JP2003149588A - 表示光学系、画像表示装置、撮像光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化された画像表示素子を用いて表示光学
系や撮像光学系を構成する場合、光学系の倍率を上げて
広画角化する必要がある。 【解決手段】 原画３からの光を観察者の眼又は被投射
面に導く表示光学系において、少なくとも反射作用を有
する第１の面Ａ、この第１の面で反射した光を第１の面
に戻すように反射する第２の面Ｃおよび原画から第１の
面に向かう光を透過させるとともに第２の面から第１の
面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投
射面に導く第３の面Ｂを有する第１の光学素子１と、原
画からの光を第３の面に導く第２の光学素子２とを設
け、第３の面と第２の光学素子の射出面Ｄとを接合す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示素子等に
表示された原画を拡大表示させるヘッドマウントディス
プレイやプロジェクタ等の画像表示装置に好適な表示光
学系および撮像装置に好適な撮像光学系に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用
い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介し
て拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（ヘッドマ
ウントディスプレイ）が良く知られている。

【０００３】このヘッドマウントディスプレイ等の画像
表示装置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に
装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重
量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に
薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像
に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望
まれている。

【０００４】図１２には、従来の共軸凹面鏡を用いた画
像表示装置を示している。同装置では、表示素子１０１
に表示された画像からの光束をハーフミラー１０２で反
射させ、凹面鏡１０３に入射させ、凹面鏡１０３で反射
した光束をハーフミラー１０２を介して観察者の眼Ｅに
導いている。表示素子１０１に表示した画像は、凹面鏡
１０３によって拡大した虚像として形成される。これに
より、観察者は表示素子１０１に表示した画像の拡大虚
像を観察することができる。

【０００５】また、例えば特開平７−３３３５５１号公
報，特開平８−５０２５６号公報，特開平８−１６０３
４０号公報および特開平８−１７９２３８号公報等にお
いては、画像を表示する画像表示素子としてのＬＣＤ
（液晶）と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用
し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案され
ている。

【０００６】図１３には、特開平７−３３３５５１号公
報で提案されている画像表示装置を示している。この装
置において、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の
偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そし
て、プリズム１１２に形成した曲率を有した全反射面１
１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その
後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察
者の眼Ｅに導かれる。これによって表示素子（ＬＣＤ）
１１１に表示された画像の虚像が形成され、この虚像を
観察者が観察する。

【０００７】偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏
心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異
なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自
由曲面より構成されている。

【０００８】図１３に示す光学系のタイプは、図１２に
示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全
体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるとい
う特徴を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】近年、画像を表示する
表示素子であるＬＣＤ等の高精細化が進み、従来と同程
度の画素数を有しながらも従来より小型化されたＬＣＤ
等が開発されている。このような小型化された画像表示
素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、
従来と同様の画角を達成するためには、光学系の倍率を
上げる必要が生じる。

【００１０】このような状況に鑑みて、特開平１０−１
５３７４８号公報には、偏心プリズムとリレーレンズ系
とを組み合わせ、リレーレンズ系により一旦中間像を形
成してから表示素子に表示された画像を観察者に導く光
学系が提案されている。これにより、図１３に示すタイ
プの薄型という特徴を有しつつ、更なる倍率向上を果た
し、ＬＣＤサイズに対して広画角化を図っている。

【００１１】また、この特開平１０−１５３７４８号公
報にて提案の光学系に比べて、更なる光学性能向上を図
ったものとして、偏心プリズムの内部反射面を増加さ
せ、偏心プリズムのみで中間像を形成し、その像を観察
者に導くタイプや、第１の偏心プリズム光学系に第２の
偏心プリズムを設けたタイプ等が、特開２０００−０６
６１０６号公報，特開２０００−１０５３３８号公報，
特開２０００−１３１６１４号公報，特開２０００−１
９９８５３号公報，特開２０００−２２７５５４号公報
および特開２０００−２３１０６０号公報等に提案され
ている。

【００１２】一般的に、一旦中間像を形成するタイプの
光学系は光路長が長くなり、装置が大型化するという問
題があるが、これらの各公報にて提案の光学系において
も、透過作用と反射作用とを果たす兼用面を用いたり、
光路を交差させたりする等の工夫により小型化を目指し
ている。

【００１３】本発明は、小型の表示素子を用いつつ広表
示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学
系、および小型で広撮影画角を達成できる撮像光学系を
提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願第１の発明では、原画からの光を観察者の眼
又は被投射面に導く表示光学系において、少なくとも反
射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した光を
第１の面に戻すように反射する第２の面および原画から
第１の面に向かう光を透過させるとともに第２の面から
第１の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又
は被投射面に導く第３の面を有する第１の光学素子と、
原画からの光を上記第３の面に導く第２の光学素子とを
設け、上記第３の面と第２の光学素子の射出面とを接合
している。

【００１５】すなわち、第１の光学素子において、第
１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を
ほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学系
の中に納めることができるようにしている。このため、
第２の光学素子を含む表示光学系全体として小型化を図
ることが可能となる。

【００１６】そして、第１の光学素子の第３の面と第２
の光学素子の射出面とを接合することにより、第１およ
び第２の光学素子相互間の位置決めを容易にするととも
に、第１の光学素子への光の入射時における収差の発生
を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能
が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することが可
能となる。

【００１７】なお、第１の光学素子は、第１の面に最初
に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法
線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に
再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける
法線に対する反射角とが逆符号となるように構成されて
いる。即ち、第１の面で反射された光を第２の面によっ
て第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、
反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すよう
に反射することによって効果的に光路を重複させ、長い
光路長を小型の光学系の中に納めている。

【００１８】また、表示光学系（例えば、第１の光学素
子）内で原画の中間像を形成させるようにするとよい。
すなわち、小型の原画の実像を形成しそれを拡大して表
示する中間結像タイプとすることにより、光学設計の自
由度が増え、原画を大画面表示させることが可能とな
る。

【００１９】また、第１の光学素子および第２の光学素
子の光学面を当該面において反射する光線に対して偏心
させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能と
なり、光学面に曲率を持たせることで表示光学系におけ
る不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能とな
る。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とする
ことにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面
（自由曲面）を複数面採用することにより、原画のアス
ペクト比と表示画像のアスペクト比とを近いものにする
ことが可能となり、高品位な表示画像を得ることが可能
となる。

【００２０】なお、この表示光学系は、観察者が頭部に
装着して画像を観察するためのヘッドマウントディスプ
レイ（ＨＭＤ）やスクリーン等の被投射面に画像を拡大
投射する投射型画像表示装置（プロジェクタ）等の画像
表示装置に好適である。

【００２１】また、本願第２の発明では、被写体からの
光を撮像面に導く撮像光学系において、少なくとも反射
作用を有する第１の面、この第１の面で反射した光を第
１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射
領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反
射する第２の面および被写体から第１の面に向かう光を
反射するとともに第２の面から第１の面に戻されて反射
した光を撮像面側に透過させる第３の面を有する第１の
光学素子と、第３の面から射出した光を撮像面に導く第
２の光学素子とを設け、上記第３の面と第２の光学素子
の入射面とを接合している。

【００２２】すなわち、第１の光学素子において、第
１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を
ほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学系
内に納めることができるようにしている。このため、第
２の光学素子を含む撮像光学系全体として小型化を達成
することが可能となる。

【００２３】そして、第１の光学素子の第３の面と第２
の光学素子の射出面とを接合することにより、第１およ
び第２の光学素子相互間の位置決めを容易にするととも
に、第１の光学素子からの光の射出時における収差の発
生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性
能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現することが
可能となる。

【００２４】なお、撮像光学系（例えば、第１の光学素
子）内で光を中間結像させるようにするとよい。すなわ
ち、被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結
像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増
え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くこと
が可能となるとともに、光路長をかなり長くしても撮像
光学系を小型に構成することが可能である。

【００２５】また、この撮像光学系を構成する光学面を
当該面において反射する光線に対して偏心させることに
より、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面
に曲率を持たせることで撮像光学系における不要な面を
取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光
学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸
収差を良好に補正でき、回転非対称面（自由曲面）を複
数面採用すると、被写体のアスペクト比と撮影画像のア
スペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品
位な撮影画像を得ることが可能となる。

【００２６】なお、この撮像光学系は、デジタルスチル
カメラやビデオカメラ等の撮像装置に好適である。

【００２７】また、第１および第２の発明において、光
学素子上の光学面で光を全反射させるようにすることに
より、光量ロスを少なくすることが可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の説明に入る前
に、本実施形態で使用される母線断面、子線断面、ロー
カル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明す
る。

【００２９】偏心系に対応していない従来系の定義で
は、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が
従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線
断面（サジタル断面）となる。

【００３０】本実施形態の光学系は偏心系であるので、
偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面
を新たに定義する。

【００３１】中心画角主光線（表示光学系においては表
示素子の画像表示面の有効表示領域中心から表示光学系
の射出瞳中心に至る光線であり、撮像光学系においては
撮像光学系の入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面の有効
撮像領域中心に至る光線である）と各面とのヒットポイ
ント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面を
ローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル
母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の
子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義す
る。

【００３２】（第１実施形態）図１には、本発明の第１
実施形態である表示光学系を示している。この表示光学
系は、第１の光学素子１と、第２の光学素子２とを有し
て構成されている。

【００３３】第１の光学素子１は、面Ａ，面Ｂ，面Ｃの
３つの光学面が、ガラスやプラスチックなどの屈折率ｎ
１の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなる。
また、第２の光学素子２は、面Ｄ，面Ｅの２つの光学面
が屈折率ｎ２の媒質上に形成されたレンズ状の透明体か
らなる。３は画像表示素子であり、透過型又は反射型の
ＬＣＤ等が用いられる。

【００３４】第１の光学素子１において、面Ａ（第１の
面），面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面と
して作用する透過反射兼用面であり、面Ｃ（第２の面）
は反射面である。

【００３５】また、第２の光学素子２において、面Ｄお
よび面Ｅはともに透過面である。本実施形態では、第１
の光学素子１の面Ｂと第２の光学素子２の面Ｄとが接合
されており、第１の光学素子１と第２の光学素子２とが
一体化されている。

【００３６】面Ｃには反射膜が形成されており、面Ｂお
よび面Ｄのうち少なくとも一方には半透過反射膜（ハー
フミラー）が形成されている。

【００３７】なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜
によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラ
ットで色が目立ちにくく、偏向方向が異なる光に対する
反射率の差がほとんどないためである。

【００３８】また、面Ａの一部（上部）は、反射膜、半
透過反射膜形成若しくは内部全反射を利用することによ
り、反射面として作用させる。

【００３９】このように構成することで、面Ｂは第１の
光学素子１の入射面および反射面として、面Ｃは反射面
として、面Ａは反射面および第１の光学素子１の射出面
として機能する。また、面Ｅが第２の光学素子２の入射
面として、面Ｄが第２の光学素子２の射出面として機能
する。

【００４０】また、第１および第２の光学素子２の透明
体はいずれも屈折力を有しており、それぞれ曲率を有し
た光学面を少なくとも１面ずつ有している。

【００４１】画像表示素子３により変調され画像表示面
から発した光は、第２の光学素子２の面Ｅから第２の光
学素子２に入射し、第１の光学素子１の入射面である面
Ｂと接合された面Ｄから第２の光学素子２を射出する。

【００４２】光は面Ｂを透過して第１の光学素子１に入
射し、面Ａで反射して面Ｃに導かれる。面Ａで反射した
光は面Ｃで入射方向に対して略逆向きに戻るように反射
される。これにより、光は面Ａにおける最初の光の反射
領域付近に戻されて再度反射し、ハーフミラー接合面Ｂ
で反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子１を射出
し、射出瞳Ｓに到達する。

【００４３】本実施形態においては、射出瞳Ｓの位置付
近に観察者が眼を置くことで、中心画角主光線の瞳への
入射方向を視軸方向とする観察者により、画像表示素子
３上に表示された画像の拡大像が視認される。

【００４４】なお、図１には、画像表示素子３から発し
た光として画像表示素子３の画像表示面中心を射出し、
射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示しており、中
心画角主光線が形成する平面における光学断面図が示さ
れている。

【００４５】第１の光学素子１において、光は面Ｂ→面
Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂ（→面Ａ）の順で各面を通過し、
面Ｃでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。

【００４６】ここでは、面Ｂ→面Ａ→面Ｃまでを往路
と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂの光路を復路と称し、往路と復路
を合わせて往復光路と呼ぶ。このような往復光路を形成
するために往路から復路へと光を略逆方向に反射するこ
とを折り返し反射と呼び、また、往路と復路との折り返
し地点に相当し、折り返し反射作用を有する反射面（こ
こでは面Ｃ）を折り返し反射面と呼ぶ。

【００４７】このように、面Ｃを折り返し反射面とし
て、第１の光学素子１内に往復光路を形成して光路を重
複させるように折り返し、第１の光学素子１内を有効に
利用し、光路長に対して第１の光学素子１のサイズを小
さくすることができる。そして、これにより、第２の光
学素子２を含む表示光学系の全体を小型化している。

【００４８】すなわち、本実施形態では、第１の光学素
子１内で折り返し反射面Ｃに到るまでの光路である往路
と、折り返し反射面Ｃで反射された後の光路である復路
とが、面Ａ，Ｂの２つの面で共用され、２つの面を往路
と復路とで逆の順序で使用して往復光路を形成してい
る。

【００４９】このように、面Ｃでの折り返し反射の前後
に少なくとも２つの面を用いて往復光路を形成して光路
の重複度を高めることで、長い光路長を持つ光学系であ
ったとしても、光学系の全長を短く抑えたコンパクトな
光学系を実現している。

【００５０】図２および図３はそれぞれ、本実施形態に
おける図１と同じ断面での最大画角主光線を示した図お
よび中心画角のマージナル光線を示した図である。

【００５１】図２に点線で示したように、画像表示素子
３の画像表示面の端を出て射出瞳Ｓの中心に到る光（最
大画角主光線）は、中心画角主光線と同様に、第２の光
学素子２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→
Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ
面射出の順に通過して射出瞳Ｓの中心に導かれる。

【００５２】また、図３に鎖線で示したように、画像表
示素子３の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両
端に到る光線（マージナル光線）も、中心画角主光線と
同様に、第２の光学素子２２を経て第１の光学素子１に
導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面
反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの両
端に導かれる。

【００５３】この際、第１の光学素子１内でマージナル
光線が交わっており、画像表示素子３上に表示された画
像の中間像が図中に示した中間結像面付近に形成され
る。

【００５４】このように、第１の光学素子１内に中間像
を形成することで、第２の光学素子２のパワーを極端に
強くすることなくコンパクトな構成とすることができ、
第２の光学素子２における余計な収差の発生を抑え、第
２の光学素子２の複雑化を防止できる。

【００５５】図３においては、Ａ面反射→Ｃ面での折り
返し反射の間に中間像が形成されているが、中間像の位
置は必ずしもこの位置にある必要はなく、第１の光学素
子１内に形成されていればよい。

【００５６】本実施形態においては、第２の光学素子２
の面Ｅでの屈折、第２の光学素子２の面Ｄと第１の光学
素子１の面Ｂとを接合した面での屈折および面Ａでの反
射によりリレー光学系が形成されている。また、面Ｃで
の折り返し反射、面Ａでの再反射、面Ｂでの反射および
面Ａでの屈折により接眼光学系が形成されている。

【００５７】接眼光学系の収差補正を容易にするため
に、中間結像面は接眼光学系での像面湾曲や非点収差の
発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有し
たりするようにしてもよい。

【００５８】また、第１の光学素子１の面Ａ，Ｂは、最
終的に射出瞳Ｓに導かれる有効光束がそれぞれの面で反
射する際の反射光束に対して傾いた面とされており、折
り返し反射面であるＣ面までの往路、すなわちＢ面入射
→Ａ面反射→Ｃ面の光路と、Ｃ面以降の復路であるＣ面
→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路とを、ともに折
り畳んだ構成として第１の光学素子１を薄型にしてい
る。

【００５９】以上説明した構成においては、第１の光学
素子１は、少なくとも面Ｂを含む２つの面を曲面で構成
することが好ましい。これにより、結像ないし収差補正
に寄与しない面を少なくすることができ、光学系全体に
必要な光学面数を削減し、製造コスト削減の効果が期待
できる。

【００６０】更に望ましくは、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ
曲面で構成することで、更なる製造コスト削減の効果が
得られる。同様の理由で、第２の光学素子２の光学面
Ｄ，Ｅもそれぞれ曲面とすることが好ましい。

【００６１】また、本実施形態においては、面Ｂが第１
光学素子の少なくとも１面の曲面であり、最終反射面と
して作用するときの面Ｂは非常に強い光学的パワーを有
した凹面鏡となっている。更に、面Ｂは、面Ｃで折り返
し反射された後の光線に対して非常に偏心度合いの高い
反射面となっている。

【００６２】即ち、凹面鏡面Ｂでは偏心収差が発生す
る。従って、第１の光学素子１の少なくとも１面に回転
非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いて、偏心
収差の発生を補正することが望ましい。

【００６３】特に、面Ｂは面Ａに対して光学的パワーの
強い曲面であるため、面Ｂを回転非対称な形状として偏
心収差の発生を抑制することが好ましい。従って、面Ｂ
との接合面である第２の光学素子２の面Ｄも回転非対称
な形状となる。

【００６４】更に好ましくは、第１の光学素子１を構成
する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とする
ことで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での
画像表示が可能になる。

【００６５】更に望ましくは、第２の光学素子２を構成
する面Ｄ，Ｅも共に回転非対称面とするとよい。

【００６６】このとき、各回転非対称面を、図の紙面断
面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状と
すると、対称性のない場合に比較して加工および製作を
容易にすることができるため、好ましい。

【００６７】また、面Ａでの反射を第１の光学素子１内
での全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。
また、少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが共用
する領域においては、反射光束が全反射するようにする
と、反射光束の全てを全反射とする場合に対して設計の
自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。

【００６８】この際、面Ａでの反射光束が全反射しない
領域には反射膜を形成するが、全反射部と反射膜による
反射部との境界領域付近を全反射部に近づくに従って反
射率が低下するようなグラデーション反射膜とすると、
境界領域での散乱や全反射と反射膜による反射での反射
率の違いに起因して境界領域が目立つという現象を抑え
ることができ、好ましい。

【００６９】また、上述したように、面Ｂは中心画角主
光線に対して偏心し、且つ強い集光作用を持った偏心曲
面であるため、面Ｂを屈折面として用いる際にも偏心収
差（回転非対称な収差）が発生する。

【００７０】このため、屈折率ｎ１（＞１）の第１の光
学素子１と屈折率ｎ２（＞１）の第２の光学素子２とを
接合し、面Ｂでの屈折透過時（第１の光学素子１への入
射時）の偏心収差発生を減少させる効果を持たせること
が好ましい。

【００７１】具体的には、ｎ１とｎ２との差の絶対値｜
ｎ１−ｎ２｜をｎ１−１およびｎ２−１よりも小さく設
定する必要がある。さらに好ましくは、ｎ１＝ｎ２とす
ることで透過時の偏心収差発生を防ぐことができる。

【００７２】図１において、ｎＥおよびｎＢはそれぞ
れ、面Ｅの中心画角主光線のヒットポイントでの法線、
面Ｂの中心画角主光線のヒットポイントでの法線であ
る。中心画角主光線の第２の光学素子２の入射面Ｅへの
入射角度θ２，出射角度θ２’が、第１の光学素子１の
入射面Ｂへの入射角度θ１，出射角度θ１’よりも小さ
くなるように面Ｂ（面Ｄ）に対して面Ｅを傾けると、第
２の光学素子２への入射時に発生する偏心収差を少なく
抑えることができるため、好ましい。

【００７３】以上のように表示光学系を構成することに
より、画像表示素子３に表示された画像を、良好な光学
性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供するこ
とがてきる。

【００７４】また、表示光学系内で１回結像を行うこと
で、設計の自由度を向上させ、画像表示素子３の表示サ
イズに対する表示画角の広画角化（高倍率表示）を可能
にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを第１
の光学素子１内に往復光路を形成することで光路を重複
させて第１の光学素子１の全長を短く抑え、非常にコン
パクトな光学系を構成できる。

【００７５】さらに、第１の光学素子１と第２の光学素
子２とを接合することにより、両光学素子１，２の位置
決めを容易とするとともに、第１の光学素子１への入射
時の偏心収差発生を抑制するとともに、強固な光学系構
造として、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系
を実現することができる。

【００７６】（第２実施形態）図４には、本発明の第２
実施形態である撮像光学系の構成を示している。この撮
像光学系は、第１実施形態のものと同様の第１の光学素
子１と第２の光学素子２とから構成されている。４はＣ
ＣＤ等の撮像素子である。Ｓは第１の光学素子１および
第２の光学素子２からなる撮像光学系の入射瞳であり、
この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。

【００７７】本実施形態では、面Ａ（第１の面）は第１
の光学素子１の入射面および反射面として作用し、面Ｂ
（第３の面）は第１の光学素子１の反射面および射出面
として作用し、面Ｃ（第２の面）は第１の光学素子１の
反射面としてのみ作用する。

【００７８】また、面Ｄは第２の光学素子２の入射面と
して作用し、面Ｅは第２光学素子２の射出面として作用
する。そして、第１の光学素子１の反射面兼射出面Ｂと
第２の光学素子２の入射面Ｄとは、少なくとも一方に半
透過反射膜（ハーフミラー）が形成された後、接合され
ている。

【００７９】絞りＳを通過した被写体からの光は、第１
の光学素子１に面Ａから入射し、面Ｂで反射し、面Ａで
反射して面Ｃに導かれる。そして、面Ｃで折り返し反射
して面Ａにおける最初の光の反射領域に戻され、面Ａで
再反射して面Ｂを透過して第１の光学素子１を射出す
る。ここで、面Ａおよび面Ｂはそれぞれの面での反射光
束を構成する光線に対して偏心している。

【００８０】第１の光学素子１を射出した光は、第２の
光学素子２を通過して撮像素子４に到達する。この際、
所望の外界（被写体）からの光は撮像素子４の撮像面上
に結像し、これにより、外界像の撮像を行うことができ
る。

【００８１】以上のように撮像光学系を構成することに
より、被写体を撮像素子４に良好な光学性能で結像させ
る撮像装置を提供することができる。

【００８２】また、第１の光学素子１内で１回中間結像
させることで、撮像素子４のサイズに対して撮影画角の
広画角化を可能にし、これに伴い光路長が長くなるのを
第１の光学系１内に往復光路を形成することで光路を重
複させるよう折り畳み、第１の光学系１の全長を短く抑
え、非常にコンパクトな撮像光学系を実現している。

【００８３】さらに、第１の光学素子１と第２の光学素
子２とを接合することにより、両光学素子１，２の位置
決めを容易とするとともに、第１の光学素子１からの光
の射出時の偏心収差発生を抑制し、さらには強固な光学
系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光
学系を実現している。

【００８４】なお、以上説明した第１および第２実施形
態においては、中心画角主光線（表示光学系においては
画像表示素子の表示面中心から射出瞳Ｓ中心に至る光線
であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素
子の撮像面中心に至る光線である）の面Ｃにおける折り
返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本
発明の光学系はこの構成に限るものではない。

【００８５】（第３実施形態）図５および図６には、本
発明の第３実施形態である表示光学系を示している。こ
れらの表示光学系は、第１実施形態の第１の光学素子１
とは異なる第１の光学素子１’，１”を用いた例であ
る。

【００８６】図６および図７ともに、Ｂ面入射→Ａ面反
射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出
の光路が形成されている点は第１実施形態の第１の光学
素子１と同様である。

【００８７】但し、図５の第１の光学素子１’では、面
Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折
り返し反射されて、面Ａでの最初の反射地点よりも高い
位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射
される点が第１実施形態と異なる。

【００８８】また、図６の第１の光学素子１”では、面
Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折
り返し反射されて、面Ａでの最初の反射地点よりも低い
位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射
される点が第１実施形態と異なる。

【００８９】このように折り返し反射面Ｃの前後で光が
所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角
度θは、 ｜θ｜＜３０° を満たすことが好ましい。

【００９０】この条件を外れると、第１の光学系が大型
化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるた
め、好ましくない。

【００９１】なお、本実施形態では、第１の光学系を有
する表示光学系について説明したが、第２実施形態に示
したような撮像光学系にも本実施形態と同様の考え方を
適用することができる。すなわち、折り返し反射面Ｃで
の折り返し反射の前後で光線が所定の角度θ（｜θ｜＜
３０°）をなして入射・反射されてもよい。

【００９２】（第４実施形態）図７には、本発明の第４
実施形態である表示光学系の構成を示している。この表
示光学系は、第１の光学素子１１と、第２光学素子１２
とから構成されている。３は画像表示素子であり、透過
型又は反射型のＬＣＤ等が用いられる。

【００９３】第１の光学素子１１は、第１実施形態の第
１の光学素子１と同様に、面Ａ，面Ｂ，面Ｃの３つの光
学面が屈折率ｎ１の媒質上に形成されたプリズム状の透
明体からなり、面Ａ，面Ｂはともに透過面および反射面
として作用する透過反射兼用面であり、面Ｃは反射面で
ある。但し、後で詳述するように、本実施形態において
は、面Ａが第１の面と第２の面との両方の機能を有した
面となっている。面Ｂは第１実施形態と同様に第３の面
である。

【００９４】また、面Ｃには反射膜が形成され、面Ｂに
は半透過反射膜が形成されている。本実施形態では、さ
らに面Ａの一部（上部）にも反射膜が形成されている。

【００９５】一方、第２の光学素子１２は面Ｄ，面Ｅ，
面Ｆの３つの光学面が屈折率ｎ２の媒質上に形成された
プリズム状の透明体からなり、面Ｄおよび面Ｅはともに
透過面として作用する面であり、面Ｆは反射面として作
用する面である。面Ｆには反射膜が形成されている。

【００９６】本実施形態では、面Ｅは第２の光学素子１
２の入射面として、面Ｆは第２の光学素子１２の反射面
として、面Ｄは第２の光学素子１２の射出面として機能
する。また、面Ｂは第１の光学素子１１の入射面および
反射面として、面Ｃは反射面として、面Ａは反射面およ
び第１の光学素子１１の射出面として機能する。

【００９７】画像表示素子３により変調されて発した光
は、第２の光学素子１２に面Ｅから入射し、面Ｆで反射
した後、第１光学素子の面Ｂと接合された面Ｄから射出
して第１の光学素子１１に導かれる。

【００９８】光は面Ｂを透過して第１の光学素子１１に
入射し、面Ａで反射した後、面Ｃで反射し、面Ａの上部
に導かれる。面Ａに導かれた光は、これまで第１の光学
素子１１内を辿ってきた順路を逆転させた順路で戻るよ
うに、面Ａで略垂直に反射（折り返し反射：２回目反
射）し、面Ｃで再度反射し、面Ａにおける最初の光の反
射領域に戻されて再反射（３回目反射）し、更に面Ｂで
反射して面Ａを透過して第１の光学素子１１を射出し，
射出瞳Ｓに到達する。

【００９９】射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くこ
とにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像
を視認することが可能となる。

【０１００】なお、図７には、画像表示素子３から発し
た光の例として、画像表示素子３の表示面中心を射出
し、射出瞳Ｓの中心に到る中心画角主光線を示してお
り、中心画角主光線によって形成される光学断面図が示
されている。

【０１０１】また、面Ａにおける３回の反射のうち少な
くとも１回目と３回目の反射と、面Ｂにおける反射と、
面Ｃにおける反射とに際しては、これらの各面が画像表
示素子３を発して射出瞳Ｓに到る有効光束を形成する任
意の光線に対して偏心した偏心反射面として作用するよ
うにしている。これにより、光路を第１の光学素子１内
で折り畳み、第１の光学素子１１を薄型構成としてい
る。

【０１０２】本実施形態においては、第１光学素子１１
の内部を、光が面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反
射）→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ
（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各
面を通過し、面Ａでの折り返し反射を境に、最終反射面
Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。

【０１０３】すなわち、本実施形態では、第１の光学素
子１１内で折り返し反射面Ａに到るまでの光路と、折り
返し反射面Ａで反射された後の光路とが、面Ａ，Ｂ，Ｃ
の３つの面で逆順に重複して往復光路を形成している。

【０１０４】このように、折り返し反射面Ａでの反射の
前後に３つの面を用いて往復光路を形成し、第１実施形
態に比べて更に光路の重複度を高めることで、第１の光
学素子の全長を更に短く抑えたコンパクトな光学系を実
現することができる。

【０１０５】また、本実施形態においては、第２の光学
素子１２中に反射面Ｆを設けている。これにより、光路
形成の自由度を向上させて、第１実施形態に対して更に
光学系全体を薄型化するとともに、光学作用面を増加さ
せて第２の光学素子１２における各面の分担する光学的
パワーを弱め、収差発生を抑えている。

【０１０６】また、本実施形態においても、第１の光学
素子１１内に中間像を形成することで、余計な収差発生
を抑えることができる。中間像は接眼光学系部分での像
面湾曲や非点収差の発生する状況に応じて、適宜湾曲し
たり非点隔差を有したりするように結像されてもよい。

【０１０７】また、第１の光学素子１１の少なくとも面
Ｂ，Ｃを曲面とすることで、結像ないし収差補正に寄与
しない面を少なくし、光学系に必要な面数を削減してい
る。

【０１０８】さらに、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構
成することで、結像ないし収差補正に寄与しない面を更
に省いた光学素子とすることができ、これによりコスト
削減の効果も期待できる。同様の理由により、第２の光
学素子１２の光学面Ｄ，Ｅ，Ｆもそれぞれ曲面とするこ
とが好ましい。

【０１０９】また、面Ｂを回転非対称な形状として偏心
収差の発生を抑制することが好ましい。従って、面Ｂと
の接合面である面Ｄも回転非対称形状となる。

【０１１０】更に好ましくは、第１の光学素子１１を構
成する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とす
ることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質で
の画像表示が可能になる。

【０１１１】更に望ましくは、第２の光学素子１２を構
成する面Ｄ，Ｅ，Ｆも回転非対称形状にするとよい。こ
のとき，各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面
とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性の
ない場合に比較して加工および製作を容易にすることが
できるため、好ましい．また、面Ａでの折り返し反射以
外の反射に関して、面Ａでの反射を第１の光学素子１１
内での全反射とすると、光量の損失が少なくなり好まし
い。また、少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが
共用する領域（面Ａの下部）においては、反射光束が全
反射するようにすると、面Ａでの折り返し反射以外の反
射光束全てを全反射とする場合に比べて設計の自由度を
上げつつ同程度の明るさを確保できる．また、上記第３
実施形態のように、折り返し面Ａの前後で光線が所定の
角度θをなして入射・反射されてもよい。但し，角度θ
は、 ｜θ｜＜３０° を満たすことが好ましい。この条件を外れると、第１の
光学素子１１が大型化し、表示光学系全体を小型にする
ことが難しくなるため、好ましくない．以上のように表
示光学系を構成することにより、画像表示素子３に表示
された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する
画像表示装置を提供することができる。

【０１１２】また、表示光学系内で１回結像を行うこと
で、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角の広
画角化（高倍率提示）を可能にするとともに、長い光路
長を第１の光学素子１１内に往復光路を形成することで
光路を重複させることにより第１の光学素子１１の全長
を短く抑え、非常にコンパクトな光学系を構成してい
る。

【０１１３】なお、本実施形態で説明した光学系は、光
路を逆として画像表示素子に代えて撮像素子を配置する
ことで、撮像光学系として用いることができる。

【０１１４】また、以上説明した各実施形態で示した第
１の光学素子や第２の光学素子の面数や形状および組み
合わせは特にこれらに限定されるものではない。

【０１１５】さらに、以上説明した全ての実施形態にお
いて、第１の光学系を通過する光束の任意の光線をトレ
ースしたとき、その光線は、第１の面における最初の
（１回目）の反射と２回目の反射とで、一方の反射角を
基準として他方では逆符号の反射角で反射するような光
路をとっている。

【０１１６】具体的には、例えば図１の紙面内におい
て、１回目の反射（Ａ面反射）における反射角が正符号
（反射光が面法線に対して紙面内反時計周り方向に存在
する場合）であれば、２回目の反射（Ａ面再反射）にお
ける反射角は負符号（反射光が面法線に対して紙面内時
計周り方向に存在する場合）となるような光路になって
いる。

【０１１７】このような光路をとることによって、第１
の面と第２の面との間で光束は略往復することになるの
で、第１の光学系内の空間の有効に利用して光路長を稼
ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学
系が実現できる。

【０１１８】以下、上記各実施形態の数値実施例につい
て説明する。

【０１１９】［数値実施例１］図８には、図１に示した
第１実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断
面図を示している。図中、１は表示光学系を構成する第
１の光学素子であり、３つの光学面を有したプリズム形
状の透明体により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は
同一面、Ｓ３，Ｓ７は同一面であり、これら２面とＳ５
はそれぞれ上記第１実施形態において説明した面Ａ，
Ｂ，Ｃに相当する。

【０１２０】２は第２の光学素子であり、ここでは第１
の光学素子１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面Ｓ７お
よび入射面Ｓ８を有したレンズ形状に形成されている。
さらに、本数値実施例１においては、入射面Ｓ１０と射
出面Ｓ９を有したレンズ（第３の光学素子）２１を有し
ている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳
Ｓである。

【０１２１】これらＳ１からＳ１０までの光学面は全て
回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面
として持つ面対称形状を有する。

【０１２２】なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方
向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂
直な方向をｘ軸とした座標系定義である。

【０１２３】本数値実施例１の光学データを表１に示
す。表１の光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは面
番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは、第１
面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示した
ｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における
各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）並びに図面上で反時
計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単
位：度）である。

【０１２４】Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状
の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、ＦＦＳは以下の式
に従う回転非対称面である。

【０１２５】

【数１】

【０１２６】ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値
は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数
ｋおよびｃｉ（ｉ＝２，３，４…）に対応する回転非対
称形状であることを示している。

【０１２７】また、面形状は他の式で定義してもよく、
ＴＹＰの項にＸＹＰとあるのは、以下の式に従う回転非
対称面である。

【０１２８】

【数２】

【０１２９】ＴＹＰの欄でＦＦＳ並びにＸＹＰの横に記
された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された
非球面係数ｋおよびｃｉ（ｉ＝１，２，３…）に対応す
る回転非対称形状であることを示している。

【０１３０】尚、いずれの場合も表中に示されていない
ｃｉの項については、その係数の値が０である。

【０１３１】Ｎｄ，νｄ（但し、表ではｖｄと記す）は
それぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とア
ッベ数を示しており、屈折率Ｎの符号の変化はその面で
光が反射されることを示している。また、媒質が空気層
の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示し、
アッベ数νｄは省略している。以上の表の項目説明は、
以降の数値実施例においても同様である。

【０１３２】

【表１】

【０１３３】表１から分かるように、画像表示面ＳＩか
らの光は、レンズ２１の面Ｓ１０，Ｓ９を通過して第２
の光学素子２に向かう。第２の光学素子２に向かった光
は、面Ｓ８から第２の光学素子２に入射し、第２の光学
素子２と第１の光学素子１との接合面Ｓ７を透過して第
１の光学素子１に入射し、Ｓ６で全反射し、反射膜を施
したＳ５で裏面反射して折り返され、Ｓ４で全反射し、
Ｓ３で裏面反射し、Ｓ２を透過して第１の光学素子１を
射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれる。

【０１３４】本数値実施例１の長さのディメンジョンを
有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、
画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０
°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方
に表示する表示光学系となる。

【０１３５】なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系
に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物
点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１に
導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１に入射し、Ｓ３で反
射し、Ｓ４で反射し、Ｓ５で折り返し反射し、Ｓ６で反
射した後、Ｓ７から射出して第２の光学素子２に導かれ
る。

【０１３６】第２の光学素子２に導かれた光は、Ｓ８か
ら第２の光学素子２を射出し、レンズ２１に面Ｓ９から
入射し、Ｓ１０から射出して撮像面ＳＩに結像する。

【０１３７】本数値実施例の構成によれば、小型で広表
示画角の表示光学系を達成できる。特に、本数値実施例
では、第２の光学素子２と画像表示面ＳＩとの間にレン
ズ２１を設けてリレー光学系部分の光学的パワーをより
多くの光学面で分担し、収差の発生を抑えているため、
第１実施形態で示した構成に対して光学性能を高めるこ
とができる。

【０１３８】［数値実施例２］図９には、図７に示した
第４実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断
面図を示している。図中、１１は第１の光学素子であ
り、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体により
構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ
３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら
３面はそれぞれ上記第４実施形態において説明した面
Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。

【０１３９】１２’は第２の光学素子であり、ここでは
第１の光学素子１１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面
Ｓ９および入射面Ｓ１０を有したレンズ形状に形成され
ている。さらに、本数値実施例２においては、入射面Ｓ
１２と射出面Ｓ１１を有したレンズ２１を有している。
面Ａにおいて、折り返し反射面Ｓ６として使用される部
位には反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ
１は表示光学系の射出瞳Ｓである。

【０１４０】これらＳ１からＳ１２までの光学面は全て
回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面
として持つ面対称形状を有する。

【０１４１】なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方
向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂
直な方向をｘ軸とした座標系定義である。

【０１４２】本数値実施例２の光学データを表２に示
す。

【０１４３】

【表２】

【０１４４】表２から分かるように、画像表示面ＳＩか
らの光は、レンズ２１の面Ｓ１２，Ｓ１１を通過して第
２の光学素子１２’に向かう。第２の光学素子１２’に
向かった光は、面Ｓ１０から第２の光学素子１２’に入
射し、第２の光学素子１２’と第１の光学素子１１との
接合面Ｓ９より第１の光学素子１１に入射し、Ｓ８で全
反射し、反射膜を施したＳ７で裏面反射し、面Ａの反射
膜形成部に相当する面Ｓ６にて略垂直反射して折り返さ
れ、反射膜を施したＳ５で裏面反射し、Ｓ４で全反射
し、Ｓ３で裏面反射されてＳ２から第１の光学素子１１
を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれる。

【０１４５】本数値実施例２の長さのディメンジョンを
有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、
画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０
°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方
に表示する表示光学系となる。

【０１４６】なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系
に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物
点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１１
に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１１に入射して、Ｓ
３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射して、Ｓ
７，Ｓ８で反射した後、Ｓ９から射出して第２の光学素
子１２’に導かれる。

【０１４７】第２の光学素子１２’に導かれた光は、Ｓ
１０から第２の光学素子１２’を射出し、レンズ２１に
面Ｓ１１から入射し、Ｓ１２から射出して撮像面ＳＩに
結像する。

【０１４８】本数値実施例の構成によれば、小型で広表
示画角の表示光学系を実現することができる。また、本
数値実施例でも、数値実施例１と同様に、第２の光学素
子１２’と画像表示面ＳＩとの間にレンズ２１を設けて
リレー光学系部分の光学的パワーをより多くの光学面で
分担し、収差の発生を抑えているため、高い光学性能を
得易い。

【０１４９】また、数値実施例１に比べて、第１の光学
素子１１内での往復光路を形成するための反射回数を増
やしているため、より光路長を有効に重複させて、長い
光路長に対して表示光学系をコンパクト化させることが
できる。

【０１５０】［数値実施例３］図１０には、図７に示し
た第４実施形態の数値実施例の光路断面図を示してい
る。図中、１１は第１の光学素子であり、３つの光学面
を有したプリズム形状の透明体により構成されている。
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一
面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ
上記第４実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当
する。

【０１５１】１２は第２の光学素子であり、ここでは第
１の光学素子１１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面Ｓ
９、反射面Ｓ１０および入射面Ｓ１１を有したプリズム
形状の透明体により形成されている。面Ａの上部と面Ｃ
には反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１
は表示光学系の射出瞳Ｓである。

【０１５２】これらＳ１からＳ１１までの光学面は全て
回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面
として持つ面対称形状を有する。

【０１５３】なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方
向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂
直な方向をｘ軸とした座標系定義である。

【０１５４】本数値実施例３の光学データを表３に示
す。

【０１５５】

【表３】

【０１５６】表３から分かるように、画像表示面ＳＩか
らの光は、面Ｓ１１から第２の光学素子１２に入射し、
面Ｓ１０で反射して第２の光学素子１２と第１の光学素
子１１との接合面Ｓ９より第１の光学素子１１に入射
し、Ｓ８で全反射し、反射膜を施したＳ７で裏面反射
し、面Ａの反射膜形成部に相当する面Ｓ６にて略垂直反
射して折り返され、反射膜を施したＳ５で裏面反射し、
Ｓ４で全反射し、Ｓ３で裏面反射されてＳ２から第１の
光学素子１１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれ
る。

【０１５７】本数値実施例の長さのディメンジョンを有
する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画
像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０
°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方
に表示する表示光学系となる。

【０１５８】なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系
に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物
点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１１
に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１１に入射して、Ｓ
３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射して、Ｓ
７，Ｓ８で反射した後、Ｓ９から射出して第２の光学素
子１２に導かれる。

【０１５９】第２の光学素子１２に導かれた光は、Ｓ１
０で反射してＳ１１から第２の光学素子１２を射出し、
撮像面ＳＩに結像する。

【０１６０】本数値実施例の構成によれば、小型で広表
示画角の表示光学系を実現できる。また、本数値実施例
では、第２光学素子１２としてプリズム状の光学素子を
用い、裏面反射により光路を折り曲げているため、第２
光学素子１２を数値実施例１，２に比べてより薄型化さ
せることができる。

【０１６１】［数値実施例４］図１１には、図７に示し
た第４実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路
断面図を示している。図中、１１は第１の光学素子であ
り、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体により
構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ
３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら
３面はそれぞれ上記第４実施形態において説明した面
Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。

【０１６２】１２”は第２の光学素子であり、ここでは
第１の光学素子１１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面
Ｓ９、反射面Ｓ１１および反射面兼入射面Ｓ１０（Ｓ１
２と同一面）を有したプリズム形状の透明体により形成
されている。面Ａの上部と面Ｃと面Ｓ１１には反射膜が
形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系
の射出瞳Ｓである。

【０１６３】これらＳ１からＳ１２までの光学面は全て
回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面
として持つ面対称形状を有する。

【０１６４】なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方
向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂
直な方向をｘ軸とした座標系定義である。

【０１６５】本数値実施例４の光学データを表４に示
す。

【０１６６】

【表４】

【０１６７】表４から分かるように、画像表示面ＳＩか
らの光は、面Ｓ１２から第２の光学素子１２”に入射
し、面Ｓ１１，Ｓ１０で反射して第１の光学素子１１と
の接合面Ｓ９に向かう。面Ｓ９から第１の光学素子１１
に入射した光は、Ｓ８で全反射し、反射膜を施したＳ７
で裏面反射し、面Ａの反射膜形成部に相当する面Ｓ６に
て略垂直反射して折り返され、反射膜を施したＳ５で裏
面反射し、Ｓ４で全反射し、Ｓ３で裏面反射されてＳ２
から第１の光学素子１１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１
に導かれる。

【０１６８】本数値実施例の長さのディメンジョンを有
する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ４ｍｍ、画
像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０
°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方
に表示する表示光学系となる。

【０１６９】なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系
に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物
点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１１
に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１１に入射して、Ｓ
３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射して、Ｓ
７，Ｓ８で反射した後、Ｓ９から射出して第２の光学素
子１２”に導かれる。

【０１７０】第２の光学素子１２”に導かれた光は、Ｓ
１０，Ｓ１１で反射してＳ１２から第２の光学素子１
２”を射出し、撮像面ＳＩに結像する。

【０１７１】本数値実施例の構成によれば、小型で広表
示画角の表示光学系を実現することができる。また、本
数値実施例では、第２の光学素子１２”としてプリズム
状の光学素子を用い、２回の裏面反射により光路を折り
曲げているため、第２の光学素子１２”を数値実施例
１，２，３に比べてさらに薄型化させることができる。

【０１７２】

【発明の効果】以上説明したように、本願第１の発明に
よれば、第１の光学素子において、第１、第２および第
３の面の間で光を略往復させて光路を重複させるように
しているので、小型の光学系でありながらも光路長を長
く確保できる。このため、小型の原画を用いつつ広表示
画角を達成でき、しかも第２の光学素子を含む表示光学
系全体として小型化を図ることができる。

【０１７３】そして、第１の光学素子の第３の面と第２
の光学素子の射出面とを接合しているので、第１および
第２の光学素子相互間の位置決めを容易にすることがで
きるとともに、第１の光学素子への光の入射時における
収差の発生を抑制することができ、さらには強固な光学
系構造とすることができる。したがって、光学性能が高
く、耐久性に優れた表示光学系を実現することが可能と
なる。

【０１７４】なお、表示光学系（例えば、第１の光学素
子）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウト
の自由度が増え、原画を大画面表示させることができる
とともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型
に構成することができる。

【０１７５】また、本願第２の発明によれば、第１の光
学素子において、第１、第２および第３の面の間で光を
略往復させて光路を折り畳むようにしているので、小型
の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。この
ため、第２の光学素子を含む撮像光学系全体として小型
でありながらも広撮影画角を達成することができる。

【０１７６】そして、第１の光学素子の第３の面と第２
の光学素子の射出面とを接合しているので、第１および
第２の光学素子相互間の位置決めを容易にすることがで
きるとともに、第１の光学素子からの光の射出時におけ
る収差の発生を抑制することができ、さらには強固な光
学系構造とすることができる。したがって、光学性能が
高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現することができ
る。

【０１７７】なお、撮像光学系（例えば、第１の光学素
子）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウト
の自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像
面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くし
ても撮像光学系を小型に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である表示光学系の構成
図。

【図２】上記第１実施形態である表示光学系の構成図。

【図３】上記第１実施形態である表示光学系の構成図。

【図４】本発明の第２実施形態である撮像光学系の構成
図。

【図５】本発明の第３実施形態である表示光学系（１）
の構成図。

【図６】本発明の第３実施形態である表示光学系（２）
の構成図。

【図７】上記第４実施形態である表示光学系の構成図。

【図８】本発明の数値実施例１の光学系断面図。

【図９】本発明の数値実施例２の光学系断面図。

【図１０】本発明の数値実施例３の光学系断面図。

【図１１】本発明の数値実施例４の光学系断面図。

【図１２】従来の表示光学系の構成図。

【図１３】従来の表示光学系の構成図。

【符号の説明】

１，１’，１”，１１ 第１の光学素子 ２，１２，１２’，１２” 第２の光学素子 ３ 画像表示素子 ４ 撮像素子

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１２月１９日（２００２．１２．
１９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項１４】 請求項１３に記載の撮像光学系を備え
たことを特徴とする撮像装置。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】また、第１の光学素子１および第２の光学
素子２の透明体はいずれも屈折力を有しており、それぞ
れ曲率を有した光学面を少なくとも１面ずつ有してい
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５２】また、図３に鎖線で示したように、画像表
示素子３の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両
端に到る光線（マージナル光線）も、中心画角主光線と
同様に、第２の光学素子２を経て第１の光学素子１に導
かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反
射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの両端
に導かれる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１０１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１０１】また、面Ａにおける３回の反射のうち少な
くとも１回目と３回目の反射と、面Ｂにおける反射と、
面Ｃにおける反射とに際しては、これらの各面が画像表
示素子３を発して射出瞳Ｓに到る有効光束を形成する任
意の光線に対して偏心した偏心反射面として作用するよ
うにしている。これにより、光路を第１の光学素子１１
内で折り畳み、第１の光学素子１１を薄型構成としてい
る。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１１７】このような光路をとることによって、第１
の面と第２の面との間で光束は略往復することになるの
で、第１の光学系内の空間を有効に利用して光路長を稼
ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学
系が実現できる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１３１】Ｎｄ，νｄ（但し、表ではｖｄと記す）は
それぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とア
ッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面
で光が反射されることを示している。また、媒質が空気
層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示
し、アッベ数νｄは省略している。以上の表の項目説明
は、以降の数値実施例においても同様である。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０４Ｎ 5/66 １０２ Ｈ０４Ｎ 5/66 １０２ 5/72 5/72 Ｃ (72)発明者 山崎 章市 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 高木 章成 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 森島 英樹 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2H087 KA03 KA23 LA01 LA11 RA06 RA12 RA13 RA44 RA45 TA01 TA02 TA05 TA06 5C022 AA11 AA13 AC08 AC42 AC54 AC78 5C058 AA06 BA31 DA11

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原画からの光を観察者の眼又は被投射面
   に導く表示光学系であって、 少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で
   反射した光を前記第１の面に戻すように反射する第２の
   面および原画から前記第１の面に向かう光を透過させる
   とともに前記第２の面から前記第１の面に戻されて反射
   した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の
   面を有する第１の光学素子と、 原画からの光を前記第３の面に導く第２の光学素子とを
   有し、 前記第３の面と前記第２の光学素子の射出面とが接合さ
   れていることを特徴とする表示光学系。
2. 【請求項２】 前記第１の光学素子は、前記第１の面に
   最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおけ
   る法線に対する反射角と、前記第２の面で反射されて前
   記第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイ
   ントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるよう
   に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表
   示光学系。
3. 【請求項３】 前記第１の光学素子は、前記第３の面を
   透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第
   ２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面
   で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被
   投射面に導くことを特徴とする請求項１に記載の表示光
   学系。
4. 【請求項４】 前記第１の光学素子は、前記第３の面を
   透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第
   ２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面
   で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射
   し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面
   に導くことを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
5. 【請求項５】 前記第１の光学素子内に原画の中間像が
   形成されることを特徴とする請求項１に記載の表示光学
   系。
6. 【請求項６】 前記第１から第３の面のうち少なくとも
   １つが、当該面で反射する光線に対して偏心しているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
7. 【請求項７】 前記第１から第３の面のうち少なくとも
   １つが、曲率を有することを特徴とする請求項１に記載
   の表示光学系。
8. 【請求項８】 前記第１から第３の面のうち少なくとも
   １つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項１
   に記載の表示光学系。
9. 【請求項９】 前記第１の光学素子に形成された光学面
   のいずれかで光が全反射することを特徴とする請求項１
   に記載の表示光学系。
10. 【請求項１０】 前記第２の光学素子の光学面が回転非
    対称面であることを特徴とする請求項１に記載の表示光
    学系。
11. 【請求項１１】 前記第１および第２の光学素子が互い
    に同じ屈折率を有する材料で形成されていることを特徴
    とする請求項１に記載の表示光学系。
12. 【請求項１２】 請求項１から１１のいずれかに記載の
    表示光学系を備えたことを特徴とする画像表示装置。
13. 【請求項１３】 被写体からの光を撮像面に導く撮像光
    学系であって、 少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で
    反射した光を前記第１の面に戻すように反射する第２の
    面および被写体から前記第１の面に向かう光を反射する
    とともに前記第２の面から前記第１の面に戻されて反射
    した光を撮像面側に透過させる第３の面を有する第１の
    光学素子と、 前記第３の面から射出した光を撮像面に導く第２の光学
    素子とを有し、 前記第３の面と前記第２の光学素子の入射面とが接合さ
    れていることを特徴とする撮像光学系。
14. 【請求項１４】 前記第１の光学素子は、前記第１の面
    に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにお
    ける法線に対する反射角と、前記第２の面で反射されて
    前記第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポ
    イントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるよ
    うに構成されていることを特徴とする請求項１３に記載
    の撮像光学系。
15. 【請求項１５】 前記第１の光学素子は、前記第１の面
    を透過して入射した光を、前記第３の面で反射し、前記
    第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の
    面で反射し、前記第３の面を透過させることを特徴とす
    る請求項１３に記載の撮像光学系。
16. 【請求項１６】 前記第１の光学素子は、前記第１の面
    を透過して入射した光を、前記第３の面で反射し、前記
    第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の
    面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反
    射し、前記第３の面を透過させることを特徴とする請求
    項１３に記載の撮像光学系。
17. 【請求項１７】 前記第１の光学素子内で光が中間結像
    することを特徴とする請求項１３に記載の撮像光学系。
18. 【請求項１８】 前記第１から第３の面のうち少なくと
    も１つが、当該面で反射する光線に対して偏心している
    ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像光学系。
19. 【請求項１９】 前記第１から第３の面のうち少なくと
    も１つが、曲率を有することを特徴とする請求項１３に
    記載の撮像光学系。
20. 【請求項２０】 前記第１から第３の面のうち少なくと
    も１つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項
    １３に記載の撮像光学系。
21. 【請求項２１】 前記第１の光学素子上に形成された光
    学面のいずれかで光が全反射することを特徴とする請求
    項１３に記載の撮像光学系。
22. 【請求項２２】 前記第２の光学素子の光学面が回転非
    対称面であることを特徴とする請求項１３に記載の撮像
    光学系。
23. 【請求項２３】 前記第１および第２の光学素子が互い
    に同じ屈折率を有する材料で形成されていることを特徴
    とする請求項１３に記載の撮像光学系。
24. 【請求項２４】 請求項１３から２３のいずれかに記載
    の撮像光学系を備えたことを特徴とする撮像装置。