JP3559624B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
【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】
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装着式画像表示装置が開発されている。
【０００３】
例えば、特開平６−３０８４２４号に示されているように、リレー光学系を用いずに中間像を光路中で結像することなく、画像表示素子の画像を観察者眼球に導くことが頭部装着式画像表示装置においては重要な技術となる。
しかしながら、特開平６−３０８４２４号の場合は、ハーフミラーを介して光路を形成しているため、光量のロスが発生してしまい、明るい表示を行うことが容易ではない。
【０００４】
また、ハーフミラーを介さないで明るい画像を表示できる頭部装着式画像表示装置の１つとして、欧州特許第０５８３１１６Ａ２号のものがあるが、この場合は、リレー光学系を用いているため、装置が大型化する欠点がある。
【０００５】
このような状況において、本出願人は、画像表示素子の表示画像を途中で中間像を結像することなく観測者の眼球に導くためのサイズがコンパクトで広画角で画面全体にクリアな表示が可能な接眼光学系を３面又は４面の光学面からなる偏心プリズム単体で構成し、その３面又は４面の少なくとも１面をパワーを有する面とするものをいくつか提案している。以下に、これらについて簡単に説明する。
【０００６】
図３３に特願平６−２５６６７６号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、４つの光学面１〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、偏心配置の反射面の第４面４に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、第４面４への入射光と交差してから、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【０００７】
図３４に特願平６−２９０８９２号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面１〜３からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、偏心配置の反射面の第２面２に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【０００８】
図３５に特願平７−１２７８９６号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、４つの光学面１〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、偏心配置の反射面の第４面４に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【０００９】
図３６に特願平７−１２００３４号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面１〜３からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された第３面３が兼ねる反射面の第４面４に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１０】
図３７〜図３９に特願平７−１５８８９７号による接眼光学系１０の断面図を示す。この中、図３７の接眼光学系１０は、４つの光学面１〜３、５からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、反射面の第５面５に入射して反射され、その反射光は、第１面１が兼ねる反射面の第４面に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１１】
図３８の接眼光学系１０は、４つの光学面１〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ねる反射面の第５面５に入射して反射され、その反射光は、反射面の第４面に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１２】
図３９の接眼光学系１０は、４つの光学面２〜５からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ね、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、反射面の第５面５に入射して反射され、その反射光は、第２面２が兼ねる反射面の第６面６に入射して反射され、その反射光は、反射面の第４面に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１３】
図４０に特願平７−１７８６５７号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面２〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ね、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された第３面３が兼ねる反射面の第５面５に入射し、そこで反射された光は、反射面の第４面４に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、第５面５で反射された光と交差してから、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１４】
図４１に特願平７−２１１５９４号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面２〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ね、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、反射面の第４面４に入射して反射され、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１５】
なお、以上の第１面〜第６面は、平面、球面、非球面、アナモフィック面、アナモフィック非球面で構成され、少なくとも１つの面は正のパワーを有する。また、透過面と反射面を兼ねている面、例えば、図３６の第３面と第４面を構成する面での反射は、全反射によるか、透過領域と反射領域が分離している場合は裏面鏡による。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、画像表示素子の高密度化が進み、接眼光学系の収差発生量、特に色収差が無視できない程画像表示素子の画素密度が上がってきた。
ところが、本出願人の提案に係る図３３〜図４１のような、３面又は４面の光学面からなる偏心プリズム単体で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた接眼光学系１０を用いた画像表示装置においては、その接眼光学系１０への入射面である第１面１とそれからの射出面である第３面３が屈折面であるため（第１面１と第３面３のみが屈折面）、他の収差は偏心した反射面の第２面等で補正したとしても、色収差に関しては完全に補正しきれずに残ってしまう。
【００１７】
本発明は以上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、上記の本出願人の提案に係るような、３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体からなる接眼光学系を用いた画像表示装置において、残存収差、特に色収差を補正してサイズがコンパクトで広画角で画面全体に明瞭な画像を表示可能にすることである。
【００１８】
【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、画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを少なくとも含んだ光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、
前記第１面と前記第２面と前記第３面とが、それぞれ独立した面にて構成され、
前記第１面と前記第２面と前記第３面の少なくとも１面は、光束にパワーを与える曲面形状にて構成され、かつ、前記曲面は、偏心収差を補正する非回転対称な非球面形状にて構成され、
さらに、前記画像表示素子と前記光学部材の間に平行平板に設けられた回折光学素子が配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記回折光学素子で発生する収差の符号が逆になっていることを特徴とするものである。
【００１９】
この場合、光学部材の第１面、第２面、第３面に囲まれた領域が、屈折率が１を越える透明媒質によって満たされていることが望ましい。
【００２０】
また、画像表示素子から射出した光線が第１面を透過して光学部材に入射した光が第２面で反射する前に反射するように配置された第４面を備えているものとすることができる。
【００２１】
本発明のもう１つの画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを少なくとも含んだ光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、
前記第１面と前記第２面と前記第３面とが、それぞれ独立した面にて構成され、
前記第１面と前記第２面と前記第３面の少なくとも１面は、光束にパワーを与える曲面形状にて構成され、かつ、前記曲面は、偏心収差を補正する非回転対称な非球面形状にて構成され、
さらに、前記画像表示素子から観察者の瞳の間の何れかの位置に屈折率分布型レンズが配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記屈折率分布型レンズで発生する収差の符号が逆になっており、
前記屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折率をＮ１とするとき、
０．５＜Ｎ０／Ｎ１＜１．５ ・・・（ｂ）
なる条件を満足することを特徴とするものである。
【００２２】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用について説明する。
本発明においては、３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体に残留する色収差、像面湾曲等をフレネルゾーンプレートに代表される回折光学素子（以下、ＤＯＥ）、又は、屈折率分布型レンズを用いて補正するものである。以下、ＤＯＥと屈折率分布型レンズの補正能力について説明する。
【００２３】
ゾーンプレートに代表されるＤＯＥは、アッベ数νｄ ＝−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、前記したように、画像表示素子の高密度化に伴う偏心プリズム単体の残存色収差を効果的に補正することができる。
【００２４】
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、頭部装着式画像表示装置の光学系としては好ましい。
【００２５】
また、本発明においては、屈折率分布型レンズがペッツバール和と色収差の補正作用を有していることに着目して、前記の偏心プリズム単体に組み合わせて、偏心プリズム単体に残留する色収差、像面湾曲等を補正する。以下、屈折率分布型レンズのペッツバール和と色収差の補正について説明する。
【００２６】
本発明において用いる屈折率分布型レンズは、光軸と垂直な方向に屈折率分布を有するいわゆるラジアルタイプのもので、その基準波長の屈折率分布は、次の式（１）で表される。
ｎ（ｒ）＝Ｎ０ ＋Ｎ１ ｒ２ ＋Ｎ２ ｒ４ ＋Ｎ３ ｒ６ ＋ ・・・（１）
ここで、Ｎ０ はレンズの光軸上での基準波長の屈折率、ｒは光軸から半径方向の距離、ｎ（ｒ）は光軸から距離ｒの位置での基準波長の屈折率、Ｎ１ ，Ｎ２ ，Ｎ２ ，Ｎ３ ，・・・はそれぞれ基準波長の２次、４次、６時、・・・の係数である。
【００２７】
まず、ペッツバール和の補正について説明すると、レンズ系の初期設計の段階で特に注意しなければならない量に、パワー配分によって決まってしまうペッツバール和がある。均質系のペッツバール和は、面の屈折力をφＳ 、光軸上のレンズの屈折率をＮ０ とすると、次のように表すことができる。
φＳ ／Ｎ０ ・・・（２）
また、屈折率分布型レンズ単体のペッツバール和は、面の屈折力をφＳ ’、媒質の屈折力をφＭ とすると、次のように表すことができる。
φＳ ’／Ｎ０ ＋φＭ ／Ｎ０ ２ ・・・（３）
この式（３）から明らかなように、屈折率分布型レンズは、その媒質に屈折力を有していることでペッツバール和を補正することができる。
【００２８】
次に、色収差の補正について説明すると、屈折率分布型レンズは、その媒質にも色収差を補正する能力を有しており、屈折率分布型レンズ単体で軸上色収差を補正するための条件は次の通りである。
φＳ ’／νｏｄ＋φＭ ／ν１ｄ＝０ ・・・（４）
ここで、νｏｄは、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線によるレンズ光軸上での屈折率をそれぞれＮ０ｄ，Ｎ０Ｆ，Ｎ０Ｃとすると、次の式（５）で表される。
νｏｄ＝（Ｎ０ｄ−１）／（Ｎ０Ｆ−Ｎ０Ｃ） ・・・（５）
また、ν１ｄは、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線による屈折率分布式（１）の２次の係数Ｎ１ｄ，Ｎ１Ｆ，Ｎ１Ｃより、次の式（６）にて求められる。
ν１ｄ＝Ｎ１ｄ／（Ｎ１Ｆ−Ｎ１Ｃ） ・・・（６）
すなわち、屈折率分布型レンズの媒質の分布形状を波長毎に変化させることによって色収差の補正が可能になる。
【００２９】
本発明においては、図３３〜図４１に示したような３面又は４面の光学面からなる偏心プリズムに残留する色収差、像面湾曲等の収差を、上記の回折光学素子又は屈折率分布型レンズからなる補正光学素子によって逆の符号の収差を発生させて補正するものである。これら補正光学素子は、偏心プリズム（光学部材）の観察者眼球側あるいは画像表示素子側に配置することができる。
【００３０】
補正光学素子として回折光学素子を用いる場合は、回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
−１＜１／ｆ＜１ ・・・（ａ）
なる条件を満足することが望ましい。
さらには、
−０．１＜１／ｆ＜０．１ ・・・（ａ’）
なる条件を満足することがより望ましい。
より好ましくは、
０＜１／ｆ＜０．０１ ・・・（ａ”）
なる条件を満足することが望ましい。
【００３１】
また、補正光学素子として屈折率分布型レンズを用いる場合は、屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折立をＮ１とするとき、
０．５＜Ｎ０／Ｎ１＜１．５ ・・・（ｂ）
なる条件を満足することが望ましい。
さらには、
０．８＜Ｎ０／Ｎ１＜１．２ ・・・（ｂ’）
なる条件を満足することがより望ましい。
【００３２】
これら条件（ａ）、（ａ’）、（ａ”）、（ｂ）、（ｂ’）は、接眼光学系全体のアイポイント、焦点距離、倍率等を実質的に変更しないで、所望の収差補正を行わせるために、回折光学素子、屈折率分布型レンズが略ノンパワーであること望ましく、そのことを条件式化したものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の画像表示装置のいくつかの実施例について、図面を参照にして説明する。
まず、最初に、本発明で使用しているＤＯＥを含む光学系の設計方法について述べる。
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。
【００３４】
屈折現象に基づく光学素子では、図２９に示すように、光線▲１▼はスネルの法則に基づいて曲げられる。
【００３５】
ｎ・ｓｉｎ θ＝ｎ’・ｓｉｎ θ’ ・・・（７）
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３０に示すように、光線▲１▼は式（８）で表現される回折現象により曲げられる。
【００３６】
ｎ・ｓｉｎ θ−ｎ’・ｓｉｎ θ’＝ｍλ／ｄ ・・・（８）
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。
【００３７】
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 ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＯＰＴＣＡＬＥＬＥＭＥＮＴＳ”， ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ．１２６， ｐｐ．４６−５３（１９７７） 』に詳しいが、図３１を使用して、以下に簡単に説明する。
【００３８】
図３１において、▲５▼はｎ≫１なる屈折系レンズ（超高屈折率レンズ：ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ ）、▲２▼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。
上記の論文によれば、式（９）が成立する。
【００３９】
（ｎｕ −１）ｄｚ／ｄｈ＝ｎ・ｓｉｎ θ−ｎ’・ｓｉｎ θ’ ・・・（９）
ただし、ｎｕ ：ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ の屈折率（以下に説明する設計では、ｎｕ ＝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（８）、（９）より、次の式（６）が成立する。
【００４０】
（ｎｕ −１）ｄｚ／ｄｈ＝ｍλ／ｄ ・・・（１０）
すなわち、「ｎ≫１なる屈折系レンズの面形状」と「ＤＯＥのピッチ」の間には、式（１０）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 ｕｌｔｒａ−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。
【００４１】
具体的には、ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ を式（１１）で定義される非球面レンズとして設計したとすると、
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 ｌｅｎｓ の片面を平面にすると、式（１０）、（１１）より、
が得られる。この式（１２）で定義されるピッチ分布をもたせてやればよい。
【００４２】
また、式（１０）は任意の波長で成立する必要がある。
【００４３】
∴ｎ（λ）−１＝Ｋλ ・・・（１３）
ただし、Ｋ＝ｍ／〔ｄ・ｄｚ／ｄｈ〕
今回は、ｎｄ ＝１００１としたので、Ｋ＝１．７０２０。
【００４４】
したがって、式（１３）に従い、ｎＣ ＝１１１８．０、ｎｅ ＝９３０．３９、ｎＦ ＝８２８．３７、ｎｇ ＝７４２．７８とすれば、ＤＯＥの分散特性を表現できる。
【００４５】
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。
また、以下に示すＤＯＥを用いる実施例では、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。
【００４６】
次に、本発明の画像表示装置の実施例１〜６及び比較例について、それぞれ単眼用の画像表示装置の光学系の断面図である図１〜図７を参照にして説明する。これら画像表示装置は、全て図３６の接眼光学系１０を基本に用いているが、図３３〜図３５、図３７〜図４１の接眼光学系１０を用いる場合も同様である。
【００４７】
各実施例及び比較例の構成パラメータは後記するが、以下の説明において、面番号は、観察者の瞳位置７から画像表示素子９へ向う逆追跡の面番号として示してある。そして、座標の取り方は、図１に示すように、観察者の虹彩位置７を原点とし、観察者視軸８を原点から接眼光学系１０に向かう方向を正とするＺ軸、観察者視軸８に直交し、観察者眼球から見て上下方向の下から上を正とするＹ軸、観察者視軸８に直交し、観察者眼球からみて左右方向の右から左を正とするＸ軸と定義する。つまり、紙面内をＹーＺ面とし、紙面と垂直方向の面をＸ−Ｚ面とする。また、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとする。
【００４８】
そして、後記する構成パラメータ中において、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面については、基準面である１面（瞳位置７）からのその面の面頂のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量、及び、その面の中心軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反時計回りを意味する。なお、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θの記載のない面は、その前の面と同軸であることを意味する。
【００４９】
また、面間隔は、同軸系部分についてのみ示してあり、その面から次の面までの軸上間隔である。なお、面間隔は、光軸に沿って逆追跡の方向を正として示してある。
【００５０】
また、各面において、非回転対称な非球面形状は、その面を規定する座標上で、Ｒｙ 、Ｒｘ はそれぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内での近軸曲率半径、Ｋｘ 、Ｋｙ はそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲはそれぞれＺ軸に対して回転対称な４次、６次、８次、１０次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰはそれぞれＺ軸に対して回転非対称な４次、６次、８次、１０次の非球面係数とすると、非球面式は以下に示す通りである。
【００５１】
なお、面と面の間の媒質の屈折率はｄ線の屈折率で表す。長さの単位はｍｍである。
【００５２】
さて、以下に示す実施例は全て右眼用の画像表示装置であり、左眼用は構成す光学要素を全てＹ−Ｚ面に対称に配備することで実現できる。
また、実際の装置においては、接眼光学系によって光軸が屈曲する方向は、観察者の上方あるいは下方、側方何れの方向にあってもよいことは言うまでもない。
【００５３】
それぞれの断面図において、図中、７は観察者瞳位置、８は観察者視軸、１は接眼光学系の第１面、２は接眼光学系の第２面、３は接眼光学系の第３面、４は接眼光学系の第４面、９は画像表示素子、１０は接眼光学系、１１は偏心プリズム、１２はＤＯＥ、１３は屈折率分布レンズ（以下、ＧＲＩＮ）である。
【００５４】
各実施例における実際の光線経路は、比較例を例にとると、画像表示素子９から発した光線束は、接眼光学系１０の第１面１で屈折して接眼光学系１０に入射し、第４面（第３面３が兼ねる）４で内部反射し、第２面４で反射されて、再び第３面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳７として観察者の眼球内に投影される。
【００５５】
比較例
この比較例は、図７に断面を示すが、実施例１〜６の基本的な偏心プリズム１１に関するものである。この接眼光学系１０の水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
【００５６】
この比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムを図２６〜図２８に示す。これらの図において、スポットダイアグラムの左側の４つの数字の中、上段の２つの数字は、長方形の画面中央の座標（Ｘ，Ｙ）を（０．００，０．００）、右端中央の座標を（０、００，−１．００）、右上隅の座標を（１．００，−１．００）、上端中央の座標を（１．００，０．００）のように表現した場合の相対座標（Ｘ，Ｙ）を示し、下段の２つの数字は、視軸（画面中央）に対して上記座標（Ｘ，Ｙ）方向がなす角度のＸ成分、Ｙ成分（度表示）を示す。
【００５７】
実施例１
本実施例は、図１に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の射出瞳７と偏心プリズム１１の間に略ノンパワーのＤＯＥ１２を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、５、６、７面はアナモフィック非球面であり、８面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図８〜図１０に示す。
【００５８】
実施例２
本実施例は、図２に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーのＤＯＥ１２を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図１１〜図１３に示す。
【００５９】
実施例３
本実施例は、図３に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーで両面平面のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図１４〜図１６に示す。
【００６０】
実施例４
本実施例は、図４に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の射出瞳７と偏心プリズム１１の間に略ノンパワーで両面平面のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、４、５、６面はアナモフィック非球面であり、７面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図１７〜図１９に示す。
【００６１】
実施例５
本実施例は、図５に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーで画像表示素子９側に凹面を向けたメニスカス形状のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図２０〜図２２に示す。
【００６２】
実施例６
本実施例は、図６に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーで画像表示素子９側に凸面を向けたメニスカス形状のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図２３〜図２５に示す。
【００６３】
次に、上記実施例１〜６及び比較例の構成パラメータを示す。なお、ＧＲＩＮに１３関しては、前記のＮ１ｄ，Ｎ１Ｆ，Ｎ１Ｃも示してある。
【００６４】
【００６５】
【００６６】
【００６７】
【００６８】
【００６９】
【００７０】
【００７１】
さて、以上のような本発明の３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体に残留する色収差、像面湾曲等をＤＯＥ又はＧＲＩＮを用いて補正した接眼光学系を２組使用することによって、片目を閉じて観察像を観察する必要がなくなる。両眼で観察できると、観察者にとって疲れない観察が可能となる。また、両眼に視差のある画像を提示することによって、立体像としての観察も可能となる。また、本発明の接眼光学系を２組使用し、観察者頭部に支持する支持機構を付けることによって、楽な姿勢で観察像を観察することが可能となる。
【００７２】
上記のように、本発明による接眼光学系を用い、この光学系と画像表示素子からなる組を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着式画像表示装置のような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。このようなポータブル型の画像表示装置の１例の全体の構成を図３２に示す。表示装置本体５０には、上記のような接眼光学系が左右１対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子が配置されている。本体５０に左右に連続して図示のような側頭フレーム５１が設けられ、両側の側頭フレーム５１は頭頂フレーム５２でつながれており、また、両側の側頭フレーム５１の中間には板バネ５３を介してリアフレーム５４が設けてあり、リアフレーム５４を眼鏡のツルのように観察者の両耳の後部に当て、また、頭頂フレーム５２を観察者の頭頂に載せることにより、表示装置本体５０を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、頭頂フレーム５２の内側には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッド５５が取り付けてあり、同様にリアフレーム５４の内側にも同様なパッドが取り付けられており、この表示装置を頭部に装着したときに違和感を感じないようにしてある。
【００７３】
また、リアフレーム５４にはスピーカ５６が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ５６を有する表示装置本体５０には、映像音声伝達コード５７を介してボータブルビデオカセット等の再生装置５８が接続されているので、観察者はこの再生装置５８を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像、音響を楽しむことができるようになっている。図示の５９は再生装置５８のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、頭頂フレーム５２の内部に、映像処理・音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【００７４】
なお、コード５７は先端をジャックにして、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観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よい。
【００７５】
以上、本発明の画像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００７６】
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。
【００７７】
〔１〕 画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を中間実像を結像することなく観察者の眼球に導く接眼光学系と、前記画像表示素子及び接眼光学系を観察者の頭部又は顔面に保持する保持手段とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを有する光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、かつ、
前記画像表示素子から観察者の瞳の間の何れかの位置に補正光学素子が配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記補正光学素子で発生する収差の符号が逆になっていることを特徴とする画像表示装置。
【００７８】
〔２〕 前記光学部材の前記第１面、第２面、第３面に囲まれた領域が、屈折率が１を越える透明媒質によって満たされていることを特徴とする上記〔１〕記載の画像表示装置。
【００７９】
〔３〕 前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材に入射した光が前記第２面で反射する前に反射するように配置された第４面を備えていることを特徴とする上記〔２〕記載の画像表示装置。
【００８０】
〔４〕 前記第４面は前記第３面と同一の面であることを特徴とする上記〔３〕記載の画像表示装置。
【００８１】
〔５〕 前記第２面は裏面反射鏡であることを特徴とする上記〔４〕記載の画像表示装置。
【００８２】
〔６〕 前記の４つの面の中、第１面の透過面と第４面の反射面が同一の面であることを特徴とする上記〔５〕記載の画像表示装置。
【００８３】
〔７〕 前記の４つの面の中、第３面の透過面と第４面の反射面が同一の面であることを特徴とする上記〔５〕記載の画像表示装置。
【００８４】
〔８〕 前記接眼光学系の同一の面に入射する光線が、一つの光路では臨界角を越えて入射して反射され、他の光路では臨界角以下の入射角で入射して透過するように配置されていることを特徴とする上記〔２〕から〔７〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００８５】
〔９〕 前記補正光学素子が回折光学素子であることを特徴とする上記〔１〕から〔８〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００８６】
〔１０〕 前記補正光学素子が屈折率分布型レンズであることを特徴とする上記〔１〕から〔８〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００８７】
〔１１〕 前記回折光学素子を前記光学部材と観察者眼球の間に配置することを特徴とする上記〔９〕記載の画像表示装置。
【００８８】
〔１２〕 前記回折光学素子を前記光学部材と前記画像表示素子の間に配置することを特徴とする上記〔９〕記載の画像表示装置。
【００８９】
〔１３〕 前記回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
−１＜１／ｆ＜１ ・・・（ａ）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の画像表示装置。
【００９０】
〔１４〕 前記回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
−０．１＜１／ｆ＜０．１ ・・・（ａ’）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１３〕記載の画像表示装置。
【００９１】
〔１５〕 前記回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
０＜１／ｆ＜０．０１ ・・・（ａ”）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１４〕記載の画像表示装置。
【００９２】
〔１６〕 前記屈折率分布型レンズを前記光学部材と観察者眼球の間に配置することを特徴とする上記〔１０〕記載の画像表示装置。
【００９３】
〔１７〕 前記屈折率分布型レンズを前記光学部材と前記画像表示素子の間に配置することを特徴とする上記〔１０〕記載の画像表示装置。
【００９４】
〔１８〕 前記屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折率をＮ１とするとき、
０．５＜Ｎ０／Ｎ１＜１．５ ・・・（ｂ）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１６〕又は〔１７〕記載の画像表示装置。
【００９５】
〔１９〕 前記屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折率をＮ１とするとき、
０．８＜Ｎ０／Ｎ１＜１．２ ・・・（ｂ’）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１８〕記載の画像表示装置。
【００９６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の画像表示装置においては、３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体の透過面で発生する色収差、像面湾曲等を、画像表示素子から観察者の瞳の間の何れかの位置に補正光学素子を配置し、その補正光学素子に符号が逆の収差を発生させることによって補正するものであり、補正光学素子にはこれらの収差補正に有効なＤＯＥ、屈折率分布型レンズを用いることによって、画像表示素子の画素密度が上がっても、残存収差、特に色収差を十分に補正して、サイズがコンパクトで広画角で画面全体に明瞭な画像を表示可能な頭部又は顔面装着式画像表示装置を得ることができる。
【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路を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例５の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例６の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図７】比較例の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図８】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図９】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１０】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図１１】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図１２】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１３】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図１４】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図１５】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１６】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図１７】実施例４の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図１８】実施例４の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１９】実施例４の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２０】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図２１】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図２２】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２３】実施例６の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図２４】実施例６の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図２５】実施例６の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２６】比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図２７】比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図２８】比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２９】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３０】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３１】超高屈折率レンズ（ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ ）の説明図である。
【図３２】本発明による接眼光学系を組み込んだポータブル型の画像表示装置の１例の全体の構成を示す図である。
【図３３】本出願人の１つの提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３４】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３５】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３６】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３７】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３８】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３９】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図４０】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図４１】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【符号の説明】
１…第１面
２…第２面
３…第３面
４…第４面
５…第５面
６…第６面
７…観察者の瞳
８…観察者視軸
９…画像表示素子
１０…接眼光学系
１１…偏心プリズム
１２…回折光学素子（ＤＯＥ）
１３…屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）
５０…表示装置本体
５１…側頭フレーム
５２…頭頂フレーム
５３…板バネ
５４…リアフレーム
５５…頭頂パッド
５６…スピーカ
５７…映像音声伝達コード
５８…再生装置
５９…スイッチ、ボリューム等の調節部
【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】
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装着式画像表示装置が開発されている。
【０００３】
例えば、特開平６−３０８４２４号に示されているように、リレー光学系を用いずに中間像を光路中で結像することなく、画像表示素子の画像を観察者眼球に導くことが頭部装着式画像表示装置においては重要な技術となる。
しかしながら、特開平６−３０８４２４号の場合は、ハーフミラーを介して光路を形成しているため、光量のロスが発生してしまい、明るい表示を行うことが容易ではない。
【０００４】
また、ハーフミラーを介さないで明るい画像を表示できる頭部装着式画像表示装置の１つとして、欧州特許第０５８３１１６Ａ２号のものがあるが、この場合は、リレー光学系を用いているため、装置が大型化する欠点がある。
【０００５】
このような状況において、本出願人は、画像表示素子の表示画像を途中で中間像を結像することなく観測者の眼球に導くためのサイズがコンパクトで広画角で画面全体にクリアな表示が可能な接眼光学系を３面又は４面の光学面からなる偏心プリズム単体で構成し、その３面又は４面の少なくとも１面をパワーを有する面とするものをいくつか提案している。以下に、これらについて簡単に説明する。
【０００６】
図３３に特願平６−２５６６７６号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、４つの光学面１〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、偏心配置の反射面の第４面４に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、第４面４への入射光と交差してから、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【０００７】
図３４に特願平６−２９０８９２号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面１〜３からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、偏心配置の反射面の第２面２に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【０００８】
図３５に特願平７−１２７８９６号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、４つの光学面１〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、偏心配置の反射面の第４面４に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【０００９】
図３６に特願平７−１２００３４号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面１〜３からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された第３面３が兼ねる反射面の第４面４に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１０】
図３７〜図３９に特願平７−１５８８９７号による接眼光学系１０の断面図を示す。この中、図３７の接眼光学系１０は、４つの光学面１〜３、５からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、反射面の第５面５に入射して反射され、その反射光は、第１面１が兼ねる反射面の第４面に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１１】
図３８の接眼光学系１０は、４つの光学面１〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ねる反射面の第５面５に入射して反射され、その反射光は、反射面の第４面に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１２】
図３９の接眼光学系１０は、４つの光学面２〜５からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ね、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、反射面の第５面５に入射して反射され、その反射光は、第２面２が兼ねる反射面の第６面６に入射して反射され、その反射光は、反射面の第４面に入射し、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１３】
図４０に特願平７−１７８６５７号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面２〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ね、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された第３面３が兼ねる反射面の第５面５に入射し、そこで反射された光は、反射面の第４面４に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、第５面５で反射された光と交差してから、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１４】
図４１に特願平７−２１１５９４号による接眼光学系１０の断面図を示す。この接眼光学系１０は、３つの光学面２〜４からなり、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム体であり、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２が兼ね、画像表示素子９に対向して配置された透過面の第１面１を経て接眼光学系１０に入射した画像表示素子９からの表示光は、反射面の第４面４に入射して反射され、そこで反射された光は、観察者視軸８上に観察者の瞳７と対向して偏心配置された反射面の第２面２に入射して反射され、その反射光は、観察者視軸８上に第２面２と観察者の瞳７との間に配置された透過面の第３面３を経て接眼光学系１０から射出し、観察者視軸８に沿って進み、観察者の瞳７に中間像が結像されることなく入射し、観察者の網膜上に結像する。
【００１５】
なお、以上の第１面〜第６面は、平面、球面、非球面、アナモフィック面、アナモフィック非球面で構成され、少なくとも１つの面は正のパワーを有する。また、透過面と反射面を兼ねている面、例えば、図３６の第３面と第４面を構成する面での反射は、全反射によるか、透過領域と反射領域が分離している場合は裏面鏡による。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、画像表示素子の高密度化が進み、接眼光学系の収差発生量、特に色収差が無視できない程画像表示素子の画素密度が上がってきた。
ところが、本出願人の提案に係る図３３〜図４１のような、３面又は４面の光学面からなる偏心プリズム単体で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた接眼光学系１０を用いた画像表示装置においては、その接眼光学系１０への入射面である第１面１とそれからの射出面である第３面３が屈折面であるため（第１面１と第３面３のみが屈折面）、他の収差は偏心した反射面の第２面等で補正したとしても、色収差に関しては完全に補正しきれずに残ってしまう。
【００１７】
本発明は以上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、上記の本出願人の提案に係るような、３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体からなる接眼光学系を用いた画像表示装置において、残存収差、特に色収差を補正してサイズがコンパクトで広画角で画面全体に明瞭な画像を表示可能にすることである。
【００１８】
【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、画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを少なくとも含んだ光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、
前記第１面と前記第２面と前記第３面とが、それぞれ独立した面にて構成され、
前記第１面と前記第２面と前記第３面の少なくとも１面は、光束にパワーを与える曲面形状にて構成され、かつ、前記曲面は、偏心収差を補正する非回転対称な非球面形状にて構成され、
さらに、前記画像表示素子と前記光学部材の間に平行平板に設けられた回折光学素子が配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記回折光学素子で発生する収差の符号が逆になっていることを特徴とするものである。
【００１９】
この場合、光学部材の第１面、第２面、第３面に囲まれた領域が、屈折率が１を越える透明媒質によって満たされていることが望ましい。
【００２０】
また、画像表示素子から射出した光線が第１面を透過して光学部材に入射した光が第２面で反射する前に反射するように配置された第４面を備えているものとすることができる。
【００２１】
本発明のもう１つの画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを少なくとも含んだ光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、
前記第１面と前記第２面と前記第３面とが、それぞれ独立した面にて構成され、
前記第１面と前記第２面と前記第３面の少なくとも１面は、光束にパワーを与える曲面形状にて構成され、かつ、前記曲面は、偏心収差を補正する非回転対称な非球面形状にて構成され、
さらに、前記画像表示素子から観察者の瞳の間の何れかの位置に屈折率分布型レンズが配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記屈折率分布型レンズで発生する収差の符号が逆になっており、
前記屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折率をＮ１とするとき、
０．５＜Ｎ０／Ｎ１＜１．５ ・・・（ｂ）
なる条件を満足することを特徴とするものである。
【００２２】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用について説明する。
本発明においては、３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体に残留する色収差、像面湾曲等をフレネルゾーンプレートに代表される回折光学素子（以下、ＤＯＥ）、又は、屈折率分布型レンズを用いて補正するものである。以下、ＤＯＥと屈折率分布型レンズの補正能力について説明する。
【００２３】
ゾーンプレートに代表されるＤＯＥは、アッベ数νｄ ＝−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、前記したように、画像表示素子の高密度化に伴う偏心プリズム単体の残存色収差を効果的に補正することができる。
【００２４】
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、頭部装着式画像表示装置の光学系としては好ましい。
【００２５】
また、本発明においては、屈折率分布型レンズがペッツバール和と色収差の補正作用を有していることに着目して、前記の偏心プリズム単体に組み合わせて、偏心プリズム単体に残留する色収差、像面湾曲等を補正する。以下、屈折率分布型レンズのペッツバール和と色収差の補正について説明する。
【００２６】
本発明において用いる屈折率分布型レンズは、光軸と垂直な方向に屈折率分布を有するいわゆるラジアルタイプのもので、その基準波長の屈折率分布は、次の式（１）で表される。
ｎ（ｒ）＝Ｎ０ ＋Ｎ１ ｒ２ ＋Ｎ２ ｒ４ ＋Ｎ３ ｒ６ ＋ ・・・（１）
ここで、Ｎ０ はレンズの光軸上での基準波長の屈折率、ｒは光軸から半径方向の距離、ｎ（ｒ）は光軸から距離ｒの位置での基準波長の屈折率、Ｎ１ ，Ｎ２ ，Ｎ２ ，Ｎ３ ，・・・はそれぞれ基準波長の２次、４次、６時、・・・の係数である。
【００２７】
まず、ペッツバール和の補正について説明すると、レンズ系の初期設計の段階で特に注意しなければならない量に、パワー配分によって決まってしまうペッツバール和がある。均質系のペッツバール和は、面の屈折力をφＳ 、光軸上のレンズの屈折率をＮ０ とすると、次のように表すことができる。
φＳ ／Ｎ０ ・・・（２）
また、屈折率分布型レンズ単体のペッツバール和は、面の屈折力をφＳ ’、媒質の屈折力をφＭ とすると、次のように表すことができる。
φＳ ’／Ｎ０ ＋φＭ ／Ｎ０ ２ ・・・（３）
この式（３）から明らかなように、屈折率分布型レンズは、その媒質に屈折力を有していることでペッツバール和を補正することができる。
【００２８】
次に、色収差の補正について説明すると、屈折率分布型レンズは、その媒質にも色収差を補正する能力を有しており、屈折率分布型レンズ単体で軸上色収差を補正するための条件は次の通りである。
φＳ ’／νｏｄ＋φＭ ／ν１ｄ＝０ ・・・（４）
ここで、νｏｄは、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線によるレンズ光軸上での屈折率をそれぞれＮ０ｄ，Ｎ０Ｆ，Ｎ０Ｃとすると、次の式（５）で表される。
νｏｄ＝（Ｎ０ｄ−１）／（Ｎ０Ｆ−Ｎ０Ｃ） ・・・（５）
また、ν１ｄは、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線による屈折率分布式（１）の２次の係数Ｎ１ｄ，Ｎ１Ｆ，Ｎ１Ｃより、次の式（６）にて求められる。
ν１ｄ＝Ｎ１ｄ／（Ｎ１Ｆ−Ｎ１Ｃ） ・・・（６）
すなわち、屈折率分布型レンズの媒質の分布形状を波長毎に変化させることによって色収差の補正が可能になる。
【００２９】
本発明においては、図３３〜図４１に示したような３面又は４面の光学面からなる偏心プリズムに残留する色収差、像面湾曲等の収差を、上記の回折光学素子又は屈折率分布型レンズからなる補正光学素子によって逆の符号の収差を発生させて補正するものである。これら補正光学素子は、偏心プリズム（光学部材）の観察者眼球側あるいは画像表示素子側に配置することができる。
【００３０】
補正光学素子として回折光学素子を用いる場合は、回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
−１＜１／ｆ＜１ ・・・（ａ）
なる条件を満足することが望ましい。
さらには、
−０．１＜１／ｆ＜０．１ ・・・（ａ’）
なる条件を満足することがより望ましい。
より好ましくは、
０＜１／ｆ＜０．０１ ・・・（ａ”）
なる条件を満足することが望ましい。
【００３１】
また、補正光学素子として屈折率分布型レンズを用いる場合は、屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折立をＮ１とするとき、
０．５＜Ｎ０／Ｎ１＜１．５ ・・・（ｂ）
なる条件を満足することが望ましい。
さらには、
０．８＜Ｎ０／Ｎ１＜１．２ ・・・（ｂ’）
なる条件を満足することがより望ましい。
【００３２】
これら条件（ａ）、（ａ’）、（ａ”）、（ｂ）、（ｂ’）は、接眼光学系全体のアイポイント、焦点距離、倍率等を実質的に変更しないで、所望の収差補正を行わせるために、回折光学素子、屈折率分布型レンズが略ノンパワーであること望ましく、そのことを条件式化したものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の画像表示装置のいくつかの実施例について、図面を参照にして説明する。
まず、最初に、本発明で使用しているＤＯＥを含む光学系の設計方法について述べる。
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。
【００３４】
屈折現象に基づく光学素子では、図２９に示すように、光線▲１▼はスネルの法則に基づいて曲げられる。
【００３５】
ｎ・ｓｉｎ θ＝ｎ’・ｓｉｎ θ’ ・・・（７）
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３０に示すように、光線▲１▼は式（８）で表現される回折現象により曲げられる。
【００３６】
ｎ・ｓｉｎ θ−ｎ’・ｓｉｎ θ’＝ｍλ／ｄ ・・・（８）
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。
【００３７】
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 ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＯＰＴＣＡＬＥＬＥＭＥＮＴＳ”， ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ．１２６， ｐｐ．４６−５３（１９７７） 』に詳しいが、図３１を使用して、以下に簡単に説明する。
【００３８】
図３１において、▲５▼はｎ≫１なる屈折系レンズ（超高屈折率レンズ：ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ ）、▲２▼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。
上記の論文によれば、式（９）が成立する。
【００３９】
（ｎｕ −１）ｄｚ／ｄｈ＝ｎ・ｓｉｎ θ−ｎ’・ｓｉｎ θ’ ・・・（９）
ただし、ｎｕ ：ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ の屈折率（以下に説明する設計では、ｎｕ ＝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（８）、（９）より、次の式（６）が成立する。
【００４０】
（ｎｕ −１）ｄｚ／ｄｈ＝ｍλ／ｄ ・・・（１０）
すなわち、「ｎ≫１なる屈折系レンズの面形状」と「ＤＯＥのピッチ」の間には、式（１０）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 ｕｌｔｒａ−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。
【００４１】
具体的には、ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ を式（１１）で定義される非球面レンズとして設計したとすると、
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 ｌｅｎｓ の片面を平面にすると、式（１０）、（１１）より、
【００４２】
また、式（１０）は任意の波長で成立する必要がある。
【００４３】
∴ｎ（λ）−１＝Ｋλ ・・・（１３）
ただし、Ｋ＝ｍ／〔ｄ・ｄｚ／ｄｈ〕
今回は、ｎｄ ＝１００１としたので、Ｋ＝１．７０２０。
【００４４】
したがって、式（１３）に従い、ｎＣ ＝１１１８．０、ｎｅ ＝９３０．３９、ｎＦ ＝８２８．３７、ｎｇ ＝７４２．７８とすれば、ＤＯＥの分散特性を表現できる。
【００４５】
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。
また、以下に示すＤＯＥを用いる実施例では、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。
【００４６】
次に、本発明の画像表示装置の実施例１〜６及び比較例について、それぞれ単眼用の画像表示装置の光学系の断面図である図１〜図７を参照にして説明する。これら画像表示装置は、全て図３６の接眼光学系１０を基本に用いているが、図３３〜図３５、図３７〜図４１の接眼光学系１０を用いる場合も同様である。
【００４７】
各実施例及び比較例の構成パラメータは後記するが、以下の説明において、面番号は、観察者の瞳位置７から画像表示素子９へ向う逆追跡の面番号として示してある。そして、座標の取り方は、図１に示すように、観察者の虹彩位置７を原点とし、観察者視軸８を原点から接眼光学系１０に向かう方向を正とするＺ軸、観察者視軸８に直交し、観察者眼球から見て上下方向の下から上を正とするＹ軸、観察者視軸８に直交し、観察者眼球からみて左右方向の右から左を正とするＸ軸と定義する。つまり、紙面内をＹーＺ面とし、紙面と垂直方向の面をＸ−Ｚ面とする。また、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとする。
【００４８】
そして、後記する構成パラメータ中において、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面については、基準面である１面（瞳位置７）からのその面の面頂のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量、及び、その面の中心軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反時計回りを意味する。なお、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θの記載のない面は、その前の面と同軸であることを意味する。
【００４９】
また、面間隔は、同軸系部分についてのみ示してあり、その面から次の面までの軸上間隔である。なお、面間隔は、光軸に沿って逆追跡の方向を正として示してある。
【００５０】
また、各面において、非回転対称な非球面形状は、その面を規定する座標上で、Ｒｙ 、Ｒｘ はそれぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内での近軸曲率半径、Ｋｘ 、Ｋｙ はそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲはそれぞれＺ軸に対して回転対称な４次、６次、８次、１０次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰはそれぞれＺ軸に対して回転非対称な４次、６次、８次、１０次の非球面係数とすると、非球面式は以下に示す通りである。
【００５１】
【００５２】
さて、以下に示す実施例は全て右眼用の画像表示装置であり、左眼用は構成す光学要素を全てＹ−Ｚ面に対称に配備することで実現できる。
また、実際の装置においては、接眼光学系によって光軸が屈曲する方向は、観察者の上方あるいは下方、側方何れの方向にあってもよいことは言うまでもない。
【００５３】
それぞれの断面図において、図中、７は観察者瞳位置、８は観察者視軸、１は接眼光学系の第１面、２は接眼光学系の第２面、３は接眼光学系の第３面、４は接眼光学系の第４面、９は画像表示素子、１０は接眼光学系、１１は偏心プリズム、１２はＤＯＥ、１３は屈折率分布レンズ（以下、ＧＲＩＮ）である。
【００５４】
各実施例における実際の光線経路は、比較例を例にとると、画像表示素子９から発した光線束は、接眼光学系１０の第１面１で屈折して接眼光学系１０に入射し、第４面（第３面３が兼ねる）４で内部反射し、第２面４で反射されて、再び第３面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳７として観察者の眼球内に投影される。
【００５５】
比較例
この比較例は、図７に断面を示すが、実施例１〜６の基本的な偏心プリズム１１に関するものである。この接眼光学系１０の水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
【００５６】
この比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムを図２６〜図２８に示す。これらの図において、スポットダイアグラムの左側の４つの数字の中、上段の２つの数字は、長方形の画面中央の座標（Ｘ，Ｙ）を（０．００，０．００）、右端中央の座標を（０、００，−１．００）、右上隅の座標を（１．００，−１．００）、上端中央の座標を（１．００，０．００）のように表現した場合の相対座標（Ｘ，Ｙ）を示し、下段の２つの数字は、視軸（画面中央）に対して上記座標（Ｘ，Ｙ）方向がなす角度のＸ成分、Ｙ成分（度表示）を示す。
【００５７】
実施例１
本実施例は、図１に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の射出瞳７と偏心プリズム１１の間に略ノンパワーのＤＯＥ１２を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、５、６、７面はアナモフィック非球面であり、８面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図８〜図１０に示す。
【００５８】
実施例２
本実施例は、図２に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーのＤＯＥ１２を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図１１〜図１３に示す。
【００５９】
実施例３
本実施例は、図３に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーで両面平面のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図１４〜図１６に示す。
【００６０】
実施例４
本実施例は、図４に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の射出瞳７と偏心プリズム１１の間に略ノンパワーで両面平面のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、４、５、６面はアナモフィック非球面であり、７面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図１７〜図１９に示す。
【００６１】
実施例５
本実施例は、図５に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーで画像表示素子９側に凹面を向けたメニスカス形状のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図２０〜図２２に示す。
【００６２】
実施例６
本実施例は、図６に断面を示すが、水平画角４５．４°、垂直画角３４．４°、瞳経４ｍｍである。この実施例は、比較例１の偏心プリズム１１と画像表示素子９の間に略ノンパワーで画像表示素子９側に凸面を向けたメニスカス形状のＧＲＩＮ１３を配置した例である。後記する構成パラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球面であり、５面は平面である。
この実施例の収差補正状態を示す図２６〜図２８と同様なスポットダイアグラムを図２３〜図２５に示す。
【００６３】
次に、上記実施例１〜６及び比較例の構成パラメータを示す。なお、ＧＲＩＮに１３関しては、前記のＮ１ｄ，Ｎ１Ｆ，Ｎ１Ｃも示してある。
【００６４】
さて、以上のような本発明の３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体に残留する色収差、像面湾曲等をＤＯＥ又はＧＲＩＮを用いて補正した接眼光学系を２組使用することによって、片目を閉じて観察像を観察する必要がなくなる。両眼で観察できると、観察者にとって疲れない観察が可能となる。また、両眼に視差のある画像を提示することによって、立体像としての観察も可能となる。また、本発明の接眼光学系を２組使用し、観察者頭部に支持する支持機構を付けることによって、楽な姿勢で観察像を観察することが可能となる。
【００７２】
上記のように、本発明による接眼光学系を用い、この光学系と画像表示素子からなる組を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着式画像表示装置のような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。このようなポータブル型の画像表示装置の１例の全体の構成を図３２に示す。表示装置本体５０には、上記のような接眼光学系が左右１対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子が配置されている。本体５０に左右に連続して図示のような側頭フレーム５１が設けられ、両側の側頭フレーム５１は頭頂フレーム５２でつながれており、また、両側の側頭フレーム５１の中間には板バネ５３を介してリアフレーム５４が設けてあり、リアフレーム５４を眼鏡のツルのように観察者の両耳の後部に当て、また、頭頂フレーム５２を観察者の頭頂に載せることにより、表示装置本体５０を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、頭頂フレーム５２の内側には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッド５５が取り付けてあり、同様にリアフレーム５４の内側にも同様なパッドが取り付けられており、この表示装置を頭部に装着したときに違和感を感じないようにしてある。
【００７３】
また、リアフレーム５４にはスピーカ５６が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ５６を有する表示装置本体５０には、映像音声伝達コード５７を介してボータブルビデオカセット等の再生装置５８が接続されているので、観察者はこの再生装置５８を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像、音響を楽しむことができるようになっている。図示の５９は再生装置５８のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、頭頂フレーム５２の内部に、映像処理・音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【００７４】
なお、コード５７は先端をジャックにして、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観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よい。
【００７５】
以上、本発明の画像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００７６】
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。
【００７７】
〔１〕 画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を中間実像を結像することなく観察者の眼球に導く接眼光学系と、前記画像表示素子及び接眼光学系を観察者の頭部又は顔面に保持する保持手段とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを有する光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、かつ、
前記画像表示素子から観察者の瞳の間の何れかの位置に補正光学素子が配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記補正光学素子で発生する収差の符号が逆になっていることを特徴とする画像表示装置。
【００７８】
〔２〕 前記光学部材の前記第１面、第２面、第３面に囲まれた領域が、屈折率が１を越える透明媒質によって満たされていることを特徴とする上記〔１〕記載の画像表示装置。
【００７９】
〔３〕 前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材に入射した光が前記第２面で反射する前に反射するように配置された第４面を備えていることを特徴とする上記〔２〕記載の画像表示装置。
【００８０】
〔４〕 前記第４面は前記第３面と同一の面であることを特徴とする上記〔３〕記載の画像表示装置。
【００８１】
〔５〕 前記第２面は裏面反射鏡であることを特徴とする上記〔４〕記載の画像表示装置。
【００８２】
〔６〕 前記の４つの面の中、第１面の透過面と第４面の反射面が同一の面であることを特徴とする上記〔５〕記載の画像表示装置。
【００８３】
〔７〕 前記の４つの面の中、第３面の透過面と第４面の反射面が同一の面であることを特徴とする上記〔５〕記載の画像表示装置。
【００８４】
〔８〕 前記接眼光学系の同一の面に入射する光線が、一つの光路では臨界角を越えて入射して反射され、他の光路では臨界角以下の入射角で入射して透過するように配置されていることを特徴とする上記〔２〕から〔７〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００８５】
〔９〕 前記補正光学素子が回折光学素子であることを特徴とする上記〔１〕から〔８〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００８６】
〔１０〕 前記補正光学素子が屈折率分布型レンズであることを特徴とする上記〔１〕から〔８〕の何れか１項記載の画像表示装置。
【００８７】
〔１１〕 前記回折光学素子を前記光学部材と観察者眼球の間に配置することを特徴とする上記〔９〕記載の画像表示装置。
【００８８】
〔１２〕 前記回折光学素子を前記光学部材と前記画像表示素子の間に配置することを特徴とする上記〔９〕記載の画像表示装置。
【００８９】
〔１３〕 前記回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
−１＜１／ｆ＜１ ・・・（ａ）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の画像表示装置。
【００９０】
〔１４〕 前記回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
−０．１＜１／ｆ＜０．１ ・・・（ａ’）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１３〕記載の画像表示装置。
【００９１】
〔１５〕 前記回折光学素子の焦点距離をｆ（ｍｍ）とするとき、
０＜１／ｆ＜０．０１ ・・・（ａ”）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１４〕記載の画像表示装置。
【００９２】
〔１６〕 前記屈折率分布型レンズを前記光学部材と観察者眼球の間に配置することを特徴とする上記〔１０〕記載の画像表示装置。
【００９３】
〔１７〕 前記屈折率分布型レンズを前記光学部材と前記画像表示素子の間に配置することを特徴とする上記〔１０〕記載の画像表示装置。
【００９４】
〔１８〕 前記屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折率をＮ１とするとき、
０．５＜Ｎ０／Ｎ１＜１．５ ・・・（ｂ）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１６〕又は〔１７〕記載の画像表示装置。
【００９５】
〔１９〕 前記屈折率分布型レンズの中心の屈折率をＮ０、周辺の屈折率をＮ１とするとき、
０．８＜Ｎ０／Ｎ１＜１．２ ・・・（ｂ’）
なる条件を満足することを特徴とする上記〔１８〕記載の画像表示装置。
【００９６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の画像表示装置においては、３面又は４面の光学面で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満たされた偏心プリズム単体の透過面で発生する色収差、像面湾曲等を、画像表示素子から観察者の瞳の間の何れかの位置に補正光学素子を配置し、その補正光学素子に符号が逆の収差を発生させることによって補正するものであり、補正光学素子にはこれらの収差補正に有効なＤＯＥ、屈折率分布型レンズを用いることによって、画像表示素子の画素密度が上がっても、残存収差、特に色収差を十分に補正して、サイズがコンパクトで広画角で画面全体に明瞭な画像を表示可能な頭部又は顔面装着式画像表示装置を得ることができる。
【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路を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例５の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例６の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図７】比較例の画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図８】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図９】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１０】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図１１】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図１２】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１３】実施例２の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図１４】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図１５】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１６】実施例３の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図１７】実施例４の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図１８】実施例４の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図１９】実施例４の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２０】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図２１】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図２２】実施例５の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２３】実施例６の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図２４】実施例６の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図２５】実施例６の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２６】比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの一部である。
【図２７】比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの他の一部である。
【図２８】比較例の収差補正状態を示すスポットダイアグラムの残りの部分である。
【図２９】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３０】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３１】超高屈折率レンズ（ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ ）の説明図である。
【図３２】本発明による接眼光学系を組み込んだポータブル型の画像表示装置の１例の全体の構成を示す図である。
【図３３】本出願人の１つの提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３４】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３５】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３６】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３７】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３８】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図３９】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図４０】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【図４１】本出願人の別の提案に係る画像表示装置の光路を説明するための図である。
【符号の説明】
１…第１面
２…第２面
３…第３面
４…第４面
５…第５面
６…第６面
７…観察者の瞳
８…観察者視軸
９…画像表示素子
１０…接眼光学系
１１…偏心プリズム
１２…回折光学素子（ＤＯＥ）
１３…屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）
５０…表示装置本体
５１…側頭フレーム
５２…頭頂フレーム
５３…板バネ
５４…リアフレーム
５５…頭頂パッド
５６…スピーカ
５７…映像音声伝達コード
５８…再生装置
５９…スイッチ、ボリューム等の調節部
Claims (9)
- 画像を表示する画像表示素子と前記画像表示素子に表示された画像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記接眼光学系が、画像表示素子に対向して配置された第１面と、観察者視軸上に観察者瞳と対向して傾けて配置された第２面と、観察者視軸上に第２面と観察者瞳との間に配置された第３面とを少なくとも含んだ光学部材を備えており、
前記第２面が反射面であり、前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材の内部に入射し、前記第２面で反射されて前記第３面を透過して観察者の眼球に導かれ、
前記第１面と前記第２面と前記第３面とが、それぞれ独立した面にて構成され、
前記第１面と前記第２面と前記第３面の少なくとも１面は、光束にパワーを与える曲面形状にて構成され、かつ、前記曲面は、偏心収差を補正する非回転対称な非球面形状にて構成され、
さらに、前記画像表示素子と前記光学部材の間に平行平板に設けられた回折光学素子が配置され、前記光学部材の透過面で発生する収差と前記回折光学素子で発生する収差の符号が逆になっていることを特徴とする画像表示装置。 - 前記光学部材の前記第１面、第２面、第３面に囲まれた領域が、屈折率が１を越える透明媒質によって満たされていることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
- 前記画像表示素子から射出した光線が前記第１面を透過して前記光学部材に入射した光が前記第２面で反射する前に反射するように配置された第４面を備えていることを特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
- 前記の４つの面の中、第３面の透過面と第４面の反射面が同一の面であることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
- 前記第２面は裏面反射鏡であることを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
- 前記の４つの面の中、第１面の透過面と第４面の反射面が同一の面であることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
- 前記の４つの面の中、第１面の透過面と第２面の反射面が同一の面であることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
- 前記の４つの面の中、第４面は、第１面と第２面と第３面の各面と、それぞれ独立した面として配置されたことを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
- 前記接眼光学系の同一の面に入射する光線が、一つの光路では臨界角を越えて入射して反射され、他の光路では臨界角以下の入射角で入射して透過するように配置されていることを特徴とする請求項４、６、７の何れか１項記載の画像表示装置。
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