JP2002090690A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １つの画像表示素子からの映像をハーフミラ
ーを利用せずに両眼に導き、明るく観察でき、諸収差の
補正を容易にした画像表示装置。 【解決手段】 観察光学系が１つのプリズム１０にて構
成され、画像表示素子３から放射された光束をプリズム
内部に入射させる入射面１６と、入射した光束を観察者
の左右の眼に導く各々少なくとも３面以上の左側反射面
１５Ｌ〜１２Ｌ、１５Ｒ〜１２Ｒと、左眼用光路の光束
をプリズム外に射出させる左側射出面１１Ｌと、右眼用
光路の光束をプリズム外に射出させる右側射出面１１Ｒ
とを有し、観察者の両眼の中心を対称面とした左右対称
な光路を形成できるように、左右対称に光学面が配置さ
れ、少なくとも左右で２組以上の反射面が偏心収差補正
機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面からなる画
像表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に関
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能
にする頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、１つの画像表示素子の画像を両眼
で観察する画像表示装置としては、特開平６−１１００
１３号、特開平７−２８７１８５号、特開平９−６１７
４８号、特開平９−１８１９９８号、特開平９−１８１
９９９号、特表平１０−５０４１１５号のもの等が知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この中、特開平６−１
１００１３号のものでは、二等辺三角柱のプリズムとミ
ラーで光線を分割し、折り曲げているので、諸収差の補
正は、瞳の前に配置するレンズで行うことになり、補正
が難しくなると同時に、装置の大型化を招く。

【０００４】また、特開平７−２８７１８５号のもので
は、ミラーを複数使用し、凸レンズ１枚で結像作用を行
っている。そのため、組み立て調整が非常に難しく、ま
た、適切な性能を達成できない。また、画像表示素子が
３次元的に配置してあるが、左右対称の光学系であるた
め、左右の映像が逆に回転してしまう。

【０００５】また、特開平９−６１７４８号のもので
は、ＬＣＤ（液晶表示素子）の表示光をハーフミラーを
利用して分割して両眼で観察する。そのために、左右そ
れぞれの眼球へ表示光が分かれるので、観察像が弱く暗
くなる。

【０００６】また、特開平９−１８１９９８号、特開平
９−１８１９９９号のものは、反射面が１面のみの構成
で、偏心収差の補正が不十分であり、近年の小型化、高
精細化している画像表示素子には適用できない。さら
に、画角が非常に狭い。

【０００７】また、特表平１０−５０４１１５号のもの
では、部品点数が非常に多く、組み立てが非常に複雑で
ある。また、この場合、ハーフミラーを使用しているの
で、観察像が弱く暗くなる。

【０００８】さらに、近年の画像表示素子の小型化によ
り、観察光学系の焦点距離も小さくする必要がある。さ
らに、広画角を確保するためには、焦点距離を短くしな
ければならない。そのためバックフォーカスの確保が難
しくなり、プリズム内の光路を長くすることができな
い。結果として、反射面を増やせず、偏心収差が十分に
補正できない。

【０００９】さらに、近年の画像表示素子の高精細化も
進んでいる。

【００１０】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、１つの画像表示
素子からの画像を、ハーフミラーを利用せずに両眼に導
き明るく観察でき、さらに、光学系に３面以上の曲面を
有した反射面を使用することで、近年の小型・高精細化
した画像表示素子に対応できるように諸収差の補正を容
易にした頭部装着式画像表示装置等の画像表示装置を提
供することである。さらには、左右の観察光学系を極力
一体に構成することで左右の光学系の組み立て調整を容
易にした画像表示装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の画像表示装置は、観察画像を画像表示部に形成する
画像表示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観
察者眼球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ
画像表示装置において、前記画像表示素子が、複数の画
素を単板上に並設させた１枚の画像表示素子を有して構
成され、前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分
に位置する各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導け
るような射出角度で画像光束を放射するように構成さ
れ、前記観察光学系が１つのプリズムにて構成され、前
記プリズムが、前記画像表示素子から放射された画像光
束をプリズム内部に入射させる入射面と、前記入射面か
ら入射した光束を、観察者の左眼に導く少なくとも３面
以上の左側反射面と、前記入射面から入射した光束を、
観察者の右眼に導く少なくとも３面以上の右側反射面
と、前記左眼用光路の光束をプリズム外に射出させる左
側射出面と、前記右眼用光路の光束をプリズム外に射出
させる右側射出面とを有し、かつ、前記左眼用光路中に
前記画像表示素子の表示した像から左眼用リレー像を形
成し、前記右眼用光路中に前記画像表示素子の表示した
像から右眼用リレー像を形成するように、前記各反射面
が光束にパワーを与えるような曲面形状に構成され、前
記観察光学系は、観察者の両眼の中心を対称面とした左
右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が
配置され、少なくとも左右で２組以上の反射面が偏心収
差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面から
なることを特徴とするものである。

【００１２】本発明のもう１つの画像表示装置は、観察
画像を画像表示部に形成する画像表示素子と、前記画像
表示素子が形成した画像を観察者眼球位置に相当する瞳
に導く観察光学系とを含んだ画像表示装置において、前
記画像表示素子が、複数の画素を単板上に並設させた１
枚の画像表示素子を有して構成され、前記１枚の画像表
示素子の少なくとも中央部分に位置する各画素が、観察
者の左右の眼球に光束を導けるような射出角度で画像光
束を放射するように構成され、前記観察光学系が１つの
プリズムと少なくとも１つの正のパワーを有するレンズ
で構成され、前記プリズムが、前記画像表示素子から放
射された画像光束をプリズム内部に入射させる入射面
と、前記入射面から入射した光束を、観察者の左眼に導
く少なくとも３面以上の左側反射面と、前記入射面から
入射した光束を、観察者の右眼に導く少なくとも３面以
上の右側反射面と、前記左眼用光路の光束をプリズム外
に射出させる左側射出面と、前記右眼用光路の光束をプ
リズム外に射出させる右側射出面とを有し、かつ、前記
左眼用光路中に前記画像表示素子の表示した像から左眼
用リレー像を形成し、前記右眼用光路中に前記画像表示
素子の表示した像から右眼用リレー像を形成するよう
に、前記各反射面が光束にパワーを与えるような曲面形
状に構成され、前記観察光学系は、観察者の両眼の中心
を対称面とした左右対称な光路を形成できるように、左
右対称に光学面が配置され、少なくとも左右で２組以上
の反射面が偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面
形状の反射面からなることを特徴とするものである。

【００１３】以下、本発明において、上記構成をとる理
由と作用を説明する。

【００１４】本発明においては、上記の構成のように、
観察光学系を１つのプリズムにて構成するか、あるい
は、１つのプリズムと少なくとも１つの正のパワーを有
するレンズで構成すると、両眼のプリズムを全て一体型
の成形プリズムで構成することでができ、非常に組み立
てが容易になる。本出願人による特願２０００−４８７
５０号のように、左右の接眼プリズムと中央に配置した
光路振り分けプリズムとで構成すると、その３部材の光
軸合わせが非常に難しく、また、中間像（リレー像を）
を形成する構成のため各面のパワーも強く、組み立て精
度は非常に厳しくなる。

【００１５】また、特開平９−６１７４８号のようにハ
ーフミラーを使用せずに単一の画像表示装置の表示画像
を両眼に導くことができるため（単板両眼視）、非常に
明るい観察が可能となる。

【００１６】また、反射面を３面以上有し、さらに中間
結像（リレー像) を形成させることで、要求される短い
焦点距離の観察光学系でもバックフォーカスの確保が可
能となり、画像表示素子の高精細化に伴う高性能な観察
光学系が提供できる。

【００１７】また、観察者の両眼の中心を対称面とした
左右対称な光路を形成できるように、左右対称に観察光
学系の光学面を配置することが構成の単純化と小型化の
ためには必要であり、その少なくとも左右で２組以上の
反射面が偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形
状の反射面から構成されているため、良好に収差補正が
できる。

【００１８】ここで、回転非対称な曲面形状の面とし
て、本発明では代表的に自由曲面を使用するが、自由曲
面とは以下の式で定義されるものである。この定義式の
Ｚ軸が自由曲面の軸となる。

【００１９】 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。

【００２０】球面項中、 ｃ：頂点の曲率 ｋ：コーニック定数（円錐定数） ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ） である。

【００２１】自由曲面項は、 ただし、Ｃ_j （ｊは２以上の整数）は係数である。

【００２２】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、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。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。

【００２３】また、上記の回転非対称な曲面形状の面で
ある自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項
式により定義できる。この面の形状は以下の式（ｂ）に
より定義する。その定義式（ｂ）のＺ軸がＺｅｒｎｉｋ
ｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面
に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ
面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸
から測った回転角で表せられる。

【００２４】 ｘ＝Ｒ×cos(A) ｙ＝Ｒ×sin(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃ Ｒcos(A)＋Ｄ₄ Ｒsin(A) ＋Ｄ₅ Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆ （Ｒ² −１）＋Ｄ₇ Ｒ² sin(2A) ＋Ｄ₈ Ｒ³ cos(3A) ＋Ｄ₉ （３Ｒ³ −２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³ −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ sin(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴ −６Ｒ² ＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ cos(5A) ＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）cos(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）sin(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）sin(3A) ＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ sin(5A) ＋Ｄ₂₃Ｒ⁶cos(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）cos(4A) ＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶ −３０Ｒ⁴ ＋１２Ｒ² −１） ＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）sin(4A) ＋Ｄ₂₉Ｒ⁶sin(6A)・・・・・ ・・・・（ｂ） ただし、Ｄ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。な
お、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、
Ｄ₄ ，Ｄ₅ ，Ｄ₆ 、Ｄ₁₀，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ
₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。

【００２５】上記定義式は、回転非対称な曲面形状の面
の例示のために示したものであり、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。

【００２６】なお、自由曲面の他の定義式の例として、
次の定義式（ｃ）があげられる。

【００２７】Ｚ＝ΣΣＣ_nmＸＹ 例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したと
き、以下の式で表せる。

【００２８】 Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ Ｙ＋Ｃ₄ ｜Ｘ｜ ＋Ｃ₅ Ｙ² ＋Ｃ₆ Ｙ｜Ｘ｜＋Ｃ₇ Ｘ² ＋Ｃ₈ Ｙ³ ＋Ｃ₉ Ｙ² ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₀ＹＸ² ＋Ｃ₁₁｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₁₂Ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃Ｙ³ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₄Ｙ² Ｘ² ＋Ｃ₁₅Ｙ｜Ｘ³ ｜＋Ｃ₁₆Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇Ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈Ｙ⁴ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₉Ｙ³ Ｘ² ＋Ｃ₂₀Ｙ² ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₁ＹＸ⁴ ＋Ｃ₂₂｜Ｘ⁵ ｜ ＋Ｃ₂₃Ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄Ｙ⁵ ｜Ｘ｜＋Ｃ₂₅Ｙ⁴ Ｘ² ＋Ｃ₂₆Ｙ³ ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₇Ｙ² Ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈Ｙ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₂₉Ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀Ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁Ｙ⁶ ｜Ｘ｜＋Ｃ₃₂Ｙ⁵ Ｘ² ＋Ｃ₃₃Ｙ⁴ ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₃₄Ｙ³ Ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅Ｙ² ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₃₆ＹＸ⁶ ＋Ｃ₃₇｜Ｘ⁷ ｜ ・・・（ｃ） なお、回転非対称な曲面形状の面としては、アナモフィ
ック面、トーリック面を用いることもできる。

【００２９】また、プリズム内の反射面は、後記の実施
例のように、少なくとも４面以上の左側反射面と４面以
上の右側反射面とを有することが望ましい。

【００３０】この場合に、プリズム内の反射面の中、少
なくとも左右で４組以上の反射面が、偏心収差補正機能
を有した回転非対称な曲面形状であることが望ましい。

【００３１】また、後記の実施例２、３のように、プリ
ズム内の反射面の中、少なくとも左右で１組以上の反射
面が、全反射臨界角よりも大きい角度で画像光束を入射
させることによって全反射作用を有する反射面とし、か
つ、それぞれ左右の射出面と同一面であるようにするこ
ともできる。

【００３２】そして、入射面に対して左眼用光路上最も
近い位置に配置された反射面と、入射面に対して右眼用
光路上最も近い位置に配置された反射面とが、共に画像
表示素子と入射面の双方に対して対向するように隣接配
置されているようにすることができる。

【００３３】この場合に、プリズムが、入射面に対して
光路上最も近い位置に配置された左右の反射面の境界部
分を含む領域に対して、画像表示素子の中心領域から垂
直に放射された光線がゴースト光として反射しないよう
に反射防止部材を設けることが望ましい。

【００３４】また、画像表示素子とプリズムとの間に、
その１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置す
る各画素から放射される所定の射出角度を持った画像光
束の光強度を各画素面の垂直方向に放射される光束強度
より強くするような振り分け光増強部材を配置すること
が望ましい。

【００３５】また、プリズムは、少なくとも３面以上の
左側反射面によって画像表示素子から放射された左眼用
光路の軸上主光線をプリズム内で回転交差させると共
に、少なくとも３面以上の右側反射面によって画像表示
素子から放射された右眼用光路の軸上主光線をプリズム
内で回転交差させ、かつ、左側反射面による回転方向と
右側反射面による回転方向とが逆になるように構成して
もよい。

【００３６】また、プリズムに含まれた少なくとも２面
以上の回転非対称形状の曲面反射面は、対称面を１面の
み備えた自由曲面形状にて構成することができる。

【００３７】また、後記の実施例３のように、プリズム
と組み合わせて使用する正のパワーを有するレンズとし
て回折作用を持つ回折面を有するものとしてもよい。

【００３８】また、画像表示素子の少なくとも中央部分
に位置する各画素から観察者の眼球に導かれる左右の光
束の軸上主光線間のなす角度をθ１としたときに、以下
の条件式を満足することが望ましい。

【００３９】 １０°＜θ１＜１２０° ・・・（１） この条件式は、両眼に適切に画像光束を分離するための
条件式であり、下限の１０°を越えると、左右の光学
面、特に、画像表示素子に最も近い位置に配置されたプ
リズムの左右の第１反射面の有効径が重なってしまい、
その有効径を確保するためには光学系を大きくしなけれ
ばならなくなり、頭部又は顔面装着式画像表示装置の光
学系に適さないものとなってしまう。逆に、上限の１２
０°を越えると、非常に視野角特性の広い画像表示素子
が必要になると同時に、画像光束の立体角が小さくな
り、結果として明るい画像を観察することができなくな
る。この角度θ１はさらに下記の条件式を満足するとさ
らに好ましい。

【００４０】 １２°＜θ１＜９０° ・・・（１−１） さらに、次の条件式を満足するとさらに好ましい。

【００４１】 １２°＜θ１＜６０° ・・・（１−２） また、画像表示素子の中心から瞳の中心を通る光線を軸
上主光線とし、リレー像をが形成される位置での軸上主
光線と画像表示素子とのな角度をθ２とするときに、以
下の条件式を満足することが望ましい。

【００４２】 １０°＜θ２＜６０° ・・・（２） この条件式の下限の１０°を越えると、中間像が形成さ
れる位置での軸上主光線が画像表示素子と略平行な光路
をなってしまい、左右の光路を確保することが難しくな
り、１つの画像表示素子から左右の眼に光路を振り分け
るためにはハーフミラーを使用しなければならなくな
り、画像が暗くなるため好ましくない。上記条件式の上
限の６０°を越えると、プリズムを大きく傾けるか、あ
るいはプリズム自体を大きくする必要があり、光学系の
小型化・軽量化が達成できなくなる。この角度θ２はさ
らに下記の条件式を満足するとさらに好ましい。

【００４３】 １５°＜θ２＜５０° ・・・（２−１） また、上記のような画像表示装置は、その画像表示素子
に代えて撮像素子を配置し、瞳を被写体からの光束の通
過する入射瞳として構成し、被写体の像を撮像素子上に
形成する撮像装置として用いることもできる。

【００４４】さらには、画像表示素子に代えて投影物体
を配置し、瞳の前方にスクリーンが配置して、投影物体
の投影像をスクリーン上に形成する投影装置として用い
ることもできる。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の画像表示装置を実
施例に基づいて説明する。

【００４６】以下の実施例の座標の取り方は、観察者の
視軸方向（正面方向）をＺ軸、水平方向をＹ軸、垂直方
向をＸ軸としている。

【００４７】後記する各実施例の数値データにおいて
は、右眼用の観察光学系について示してあり、右眼用の
瞳１Ｒからの画像表示素子（像面）３に至る逆光線追跡
のデータで示してある。左眼用の観察光学系について
は、数値データは省いてあるが、両眼を結ぶ直線の中心
を垂直に通る対称面に対して面対称の関係である。な
お、以下の構成の説明もその逆光線追跡の順で説明す
る。

【００４８】図１に実施例１の画像表示装置の光学系の
光学面と光路を示す水平（Ｙ−Ｚ面）断面図を示す。図
中、（ａ）は両眼用光路を、（ｂ）は右眼用光路を示す
図である。左右の光路中の光学面と軸上主光線と瞳を区
別するために、符号の後に“Ｌ”と“Ｒ”を付与する。
また、後記の数値データの説明との整合性をとるため
に、符号をとる順は逆光線追跡に基づいている。他の実
施例においても同じ。

【００４９】この実施例の観察光学系は、頭部装着式画
像表示装置として構成する場合に、観察者の右眼の瞳が
位置すべき瞳１Ｒから出た逆光線追跡の軸上主光線（光
軸）２Ｒは、プリズム１０の右眼用第１１面１１Ｒで屈
折されてプリズム１０内に入り、右眼用第１２面１２Ｒ
で内部反射され、右眼用第１３面１３Ｒで内部反射され
る。この際、第１２面１２Ｒに入射する軸上主光線と第
１３面１３Ｒで反射された軸上主光線とはプリズム１０
内で交差する。すなわち、右眼用光路においては軸上主
光線は第１１面１１Ｒから入射し第１３面１３Ｒで反射
された軸上主光線は右回りの回転交差をする。第１３面
１３Ｒで内部反射された軸上主光線、右眼用第１４面１
４Ｒで内部反射され、右眼用第１５面１５Ｒで内部反射
され、左右の光路共用の第１６面１６で屈折されてプリ
ズム１０から出て画像表示素子３に至る。第１３面１１
Ｒで反射され第２５面２５第１３面１３Ｒで反射された
軸上主光線は、今度は左回りの回転交差をする。この右
眼表光路中、第１３面１３Ｒと第１４面１４Ｒの間に画
像表示素子３の中間像４Ｒが形成される。

【００５０】左眼用の観察光学系については、左右の瞳
１Ｌ、１Ｒを結ぶ直線の中心を垂直に通る対称面に対し
て面対称の関係にあるので、上記と同様になる。ただ
し、符号の後の“Ｒ”の代わりに“Ｌ”が付き、回転交
差方向は逆になる。以下の説明においては、特に必要が
ない限り符号の後の“Ｒ”と“Ｌ”は省く。

【００５１】この実施例において、両眼用の接眼プリズ
ムと中央に配置する光路振り分けプリズムとを全て一体
型の成形プリズム１０で構成しており、組み立てが非常
に容易になる。本出願人による特願２０００−４８７５
０号のように、左右の接眼プリズムと中央に配置した光
路振り分けプリズムとで構成すると、その３部材の光軸
合わせが非常に難しく、また、中間像（リレー像を）を
形成する構成のため各面のパワーも強く、組み立て精度
は非常に厳しくなる。

【００５２】また、特開平９−６１７４８号のようにハ
ーフミラーを使用せずに単一の画像表示装置の表示画像
を両眼に導くことができるため（単板両眼視）、非常に
明るい観察が可能となる。

【００５３】また、反射面を左右で４組有し、さらに中
間結像（リレー像) ４Ｒ、４Ｌを形成させることで、要
求される短い焦点距離の観察光学系でもバックフォーカ
スの確保が可能となり、画像表示素子３の高精細化に伴
う高性能な観察光学系が提供できる。

【００５４】なお、全反射面を用いる場合、全反射条件
を満足させるためには光線の入射角を非常に大きくする
必要がある。しかし、入射角の大きい面にパワーを持た
せると偏心収差が大きく発生し、弱いパワーしか持たせ
ることができない。しかし、この実施例においては、反
射面は全て通常の裏面反射を利用することで、各面にパ
ワーを均等に配分し非常に良好に偏心収差を補正するこ
とが可能となる。

【００５５】また、プリズム１０中の光路長を大きくと
れるため、中間結像４Ｒ、４Ｌの位置がプリズム１０の
中に形成できる。そのため、中間像４Ｒ、４Ｌから画像
表示素子３までの物像間距離を長くとれ、プリズム１０
のパワーを弱く設定することができる。したがって、画
像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することが
できる。

【００５６】図２に実施例１の画像表示装置の光学系の
光学面と光路を示す水平（Ｙ−Ｚ面）断面図を示す。図
中、（ａ）は両眼用光路を、（ｂ）は右眼用光路を示す
図である。この実施例の観察光学系は、頭部装着式画像
表示装置として構成する場合に、観察者の右眼の瞳が位
置すべき瞳１Ｒから出た逆光線追跡の軸上主光線（光
軸）２Ｒは、プリズム１０の右眼用第１１面１１Ｒで屈
折されてプリズム１０内に入り、右眼用第１２面１２Ｒ
で内部反射され、第１１面１１Ｒが兼ねる右眼用第１３
面１３Ｒに臨界角を越える角度で入射して全反射され、
右眼用第１４面１４Ｒで内部反射され、右眼用第１５面
１５Ｒで内部反射され、左右の光路共用の第１６面１６
で屈折されてプリズム１０から出て画像表示素子３に至
る。この右眼表光路中、第１４面１４Ｒ近傍に画像表示
素子３の中間像４Ｒが形成される。

【００５７】左眼用の観察光学系については、左右の瞳
１Ｌ、１Ｒを結ぶ直線の中心を垂直に通る対称面に対し
て面対称の関係にあるので、上記と同様になる。ただ
し、符号の後の“Ｒ”の代わりに“Ｌ”が付き、回転交
差方向は逆になる。以下の説明においては、特に必要が
ない限り符号の後の“Ｒ”と“Ｌ”は省く。

【００５８】この実施例においも、両眼用の接眼プリズ
ムと中央に配置する光路振り分けプリズムとを全て一体
型の成形プリズム１０で構成しており、組み立てが非常
に容易になる。本出願人による特願２０００−４８７５
０号のように、左右の接眼プリズムと中央に配置した光
路振り分けプリズムとで構成すると、その３部材の光軸
合わせが非常に難しく、また、中間像（リレー像を）を
形成する構成のため各面のパワーも強く、組み立て精度
は非常に厳しくなる。

【００５９】また、特開平９−６１７４８号のようにハ
ーフミラーを使用せずに単一の画像表示装置の表示画像
を両眼に導くことができるため（単板両眼視）、非常に
明るい観察が可能となる。

【００６０】また、反射面を全反射面を含めて左右で４
組有し、さらに中間結像（リレー像) ４Ｒ、４Ｌを形成
させることで、要求される短い焦点距離の観察光学系で
もバックフォーカスの確保が可能となり、画像表示素子
３の高精細化に伴う高性能な観察光学系が提供できる。

【００６１】なお、この実施例においては、プリズム中
に全反射面２面使用しているため、光路を折りたたむこ
とができ、非常に薄い光学系が可能で、装置の薄型化・
軽量化が達成できる。

【００６２】また、プリズム１０中の光路長を大きくと
れるため、中間結像４Ｒ、４Ｌの位置がプリズム１０の
中に形成できる。そのため、中間像４Ｒ、４Ｌから画像
表示素子３までの物像間距離を長くとれ、プリズム１０
のパワーを弱く設定することができる。したがって、画
像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することが
できる。

【００６３】図３に実施例１の画像表示装置の光学系の
光学面と光路を示す水平（Ｙ−Ｚ面）断面図を示す。図
中、（ａ）は両眼用光路を、（ｂ）は右眼用光路を示す
図である。この実施例の観察光学系は、頭部装着式画像
表示装置として構成する場合に、観察者の右眼の瞳が位
置すべき瞳１Ｒから出た逆光線追跡の軸上主光線（光
軸）２Ｒは、プリズム１０側の面が回折光学素子の回折
面６Ｒとなっている正パワーのレンズ５Ｒを経て、プリ
ズム１０の右眼用第１１面１１Ｒで屈折されてプリズム
１０内に入り、右眼用第１２面１２Ｒで内部反射され、
第１１面１１Ｒが兼ねる右眼用第１３面１３Ｒに臨界角
を越える角度で入射して全反射され、右眼用第１４面１
４Ｒで内部反射され、右眼用第１５面１５Ｒで内部反射
される。この右眼用光路においては軸上主光線は第１４
面１４Ｒに入射し、第１５面１５Ｒで反射されて左回り
の回転交差をする。第１５面１５Ｒで内部反射された軸
上主光線は、左右の光路共用の第１６面１６で屈折され
てプリズム１０から出て画像表示素子３に至る。この右
眼表光路中、第１３面１３Ｒと第１４面１４Ｒの間に画
像表示素子３の中間像４Ｒが形成される。

【００６４】この実施例においも、両眼用の接眼プリズ
ムと中央に配置する光路振り分けプリズムとを全て一体
型の成形プリズム１０で構成しており、組み立てが非常
に容易になる。本出願人による特願２０００−４８７５
０号のように、左右の接眼プリズムと中央に配置した光
路振り分けプリズムとで構成すると、その３部材の光軸
合わせが非常に難しく、また、中間像（リレー像を）を
形成する構成のため各面のパワーも強く、組み立て精度
は非常に厳しくなる。

【００６５】また、特開平９−６１７４８号のようにハ
ーフミラーを使用せずに単一の画像表示装置の表示画像
を両眼に導くことができるため（単板両眼視）、非常に
明るい観察が可能となる。

【００６６】また、反射面を全反射面を含めて左右で４
組有し、さらに中間結像（リレー像) ４Ｒ、４Ｌを形成
させることで、要求される短い焦点距離の観察光学系で
もバックフォーカスの確保が可能となり、画像表示素子
３の高精細化に伴う高性能な観察光学系が提供できる。

【００６７】なお、この実施例においては、プリズム中
に全反射面を１面使用しているため、光路を折りたたむ
ことができ、非常に薄い光学系が可能で、装置の薄型化
・軽量化が達成できる。

【００６８】また、プリズム１０中の光路長を大きくと
れるため、中間結像４Ｒ、４Ｌの位置がプリズム１０の
中に形成できる。そのため、中間像４Ｒ、４Ｌから画像
表示素子３までの物像間距離を長くとれ、プリズム１０
のパワーを弱く設定することができる。したがって、画
像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することが
できる。

【００６９】また、プリズム１０と瞳１Ｒ、１Ｌの間に
正パワーのレンズ５Ｒ、５Ｌを挿入しているので、より
広い画角を確保することができる。本実施例では、正レ
ンズ５Ｒ、５Ｌに回折光学素子６Ｒ、６Ｌを用いている
が、単なる正レンズを用いても広画角を達成できる。回
折光学素子を用いると、より色収差を良好に補正するこ
とが可能であり、また、その代わりに接合レンズを挿入
するようにしても同じ効果が得られる。

【００７０】なお、他の実施例においても、同様のレン
ズをプリズム１０と瞳１Ｒ、１Ｌの間に挿入するように
しても同様の効果が得られる。また、その代わりに、第
１６面１６と画像表示素子３の間に挿入してもよい。

【００７１】なお、以上の実施例は、特願２０００−４
８７５０号の接眼プリズムと光路振り分けプリズムを一
体化した構成であり、特願２０００−４８７５０号のプ
リズムを使用した全ての実施例でも同様に一体化しで構
成することが可能である。

【００７２】次に、上記実施例１〜３の構成パラメータ
を示す。各実施例の構成パラメータにおいては、例えば
図１（ｂ）に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線２
を、光学系の射出瞳１の中心を垂直に通り、画像表示素
子３中心に至る光線で定義する。そして、逆光線追跡に
おいて、瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点と
して、軸上主光線２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１か
ら第１１面１１に向かう方向をＺ軸正方向とし、プリズ
ム１０内で光軸が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ平面と
し、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、垂直方向の上から
下へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直
交座標系を構成する軸をＹ軸とする。したがって、水平
方向の右から左へ向かう方向がＹ軸正方向となる。

【００７３】偏心面については、光学系の原点の中心か
らその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ
軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自
由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面につい
ては、後記の（ｄ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それ
ぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））
とが与えられている。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、面の中心軸とそのＸＹＺ
直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転さ
せ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ
軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転し
た座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次い
で、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新た
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。

【００７４】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、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。

【００７５】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が
自由曲面の軸となる。

【００７６】また、非球面は、以下の定義式で与えられ
る回転対称非球面である。

【００７７】 Ｚ＝（ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］ ＋Ａｙ⁴ ＋Ｂｙ⁶ ＋Ｃｙ⁸ ＋Ｄｙ¹⁰＋…… ・・・（ｄ） ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光
線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは
近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそ
れぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

【００７８】また、回折光学素子に関しては、例えば
「光学系デザイナーのための小型光学エレメント」第
６、７章（オプトロニクス社刊）や「ＳＰＩＥ」第１２
６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）等に記載されてお
り、可視域でのアッべ数ν＝−３．４５３、部分分散比
θ_g,F ＝０．０３であり、その回折格子の間隔を自由に
変えることが可能なため、任意の非球面レンズ面と等価
に扱える。以下では、「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４
６〜５３（１９７７）に記載されている「ｕｌｔｒａ−
ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ」を用いている。
具体的には、厚みが０で、波長５８７．５６ｎｍのとき
の仮想屈折率を１００１で表現している。したがって、
後述する数値データにおいても、（ｄ）式のような通常
の非球面式にて表現される。また、回折面と厚みが０で
接する面は回折光学素子の基板形状である。そして、実
際の製造においては、回折面の非球面係数と基板形状と
の差及び屈折率から位相変化を求め、この位相変化をグ
レーティングのピッチに換算して基板表面上にグレーテ
ィングを形成する。

【００７９】なお、データの記載されていない自由曲
面、非球面に関する項は０である。屈折率については、
ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記して
ある。長さの単位はｍｍである。

【００８０】以下の実施例は、観察光学系とした場合
に、実施例１、２の観察画角は水平半画角１０°、垂直
半画角７．５°、実施例３の観察画角は水平半画角１１
°、垂直半画角７．９°である。また、全ての実施例に
おいて、画像表示素子３の大きさは８．９×６．７ｍｍ
であり、瞳径４ｍｍで設計したものである。

【００８１】なお、以下の構成パラメータの表中の“Ｆ
ＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反
射面、“ＤＯＥ”は回折面をそれぞれ示す。

【００８２】 （実施例１） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(4) 1.5254 56.2 6 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(5) 1.5254 56.2 7 ＦＦＳ 偏心(6) 像 面 ∞ 偏心(7) ＦＦＳ Ｃ₄ -1.0371×10^-2 Ｃ₆ -9.9860×10^-3 ＦＦＳ Ｃ₄ -4.4819×10^-3 Ｃ₆ -3.4407×10^-3 Ｃ₈ 8.4187×10^-6 Ｃ₁₀ 8.3240×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.3769×10^-3 Ｃ₆ 1.9396×10^-3 Ｃ₈ 1.4295×10^-5 Ｃ₁₀ 1.7111×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ -4.2403×10^-3 Ｃ₆ -2.3138×10^-3 ＦＦＳ Ｃ₄ 9.9189×10^-3 Ｃ₆ 1.0769×10^-2 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.2113×10^-2 Ｃ₆ -2.0865×10^-2 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 8.53 Ｚ 67.64 α 18.57 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -17.97 Ｚ 38.98 α 46.18 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 40.89 Ｚ 69.70 α 45.60 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 27.81 Ｚ 45.83 α 17.69 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 32.05 Ｚ 73.26 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 78.24 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

【００８３】 （実施例２） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＡＳＳ（ＲＥ） 偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3) 1.5254 56.2 6 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(4) 1.5254 56.2 7 ＦＦＳ 偏心(5) 像 面 ∞ 偏心(6) ＡＳＳ Ｒ -156.33 Ｋ 0.0000 Ａ 9.8692×10^-7 Ｂ 1.6826×10^-10 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.2901×10^-2 Ｃ₆ -1.0004×10^-2 Ｃ₈ -7.0425×10^-5 Ｃ₁₀ -1.7613×10^-5 Ｃ₁₁ -2.6223×10^-6 Ｃ₁₃ -2.5647×10^-6 Ｃ₁₅ -3.4319×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.7068×10^-2 Ｃ₆ -9.1043×10^-3 Ｃ₈ -2.6621×10^-3 Ｃ₁₀ 1.5243×10^-3 Ｃ₁₁ 1.7545×10^-3 Ｃ₁₃ -7.2347×10^-4 Ｃ₁₅ 1.5947×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ 2.0757×10^-2 Ｃ₆ 1.9146×10^-2 Ｃ₈ -7.3665×10^-5 Ｃ₁₀ -1.2600×10^-4 Ｃ₁₁ 6.3058×10^-6 Ｃ₁₃ 2.0766×10^-5 Ｃ₁₅ 1.0643×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ 6.2714×10^-4 Ｃ₆ -4.2424×10^-3 Ｃ₁₁ 3.4026×10^-4 Ｃ₁₃ -4.4282×10^-4 Ｃ₁₅ 2.1826×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 8.57 Ｚ 35.45 α -10.38 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -0.45 Ｚ 39.16 α -36.16 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 19.65 Ｚ 45.83 α 1.78 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 34.57 Ｚ 30.00 α -24.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 47.06 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 56.07 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

【００８４】 （実施例３） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 反射 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ 偏心(1) 1.4924 57.6 3 -26.71304 偏心(2) 1001.0 -3.45 4 -26.71208 （ＤＯＥ） 偏心(2) 5 ＡＳＳ 偏心(3) 1.5254 55.8 6 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(4) 1.5254 55.8 7 ＡＳＳ（ＲＥ） 偏心(3) 1.5254 55.8 8 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(5) 1.5254 55.8 9 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(6) 1.5254 55.8 10 ＦＦＳ 偏心(7) 像 面 ∞ 偏心(8) ＡＳＳ Ｒ -7.1489×10^-15 Ｋ 0.0000 Ａ 1.2851×10^-5 Ｂ -3.1472×10^-8 ＡＳＳ Ｒ 1064.00 Ｋ 0.0000 Ａ -5.3552×10^-6 Ｂ 2.4344×10^-9 ＦＦＳ Ｃ₄ -7.6844×10^-3 Ｃ₆ -3.8112×10^-3 Ｃ₈ -4.1990×10^-6 Ｃ₁₀ 1.2994×10^-5 Ｃ₁₁ 1.4429×10^-6 Ｃ₁₃ 2.7326×10^-6 Ｃ₁₅ -1.9173×10^-6 Ｃ₁₇ -1.1434×10^-7 Ｃ₁₉ 2.2381×10^-7 Ｃ₂₁ 2.3439×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.4031×10^-2 Ｃ₆ 3.9181×10^-3 Ｃ₈ 6.5854×10^-5 Ｃ₁₀ 1.4052×10^-4 Ｃ₁₁ 3.5379×10^-6 Ｃ₁₃ 7.6384×10^-6 Ｃ₁₅ 2.2694×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.3457×10^-3 Ｃ₆ -1.3345×10^-2 Ｃ₈ -3.3282×10^-5 Ｃ₁₀ -6.2519×10^-5 Ｃ₁₁ 1.8010×10^-5 Ｃ₁₃ 1.7673×10^-5 Ｃ₁₅ 9.5797×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ -4.2373×10^-2 Ｃ₆ -3.8034×10^-2 Ｃ₁₁ 1.8973×10^-4 Ｃ₁₃ -5.4657×10^-4 Ｃ₁₅ -1.0418×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 25.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.89 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 7.75 Ｚ 30.10 α 16.87 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 0.76 Ｚ 39.86 α -14.89 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 44.46 Ｚ 43.93 α -133.29 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 36.44 Ｚ 26.00 α -172.41 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 51.08 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 53.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

【００８５】上記実施例１の横収差をそれぞれ図４に示
す。この横収差図において、括弧内に示された数字は
（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収
差を示す。

【００８６】なお、上記実施例１〜３の後記条件式
（１）、（２）のθ１、θ２の値は次の通りである。

【００８７】 実施例１ 実施例２ 実施例３ θ１ 23.0° 14.9° 29.8° θ２ 27.6° 46.7° 20.6° 。

【００８８】ところで、本発明の画像表示装置において
は、単一の画像表示素子３から射出されたある程度広が
りのある射出角度の表示光束を左右の光路に分離してプ
リズム１０の入射面１６に入射させ、両眼用光路を通し
て両眼で観察可能にするものであるが、図５（ａ）に示
すように、そのための左右共通の画像表示素子３として
は、白色バックライト３２で均一に照明され、左右の光
路の光軸間のなす角度θ１（条件（１））より大きな射
出角度で表示光束を射出させる液晶表示素子３１からな
る画像表示素子３が用いられる。また、表示の射出角度
が大きなＥＬ素子のような自己発光型素子を画像表示素
子３として用いることもできる。

【００８９】また、表示の射出角度が小さな画像表示素
子３３を画像表示素子３として用いる場合には、図５
（ｂ）に示すように、各画素３４から放射される表示の
射出角度を垂直方向でなく左右の光路方向に射出角度を
増やす振り分け光増強部材として、例えば図示のような
断面の光束振り分けマイクロプリズム３５を各画素３４
に対応して配置することが望ましい。その代わりに、０
次透過光の強度を弱め、±１次回折光を強める構成の透
過型回折格子を画像表示素子３の表示面に近接して配置
してもよい。

【００９０】ところで、プリズム１０の入射面１６に対
して光路上最も近い位置に配置された左右の反射面１５
Ｌ、１５Ｒの境界部分２９に画像表示素子３から射出さ
れた表示光束が当たると、そこで反射されてゴースト光
となる恐れがある。そこで、図５（ｃ）に示すように、
その境界部分２９近傍にこのような反射を防止する反射
防止部材３６として黒色塗料を塗布するか拡散処理等を
して、画像表示素子３から射出された表示光束３７中の
境界部分２９に入射する破線で示した光束部分を吸収等
させることが望ましい。なお、表示光束３７中の実線で
示した光束部分が左右の光路に導かれ、有効に表示に使
用される光束を表す。

【００９１】さて、以上に説明したような観察光学系を
支持することにより、両眼装着用の画像表示装置に構成
することができ、両眼で観察できる据え付け型又はポー
タブル型の画像表示装置として構成することができる。

【００９２】その様子を図６に示す。図中、１３１は表
示装置本体部を示し、観察者の顔面の両眼の前方に保持
されるよう支持部材が頭部を介して固定している。その
支持部材としては、一端を表示装置本体部１３１に接合
し、観察者のこめかみから耳の上部にかけて延在する左
右の前フレーム１３２と、前フレーム１３２の他端に接
合され、観察者の側頭部を渡るように延在する左右の後
フレーム１３３と、左右の後フレーム１３３の他端に挟
まれるように自らの両端を一方づつ接合し、観察者の頭
頂部を支持する頭頂フレーム１３４とから構成されてい
る。

【００９３】また、前フレーム１３２における上記の後
フレーム１３３との接合近傍には、弾性体からなり例え
ば金属板バネ等で構成されたリヤプレート１３５が接合
されている。このリヤプレート１３５は、上記支持部材
の一翼を担うリヤカバー１３６が観察者の後頭部から首
のつけねにかかる部分で耳の後方に位置して支持可能と
なるように接合されている。リヤプレート１３５又はリ
ヤカバー１３６内にの観察者の耳に対応する位置にスピ
ーカー１３９が取り付けられている。

【００９４】映像・音声信号等を外部から送信するため
のケーブル１４１が表示装置本体部１３１から、頭頂フ
レーム１３４、後フレーム１３３、前フレーム１３２、
リヤプレート１３５の内部を介してリヤプレート１３５
あるいはリヤカバー１３６の後端部より外部に突出して
いる。そして、このケーブル１４１はビデオ再生装置１
４０に接続されている。なお、図中、１４０ａはビデオ
再生装置１４０のスイッチやボリュウム調整部である。

【００９５】なお、ケーブル１４１は先端をジャックし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしても構わな
い。

【００９６】また、本発明の画像表示装置の観察光学系
は、瞳１側から被写体からの光を導入し、画像表示素子
３の位置に撮像素子を配することにより結像光学系とし
て用いることも可能である。図７に本発明の観察光学系
の左右の片側のみの光学系を電子カメラ４０の撮影部の
撮影用対物光学系４２に組み込んだ構成の概念図を示
す。もちろん、本発明の観察光学系の左右の両方の光学
系を用いてもよい（入射瞳が２個の光学系になる。）。
この例の場合は、撮影用光路４１上に配置された撮影用
対物光学系４２は、実施例１と同様の光学系を光路を逆
にして用いており、瞳１の位置に絞り１’を配置してい
る。この撮影用対物光学系４２により形成された物体像
は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフ
ィルター４４を介してＣＣＤ４５の撮像面４６上に形成
される。このＣＣＤ４５で受光された物体像は、処理手
段５１を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）５２上に電子像
として表示される。また、この処理手段５１は、ＣＣＤ
４５で撮影された物体像を電子情報として記録する記録
手段５４の制御も行う。ＬＣＤ５２に表示された画像
は、偏心プリズムからなる接眼光学系５３を介して観察
者眼球Ｅに導かれる。この接眼光学系５３としては、他
の偏心光学系を用いてもよい。なお、この撮影用対物光
学系４２は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）をプリズ
ム１０の物体側あるいは像側にその構成要素として含ん
でいてもよい。

【００９７】このように構成されたカメラ４０は、撮影
用対物光学系４２を少ない光学部材で構成でき、装置全
体を小型化することができ、低価格で、他の部材を考慮
してデットスペースの少ないカメラとすることができる
と共に、デザインの自由度が大きなものとなる。

【００９８】なお、本例では、撮影用対物光学系４２の
カバー部材４３はとして、平行平面板を配置している
が、パワーを持ったレンズを用いてもよい。

【００９９】また、本発明の観察光学系の左右の片側の
みの光学系は、画像表示素子３の位置に投影用の像面を
配置し、瞳１の前方にスクリーンを配置することにより
投影光学系としても用いることができる。もちろん、こ
の場合も、本発明の観察光学系の左右の両方の光学系を
用いてもよい（射出瞳が２個の光学系になる。）。図８
に、パソコン９０と液晶プロジェクタ９１とを組み合わ
せたプレゼンテーションシステムの投影光学系９６に本
発明による偏心プリズム光学系を用いた構成の概念図を
示す。この例の場合は、投影光学系９６に実施例１と同
様の光学系を用いている。同図において、パソコン９０
上で作成された画像・原稿データは、モニタ出力から分
岐して液晶プロジェクタ９１の処理制御部９８に出力さ
れる。液晶プロジェクタ９１の処理制御部９８では、こ
の入力されたデータが処理され、液晶パネル（ＬＣＰ）
９３に出力される。液晶パネル９３では、この入力画像
データに応じた画像が表示される。そして、光源９２か
らの光は、液晶パネル９３に表示した画像の階調によっ
てその透過量が決定された後、液晶パネル９３直前に配
置したフィールドレンズ９５と本発明の光学系を構成す
るプリズム１０と正レンズのカバーレンズ９４とからな
る投影光学系９６を介してスクリーン９７に投影され
る。

【０１００】このように構成されたプロジェクタは、少
ない光学部材で構成でき、低コスト化が実現できると共
に、小型化が可能である。

【０１０１】以上の本発明の画像表示装置は、例えば次
のように構成することができる。

【０１０２】〔１〕 観察画像を画像表示部に形成する
画像表示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観
察者眼球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ
画像表示装置において、前記画像表示素子が、複数の画
素を単板上に並設させた１枚の画像表示素子を有して構
成され、前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分
に位置する各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導け
るような射出角度で画像光束を放射するように構成さ
れ、前記観察光学系が１つのプリズムにて構成され、前
記プリズムが、前記画像表示素子から放射された画像光
束をプリズム内部に入射させる入射面と、前記入射面か
ら入射した光束を、観察者の左眼に導く少なくとも３面
以上の左側反射面と、前記入射面から入射した光束を、
観察者の右眼に導く少なくとも３面以上の右側反射面
と、前記左眼用光路の光束をプリズム外に射出させる左
側射出面と、前記右眼用光路の光束をプリズム外に射出
させる右側射出面とを有し、かつ、前記左眼用光路中に
前記画像表示素子の表示した像から左眼用リレー像を形
成し、前記右眼用光路中に前記画像表示素子の表示した
像から右眼用リレー像を形成するように、前記各反射面
が光束にパワーを与えるような曲面形状に構成され、前
記観察光学系は、観察者の両眼の中心を対称面とした左
右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が
配置され、少なくとも左右で２組以上の反射面が偏心収
差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面から
なることを特徴とする画像表示装置。

【０１０３】〔２〕 観察画像を画像表示部に形成する
画像表示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観
察者眼球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ
画像表示装置において、前記画像表示素子が、複数の画
素を単板上に並設させた１枚の画像表示素子を有して構
成され、前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分
に位置する各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導け
るような射出角度で画像光束を放射するように構成さ
れ、前記観察光学系が１つのプリズムと少なくとも１つ
の正のパワーを有するレンズで構成され、前記プリズム
が、前記画像表示素子から放射された画像光束をプリズ
ム内部に入射させる入射面と、前記入射面から入射した
光束を、観察者の左眼に導く少なくとも３面以上の左側
反射面と、前記入射面から入射した光束を、観察者の右
眼に導く少なくとも３面以上の右側反射面と、前記左眼
用光路の光束をプリズム外に射出させる左側射出面と、
前記右眼用光路の光束をプリズム外に射出させる右側射
出面とを有し、かつ、前記左眼用光路中に前記画像表示
素子の表示した像から左眼用リレー像を形成し、前記右
眼用光路中に前記画像表示素子の表示した像から右眼用
リレー像を形成するように、前記各反射面が光束にパワ
ーを与えるような曲面形状に構成され、前記観察光学系
は、観察者の両眼の中心を対称面とした左右対称な光路
を形成できるように、左右対称に光学面が配置され、少
なくとも左右で２組以上の反射面が偏心収差補正機能を
有した回転非対称な曲面形状の反射面からなることを特
徴とする画像表示装置。

【０１０４】〔３〕 上記１又は２において、前記プリ
ズム内の反射面の中、少なくとも左右で３組以上の反射
面が、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状
であることを特徴とする画像表示装置 〔４〕 上記１又は２において、前記プリズム内の反射
面は、少なくとも４面以上の左側反射面と４面以上の右
側反射面とを有することを特徴とする画像表示装置。

【０１０５】〔５〕 上記４において、前記プリズム内
の反射面の中、少なくとも左右で４組以上の反射面が、
偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状である
ことを特徴とする画像表示装置 〔６〕 上記１から５の何れか１項において、前記プリ
ズム内の反射面の中、少なくとも左右で１組以上の反射
面が、全反射臨界角よりも大きい角度で画像光束を入射
させることによって全反射作用を有する反射面とし、か
つ、それぞれ前記左右の射出面と同一面であることを特
徴とする画像表示装置。

【０１０６】〔７〕 上記１から６の何れか１項におい
て、前記入射面に対して前記左眼用光路上最も近い位置
に配置された反射面と、前記入射面に対して前記右眼用
光路上最も近い位置に配置された反射面とが共に、前記
画像表示素子と前記入射面の双方に対して対向するよう
に隣接配置されていることを特徴とする画像表示装置。

【０１０７】〔８〕 上記７において、前記プリズム
が、前記入射面に対して光路上最も近い位置に配置され
た左右の反射面の境界部分を含む領域に対して、前記画
像表示素子の中心領域から垂直方向に放射された光線が
ゴースト光として反射しないように反射防止部材を設け
たことを特徴とする画像表示装置。

【０１０８】

〔９〕 上記１から８の何れか１項におい
て、前記画像表示素子と前記プリズムとの間に、前記１
枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置する各画
素から放射される所定の射出角度を持った画像光束の光
強度を前記各画素面の垂直方向に放射される光束強度よ
り強くするような振り分け光増強部材を配置したことを
特徴とする画像表示装置。

【０１０９】〔１０〕 上記１から９の何れか１項にお
いて、前記プリズムは、前記少なくとも３面以上の左側
反射面によって前記画像表示素子から放射された前記左
眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させ
ると共に、前記少なくとも３面以上の右側反射面によっ
て前記画像表示素子から放射された前記右眼用光路の軸
上主光線を前記プリズム内で回転交差させ、かつ、前記
左側反射面による回転方向と前記右側反射面による回転
方向とが逆になるように構成されていることを特徴とす
る画像表示装置。

【０１１０】〔１１〕 上記１から１０の何れか１項に
おいて、前記プリズムに含まれた少なくとも２面以上の
回転非対称形状の曲面反射面は、対称面を１面のみ備え
た自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする画
像表示装置。

【０１１１】〔１２〕 上記２から１１の何れか１項に
おいて、前記正のパワーを有するレンズが回折作用を持
つ回折面を有することを特徴とする画像表示装置。

【０１１２】〔１３〕 上記１から１２の何れか１項に
おいて、前記画像表示素子の少なくとも中央部分に位置
する各画素から観察者の眼球に導かれる左右の光束の軸
上主光線間のなす角度をθ１としたときに、以下の条件
式を満足することを特徴とする画像表示装置。

【０１１３】 １０°＜θ１＜１２０° ・・・（１） 〔１４〕 上記１から１３の何れか１項において、前記
画像表示素子の中心から前記瞳の中心を通る光線を軸上
主光線とし、前記リレー像をが形成される位置での前記
軸上主光線と前記画像表示素子とのな角度をθ２とする
ときに、以下の条件式を満足することを特徴とする画像
表示装置。

【０１１４】 １０°＜θ２＜６０° ・・・（２） 〔１５〕 上記１から１４の何れか１項に記載の画像表
示装置の前記画像表示素子に代えて撮像素子を配置し、
前記瞳を被写体からの光束の通過する入射瞳として構成
し、被写体の像を前記撮像素子上に形成することを特徴
とする撮像装置。

【０１１５】〔１６〕 上記１から１５の何れか１項に
記載の画像表示装置の前記画像表示素子に代えて投影物
体を配置し、前記瞳の前方にスクリーンが配置して、前
記投影物体の投影像を前記スクリーン上に形成すること
を特徴とする投影装置。

【０１１６】

【発明の効果】以上の説明から明らかに、本発明におい
ては、観察光学系を１つのプリズムにて構成するか、あ
るいは、１つのプリズムと少なくとも１つの正のパワー
を有するレンズで構成しているので、両眼のプリズムを
全て一体型の成形プリズムで構成することでができ、非
常に組み立てが容易になる。また、ハーフミラーを使用
せずに単一の画像表示装置の表示画像を両眼に導くこと
ができるため、非常に明るい観察が可能となる。また、
反射面を３面以上有し、さらに中間結像（リレー像) を
形成させることで、要求される短い焦点距離の観察光学
系でもバックフォーカスの確保が可能となり、画像表示
素子の高精細化に伴う高性能な観察光学系が提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の画像表示装置の光学系の光
学面と光路を示す水平断面図である。

【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の光
学面と光路を示す水平断面図である。

【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の光
学面と光路を示す水平断面図である。

【図４】実施例１の光学系の横収差図である。

【図５】本発明において使用可能な画像表示素子、その
ための振り分け光増強部材、反射防止部材を説明するた
めの図である。

【図６】本発明の画像表示装置を両眼に装着する構成に
した場合の様子を示す図である。

【図７】本発明の光学系を電子カメラの撮影部の撮影用
対物光学系に組み込んだ構成の概念図である。

【図８】本発明による光学系をプレゼンテーションシス
テムの投影光学系に用いた構成の概念図である。

【符号の説明】

Ｅ…観察者眼球 １、１Ｌ、１Ｒ…射出瞳 ２、２Ｌ、２Ｒ…軸上主光線（光軸） ３…画像表示素子（像面） ４、４Ｌ、４Ｒ…中間像 ５、５Ｌ、５Ｒ…レンズ ６、６Ｌ、６Ｒ…回折面 １０…プリズム １１、１１Ｌ、１１Ｒ…第１１面 １２、１２Ｌ、１２Ｒ…第１２面 １３、１３Ｌ、１３Ｒ…第１３面 １４、１４Ｌ、１４Ｒ…第１４面 １５、１５Ｌ、１５Ｒ…第１５面 １６…第１６面 ２９…境界部分 ３０…一体プリズム ３１…液晶表示素子 ３２…白色バックライト ３３…画像表示素子 ３４…画素 ３５…光束振り分けマイクロプリズム ３６…反射防止部材 ３７…表示光束 ４０…電子カメラ ４１…撮影用光路 ４２…撮影用対物光学系 ４３…カバー部材 ４４…フィルター ４５…ＣＣＤ ４６…撮像面 ５１…処理手段 ５２…液晶表示素子（ＬＣＤ） ５３…接眼光学系 ５４…記録手段 ９０…パソコン ９１…液晶プロジェクタ ９２…光源 ９３…液晶パネル（ＬＣＰ） ９４…カバーレンズ ９５…フィールドレンズ ９６…投影光学系 ９７…スクリーン ９８…処理制御部 １３１…表示装置本体部 １３２…前フレーム １３３…後フレーム １３４…頭頂フレーム １３５…リヤプレート １３６…リヤカバー １３９…スピーカー １４０…ビデオ再生装置 １４０ａ…ボリュウム調整部 １４１…ケーブル

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ０９Ｆ 9/00 ３５８ Ｇ０９Ｆ 9/00 ３５８ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ Ｆターム(参考） 2H042 CA01 CA06 CA12 CA17 2H087 KA00 LA11 RA41 RA45 TA01 5G435 AA01 BB12 BB15 BB19 EE25 GG02 GG03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察画像を画像表示部に形成する画像表
   示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観察者眼
   球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ画像表
   示装置において、 前記画像表示素子が、複数の画素を単板上に並設させた
   １枚の画像表示素子を有して構成され、 前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置す
   る各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導けるような
   射出角度で画像光束を放射するように構成され、 前記観察光学系が１つのプリズムにて構成され、 前記プリズムが、前記画像表示素子から放射された画像
   光束をプリズム内部に入射させる入射面と、前記入射面
   から入射した光束を、観察者の左眼に導く少なくとも３
   面以上の左側反射面と、前記入射面から入射した光束
   を、観察者の右眼に導く少なくとも３面以上の右側反射
   面と、前記左眼用光路の光束をプリズム外に射出させる
   左側射出面と、前記右眼用光路の光束をプリズム外に射
   出させる右側射出面とを有し、 かつ、前記左眼用光路中に前記画像表示素子の表示した
   像から左眼用リレー像を形成し、前記右眼用光路中に前
   記画像表示素子の表示した像から右眼用リレー像を形成
   するように、前記各反射面が光束にパワーを与えるよう
   な曲面形状に構成され、 前記観察光学系は、観察者の両眼の中心を対称面とした
   左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面
   が配置され、少なくとも左右で２組以上の反射面が偏心
   収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面か
   らなることを特徴とする画像表示装置。
2. 【請求項２】 観察画像を画像表示部に形成する画像表
   示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観察者眼
   球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ画像表
   示装置において、 前記画像表示素子が、複数の画素を単板上に並設させた
   １枚の画像表示素子を有して構成され、 前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置す
   る各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導けるような
   射出角度で画像光束を放射するように構成され、 前記観察光学系が１つのプリズムと少なくとも１つの正
   のパワーを有するレンズで構成され、 前記プリズムが、前記画像表示素子から放射された画像
   光束をプリズム内部に入射させる入射面と、前記入射面
   から入射した光束を、観察者の左眼に導く少なくとも３
   面以上の左側反射面と、前記入射面から入射した光束
   を、観察者の右眼に導く少なくとも３面以上の右側反射
   面と、前記左眼用光路の光束をプリズム外に射出させる
   左側射出面と、前記右眼用光路の光束をプリズム外に射
   出させる右側射出面とを有し、 かつ、前記左眼用光路中に前記画像表示素子の表示した
   像から左眼用リレー像を形成し、前記右眼用光路中に前
   記画像表示素子の表示した像から右眼用リレー像を形成
   するように、前記各反射面が光束にパワーを与えるよう
   な曲面形状に構成され、 前記観察光学系は、観察者の両眼の中心を対称面とした
   左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面
   が配置され、少なくとも左右で２組以上の反射面が偏心
   収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面か
   らなることを特徴とする画像表示装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記プリズム内の反射面の中、少なくとも左右で３組以
   上の反射面が、偏心収差補正機能を有した回転非対称な
   曲面形状であることを特徴とする画像表示装置