JP3870074B2 - 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１５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に導びいている。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１６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１６に示す光学系のタイプは、図１５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１６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、表示光学系は第１の光学系と第２の光学系とを有し、この第１の光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した原画からの光を再度第１の面に向けて反射する第２の面および原画からの光を透過して第１の光学系に入射させるとともに第２の面から第１の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の面を有し、第２の光学系は原画からの光を上記第３の面に導き、上記第３の面と第２の光学系の射出面とを空気間隔を空けて配置するとともに第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むようにし、第１の光学系内で原画の中間像を形成している。
【００１５】
すなわち、第１の光学系において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り返すことにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、小型の原画（画像表示素子に表示された画像等）を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも第２の光学系を含む表示光学系全体として小型化を図ることが可能となる。
【００１６】
そして、第１の光学系の第３の面と第２の光学系の射出面との間に空気間隔を設けることにより、光学面数を多く確保でき、光学設計の自由度を高くすることができるため、表示光学系としての光学性能の向上やさらなる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させている。すなわち、小型の原画の中間結像面を拡大して表示する中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することが可能である。
【００１８】
また、第１の光学系および第２の光学系を構成する光学面を入射する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、複数の回転非対称面（自由曲面）を採用すると、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、撮像光学系は第１の光学系と第２の光学系とを有し、この第１の光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した被写体からの光を再度第１の面に向けて反射する第２の面および被写体から第１の光学系に入射した光を反射するとともに第２の面から第１の面に戻されて反射した光を撮像面側に透過する第３の面を有し、第２の光学系は第３の面から射出した光を撮像面に導き、上記第３の面と第２の光学系の入射面とを空気間隔を空けて配置するとともに第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むようにし、第１の光学系内で被写体の中間像を形成している。
【００２１】
すなわち、第１の光学系において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り返すことにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、第２の光学系を含む撮像光学系全体として小型でありながらも広撮影画角を達成することが可能となる。
【００２２】
そして、第１の光学系の第３の面と第２の光学系の入射面との間に空気間隔を設けることにより、光学面数を多く確保でき、光学設計の自由度を高くすることができるため、撮像光学系としての光学性能の向上やさらなる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、被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することが可能である。
【００２４】
また、この撮像光学系を構成する光学面を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、複数の回転非対称面（自由曲面）を採用すると、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、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、長い光路長でも光量ロスを少なくすることが可能である。
【００２７】
また、表示光学系および撮像光学系のいずれにおいても、光を反射して折り返す面を曲面とするとよい。折り返し反射面が平面であると、反射時に周辺画像の光線の方向を個々に制御できないため、光学系が大型化してしまう。折り返し反射面が回転非対称面であると、周辺画像の光線方向を自由に制御できるため、曲面の場合よりも更に小型化可能となる。
【００２８】
さらに、第２の面（折り返し反射面）を第１および第２の面を有する光学素子とは別の反射部材とすることにより、表示光学系および撮像光学系の大きさに影響を与えずに光路中の有効面を増やすことができるため、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を図ることが可能となる。
【００２９】
さらに、反射部材を透過面および反射面を有する裏面鏡とすることにより、透過面も光学面として使えるため、光学系の大きさに影響を与えずにさらに結像性能を向上させることができる。
【００３０】
また、第１の光学系および第２の光学系を正のパワーとすることにより、光学系全体での正のパワーを分散させることができるため、収差補正が容易となり、結像性能を向上させることができる。
【００３１】
なお、上記光学系は、言い換えれば、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成されている。即ち、第１の面で反射された光を第２の面によって第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反射することによって効果的に光路を重複させ、長い光路長を小型の光学系の中に納めることができるようにしている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系は、観察者の眼Ｅ側から画像表示素子（ＬＣＤ等）１０に向かって順に、全体として正の光学的パワー（１／焦点距離）を有する第１の光学系３０と、全体として正の光学的パワーを有する第２の光学系２０とを有して構成されている。
【００３３】
本実施形態では、第１の光学系３０および第２の光学系２０のいずれも、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、それぞれ光学素子という）３１，２１上に光学面が形成されて構成されている。
【００３４】
画像表示素子１０にて変調され発せられた光は、第２の光学素子２１に面２１ａから入射し、面２１ｂで反射し、面２１ｃを透過して第２の光学素子２１を射出する。射出面２１ｃから第２の光学素子２１を射出した光は、面３１ａ（第３の面）を透過して第１の光学素子３１に入射する。
【００３５】
入射面３１ａから第１の光学素子３１に入射した光は、面３１ｂ（第１の面）で反射し、面３１ｃ（第２の面）でほぼ逆方向に折り返し反射し、面３１ｂにおいて、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に再反射し、面３１ａで反射し、面３１ｂを透過して第１の光学素子３１を射出し、観察者の眼Ｅに導かれる。なお、面３１ａにはハーフミラーコーティングが施されている。
【００３６】
この図では、画像表示素子１０から発した光束の例として、画像表示素子１０の表示面中心を射出して表示光学系の射出瞳（観察者の眼Ｅの位置に相当）の中心に至る中心画角主光線を実線で示している。
【００３７】
第１の光学素子３１および第２の光学素子２１を正の光学的パワーを有するように構成することにより、観察者は画像表示素子１０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。
【００３８】
図１に示すように、第１の光学素子３１上の反射面を、中心画角主光線に対して偏心させて配置することにより、光路を斜めに折り畳み，第１の光学素子３１の薄型化を実現している。
【００３９】
この際、光学的パワーを有した面を偏心して配置することにより生じる偏心収差を補正するために、第１の光学素子３１上の光学面のうち少なくとも１つの面をアジムス角度により光学的パワーの異なる回転非対称面（いわゆる自由曲面）で構成することが好ましい。
【００４０】
特に、第１の光学素子３１の全体としての正の光学的パワーのメインパワーを受け持つ、観察者の眼Ｅに向かって凹面（つまりは、第２の光学系２０に向かって凸面）の形状を持った面３１ａを自由曲面で構成することが、収差補正上からも好ましい。
【００４１】
さらに好ましくは、第１の光学素子３１上の全ての光学面を自由曲面で構成することにより、さらに良好な光学性能を得ることができる。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。
【００４２】
第１の光学素子３１において、光は面３１ａ→面３１ｂ→面３１ｃ→面３１ｂ→面３１ａ（→面３１ｂ）の順に各面を通り、面３１ｃでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。面３１ａ→面３１ｂ→面３１ｃまでの光路を往路と、面３１ｃ→面３１ｂ→面３１ａの光路を復路と呼び、これら往路と復路とにより往復光路が形成される。なお、面３１ｃを折り返し反射面と呼ぶ。
【００４３】
このように、面３１ｃを折り返し反射面として第１の光学系３０内で往復光路を形成することで、第１の光学素子３１内で光路を重複させるように折り畳み、第１の光学素子３１内のスペースを有効に利用し、光路長に対して第１の光学系３０を小型化することができる。これにより、第２の光学系２０を含む表示光学系全体も小型化することができる。
【００４４】
ところで、往復光路を形成することによって第１の光学系３０の小型化は図れるが、光学面を重複して利用するためにその設計の自由度が低下し、光学性能の低下や製造許容誤差の減少などが懸念される。
【００４５】
しかし、本実施形態では、第１の光学素子３１の入射面３１ａと第２の光学素子２１の射出面２１ｃとを空気層（空気間隔）を挟んで対向するように配置し、貼り合わせ面ではなく別々の面にすることによって、光学系の大きさに影響を与えずに光路中の光学有効面を増やし、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を実現している。
【００４６】
また、面３１ａおよび面２１ｃでの入射前後の媒質の屈折率差を大きく設定できるため、観察者の眼Ｅに向かって凹面の形状（第２の光学系２０に向かって凸面の形状）を持った面３１ａおよび第１の光学系３０に向かって凸の形状を持った面２１ｃでの入射時の凸レンズ作用を、同じ光学的パワーを有しながらも小さな曲率で得ることができるため、収差の発生を抑えることができる。
【００４７】
また、面３１ｂでの反射を全反射とすると、光量ロスが少なくなり、好ましい。また、少なくとも面３１ｂ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させる場合に対して設計の自由度を上げることができる。
【００４８】
このように、透過作用と反射作用の両作用を有する光学面における反射を全反射とすることにより、光を効率良く利用することができる。
【００４９】
また、図１に点線で示したように、画像表示素子１０の画像表示面の中心より射出して表示光学系の射出瞳の両端に至る光線も、面３１ａ→面３１ｂ→面３１ｃ→面３１ｂ→面３１ａ（→面３１ｂ）と、中心画角主光線と同様の経路をたどる。この際、第１の光学系３０の光路中で両端からの光線が交わっており、画像表示素子１０上に表示された画像の中間像が形成されている。
【００５０】
これにより、画像表示素子１０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、広画角化（高倍率表示）を可能にしている。また、中間像を略平行光として観察者の眼Ｅ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ように、中間結像面は接眼光学系部分での像面湾曲、非点収差や歪曲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歪曲させたりするように形成されていてもよい。
【００５１】
また、第１の光学素子３１と第２の光学素子２１を同じ屈折率の材料で形成することにより、これら光学素子３１，２１の製造が容易になる。
【００５２】
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子１０に表示された画像を良好な光学性能で、拡大像として表示する画像表示装置を提供することができる。
【００５３】
また、表示光学系内で１回結像を行うことで画像表示素子１０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、これに伴い光路長が長くなるのを第１の光学素子３１内に往復光路を形成することで光路を重複させ、表示光学系の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、中心画角主光線の面３１ｃ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、本発明の表示光学系はこの構成に限るものではない。
【００５５】
（第２実施形態）
図２および図３には、本発明の第２実施形態である表示光学系を示している。本実施形態の表示光学系を構成する第１の光学系３０’，３０”および第２の光学系２０’，２０”は、第１実施形態のものとは異なるものである。
【００５６】
図２に示す表示光学系では、画像表示素子１０から発せられた光は、面２２ａから第２の光学系２０’を構成する光学素子（第２の光学素子）２２に入射し、面２２ｂで反射し、面２２ａで全反射し、面２２ｃから第２の光学素子２２を射出する。射出面２２ｃから第２の光学系２０’を射出した光は、面３１ａから第１の光学系３０’を構成する透明体（第１の光学素子）３１に入射する。
【００５７】
入射面３１ａから第１の光学素子３１に入射した光は、面３１ｂで反射し、面３１ｃで折り返し反射し、面３１ｂで再反射し、面３１ａで反射して面３１ｂから第１の光学素子３１を射出し、観察者の眼Ｅに導かれる。
【００５８】
また、図３に示す表示光学系では、画像表示素子１０から発せられた光は、第２の光学系２０”のレンズ２３，２４，２５で屈折され、射出面２５ａから射出して第１の光学系３０”の透明体（第１の光学素子）３１に入射する。入射面３１ａから第１の光学素子３１に入射した光は、面３１ｂで反射し、面３１ｃで折り返し反射し、面３１ｂで再反射し、面３１ａで反射して面３１ｂから第１の光学素子３１を射出し、観察者の眼Ｅに導かれる。
【００５９】
図２および図３に示した表示光学系では、ともに第１の光学系３０’，３０”において、面３１ａ→面３１ｂ→面３１ｃ→面３１ｂ→面３１ａ→面３１ｂの往復光路が形成されている点は第１実施形態と同様である。
【００６０】
但し、図２においては、面３１ｂで反射した中心画角主光線は、面３１ｃで入射光線に対して角度θをなして折り返し反射されて面３１ｂの１回目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。
【００６１】
また、図３においては、面３１ｂで反射された中心画角主光線は、面３１ｃで入射光線に対して角度θをなして折り返し反射されて面３１ｂの１回目の反射地点よりも高い位置で再反射される点が第１実施形態と異なっている。
【００６２】
このように、折り返し反射面３１ｃの前後で光線が所定の角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０°
を満たすことが好ましい。この条件を外れると、第１の光学素子３１が大型化し、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。
【００６３】
また、第２の光学系２０’は、図２に示したように反射面を用いて光路を折り畳むことにより、小さくすることができる。このとき、光学的パワーを有した面を偏心して配置することにより生じる偏心収差を補正するために、第２の光学系２０’，２０”を構成する光学面のうち少なくとも１つの面を偏心した回転非対称面で構成することが好ましい。
【００６４】
また、収差補正に寄与する光学面を増やすために、第２の光学系を反射面を含む２つ以上の光学部材を用いて構成してもよい。
【００６５】
さらに、図３に示すように、第２の光学系２０”を屈折面のみで構成してもよく、特に凹レンズ２４を用いることによって色収差の補正が容易となり、さらなる結像性能の向上が期待できる。
【００６６】
また、屈折面を自由曲面や偏心した回転対称非球面で構成することにより、偏心収差の補正が容易となり、さらなる結像性能の向上が期待できる。
【００６７】
（第３実施形態）
図４には、本発明の第３実施形態である表示光学系を示している。理解を容易にするために、第１の光学系は簡略化して示す。表示光学系としては、図１から図３に示した第２の光学系２０（２０’、２０”）とそれぞれ組み合わせて構成してもよい。
【００６８】
本実施形態の表示光学系は、観察者の眼Ｅ側から画像表示素子（ＬＣＤ等）１０に向かって順に、全体として正の光学的パワー（１／焦点距離）を有する第１の光学系１３０と、全体として正の光学的パワーを有する第２の光学系１２０とを有して構成されている。
【００６９】
本実施形態では、第１の光学系１３０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（第１の光学素子）３２上に光学面が形成されて構成されている。
【００７０】
画像表示素子１０にて変調され発せられた光は、入射面２０ａから第２の光学系１２０に入射し、射出面２０ｂから第２の光学系１２０を射出し、面３２ａから第１の光学素子３２に入射する。
【００７１】
入射面３２ａ（第３の面）から第１の光学素子３２に入射した光は、面３２ｂ（第１の面）で反射し、面３２ｃ（第２の面）で反射し、面３２ｂの上部で折り返し反射し、面３２ｃで再反射し、面３２ｂにおいて、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に再反射し、面３２ａで反射し、面３２ｂを透過して透明体３２を射出し、観察者の眼Ｅに導かれる。なお、面３２ａにはハーフミラーコーティングが施されている。
【００７２】
第１の光学系１３０および第２の光学系１２０を正の光学的パワーを有するように構成することにより、観察者は画像表示素子１０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。
【００７３】
第１の光学素子３２において、光は面３２ａ→面３２ｂ→面３２ｃ→面３２ｂ→面３２ｃ→面３２ｂ→面３２ａ（→面３２ｂ）の順に各面を通り、面３２ｂでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。
【００７４】
このように、面３２ｂを折り返し反射面として、第１の光学系１３０内で往復光路を形成することで、第１実施形態と同様に、光路長に対して第１の光学系１３０を小型化している。これにより、第２の光学系１２０を含む表示光学系全体も小型化することができる。
【００７５】
また、第１の光学素子３２上の光学面を回転非対称面で構成し、第２の光学系１２０の射出面２０ｂと第１の光学系１３０の入射面３２ａとの間に空気層（空気間隔）を設けることにより、第１実施形態にて説明したのと同様に、光学性能の向上を実現している。
【００７６】
（第４実施形態）
図５には、本発明の第４実施形態である表示光学系を示している。理解を容易にするために、第１の光学系は簡略化して示す。表示光学系としては、図１から図３に示した第２の光学系２０（２０’、２０”）とそれぞれ組み合わせて構成してもよい。
【００７７】
本実施形態の表示光学系は、観察者の眼Ｅ側から画像表示素子（ＬＣＤ等）１０に向かって順に、全体として正の光学的パワー（１／焦点距離）を有する第１の光学系２３０と、全体として正の光学的パワーを有する第２の光学系１２０とを有して構成されている。
【００７８】
本実施形態では、第１の光学系２３０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（光学素子）３３と、反射ミラー部材３４とから構成されている。
【００７９】
画像表示素子１０にて変調され発せられた光は、入射面２０ａから第２の光学系１２０に入射し、射出面２０ｂから第２の光学系１２０を射出し、面３３ａから第１の光学系２３０の光学素子３３に入射する。
【００８０】
入射面３３ａ（第３の面）から光学素子３３（第１の光学系２３０）に入射した光は、面３３ｂ（第１の面）で反射し、面３３ｃから光学素子３３を射出し、反射ミラー部材３４の反射面３４ａ（第２の面）で折り返し反射し、再び面３３ｃから光学素子３３に入射して面３３ｂにおいて、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に再反射し、面３３ａで反射し、面３３ｂを透過して光学素子３３を射出し、観察者の眼Ｅに導かれる。なお、面３３ａにはハーフミラーコーティングが施されている。
【００８１】
第２の光学系１２０を正の光学的パワーを有するように構成し、第１の光学系２３０を構成する光学面のうち少なくとも１つの面を曲面として第１の光学系２３０に正の光学的パワーを持たせることにより、観察者は画像表示素子１０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。
【００８２】
第１の光学系２３０において、光は面３３ａ→面３３ｂ→面３３ｃ→面３４ａ→面３３ｃ→面３３ｂ→面３３ａ（→面３３ｂ）の順に各面を通り、面３４ａでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。
【００８３】
このように、面３４ａを折り返し反射面として第１の光学系２３０内で往復光路を形成することで、第１実施形態と同様に、光路長に対して第１の光学系２３０を小型化している。これにより、第２の光学系１２０を含む表示光学系全体も小型化することができる。
【００８４】
また、第２の光学系１２０の射出面２０ｂと第１の光学系２３０の入射面３３ａとの間に空気層（空気間隔）を設けることにより、第１実施形態で説明したのと同様に、光学性能の向上を実現している。
【００８５】
さらに、本実施形態では、第１の光学系２３０において、折り返し反射面３４ａを含む反射ミラー部材３４を、透明体３３とは別部材とすることにより、光学系の大きさに影響を与えずに光路中の光学面数を増やし、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を実現している。
【００８６】
（第５実施形態）
図６には、本発明の第５実施形態である表示光学系を示している。理解を容易にするために、第１の光学系は簡略化して示す。表示光学系としては、図１から図３に示した第２の光学系２０（２０’、２０”）とそれぞれ組み合わせて構成してもよい。
【００８７】
本実施形態の表示光学系は、観察者の眼Ｅ側から画像表示素子（ＬＣＤ等）１０に向かって順に、全体として正の光学的パワー（１／焦点距離）を有する第１の光学系３３０と、全体として正の光学的パワーを有する第２の光学系１２０とを有して構成されている。
【００８８】
本実施形態では、第１の光学系３３０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（光学素子）３５と、反射ミラー部材３６とから構成されている。
【００８９】
画像表示素子１０にて変調され発せられた光は、入射面２０ａより第２の光学系１２０に入射し、射出面２０ｂより第２の光学系１２０を射出し、面３５ａから第１の光学系３３０の光学素子３５に入射する。
【００９０】
入射面３５ａ（第３面）から光学素子３５（第１の光学系３３０）に入射した光束は、面３５ｂで反射し、面３５ｃ（第１の面）で反射し、面３５ｂから光学素子３５を射出して反射ミラー部材３６の反射面３６ａ（第２の面）で折り返し反射する。そして、面３５ｂから再び光学素子３５に入射し、面３５ｃで再反射して面３５ｂにおいて、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に再反射し、さらに面３５ａで反射し、面３５ｂを透過して光学素子３５を射出し、観察者の眼Ｅに導かれる。なお、面３５ａにはハーフミラーコーティングが施されている。
【００９１】
第２の光学系１２０を正の光学的パワーを有するように構成するとともに、第１の光学系３３０を構成する光学面のうち少なくとも１つの面を曲面として第１の光学系３３０に正の光学的パワーを持たせることにより、観察者は画像表示素子１０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。
【００９２】
第１の光学系３３０において、光は面３５ａ→面３５ｂ→面３５ｃ→面３５ｂ→面３６ａ→面３５ｂ→面３５ｃ→面３５ｂ→面３５ａ（→面３５ｂ）の順に各面を通り、面３６ａでの折り返し反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。
【００９３】
このように、面３６ａを折り返し反射面として、第１の光学系３３０内で往復光路を形成することで、第１実施形態と同様に、光路長に対して第１の光学系３３０を小型化している。これにより、第２の光学系１２０を含む表示光学系全体も小型化することができる。
【００９４】
また、第２の光学系１２０の射出面２０ｂと第１の光学系３３０の入射面３５ａとの間に空気層（空気間隔）を設けることにより、第１実施形態にて説明したのと同じ理由により、光学性能の向上を実現している。
【００９５】
さらに、本実施形態では、第１の光学系３３０において、折り返し反射面３６ａを含む反射ミラー部材３６を、光学素子３５とは別部材とすることにより、光学系の大きさに影響を与えずに光路中の光学面数を増やし、設計の自由度を増加させ、光学性能の向上を実現している。
【００９６】
なお、上記第４実施形態（図５）および第５実施形態（図６）において、反射ミラー部材３４，３６の反射面３４ａ，３６ａの形状は、結像作用面を増やすという観点から曲面であることが望ましい。さらに、これら反射面３４ａ，３６ａを、偏心した回転非対称形状とすることにより、光学素子３３，３５で発生する偏心収差の補正に寄与させ、光学性能の向上を図ることができる。
【００９７】
また、第４実施形態において、反射ミラー部材３４を図７に示す変形例のように裏面鏡とすることにより、反射面３４ａだけでなく、透過面３４ｂも光学面として使えるようになるため、光学系の大きさに影響を与えずにさらに結像性能を向上させることができる。
【００９８】
また、図８に示す変形例のように、反射ミラー部材３４を２つ以上の光学素子で構成することにより、色収差の補正が容易となり、さらなる結像性能の向上を図ることができる。
【００９９】
これら図７，８に示した反射ミラー部材３４’，３４”の構成は、第５実施形態にて用いられる反射ミラー部材３６について適用することができる。
【０１００】
また、第４実施形態および第５実施形態において、第１実施形態と同様に、光学的パワーを有した面を偏心させて配置することにより生じる偏心収差を補正するために、第１の光学系２３０，３３０（光学素子３３，３５）を構成する面のうち少なくとも１つの面を回転非対称面で構成することが好ましい。
【０１０１】
以上説明した第３〜５実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１の光学系の光路中に、画像表示素子１０の表示面の中間結像面を形成することにより、広画角化（高倍率表示）が可能となる。
【０１０２】
また、第１の光学系の光学素子において、透過作用と反射作用の両作用を有する面における反射を全反射とすることにより、光を効率良く利用することができる。
【０１０３】
さらに、第３〜５実施形態においても、中心画角主光線の折り返し反射面における折り返し反射は垂直反射に限られるものではなく、第２実施形態に示したように、折り返し反射面の前後で光線が所定の角度θをなして入射・反射されてもよい。
【０１０４】
以上の第３から第５実施形態のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子１０に表示された画像を良好な光学性能で、拡大像として表示する画像表示装置を提供することができる。
【０１０５】
また、表示光学系内で１回結像を行うことで、画像表示素子１０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、これに伴い光路長が長くなるのを第１の光学系内に往復光路を形成することで光路を重複させ、表示光学系の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【０１０６】
（第６実施形態）
図９には、本発明の第６実施形態である表示光学系を示している。本実施形態の表示光学系は、観察者の眼Ｅ側から画像表示素子（ＬＣＤ等）１０に向かって順に、全体として正の光学的パワー（１／焦点距離）を有する第１の光学系４３０と、全体として正の光学的パワーを有する第２の光学系２２０とを有して構成されている。
【０１０７】
本実施形態では、第１の光学系４３０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（第１の光学素子）３７により構成され、第２の光学系２２０も、同様の光学媒質で満たされた透明体（第２の光学素子）２６により構成されている。第１および第２の光学系内における光の進行経路は図２に示したものと同様である。
【０１０８】
本実施形態では、第１の光学素子３７の入射面（第３の面）３７ａと第２の光学素子２６の射出面２６ａとの間に空気層（空気間隔）を設けているが、第１の光学素子３７と第２の光学素子２６とを、第１の光学素子３７の入射面３７ａと第２の光学素子２６の射出面２６ａ以外（光線有効範囲外）の部分で互いに接するように構成している。
【０１０９】
これにより、上記空気層の寸法誤差（製造誤差）を小さく抑えることができ、製造誤差に起因する光学性能の劣化を防止できる。
【０１１０】
また、以上説明した各実施形態の表示光学系と同様の光学系を、被写体からの光をＣＣＤ等の撮像素子の撮像面に導く撮像光学系としても利用することができる。
【０１１１】
例えば、第１実施形態に示した光学系を例にとると、被写体から第１の面（３１ｂ）を透過して第１の光学系３０（第１の光学素子３１）に入射した光を、第３の面（３１ａ）で反射し、第１の面（３１ｂ）で反射し、第２の面（面３１ｃ）で反射して第１の面（３１ｂ）において、そのヒットポイント上での面の法線に対し前回とは反対側に再反射し、第３の面（３１ａ）を透過させて第２の光学系２０に導く。そして、面２１ｃから第２の光学系２０に入射した光を、面２１ｂで反射し、面２１ａを透過させて画像表示素子１０に代えて配置された撮像素子に到達させる。
【０１１２】
この場合も、表示光学系と同様に、第１の光学系３０において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り畳むことができるので、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。
【０１１３】
さらに、撮像光学系（例えば、第１の光学素子３１）内で光を中間結像させるようにする、すなわち被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、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。
【０１１４】
なお、撮像光学系を構成する光学面を光に対して偏心させたり、光学面に曲率を持たせたり、光学面を回転非対称面（自由曲面）としたりすることによるメリットは表示光学系と同様である。
【０１１５】
以下、上記各実施形態の数値実施例について説明する。
【０１１６】
［数値実施例１］
図１０には、図１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、３０は第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）３１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３１ｂ，３１ａ，３１ｃに相当する。
【０１１７】
２０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（第２の光学素子）２１により構成されている。これら３面はそれぞれ第１実施形態において説明した面２１ｃ，２１ｂ，２１ａに相当する。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１１８】
本数値実施例において、Ｓ１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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
【数１】

【０１２３】
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ｃｉ（ｉ＝１，２，３…）に対応する回転非対称形状であることを示している。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
【表１】

【０１２７】
表１から分かるように、画像表示面ＳＩからの光はＳ１０（面２１ａ）から第２の光学素子２１に入射し、Ｓ９（面２１ｂ）で反射し、Ｓ８（面２１ｃ）を透過して第２の光学素子２１を射出する。第２の光学素子２１の射出面（Ｓ８）から射出した光は、Ｓ７（面３１ａ）を透過して第１の光学素子３１（第１の光学系３０）に入射し、Ｓ６（面３１ｂ）で反射し、Ｓ５（面３１ｃ）で折り返し反射し、Ｓ４（面３１ｂ）で再反射し、Ｓ３（面３１ａ）で反射し、Ｓ２（面３１ｂ）を透過して第１の光学素子３１を射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。観察者は射出瞳位置に眼を置くことにより、画像表示面の拡大像を観察することができる。
【０１２８】
本数値実施例１で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。
【０１２９】
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被写体からの光は、絞りＳ１を通過してＳ２から第１の光学素子３１に入射し、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６で反射してＳ７から第１の光学素子３１を射出する。第１の光学素子３１を射出した光は、第２の光学素子２１に導かれ、Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０を介して撮像面ＳＩ上に外界（被写体）像を結像する。
【０１３０】
［数値実施例２］
図１１は図２に示した第２実施形態の数値実施例を示す光学断面図であり、光学データを表２に示す。
【０１３１】
図中、３０’は第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）３１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２実施形態において説明した面３１ｂ，３１ａ，３１ｃに相当する。
【０１３２】
２０’は第２の光学系であり、ここではＳ８，Ｓ９（Ｓ１１と同一面），Ｓ１０の３面を有した同一媒質からなる透明体（第２の光学素子）２２により構成されている。これら３面はそれぞれ第１実施形態において説明した面２２ｃ，２２ａ，２２ｂに相当する。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１３３】
本数値実施例において、Ｓ１からＳ１１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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１１（面２２ａ）から第２の光学素子２２に入射し、Ｓ１０（面２２ｂ）で反射し、Ｓ９（面２２ａ）で反射し、Ｓ８（面２２ｃ）を透過して第２の光学素子２２から射出する。第２の光学系２０’の射出面（Ｓ８）から射出した光は、Ｓ７（面３１ａ）を透過して第１の光学素子３１（第１の光学系３０’）に入射し、Ｓ６（面３１ｂ）で反射し、Ｓ５（面３１ｃ）で折り返し反射し、Ｓ４（面３１ｂ）で再反射し、Ｓ３（面３１ａ）で反射し、Ｓ２（面３１ｂ）を透過して第１の光学素子３１を射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１３６】
観察者は射出瞳位置に眼を置くことにより、画像表示面の拡大像を観察することができる。
【０１３７】
【表２】

【０１３８】
本数値実施例２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。
【０１３９】
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被写体からの光は、絞りＳ１を通過してＳ２から第１の光学素子３１に入射し、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６で反射してＳ７から第１の光学素子３１を射出する。第１の光学素子３１を射出した光は、第２の光学素子２２に導かれ、Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１を介して撮像面ＳＩ上に外界（被写体）像を結像する。
【０１４０】
［数値実施例３］
図１２は図４に示した第３実施形態の数値実施例を示す光学断面図であり、光学データを表３に示す。
【０１４１】
図中、１３０は第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）３２により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ第３実施形態において説明した面３２ｂ，３２ａ，３２ｃに相当する。
【０１４２】
１２０は第２の光学系であり、ここではＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２の３面を有した同一媒質からなる透明体（第２の光学素子）２１により構成されている。これら３面は図１の第１実施形態において説明した面２１ｃ，２１ｂ，２１ａに相当する。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１４３】
本数値実施例において、Ｓ１からＳ１２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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１２（面２１ａ）から第２の光学素子２１に入射し，Ｓ１１（面２１ｂ）で反射し、Ｓ１０（面２１ｃ）を透過して第２の光学素子２１から射出する。
【０１４６】
第２の光学素子２１の射出面（Ｓ１０）から射出した光は、Ｓ９（面３２ａ）を透過して第１の光学素子３２（第１の光学系１３０）に入射し、Ｓ８（面３２ｂ）で反射し、Ｓ７（面３２ｃ）で反射し、Ｓ６（面３２ｂ）で折り返し反射し、Ｓ５（面３２ｃ）で再反射し、Ｓ４（面３２ｂ）で反射し、Ｓ３（面３２ａ）で反射し、Ｓ２（面３２ｂ）を透過して第１の光学素子３２を射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１４７】
観察者は射出瞳位置に眼を置くことにより、画像表示面の拡大像を観察することができる。
【０１４８】
【表３】

【０１４９】
本数値実施例３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。
【０１５０】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子３２に導かれる。そして、Ｓ２から第１の光学素子３２に入射し、Ｓ３で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射した後、Ｓ７で反射し、Ｓ８で反射し、Ｓ９から第１の光学素子３２を射出して第２の光学素子２１に導かれる。第２の光学素子２１に導かれた光は、Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を介して撮像面ＳＩに結像する。
【０１５１】
［数値実施例４］
図１３は図４に示した第３実施形態の他の数値実施例を示す光学断面図であり、光学データを表４に示す。
【０１５２】
図中、１３０は第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）３２により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ第３実施形態において説明した面３２ｂ，３２ａ，３２ｃに相当する。
【０１５３】
２０’は第２の光学系であり、ここではＳ１０，Ｓ１１（Ｓ１３と同一面），Ｓ１２の３面を有した同一媒質からなる透明体（第２の光学素子）２２により構成されている。これら３面は図２の第２実施形態において説明した面２２ｃ，２２ａ，２２ｂに相当する。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１５４】
本数値実施例において、Ｓ１からＳ１３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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１３（面２２ａ）から第２の光学素子２２に入射し、Ｓ１２（面２２ｂ）で反射し、Ｓ１１（面２２ａ）で反射し、Ｓ１０（面２２ｃ）を透過して第２の光学素子２２から射出する。
【０１５７】
第２の光学素子２２の射出面（Ｓ１０）から射出した光は、Ｓ９（面３２ａ）を透過して第１の光学素子３２（第１の光学系１３０）に入射し、Ｓ８（面３２ｂ）で反射し、Ｓ７（面３２ｃ）で反射し、Ｓ６（面３２ｂ）で折り返し反射し、Ｓ５（面３２ｃ）で再反射し、Ｓ４（面３２ｂ）で反射し、Ｓ３（面３２ａ）で反射し、Ｓ２（面３２ｂ）を透過して第１の光学素子３２を射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１５８】
観察者は射出瞳位置に眼を置くことにより、画像表示面の拡大像を観察することができる。
【０１５９】
【表４】

【０１６０】
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。
【０１６１】
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１３０に導かれる。そして、Ｓ２から第１の光学素子３２に入射し、Ｓ３で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射した後、Ｓ７で反射し、Ｓ８で反射し、Ｓ９から第１の光学素子３２を射出して第２の光学素子２２に導かれる。第２の光学素子２２に導かれた光は、Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を介して撮像面ＳＩに結像する。
【０１６２】
［数値実施例５］
図１４は図６に示した第５実施形態の数値実施例を示す光学断面図であり、光学データを表５に示す。
【０１６３】
図中、３３０は第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（光学素子）３５と、反射ミラー部材３６とにより構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０は同一面、Ｓ３，Ｓ１１は同一面、Ｓ５，Ｓ９は同一面であり、これら３面はそれぞれ第５実施形態において説明した面３５ｂ，３５ａ，３５ｃに相当する。また、Ｓ７は第５実施形態において説明した面３６ａに相当する。
【０１６４】
１２０は第２の光学系であり、ここではＳ１２，Ｓ１３の２面を有した同一媒質からなる透明体（第２の光学素子）２２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。
【０１６５】
本数値実施例において、Ｓ１からＳ１３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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
画像表示面ＳＩからの光は、第２の光学系１２０のＳ１３を通過してＳ１２を射出し、Ｓ１１（面３５ａ）を透過して第１の光学系１３０の光学素子３５に入射する。そして、Ｓ１０（面３５ｂ）で反射し、Ｓ９（面３５ｃ）で反射し、Ｓ８（面３５ｂ）で屈折されつつ光学素子３５を射出する。
【０１６８】
射出した光はＳ７（面３６ａ）で折り返し反射し、Ｓ６（面３５ｂ）を透過して再び光学素子３５に入射し、Ｓ５（面３５ｃ）で反射し、Ｓ４（面３５ｂ）で反射し、Ｓ３（面３５ａ）で反射し、Ｓ２（面３５ｂ）を透過して光学素子３５を射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１６９】
観察者は射出瞳位置に眼を置くことにより、画像表示面の拡大像を観察することができる。
【０１７０】
【表５】

【０１７１】
本数値実施例５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。
【０１７２】
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３３０に導かれる。そして、Ｓ２から第１の光学系３３０の光学素子３５に入射し、Ｓ３で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ５で反射し、Ｓ６を透過して光学素子３５から射出する。その後、光はＳ７（反射ミラー部材３６）で折り返し反射した後、Ｓ８を透過して再び光学素子３５に入射し、Ｓ９で反射し、Ｓ１０で反射し、Ｓ１１を透過して光学素子３５を射出し、第２の光学系１２０に導かれる。第２の光学系１２０の光学素子２２に導かれた光は、Ｓ１２，Ｓ１３を介してＣＣＤ等の撮像素子における撮像面ＳＩに結像する。
【０１７３】
なお、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。
【０１７４】
具体的には、例えば図１の紙面内において、１回目の反射（面３１ｂでの反射）における反射角が正符号（反射光が法線の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（面３１ｂでの再反射）における反射角は負符号（反射光が法線の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。
【０１７５】
このような光路をとることによって、第１の面と第２の面との間で光束は略往復することになるので、第１の光学系内の空間を有効に利用して光路長を稼ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学系が実現できる。
【０１７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１の発明によれば、第１の光学系において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り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、小型の原画を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも第２の光学系を含む表示光学系全体として小型化を図ることができる。
【０１７７】
そして、第１の光学系の第３の面と第２の光学系の射出面との間に空気間隔を設けることにより、光学面数を多く確保でき、光学設計の自由度を高くすることができるため、表示光学系としての光学性能の向上やさらなる小型化を図ることができる。
【０１７８】
なお、表示光学系（例えば、透明体）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることができるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することができる。
【０１７９】
また、本願第２の発明によれば、第１の光学系において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り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、第２の光学系を含む撮像光学系全体として小型でありながらも広撮影画角を達成することができる。
【０１８０】
そして、第１の光学系の第３の面と第２の光学系の入射面との間に空気間隔を設けることにより、光学面数を多く確保でき、光学設計の自由度を高くすることができるため、撮像光学系としての光学性能の向上やさらなる小型化を図ることができる。
【０１８１】
なお、撮像光学系（例えば、透明体）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である表示光学系の構成図。
【図２】本発明の第２実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図３】本発明の第２実施形態である表示光学系（２）の構成図。
【図４】本発明の第３実施形態である表示光学系の構成図。
【図５】本発明の第４実施形態である撮像光学系の構成図。
【図６】本発明の第５実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図７】上記第４実施形態である表示光学系の変形例の構成図。
【図８】上記第４実施形態である表示光学系の変形例の構成図。
【図９】本発明の第５実施形態である表示光学系の構成図。
【図１０】本発明の数値実施例１の光学系断面図。
【図１１】本発明の数値実施例２の光学系断面図。
【図１２】本発明の数値実施例３の光学系断面図。
【図１３】本発明の数値実施例４の光学系断面図。
【図１４】本発明の数値実施例５の光学系断面図。
【図１５】従来の表示光学系の構成図。
【図１６】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
３０，３０’，３０”，１３０，２３０，３３０，４３０ 第１の光学系
２０，２０’，２０”，１２０，２２０ 第２の光学系
１０ 画像表示素子

Claims (17)

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、第１の光学系と第２の光学系とを有し、
   該第１の光学系は、
   少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した前記原画からの光を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面および前記原画からの光を透過して第１の光学系に入射させるとともに前記第２の面から前記第１の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の面を有し、
   前記第２の光学系は、前記原画からの光を前記第３の面に導き、
   前記第３の面と前記第２の光学系の射出面とが空気間隔を空けて配置されており、
   かつ前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、
   前記第１の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. 前記第１の光学系は、前記第３の面を透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被射面に導く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の光学系は、前記第３の面を透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被射面に導く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および第２の光学系のそれぞれが全体として正の光学的パワーを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記第３の面と前記第２の光学系の射出面とが互いに他方に向かって凸となる面であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 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から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、入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から６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
9. 前記第１から第３の面が透明体上に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の画像表示装置。
10. 前記第１および第３の面が透明体上に形成されており、
    前記第２の面が反射部材により構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の画像表示装置。
11. 前記反射部材の反射面が、曲率を有し、かつ入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１０に記載の画像表示装置。
12. 前記透明体上に形成された面のいずれかで光が全反射することを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の画像表示装置。
13. 前記第２の光学系の光学面が回転非対称面を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。
14. 前記第２の光学系が、凹レンズを含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
15. 前記第１および第２の光学系がそれぞれ透明体を含んで構成されており、
    これら透明体が互いに同じ屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
16. 前記第１の光学系の前記第３の面を有する光学部材と前記第２の光学系の前記射出面を有する光学部材とが、光線有効範囲外で接していることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
17. 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、第１の光学系と第２の光学系とを有し、
    該第１の光学系は、
    少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した前記被写体からの光を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面および前記被写体から第１の光学系に入射した光を反射するとともに前記第２の面から前記第１の面に戻されて反射した光を撮像面側に透過する第３の面を有し、
    前記第２の光学系は、前記第３の面から射出した光を撮像面に導き、
    前記第３の面と前記第２の光学系の入射面とが空気間隔を空けて配置されており、
    かつ前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、
    前記第１の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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