像表示装置を広画角化した
光学系の断面図である。

【符号の説明】 …光線 …法線 …超高屈折率レンズ（ultra-high index lens ） Ｅ…瞳孔位置 １…映像表示素子 ２…凹面鏡 ３…ハーフミラー ４…眼球 ５…ビームスプリッタプリズム ７…ビームスプリッタプリズムの映像表示素子側の非球
面 ２０…ＤＯＥ ２１…正レンズ ２２…ビームスプリッタリズムの射出面（逆追跡で） ３０…正レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 5/10 Ｇ０２Ｂ 5/10 Ａ 17/08 17/08 Ａ 25/00 25/00 Ａ Ｚ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する映像表示手段と、前記映
   像を観察者眼球位置に導く投影光学系とからなる映像表
   示装置において、 前記投影光学系が、少なくとも、光束を透過する作用と
   反射する作用とを兼用する透過反射作用面と、光束を反
   射する反射面と、色収差補正機能を有するように構成さ
   れた回折光学部材とを有し、 前記透過反射作用面と前記反射面とは、光学系をコンパ
   クト化するために、前記透過反射作用面と前記反射面と
   の間で折り返し光路を形成するように、前記反射面を前
   記透過反射作用面を基準に前記観察者眼球位置とは反対
   側の位置に設置し、かつ、前記映像表示手段から射出さ
   れた光束を前記透過反射作用面にて反射させ、前記透過
   反射作用面から反射された光束を前記反射面にて反射さ
   せ、前記反射面にて反射された光束を前記透過反射作用
   面を透過させて、前記観察者眼球位置に光束を導くよう
   に光路を形成し、 前記回折光学部材が、前記映像表示手段と前記観察者眼
   球位置との間の光路中に配置されていることを特徴とす
   る映像表示装置。
2. 【請求項２】 前記投影光学系は、少なくともプリズム
   部材を含み、 前記プリズム部材は、少なくとも、前記映像表示手段か
   らの映像光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記
   透過反射作用面と、前記反射面とを含んで構成されたこ
   とを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
3. 【請求項３】 前記プリズム部材は、前記映像表示手段
   からの映像光束を前記入射面より入射させ、前記入射面
   より入射した光束を前記透過反射作用面にて反射させ、
   前記透過反射作用面にて反射された光束を前記反射面に
   て反射させ、前記反射面にて反射された光束を前記透過
   反射作用面を透過させて、前記プリズム外に射出するよ
   うに構成されたことを特徴とする請求項２記載の映像表
   示装置。
4. 【請求項４】 前記回折光学部材は、前記プリズム部材
   で発生した色収差を少なくとも一部相殺するように形成
   されていることを特徴とする請求項２記載の映像表示装
   置。
5. 【請求項５】 前記プリズム部材が、少なくとも正の色
   収差を発生させる構成であると共に、前記回折光学部材
   が少なくとも負の色収差を発生させる構成であることを
   特徴とする請求項４記載の映像表示装置。
6. 【請求項６】 前記プリズム部材の前記入射面は、収差
   補正機能を有した非球面形状にて構成されたことを特徴
   とする請求項２又は３記載の映像表示装置。
7. 【請求項７】 前記回折光学部材は、前記投影光学系の
   有する光学面に構成されたことを特徴とする請求項１記
   載の映像表示装置。
8. 【請求項８】 前記投影光学系は、少なくとも曲面形状
   の透過面を有し、前記回折光学部材は、前記曲面形状の
   透過面上に構成されたことを特徴とする請求項７記載の
   映像表示装置。
9. 【請求項９】 前記投影光学系は、少なくとも曲面形状
   の反射面を有し、前記回折光学部材は、前記曲面形状の
   反射面上に構成されたことを特徴とする請求項７記載の
   映像表示装置。