JP3683339B2 - 頭部装着型画像表示装置 - 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型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭部又は顔面装着型画像表示装置の従来の周知なものとして、特開平３ー１０１７０９号のものがある。図２４（ａ）に全体の光学系を、図２４（ｂ）にその接眼光学系の部分を示すように、この画像表示装置は、画像表示素子の表示画像を正レンズよりなるリレー光学系にて空中像として伝達し、凹面反射鏡からなる接眼光学系でこの空中像を拡大して観察者の眼球内に投影するものである。
【０００３】
また、従来の他のタイプのものとして、米国特許第４，６６９，８１０号のものがある。この装置は、図２５に示すように、ＣＲＴの画像をリレー光学系を介して中間像を形成し、反射ホログラフィック素子とホログラム面を有するコンバイナによって観察者の眼に投影するものである。
【０００４】
また、従来の他のタイプの画像表示装置として、特開昭６２ー２１４７８２号のものがある。この装置は、図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、画像表示素子を接眼レンズで拡大して直接観察できるようにしたものである。
【０００５】
さらに、従来の他のタイプの画像表示装置として、米国特許第４，０２６，６４１号のものがある。この装置は、図２７に示すように、画像表示素子の像を伝達素子で湾曲した物体面に伝達し、その物体面をトーリック反射面で空中に投影するようにしたものである。
【０００６】
また、従来の他のタイプの画像表示素子として、米国再発行特許第２７，３５６号のものがある。この装置は、図２８に示すように、半透過凹面鏡と半透過平面鏡によって物体面を射出瞳に投影する接眼光学系である。
【０００７】
その他、米国特許第４，３２２，１３５号、米国特許第４，９６９，７２４号、欧州特許第０，５８３，１１６Ａ２号、特開平７−３３３５５１号のものも知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来技術では、光学系を構成する反射面と透過面が球面や回転対称非球面、トーリック面、アナモルフィック面等で構成されていたために、光線収差とディストーションを同時に良好に補正することが不可能であった。
【０００９】
観察画像の収差が良好に補正され、なおかつ、ディストーションが良好に補正されていないと、観察者に観察像が歪んで観察されてしまい、左右眼で対称でない歪みが生じた場合には、融像できなくなったり、図形等を表示する場合には、その図形等が歪んで観察され、正しい形状を認識することができなくなってしまう。
【００１０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い画角においても明瞭で、歪みの少ない観察像を与える頭部装着型画像表示装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
−０．０１５＜ＣＸn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（４−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１、３〜６）をＣＸn2Ｍとする。
【００１２】
本発明のもう１つの頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
−０．０１５＜ＣＹn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（６−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。
【００１３】
本発明のさらにもう１つの頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
ただし、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとする。
【００１４】
本発明の他の頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
ただし、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとする。
【００１５】
以下に、本発明において、上記のような構成、特に、頭部装着型画像表示装置の接眼光学系において面対称自由曲面を利用した構成をとる理由と作用について説明する。
まず、最初に、説明の便のため、本発明の頭部装着型画像表示装置に用いる接眼光学系の代表的なものを図１５〜図２２に例示する。
【００１６】
図１５の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第１面３で内部反射し、第２面４で反射されて、再び第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００１７】
図１６の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第４面９で内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００１８】
図１７の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第４面９で内部反射し、第３面５に入射して今度は内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００１９】
図１８の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第２面４で内部反射し、第４面９に入射して内部反射し、第２面４に再度入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２０】
図１９の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第２面４で屈折して接眼光学系７に入射し、第３面５で内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第４面９で内部反射し、第２面４に再度入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２１】
図２０の場合は、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第１面３で内部反射し、再び第３面５に入射して今度は内部反射し、第１面３で内部反射し、第２面４で反射されて、三たび第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２２】
図２１の場合は、画像表示素子６から発した光線束は、第１面３で屈折して接眼光学系７に入射し、第３面５で内部反射し、再び第１面３に入射して今度は内部反射し、第３面５で再度内部反射し、三たび第１面３に入射して内部反射し、第２面４で反射されて、四たび第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２３】
図２２の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第２面４で内部反射し、第１面３で内部反射し、第２面４で再度反射されて、再び第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２４】
このように、本発明において、接眼光学系の面番号は、原則として射出瞳１から画像表示素子６に到る逆光線追跡の順に付してあり、また、典型的には、図１５の接眼光学系７を前提にして説明するが、もちろん、本発明は図１５の光学系に限定されるものではなく、図１６〜図２２の光学系、及び、公知のその他の光学系に適用できるものである。
【００２５】
次に、以下の説明において用いる座標系について説明する。図１５に示すように、射出瞳１中心を通り、被観察像を形成する像形成手段である画像表示素子６中心に到達する軸上主光線が瞳１を射出し接眼光学系７の第１面３に交差するまでの直線によって定義される視軸２をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、接眼光学系７を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、視軸２と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸ととる。
また、以下の説明においては、光線の追跡方向は、特別に説明のない限り、瞳１から被観察像を形成する像形成手段６に向かう逆光線追跡で説明する。
【００２６】
さて、一般に、少ない面数で収差を良好に補正するためには、非球面等が用いられる。一般に、球面レンズ系では球面で発生する球面収差とコマ収差、像面湾曲等の収差を他の面で補正する構成になっている。そこで、この球面で発生する各種収差自体を少なくするために、非球面が用いられる。これは、１つの面で発生する各種収差の発生を少なくし、収差補正を行う面を少なくし、全体の構成面数を少なくするためである。
【００２７】
しかし、本発明の頭部装着型画像表示装置に用いる接眼光学系のように偏心して配置されている光学系においては、従来の回転対称非球面では補正できない偏心による収差が発生する。偏心により発生する収差は、コマ収差、非点収差、像歪み、像面湾曲等がある。従来のものでは、これらの収差を補正するためにトーリック面やアナモルフィック面等を使用した例はあるが、偏心により発生する非点収差に重点が置かれ、広画角で小型であり、かつ、像歪みまで十分な収差補正が行われたものはなかった。
【００２８】
現在までに行われた収差補正の手段をここに紹介する。
凹面鏡と凸面鏡の配置が像面湾曲収差に良い効果を発揮することは、本出願人の特願平５−２６４８２８号に詳しく述べられており、傾いた凹面鏡が発生する収差については特願平６−１２７４５３号等に述べられている。
また、傾いた凹面鏡により発生する非点収差についても本出願人の特願平６−２１１０６７号、また、特願平６−２５６６７６号に述べられている。
さらに、傾いた凹面鏡により発生する台形や弓なりの像歪みに関しては、特開平５−３０３０５６号に述べられている。
【００２９】
しかしながら、これらの収差を同時にしかも良好に補正することは、トーリック面やアナモルフィック面、回転対称非球面、球面では満足な結果を得られなかった。
【００３０】
本発明は上記収差を同時にしかも良好に補正するために、面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面を使用したことを特徴としている。
【００３１】
ここで、本発明の自由曲面とは、以下の式で定義されるものである。
このような自由曲面を少なくとも１面の反射作用を有する反射面として使うことにより、傾いた反射面、例えば後記する実施例の第２面に、前記のように、偏心方向をＹ軸、観察者眼球の視線方向をＺ軸、Ｙ軸及びＺ軸と直交する軸をＸ軸とすると、Ｘ軸上の任意の位置のＹ方向の傾きを任意に与えることができる。これは偏心して配置された凹面鏡で発生する像歪み、特に、Ｘ軸方向の像高により変化し、Ｙ軸方向に発生する像歪みを補正することができる。つまり、結果として、水平線が弓なりになって観察される像歪みを良好に補正することが可能となる。
【００３２】
次に、偏心して配置された凹面鏡により発生する台形の歪みについて説明する。この像歪みは、観察者眼球からの逆追跡により説明すると、眼球から射出したＸ軸方向に広がりを持った光線は、偏心して配置された第２面に当たって反射されるが、第２面のＹ軸正の方向の光線とＹ軸負側の光線の光路長の違いによりＸ軸方向の広がりが大きく異なってから第２面によって反射される。このため、Ｙ軸正方向の像の大きさとＹ軸負方向の像の大きさが異なって結像され、結果として観察像が台形の歪みを持ってしまうものである。
【００３３】
この歪みに対しても、自由曲面を使うことによって補正することが可能となる。これは、自由曲面が定義式（ａ）より明らかなように、Ｙ軸の正負によってＸ軸方向に曲率を任意に変えることが可能なＹの奇数次項とＸの偶数次項を持っているためである。
【００３４】
次に、回転対称な像歪みについて説明する。本発明の接眼光学系ように、例えば第２面の凹面から離れた位置に光学系の瞳があり、かつ、画角が広い光学系では、瞳面側からの逆光線追跡において糸巻型の回転対称な像歪みが大きく発生する。この像歪みの発生を抑えるためには、反射面の周辺の面の傾きを大きくすることによって可能となる。
【００３５】
次に、偏心して配置された凹面鏡により発生する回転非対称な像面湾曲について説明する。この像面湾曲は観察者眼球からの逆追跡により説明すると、眼球から射出したＸ軸方向に広がりを持った光線は、偏心して配置された第２面に当たって反射されるが、光線が当たって以降の像面（像形成手段）までの距離は、光線が当たった部分の曲率の半分である。つまり、偏心して配置された凹面鏡の反射後の光線の進む方向に対して傾いた像面を形成する。自由曲面を使うことにより、Ｙ軸上の正負の方向に対して任意の点のＸ軸とＹ軸方向の曲率を任意に与えることができる。これは自由曲面が定義式より明らかなように、Ｙ軸の正負によって曲率を任意に変えることが可能なＹの奇数次項を持っているためである。これは、偏心して配置された凹面鏡で発生する回転非対称な像面湾曲、特に像面の傾きを補正することに対して有効に作用する。
【００３６】
次に、回転対称な像面湾曲について説明する。反射鏡により一般的に反射面に沿った像面湾曲が発生する。本発明の接眼光学系の場合は、一般には上に述べたように凹面鏡と対をなした凸面鏡により像面湾曲を補正できる構成になっているが、面数が少ないために完全には補正されない。この補正しきれない像面湾曲を補正するためには、任意の場所で任意の曲率を与えることができる自由曲面は、その収差補正上好ましい。
【００３７】
さらに、非点収差に対しては、Ｘ軸方向の２次微分あるいは曲率とＹ軸方向の２次微分あるいは曲率の差を適切に変えることによって可能となる。
【００３８】
また、コマ収差に対しては、前記の弓なりの像歪みと同じ考え方で、Ｘ軸上の任意の点のＹ方向の傾きを任意に与えることで補正することができる。
【００３９】
さらに好ましくは、光学部品製作性を考慮すると、自由曲面は必要最低限にすることが望ましい。そこで、少なくとも３つの面の中の１つの反射面、例えば第２面を上記自由曲面とし、他の面を平面若しくは球面又は偏心した回転対称面にすることによって製作性を上げることが可能となる。
【００４０】
接眼光学系の射出瞳に面した反射面である第２面は、他の面に比べて強い反射屈折力を持つため、収差の発生を抑えたい場合に自由曲面が有効である。
【００４１】
また、接眼光学系の射出瞳に面した屈折面、反射面兼用の第１面を自由曲面で構成することによって、コマ収差の発生を抑えることができる。これは、第１面が反射面として作用する場合に、軸上主光線に対して大きく傾いて配置されているためである。
【００４２】
さらに、第３面を自由曲面にすることによって、像歪みの発生を補正することができる。これは、第３面が結像位置に近接して配置されているために、他の収差を悪化させることなく像歪みを補正するのに良い結果を与えるためである。
【００４３】
さらに、２つの面を自由曲面にすることによって、各収差はより一層補正できることは言うまでもない。例えば、第２面と第３面を自由曲面とすると、第１面を平面とすることが可能となり、接眼光学系を構成する光学素子の製作性を向上できる。また、第１面は球面でも回転対称非球面でも構成することが可能である。
【００４４】
そして、本発明においては、上記の自由曲面は少なくとも１面の反射作用を有する反射面に用いられ、その場合のその反射面の面形状を、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面としている。これは、例えば図１５のように座標系をとった場合に、偏心して配置される面の偏心方向を含む面であるＹ−Ｚ面が対称面となるような自由曲面とすることで、逆光線追跡における結像面の像もそのＹ−Ｚ面が対称面として両側で対称にすることができ、収差補正の労力が大幅に削減できるためである。
【００４５】
なお、本発明における反射作用を有する反射面には、全反射面、ミラーコート面、半透過反射面等の反射作用を有する全ての反射面が含まれる。
【００４６】
さて、以上のように、接眼光学系の少なくとも１面の反射面に対称面を１つのみ有する面対称自由曲面を用いた場合に、さらに、以下の条件を満足することによって広画角で、かつ、収差補正の行われた接眼光学系を提供することができる。
【００４７】
まず、上述の定義に従ってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が決まったとき、瞳位置中心を射出し、画像表示素子に入射する主光線の中、Ｘ方向画角ゼロ、Ｘ方向最大画角、Ｙ正方向最大画角、Ｙ方向画角ゼロ、Ｙ負方向最大画角のＸ方向、Ｙ方向の組み合わせにより、次の表−１のように６つの主光線が定まる。
【００４８】
【００４９】
すなわち、上記の表−１中に記載したように、画面中心の視軸方向の軸上主光線を▲２▼とし、上側中心画角の主光線を▲１▼、右上画角の主光線を▲４▼、右中心画角の主光線を▲５▼、右下画角の主光線を▲６▼、下側中心画角の主光線を▲３▼とする。そして、これらの主光線▲１▼〜▲６▼が各面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域で各面の形状を定義する式（Ｚ軸を面の軸として表した式、あるいは、その面を偏心がないとして、Ｚ＝ｆ（Ｘ，Ｙ）の形式で表した式）の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ１〜ＣＹ６とする。また、それと直交するＸ軸方向の曲率をＣＸ１〜ＣＸ６とする。
【００５０】
まず、接眼光学系の射出瞳に面した反射面である第２面において、ＣＸ２をＣＸ２2 、ＣＹ２をＣＹ２2 で表すと、
０．００１＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−１）
０．００１＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−２）
なる条件を共に満足することが望ましい。
【００５１】
これは、面対称自由曲面としての反射面の第２面の軸上主光線に対する反射屈折力をゼロ以外にすることによって、瞳と結像面（画像表示素子面）との間の距離が縮小でき、頭部装着型画像表示装置をコンパクトで軽量に構成できるために設定した条件である。共に下限の０．００１を越えると、コンパクトな接眼光学系を構成することが困難になる。
【００５２】
さらに好ましくは、第２面の曲率ＣＸ２2 、ＣＹ２2 が、
０．００５＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−1'）
０．００５＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−2'）
なる条件を共に満足することが望ましい。このようにすることによって、頭部装着型画像表示装置の接眼光学系の最も大きな屈折力を担う第２面の凹面鏡に本発明の面対称自由曲面を導入して、全系の像歪み、非点収差、コマ収差等の諸収差を良好に補正することができる。
【００５３】
さて、射出瞳中心を通り、被観察像中心に達する軸上主光線▲２▼が、光学系中最も大きな反射屈折力を持つ面に当たる部分のＹ方向の曲率をＣＹ２Ｍ、Ｘ方向の曲率をＣＸ２Ｍとするとき、
０．０５５＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２ ・・・（２−１）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００５４】
これは、偏心して配置されている反射鏡で非点収差の発生を少なくするために必要となる条件である。球面の場合、ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＝１となるが、偏心して配置された球面では、像歪みを初め、非点収差、コマ収差等が大きく発生する。そのため、球面で偏心面を構成すると、軸上において非点収差を完全に補正することが困難になり、非点収差が残留することになり、視野中心においても鮮明な観察像を観察することが難しくなる。これらを補正するためには、対称面を１面しか持たない面で光学系中最も大きな反射屈折力を持つ反射面を構成し、なお、かつ、上記条件式（２−１）を満足することにより、初めて各収差が良好に補正され、しかも軸上においても非点収差のない観察像を観察することが可能となる。上限の２と下限の０．０５５については、非点収差が大きく発生しないための限界である。
【００５５】
さらに好ましくは、
０．１＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２．０ ・・・（２−２）
なる条件を満足することが重要である。
【００５６】
また、さらに好ましくは、
０．８＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜１．５ ・・・（２−３）
なる条件を満足することが重要である。
【００５７】
また、さらに好ましくは、
１．０＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜１．３５ ・・・（２−４）
なる条件を満足することが重要である。
【００５８】
上記条件式（２−２）〜（２−４）の上限と下限の意味は、条件式（２−１）と同じであるが、観察像の明るさにより変化する観察者眼球の瞳径により、非点収差の許容値が異なるため、瞳径が大きくなる程条件式（２−４）を満足することが好ましい。
なお、後記実施例では、第２面が最も大きな反射屈折力を持っている。
【００５９】
次に、反射面の反射屈折力に関する条件式を示す。本発明の特徴である反射面に光学系全体の中の主な屈折力を与える偏心光学系では、各像位置毎に異なる収差が発生するので、反射面の形状を変化させて各収差の補正を行わなければならなく、その量は反射面の場所により微妙に異なる。しかし、次に述べる条件式を満足することが重要である。この条件は、全ての反射面の軸上主光線▲２▼が各面で反射する部分のＸ方向の曲率ＣＸ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＸ方向の曲率ＣＸｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＸｎ−ＣＸ２をＣＸn2とし、その全ての値が、
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（３−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００６０】
上記条件式（３−１）の上限の０．１と下限の−０．０１５を越えると、有効領域内の面の曲率が大きくなりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００６１】
さらに好ましくは、
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．０５ （１／ｍｍ） ・・・（３−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°を越える場合に重要となってくる。
【００６２】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＸn2＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（３−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。上記条件式（３−２）、（３−３）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００６３】
次に、接眼光学系の中で最も強い屈折力を持つ面では、さらに以下に述べる条件式を満足することが重要になる。これは、（３−１）条件式と同様に偏心して配置された対称面を１面しか持たない面で発生する収差の全てをバランス良く補正するために重要な条件である。
【００６４】
光学系中で最も強い反射屈折力を持つ反射面で軸上主光線▲２▼が反射する部分のＸ方向の曲率ＣＸ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＸ方向の曲率ＣＸｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＸｎ−ＣＸ２をＣＸn2Ｍとし、その全ての値が、
−０．０１５＜ＣＸn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（４−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００６５】
上記条件式の上限の０．１と下限の−０．０１５を越えると、有効領域内の面の曲率が大きく異なりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００６６】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＸn2Ｍ＜０．０５ （１／ｍｍ） ・・・（４−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°を越える場合に重要となってくる。
【００６７】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＸn2Ｍ＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（４−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。上記条件式（４−２）、（４−３）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００６８】
次に、上記条件式（３−１）と同様に、反射面全体の軸上主光線▲２▼が各面で反射する部分のＹ方向の曲率ＣＹ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＹ方向の曲率ＣＹｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＹｎ−ＣＹ２をＣＹn2とし、その全ての値が、
−０．１＜ＣＹn2Ａ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（５−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００６９】
上記条件式（５−１）の上限の０．１と下限の−０．１を越えると、有効領域内の面の曲率が大きく異なりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００７０】
さらに好ましくは、
−０．０５＜ＣＹn2Ａ＜０．０５ （１／ｍｍ） ・・・（５−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°前後の場合に重要となってくる。
【００７１】
さらに好ましくは、
−０．０２＜ＣＹn2Ａ＜０．０２ （１／ｍｍ） ・・・（５−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°前後の場合に重要となってくる。
【００７２】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＹn2Ａ＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（５−４）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。
【００７３】
上記条件式（５−２）〜（５−４）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００７４】
次に、接眼光学系の中で特に強い反射屈折力を持つ面では、さらに以下に述べる条件式を満足することが重要になる。これは、前記（３−１）の条件式と同様に、偏心して配置された対称面を１面しか持たない面で発生する収差の全てをバランス良く補正するために重要な条件である。
【００７５】
光学系中で最も強い反射屈折力を持つ反射面で軸上主光線▲２▼が反射する部分のＹ方向の曲率ＣＹ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＹ方向の曲率ＣＹｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＹｎ−ＣＹ２をＣＹn2Ｍとし、その全ての値が、
−０．０１５＜ＣＹn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（６−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００７６】
上記条件式（６−１）の上限の０．１と下限の−０．０１５を越えると、有効領域内の面の曲率が大きく異なりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００７７】
さらに好ましくは、
−０．０２＜ＣＹn2Ｍ＜０．０２ （１／ｍｍ） ・・・（６−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°を越える場合に重要となってくる。
【００７８】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＹn2Ｍ＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（６−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。上記条件式（６−２）、（６−３）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００７９】
次に、有効面内の各主光線が面に当たる領域のＸ方向の曲率／Ｙ方向の曲率の値である｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとするとき、全ての反射面のＣＸＹＡの値が、
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
なる条件式を満足することが重要である。
【００８０】
これは、有効領域のＸ方向の結像位置とＹ方向の結像位置の較差に相当し、非点収差が良好に補正されているための条件である。上限の４０を越えると、Ｘ方向とＹ方向の結像位置の差が大きくなりすぎ、他の面で補正することが不可能となってしまう。ただし、トーリック面等のＹとＸ軸の両方に対して対称性を持つ面の場合は、本条件内に入るが、コマ収差と像歪みの発生が大きくなる。
【００８１】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＡ＜２０ ・・・（７−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８２】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＡ＜１０ ・・・（７−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８３】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＡ＜６ ・・・（７−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８４】
次に、光学系中最も反射屈折力を有する面のＸ方向の曲率／Ｙ方向の曲率の値である｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとするとき、その値が、
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
なる条件式を満足することが重要である。
【００８５】
これは、有効領域のＸ方向の結像位置とＹ方向の結像位置に相当し、非点収差が良好に補正されているための条件である。上限の４０を越えると、Ｘ方向とＹ方向の結像位置の差が大きくなりすぎ、他の面で補正することが不可能となってしまう。ただし、トーリック面等のＹとＸ軸の両方に対して対称性を持つ面の場合は、本条件内に入るが、コマ収差と像歪みの発生が大きくなる。
【００８６】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＭ＜２０ ・・・（８−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８７】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＭ＜１０ ・・・（８−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８８】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＭ＜６ ・・・（８−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件式を満足することが重要である。
【００８９】
次に、接眼光学系の画像表示素子に面した反射面（図１５、図２０のような場合には透過面の第１面が兼ねる。）のＣＸ２／第２面のＣＸ２の値をＣＸ１２とするとき、
−５＜ＣＸ１２＜５ ・・・（９−１）
なる条件を満足することが重要となる。
【００９０】
この条件は、光学系全体の中で主な反射屈折力を持つ第１面と第２面のＸ方向の曲率の比を表しており、光学系から瞳位置までの距離を大きくとり、かつ、被観察像側の射出主光線傾角を被観察像の表示面に垂直に近づけるために必要な従来の近軸パワー配置に関する条件である。下限の−５を越えると、光学系の前側焦点位置が大きくなるが、後側焦点距離が短くなりすぎ、被観察像を表示する面と光学系本体が干渉し、配置できなくなる。また、上限の５を越えると、後側焦点距離は大きくなるが、逆に光学系の前側焦点位置が小さくなりすぎ、眼鏡を掛けての観察がし難くなる。
【００９１】
さらに好ましくは、
０．１＜ＣＸ１２＜２ ・・・（９−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°までの観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００９２】
さらに好ましくは、
０．３＜ＣＸ１２＜１ ・・・（９−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°までの観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（９−１）と同じである。
【００９３】
さらに好ましくは、
０．３＜ＤＤＸ９＜０．８ ・・・（９−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（９−１）と同じである。
【００９４】
次に、接眼光学系の画像表示素子に面した反射面のＣＹ２／第２面のＣＹ２の値をＣＹ１２とするとき、
−５＜ＣＹ１２＜５ ・・・（10−１）
なる条件を満足することが重要となる。
【００９５】
この条件は、光学系全体の中で主な反射屈折力を持つ第１面と第２面のＹ方向の曲率の比を表しており、光学系から瞳位置までの距離を大きくとり、かつ、被観察像側の射出主光線傾角を被観察像の表示面に垂直に近づけるために必要な従来の近軸パワー配置に関する条件である。下限の−５を越えると、光学系の前側焦点位置が大きくなるが、後側焦点距離が短くなりすぎ、被観察像を表示する面と光学系本体が干渉し、配置できなくなる。また、上限の５を越えると、後側焦点距離は大きくなるが、逆に光学系の前側焦点位置が小さくなりすぎ、眼鏡を掛けての観察がし難くなる。
【００９６】
さらに好ましくは、
０．１５＜ＣＹ１２＜４ ・・・（10−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１０−１）と同じである。
【００９７】
さらに好ましくは、
０．２＜ＣＹ１２＜３ ・・・（10−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１０−１）と同じである。
【００９８】
さらに好ましくは、
０．２５＜ＣＹ１２＜１ ・・・（10−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１０−１）と同じである。
【００９９】
次に、接眼光学系の画像表示素子に面した反射面のＣＸ２／ＣＹ２の値をＣＸＹ１１とするとき、
０．３＜ＣＸＹ１１＜４．０ ・・・（11−１）
なる条件を満足することが重要となる。
【０１００】
この条件は、光学系全体の中で最も傾いて軸上主光線が入射する反射面としての第１面の軸上主光線が当たる部分のＸ方向とＹ方向の曲率の比に相当し、主に非点収差に関する。下限の０．３と上限の４．０を越えると共に、この面で反射するときに発生する非点収差が大きくなりすぎ、他の面で補正することが難しくなる。
【０１０１】
さらに好ましくは、
０．６＜ＣＸＹ１１＜３．５ ・・・（11−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１１−１）と同じである。
【０１０２】
さらに好ましくは、
０．７＜ＣＸＹ１１＜３．０ ・・・（11−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１１−１）と同じである。
【０１０３】
さらに好ましくは、
０．８＜ＣＸＹ１１＜２．５ ・・・（11−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１１−１）と同じである。
【０１０４】
さて、以上の条件（１−１）から（１１−４）については、接眼光学系を構成する何れかの反射面の面形状を、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面だけでなく、その面内及び面外共に回転対称軸を有しないアナモルフィック面で形成した場合にも、すなわち、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状にした何れの場合にも適用できる。
【０１０５】
なお、以上の各種条件に関しては、主して図１５に示すような第１面３、第２面４、第３面５からなり、その間が屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で満たされたプリズム部材７を用いる接眼光学系を前提にして説明したが、その他の図１６〜図２２に示すようなプリズム部材７についても同様に適用できる。
【０１０６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の頭部装着型画像表示装置の実施例１〜６について説明する。後述する各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、接眼光学系７の射出瞳１を光学系の原点として、光軸２を画像表示素子６の表示中心と射出瞳１の中心（原点）とを通る光線で定義し、射出瞳１から光軸２に進む方向をＺ軸方向、このＺ軸に直交し射出瞳１中心を通り、光線が接眼光学系７によって折り曲げられる面内の方向をＹ軸方向、Ｚ軸、Ｙ軸に直交し射出瞳１中心を通る方向をＸ軸方向とし、射出瞳１から接眼光学系７に向かう方向をＺ軸の正方向、光軸２から画像表示素子６方向をＹ軸の正方向、そして、これらＺ軸、Ｙ軸と右手系を構成する方向をＸ軸の正方向とする。なお、光線追跡は接眼光学系７の射出瞳１の側を物体側として、画像表示素子６側を像面側とした逆追跡により行っている。
【０１０７】
そして、偏心量Ｙ、Ｚ、傾き量θが記載されている面については、光学系の原点である射出瞳１からのずれ量及びＺ軸に対する傾き角を表している。なお、傾き角は反時計回りの方向を正としている。なお、面間隔については、意味を有しない。
【０１０８】
また、アナモルフィック面の形状は以下の式により定義する。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣＸはＸ軸方向曲率、ＣＹはＹ軸方向曲率、Ｋx はＸ軸方向円錐係数、Ｋy はＹ軸方向円錐係数、Ｒn は非球面項回転対称成分、Ｐn は非球面項回転非対称成分である。なお、後記する実施例の構成パラメータでは、
Ｒx ：Ｘ軸方向曲率半径
Ｒy ：Ｙ軸方向曲率半径
を用いており、曲率ＣＸ、ＣＹとの間には、
Ｒx ＝１／ＣＸ，Ｒy ＝１／ＣＹ
の関係にある。
【０１０９】
また、自由曲面の面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
なお、データの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【０１１０】
さて、以下の実施例１〜６の接眼光学系７は、何れも、第１面３、第２面４、第３面５の３つの面からなり、その間が屈折率１より大きい媒質で満たされており、画像表示素子６に対向して配置された透過面の第３面５を経て光学系に入射した画像表示素子６からの表示光は、光軸２上に第２面４と射出瞳１との間に配置された第１面３で反射され、次に、光軸２上に射出瞳１と対向して偏心配置された反射面の第２面４に入射して反射され、その反射光は、第１面３を透過して光学系７から射出して光軸２に沿って進み、中間像を形成することなく射出瞳１の位置にある観察者の瞳に入射し、観察者の網膜上に表示像を結像する。
【０１１１】
この実施例１〜５の光軸２を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図１〜図５に示す。実施例６については図示を省く。構成パラメータは後記するが、実施例１は第１面、第２面共上記（ｂ）式で定義されるアナモルフィック面、第３面は平面であり、実施例２、６は第１面３、第２面４、第３面５何れも上記（ａ）式で定義される自由曲面であり、実施例３、４は第１面３は平面、第２面４、第３面５は何れも上記（ａ）式で定義される自由曲面であり、実施例５は第１面は球面、第２面４、第３面５は何れも上記（ａ）式で定義される自由曲面である。実施例１の観察画角は、水平画角５７．８°、垂直画角３４．５°、瞳径は４ｍｍであり、実施例２の観察画角は、水平画角４０°、垂直画角３０．５°、瞳径は８ｍｍであり、実施例３、５の観察画角は、水平画角４０°、垂直画角３０．５°、瞳径は４ｍｍであり、実施例４の観察画角は、水平画角３５°、垂直画角２６．６°、瞳径は４ｍｍでり、実施例６の観察画角は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳径は４ｍｍである。
【０１１２】
以下に、上記実施例１〜６の構成パラメータを示す。
【０１１３】
【０１１４】
【０１１５】
【０１１６】
【０１１７】
【０１１８】
次に、上記実施例１、２、３、４、５の横収差図をそれぞれ図６〜図８、図９〜図１１、図１２、図１３、図１４に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角，垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１１９】
以下に、本発明の各実施例における前記条件式（１−１）〜（１１−１）に関するパラメータの値を示す（条件式（１−１）、（１−２）は実際の値を示し、その他の上下２段の値を示した条件式については、上段が最小値、下段が最大値を示す。）。
【０１２０】
以上の実施例では、前記定義式（ａ）、（ｂ）の自由曲面、アナモルフィック面で構成したが、あらゆる定義の曲面が使えることは言うまでもない。しかし、どのような定義式を用いようとも、本発明に示されている何れかの条件を満足することにより、また、そのいくつかのものを満足することにより、収差の非常に良く補正された接眼光学系を得られることは言うまでもない。なお、偏心を無視した面の定義座標系の中心で規定される面の曲率、面の焦点距離等の従来の無偏心系で使われる条件式は、本発明のように各面が大きく偏心して配置されている場合には、何らの意味も持たない。
【０１２１】
なお、以上のような本発明による接眼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型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２３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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
以上の本発明の頭部装着型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。
〔１〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２５】
−０．０１５＜ＣＸn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（４−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１、３〜６）をＣＸn2Ｍとする。
【０１２６】
〔２〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２７】
−０．０１５＜ＣＹn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（６−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。
【０１２８】
〔３〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、
前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２９】
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとする。
【０１３０】
〔４〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、
前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１３１】
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとする。
【０１３２】
〔５〕 前記接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３３】
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとする。
【０１３４】
〔６〕 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕、〔２〕又は〔５〕記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３５】
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとする。
【０１３６】
〔７〕 前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面において、次の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔６〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３７】
０．００１＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−１）
０．００１＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−２）
ただし、前記の第１番目の反射面のＣＸ２をＣＸ２2 、ＣＹ２をＣＹ２2 とする。
【０１３８】
〔８〕 前記接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔７〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３９】
０．０５５＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２ ・・・（２−１）
ただし、前記の最も反射屈折力を有する面のＣＸ２をＣＸ２Ｍ、ＣＹ２をＣＹ２Ｍとする。
【０１４０】
〔９〕 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔８〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４１】
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（３−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１〜６）をＣＸn2とする。
【０１４２】
〔１０〕 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔９〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４３】
−０．１＜ＣＹn2Ａ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（５−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。
【０１４４】
〔１１〕 以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔１０〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４５】
−５＜ＣＸ１２＜５ ・・・（９−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面のＣＸ２／前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面のＣＸ２のＣＸ２の値をＣＸ１２とする。
【０１４６】
〔１２〕 以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔１１〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４７】
−５＜ＣＹ１２＜５ ・・・（10−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面のＣＹ２／前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面のＣＹ２のＣＸ２の値をＣＹ１２とする。
【０１４８】
〔１３〕 前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔１２〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４９】
０．３＜ＣＸＹ１１＜４．０ ・・・（11−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＸ２／ＣＹ２をＣＸＹ１１とする。
【０１５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、広い画角においても明瞭で、歪みの少ない観察像を与える頭部装着型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例５の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図６】本発明の実施例１の接眼光学系の横収差図の一部である。
【図７】本発明の実施例１の接眼光学系の横収差図の残りの一部である。
【図８】本発明の実施例１の接眼光学系の横収差図の残りの部分である。
【図９】本発明の実施例２の接眼光学系の横収差図の一部である。
【図１０】本発明の実施例２の接眼光学系の横収差図の残りの一部である。
【図１１】本発明の実施例２の接眼光学系の横収差図の残りの部分である。
【図１２】本発明の実施例３の接眼光学系の横収差図である。
【図１３】本発明の実施例４の接眼光学系の横収差図である。
【図１４】本発明の実施例５の接眼光学系の横収差図である。
【図１５】本発明が適用できる接眼光学系の１例を示す断面図である。
【図１６】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図１７】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図１８】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図１９】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２０】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２１】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２２】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２３】本発明による頭部装着型画像表示装置の１例の全体の構成を示す図である。
【図２４】従来の１つの頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２５】従来の別の頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２６】従来のさらに別の頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２７】従来のもう１つの頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２８】従来のさらにもう１つ頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【符号の説明】
１…射出瞳位置（観察者瞳位置）
２…観察者視軸（軸上主光線）
３…接眼光学系の第１面
４…接眼光学系の第２面
５…接眼光学系の第３面
６…画像表示素子
７…接眼光学系
９…接眼光学系の第４面
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型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭部又は顔面装着型画像表示装置の従来の周知なものとして、特開平３ー１０１７０９号のものがある。図２４（ａ）に全体の光学系を、図２４（ｂ）にその接眼光学系の部分を示すように、この画像表示装置は、画像表示素子の表示画像を正レンズよりなるリレー光学系にて空中像として伝達し、凹面反射鏡からなる接眼光学系でこの空中像を拡大して観察者の眼球内に投影するものである。
【０００３】
また、従来の他のタイプのものとして、米国特許第４，６６９，８１０号のものがある。この装置は、図２５に示すように、ＣＲＴの画像をリレー光学系を介して中間像を形成し、反射ホログラフィック素子とホログラム面を有するコンバイナによって観察者の眼に投影するものである。
【０００４】
また、従来の他のタイプの画像表示装置として、特開昭６２ー２１４７８２号のものがある。この装置は、図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、画像表示素子を接眼レンズで拡大して直接観察できるようにしたものである。
【０００５】
さらに、従来の他のタイプの画像表示装置として、米国特許第４，０２６，６４１号のものがある。この装置は、図２７に示すように、画像表示素子の像を伝達素子で湾曲した物体面に伝達し、その物体面をトーリック反射面で空中に投影するようにしたものである。
【０００６】
また、従来の他のタイプの画像表示素子として、米国再発行特許第２７，３５６号のものがある。この装置は、図２８に示すように、半透過凹面鏡と半透過平面鏡によって物体面を射出瞳に投影する接眼光学系である。
【０００７】
その他、米国特許第４，３２２，１３５号、米国特許第４，９６９，７２４号、欧州特許第０，５８３，１１６Ａ２号、特開平７−３３３５５１号のものも知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来技術では、光学系を構成する反射面と透過面が球面や回転対称非球面、トーリック面、アナモルフィック面等で構成されていたために、光線収差とディストーションを同時に良好に補正することが不可能であった。
【０００９】
観察画像の収差が良好に補正され、なおかつ、ディストーションが良好に補正されていないと、観察者に観察像が歪んで観察されてしまい、左右眼で対称でない歪みが生じた場合には、融像できなくなったり、図形等を表示する場合には、その図形等が歪んで観察され、正しい形状を認識することができなくなってしまう。
【００１０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い画角においても明瞭で、歪みの少ない観察像を与える頭部装着型画像表示装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
−０．０１５＜ＣＸn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（４−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１、３〜６）をＣＸn2Ｍとする。
【００１２】
本発明のもう１つの頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
−０．０１５＜ＣＹn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（６−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。
【００１３】
本発明のさらにもう１つの頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
ただし、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとする。
【００１４】
本発明の他の頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とするものである。
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
ただし、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとする。
【００１５】
以下に、本発明において、上記のような構成、特に、頭部装着型画像表示装置の接眼光学系において面対称自由曲面を利用した構成をとる理由と作用について説明する。
まず、最初に、説明の便のため、本発明の頭部装着型画像表示装置に用いる接眼光学系の代表的なものを図１５〜図２２に例示する。
【００１６】
図１５の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第１面３で内部反射し、第２面４で反射されて、再び第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００１７】
図１６の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第４面９で内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００１８】
図１７の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第４面９で内部反射し、第３面５に入射して今度は内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００１９】
図１８の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第２面４で内部反射し、第４面９に入射して内部反射し、第２面４に再度入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２０】
図１９の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５、第４面９からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第２面４で屈折して接眼光学系７に入射し、第３面５で内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第４面９で内部反射し、第２面４に再度入射して内部反射し、第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２１】
図２０の場合は、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第１面３で内部反射し、再び第３面５に入射して今度は内部反射し、第１面３で内部反射し、第２面４で反射されて、三たび第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２２】
図２１の場合は、画像表示素子６から発した光線束は、第１面３で屈折して接眼光学系７に入射し、第３面５で内部反射し、再び第１面３に入射して今度は内部反射し、第３面５で再度内部反射し、三たび第１面３に入射して内部反射し、第２面４で反射されて、四たび第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２３】
図２２の場合は、接眼光学系７は第１面３、第２面４、第３面５からなり、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射し、第２面４で内部反射し、第１面３で内部反射し、第２面４で再度反射されて、再び第１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１として観察者の眼球内に投影される。
【００２４】
このように、本発明において、接眼光学系の面番号は、原則として射出瞳１から画像表示素子６に到る逆光線追跡の順に付してあり、また、典型的には、図１５の接眼光学系７を前提にして説明するが、もちろん、本発明は図１５の光学系に限定されるものではなく、図１６〜図２２の光学系、及び、公知のその他の光学系に適用できるものである。
【００２５】
次に、以下の説明において用いる座標系について説明する。図１５に示すように、射出瞳１中心を通り、被観察像を形成する像形成手段である画像表示素子６中心に到達する軸上主光線が瞳１を射出し接眼光学系７の第１面３に交差するまでの直線によって定義される視軸２をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、接眼光学系７を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、視軸２と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸ととる。
また、以下の説明においては、光線の追跡方向は、特別に説明のない限り、瞳１から被観察像を形成する像形成手段６に向かう逆光線追跡で説明する。
【００２６】
さて、一般に、少ない面数で収差を良好に補正するためには、非球面等が用いられる。一般に、球面レンズ系では球面で発生する球面収差とコマ収差、像面湾曲等の収差を他の面で補正する構成になっている。そこで、この球面で発生する各種収差自体を少なくするために、非球面が用いられる。これは、１つの面で発生する各種収差の発生を少なくし、収差補正を行う面を少なくし、全体の構成面数を少なくするためである。
【００２７】
しかし、本発明の頭部装着型画像表示装置に用いる接眼光学系のように偏心して配置されている光学系においては、従来の回転対称非球面では補正できない偏心による収差が発生する。偏心により発生する収差は、コマ収差、非点収差、像歪み、像面湾曲等がある。従来のものでは、これらの収差を補正するためにトーリック面やアナモルフィック面等を使用した例はあるが、偏心により発生する非点収差に重点が置かれ、広画角で小型であり、かつ、像歪みまで十分な収差補正が行われたものはなかった。
【００２８】
現在までに行われた収差補正の手段をここに紹介する。
凹面鏡と凸面鏡の配置が像面湾曲収差に良い効果を発揮することは、本出願人の特願平５−２６４８２８号に詳しく述べられており、傾いた凹面鏡が発生する収差については特願平６−１２７４５３号等に述べられている。
また、傾いた凹面鏡により発生する非点収差についても本出願人の特願平６−２１１０６７号、また、特願平６−２５６６７６号に述べられている。
さらに、傾いた凹面鏡により発生する台形や弓なりの像歪みに関しては、特開平５−３０３０５６号に述べられている。
【００２９】
しかしながら、これらの収差を同時にしかも良好に補正することは、トーリック面やアナモルフィック面、回転対称非球面、球面では満足な結果を得られなかった。
【００３０】
本発明は上記収差を同時にしかも良好に補正するために、面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面を使用したことを特徴としている。
【００３１】
ここで、本発明の自由曲面とは、以下の式で定義されるものである。
【００３２】
次に、偏心して配置された凹面鏡により発生する台形の歪みについて説明する。この像歪みは、観察者眼球からの逆追跡により説明すると、眼球から射出したＸ軸方向に広がりを持った光線は、偏心して配置された第２面に当たって反射されるが、第２面のＹ軸正の方向の光線とＹ軸負側の光線の光路長の違いによりＸ軸方向の広がりが大きく異なってから第２面によって反射される。このため、Ｙ軸正方向の像の大きさとＹ軸負方向の像の大きさが異なって結像され、結果として観察像が台形の歪みを持ってしまうものである。
【００３３】
この歪みに対しても、自由曲面を使うことによって補正することが可能となる。これは、自由曲面が定義式（ａ）より明らかなように、Ｙ軸の正負によってＸ軸方向に曲率を任意に変えることが可能なＹの奇数次項とＸの偶数次項を持っているためである。
【００３４】
次に、回転対称な像歪みについて説明する。本発明の接眼光学系ように、例えば第２面の凹面から離れた位置に光学系の瞳があり、かつ、画角が広い光学系では、瞳面側からの逆光線追跡において糸巻型の回転対称な像歪みが大きく発生する。この像歪みの発生を抑えるためには、反射面の周辺の面の傾きを大きくすることによって可能となる。
【００３５】
次に、偏心して配置された凹面鏡により発生する回転非対称な像面湾曲について説明する。この像面湾曲は観察者眼球からの逆追跡により説明すると、眼球から射出したＸ軸方向に広がりを持った光線は、偏心して配置された第２面に当たって反射されるが、光線が当たって以降の像面（像形成手段）までの距離は、光線が当たった部分の曲率の半分である。つまり、偏心して配置された凹面鏡の反射後の光線の進む方向に対して傾いた像面を形成する。自由曲面を使うことにより、Ｙ軸上の正負の方向に対して任意の点のＸ軸とＹ軸方向の曲率を任意に与えることができる。これは自由曲面が定義式より明らかなように、Ｙ軸の正負によって曲率を任意に変えることが可能なＹの奇数次項を持っているためである。これは、偏心して配置された凹面鏡で発生する回転非対称な像面湾曲、特に像面の傾きを補正することに対して有効に作用する。
【００３６】
次に、回転対称な像面湾曲について説明する。反射鏡により一般的に反射面に沿った像面湾曲が発生する。本発明の接眼光学系の場合は、一般には上に述べたように凹面鏡と対をなした凸面鏡により像面湾曲を補正できる構成になっているが、面数が少ないために完全には補正されない。この補正しきれない像面湾曲を補正するためには、任意の場所で任意の曲率を与えることができる自由曲面は、その収差補正上好ましい。
【００３７】
さらに、非点収差に対しては、Ｘ軸方向の２次微分あるいは曲率とＹ軸方向の２次微分あるいは曲率の差を適切に変えることによって可能となる。
【００３８】
また、コマ収差に対しては、前記の弓なりの像歪みと同じ考え方で、Ｘ軸上の任意の点のＹ方向の傾きを任意に与えることで補正することができる。
【００３９】
さらに好ましくは、光学部品製作性を考慮すると、自由曲面は必要最低限にすることが望ましい。そこで、少なくとも３つの面の中の１つの反射面、例えば第２面を上記自由曲面とし、他の面を平面若しくは球面又は偏心した回転対称面にすることによって製作性を上げることが可能となる。
【００４０】
接眼光学系の射出瞳に面した反射面である第２面は、他の面に比べて強い反射屈折力を持つため、収差の発生を抑えたい場合に自由曲面が有効である。
【００４１】
また、接眼光学系の射出瞳に面した屈折面、反射面兼用の第１面を自由曲面で構成することによって、コマ収差の発生を抑えることができる。これは、第１面が反射面として作用する場合に、軸上主光線に対して大きく傾いて配置されているためである。
【００４２】
さらに、第３面を自由曲面にすることによって、像歪みの発生を補正することができる。これは、第３面が結像位置に近接して配置されているために、他の収差を悪化させることなく像歪みを補正するのに良い結果を与えるためである。
【００４３】
さらに、２つの面を自由曲面にすることによって、各収差はより一層補正できることは言うまでもない。例えば、第２面と第３面を自由曲面とすると、第１面を平面とすることが可能となり、接眼光学系を構成する光学素子の製作性を向上できる。また、第１面は球面でも回転対称非球面でも構成することが可能である。
【００４４】
そして、本発明においては、上記の自由曲面は少なくとも１面の反射作用を有する反射面に用いられ、その場合のその反射面の面形状を、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面としている。これは、例えば図１５のように座標系をとった場合に、偏心して配置される面の偏心方向を含む面であるＹ−Ｚ面が対称面となるような自由曲面とすることで、逆光線追跡における結像面の像もそのＹ−Ｚ面が対称面として両側で対称にすることができ、収差補正の労力が大幅に削減できるためである。
【００４５】
なお、本発明における反射作用を有する反射面には、全反射面、ミラーコート面、半透過反射面等の反射作用を有する全ての反射面が含まれる。
【００４６】
さて、以上のように、接眼光学系の少なくとも１面の反射面に対称面を１つのみ有する面対称自由曲面を用いた場合に、さらに、以下の条件を満足することによって広画角で、かつ、収差補正の行われた接眼光学系を提供することができる。
【００４７】
まず、上述の定義に従ってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が決まったとき、瞳位置中心を射出し、画像表示素子に入射する主光線の中、Ｘ方向画角ゼロ、Ｘ方向最大画角、Ｙ正方向最大画角、Ｙ方向画角ゼロ、Ｙ負方向最大画角のＸ方向、Ｙ方向の組み合わせにより、次の表−１のように６つの主光線が定まる。
【００４８】
すなわち、上記の表−１中に記載したように、画面中心の視軸方向の軸上主光線を▲２▼とし、上側中心画角の主光線を▲１▼、右上画角の主光線を▲４▼、右中心画角の主光線を▲５▼、右下画角の主光線を▲６▼、下側中心画角の主光線を▲３▼とする。そして、これらの主光線▲１▼〜▲６▼が各面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域で各面の形状を定義する式（Ｚ軸を面の軸として表した式、あるいは、その面を偏心がないとして、Ｚ＝ｆ（Ｘ，Ｙ）の形式で表した式）の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ１〜ＣＹ６とする。また、それと直交するＸ軸方向の曲率をＣＸ１〜ＣＸ６とする。
【００５０】
まず、接眼光学系の射出瞳に面した反射面である第２面において、ＣＸ２をＣＸ２2 、ＣＹ２をＣＹ２2 で表すと、
０．００１＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−１）
０．００１＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−２）
なる条件を共に満足することが望ましい。
【００５１】
これは、面対称自由曲面としての反射面の第２面の軸上主光線に対する反射屈折力をゼロ以外にすることによって、瞳と結像面（画像表示素子面）との間の距離が縮小でき、頭部装着型画像表示装置をコンパクトで軽量に構成できるために設定した条件である。共に下限の０．００１を越えると、コンパクトな接眼光学系を構成することが困難になる。
【００５２】
さらに好ましくは、第２面の曲率ＣＸ２2 、ＣＹ２2 が、
０．００５＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−1'）
０．００５＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−2'）
なる条件を共に満足することが望ましい。このようにすることによって、頭部装着型画像表示装置の接眼光学系の最も大きな屈折力を担う第２面の凹面鏡に本発明の面対称自由曲面を導入して、全系の像歪み、非点収差、コマ収差等の諸収差を良好に補正することができる。
【００５３】
さて、射出瞳中心を通り、被観察像中心に達する軸上主光線▲２▼が、光学系中最も大きな反射屈折力を持つ面に当たる部分のＹ方向の曲率をＣＹ２Ｍ、Ｘ方向の曲率をＣＸ２Ｍとするとき、
０．０５５＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２ ・・・（２−１）
なる条件式を満足することが望ましい。
【００５４】
これは、偏心して配置されている反射鏡で非点収差の発生を少なくするために必要となる条件である。球面の場合、ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＝１となるが、偏心して配置された球面では、像歪みを初め、非点収差、コマ収差等が大きく発生する。そのため、球面で偏心面を構成すると、軸上において非点収差を完全に補正することが困難になり、非点収差が残留することになり、視野中心においても鮮明な観察像を観察することが難しくなる。これらを補正するためには、対称面を１面しか持たない面で光学系中最も大きな反射屈折力を持つ反射面を構成し、なお、かつ、上記条件式（２−１）を満足することにより、初めて各収差が良好に補正され、しかも軸上においても非点収差のない観察像を観察することが可能となる。上限の２と下限の０．０５５については、非点収差が大きく発生しないための限界である。
【００５５】
さらに好ましくは、
０．１＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２．０ ・・・（２−２）
なる条件を満足することが重要である。
【００５６】
また、さらに好ましくは、
０．８＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜１．５ ・・・（２−３）
なる条件を満足することが重要である。
【００５７】
また、さらに好ましくは、
１．０＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜１．３５ ・・・（２−４）
なる条件を満足することが重要である。
【００５８】
上記条件式（２−２）〜（２−４）の上限と下限の意味は、条件式（２−１）と同じであるが、観察像の明るさにより変化する観察者眼球の瞳径により、非点収差の許容値が異なるため、瞳径が大きくなる程条件式（２−４）を満足することが好ましい。
なお、後記実施例では、第２面が最も大きな反射屈折力を持っている。
【００５９】
次に、反射面の反射屈折力に関する条件式を示す。本発明の特徴である反射面に光学系全体の中の主な屈折力を与える偏心光学系では、各像位置毎に異なる収差が発生するので、反射面の形状を変化させて各収差の補正を行わなければならなく、その量は反射面の場所により微妙に異なる。しかし、次に述べる条件式を満足することが重要である。この条件は、全ての反射面の軸上主光線▲２▼が各面で反射する部分のＸ方向の曲率ＣＸ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＸ方向の曲率ＣＸｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＸｎ−ＣＸ２をＣＸn2とし、その全ての値が、
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（３−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００６０】
上記条件式（３−１）の上限の０．１と下限の−０．０１５を越えると、有効領域内の面の曲率が大きくなりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００６１】
さらに好ましくは、
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．０５ （１／ｍｍ） ・・・（３−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°を越える場合に重要となってくる。
【００６２】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＸn2＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（３−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。上記条件式（３−２）、（３−３）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００６３】
次に、接眼光学系の中で最も強い屈折力を持つ面では、さらに以下に述べる条件式を満足することが重要になる。これは、（３−１）条件式と同様に偏心して配置された対称面を１面しか持たない面で発生する収差の全てをバランス良く補正するために重要な条件である。
【００６４】
光学系中で最も強い反射屈折力を持つ反射面で軸上主光線▲２▼が反射する部分のＸ方向の曲率ＣＸ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＸ方向の曲率ＣＸｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＸｎ−ＣＸ２をＣＸn2Ｍとし、その全ての値が、
−０．０１５＜ＣＸn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（４−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００６５】
上記条件式の上限の０．１と下限の−０．０１５を越えると、有効領域内の面の曲率が大きく異なりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００６６】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＸn2Ｍ＜０．０５ （１／ｍｍ） ・・・（４−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°を越える場合に重要となってくる。
【００６７】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＸn2Ｍ＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（４−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。上記条件式（４−２）、（４−３）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００６８】
次に、上記条件式（３−１）と同様に、反射面全体の軸上主光線▲２▼が各面で反射する部分のＹ方向の曲率ＣＹ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＹ方向の曲率ＣＹｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＹｎ−ＣＹ２をＣＹn2とし、その全ての値が、
−０．１＜ＣＹn2Ａ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（５−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００６９】
上記条件式（５−１）の上限の０．１と下限の−０．１を越えると、有効領域内の面の曲率が大きく異なりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００７０】
さらに好ましくは、
−０．０５＜ＣＹn2Ａ＜０．０５ （１／ｍｍ） ・・・（５−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°前後の場合に重要となってくる。
【００７１】
さらに好ましくは、
−０．０２＜ＣＹn2Ａ＜０．０２ （１／ｍｍ） ・・・（５−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°前後の場合に重要となってくる。
【００７２】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＹn2Ａ＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（５−４）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。
【００７３】
上記条件式（５−２）〜（５−４）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００７４】
次に、接眼光学系の中で特に強い反射屈折力を持つ面では、さらに以下に述べる条件式を満足することが重要になる。これは、前記（３−１）の条件式と同様に、偏心して配置された対称面を１面しか持たない面で発生する収差の全てをバランス良く補正するために重要な条件である。
【００７５】
光学系中で最も強い反射屈折力を持つ反射面で軸上主光線▲２▼が反射する部分のＹ方向の曲率ＣＹ２と、観察画角の最大光線▲１▼、▲３▼〜▲６▼が各面と当たる部分のＹ方向の曲率ＣＹｎ（ｎは１、３〜６）の差であるＣＹｎ−ＣＹ２をＣＹn2Ｍとし、その全ての値が、
−０．０１５＜ＣＹn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（６−１）
なる条件式を満足することが、収差補正上好ましい。
【００７６】
上記条件式（６−１）の上限の０．１と下限の−０．０１５を越えると、有効領域内の面の曲率が大きく異なりすぎ、接眼光学系の中で主な反射屈折力を持つ第２面の有効域全体の曲率が大きく変化しすぎてしまい、観察画角全体で広く平坦な観察像を観察することができなくなってしまう。
【００７７】
さらに好ましくは、
−０．０２＜ＣＹn2Ｍ＜０．０２ （１／ｍｍ） ・・・（６−２）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が２０°を越える場合に重要となってくる。
【００７８】
さらに好ましくは、
−０．０１＜ＣＹn2Ｍ＜０．０１ （１／ｍｍ） ・・・（６−３）
なる条件式を満足することが重要であり、観察画角が３０°を越える場合に重要となってくる。上記条件式（６−２）、（６−３）は共に、広い観察画角において良好な観察像を得るために必要なものである。
【００７９】
次に、有効面内の各主光線が面に当たる領域のＸ方向の曲率／Ｙ方向の曲率の値である｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとするとき、全ての反射面のＣＸＹＡの値が、
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
なる条件式を満足することが重要である。
【００８０】
これは、有効領域のＸ方向の結像位置とＹ方向の結像位置の較差に相当し、非点収差が良好に補正されているための条件である。上限の４０を越えると、Ｘ方向とＹ方向の結像位置の差が大きくなりすぎ、他の面で補正することが不可能となってしまう。ただし、トーリック面等のＹとＸ軸の両方に対して対称性を持つ面の場合は、本条件内に入るが、コマ収差と像歪みの発生が大きくなる。
【００８１】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＡ＜２０ ・・・（７−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８２】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＡ＜１０ ・・・（７−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８３】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＡ＜６ ・・・（７−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８４】
次に、光学系中最も反射屈折力を有する面のＸ方向の曲率／Ｙ方向の曲率の値である｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとするとき、その値が、
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
なる条件式を満足することが重要である。
【００８５】
これは、有効領域のＸ方向の結像位置とＹ方向の結像位置に相当し、非点収差が良好に補正されているための条件である。上限の４０を越えると、Ｘ方向とＹ方向の結像位置の差が大きくなりすぎ、他の面で補正することが不可能となってしまう。ただし、トーリック面等のＹとＸ軸の両方に対して対称性を持つ面の場合は、本条件内に入るが、コマ収差と像歪みの発生が大きくなる。
【００８６】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＭ＜２０ ・・・（８−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８７】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＭ＜１０ ・・・（８−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００８８】
さらに好ましくは、
ＣＸＹＭ＜６ ・・・（８−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件式を満足することが重要である。
【００８９】
次に、接眼光学系の画像表示素子に面した反射面（図１５、図２０のような場合には透過面の第１面が兼ねる。）のＣＸ２／第２面のＣＸ２の値をＣＸ１２とするとき、
−５＜ＣＸ１２＜５ ・・・（９−１）
なる条件を満足することが重要となる。
【００９０】
この条件は、光学系全体の中で主な反射屈折力を持つ第１面と第２面のＸ方向の曲率の比を表しており、光学系から瞳位置までの距離を大きくとり、かつ、被観察像側の射出主光線傾角を被観察像の表示面に垂直に近づけるために必要な従来の近軸パワー配置に関する条件である。下限の−５を越えると、光学系の前側焦点位置が大きくなるが、後側焦点距離が短くなりすぎ、被観察像を表示する面と光学系本体が干渉し、配置できなくなる。また、上限の５を越えると、後側焦点距離は大きくなるが、逆に光学系の前側焦点位置が小さくなりすぎ、眼鏡を掛けての観察がし難くなる。
【００９１】
さらに好ましくは、
０．１＜ＣＸ１２＜２ ・・・（９−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°までの観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。
【００９２】
さらに好ましくは、
０．３＜ＣＸ１２＜１ ・・・（９−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°までの観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（９−１）と同じである。
【００９３】
さらに好ましくは、
０．３＜ＤＤＸ９＜０．８ ・・・（９−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（９−１）と同じである。
【００９４】
次に、接眼光学系の画像表示素子に面した反射面のＣＹ２／第２面のＣＹ２の値をＣＹ１２とするとき、
−５＜ＣＹ１２＜５ ・・・（10−１）
なる条件を満足することが重要となる。
【００９５】
この条件は、光学系全体の中で主な反射屈折力を持つ第１面と第２面のＹ方向の曲率の比を表しており、光学系から瞳位置までの距離を大きくとり、かつ、被観察像側の射出主光線傾角を被観察像の表示面に垂直に近づけるために必要な従来の近軸パワー配置に関する条件である。下限の−５を越えると、光学系の前側焦点位置が大きくなるが、後側焦点距離が短くなりすぎ、被観察像を表示する面と光学系本体が干渉し、配置できなくなる。また、上限の５を越えると、後側焦点距離は大きくなるが、逆に光学系の前側焦点位置が小さくなりすぎ、眼鏡を掛けての観察がし難くなる。
【００９６】
さらに好ましくは、
０．１５＜ＣＹ１２＜４ ・・・（10−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１０−１）と同じである。
【００９７】
さらに好ましくは、
０．２＜ＣＹ１２＜３ ・・・（10−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１０−１）と同じである。
【００９８】
さらに好ましくは、
０．２５＜ＣＹ１２＜１ ・・・（10−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１０−１）と同じである。
【００９９】
次に、接眼光学系の画像表示素子に面した反射面のＣＸ２／ＣＹ２の値をＣＸＹ１１とするとき、
０．３＜ＣＸＹ１１＜４．０ ・・・（11−１）
なる条件を満足することが重要となる。
【０１００】
この条件は、光学系全体の中で最も傾いて軸上主光線が入射する反射面としての第１面の軸上主光線が当たる部分のＸ方向とＹ方向の曲率の比に相当し、主に非点収差に関する。下限の０．３と上限の４．０を越えると共に、この面で反射するときに発生する非点収差が大きくなりすぎ、他の面で補正することが難しくなる。
【０１０１】
さらに好ましくは、
０．６＜ＣＸＹ１１＜３．５ ・・・（11−２）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１１−１）と同じである。
【０１０２】
さらに好ましくは、
０．７＜ＣＸＹ１１＜３．０ ・・・（11−３）
なる条件式を満足することが重要であり、特に２５°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１１−１）と同じである。
【０１０３】
さらに好ましくは、
０．８＜ＣＸＹ１１＜２．５ ・・・（11−４）
なる条件式を満足することが重要であり、特に３０°を越える観察画角の場合にはこの条件を満足することが重要である。なお、上限下限の意味については、上記条件式（１１−１）と同じである。
【０１０４】
さて、以上の条件（１−１）から（１１−４）については、接眼光学系を構成する何れかの反射面の面形状を、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面だけでなく、その面内及び面外共に回転対称軸を有しないアナモルフィック面で形成した場合にも、すなわち、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状にした何れの場合にも適用できる。
【０１０５】
なお、以上の各種条件に関しては、主して図１５に示すような第１面３、第２面４、第３面５からなり、その間が屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で満たされたプリズム部材７を用いる接眼光学系を前提にして説明したが、その他の図１６〜図２２に示すようなプリズム部材７についても同様に適用できる。
【０１０６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の頭部装着型画像表示装置の実施例１〜６について説明する。後述する各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、接眼光学系７の射出瞳１を光学系の原点として、光軸２を画像表示素子６の表示中心と射出瞳１の中心（原点）とを通る光線で定義し、射出瞳１から光軸２に進む方向をＺ軸方向、このＺ軸に直交し射出瞳１中心を通り、光線が接眼光学系７によって折り曲げられる面内の方向をＹ軸方向、Ｚ軸、Ｙ軸に直交し射出瞳１中心を通る方向をＸ軸方向とし、射出瞳１から接眼光学系７に向かう方向をＺ軸の正方向、光軸２から画像表示素子６方向をＹ軸の正方向、そして、これらＺ軸、Ｙ軸と右手系を構成する方向をＸ軸の正方向とする。なお、光線追跡は接眼光学系７の射出瞳１の側を物体側として、画像表示素子６側を像面側とした逆追跡により行っている。
【０１０７】
そして、偏心量Ｙ、Ｚ、傾き量θが記載されている面については、光学系の原点である射出瞳１からのずれ量及びＺ軸に対する傾き角を表している。なお、傾き角は反時計回りの方向を正としている。なお、面間隔については、意味を有しない。
【０１０８】
また、アナモルフィック面の形状は以下の式により定義する。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。
Ｒx ：Ｘ軸方向曲率半径
Ｒy ：Ｙ軸方向曲率半径
を用いており、曲率ＣＸ、ＣＹとの間には、
Ｒx ＝１／ＣＸ，Ｒy ＝１／ＣＹ
の関係にある。
【０１０９】
また、自由曲面の面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１１０】
さて、以下の実施例１〜６の接眼光学系７は、何れも、第１面３、第２面４、第３面５の３つの面からなり、その間が屈折率１より大きい媒質で満たされており、画像表示素子６に対向して配置された透過面の第３面５を経て光学系に入射した画像表示素子６からの表示光は、光軸２上に第２面４と射出瞳１との間に配置された第１面３で反射され、次に、光軸２上に射出瞳１と対向して偏心配置された反射面の第２面４に入射して反射され、その反射光は、第１面３を透過して光学系７から射出して光軸２に沿って進み、中間像を形成することなく射出瞳１の位置にある観察者の瞳に入射し、観察者の網膜上に表示像を結像する。
【０１１１】
この実施例１〜５の光軸２を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図１〜図５に示す。実施例６については図示を省く。構成パラメータは後記するが、実施例１は第１面、第２面共上記（ｂ）式で定義されるアナモルフィック面、第３面は平面であり、実施例２、６は第１面３、第２面４、第３面５何れも上記（ａ）式で定義される自由曲面であり、実施例３、４は第１面３は平面、第２面４、第３面５は何れも上記（ａ）式で定義される自由曲面であり、実施例５は第１面は球面、第２面４、第３面５は何れも上記（ａ）式で定義される自由曲面である。実施例１の観察画角は、水平画角５７．８°、垂直画角３４．５°、瞳径は４ｍｍであり、実施例２の観察画角は、水平画角４０°、垂直画角３０．５°、瞳径は８ｍｍであり、実施例３、５の観察画角は、水平画角４０°、垂直画角３０．５°、瞳径は４ｍｍであり、実施例４の観察画角は、水平画角３５°、垂直画角２６．６°、瞳径は４ｍｍでり、実施例６の観察画角は、水平画角３０°、垂直画角２２．７°、瞳径は４ｍｍである。
【０１１２】
以下に、上記実施例１〜６の構成パラメータを示す。
次に、上記実施例１、２、３、４、５の横収差図をそれぞれ図６〜図８、図９〜図１１、図１２、図１３、図１４に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角，垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１１９】
以下に、本発明の各実施例における前記条件式（１−１）〜（１１−１）に関するパラメータの値を示す（条件式（１−１）、（１−２）は実際の値を示し、その他の上下２段の値を示した条件式については、上段が最小値、下段が最大値を示す。）。
【０１２０】
【０１２１】
なお、以上のような本発明による接眼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型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２３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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
以上の本発明の頭部装着型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。
〔１〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２５】
−０．０１５＜ＣＸn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（４−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１、３〜６）をＣＸn2Ｍとする。
【０１２６】
〔２〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面形状の反射面を少なくとも１面有し、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２７】
−０．０１５＜ＣＹn2Ｍ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（６−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。
【０１２８】
〔３〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、
前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２９】
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとする。
【０１３０】
〔４〕 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、
前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、
前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、
接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１３１】
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとする。
【０１３２】
〔５〕 前記接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３３】
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとする。
【０１３４】
〔６〕 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕、〔２〕又は〔５〕記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３５】
ＣＸＹＡ＜４０ ・・・（７−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＡとする。
【０１３６】
〔７〕 前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面において、次の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔６〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３７】
０．００１＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−１）
０．００１＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−２）
ただし、前記の第１番目の反射面のＣＸ２をＣＸ２2 、ＣＹ２をＣＹ２2 とする。
【０１３８】
〔８〕 前記接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔７〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１３９】
０．０５５＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２ ・・・（２−１）
ただし、前記の最も反射屈折力を有する面のＣＸ２をＣＸ２Ｍ、ＣＹ２をＣＹ２Ｍとする。
【０１４０】
〔９〕 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔８〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４１】
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（３−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１〜６）をＣＸn2とする。
【０１４２】
〔１０〕 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔９〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４３】
−０．１＜ＣＹn2Ａ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（５−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。
【０１４４】
〔１１〕 以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔１０〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４５】
−５＜ＣＸ１２＜５ ・・・（９−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面のＣＸ２／前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面のＣＸ２のＣＸ２の値をＣＸ１２とする。
【０１４６】
〔１２〕 以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔１１〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４７】
−５＜ＣＹ１２＜５ ・・・（10−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面のＣＹ２／前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面のＣＹ２のＣＸ２の値をＣＹ１２とする。
【０１４８】
〔１３〕 前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面が以下の条件を満足することを特徴とする上記〔１〕から〔１２〕の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
【０１４９】
０．３＜ＣＸＹ１１＜４．０ ・・・（11−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＸ２／ＣＹ２をＣＸＹ１１とする。
【０１５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、広い画角においても明瞭で、歪みの少ない観察像を与える頭部装着型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例５の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。
【図６】本発明の実施例１の接眼光学系の横収差図の一部である。
【図７】本発明の実施例１の接眼光学系の横収差図の残りの一部である。
【図８】本発明の実施例１の接眼光学系の横収差図の残りの部分である。
【図９】本発明の実施例２の接眼光学系の横収差図の一部である。
【図１０】本発明の実施例２の接眼光学系の横収差図の残りの一部である。
【図１１】本発明の実施例２の接眼光学系の横収差図の残りの部分である。
【図１２】本発明の実施例３の接眼光学系の横収差図である。
【図１３】本発明の実施例４の接眼光学系の横収差図である。
【図１４】本発明の実施例５の接眼光学系の横収差図である。
【図１５】本発明が適用できる接眼光学系の１例を示す断面図である。
【図１６】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図１７】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図１８】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図１９】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２０】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２１】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２２】本発明が適用できる接眼光学系の別の例を示す断面図である。
【図２３】本発明による頭部装着型画像表示装置の１例の全体の構成を示す図である。
【図２４】従来の１つの頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２５】従来の別の頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２６】従来のさらに別の頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２７】従来のもう１つの頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【図２８】従来のさらにもう１つ頭部装着型画像表示装置の光学系を示す図である。
【符号の説明】
１…射出瞳位置（観察者瞳位置）
２…観察者視軸（軸上主光線）
３…接眼光学系の第１面
４…接眼光学系の第２面
５…接眼光学系の第３面
６…画像表示素子
７…接眼光学系
９…接眼光学系の第４面
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 (7)
- 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
０．２５＜ＣＹ１２＜１ ・・・（10−４）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとし、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面のＣＹ２／前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面のＣＹ２の値をＣＹ１２とする。 - 画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有する頭部装着型画像表示装置において、
前記接眼光学系が、少なくとも１面の反射作用を有する反射面を備え、前記反射面の少なくとも１面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなり、前記画像表示素子の画面中心からの軸上主光線が前記接眼光学系から射出して前記観察者眼球位置中心に到る線分の延長方向をＺ軸、前記軸上主光線が前記反射面で反射される際の折り返し線分を含む平面内で前記Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸とに垂直な方向をＸ軸と定義したときに、接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件（８−１）を満足し、
かつ、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面が以下の条件（11−１）を満足することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
ＣＸＹＭ＜４０ ・・・（８−１）
０．３＜ＣＸＹ１１＜４．０ ・・・（11−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とし、偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、｜ＣＸｎ｜／｜ＣＹｎ｜（ｎは１〜６）をＣＸＹＭとし、ＣＸ２／ＣＹ２をＣＸＹ１１とする。 - 前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面において、次の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。
０．００１＜｜ＣＸ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−１）
０．００１＜｜ＣＹ２2 ｜ （１／ｍｍ） ・・・（１−２）
ただし、前記の第１番目の反射面のＣＸ２をＣＸ２2 、ＣＹ２をＣＹ２2 とする。 - 前記接眼光学系を構成する反射面中の最も反射屈折力を有する面が以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。
０．０５５＜ＣＸ２Ｍ／ＣＹ２Ｍ＜２ ・・・（２−１）
ただし、前記の最も反射屈折力を有する面のＣＸ２をＣＸ２Ｍ、ＣＹ２をＣＹ２Ｍとする。 - 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。
−０．０１５＜ＣＸn2＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（３−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、ＣＸｎ−ＣＸ２（ｎは１〜６）をＣＸn2とする。 - 前記接眼光学系を構成する全ての反射面が以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。
−０．１＜ＣＹn2Ａ＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（５−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に当たるＹ軸方向の曲率をＣＹ２、ＣＹ１、ＣＹ４、ＣＹ５、ＣＹ６、ＣＹ３とするとき、ＣＹｎ−ＣＹ２（ｎは１、３〜６）をＣＹn2Ｍとする。 - 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。
−５＜ＣＸ１２＜５ ・・・（９−１）
ただし、Ｙ軸方向を上下方向として、画面中心のＺ軸方向の軸上主光線、画面上側中心画角の主光線、画面右上画角の主光線、画面右中心画角の主光線、画面右下画角の主光線、画面下側中心画角の主光線が対象面と交差する領域を有効領域と定義し、その有効領域でその面の形状を定義する式の面の偏心方向に垂直な方向に当たるＸ軸方向の曲率をＣＸ２、ＣＸ１、ＣＸ４、ＣＸ５、ＣＸ６、ＣＸ３とするとき、前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の最後の反射面のＣＸ２／前記観察者眼球の瞳から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順にみたときの前記接眼光学系の第１番目の反射面のＣＸ２の値をＣＸ１２とする。
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