JP3870070B2 - 画像表示装置および撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子等に表示された原画を拡大表示させるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置に好適な表示光学系および撮像装置に好適な撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が良く知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
図１２には、従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置を示している。同装置では、表示素子１０１に表示された画像からの光束をハーフミラー１０２で反射させ、凹面鏡１０３に入射させ、凹面鏡１０３で反射した光束をハーフミラー１０２を介して観察者の眼Ｅに導いている。表示素子１０１に表示した画像は、凹面鏡１０３によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子１０１に表示した画像の拡大虚像を観察することができる。
【０００５】
また、例えば特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−５０２５６号公報，特開平８−１６０３４０号公報および特開平８−１７９２３８号公報等においては、画像を表示する画像表示素子としてのＬＣＤ（液晶）と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００６】
図１３には、特開平７−３３３５５１号公報で提案されている画像表示装置を示している。この装置において、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、プリズム１１２に形成した曲率を有した全反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これによって表示素子（ＬＣＤ）１１１に表示された画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００７】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００８】
図１３に示す光学系のタイプは、図１２に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、画像を表示する表示素子であるＬＣＤ等の高精細化が進み、従来と同程度の画素数を有しながらも従来より小型化されたＬＣＤ等が開発されている。このような小型化された画像表示素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、従来と同様の画角を達成するためには、光学系の倍率を上げる必要が生じる。
【００１０】
このような状況に鑑みて、特開平１０−１５３７４８号公報には、偏心プリズムとリレーレンズ系とを組み合わせ、リレーレンズ系により一旦中間像を形成してから表示素子に表示された画像を観察者に導く光学系が提案されている。これにより、図１３に示すタイプの薄型という特徴を有しつつ、更なる倍率向上を果たし、ＬＣＤサイズに対して広画角化を図っている。
【００１１】
また、この特開平１０−１５３７４８号公報にて提案の光学系に比べて、更なる光学性能向上を図ったものとして、偏心プリズムの内部反射面を増加させ、偏心プリズムのみで中間像を形成し、その像を観察者に導くタイプや、第１の偏心プリズム光学系に第２の偏心プリズムを設けたタイプ等が、特開２０００−０６６１０６号公報，特開２０００−１０５３３８号公報，特開２０００−１３１６１４号公報，特開２０００−１９９８５３号公報，特開２０００−２２７５５４号公報および特開２０００−２３１０６０号公報等に提案されている。
【００１２】
一般的に、一旦中間像を形成するタイプの光学系は光路長が長くなり、装置が大型化するという問題があるが、これらの各公報にて提案の光学系においても、透過作用と反射作用とを果たす兼用面を用いたり、光路を交差させたりする等の工夫により小型化を目指している。
【００１３】
本発明は、小型の表示素子を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で広撮影画角を達成できる撮像光学系を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明では、画像表示素子と、画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置において、表示光学系は、光学面である第１、第２および第３の面を設け、原画から第３の面を透過して入射した光を、第１の面で反射し、第２の面で反射し、第１の面で反射し、第３の面で反射し、第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くと共に、表示光学系内で原画の中間像を形成するようにしている。
【００１５】
すなわち、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り返すことにより、光路長に対して小型の光学系構成が達成できるようにしている。
【００１６】
また、第１および第３の面に透過作用と反射作用を持たせることで、光学面数を少なくすることができ、より小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
また、表示光学系（例えば、透明体）内で原画の中間像を形成（実像形成）させている。すなわち、小型の原画の中間結像された実像を拡大して表示する中間結像タイプとすることにより、光学設計の自由度が増え、原画を大画面表示させることが可能となる。
【００１８】
また、この表示光学系を構成する光学面を当該面で反射する光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで表示光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面（自由曲面）を複数面採用すると、原画のアスペクト比と表示画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な表示画像を得ることが可能となる。
【００１９】
なお、この表示光学系は、観察者が頭部に装着して画像を観察するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やスクリーン等の被投射面に画像を拡大投射する投射型画像表示装置（プロジェクタ）等の画像表示装置に好適である。
【００２０】
また、本願第２の発明では、撮像素子と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置において、撮像光学系は、光学面である第１、第２および第３の面を設け、被写体から第１の面を透過して入射した光を、第３の面で反射し、第１の面で反射し、第２の面で反射し、第１の面で反射し、第３の面を透過させて撮像面に導くと共に、撮像光学系内で被写体の中間像を形成するようにしている。
【００２１】
すなわち、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、光路長に対して小型の光学系を達成できるようにしている。
【００２２】
また、第１および第３の面に透過作用と反射作用を持たせることで、光学面数を少なくすることができ、より小型化を図ることが可能となる。
【００２３】
また、撮像光学系（例えば、透明体）内で被写体の中間像を形成させている。すなわち、被写体の中間像を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、光学設計の自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことが可能となる。
【００２４】
また、この撮像光学系を構成する光学面を反射光に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで撮像光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面（自由曲面）を複数面採用すると、被写体のアスペクト比と撮影画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な撮影画像を得ることが可能となる。
【００２５】
なお、この撮像光学系は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に好適である。
【００２６】
また、第１および第２の発明において、内部が光学媒質で満たされた透明体上に光学面を形成し、いずれかの光学面で光を全反射させるようにすることにより、光量ロスを少なくすることが可能である。
【００２７】
また、第１および第２の発明において、第１の面で反射した中心画角主光線が第２の面で角度θをなして折り返し反射される場合、この折り返し反射面での入射光線と反射光線とのなす角度θは、
｜θ｜＜３０° …（１）
を満たすことが好ましい。この条件を外れると、光学系が大型化する。
【００２８】
なお、上記光学系において、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成するとよい。即ち、第１の面で反射された光を第２の面によって第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反射することによって効果的に光路を重複させ、長い光路長を小型の光学系の中に納めることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本実施形態で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。
【００３０】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。
【００３１】
本実施形態の光学系は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００３２】
中心画角主光線（表示光学系においては表示素子の画像中心から表示光学系の射出瞳中心に至る光線であり、撮像光学系においては撮像光学系の入射瞳中心を通り撮像素子の画像中心に至る光線である）と各面とのヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である光学系（以下、第１の光学系と称す）を示している。この第１の光学系１は、３つの光学面を有して構成されており、面Ａ（第１の面），面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面であり、面Ｃ（第２の面）は反射面である。
【００３４】
図２には、図１に示した第１の光学系１を画像表示装置に用いる際の表示光学系全体の構成を示している。第１の光学系１は、内部がガラスやプラスチックなどの光学媒質で満たされた透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）上に上記３面の光学面Ａ，Ｂ，Ｃが形成されている。
【００３５】
透明体上の面Ａ，面Ｂはともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃは反射面である。
【００３６】
面Ｃには、金属蒸着などにより高反射率を持つ反射膜が形成されており、面Ｂには金属または誘電体の蒸着による半透過反射膜が形成されている。
【００３７】
図中、２は第２の光学系、３は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。本実施形態においては、面Ｂは画像表示素子３からの光の入射面および反射面として作用し、面Ａは反射面および射出面として作用し、面Ｃは反射面として作用する。
【００３８】
画像表示素子３により変調された光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子１に導かれる。面Ｂから第１の光学素子１内に入射した光は、面Ａで反射した後、面Ｃで略逆向きに反射し、再び面Ａにおける最初の光の反射領域に導かれる。そして、面Ａで反射した後、面Ｂで反射して面Ａから第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００３９】
この図では、画像表示素子３から発した光の例として、画像表示素子３の表示面中心を射出し、射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【００４０】
本実施形態においては、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【００４１】
また、第１の光学素子１において、光は、面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、面Ｃでの折り返し反射を境に最終反射面Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。
【００４２】
ここでは、面Ｂ→面Ａ→面Ｃまでを往路と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂの光路を復路と称し、往路と復路を合わせて往復光路と呼ぶ。このような往復光路を形成するために往路から復路へと光を略逆方向に反射することを折り返し反射と呼び、また、この折り返し反射作用を有する反射面（ここでは面Ｃ）を折り返し反射面と呼ぶ。
【００４３】
このように面Ｃに折り返し反射面としての作用を持たせ、第１の光学素子１内に往復光路を形成することで、光路を重複させるように折り返し、長い光路を小型の第１の光学素子１内に収めることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化している。
【００４４】
また、画像表示素子３からの光線は最終反射面Ｂの反射によって往復光路を抜け、画像表示素子３側には行かず、射出瞳Ｓに導かれる。
【００４５】
さらに、図３に点線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の端を出て射出瞳Ｓの中心に到る光（最大画角主光線）は、中心画角主光線と同様に、第２の光学系２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの中心に導かれる。
【００４６】
また、図４に鎖線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両端に到る光線も、中心画角主光線と同様に、第２の光学系２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの両端に導かれる。
【００４７】
この際、第１の光学素子１内で射出瞳両端に到る光線が交わっており、画像表示素子３上に表示された画像の中間像が形成されている。第１の光学素子１内に中間像を形成することで、第２の光学系２のパワーを弱めてもコンパクトな構成とすることができ、第２の光学系２における余計な収差発生を抑え、第２の光学系２の複雑化を防止できる。
【００４８】
なお、図４においては、Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射の間に中間像が形成されているが、必ずしもこの位置に中間結像位置がある必要はなく、第１の光学素子１内に形成されていればよい。
【００４９】
また、中間像を略平行光として射出瞳Ｓに導くいわゆる接眼光学系部分の収差補正を容易にするために、中間結像面は接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように形成されていてもよい。
【００５０】
図４においては、最終反射面である面Ｂと面Ａでの射出面として作用している箇所とが接眼光学系部分にあたり、第１の光学系１でのそれ以外の部分と第２の光学系２とがリレー光学系に該当している。
【００５１】
本実施形態において、最終反射面として作用するときの面Ｂは、射出面として作用するときの面Ａに対して非常に強い光学的パワーを有した凹面鏡となっており、接眼光学系部分の主パワーを担っている。従って、凹面鏡面Ｂでは偏心収差の発生が大きく、接眼光学系としての面Ａ，面Ｂのみでは収差を完全に補正することは困難であり、リレー光学系部分が接眼光学系での収差をキャンセルするような形の中間結像面ができるように中間像を形成することで、最終的な像観察における画質を向上させることが可能になる。
【００５２】
以上説明した構成においては、第１の光学系１は、少なくとも面Ｂを含む２つの面を曲面で構成することが好ましい。結像ないし収差補正に寄与しない面を少なくすることで、光学系全体に必要な光学面数を削減でき、製造コスト削減の効果が期待できる。更に望ましくは、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成することで、更なる製造コスト削減の効果が得られる。
【００５３】
また、第１の光学系１の面Ａ，Ｂは、最終的に射出瞳Ｓに導かれる有効光束がそれぞれの面で反射する際の反射光束に対して傾いた面として、折り返し反射面であるＣ面までの往路、即ちＢ面入射→Ａ面反射→Ｃ面の光路と、Ｃ面以降の復路であるＣ面→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路とを、ともに折り畳んだ構成として第１の光学系１を薄型にしている。
【００５４】
即ち、好ましくは面Ａおよび面Ｂはともに有効光束に対して偏心した曲面であり、偏心収差が発生する。従って、第１の光学系１の少なくとも１面に、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いて、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【００５５】
特に面Ｂは面Ａに対してパワーの強い曲面であるため、面Ｂを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。
【００５６】
更に好ましくは、第１の光学系１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。このとき、各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい。
【００５７】
また、面Ａでの反射を往路、復路ともに第１の光学素子１内での内部全反射とし、面Ｂで最終反射された光束が臨界角以下の角度で面Ａに入射するようにして射出させると、光量ロスが少なくなり好ましい。少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域においては、反射光束が全反射するようにすると、反射光束の全てを全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００５８】
以上のように光学系を構成することにより、画像表示素子３に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置が提供可能となる。
【００５９】
また、第１の光学素子１内で１回中間結像を行うことで、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角設定の自由度を向上させて広画角化（高倍率表示）を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを第１の光学素子１内に往復光路を形成することで、第１の光学系１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【００６０】
なお、本実施形態において、面Ａにも面Ｂと同様に半透過反射膜を形成してもよいが、面Ａでの反射は透明体を形成するガラスなどの光学材料と空気との間の反射であるので、面Ａに入射する光が面法線に対して大きな角度で入射すれば全反射が起こり、反射率はほぼ１００％となる。一方、最後に面Ａを透過する際の入射角度を小さく設定すれば、反射率は通常４％程度である。このため、光の利用効率を上げることができる。
【００６１】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である撮像光学系を示している。図中、１は図１に示したものと同様の第１の光学系（第１の光学素子）であり、２は第２の光学系、４は撮像素子である。
【００６２】
Ｓは第１の光学系１および第２の光学系２からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００６３】
本実施形態において、第１の光学素子１の面Ａ（第１の面）は被写体からの光の入射面および反射面として作用し、面Ｂ（第３の面）は反射面および射出面として作用し、面Ｃ（第２の面）は反射面としてのみ作用する。
【００６４】
絞りＳを通過した被写体からの光は、第１の光学素子１に面Ａを透過して入射し、面Ｂで反射し、面Ａで反射して面Ｃに導かれる。そして、面Ｃで折り返し反射して面Ａにおける最初の光の反射領域に戻され、面Ａで再反射して面Ｂを透過して第１の光学素子１を射出する。ここで、面Ａおよび面Ｂはそれぞれの面での反射光束に対して偏心している。
【００６５】
第１の光学素子１を射出した光は、第２の光学系２を通過して撮像素子４に到達する。この際、所望の被写体からの光は撮像素子４の撮像面上に結像し、これにより、被写体の撮像を行うことができる。
【００６６】
以上のように撮像光学系を構成することにより、被写体を撮像素子４に良好な光学性能で結像させる撮像装置を提供することができる。
【００６７】
また、第１の光学素子１内で１回中間結像させることで、撮像素子４のサイズに対して撮影画角の自由度を向上させて広画角化を可能にし、これに伴い光路長が長くなるのを第１の光学素子１内に往復光路を形成することで第１の光学系１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を実現している。
【００６８】
以上説明した第１および第２実施形態においては、中心画角主光線（表示光学系においては画像表示素子の表示面中心から射出瞳Ｓ中心に至る光線であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面中心に至る光線である）の面Ｃにおける折り返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本発明の光学系はこの構成に限るものではない。
【００６９】
（第３実施形態）
図６および図７にはそれぞれ、第１実施形態とは異なる第１の光学系を用いた第３実施形態である表示光学系の構成を示している。これらの図に示した第１の光学系１’，１”では、中心画角主光線の光路が第１実施形態のものと異なっている。
【００７０】
図６および図７ともに、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路が形成されている点は第１実施形態の第１の光学系１と同様である。
【００７１】
但し、図６の第１の光学系１’では、面Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折り返し反射されて、面Ａでの先の反射地点よりも高い位置で再反射される点が第１実施形態と異なる。また、図７の第１の光学系１”では、面Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折り返し反射されて、面Ａでの先の反射地点よりも低い位置で再反射される点が第１実施形態と異なる。
【００７２】
このように折り返し反射面Ｃの前後で光が所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０°
を満たすことが好ましい。
【００７３】
この条件を外れると、第１の光学系が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない。
【００７４】
なお、本実施形態では、第１の光学系を有する表示光学系について説明したが、第２実施形態に示したような撮像光学系にも本実施形態と同様の考え方を適用することができる。
【００７５】
以下、上記各実施形態の数値実施例について説明する。
【００７６】
［数値実施例１］
図８には、図２に示した第１実施形態の数値実施例の光路断面図を示している。図中、１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体（第１の光学素子）により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面、Ｓ３，Ｓ７は同一面であり、これら２面とＳ５はそれぞれ第１実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【００７７】
２は第２の光学系であり、ここではＳ８，Ｓ９，Ｓ１０の３面を有した同一媒質からなる透明体により構成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【００７８】
本数値実施例において、Ｓ２からＳ１０の光学面は回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。
【００７９】
なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標系定義である。
【００８０】
本数値実施例１の光学データを表１に示す。表１の光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）並びに図面上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単位：度）である。
【００８１】
Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、ＦＦＳは以下の式に従う回転非対称面である。
【００８２】
【数１】

【００８３】
ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃｉ（ｉ＝２，３，４…）に対応する回転非対称形状であることを示している。尚、表に示さない係数ｃｉの項は、その値が０である。
【００８４】
Ｎｄ，νｄ（但し、表ではｖｄと記す）はそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示し、アッベ数νｄは省略している。
【００８５】
また、折り返し反射面での中心画角主光線の入射光線と反射光線とのなす角度θの絶対値を｜θ｜として記載している。以上の表の項目は、以降の数値実施例においても同様である。
【００８６】
【表１】

【００８７】
表１から分かるように、画像表示面ＳＩからの光はＳ１０より第２の光学系２を構成する透明体（光学素子）に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から射出して第１の光学素子１に向かう。第１の光学素子１に向かった光は、Ｓ７（面Ｂ）より第１の光学素子１の透明体内に入射し、Ｓ６（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ５（面Ｃ）で裏面反射して折り返され、Ｓ４（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ３（面Ｂ）で裏面反射してＳ２から第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【００８８】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で、水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【００８９】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学系１に導かれる。そして、Ｓ２（面Ａ）から第１の光学素子１に入射した光は、Ｓ３（面Ｂ）で反射してＳ４（面Ａ）で反射し、Ｓ５（面Ｃ）で折り返し反射してＳ６（面Ａ）で反射した後、Ｓ７（面Ｂ）から第１の光学素子１を射出して第２の光学系２に導かれる。そして、第２の光学系２に導かれた光は、Ｓ８から光学素子に入射し、Ｓ９で反射し、Ｓ１０を射出して撮像面ＳＩに結像する。
【００９０】
尚、Ｓ４，Ｓ６における反射はいずれの場合も内部全反射である。
【００９１】
［数値実施例２］
図９には、数値実施例２の光学断面図である。また、表２には光学データを示す。
【００９２】
本数値実施例２では、第２の光学系２を、それぞれ２面を有する２つの光学素子２１，２２により構成し、光学素子２１の一方の面を第１の光学系１の透明体と接合している。この接合面をＳ７と表記する。
【００９３】
画像表示面ＳＩからの光は、第２の光学系２のＳ１０，Ｓ９，Ｓ８を通って光学素子２１と透明体との接合面Ｓ７（面Ｂ）から透明体に入射する。そして、Ｓ６（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ５（面Ｃ）で裏面反射して折り返され、Ｓ４（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ３（面Ｂ）で裏面反射してＳ２から透明体を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【００９４】
尚、Ｓ４，Ｓ６での反射はいずれも内部全反射である。
【００９５】
【表２】

【００９６】
本数値実施例では、長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、数値実施例１とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【００９７】
また、本数値実施例２は、数値実施例１と同様に、撮像光学系に利用することもできる。
【００９８】
［数値実施例３］
図１０は、数値実施例３の光学断面図である。また、表３には光学データを示す。
【００９９】
本数値実施例では、第２の光学系２は、３つの光学面Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０を同一媒質上に有するプリズム形状の透明体（光学素子）から構成されている。
【０１００】
画像表示面ＳＩからの光は、第２の光学系２のＳ１０，Ｓ９，Ｓ８を通って第１の光学系１の透明体（第１の光学素子）に向かい、面Ｓ７（面Ｂ）より透明体に入射する。そして、Ｓ６（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ５（面Ｃ）で裏面反射して折り返され、Ｓ４（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ３（面Ｂ）で裏面反射して、Ｓ２から第１の光学素子１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１０１】
【表３】

【０１０２】
本数値実施例においては、面Ｓ６での反射光束中に全反射条件を満足していないものがあるため、図に示したように一部に反射膜を形成して裏面反射するようにしている。
【０１０３】
このとき、反射膜は、面Ｓ２の射出光束が通る領域にかからないように形成されている。反射膜は金属や誘電体などで構成されている。
【０１０４】
なお、射出光束の通る領域に近い反射膜形成領域においては、射出光束の通る領域側に近づくに従って反射率が徐々に低下するような膜構成とすると、反射膜形成部と非形成部との境界が観察されにくくなるため、好ましい。
【０１０５】
本数値実施例では、長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、数値実施例１とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【０１０６】
また、本数値実施例３は、数値実施例１と同様に、撮像光学系に利用することもできる。
【０１０７】
［数値実施例４］
図１１は、数値実施例４の光学断面図である。また、表４には光学データを示す。
【０１０８】
本数値実施例において、第２の光学系２のＳ９とＳ１１とは半透過反射膜が施された同一面である。第２の光学系２は３つの光学面Ｓ８，Ｓ９（Ｓ１１と同一面），Ｓ１０を同一媒質上に有するプリズム状の透明体（光学素子）からなる。
【０１０９】
Ｓ１からＳ１１までの光学面は、全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【０１１０】
画像表示面ＳＩからの光は、ハーフミラー面Ｓ１１から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１０で裏面反射し、ハーフミラー面Ｓ９で反射し、Ｓ８より射出して第１の光学素子１に向かう。第１の光学素子１に向かった光は、面Ｓ７（面Ｂ）から第１の光学素子１に入射し、Ｓ６（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ５（面Ｃ）で裏面反射して折り返され、Ｓ４（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ３（面Ｂ）で裏面反射してＳ２から第１の光学素子１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１１１】
尚、Ｓ４，Ｓ６における反射はいずれも内部全反射である。
【０１１２】
【表４】

【０１１３】
本数値実施例４は、長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、数値実施例１とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【０１１４】
また、本数値実施例４は、数値実施例１と同様に、撮像光学系に利用することもできる。
【０１１５】
なお、第２実施形態以外の実施形態では表示光学系について説明したが、これ以外の実施形態においても、画像表示素子３の位置にＣＣＤなどの撮像素子を配置し、射出瞳Ｓの位置から取り込んだ外部からの被写体光を各実施形態で説明した逆向きの光路を通って結像させ、撮像光学系として使うことができる。
【０１１６】
また、以上説明した全ての実施形態において、第１の光学系を通過する光束の任意の光線をトレースしたとき、その光線は、第１の面における最初の（１回目）の反射と２回目の反射とで、一方の反射角を基準として他方では逆符号の反射角で反射するような光路をとっている。
【０１１７】
具体的には、例えば図１の紙面内において、１回目の反射（Ａ面反射）における反射角が正符号（反射光が面法線に対して紙面内反時計周り方向に存在する場合）であれば、２回目の反射（Ａ面再反射）における反射角は負符号（反射光が面法線に対して紙面内時計周り方向に存在する場合）となるような光路になっている。
【０１１８】
このような光路をとることによって、第１の面と第２の面との間で光束は略往復することになるので、第１の光学系内の空間を有効に利用して光路長が長くとも小型の光学系が実現できる。
【０１１９】
また、以上説明した各実施形態では、第１の光学系が、３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有した透明体により構成される場合について説明したが、本発明は、上記３つの光学面のうちいずれか又は全てがミラー部材によって構成される場合にも適用できる。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１の発明によれば、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り返すようにしているので、光路長に対して小型の光学系を実現できる。このため、小型の原画を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することができる。
【０１２１】
また、第１および第３の面に透過作用と反射作用を持たせているので、光学面数を少なくすることができ、より表示光学系の小型化を図ることができる。
【０１２２】
なお、表示光学系内で光を中間結像させるようにすれば、光学設計の自由度が増え、原画を大画面表示させることができる。
【０１２３】
また、本願第２の発明によれば、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り返すようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型でありながらも広撮影画角を達成することができる。
【０１２４】
また、第１および第３の面に透過作用と反射作用を持たせているので、光学面数を少なくすることができ、より撮像光学系の小型化を図ることができる。
【０１２５】
なお、撮像光学系内で光を中間結像させるようにすれば、光学設計の自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することができる。
【０１２６】
また、第１および第２の発明において、（１）式を満足するようにすれば、光学系が大型化するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である表示光学系に用いられる第１の光学系の構成図。
【図２】上記表示光学系の構成図。
【図３】上記表示光学系の構成図。
【図４】上記表示光学系の構成図。
【図５】本発明の第２実施形態である撮像光学系の構成図。
【図６】本発明の第３実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図７】本発明の第３実施形態である表示光学系（２）の構成図。
【図８】本発明の数値実施例１の光学系断面図。
【図９】本発明の数値実施例２の光学系断面図。
【図１０】本発明の数値実施例３の光学系断面図。
【図１１】本発明の数値実施例４の光学系断面図。
【図１２】従来の表示光学系の構成図。
【図１３】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
１，１’，１” 第１の光学系
２ 第２の光学系
３ 画像表示素子
４ 撮像素子

Claims (8)

1. 画像表示素子と、その画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置であって、
   前記表示光学系は、光学面である第１、第２および第３の面を有し、
   原画から前記第３の面を透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くと共に、
   この表示光学系内で前記原画の中間像を形成することを特徴とする画像表示装置。
2. この表示光学系が、内部が光学媒質で満たされた透明体を用いて構成されており、
   前記透明体内で前記原画の中間像を形成することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、当該面で反射する光線に対して偏心していることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、曲率を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
6. この表示光学系が、内部が光学媒質で満たされた透明体を用いて構成されており、
   前記透明体上に形成されたいずれかの光学面で光が全反射することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記第２の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度θが、
   ｜θ｜＜３０°
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
8. 撮像素子と、被写体からの光をその撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置であって、
   前記撮像光学系は、光学面である第１、第２および第３の面を有し、
   被写体から前記第１の面を透過して入射した光を、前記第３の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面を透過させて撮像面に導くと共に、
   この撮像光学系内で前記被写体の中間像を形成することを特徴とする撮像装置。

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