JP2008158203A

JP2008158203A - 観察光学系およびそれを用いた映像表示装置

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Publication number: JP2008158203A
Application number: JP2006346134A
Authority: JP
Inventors: Manami Kuiseko; 真奈美杭迫; Yoshie Shimizu; 佳恵清水
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】１次像を生成する構成であっても軸非対称な収差を良好に補正して、広角でありながら十分に良好な光学性能の観察光学系２１を実現する。
【解決手段】観察光学系２１のプリズム２２により、表示素子１１の表示画像の１次像が一旦生成され、その１次像の虚像が観察者に提供される。表示素子１１から射出された光線が全てメリディオナル面に対して対称に進むとき、そのメリディオナル面内において上記表示面の両端から射出される光線のうちで、プリズム２２を介して観察者の瞳に表示素子１１側からの角度で入射する光線を上端光線とし、プリズム２２を介して観察者の瞳に表示素子１１とは反対側からの角度で入射する光線を下端光線とする。メリディオナル面内において、表示素子１１の表示面から１次像面までの光路長が、上端光線よりも下端光線のほうが長くなるように、中央主光線に垂直な面に対して１次像面を傾ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子からの映像光を観察者の瞳に導く観察光学系と、それを用いた映像表示装置とに関するものである。

従来から、表示素子からの映像光と外光とを光学素子を介して観察者の瞳に同時に導くことで、表示映像の虚像を外界像に重ねて観察者に観察させる観察光学系が多数提案されている。中でも、上記光学素子としてプリズムを用いた観察光学系は、表示素子からの映像光の光路を反射によって折り曲げることで小型化が容易となることから、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）に好適に用いられている。

ところで、広角でない観察光学系では、光学素子の焦点距離を長くできるので、光学素子に対して表示素子を離して配置することが可能である。逆に、広角な観察光学系では、光学素子の焦点距離を短くしなければならない。具体的には、広角な観察光学系では、光学素子の焦点距離を２０ｍｍ以下とする必要がある。これは、（１）ＨＭＤは人の頭部に装着されるものであり、軽量でコンパクトにする必要性から表示素子の大きさが制限されること、（２）人の眼の焦点距離は、多少の個人差はあるが、ほぼ２０ｍｍ程度であり、観察光学系で必要とされるアイリリーフはほぼ決まっていること、が主な理由である。なお、撮影系では、撮像素子の大きさを変更することで光学系の大きさを調整することが可能であるが、観察系では自ずと焦点距離が決まってしまうため、光学系の全長は画角によってほとんど決められてしまう。

表示素子にて表示された映像と外界像とを同時に観察可能な観察光学系では、観察者の瞳の前方の外界像をシースルーで観察することを可能にするため、表示素子はＨＭＤのテンプル部分に配置され、表示素子からの映像光の光路がプリズムで折り曲げられる。このような構成では、ＨＭＤのテンプル部分から観察者の瞳中心までの物理的な距離は、ほぼ３０〜４０ｍｍとなる。しかし、表示素子の表示映像から虚像を直接生成する構成で広角な観察光学系を実現すべく、上記の焦点距離２０ｍｍ以下を実現しようとすると、表示素子の配置位置がテンプル部分よりも瞳に近くなり、表示素子を配置することができなくなる。

しかし、例えば、表示素子での表示映像の１次像（中間像）を一旦生成してから観察用の虚像を生成する構成とすれば、プリズムに対して表示素子を配置するための物理的な距離を確保することが可能となり、広角な観察光学系およびそれを用いたＨＭＤを確実に構成することが可能となる。このように、表示素子と観察者の瞳との間で表示画像の１次像を結像するようにした観察光学系は、例えば、特許文献１および２に開示されている。

特開２００２−１６２５９８号公報特開２００４−２９５４４号公報

ところで、表示素子が観察者の瞳の前方以外の部位に配置されて、表示素子からの映像光の光路がプリズムで折り曲げられる軸非対称（回転非対称）な光学系では、軸非対称な光学収差（例えば歪曲、像面湾曲）が現れる。しかし、特許文献１および２の光学系は、１次像を生成しつつも、そのような軸非対称な光学収差の補正までを考慮した構成にはなっていない。そのため、広角で、かつ、光学性能が十分に良好な観察光学系を実現するには至っていない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、１次像を生成する構成であっても軸非対称な収差を良好に補正することができ、これによって、広角でありながら十分に良好な光学性能を得ることができる観察光学系と、その観察光学系を用いた映像表示装置とを提供することにある。

本発明の観察光学系は、表示素子に表示される画像の１次像を生成してから、その１次像の虚像を生成し、該虚像を観察者に提供する軸非対称な光学素子を有する観察光学系であって、上記光学素子は、観察者の瞳と１次像との間に配置される少なくとも１個のプリズム型光学素子を含んでおり、表示素子から射出された光線が全て基準面に対して対称に進むときのその基準面をメリディオナル面とし、メリディオナル面内において上記表示面の両端から射出される光線のうち、光学素子を介して観察者の瞳に表示素子側からの角度で入射する光線を上端光線とし、光学素子を介して観察者の瞳に表示素子とは反対側からの角度で入射する光線を下端光線とすると、メリディオナル面内での表示素子の表示面から１次像面までの光路長は、上端光線よりも下端光線のほうが長いことを特徴としている。

上記の構成によれば、観察光学系の光学素子により、表示素子の表示画像の１次像が一旦生成され、その１次像の虚像が観察者に提供される。このとき、観察者の瞳と１次像との間には、少なくとも１個のプリズム型光学素子（例えば接眼プリズム）が配置されているので、プリズム型光学素子の内面反射によって、表示素子からの映像光を、その光路を折り曲げて観察者の瞳に導くことが可能となる。

上記のように光学素子によって１次像が一旦生成されるので、プリズム型光学素子を有する軸非対称な光学素子に対して表示素子を配置するための物理的な距離を確保することが可能となる。これにより、プリズム型光学素子を用いた軸非対称な光学系であっても、広角な観察光学系を実現することが可能となる。

また、プリズム型光学素子を用いることで全反射を利用した観察光学系を実現することができるので、ほとんどの外光をプリズム型光学素子を透過させて観察者の瞳に導き、外界像を観察可能としながら、同時に表示素子の映像（虚像）を観察者に観察させる観察光学系を実現することができる。

さらに、メリディオナル面内において、表示素子の表示面から１次像面までの光路長は、上端光線よりも下端光線のほうが長いので、１次像面での像倍率について、上端光線で形成される像よりも下端光線で形成される像のほうを低くすることができる。これにより、瞳位置での像倍率の違いを最終的にキャンセルすることができ、プリズム型光学素子を用いた軸非対称な光学系で発生する軸非対称な収差（例えば歪曲、像面湾曲）を良好に補正することが可能となる。

また、本発明の観察光学系では、メリディオナル面内において、表示素子の表示面から１次像面までの上端光線の光路長をＬ１とし、表示素子の表示面から１次像面までの下端光線の光路長をＬ２とすると、光路長Ｌ２は、光路長Ｌ１の１．０７倍以上１．３０倍以下であることが望ましい。

メリディオナル面内において、光路長Ｌ２が光路長Ｌ１の１．０７倍よりも短い場合、十分な像面湾曲の補正が不可能となり、光路長Ｌ２が光路長Ｌ１の１．３０倍よりも長い場合、観察される表示画像（虚像）の像倍率が縦方向と横方向とで著しく異なってしまう。したがって、メリディオナル面内における光路長Ｌ２を上記所定の範囲内に収めることにより、上記の不都合を回避して、観察される表示画像の品位が低下するのを回避することができる。

また、本発明の観察光学系において、上記プリズム型光学素子は、光学的パワーを有する面を含んでおり、上記光学的パワーを有する面は、平面型光学機能面を含んでいることが望ましい。この場合、例えば、表示素子からプリズム型光学素子を介して観察者の瞳に向かう光路上で観察者の瞳に最も近い反射面を平面型光学機能面（例えば回折光学素子面、ホログラフィック面）とすれば、上記反射面が凹面である場合に比べて、所望の視野角を確保するために必要なプリズム型光学素子の厚さを薄くすることができる。

また、本発明の観察光学系では、上記プリズム型光学素子において、表示素子から観察者の瞳に向かう光路上で観察者の瞳に最も近い反射面が上記平面型光学機能面で構成されており、表示素子の表示面の中心から射出され、平面型光学機能面を介して観察者の瞳の中心に入射する光線を中央主光線とし、該観察光学系のメリディオナル面内での全視野角をφ°とし、平面型光学機能面から観察者の瞳に向かう中央主光線に垂直な面に対する上記平面型光学機能面の傾き角をθ°とすると、
４００＜｜θ・φ｜＜６２０
を満足することが望ましい。

平面型光学機能面の傾き角が小さくなり、｜θ・φ｜の値が下限値以下となると、瞳側から光線を追跡したときに、平面型光学機能面で正反射された光線が、再びプリズム型光学素子における観察者の瞳に最も近い面（全反射面兼透過面）に到達したときに、全反射しなくなる。一方、平面型光学機能面の傾き角が大きくなり、｜θ・φ｜の値が上限値以上となると、所望の視野角を確保するために必要な平面型光学機能面の実面積が大きくなり、結果的にプリズム型光学素子の厚さの増大を招く。したがって、｜θ・φ｜の範囲を上記のように規定することにより、プリズム型光学素子での全反射を利用した観察光学系を確実に実現しながら、広角であってもプリズム厚を薄くすることができる。

また、本発明の観察光学系においては、上記平面型光学機能面にホログラム素子が配置されていてもよい。この場合、平面型光学機能面に回折反射機能を確実に持たせることができる。しかも、ホログラム素子は波長選択性が高いので、表示素子からの映像光を観察者の瞳方向に回折反射させる一方、外光をほとんど透過させることができる。これにより、明るい映像および外界像を観察者に提供することができる。

本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上述した本発明の観察光学系とを有し、上記観察光学系を介して、上記表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くことを特徴としている。上述した本発明の観察光学系の構成によれば、広角でありながら十分に良好な光学性能を得ることができるので、そのような観察光学系を用い、表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導く構成とすることにより、ＨＭＤに最適な映像表示装置を実現することができる。

本発明によれば、光学素子によって１次像が一旦生成されるので、プリズム型光学素子を用いた軸非対称な光学系であっても、広角な観察光学系を実現することが可能となる。また、プリズム型光学素子を用いることで全反射を利用した観察光学系を実現することができるので、外界像を観察可能としながら、同時に表示素子の映像を観察者に観察させる観察光学系を実現することができる。さらに、メリディオナル面内において、表示素子の表示面から１次像面までの光路長は、上端光線よりも下端光線のほうが長いので、瞳位置での像倍率の違いを最終的にキャンセルすることができ、プリズム型光学素子を用いた軸非対称な光学系で発生する軸非対称な収差を良好に補正することが可能となる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図２は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。このＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２とを備えている。映像表示装置１は、後述する表示素子１１（図１参照）および観察光学系２１を有しており、観察光学系２１を介して、表示素子１１からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳（光学瞳Ｅ）に導く。支持手段２は、観察光学系２１の後述するプリズム２２が観察者の眼前に位置するように映像表示装置１を支持するものであり、眼鏡のフレームやテンプル部分に相当する。

図１は、映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。映像表示装置１は、表示素子１１を照明するための光源（図示ぜず）を有しており、必要に応じて一方向拡散板や集光レンズなども有している。表示素子１１は、光源からの光を変調して映像を表示するものであり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。表示素子１１をはじめとするこれらの光学素子は、支持手段２にて保持される筐体３（図２参照）内に収容されている。

映像表示装置１の観察光学系２１は、ともにプリズム型光学素子であるプリズム２２・２３（図２参照）でホログラム素子２４を挟持して構成されている。プリズム２２は、表示素子１１に表示される映像の１次像を生成してから、その１次像の虚像を生成し、該虚像を観察者に提供する光学素子を構成している。特に、本実施形態では、プリズム２２は、表示素子１１からの映像光を全反射によりその光路を折り曲げて観察者の瞳に導く軸非対称（回転非対称）な光学素子を構成している。

なお、上記１次像は、プリズム２２の例えば２つの光学面（反射面）に光学的パワーを持たせることで生成可能である。また、軸非対称な光学素子は、プリズム２２単独で構成されてもよいし、プリズム２２を含む複数のプリズム型光学素子で構成されてもよい。さらに、本実施形態では、観察者の瞳と１次像との間の光路上には、プリズム２２の一部が位置しているが、プリズム２２とともに他のプリズム型光学素子が配置されていてもよい。

また、プリズム２２は、表示素子１１からの映像光を内部で反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものでもあり、プリズム２３とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。このプリズム２２は、概ね、平行平板の一方の端部を楔状にし、他方の端部を厚くした形状で構成されている。また、プリズム２２は、一方の端部に配置されるホログラム素子２４を挟むように、プリズム２３と接着剤で接合されている。

プリズム２３は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２参照）、プリズム２２の一方の端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、プリズム２２と一体となって略平行平板となるものである。プリズム２３をプリズム２２に接合することにより、観察者が観察光学系２１を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

つまり、例えば、プリズム２２にプリズム２３を接合させない場合、外光はプリズム２２の楔状の端部を透過するときに屈折するので、プリズム２２を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、プリズム２２にプリズム２３を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光がプリズム２２の楔状の端部を透過するときの屈折をプリズム２３でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

ホログラム素子２４は、表示素子１１から出射される映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射し、表示素子１１にて表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムであり、軸非対称な正の光学的パワーを有している。つまり、ホログラム素子２４は、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができる。また、ホログラム素子２４は、表示素子１１からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能しており、観察者は、ホログラム素子２４を介して、表示素子１１から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。

上記の構成によれば、表示素子１１からの映像光は、観察光学系２１のプリズム２２の入射面から入射し、内部で複数回全反射されてホログラム素子２４に入射する。ホログラム素子２４に入射した光は、そこで回折反射されて射出面を透過して光学瞳Ｅに導かれる。このとき、プリズム２２により、表示素子１１の表示映像の１次像が生成されるので、光学瞳Ｅの位置では、観察者は上記１次像の拡大虚像を観察することができる。一方、プリズム２２・２３およびホログラム素子２４は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者はプリズム２２・２３およびホログラム素子２４を介して外界像を観察することができる。したがって、上記した虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。

このように、表示素子１１の表示映像から直接虚像を生成して観察者に提供するのではなく、表示素子１１の１次像をプリズム２２で一旦生成し、その１次像の虚像を観察者に提供するので、軸非対称なプリズム２２に対して表示素子１１を配置するための物理的な距離を確保することが可能となり、表示素子１１を例えばテンプル部分に配置することが可能となる。これにより、プリズム２２を用いた軸非対称な光学系であっても、広角な観察光学系２１を実現することが可能となる。

また、プリズム２２を用いることで全反射を利用した観察光学系２１を実現することができるので、ほとんどの外光をプリズム２２を透過させて観察者の瞳に導き、外界像を観察可能としながら、同時に表示素子１１の映像（虚像）を観察者に観察させる観察光学系２１を実現することができる。

次に、上記した１次像面の詳細について説明する。
まず、以下での説明の便宜上、メリディオナル面および各種の光線を以下のように定義する。すなわち、表示素子１１から射出された光線が全て基準面（図１ではＹＺ平面に平行な面）に対して対称に進むときのその基準面をメリディオナル面とする。そして、図３に示すように、メリディオナル面内において、表示素子１１の表示領域の中心部１１Ａから射出されてプリズム２２を介して光学瞳Ｅに入射する光線のうち、光学瞳Ｅの中心に入射する光線を中央主光線Ａ１、光学瞳Ｅにおける中央主光線Ａ１の入射位置よりも表示素子１１側の端部に入射する光線を中央上光線Ａ２、光学瞳Ｅにおける中央主光線Ａ１の入射位置よりも表示素子１１とは反対側の端部に入射する光線を中央下光線Ａ３とする。

また、図４に示すように、メリディオナル面内において、表示素子１１の表示領域の上端部１１Ｂから射出されてプリズム２２を介して光学瞳Ｅに入射する光線のうち、光学瞳Ｅの中心に入射する光線を上端主光線Ｂ１、光学瞳Ｅにおける上端主光線Ｂ１の入射位置よりも表示素子１１側の端部に入射する光線を上端上光線Ｂ２、光学瞳Ｅにおける上端主光線Ｂ１の入射位置よりも表示素子１１とは反対側の端部に入射する光線を上端下光線Ｂ３とする。つまり、これらの３つの光線（上端主光線Ｂ１、上端上光線Ｂ２、上端下光線Ｂ３）は、メリディオナル面内において、表示素子１１から射出された光線がプリズム２２を介して光学瞳Ｅに、中央主光線Ａ１に対して表示素子１１側からの角度で入射する光線（中央主光線Ａ１に対して表示素子１１側から鋭角に交差する光線）である。なお、これら３つの光線をまとめて上端光線とも称する。

さらに、図５に示すように、メリディオナル面内において、表示素子１１の表示領域の下端部１１Ｃから射出されてプリズム２２を介して光学瞳Ｅに入射する光線のうち、光学瞳Ｅの中心に入射する光線を下端主光線Ｃ１、光学瞳Ｅにおける下端主光線Ｃ１の入射位置よりも表示素子１１側の端部に入射する光線を下端上光線Ｃ２、光学瞳Ｅにおける下端主光線Ｃ１の入射位置よりも表示素子１１とは反対側の端部に入射する光線を下端下光線Ｃ３とする。つまり、これらの３つの光線（下端主光線Ｃ１、下端上光線Ｃ２、下端下光線Ｃ３）は、メリディオナル面内において、表示素子１１から射出された光線がプリズム２２を介して光学瞳Ｅに、中央主光線Ａ１に対して表示素子１１とは反対側からの角度で入射する光線（中央主光線Ａ１に対して表示素子１１とは反対側から鋭角に交差する光線）である。なお、これら３つの光線をまとめて下端光線とも称する。

以上の説明からもわかるように、表示素子１１の表示領域の上下（メリディオナル面内において上端部１１Ｂおよび下端部１１Ｃを結ぶ方向での上下）は、瞳位置での上下に対応している。また、瞳位置での上下は、メリディオナル面内でホログラム素子２４から観察者の瞳に向かう中央主光線Ａ１に対して表示素子１１が配置されている側を「上」、その逆側を「下」としたときの上下である。したがって、観察光学系２１の配置の仕方（垂直配置か水平配置か）によっては、瞳位置での上下が鉛直方向（重力がかかる方向）となる場合も生じるし、そうとはならない場合も生ずる。

１次像面の基準となる位置は、図６（ａ）に示すように、中央主光線Ａ１と中央上光線Ａ２との交点Ｐと、中央主光線Ａ１と中央下光線Ａ３との交点Ｑとを結ぶ線分の中点Ｒとする。そして、１次像面の位置は、図６（ｂ）に示すように、基準位置（中点Ｒ）から上端上光線Ｂ２と上端下光線Ｂ３との交点Ｓに向かう直線Ｕと、基準位置から下端上光線Ｃ２と下端下光線Ｃ３との交点Ｔに向かう直線Ｖとの中線（直線Ｕ・Ｖのなす角度の２等分線）Ｗで示される。したがって、中央主光線Ａ１に対する中線Ｗの傾き（正確には中央主光線Ａ１に垂直な面に対する中線Ｗの傾き）が、１次像面の傾きとなる。

本実施形態では、メリディオナル面内での表示素子１１の表示面から１次像面までの光路長（屈折率×光線長）が、上端光線（例えば上端主光線Ｂ１）よりも下端光線（例えば下端主光線Ｃ１）のほうが長くなるように、プリズム２２が構成されている。つまり、上端光線の光路長と下端光線の光路長とが上記の関係となるように、中央主光線Ａ１に垂直な面に対して１次像面が傾いている。なお、上記のように１次像面を傾けるには、プリズム２２の光学的パワーを有する面の位置、傾き、パワーなどを適切に設定すればよい。より詳しくは、上端光線が通過する光学的パワー面の局所的なパワーと下端光線が通過する光学的パワー面の局所的なパワーとが異なるように、中央主光線Ａ１に対して軸非対称となる非球面や回折素子などをプリズム２２の何面かに配置すればよい。

本実施形態の観察光学系２１においては、プリズム２２を用いて光路を折りたたんでいるとともに、角度の付いた反射面にホログラム素子２４を配置し、光学的パワーを持たせている。この構成では、光学瞳Ｅとホログラム素子２４との間の光路長は、下端光線よりも上端光線のほうが長いので、瞳位置での像倍率は、下端光線で形成される像よりも上端光線で形成される像のほうが低くなる。このため、メリディオナル面内で軸非対称な収差（例えば歪曲、像面湾曲）が発生する。

しかし、上記のように、表示素子１１の表示面から１次像面までの光路長について、上端光線よりも下端光線のほうを長くすることで、１次像面での像倍率について、上端光線で形成される像よりも下端光線で形成される像のほうを低くすることができる。これにより、瞳位置での像倍率の違いを最終的にキャンセルすることができ、軸非対称な収差を良好に補正することが可能となる。

なお、このような効果は、表示素子１１の表示面の１点から射出されてプリズム２２に入射した光線が、プリズム２２の３つの反射面（例えば入射面から入射した光が最初に反射される面、その次に反射される面、さらにその次に反射される面）での３回の反射によって、表示素子１１から観察者の瞳に至る光路中で交差する回数（ゼロも含む）に関係なく得ることができる。

また、本実施形態では、メリディオナル面内において、表示素子１１の表示面から１次像面までの上端光線（例えば上端主光線Ｂ１）の光路長をＬ１とし、上記表示面から１次像面までの下端光線（例えば下端主光線Ｃ１）の光路長をＬ２とすると、光路長Ｌ２は、光路長Ｌ１の１．０７倍以上１．３０倍以下に設定されている。

歪曲および像面湾曲などの軸非対称な収差を補正する必要性は、本実施形態のような広角な観察光学系２１ほど大きい。しかし、光路長Ｌ２が光路長Ｌ１の１．０７倍よりも小さい場合は、本実施形態の観察光学系２１では充分な像面湾曲の補正が不可能となり、表示像が大変見にくく、観察者に負担のかかるものとなってしまう。一方、光路長Ｌ２が光路長Ｌ１の１．３０倍よりも大きい場合は、表示像の縦方向と横方向とで像倍率が著しく異なってしまうため、不自然な映像となり、意図する画像を表示することができなくなる。したがって、光路長Ｌ２と光路長Ｌ１との関係を上記のように規定することにより、上記の不都合を回避して、観察される表示画像の品位が低下するのを回避することができる。

また、本実施形態では、プリズム２２は、光学的パワーを有する面を含んでおり、上記光学的パワーを有する面は、平面型光学機能面を含んでいる。この場合、所望の視野角を確保するために必要なプリズム２２の厚さを薄くすることが可能となる。なお、上記の平面型光学機能面としては、例えば回折光学素子面やホログラフィック面を想定することができる。

より詳細には、図７に示すように、表示素子１１（図１参照）からプリズム２２を介して観察者の瞳に向かう光路上で観察者の瞳に最も近いプリズム２２の反射面（光学機能面）２２Ｓは、必要な視野角に対応した面積が必要となり、その面積は視野角が広くなるほど増大する。このとき、反射面２２Ｓを平面型光学機能面２２Ｓ₁で構成する場合は、単純に視野角に対応した面積の平面型光学機能面２２Ｓ₁を考えればよい。なお、このときのプリズム２２の厚さをｔ１（ｍｍ）となる。

一方、反射面２２Ｓを例えば凹面状の反射面２２Ｓ₂で構成する場合は、その面の曲率によって虚像を生成するため、面頂点から周辺（コバ）にかけて肉厚が減少する分を考慮してプリズム２２を厚めに設定しなければならない。したがって、このときのプリズム２２の厚さをｔ２（ｍｍ）とすると、ｔ２はｔ１よりも大きくなる。プリズム２２が厚くなることは、観察者の瞳から表示素子１１までの距離（光路）が長くなり、像面湾曲が大きくなるため、望ましくはない。このとき、収差補正を優先させると、表示素子１１を観察者眼に近づけて配置する必要があり、視界を遮ってしまうことになる。

したがって、プリズム２２に平面型光学機能面２２Ｓ₁を設けることにより、凹面状の光学機能面（反射面２２Ｓ₂）を設ける場合に比べて、表示素子１１をテンプル部分に確実に配置して、像面湾曲を増大させることなく、所望の視野角を確保するために必要なプリズム２２の厚さを薄くすることができる。

また、上記のようにプリズム２２の反射面２２Ｓが平面型光学機能面２２Ｓ₁で構成されている場合において、観察光学系２１のメリディオナル面内での全視野角をφ°とし、平面型光学機能面２２Ｓ₁から観察者の瞳に向かう中央主光線Ａ１に垂直な面に対する平面型光学機能面２２Ｓ₁の傾き角をθ°とすると、本実施形態では、
４００＜｜θ・φ｜＜６２０
を満足している。なお、θ・φは、θとφとの積を表し、θ＊φと同義である。

平面型光学機能面２２Ｓ₁の傾き角θが小さくなり、θ・φの絶対値が下限値以下となると、瞳側から光線を追跡したときに、平面型光学機能面２２Ｓ₁で正反射された光線が、再びプリズム２２における観察者の瞳に最も近い面（全反射面兼透過面）に到達したときに、全反射しなくなる。なお、プリズム２２での全反射を用いて観察光学系２１を実現すべく、正反射角度からずれたより深い角度で反射する機能を反射面２２Ｓに持たせる場合、平面型光学機能面２２Ｓ₁として必要なパワーが大きくなる。この場合、通常の曲面と同様に、平面型光学機能面２２Ｓ₁でも光学的パワーが強くなるほど、発生する収差が大きくなり、光学性能が悪くなってしまうため、高精細なＨＭＤを実現することができない。また、平面型光学機能面２２Ｓ₁での回折角が大きくなると、回折効率が悪くなり、非常に暗い表示となってしまうため、好ましくない。

一方、平面型光学機能面２２Ｓ₁の傾き角θが大きくなり、θ・φの絶対値が上限値以上となると、所望の視野角を確保するために必要な平面型光学機能面２２Ｓ₁の実面積が大きくなり、結果的にプリズム２２の厚さの増大を招く。広角な観察光学系２１では、視野角に応じて平面型光学機能面２２Ｓ₁の面積が広く必要であるが、平面型光学機能面２２Ｓ₁の面積が広くなると、プリズム２２の厚さが増加する。したがって、プリズム２２の厚さが例えば５ｍｍ程度の薄い光学系を実現するためには、θ・φの絶対値が上限値以上とならないことが必要である。

よって、θ・φの絶対値の範囲を上記のように規定することにより、プリズム２２での全反射を利用した観察光学系２１を確実に実現しながら、広角であってもプリズム厚を薄くすることができる。特に、θ・φの絶対値の範囲を以下ように規定すれば、光学性能がさらに良くなるので望ましい。
４２０＜｜θ・φ｜＜５３０

また、本実施形態では、平面型光学機能面２２Ｓ₁にホログラム素子２４（図１参照）が配置されている。表示映像と外界像とを同時に観察できるシースルー型のＨＭＤは、表示映像と外界像とを見比べたり、表示映像を見ている状態でも外の状況を容易に把握できることから、その用途は広い。このとき、ハーフミラーなどの光学素子を介して表示映像と外界像とを観察者に提供する構成では、それぞれの像に対応する光の光量が半分になることから、充分に判別できる表示画像と明るい外界像とを同時に観察者に提供することができない。

一方、ホログラム素子２４（ホログラムミラー）は、波長選択性が高く、特に体積位相型の反射型ホログラム素子においてはシャープな分光反射特性を実現することができる。したがって、平面型光学機能面２２Ｓ₁にホログラム素子２４を配置することで、平面型光学機能面２２Ｓ₁に回折反射機能を確実に持たせることができる。そして、ホログラム素子２４を介して表示映像と外界像とを観察者に提供することができるので、表示映像の波長の光のみを回折反射させて明るい表示映像を観察者に提供できるのと同時に、外界の光量も９０％程度確保することができるので、明るい外界像を観察者に提供することが可能となる。さらに、ホログラム素子２４には、単純な反射機能だけではなく、光学素子として虚像を作るような光学的パワーを持たせることも可能であるので、光学性能のよい光学素子を実現することができる。

また、本実施形態では、上述した観察光学系２１を介して、表示素子１１からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導く映像表示装置１を構成している。薄型化が可能な観察光学系２１は小型で軽量となるため、広角でありながらより小型で軽量の映像表示装置１を実現することができる。この映像表示装置１は観察者の頭部に装着したり、眼鏡のように付けられる形状にすることが可能である。また、観察光学系２１は薄型であるため、外界像の透過率を高くすることができる。これにより、外界像を観察しながら同時に映像を確認することが可能な映像表示装置１となり、ＨＭＤに最適な映像表示装置１を実現することができる。

以下、本発明の観察光学系２１の各実施例を示す。図８、図１０、図１２、図１４、図１６および図１８は、それぞれ実施例１、２、３、４、５および６に係る映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。また、図９、図１１、図１３、図１５、図１７および図１９は、それぞれ実施例１、２、３、４、５および６における表示素子１１の表示面での横収差図を示している（逆トレースにより、光学性能を上記表示面で評価している）。

実施例１〜４および６では、プリズム２２が少なくとも３つの反射面を有しており、表示素子１１の表示面の１点から射出されてプリズム２２に入射した光線が上記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回交差するように観察光学系２１を構成している。一方、実施例５では、上記光線がプリズム２２の３つの反射面で３回反射されても、上記光路中で１回も交差しないように観察光学系２１を構成している。なお、実施例５の観察光学系２１では、図１６に示すように、表示素子１１とプリズム２２との間の光路中に、レンズ３１と、平面反射面を有するミラー３２とを配置している。

また、各実施例１〜６において、表示素子１１の表示面から１次像面までの上端光線の光路長Ｌ１は、例えば上端主光線Ｂ１の光路長であり、上記表示面から１次像面までの下端光線の光路長Ｌ２は、例えば下端主光線Ｃ１の光路長であるものとする。

また、各実施例１〜６において、表示素子１１の表示面の中心とプリズム２２によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、その光軸方向をＺ方向とし、ホログラム素子２４への光軸の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム素子２４への光軸の入射面とは、ホログラム素子２４における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。

また、Ｚ軸は各面の面頂点における法線方向でもある。Ｙ軸は対称性が保存されていない方向でもあり、この方向から光学面を見たときには、それが偏芯しているかどうかを判別することができる。一方、Ｘ軸は対称性が保存されている方向でもあり、この方向から光学面を見ても、それが偏芯しているかどうかを判別することはできない。ＹＺ面は、メリジオナル面に相当する。

また、ホログラム素子２４のホログラム面は、規格化波長（ｎｍ）を単位とした位相変化を以下のようなＸＹ多項式で表現したものである。
Ｚｐ＝Σ（ＡｍＢｎ＊Ｘ＾ｍ＊Ｙ＾ｎ）
ここで、Ｚｐは面のローカルなＺ軸方向のホログラム面による位相変化量、ＡｍＢｎはＸのｍ乗でＹのｎ乗に対する係数、Ｘ＾ｍはＸのｍ乗（変数）、Ｙ＾ｎはＹのｎ乗（変数）、ΣはＸの累乗とＹの累乗に対する総和を表している。ＸはＸ方向のＺ軸からの距離（
ｍｍ）、ＹはＹ方向のＺ軸からの距離（ｍｍ）である。

また、非球面は以下の式で表現される。
Ｚ＝ｃ＊Ｈ＾２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）＊ｃ＾２＊Ｈ＾２｝＾０．５］
＋Σ（Ｃｍ＊Ｈ＾ｍ）
ここで、Ｚは面のローカルなＺ軸方向の面頂点からの位置、ｃは近軸の曲率で曲率半径の逆数（１／ｍｍ）、Ｋは円錐定数、ＣｍはＨのｍ乗の係数、Ｈ＾ｍはＨのｍ乗を表し、ＨはＺ軸からの高さ、すなわち、（Ｘ＾２＋Ｙ＾２）＾０．５を表している。ΣはＨの累
乗に対する総和である。非球面の面頂点は、光軸が面と交わる位置とは一致しない。

また、各実施例１〜６では、無限遠の虚像位置を物体面とし、物体面に対する像面を表示素子１１の表示面としている。また、Ｓｉ（ｉ＝１、２、・・・）は物体側から数えてｉ番目の面、ｒｉ（ｉ＝１、２、・・・）は面Ｓｉの曲率半径（ｍｍ）を指す。なお、曲率半径ｒｉはＸ軸方向とＹ軸方向とで同じである。実施例１〜４および６におけるＳ１０面はダミー面であるが、図１０、図１２、図１４および図１８では、便宜上、Ｓ１０面の図示を省略している。また、ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）はＳｉ面とＳ（ｉ＋１）面との間の軸上面間隔（ｍｍ）を示しており、Ｎｊ（ｉ＝１、２、・・・）およびνｊ（ｉ＝１、２、・・・）は物体側から数えてｊ番目の光学要素のｄ線に対する屈折率（Ｎｄ）およびアッベ数（νｄ）を示している。

ただし、直前の面に対して偏芯した面Ｓｉは、Ｓ２面の面頂点を原点とするグローバル座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表現してあり、軸上面間隔ｄｉの数値にはよらない。ディセンタ＆リターン偏芯面では、面頂点位置を原点に取り、偏芯座標系設定後に元の座標系に戻した状態で続く面配置を決定している。したがって、偏芯データ（ディセンタ＆リターン）は、その面頂点基準で偏芯させたときのデータであり、それを偏芯の無い状態に戻してから次の面をその面頂点基準で偏芯させて次のデータとしている。

また、各横収差図において、Ｘ−ＦＡＮとは、光軸に垂直な方向で、かつ、表示素子１１の表示面に平行な方向を指し、Ｙ−ＦＡＮとは、Ｘ−ＦＡＮに垂直で、かつ、上記表示面に平行な方向を指す。なお、各横収差図における座標（Ｘ，Ｙ）は、表示素子１１の表示面におけるローカル座標を示し、「Ｒ．Ｆ」とは、relative fieldの略であり、瞳位置における観察画角において上下、左右の各方向の両端の一方の画角に対応している。

（実施例１）
曲率半径軸上面間隔屈折率Nd/アッベ数νd
虚像： ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞ d1=14.000000
Ｓ２面： r2=∞ - N2= 1.49140/ν2=57.82

Ｓ３面： r3=∞（反射面） - N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面: 回折次数 1
物体光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
参照光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
規格化波長: 587.56
位相係数
B1 : 2.5761E-05 A2 : -4.2257E-02 B2 : -4.4262E-02
A2B1: -1.3468E-05 B3 : 7.7978E-04 A4 : -2.5042E-05
A2B2: -9.0952E-05 B4 : -5.1365E-05 A4B1: 1.0862E-07
A2B3: -5.3717E-06 B5 : -1.2412E-05 A6 : 2.1376E-06
A4B2: 7.8734E-06 A2B4: 4.6089E-06 B6 : 7.4398E-07
A6B1: 1.4319E-07 A4B3: 3.2621E-07 A2B5: 2.4435E-07
A6B2: -6.2054E-07 A4B4: -4.6089E-07 A2B6: -7.7854E-08
A6B3: -1.1228E-08 A4B5: -2.3127E-08 A6B4: 2.9926E-08
A4B6: 6.5022E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 3.700000
X軸回り: -22.500000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ４面： r4=∞（反射面） - N4= 1.49140/ν4=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ５面： r5=∞（反射面） d5=-0.621500 N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 5.800000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

１次像面: ∞ - N=-1.49140/ν=57.82
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 10.121878 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 15.964200° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ６面： r6=∞（反射面） - N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ７面： r7=-27.25383（反射面） - N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K : 21.824398
C4 :0.139887E-03 C6 :0.336006E-05 C8 :-.687557E-07
C10 :0.483543E-08
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 25.082485 Z座標 : 6.909882
X軸回り: 35.915466° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ８面： r8=∞（反射面） - N8= 1.49140/ν8=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ９面： r9=-0.455892e-11（反射面） - N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K : -58.492641
C4 :-.226976E-03 C6 :0.187732E-05 C8 :-.492478E-08
C10 :0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 11.988835 Z座標 : 4.223307
X軸回り: 312.939907° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１０面（ダミー面）: r10=∞ - N10=-1.49140/ν10=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１１面： r11=∞ d11=0.000000
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 30.134149 Z座標 : 1.404988
X軸回り: -21.875445° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

像面（表示面）:

入射瞳径 φ2.00000(mm)
設計波長 587.56(nm)
X方向画角 ±7°
Y方向画角 ±10°（全視野角20°）
|θ＊φ| 450
中央主光線近辺焦点距離 -10.5(mm) （１次像面があるのでマイナスで表示）
YZ面内上端光線光路長（１次像面〜表示面） 66.8327(mm)
YZ面内下端光線光路長（１次像面〜表示面） 77.6457(mm) (上端光線の116%)

（実施例２）
曲率半径軸上面間隔屈折率Nd/アッベ数νd
虚像： ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞ d1=14.000000
Ｓ２面： r2=∞ - N2= 1.49140/ν2=57.82
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ３面： r3=∞（反射面） - N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面: 回折次数 1
物体光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
参照光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
規格化波長: 587.56
位相係数
B1 : 6.8759E-02 A2 : -3.8674E-02 B2 : -3.5718E-02
A2B1: 1.6268E-04 B3 : 7.7978E-04 A4 : 5.3095E-05
A2B2: -2.2417E-06 B4 : -7.6309E-05 A4B1: 1.0862E-07
A2B3: -2.6845E-05 B5 : -7.9761E-06 A6 : -2.1472E-06
A4B2: -9.8626E-06 A2B4: 4.6024E-07 B6 : 1.1863E-06
A6B1: 1.4319E-07 A4B3: 1.9839E-06 A2B5: 1.1611E-06
A6B2: 3.0043E-07 A4B4: 4.2410E-07 A2B6: -8.7901E-08
A6B3: -1.1228E-08 A4B5: -1.1839E-07 A6B4: -5.1442E-09
A4B6: -5.7056E-10
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 2.800000
X軸回り: -25.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ５面： r5=∞（反射面） d5=-1.457500 N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 5.500000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

１次像面: ∞ - N=-1.49140/ν=57.82
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 12.925799 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 11.586600° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ６面： r6=∞（反射面） - N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ７面： r7=-26.09342（反射面） - N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K : 5.324093
C4 :0.603595E-04 C6 :-.284641E-06 C8 :0.217792E-07
C10:-.297630E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 28.730432 Z座標 : 5.720461
X軸回り: 42.254419° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ９面： r9=-0.455892e-11（反射面） - N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K : -58.492641
C4 :-.260699E-03 C6 :0.217354E-05 C8 :-.496066E-08
C10:0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 16.029136 Z座標 : 2.328609
X軸回り: -55.510581° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１０面（ダミー面）： r10=∞ - N10=-1.49140/ν10=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１１面： r11=∞ d11=-1.000000
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 29.236201 Z座標 : 1.451844
X軸回り: -49.407526° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

像面（表示面）:

入射瞳径 φ2.00000(mm)
設計波長 587.56(nm)
X方向画角 ±7°
Y方向画角 ±10°（全視野角20°）
|θ＊φ| 500
中央主光線近辺焦点距離 -11.0(mm) （１次像面があるのでマイナスで表示）
YZ面内上端光線光路長（１次像面〜表示面） 60.1302(mm)
YZ面内下端光線光路長（１次像面〜表示面） 72.3166(mm) (上端光線の120%)

（実施例３）
曲率半径軸上面間隔屈折率Nd/アッベ数νd
虚像： ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞ d1=14.000000
Ｓ２面： r2=∞ - N2= 1.49140/ν2=57.82

Ｓ３面： r3=∞（反射面） - N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面: 回折次数 1
物体光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
参照光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
規格化波長: 587.56
位相係数
B1 : 6.8759E-02 A2 : -3.4914E-02 B2 : -3.3073E-02
A2B1: 2.2641E-04 B3 : 5.7234E-04 A4 : 6.5133E-05
A2B2: 2.8696E-05 B4 : -1.3091E-05 A4B1: -2.4621E-06
A2B3: -1.2326E-05 B5 : -8.0874E-06 A6 : -2.3026E-06
A4B2: -7.7022E-06 A2B4: -2.3045E-06 B6 : 6.1411E-07
A6B1: 7.0512E-08 A4B3: 1.0446E-06 A2B5: 2.7855E-07
A6B2: -1.1433E-09 A4B4: 3.6556E-07 A2B6: -5.1502E-09
A6B3: 3.0097E-09 A4B5: -5.8752E-08 A6B4: 1.8757E-09
A4B6: 1.1937E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 3.700000
X軸回り: -22.500000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ５面： r5=∞（反射面） d5=-2.818550 N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 5.800000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

１次像面: ∞ - N=-1.49140/ν=57.82
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 13.628721 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 10.116000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ７面： r7=-30.91680（反射面） - N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K : 39.482378
C4 :0.105511E-03 C6 :0.130311E-04 C8 :-.646030E-06
C10 :0.286717E-07
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 26.314877 Z座標 : 8.971139
X軸回り: 32.777927° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ９面： r9=-0.455892451719e-11（反射面） - N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K : -58.492641
C4 :-.298371E-03 C6 :0.280263E-05 C8 :-.955308E-08
C10 :0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 14.745537 Z座標 : 5.051148
X軸回り: -49.685005° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１１面： r11=∞ d11=-1.475678
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 27.175103 Z座標 : 1.626495
X軸回り: 298.846481° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

像面（表示面）:
偏芯データ（ローカル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 19.050745° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

入射瞳径 φ2.00000(mm)
設計波長 587.56(nm)
X方向画角 ±7°
Y方向画角 ±10°（全視野角20°）
|θ＊φ| 450
中央主光線近辺焦点距離 -11.0(mm) （１次像面があるのでマイナスで表示）
YZ面内上端光線光路長（１次像面〜表示面） 66.8360(mm)
YZ面内下端光線光路長（１次像面〜表示面） 76.9164(mm) (上端光線の115%)

（実施例４）
曲率半径軸上面間隔屈折率Nd/アッベ数νd
虚像： ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞ d1=14.000000
Ｓ２面： r2=∞ - N2= 1.49140/ν2=57.82

Ｓ３面： r3=∞（反射面） d3=0.000000 N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面: 回折次数 1
物体光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
参照光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
規格化波長: 587.56
位相係数
B1 : 6.8759E-02 A2 : -3.7340E-02 B2 : -3.2814E-02
A2B1: -2.4313E-06 B3 : -1.9539E-05 A4 : 5.8016E-06
A2B2: 9.9746E-06 B4 : -5.6731E-06 A4B1: 7.2031E-07
A2B3: -5.8243E-06 B5 : -3.1364E-07 A6 : 1.7115E-07
A4B2: -3.1567E-07 A2B4: 2.9374E-07 B6 : -6.5776E-08
A6B1: -1.2680E-07 A4B3: -5.7330E-07 A2B5: -3.0603E-07
A6B2: 2.0102E-08 A4B4: -1.1191E-07 A2B6: -1.2977E-08
A6B3: 3.0097E-09 A4B5: 5.4835E-08 A6B4: -8.4111E-10
A4B6: 2.1030E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 3.700000
X軸回り: -23.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ５面： r5=∞（反射面） d5=-2.563600 N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 5.800000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

１次像面: ∞ - N=-1.49140/ν=57.82
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 13.829790 Z座標 : 0.000000
X軸回り: -9.261050° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ７面： r7=-37.32470（反射面） - N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K : 29.556909
C4 :0.929252E-04 C6 :0.791906E-06 C8 :-.102539E-07
C10 :0.933837E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 29.050693 Z座標 : 7.917518
X軸回り: 38.341471° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ９面： r9=-0.455892451719e-11（反射面） - N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K : -58.492641
C4 :-.146757E-03 C6 :0.884470E-06 C8 :-.216927E-08
C10 :0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 13.555200 Z座標 : 4.123389
X軸回り: -50.935638° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１１面： r11=∞ d11=-1.000000
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 30.408097 Z座標 : -0.732708
X軸回り: -43.301508° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

像面（表示面）:
偏芯データ（ローカル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 5.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

入射瞳径 φ2.00000(mm)
設計波長 587.56(nm)
X方向画角 ±7°
Y方向画角 ±10°（全視野角20°）
|θ＊φ| 460
中央主光線近辺焦点距離 -11.0(mm) （１次像面があるのでマイナスで表示）
YZ面内上端光線光路長（１次像面〜表示面） 77.6137(mm)
YZ面内下端光線光路長（１次像面〜表示面） 83.5289(mm) (上端光線の108%)

（実施例５）
曲率半径軸上面間隔屈折率Nd/アッベ数νd
虚像： ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞ d1=14.000000
Ｓ２面： r2=∞ - N2= 1.49140/ν2=57.82

Ｓ３面： r3=∞（反射面） - N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面: 回折次数 1
物体光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
参照光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
規格化波長: 587.56
位相係数
A2 : -3.7667E-02 B2 : -2.9817E-02 A2B1: 2.6824E-04
B3 : 5.0663E-04 A4 : 3.7933E-05 A2B2: 1.4473E-04
B4 : 4.6712E-05 A4B1: 9.6488E-06 A2B3: 7.3764E-06
B5 : 1.2282E-06 A4B2: -1.1202E-05 A2B4: -9.2897E-06
B6 : -9.4199E-07 A6B1: -7.0092E-07 A4B3: -1.5361E-06
A2B5: -6.2767E-07 A6B2: 3.8605E-07 A4B4: 1.0526E-06
A2B6: 2.6390E-07 A6B3: 8.2592E-09 A4B5: 9.9745E-08
A6B4: -2.3265E-08 A4B6: -3.0359E-08
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 4.000000
X軸回り: -23.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ５面： r5=∞（反射面） d5=-4.966900 N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 5.800000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

１次像面: ∞ - N=-1.49140/ν=57.82
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 15.291573 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 19.140400° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ６面： r6=∞（反射面） - N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 20.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ７面： r7=∞（反射面） -
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 20.000000 Z座標 : 4.500000
X軸回り: 74.669030° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ８面： r8=∞（反射面） -
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 23.000000 Z座標 : 8.000000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ９面： r9=-14.03798 - N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K : 0.262957
C4 : 0.700848E-04 C6 :0.233428E-06 C8 :0.217110E-08
C10:-.978710E-11
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 30.396144 Z座標 : -8.895906
X軸回り: -39.064922° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１０面： r10=15.39494 -
非球面係数:
K : -4.815826
C4 :0.289021E-04 C6 :-.151133E-06 C8 :0.402690E-09
C10:0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ９面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : -1.560924 Z座標 : -6.797808
X軸回り: -0.069721° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１１面： r11=∞ d11=0.000000
偏芯データ（Ｓ１０面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : -65.265779 Z座標 : 3.251529
X軸回り: 29.006859° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

像面（表示面）:

入射瞳径 φ2.00000(mm)
設計波長 587.56(nm)
X方向画角 ±7°
Y方向画角 ±10°（全視野角20°）
|θ＊φ| 460
中央主光線近辺焦点距離 -14.0(mm) （１次像面があるのでマイナスで表示）
YZ面内上端光線光路長（１次像面〜表示面） 64.7766(mm)
YZ面内下端光線光路長（１次像面〜表示面） 82.3515(mm) (上端光線の127%)

（実施例６）
曲率半径軸上面間隔屈折率Nd/アッベ数νd
虚像： ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞ d1=14.000000
Ｓ２面： r2=∞ - N2= 1.49140/ν2=57.82

Ｓ３面： r3=∞（反射面） - N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面: 回折次数 1
物体光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
参照光: 実光源
X座標:0.000000E+00 Y座標:0.000000E+00 Z座標:0.100000E+01
規格化波長: 587.56
位相係数
B1 : 6.8759E-02 A2 : -3.6754E-02 B2 : -3.3573E-02
A2B1: 2.3232E-04 B3 : 2.6214E-04 A4 : 2.9765E-05
A2B2: 7.4315E-06 B4 : -3.5948E-05 A4B1: -2.4625E-06
A2B3: -4.5095E-06 B5 : -5.3105E-06 A6 : -9.4041E-07
A4B2: -4.4533E-06 A2B4: -7.3710E-07 B6 : 1.1313E-06
A6B1: 7.0540E-08 A4B3: 3.8871E-07 A2B5: -1.7804E-07
A6B2: -1.1437E-09 A4B4: 2.1749E-07 A2B6: -5.1510E-09
A6B3: 3.0099E-09 A4B5: -1.9029E-08 A6B4: 1.8721E-09
A4B6: 1.1937E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 2.700000
X軸回り: -26.500000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ５面： r5=∞（反射面） d5=-0.871600 N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 5.800000
X軸回り: 0.000000° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

１次像面: ∞ - N=-1.49140/ν=57.82
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 13.889767 Z座標 : 0.000000
X軸回り: -2.057750° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ７面： r7=-30.85405（反射面） - N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K : 10.977308
C4 :0.667361E-04 C6 :-.721430E-06 C8 :0.490575E-07
C10:-.713364E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 32.502991 Z座標 : 6.915105
X軸回り: 40.808460° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ９面： r9=-0.455892451719e-11（反射面） - N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K : -58.492641
C4 :-.197336E-03 C6 :0.173077E-05 C8 :-.514345E-08
C10:0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 19.293805 Z座標 : 4.380542
X軸回り: 308.960873° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

Ｓ１１面： r11=∞ d11=-1.381063
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 32.726918 Z座標 : 1.625192
X軸回り: -62.962567° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

像面（表示面）:
偏芯データ（ローカル座標ディセンタ＆リターン）
X座標 : 0.000000 Y座標 : 0.000000 Z座標 : 0.000000
X軸回り: 15.674620° Y軸回り: 0.000000° Z軸回り: 0.000000°

入射瞳径 φ2.00000(mm)
設計波長 587.56(nm)
X方向画角 ±7°
Y方向画角 ±10°（全視野角20°）
|θ＊φ| 530
中央主光線近辺焦点距離 -11.0(mm) （１次像面があるのでマイナスで表示）
YZ面内上端光線光路長（１次像面〜表示面） 73.4226(mm)
YZ面内下端光線光路長（１次像面〜表示面） 81.1940(mm) (上端光線の111%)

以上の構成により、左右画角２０°（±１０°）で上下画角１４°（±７°）と広角でありながら、外光を通す部分のプリズム厚が５〜６ｍｍと薄型で、観察者のテンプル部分に表示素子１１などの構造物をコンパクトに無駄なく配置できる、光学性能の良好な観察光学系２１を実現することができた。

ところで、図２０は、表示素子１１として反射型のものを用いた場合の映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。上述した実施例４は、図２０の映像表示装置１にも応用可能である。反射型の表示素子１１としては、例えば反射型の液晶表示素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製））を用いることができる。この構成では、光源１２からの照明光をプリズム４１を介して表示素子１１に入射させ、表示素子１１からの反射光をプリズム４１を介してプリズム２２に入射させる。なお、プリズム４１は、像生成用のプリズム２２とは別体であってもよいし、プリズム２２と一体化されたもの（プリズム２２を像生成用と照明用とで共用したもの）であってもよい。また、プリズム４１の代わりにミラーを用いてもよい。

また、図２１は、ＨＭＤの他の構成例を模式的に示す斜視図である。本発明の映像表示装置１は、上述のように表示素子１１を支持手段２のテンプル部分に配置する以外にも、同図に示すように、観察者の瞳の上方または下方位置に配置した構成とすることも可能である。この場合は、支持手段２のテンプル部分は、観察光学系２１のプリズム２３を支持することになる。この構成では、左右方向により広角な装置を構成することが可能で、左右方向に±１４°程度の表示が同様の観察光学系により実現できる。

つまり、図２１の構成では、同図の紙面に対して垂直な面（例えば図８の光学系を縦置きしたときのＺＸ面に相当）の面内で光軸を斜め方向に偏芯させる面はない。このため、この方向（図２１の左右方向）に視野角を広げても、プリズムの厚さに影響せずにスペックを上げることができる。Ｚ−Ｘ方向（左右方向）は対称なので性能がとりやすく、Ｙ−Ｚ方向（上下方向）より広い視野角でも充分に良好な性能となる。

本発明は、特に広角で外界の透過像を表示画像と同時に観察することが可能な眼鏡型のＨＭＤに利用可能である。

本発明の実施の一形態に係るＨＭＤに適用される映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記ＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。メリディオナル面内において、表示素子の表示領域の中心部から射出されて観察光学系のプリズムを介して光学瞳に入射する各光線を示す説明図である。メリディオナル面内において、表示素子の表示領域の上端部から射出されて観察光学系のプリズムを介して光学瞳に入射する各光線を示す説明図である。メリディオナル面内において、表示素子の表示領域の下端部から射出されて観察光学系のプリズムを介して光学瞳に入射する各光線を示す説明図である。（ａ）は、１次像面の基準となる位置を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は、上記基準位置を通る１次像面を示す説明図である。プリズムの反射面の形状に応じてプリズム厚が変化する様子を模式的に示す説明図である。本発明の一実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。本発明の他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。本発明のさらに他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。本発明のさらに他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。本発明のさらに他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。本発明のさらに他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。他の映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。上記ＨＭＤの他の構成例を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１映像表示装置
１１表示素子
２１観察光学系
２２プリズム（プリズム型光学素子）
２２Ｓ反射面
２２Ｓ₁ 平面型光学機能面
２４ホログラム素子
Ａ１中央主光線
Ｂ１上端主光線（上端光線）
Ｂ２上端上光線（上端光線）
Ｂ３上端下光線（上端光線）
Ｃ１下端主光線（下端光線）
Ｃ２下端上光線（下端光線）
Ｃ３下端下光線（下端光線）

Claims

表示素子に表示される画像の１次像を生成してから、その１次像の虚像を生成し、該虚像を観察者に提供する軸非対称な光学素子を有する観察光学系であって、
上記光学素子は、観察者の瞳と１次像との間に配置される少なくとも１個のプリズム型光学素子を含んでおり、
表示素子から射出された光線が全て基準面に対して対称に進むときのその基準面をメリディオナル面とし、メリディオナル面内において上記表示面の両端から射出される光線のうち、光学素子を介して観察者の瞳に表示素子側からの角度で入射する光線を上端光線とし、光学素子を介して観察者の瞳に表示素子とは反対側からの角度で入射する光線を下端光線とすると、
メリディオナル面内での表示素子の表示面から１次像面までの光路長は、上端光線よりも下端光線のほうが長いことを特徴とする観察光学系。
メリディオナル面内において、表示素子の表示面から１次像面までの上端光線の光路長をＬ１とし、表示素子の表示面から１次像面までの下端光線の光路長をＬ２とすると、
光路長Ｌ２は、光路長Ｌ１の１．０７倍以上１．３０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
上記プリズム型光学素子は、光学的パワーを有する面を含んでおり、
上記光学的パワーを有する面は、平面型光学機能面を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の観察光学系。
上記プリズム型光学素子において、表示素子から観察者の瞳に向かう光路上で観察者の瞳に最も近い反射面が上記平面型光学機能面で構成されており、
表示素子の表示面の中心から射出され、平面型光学機能面を介して観察者の瞳の中心に入射する光線を中央主光線とし、該観察光学系のメリディオナル面内での全視野角をφ°とし、平面型光学機能面から観察者の瞳に向かう中央主光線に垂直な面に対する上記平面型光学機能面の傾き角をθ°とすると、
４００＜｜θ・φ｜＜６２０
を満足することを特徴とする請求項３に記載の観察光学系。
上記平面型光学機能面にホログラム素子が配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の観察光学系。
映像を表示する表示素子と、
請求項１から５のいずれかに記載の観察光学系とを有し、上記観察光学系を介して、上記表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くことを特徴とする映像表示装置。