JP3870076B2 - 画像表示装置および撮像装置 - 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内部全反射面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表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で撮影広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であって、表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、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の面とを有し、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、表示光学系内で原画の中間像を形成することを特徴としている。
【００１５】
すなわち、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる（往復光路とする）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）を用いつつ表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することが可能となる。
【００１６】
また、原画からの光は、第２の面での反射、第１の面での再反射の後、入射する光線に対し偏心した別の第３の面で眼又は被投射面側に反射することを特徴としている。これは第１の面と第２の面で形成された往復行路から射出する光を、第３の面で、往復行路に入射する光とは異なる方向（眼又は被投射面側）に設定し、往復光路への入射光との干渉を避けるためのものである。
【００１７】
本発明の表示光学系は、原画からの中心画角主光線がほぼ反対側に折り返し反射する、反射作用のみを有する折り返し反射面があることを特徴とする。これはマラソンの折り返し地点に相当するものであり、折り返し反射面を境に往路と復路がぼぼ重複し、第１の面または第２の面以外の面も含んだ長い往復光路が形成され、更なる光学系の小型化が可能になる。
【００１８】
更に折り返し反射面は、前記第１の面または前記第２の面であることを特徴とする。こうすると必要最小限の面数で光学系を構成できるので、小型化を図ることが可能となる。
【００１９】
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。
【００２０】
また、この表示光学系を構成する光学面を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、光学曲面を回転非対称な面形状（自由曲面形状）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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であって、撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、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の面とを有し、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、撮像光学系内で被写体の中間像を形成することを特徴とする。
【００２３】
すなわち、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる（往復光路）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、小型でありながらも撮影広画角を達成することが可能となる。
【００２４】
また被写体からの光線は、光線に対し偏心した第３の面で反射後、前記第１の面で反射、前記第２の面で反射後、再度前記第１の反射面で反射して進み撮像面に導かれることを特徴としている。これは第３の面での反射により、第１の面と第２の面で形成された往復行路への、被写体からの入射光線と撮像面に導かれる射出光線との干渉を避けている。
【００２５】
本発明の撮像光学系は、被写体からの中心画角主光線がほぼ反対側に折り返し反射する、反射作用のみを有する折り返し面があることを特徴とする。これはマラソンの折り返し地点に相当するものであり、折り返し反射面を境に往路と復路がほぼ重複し、第１の面または第２の面以外の面も含んだ長い往復光路が形成され、更なる光学系の小型化が可能になる。
【００２６】
更に折り返し反射面は、第１の面または第２の面であることを特徴とする。こうすると必要最小限の面数で光学系を構成できるので、小型化を図ることが可能となる。
【００２７】
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。
【００２８】
また、この撮像光学系を構成する光学面を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、光学曲面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、第１および第２の発明において、回転非対称面はローカル母線断面を唯一の対称面として持つ面対称形状が好ましい。これにより、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可能となる。
【００３１】
また、透明体上に光学面を形成し、いずれかの光学面で光を内部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。特に第１の面を内部反射面とすると、表示光学系、撮像光学系をコンパクにまとめられる。
【００３２】
さらに、表示光学系および撮像光学系のいずれにおいても、光学的屈折力を有した面におけるローカル母線断面焦点距離が、原画からの光を第１の面で複数回反射し、眼又は被投射面側に反射させる第３の面の反射面又は被写体からの光を第１の面に向けて反射する第３の面の反射面において最も正で短くなるようにするとよい。これは、偏心した面に強い屈折力を持たせると、光の往路と復路とがあるためにローカル母線断面で２倍の偏心収差が発生してしまうため、１回しか反射しない第３の面に強い正のパワーを持たせることにより、ローカル母線断面での偏心収差発生を抑制することが可能となる。
【００３３】
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。
【００３４】
ここで、折り返し反射面は、反射作用のみの面であり、ほぼ１００％近く光を反射する金属ミラーコーティングをして光量ロスをできるだけ少なくすることが望ましい。
【００３５】
また、折り返し反射面において、光がほぼ反対側に反射される場合、後述する中心画角主光線において、入射光線と反射光線の成す角度θは下記の値を満足することが望ましい。
【００３６】
｜θ｜＜６０° …（１）
この条件式（１）の上限を超えると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりジグザク光路になってしまい光学系が大型化する。
【００３７】
｜θ｜＜３０° …（２）
この条件式（２）の条件を外れると、逆戻りはできるが、往路と復路が重ならず光学系が大型化し、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。
【００３８】
｜θ｜＜２０° …（３）
この条件式（３）を満たすと、光学系の更なる小型化が可能になる。
【００３９】
なお、表示光学系および撮像光学系中の折り返し反射面を、偏心した反射面と兼用してもよい。この場合、光学面を削減できるため光学系を小型化できる。特に第１の面または第２の面を折り返し反射面と兼用させると、もっとも小型化が可能となる。
【００４０】
また、上記第１の発明の表示光学系をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として使用する場合は、左右の目に対し、各々独立した原画（画像表示素子）と表示光学系とを設けるのがよい。つまり、２つの原画（同一のもの）とそれに合わせた２つの表示光学系（同一のもの）とを有することにより、１つの原画で左右の表示光学系に光を分けるようなＨＭＤよりも明るい表示画像が得られる。
【００４１】
また、上記第１の発明の表示光学系は、左眼用も右眼用も偏心断面であるローカル母線断面を人間の顔の上下方向に配置する（上下に光線を折り畳む）のがよい。通常、表示拡大像は人間の左右方向に画角が広く、上下方向に画角が狭い（左右４：上下３または１６：９ぐらいの比）ため、偏心断面であり偏心収差の発生が大きいローカル母線断面を、画角の小さい上下に設定すれば、表示拡大像での偏心収差の発生を少なくでき、好ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
【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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。ローカル母線断面焦点距離とローカル子線断面焦点距離については後述の各実施形態にて説明する。
【００４７】
（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、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される第１の光学系１と、第２の光学系２とから構成されている。
【００４８】
第１の光学系１の透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）上には３つの光学面が形成されており、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。
【００４９】
面Ａの一部（上部）と面Ｃには反射膜が形成されており、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００５０】
面Ａの上部は折り返し反射作用を持つ領域である。面Ａの下部は光束が面Ａを射出する領域である。
【００５１】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００５２】
図中の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。
【００５３】
画像表示素子３から発せられた光は、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で反射し、面Ａの上部に導かれる。そして、面Ａの上部で折り返し反射した後、面Ｃで再反射し、面Ａにおける最初の光の反射領域付近に戻される。そして、面Ａで再反射し、さらに面Ｂで反射して面Ａの下部を透過して第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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（反射）→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、面Ａ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。
【００５７】
ここでは、面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→面Ａ（折り返し反射）までを往路と、面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）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。
【００５８】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【００５９】
このように、面Ａ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、光路をほぼ重複させ、長い光路を第１の光学素子１内に収めることができる。これにより、第２の光学系２を含む表示光学系全体を小型化できる。
【００６０】
また、画像表示素子３からの光線は最終反射面Ｂで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、眼球側に導かれる。
【００６１】
面Ａでの折り返し反射以外の反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また少なくとも、面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの折り返し反射以外の反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００６２】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（面Ａの上部と下部の間）は下部から上部に向かって徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。なお、反射膜は前述した理由より金属膜が好ましい。
【００６３】
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、面Ａ（反射、折り返し反射、再反射、透過）および面Ｃ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系１の主パワーを担っている。
【００６４】
第１の光学系１では、往復光路を形成するために面Ａ，面Ｃにて光が２回以上反射するため、面Ｂにパワーを持たせて面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制している。
【００６５】
特に、ローカル母線断面が偏心断面であるため、中心画角主光線におけるこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａ，Ｃを平面としてもよい。
【００６６】
面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。また、面Ｂ以外の面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比を近いものに設定可能となる。
【００６７】
また面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【００６８】
さらに好ましくは、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。
【００６９】
このとき、各回転非対称面を、ローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【００７０】
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を提供できる。
【００７１】
また、透明体内で１回中間結像させることで、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角の自由度を向上させて、より広画角化（高倍率提示）を可能にするとともに、長い光路長の往復光路をほぼ重複させることで第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。
【００７２】
（第２実施形態）
図２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。図中の１１は図１に示したものと同様の第１の光学系であり、２は第２の光学系、４は撮像素子である。
【００７３】
Ｓは第１の光学系（以下、第１の光学素子ともいう）１１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。
【００７４】
本実施形態において、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。
【００７５】
絞りＳを通過した外界の被写体からの光は、第１の光学素子１１に面Ａから入射し、面Ｂで反射して、面Ａで反射し、面Ｃで反射して面Ａの上部に導かれる。そして、上部が折り返し反射作用を持つ面Ａで折り返し反射した後、面Ｃで再反射して面Ａにおける最初の光の反射領域付近で再反射し、面Ｂを透過して第１の光学素子１１を射出し、第２の光学系２に向かう。
【００７６】
第２の光学系２を通過した光は撮像素子４に導かれて結像する。この際、所望の外界像からの光束が撮像素子４の撮像面に結像し、外界像を取得することを可能としている。
【００７７】
以上のように撮像光学系を構成することにより、外界の被写体を撮像素子４上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。また、第１の光学素子１１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、広画角化を可能にしているとともに、長い光路長をほぼ重複させて第１の光学素子１１内に形成することで第１の光学系１１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を構成できる。
【００７８】
（第３実施形態）
図３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。この表示光学系は、第１の光学系２１と、第２の光学系２とから構成されている。第１の光学系２１を構成する透明体（以下、第１の光学素子２１ともいう）上には、３つの光学面が形成されており、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、折り返し反射面Ｃ（第２の面）は反射作用のみの面である。
【００７９】
折り返し反射面Ｃには、反射膜が形成されており、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００８０】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００８１】
図中、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。
【００８２】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子２１に導かれる。光は面Ｂより第１の光学素子２１に入射し、面Ａで反射して折り返し反射面Ｃに導かれる。折り返し反射面Ｃでは、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射する。そして、面Ａにおける最初の光の反射領域付近に戻された光は面Ａで再反射し、面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子２１から射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００８３】
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て射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【００８４】
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上に表示した画像の拡大像を視認することが可能となる。
【００８５】
また、第１の光学素子２１において、光はＢ面入射→Ａ面反射→折り返し反射面Ｃ→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【００８６】
面Ｂ→面Ａ→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→面Ａ→面Ｂまでが復路であり、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【００８７】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【００８８】
このように、第１の光学素子２１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学素子２１内を有効に利用し、光路長に対して第１の光学素子２１のサイズを小さくしている。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【００８９】
折り返し反射面Ｃでの反射は反射膜によるものである。また、画像表示素子３からの光は面Ｂでの反射により往復光路を抜け、画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【００９０】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００９１】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は下部から上部に向かって徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は、金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００９２】
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、面Ａ（反射、再反射、透過）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系２１の主パワーを担っている。これは、往復光路により面Ａで光が２回反射するため、面Ｂにパワーを持たせて面Ａのパワーを弱く設定することにより収差の発生を抑制するためである。
【００９３】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線に対してこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。
【００９４】
また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａを平面としてもよい。さらに、面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【００９５】
また、面Ｂ以外の反射面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示された画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【００９６】
また、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【００９７】
更に好ましくは、第１の光学系２１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、各回転非対称面はローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【００９８】
（第４実施形態）
図４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。この表示光学系は、第１の光学系３１と、第２の光学系２とから構成されている。第１の光学系（以下、第１の光学素子ともいう）３１は４つの光学面を有した透明体からなり、面Ａ（第１の面）は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、折り返し反射面Ｃ（第２の面）および面Ｂ（第３の面）は反射作用のみの面、入射面Ｄは透過面である。
【００９９】
折り返し反射面Ｃおよび面Ｂには反射膜が形成されている。なお、反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１００】
図中の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Ｄは画像表示素子３からの光の入射面として、面Ａは反射面および射出面として、面Ｂ，面Ｃは反射面として作用する。
【０１０１】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子３１に導かれる。光は入射面Ｄより第１の光学素子３１に入射し、面Ａで反射して折り返し反射面Ｃに導かれる。折り返し反射面Ｃでは、入射した光を面Ａにおける最初の光の反射領域寄りの領域に戻すよう反射するが、中心画角主光線の折り返し反射面Ｃへの入射光と反射光の成す角度がθで反射している。
【０１０２】
その後、光は面Ａで再反射し、面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子３１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１０３】
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て射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【０１０４】
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。
【０１０５】
第１の光学素子３１において、光は入射面Ｄ→Ａ面反射→折り返し反射面Ｃ→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１０６】
Ａ面→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→Ａ面までが復路、往路と復路合わせて往復光路が形成される。
【０１０７】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１０８】
このように第１の光学素子３１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学素子３１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系３１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１０９】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜け、その後は画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１１０】
本実施形態の表示光学系は、第１および第３実施形態の表示光学系と比べ明るさの点でメリットがある。第１および第３実施形態では、画像表示素子からの光が第１の光学系の面Ｂから入射し、かつ面Ｂは第１の光学系の光路中で反射作用も持っていたため、ハーフミラーとする必要がある。従って、画像表示素子からの光量は第１の光学系に入るときにほぼ半分になってしまう。
【０１１１】
これに対し、本実施形態では、折り返し反射面Ｃへの中心画角主光線の入射光と反射光の成す角度θを比較的大きな値にして、復路を面Ａまでとし、その後の光は入射面Ｄとは別の面Ｂに行くように設定している。このように入射面Ｄと面Ｂ（反射作用のみの面）とを分けることにより、第１の光学系への入射時の光量ロスをなくし、明るい表示光学系を実現している。
【０１１２】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１１３】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は下部から上部に向かって徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１１４】
本実施形態では、最終反射面として作用するときの面Ｂは、面Ａ（反射、再反射、透過）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系３１の主パワーを担っている。これは、往復光路により面Ａで光が２回反射するため、面Ｂにパワーを持たせ、面Ａのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制するためである。
【０１１５】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線に対してこの断面上での面Ｂパワーを強く、面Ａのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。
【０１１６】
また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａを平面としてもよい。面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１１７】
また、面Ｂ以外の反射面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示される画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０１１８】
また、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１１９】
更に好ましくは、第１の光学系３１を構成する４つの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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。
【０１２０】
このとき、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１２１】
（第５実施形態）
図５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。この表示光学系は、透明体である光学素子４１−ａと反射部材４１−ｂとからなる第１の光学系４１と、第２の光学系２とから構成されている。
【０１２２】
光学素子４１−ａは、３つの光学面を有し、面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）は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（第２の面）は反射作用のみの面ある。反射部材４１−ｂは、中心画角主光線に対して偏心した透過面Ｄと裏面反射の折り返し反射面Ｅとを有している。
【０１２３】
面Ｃおよび反射部材４１−ｂの折り返し反射面Ｅには反射膜が形成され、面Ｂはハーフミラーで構成されている。なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１２４】
図中、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は射出面（反射部材４１−ｂに向かう射出と射出瞳Ｓに向かう射出）および反射面として作用する。
【０１２５】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学系４１の光学素子４１−ａに導かれる。光は面Ｂより光学素子４１−ａに入射した後、面Ａ、面Ｃと順に反射し、面Ａに臨界角度以下で入射および射出する。そして光学素子４１−ａを射出した後、反射部材４１−ｂの透過面Ｄを透過し、折り返し反射面Ｅで反射される。折り返し反射面では、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射するが、中心画角主光線の折り返し反射面への入射光と反射光の成す角度がθで反射している。
【０１２６】
その後、光は光学素子４１−ａに面Ａから再入射し、面Ｃでの反射により面Ａにおける最初の光の反射領域寄りの領域に戻されて反射し、面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して光学素子４１−ａを射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
第１の光学系４１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→面Ａ（透過）→反射部材４１−ｂの透過面Ｄ（透過）→反射部材４１−ｂの折り返し反射面Ｅ（折り返し反射）→反射部材４１−ｂの透過面Ｄ（再透過）→面Ａ（再透過）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（再々透過））の順で各面を通過し、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１３０】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｅまでが往路、折り返し反射面Ｅ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路合わせて往復光路が形成される。
【０１３１】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１３２】
このように第１の光学系４１内に往復光路を形成することで、光路をほぼ重複させ、第１の光学系４１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系４１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１３３】
また、画像表示素子３からの光線は、面Ｂでの反射により往復光路を抜け、その後は画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１３４】
本実施形態では、折り返し反射面（反射部材４１−ｂの折り返し反射面Ｅ）への入射光線が図上でやや下側に反射するようにθを設定している。これにより、第１の光学系４１に対して第２の光学系２または画像表示素子３を比較的上側に配置できるため、上下をコンパクト化することができる。
【０１３５】
また、第１の光学系４１では、折り返し反射面を含む反射部材４１−ｂを光学素子４１−ａとは別部材とすることにより、光路中の有効面を増やし、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。
【０１３６】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（射出瞳Ｓに向かう射出の面Ａの下部と反射部材４１−ｂへ向かう射出の面Ａの上部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１３７】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側と上部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１３８】
本実施形態では、最終反射面として作用するときの面Ｂは、面Ａ（反射、透過、再透過、再反射、再々透過）、面Ｃ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系４１の主パワーを担っている。第１の光学系４１では往復光路により面Ａ、Ｃで光が２回以上反射するため、面Ｂにパワーを持たせて面Ａ、Ｃのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制している。
【０１３９】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線におけるこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａ、Ｃのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。
【０１４０】
また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａ、Ｃを平面としてもよい。面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１４１】
また、面Ｂ以外の面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示される画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０１４２】
また、光学素子４１−ａの面Ａ，Ｂ，Ｃおよび反射部材４１−ｂの両面Ｄ，Ｅをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１４３】
更に好ましくは、第１の光学系４１を構成する面Ａ，Ｂ，Ｃ、反射部材４１−ｂの両面Ｄ，Ｅ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。
【０１４４】
このとき、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１４５】
（第６実施形態）
図６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。この表示光学系は、第１の光学系５１と、第２の光学系２とから構成されている。第１の光学系（以下、第１の光学素子ともいう）５１は、４つの光学面を有した透明体により構成され、面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）は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（第２の面）は反射作用のみの面である。さらに、透明体には折り返し反射面Ｄが形成されている。
【０１４６】
面Ｃ、折り返し反射面Ｄには反射膜が形成され、面Ｂはハーフミラーである。なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１４７】
図中の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する。
【０１４８】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１光学素子５１に導かれる。光は面Ｂから第１の光学素子５１に入射した後、面Ａ、面Ｃと順に反射し、折り返し反射面Ｄで反射する。その後、面Ｃでの反射により面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて反射し、面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子５１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
第１の光学素子５１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→折り返し反射面Ｄ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｄでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１５２】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｄまでが往路、折り返し反射面Ｄ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０１５３】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し，面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１５４】
このように第１の光学素子５１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学素子５１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系５１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１５５】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後は画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１５６】
本実施形態では、図１に示した第１実施形態の構成に対し、折り返し反射面Ｄを面Ａから独立した面としている。これにより、面を１面増やして設計の自由度を上げている。
【０１５７】
また、第１実施形態の構成では、面Ａの折り返し反射領域の上部に反射膜が必要であり、部分的な反射膜蒸着をしなければならないが、本実施形態では折り返し反射面Ｄが面Ａから独立しているため、反射膜蒸着が容易である。
【０１５８】
さらに、本実施形態において、面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。この他に、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１５９】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１６０】
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、面Ａ（反射、再反射、透過）、面Ｃ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系５１の主パワーを担っている。
【０１６１】
第１の光学系５１では、往復光路により面Ａ、面Ｃで光が２回以上反射するため、面Ｂにパワーを持たせ、面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制している。特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線におけるこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａ，Ｃを平面としてもよい。
【０１６２】
面Ｂは偏心した曲面であるため，回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。また、面Ｂ以外の面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示された画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０１６３】
また、第１の光学系５１の面Ａ，Ｂ，Ｃおよび折り返し反射面Ｄをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１６４】
更に好ましくは、第１の光学系５１を構成する面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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。
【０１６５】
このとき、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１６６】
（第７実施形態）
図７には、本発明の第７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、透明体である２つの光学素子６１−ａ１，６１−ａ２と反射部材６１−ｂとからなる第１の光学系６１により構成される。光学素子６１−ａ１，６１−ａ２はともに３つの光学面を有し、面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）、面Ｅは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（第２の面）は反射作用のみの面、面Ｄ、面Ｆは透過作用のみの面である。
【０１６７】
反射部材６１−ｂは反射膜による表面反射面である折り返し反射面Ｇを有している。面Ｃと反射部材６１−ｂの折り返し反射面Ｇには反射膜が形成され、面Ｂはハーフミラーである。なお、反射膜、ハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１６８】
図中の３は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。本実施形態では、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、面Ｅは入射面、反射面および射出面として作用する。
【０１６９】
画像表示素子３から発せられた光は、直接、第１の光学系６１の光学素子６１−ａ１に導かれる。光は面Ｂから光学素子６１−ａ１に入射した後、面Ａで反射し、光学素子６１−ａ１の面Ｄから射出する。次に、光学素子６１−ａ２に面Ｅから入射し、面Ｃと面Ｅで反射した後、光学素子６１−ａ２の面Ｆから射出する。そして、反射部材６１−ｂの表面の反射膜（面Ｇ）で折り返し反射される。その後、光学素子６１−ａ２に面Ｆから入射し、面Ｅ、面Ｃで再反射されて光学素子６１−ａ２の面Ｅから射出する。さらに、光学素子６１−ａ１に面Ｄから入射し、面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて再反射し、反射面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して光学素子６１−ａ１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
第１の光学系６１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｄ（透過）→面Ｅ（透過）→面Ｃ（反射）→面Ｅ（反射）→面Ｆ（透過）→反射部材６１−ｂの折り返し反射面Ｇ（折り返し反射）→面Ｆ（再透過）→面Ｅ（再反射）→面Ｃ（再反射）→面Ｅ（再透過）→面Ｄ（再透過）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で面を通過し、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１７３】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｇまでが往路、折り返し反射面Ｇ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０１７４】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１７５】
このように第１の光学系６１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系６１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系６１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１７６】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後は画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１７７】
本実施形態では、第１の光学系６１が２つの光学素子により構成されているため、往復光路を長くすることができ、非常に長い光路長を第１光学系６１内に収めることができる。このため、前述した各実施形態のように、画像表示素子と第１の光学系の間に、別の第２の光学系を挿入する必要がなく、表示光学系が下側に大型化しない。
【０１７８】
本実施形態において、面Ａ、面Ｅでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また少なくとも、面Ａ、面Ｅでの反射光束と射出光束とが共用する領域（面Ａ、面Ｅの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａ、面Ｅでの反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１７９】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１８０】
また、本実施形態では、最終反射面として作用するときの面Ｂと反射面として作用する面Ｃの凹面鏡の光学的パワー（１／焦点距離）が他の反射面に対して強い。その中でも反射面として作用する面Ｃの凹面鏡パワーの方が強い。面Ｂの凹面鏡パワーのほうを弱めないと、第１の光学系６１と表示素子３の間隔を十分に取れなくなるためである。特に、ローカル母線断面上でその傾向が強く出る。
【０１８１】
また、面Ｂ、面Ｃのみパワーを持ち、面Ａ、面Ｅを平面としてもよい。面Ｂ、面Ｃは偏心した曲面であるため，回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１８２】
また、光学素子６１−ａ１，６１−ａ２の面Ａ，Ｂ，Ｃ、面Ｅおよび反射部材６１−ｂの折り返し反射面Ｇをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１８３】
更に好ましくは、第１の光学系６１を構成する面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇ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。また、全ての面を自由曲面とすると更に良好な画質が得られる。
【０１８４】
このとき，各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１８５】
（第８実施形態）
図８には、本発明の第８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、反射部材７１−ｂ１，７１−ｂ２，７１−ｂ３による３面反射ミラー構成の第１の光学系７１と、第２の光学系２とから構成されている。
【０１８６】
３つの反射部材７１−ｂ１，７１−ｂ２，７１−ｂ３の表面には、反射膜が形成されている。反射部材７１−ｂ２の反射面は折り返し反射面である。なお、反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１８７】
図中の３は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学系７１の反射部材７１−ｂ１に導かれる。光は反射部材７１−ｂ１の反射ミラー面である面Ａ（第１の面）から第１の光学系７１に入射し、面Ａで反射して、反射部材７１−ｂ２のミラー面である折り返し反射面Ｃ（第２の面）に導かれる。折り返し反射面Ｃでは、入射した光を面Ａにおける最初の光の反射領域寄りの領域に戻すように反射するが、中心画角主光線の折り返し反射面Ｃへの入射光と反射光の成す角度がθとなるように反射している。
【０１８８】
その後、光は面Ａで再反射し、反射部材７１−ｂ３のミラー面である面Ｂ（第３の面）で反射した後、第１の光学系７１から射出して、射出瞳Ｓに到達する。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
第１の光学系７１において、光は面Ａ（反射）→反射部材７１−ｂ２のミラー面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１９２】
Ａ（反射）→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→Ａ（再反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０１９３】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１９４】
このように第１の光学系７１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系７１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系７１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体を小型化できる。
【０１９５】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後、画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１９６】
本実施形態は、上記第６実施形態のものと同様に明るさの点でメリットがある。本実施形態では、折り返し反射面への中心画角主光線の入射光と反射光とのなす角度θを比較的大きな値にして、復路を面Ａまでとし、第１の光学系７１に入射してきた光線とはややずれたところに別の面Ｂを配置し、面Ｂに光線が行くように設定している。これにより、３面（面Ａ、面Ｂ、折り返し反射面Ｃ）の反射ミラーを光をほぼ１００％反射可能な反射膜で形成し、明るい第１の光学系７１を実現している。なお、反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１９７】
また、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は面Ａ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系７１の主パワーを担っている。これは、往復光路により面Ａで光が２回反射するため、面Ｂにパワーを持たせ、面Ａのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制するためである。
【０１９８】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線に対してこの断面上での面Ｂパワーを強く、面Ａのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａを平面としてもよい。
【０１９９】
面Ｂは偏心した曲面であるため，回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０２００】
また、面Ｂ以外の反射面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示される画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０２０１】
また、面Ａ，Ｂ，折り返し反射面Ｃをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０２０２】
更に好ましくは、第１の光学系７１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，折り返し反射面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、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０２０３】
（第９実施形態）
図９には、本発明の第９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、透明体としての光学素子８１−ａと反射部材８１−ｂとからなる第１の光学系８１と、２つの光学系８２−１，８２−２からなる第２の光学系とから構成されている。
【０２０４】
光学素子８１−ａは、３つの光学面を有し、面Ａ（第１の面），Ｂ（第３の面）は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Ｄは透過面として作用する。また、反射部材８１−ｂは、表面に反射膜を形成した折り返し反射面Ｃ（第２の面）を有する。面Ｂはハーフミラーである。なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０２０５】
図中の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する。
【０２０６】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系のうち光学系８２−１を介して第１の光学系８１の光学素子８１−ａに導かれる。光は面Ｂより光学素子８１−ａに入射した後、面Ａで反射し、面Ｄから射出する。そして、反射部材８１−ｂの表面の折り返し反射面Ｃで反射する。その後、光学素子８１−ａの面Ｄから入射し、面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて再反射し、面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して光学素子８１−ａを射出し、第２の光学系８２のうちもう１つの光学系８２−２で光学的パワーが調節されて射出瞳Ｓに到達する。
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
第１の光学系８１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｄ（透過）→反射部材８１−ｂの折り返し反射面Ｃ（折り返し反射）→面Ｄ（再透過）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０２１０】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０２１１】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０２１２】
このように第１の光学系８１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系８１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系８１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０２１３】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後、画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０２１４】
本実施形態では、光学素子８１−ａの３面を平面で構成しているため、光学素子８１−ａ自体は光学的パワーを持たず、反射部材８１−ｂの折り返し反射面が光学的パワーを持っている。これにより、光学素子８１−ａのコストをかなり安くでき、光学素子８１−ａでの収差発生も抑制される。
【０２１５】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０２１６】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０２１７】
以下、上記各実施形態を、数値実施例を用いて説明する。
【０２１８】
［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で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（光学素子）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１実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０２１９】
２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により構成されている。
【０２２０】
ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。また、折り返し反射面Ａ（Ｓ６）と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ７）には反射膜が形成され、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ９）にはハーフミラーが形成されている。
【０２２１】
本数値実施例において、全て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。
【０２２２】
本数値実施例の光学データを表１に示す。この数値実施例は射出瞳径φ１０ｍｍ，画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系である。
【０２２３】
なお、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。
【０２２４】
Ｒは曲率半径である。ＦＦＳの項（数値実施例２以降はＴＹＰの項）は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、数字（数値実施例２以降はＦＦＳ）は以下の式に従う回転非対称面である．
【０２２５】
【数１】
【０２２６】
ＦＦＳの項の数字又はＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は、その面形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃｉに対応する回転非対称形状であることを示している。
【０２２７】
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。
【０２２８】
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。
【０２２９】
【表１】
【０２３０】
なお、本数値実施例に示した光学系は、ｚ軸負方向における無限遠方の物点からの光束を、絞りＳ１を通過させて第１の光学系１に導き、第１の光学系１を射出した後、第２の光学系２を経て撮像面ＳＩに結像させる撮像光学系（第２実施形態）としても利用できる。
【０２３１】
［数値実施例２］
図１１には、図３に示した第３実施形態（やや図４の第４実施形態に近いもの）の数値実施例での光路断面図を示している。
【０２３２】
図中、２１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が面Ａ，Ｓ３，Ｓ７が面Ｂ、Ｓ５が折り返し反射面Ｃである。折り返し反射面Ｃ（Ｓ５）には反射膜が形成され、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ７）にはハーフミラーが形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０２３３】
２２は第２の光学系であり、それぞれが２面構成の２つのレンズ２２−１，２２−２からなり、レンズ２２−１の一方の面は第１の光学系２１を構成する透明体と接合されており、この面はＳ７として表記している。
【０２３４】
また、第１の光学系２１および第２の光学系２２におけるＳ１からＳ１０までの光学面は、本数値実施例において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している。本数値実施例の光学データを表２に示す。
【０２３５】
【表２】
【０２３６】
なお、図４に示した第４実施形態は、本数値実施例の面Ｓ７と面Ｓ３の有効面が重ならないようにθを設定し、面Ｓ７を入射面として別面とし、Ｓ３面は反射のみの面、Ｓ７面は接合面で透過作用のみの面とすることによって実施できる。またＳ７とＳ３の有効面を重ならないようにθを設定し、Ｓ７とＳ３を同一面のままとし、Ｓ３面は反射のみの面、Ｓ７面は接合面で透過作用のみの面としてもよい。
【０２３７】
これにより、１面分減らすことができ、かつ明るさのメリットも残る。また透過作用のみのＳ７の接合面をなくし、光学系２１とレンズ２２−１を同一部材の一体物（一体成形品など）とすると、部品が１個減り光学系のコストダウンが可能になる。また、透過作用のみのＳ７の接合面をなくし、光学系２１とレンズ２２−１を微小間隔の空気層をおいて配置してもよい。
【０２３８】
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。
【０２３９】
また、本数値実施例も、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２４０】
［数値実施例３］
図１２には、図５に示した第５実施形態の数値実施例での光路断面図を示している。
【０２４１】
図中、４１は第１の光学系を示し、４１−ａは少なくとも３つの面を有する透明体としての光学素子、４１−ｂは反射ミラー部材である。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０は同一面、Ｓ３，Ｓ１１は同一面、Ｓ５，Ｓ９は同一面であり、それぞれ図５にて説明した面Ａ，面Ｂ，面Ｃに相当する。
【０２４２】
Ｓ７は折り返し反射面である。この折り返し反射面（Ｓ７）と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ９）には反射膜が、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ１１）にはハーフミラーが形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０２４３】
図中、２は第２の光学系であり、Ｓ１２，Ｓ１３を有するレンズにより構成されている。
【０２４４】
図５では、ある程度の大きさの角度θを設定していたが、本数値実施例ではθの値をかなり小さくして表示光学系の光学性能を優先させている。本数値実施例の光学データを表３に示す。
【０２４５】
【表３】
【０２４６】
本数値実施例は、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。
【０２４７】
また、本数値実施例も、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２４８】
［数値実施例４］
図１３には、図６に示した第６実施形態の数値実施例での光路断面図を示している。図中，５１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、４つの光学面を有した透明体としての光学素子により構成されている。
【０２４９】
Ｓ２，Ｓ４，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６実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０２５０】
Ｓ６は折り返し反射面Ｄである。折り返し反射面Ｄ（Ｓ６）と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ７）には反射膜が、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ９）にはハーフミラーが形成されている。
【０２５１】
５２は第２の光学系であり、それぞれ２面を有する２つのレンズ５２−１，５２−２から構成されている。レンズ５２−１の一方の面Ｓ１０は第１の光学系５１（光学素子）の面Ｓ９と同一面で接合されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０２５２】
本数値実施例において、全て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。本数値実施例の光学データを表４に示す。
【０２５３】
【表４】
【０２５４】
本数値実施例は、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２とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【０２５５】
また、本数値実施例も、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２５６】
［数値実施例５］
図１４には、図７に示した第７実施形態に類似の実施形態における数値実施例での光路断面図を示している。図中、６１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、２つの光学素子６１−ａ１，６１−ａ２からなる。両光学素子６１−ａ１，６１−ａ２とも３つの光学面を有している。
【０２５７】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ１４は同一面、Ｓ３，Ｓ１５は同一面、Ｓ７，Ｓ１１は同一面、Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１２は同一面であり、これら４面はそれぞれ第７実施形態に説明した面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅに相当する。
【０２５８】
Ｓ９は折り返し反射面Ｇである。この折り返し反射面Ｇ（Ｓ９）と面Ｃ（Ｓ７，Ｓ１１）には反射膜が、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ１５）にはハーフミラーが形成されている。
【０２５９】
なお、本数値実施例５は図７に示した第７実施形態と若干異なり、第１の光学系６１に折り返し反射面Ｇを有する反射部材を用いず、光学素子６１−ａ２内のＳ９面を折り返し反射面として光学調整を簡単なものにしたものである。また、第１の光学系６１に光学素子を２つ採用したため、第１の光学系６１と画像表示素子３（ＳＩ）との間に第２の光学系を必要としない。
【０２６０】
ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。本数値実施例では、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ１５）、面Ｃ（Ｓ７，Ｓ１１）、折り返し反射面Ｇ（Ｓ９）に回転非対称面を採用し、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。なお、全ての光学面に回転非対称面を採用したほうが、より良好な光学性能が得られる。本数値実施例の光学データを表５に示す。
【０２６１】
【表５】
【０２６２】
本数値実施例は、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。
【０２６３】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２６４】
【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の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる(往復光路)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表示広画角を達成でき、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。
【０２６５】
なお、表示光学系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。
【０２６６】
また、本願第２の発明によれば、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる(往復光路)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撮影広画角を達成することができる。
【０２６７】
なお、撮像光学系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実施形態である撮像光学系の構成図。
【図３】本発明の第３実施形態である表示光学系の構成図。
【図４】本発明の第４実施形態である表示光学系の構成図。
【図５】本発明の第５実施形態である表示光学系の構成図。
【図６】本発明の第６実施形態である表示光学系の構成図。
【図７】本発明の第７実施形態である表示光学系の構成図。
【図８】本発明の第８実施形態である表示光学系の構成図。
【図９】本発明の第９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（第１実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１１】本発明の数値実施例３（第３実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１２】本発明の数値実施例４（第４実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１３】本発明の数値実施例５（第５実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１４】本発明の数値実施例６（第６実施形態の実施形）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】
１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１ 第１の光学系
２，２２，５２，８２ 第２の光学系
３ 画像像表示素子
４ 撮像素子
【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内部全反射面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表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で撮影広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であって、表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、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の面とを有し、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、表示光学系内で原画の中間像を形成することを特徴としている。
【００１５】
すなわち、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる（往復光路とする）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）を用いつつ表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することが可能となる。
【００１６】
また、原画からの光は、第２の面での反射、第１の面での再反射の後、入射する光線に対し偏心した別の第３の面で眼又は被投射面側に反射することを特徴としている。これは第１の面と第２の面で形成された往復行路から射出する光を、第３の面で、往復行路に入射する光とは異なる方向（眼又は被投射面側）に設定し、往復光路への入射光との干渉を避けるためのものである。
【００１７】
本発明の表示光学系は、原画からの中心画角主光線がほぼ反対側に折り返し反射する、反射作用のみを有する折り返し反射面があることを特徴とする。これはマラソンの折り返し地点に相当するものであり、折り返し反射面を境に往路と復路がぼぼ重複し、第１の面または第２の面以外の面も含んだ長い往復光路が形成され、更なる光学系の小型化が可能になる。
【００１８】
更に折り返し反射面は、前記第１の面または前記第２の面であることを特徴とする。こうすると必要最小限の面数で光学系を構成できるので、小型化を図ることが可能となる。
【００１９】
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。
【００２０】
また、この表示光学系を構成する光学面を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、光学曲面を回転非対称な面形状（自由曲面形状）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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であって、撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、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の面とを有し、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、撮像光学系内で被写体の中間像を形成することを特徴とする。
【００２３】
すなわち、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる（往復光路）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、小型でありながらも撮影広画角を達成することが可能となる。
【００２４】
また被写体からの光線は、光線に対し偏心した第３の面で反射後、前記第１の面で反射、前記第２の面で反射後、再度前記第１の反射面で反射して進み撮像面に導かれることを特徴としている。これは第３の面での反射により、第１の面と第２の面で形成された往復行路への、被写体からの入射光線と撮像面に導かれる射出光線との干渉を避けている。
【００２５】
本発明の撮像光学系は、被写体からの中心画角主光線がほぼ反対側に折り返し反射する、反射作用のみを有する折り返し面があることを特徴とする。これはマラソンの折り返し地点に相当するものであり、折り返し反射面を境に往路と復路がほぼ重複し、第１の面または第２の面以外の面も含んだ長い往復光路が形成され、更なる光学系の小型化が可能になる。
【００２６】
更に折り返し反射面は、第１の面または第２の面であることを特徴とする。こうすると必要最小限の面数で光学系を構成できるので、小型化を図ることが可能となる。
【００２７】
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。
【００２８】
また、この撮像光学系を構成する光学面を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、光学曲面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、第１および第２の発明において、回転非対称面はローカル母線断面を唯一の対称面として持つ面対称形状が好ましい。これにより、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可能となる。
【００３１】
また、透明体上に光学面を形成し、いずれかの光学面で光を内部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。特に第１の面を内部反射面とすると、表示光学系、撮像光学系をコンパクにまとめられる。
【００３２】
さらに、表示光学系および撮像光学系のいずれにおいても、光学的屈折力を有した面におけるローカル母線断面焦点距離が、原画からの光を第１の面で複数回反射し、眼又は被投射面側に反射させる第３の面の反射面又は被写体からの光を第１の面に向けて反射する第３の面の反射面において最も正で短くなるようにするとよい。これは、偏心した面に強い屈折力を持たせると、光の往路と復路とがあるためにローカル母線断面で２倍の偏心収差が発生してしまうため、１回しか反射しない第３の面に強い正のパワーを持たせることにより、ローカル母線断面での偏心収差発生を抑制することが可能となる。
【００３３】
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。
【００３４】
ここで、折り返し反射面は、反射作用のみの面であり、ほぼ１００％近く光を反射する金属ミラーコーティングをして光量ロスをできるだけ少なくすることが望ましい。
【００３５】
また、折り返し反射面において、光がほぼ反対側に反射される場合、後述する中心画角主光線において、入射光線と反射光線の成す角度θは下記の値を満足することが望ましい。
【００３６】
｜θ｜＜６０° …（１）
この条件式（１）の上限を超えると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりジグザク光路になってしまい光学系が大型化する。
【００３７】
｜θ｜＜３０° …（２）
この条件式（２）の条件を外れると、逆戻りはできるが、往路と復路が重ならず光学系が大型化し、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。
【００３８】
｜θ｜＜２０° …（３）
この条件式（３）を満たすと、光学系の更なる小型化が可能になる。
【００３９】
なお、表示光学系および撮像光学系中の折り返し反射面を、偏心した反射面と兼用してもよい。この場合、光学面を削減できるため光学系を小型化できる。特に第１の面または第２の面を折り返し反射面と兼用させると、もっとも小型化が可能となる。
【００４０】
また、上記第１の発明の表示光学系をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として使用する場合は、左右の目に対し、各々独立した原画（画像表示素子）と表示光学系とを設けるのがよい。つまり、２つの原画（同一のもの）とそれに合わせた２つの表示光学系（同一のもの）とを有することにより、１つの原画で左右の表示光学系に光を分けるようなＨＭＤよりも明るい表示画像が得られる。
【００４１】
また、上記第１の発明の表示光学系は、左眼用も右眼用も偏心断面であるローカル母線断面を人間の顔の上下方向に配置する（上下に光線を折り畳む）のがよい。通常、表示拡大像は人間の左右方向に画角が広く、上下方向に画角が狭い（左右４：上下３または１６：９ぐらいの比）ため、偏心断面であり偏心収差の発生が大きいローカル母線断面を、画角の小さい上下に設定すれば、表示拡大像での偏心収差の発生を少なくでき、好ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
【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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。ローカル母線断面焦点距離とローカル子線断面焦点距離については後述の各実施形態にて説明する。
【００４７】
（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、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される第１の光学系１と、第２の光学系２とから構成されている。
【００４８】
第１の光学系１の透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）上には３つの光学面が形成されており、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。
【００４９】
面Ａの一部（上部）と面Ｃには反射膜が形成されており、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００５０】
面Ａの上部は折り返し反射作用を持つ領域である。面Ａの下部は光束が面Ａを射出する領域である。
【００５１】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００５２】
図中の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。
【００５３】
画像表示素子３から発せられた光は、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で反射し、面Ａの上部に導かれる。そして、面Ａの上部で折り返し反射した後、面Ｃで再反射し、面Ａにおける最初の光の反射領域付近に戻される。そして、面Ａで再反射し、さらに面Ｂで反射して面Ａの下部を透過して第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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（反射）→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、面Ａ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。
【００５７】
ここでは、面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→面Ａ（折り返し反射）までを往路と、面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）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。
【００５８】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【００５９】
このように、面Ａ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、光路をほぼ重複させ、長い光路を第１の光学素子１内に収めることができる。これにより、第２の光学系２を含む表示光学系全体を小型化できる。
【００６０】
また、画像表示素子３からの光線は最終反射面Ｂで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、眼球側に導かれる。
【００６１】
面Ａでの折り返し反射以外の反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また少なくとも、面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの折り返し反射以外の反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００６２】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（面Ａの上部と下部の間）は下部から上部に向かって徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。なお、反射膜は前述した理由より金属膜が好ましい。
【００６３】
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、面Ａ（反射、折り返し反射、再反射、透過）および面Ｃ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系１の主パワーを担っている。
【００６４】
第１の光学系１では、往復光路を形成するために面Ａ，面Ｃにて光が２回以上反射するため、面Ｂにパワーを持たせて面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制している。
【００６５】
特に、ローカル母線断面が偏心断面であるため、中心画角主光線におけるこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａ，Ｃを平面としてもよい。
【００６６】
面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。また、面Ｂ以外の面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比を近いものに設定可能となる。
【００６７】
また面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【００６８】
さらに好ましくは、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。
【００６９】
このとき、各回転非対称面を、ローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【００７０】
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を提供できる。
【００７１】
また、透明体内で１回中間結像させることで、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角の自由度を向上させて、より広画角化（高倍率提示）を可能にするとともに、長い光路長の往復光路をほぼ重複させることで第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。
【００７２】
（第２実施形態）
図２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。図中の１１は図１に示したものと同様の第１の光学系であり、２は第２の光学系、４は撮像素子である。
【００７３】
Ｓは第１の光学系（以下、第１の光学素子ともいう）１１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。
【００７４】
本実施形態において、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。
【００７５】
絞りＳを通過した外界の被写体からの光は、第１の光学素子１１に面Ａから入射し、面Ｂで反射して、面Ａで反射し、面Ｃで反射して面Ａの上部に導かれる。そして、上部が折り返し反射作用を持つ面Ａで折り返し反射した後、面Ｃで再反射して面Ａにおける最初の光の反射領域付近で再反射し、面Ｂを透過して第１の光学素子１１を射出し、第２の光学系２に向かう。
【００７６】
第２の光学系２を通過した光は撮像素子４に導かれて結像する。この際、所望の外界像からの光束が撮像素子４の撮像面に結像し、外界像を取得することを可能としている。
【００７７】
以上のように撮像光学系を構成することにより、外界の被写体を撮像素子４上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。また、第１の光学素子１１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、広画角化を可能にしているとともに、長い光路長をほぼ重複させて第１の光学素子１１内に形成することで第１の光学系１１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を構成できる。
【００７８】
（第３実施形態）
図３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。この表示光学系は、第１の光学系２１と、第２の光学系２とから構成されている。第１の光学系２１を構成する透明体（以下、第１の光学素子２１ともいう）上には、３つの光学面が形成されており、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、折り返し反射面Ｃ（第２の面）は反射作用のみの面である。
【００７９】
折り返し反射面Ｃには、反射膜が形成されており、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００８０】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００８１】
図中、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。
【００８２】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子２１に導かれる。光は面Ｂより第１の光学素子２１に入射し、面Ａで反射して折り返し反射面Ｃに導かれる。折り返し反射面Ｃでは、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射する。そして、面Ａにおける最初の光の反射領域付近に戻された光は面Ａで再反射し、面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子２１から射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００８３】
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て射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【００８４】
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上に表示した画像の拡大像を視認することが可能となる。
【００８５】
また、第１の光学素子２１において、光はＢ面入射→Ａ面反射→折り返し反射面Ｃ→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【００８６】
面Ｂ→面Ａ→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→面Ａ→面Ｂまでが復路であり、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【００８７】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【００８８】
このように、第１の光学素子２１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学素子２１内を有効に利用し、光路長に対して第１の光学素子２１のサイズを小さくしている。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【００８９】
折り返し反射面Ｃでの反射は反射膜によるものである。また、画像表示素子３からの光は面Ｂでの反射により往復光路を抜け、画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【００９０】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００９１】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は下部から上部に向かって徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は、金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００９２】
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、面Ａ（反射、再反射、透過）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系２１の主パワーを担っている。これは、往復光路により面Ａで光が２回反射するため、面Ｂにパワーを持たせて面Ａのパワーを弱く設定することにより収差の発生を抑制するためである。
【００９３】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線に対してこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。
【００９４】
また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａを平面としてもよい。さらに、面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【００９５】
また、面Ｂ以外の反射面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示された画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【００９６】
また、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【００９７】
更に好ましくは、第１の光学系２１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、各回転非対称面はローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【００９８】
（第４実施形態）
図４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。この表示光学系は、第１の光学系３１と、第２の光学系２とから構成されている。第１の光学系（以下、第１の光学素子ともいう）３１は４つの光学面を有した透明体からなり、面Ａ（第１の面）は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、折り返し反射面Ｃ（第２の面）および面Ｂ（第３の面）は反射作用のみの面、入射面Ｄは透過面である。
【００９９】
折り返し反射面Ｃおよび面Ｂには反射膜が形成されている。なお、反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１００】
図中の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Ｄは画像表示素子３からの光の入射面として、面Ａは反射面および射出面として、面Ｂ，面Ｃは反射面として作用する。
【０１０１】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子３１に導かれる。光は入射面Ｄより第１の光学素子３１に入射し、面Ａで反射して折り返し反射面Ｃに導かれる。折り返し反射面Ｃでは、入射した光を面Ａにおける最初の光の反射領域寄りの領域に戻すよう反射するが、中心画角主光線の折り返し反射面Ｃへの入射光と反射光の成す角度がθで反射している。
【０１０２】
その後、光は面Ａで再反射し、面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子３１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１０３】
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て射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【０１０４】
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。
【０１０５】
第１の光学素子３１において、光は入射面Ｄ→Ａ面反射→折り返し反射面Ｃ→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１０６】
Ａ面→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→Ａ面までが復路、往路と復路合わせて往復光路が形成される。
【０１０７】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１０８】
このように第１の光学素子３１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学素子３１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系３１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１０９】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜け、その後は画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１１０】
本実施形態の表示光学系は、第１および第３実施形態の表示光学系と比べ明るさの点でメリットがある。第１および第３実施形態では、画像表示素子からの光が第１の光学系の面Ｂから入射し、かつ面Ｂは第１の光学系の光路中で反射作用も持っていたため、ハーフミラーとする必要がある。従って、画像表示素子からの光量は第１の光学系に入るときにほぼ半分になってしまう。
【０１１１】
これに対し、本実施形態では、折り返し反射面Ｃへの中心画角主光線の入射光と反射光の成す角度θを比較的大きな値にして、復路を面Ａまでとし、その後の光は入射面Ｄとは別の面Ｂに行くように設定している。このように入射面Ｄと面Ｂ（反射作用のみの面）とを分けることにより、第１の光学系への入射時の光量ロスをなくし、明るい表示光学系を実現している。
【０１１２】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１１３】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は下部から上部に向かって徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１１４】
本実施形態では、最終反射面として作用するときの面Ｂは、面Ａ（反射、再反射、透過）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系３１の主パワーを担っている。これは、往復光路により面Ａで光が２回反射するため、面Ｂにパワーを持たせ、面Ａのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制するためである。
【０１１５】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線に対してこの断面上での面Ｂパワーを強く、面Ａのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。
【０１１６】
また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａを平面としてもよい。面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１１７】
また、面Ｂ以外の反射面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示される画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０１１８】
また、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１１９】
更に好ましくは、第１の光学系３１を構成する４つの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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。
【０１２０】
このとき、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１２１】
（第５実施形態）
図５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。この表示光学系は、透明体である光学素子４１−ａと反射部材４１−ｂとからなる第１の光学系４１と、第２の光学系２とから構成されている。
【０１２２】
光学素子４１−ａは、３つの光学面を有し、面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）は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（第２の面）は反射作用のみの面ある。反射部材４１−ｂは、中心画角主光線に対して偏心した透過面Ｄと裏面反射の折り返し反射面Ｅとを有している。
【０１２３】
面Ｃおよび反射部材４１−ｂの折り返し反射面Ｅには反射膜が形成され、面Ｂはハーフミラーで構成されている。なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１２４】
図中、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は射出面（反射部材４１−ｂに向かう射出と射出瞳Ｓに向かう射出）および反射面として作用する。
【０１２５】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学系４１の光学素子４１−ａに導かれる。光は面Ｂより光学素子４１−ａに入射した後、面Ａ、面Ｃと順に反射し、面Ａに臨界角度以下で入射および射出する。そして光学素子４１−ａを射出した後、反射部材４１−ｂの透過面Ｄを透過し、折り返し反射面Ｅで反射される。折り返し反射面では、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射するが、中心画角主光線の折り返し反射面への入射光と反射光の成す角度がθで反射している。
【０１２６】
その後、光は光学素子４１−ａに面Ａから再入射し、面Ｃでの反射により面Ａにおける最初の光の反射領域寄りの領域に戻されて反射し、面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して光学素子４１−ａを射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
第１の光学系４１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→面Ａ（透過）→反射部材４１−ｂの透過面Ｄ（透過）→反射部材４１−ｂの折り返し反射面Ｅ（折り返し反射）→反射部材４１−ｂの透過面Ｄ（再透過）→面Ａ（再透過）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（再々透過））の順で各面を通過し、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１３０】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｅまでが往路、折り返し反射面Ｅ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路合わせて往復光路が形成される。
【０１３１】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１３２】
このように第１の光学系４１内に往復光路を形成することで、光路をほぼ重複させ、第１の光学系４１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系４１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１３３】
また、画像表示素子３からの光線は、面Ｂでの反射により往復光路を抜け、その後は画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１３４】
本実施形態では、折り返し反射面（反射部材４１−ｂの折り返し反射面Ｅ）への入射光線が図上でやや下側に反射するようにθを設定している。これにより、第１の光学系４１に対して第２の光学系２または画像表示素子３を比較的上側に配置できるため、上下をコンパクト化することができる。
【０１３５】
また、第１の光学系４１では、折り返し反射面を含む反射部材４１−ｂを光学素子４１−ａとは別部材とすることにより、光路中の有効面を増やし、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。
【０１３６】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（射出瞳Ｓに向かう射出の面Ａの下部と反射部材４１−ｂへ向かう射出の面Ａの上部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１３７】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側と上部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１３８】
本実施形態では、最終反射面として作用するときの面Ｂは、面Ａ（反射、透過、再透過、再反射、再々透過）、面Ｃ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系４１の主パワーを担っている。第１の光学系４１では往復光路により面Ａ、Ｃで光が２回以上反射するため、面Ｂにパワーを持たせて面Ａ、Ｃのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制している。
【０１３９】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線におけるこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａ、Ｃのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。
【０１４０】
また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａ、Ｃを平面としてもよい。面Ｂは偏心した曲面であるため、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１４１】
また、面Ｂ以外の面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示される画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０１４２】
また、光学素子４１−ａの面Ａ，Ｂ，Ｃおよび反射部材４１−ｂの両面Ｄ，Ｅをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１４３】
更に好ましくは、第１の光学系４１を構成する面Ａ，Ｂ，Ｃ、反射部材４１−ｂの両面Ｄ，Ｅ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。
【０１４４】
このとき、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１４５】
（第６実施形態）
図６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。この表示光学系は、第１の光学系５１と、第２の光学系２とから構成されている。第１の光学系（以下、第１の光学素子ともいう）５１は、４つの光学面を有した透明体により構成され、面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）は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（第２の面）は反射作用のみの面である。さらに、透明体には折り返し反射面Ｄが形成されている。
【０１４６】
面Ｃ、折り返し反射面Ｄには反射膜が形成され、面Ｂはハーフミラーである。なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１４７】
図中の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する。
【０１４８】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１光学素子５１に導かれる。光は面Ｂから第１の光学素子５１に入射した後、面Ａ、面Ｃと順に反射し、折り返し反射面Ｄで反射する。その後、面Ｃでの反射により面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて反射し、面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子５１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
第１の光学素子５１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→折り返し反射面Ｄ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｄでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１５２】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｄまでが往路、折り返し反射面Ｄ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０１５３】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し，面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１５４】
このように第１の光学素子５１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学素子５１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系５１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１５５】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後は画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１５６】
本実施形態では、図１に示した第１実施形態の構成に対し、折り返し反射面Ｄを面Ａから独立した面としている。これにより、面を１面増やして設計の自由度を上げている。
【０１５７】
また、第１実施形態の構成では、面Ａの折り返し反射領域の上部に反射膜が必要であり、部分的な反射膜蒸着をしなければならないが、本実施形態では折り返し反射面Ｄが面Ａから独立しているため、反射膜蒸着が容易である。
【０１５８】
さらに、本実施形態において、面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。この他に、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１５９】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１６０】
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、面Ａ（反射、再反射、透過）、面Ｃ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系５１の主パワーを担っている。
【０１６１】
第１の光学系５１では、往復光路により面Ａ、面Ｃで光が２回以上反射するため、面Ｂにパワーを持たせ、面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制している。特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線におけるこの断面上での面Ｂのパワーを強く、面Ａ，Ｃのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａ，Ｃを平面としてもよい。
【０１６２】
面Ｂは偏心した曲面であるため，回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。また、面Ｂ以外の面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示された画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０１６３】
また、第１の光学系５１の面Ａ，Ｂ，Ｃおよび折り返し反射面Ｄをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１６４】
更に好ましくは、第１の光学系５１を構成する面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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。
【０１６５】
このとき、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１６６】
（第７実施形態）
図７には、本発明の第７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、透明体である２つの光学素子６１−ａ１，６１−ａ２と反射部材６１−ｂとからなる第１の光学系６１により構成される。光学素子６１−ａ１，６１−ａ２はともに３つの光学面を有し、面Ａ（第１の面）、面Ｂ（第３の面）、面Ｅは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（第２の面）は反射作用のみの面、面Ｄ、面Ｆは透過作用のみの面である。
【０１６７】
反射部材６１−ｂは反射膜による表面反射面である折り返し反射面Ｇを有している。面Ｃと反射部材６１−ｂの折り返し反射面Ｇには反射膜が形成され、面Ｂはハーフミラーである。なお、反射膜、ハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１６８】
図中の３は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。本実施形態では、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、面Ｅは入射面、反射面および射出面として作用する。
【０１６９】
画像表示素子３から発せられた光は、直接、第１の光学系６１の光学素子６１−ａ１に導かれる。光は面Ｂから光学素子６１−ａ１に入射した後、面Ａで反射し、光学素子６１−ａ１の面Ｄから射出する。次に、光学素子６１−ａ２に面Ｅから入射し、面Ｃと面Ｅで反射した後、光学素子６１−ａ２の面Ｆから射出する。そして、反射部材６１−ｂの表面の反射膜（面Ｇ）で折り返し反射される。その後、光学素子６１−ａ２に面Ｆから入射し、面Ｅ、面Ｃで再反射されて光学素子６１−ａ２の面Ｅから射出する。さらに、光学素子６１−ａ１に面Ｄから入射し、面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて再反射し、反射面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して光学素子６１−ａ１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
第１の光学系６１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｄ（透過）→面Ｅ（透過）→面Ｃ（反射）→面Ｅ（反射）→面Ｆ（透過）→反射部材６１−ｂの折り返し反射面Ｇ（折り返し反射）→面Ｆ（再透過）→面Ｅ（再反射）→面Ｃ（再反射）→面Ｅ（再透過）→面Ｄ（再透過）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で面を通過し、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１７３】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｇまでが往路、折り返し反射面Ｇ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０１７４】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１７５】
このように第１の光学系６１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系６１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系６１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１７６】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後は画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１７７】
本実施形態では、第１の光学系６１が２つの光学素子により構成されているため、往復光路を長くすることができ、非常に長い光路長を第１光学系６１内に収めることができる。このため、前述した各実施形態のように、画像表示素子と第１の光学系の間に、別の第２の光学系を挿入する必要がなく、表示光学系が下側に大型化しない。
【０１７８】
本実施形態において、面Ａ、面Ｅでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また少なくとも、面Ａ、面Ｅでの反射光束と射出光束とが共用する領域（面Ａ、面Ｅの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａ、面Ｅでの反射光束の全てを内部全反射させた場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１７９】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１８０】
また、本実施形態では、最終反射面として作用するときの面Ｂと反射面として作用する面Ｃの凹面鏡の光学的パワー（１／焦点距離）が他の反射面に対して強い。その中でも反射面として作用する面Ｃの凹面鏡パワーの方が強い。面Ｂの凹面鏡パワーのほうを弱めないと、第１の光学系６１と表示素子３の間隔を十分に取れなくなるためである。特に、ローカル母線断面上でその傾向が強く出る。
【０１８１】
また、面Ｂ、面Ｃのみパワーを持ち、面Ａ、面Ｅを平面としてもよい。面Ｂ、面Ｃは偏心した曲面であるため，回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１８２】
また、光学素子６１−ａ１，６１−ａ２の面Ａ，Ｂ，Ｃ、面Ｅおよび反射部材６１−ｂの折り返し反射面Ｇをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０１８３】
更に好ましくは、第１の光学系６１を構成する面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇ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。また、全ての面を自由曲面とすると更に良好な画質が得られる。
【０１８４】
このとき，各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０１８５】
（第８実施形態）
図８には、本発明の第８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、反射部材７１−ｂ１，７１−ｂ２，７１−ｂ３による３面反射ミラー構成の第１の光学系７１と、第２の光学系２とから構成されている。
【０１８６】
３つの反射部材７１−ｂ１，７１−ｂ２，７１−ｂ３の表面には、反射膜が形成されている。反射部材７１−ｂ２の反射面は折り返し反射面である。なお、反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１８７】
図中の３は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系２を介して第１の光学系７１の反射部材７１−ｂ１に導かれる。光は反射部材７１−ｂ１の反射ミラー面である面Ａ（第１の面）から第１の光学系７１に入射し、面Ａで反射して、反射部材７１−ｂ２のミラー面である折り返し反射面Ｃ（第２の面）に導かれる。折り返し反射面Ｃでは、入射した光を面Ａにおける最初の光の反射領域寄りの領域に戻すように反射するが、中心画角主光線の折り返し反射面Ｃへの入射光と反射光の成す角度がθとなるように反射している。
【０１８８】
その後、光は面Ａで再反射し、反射部材７１−ｂ３のミラー面である面Ｂ（第３の面）で反射した後、第１の光学系７１から射出して、射出瞳Ｓに到達する。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
第１の光学系７１において、光は面Ａ（反射）→反射部材７１−ｂ２のミラー面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）の順で各面を通過し、折り返し反射面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１９２】
Ａ（反射）→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→Ａ（再反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０１９３】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０１９４】
このように第１の光学系７１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系７１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系７１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体を小型化できる。
【０１９５】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後、画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０１９６】
本実施形態は、上記第６実施形態のものと同様に明るさの点でメリットがある。本実施形態では、折り返し反射面への中心画角主光線の入射光と反射光とのなす角度θを比較的大きな値にして、復路を面Ａまでとし、第１の光学系７１に入射してきた光線とはややずれたところに別の面Ｂを配置し、面Ｂに光線が行くように設定している。これにより、３面（面Ａ、面Ｂ、折り返し反射面Ｃ）の反射ミラーを光をほぼ１００％反射可能な反射膜で形成し、明るい第１の光学系７１を実現している。なお、反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０１９７】
また、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は面Ａ（反射、再反射）に対して非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、第１の光学系７１の主パワーを担っている。これは、往復光路により面Ａで光が２回反射するため、面Ｂにパワーを持たせ、面Ａのパワーを弱く設定して収差の発生を抑制するためである。
【０１９８】
特に、ローカル母線断面は偏心断面であるため、中心画角主光線に対してこの断面上での面Ｂパワーを強く、面Ａのパワーを弱く設定すると、偏心収差発生を抑制できる。また、面Ｂのみパワーを持ち、面Ａを平面としてもよい。
【０１９９】
面Ｂは偏心した曲面であるため，回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０２００】
また、面Ｂ以外の反射面をもう１面自由曲面とすると、画像表示素子３に表示される画像のアスペクト比と拡大表示画面のアスペクト比とを近いものに設定可能となる。
【０２０１】
また、面Ａ，Ｂ，折り返し反射面Ｃをそれぞれ曲面で構成した場合は、すべての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、コスト削減の効果が期待できる。
【０２０２】
更に好ましくは、第１の光学系７１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，折り返し反射面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、各回転非対称面をローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面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。
【０２０３】
（第９実施形態）
図９には、本発明の第９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、透明体としての光学素子８１−ａと反射部材８１−ｂとからなる第１の光学系８１と、２つの光学系８２−１，８２−２からなる第２の光学系とから構成されている。
【０２０４】
光学素子８１−ａは、３つの光学面を有し、面Ａ（第１の面），Ｂ（第３の面）は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Ｄは透過面として作用する。また、反射部材８１−ｂは、表面に反射膜を形成した折り返し反射面Ｃ（第２の面）を有する。面Ｂはハーフミラーである。なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０２０５】
図中の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する。
【０２０６】
画像表示素子３から発せられた光は、第２の光学系のうち光学系８２−１を介して第１の光学系８１の光学素子８１−ａに導かれる。光は面Ｂより光学素子８１−ａに入射した後、面Ａで反射し、面Ｄから射出する。そして、反射部材８１−ｂの表面の折り返し反射面Ｃで反射する。その後、光学素子８１−ａの面Ｄから入射し、面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて再反射し、面Ｂで射出瞳Ｓ（眼球）側に反射した後、面Ａを透過して光学素子８１−ａを射出し、第２の光学系８２のうちもう１つの光学系８２−２で光学的パワーが調節されて射出瞳Ｓに到達する。
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
第１の光学系８１おいて、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｄ（透過）→反射部材８１−ｂの折り返し反射面Ｃ（折り返し反射）→面Ｄ（再透過）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、折り返し反射面での反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０２１０】
面Ｂ（透過）→折り返し反射面Ｃまでが往路、折り返し反射面Ｃ→面Ｂ（反射）までが復路、往路と復路を合わせて往復光路が形成される。
【０２１１】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初の反射とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【０２１２】
このように第１の光学系８１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系８１内を有効に利用して、光路長に対して第１の光学系８１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０２１３】
また、画像表示素子３からの光線は面Ｂの反射により、往復光路を抜けた後、画像表示素子側には行かず、眼球側に導かれる。
【０２１４】
本実施形態では、光学素子８１−ａの３面を平面で構成しているため、光学素子８１−ａ自体は光学的パワーを持たず、反射部材８１−ｂの折り返し反射面が光学的パワーを持っている。これにより、光学素子８１−ａのコストをかなり安くでき、光学素子８１−ａでの収差発生も抑制される。
【０２１５】
面Ａでの反射を内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、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（面Ａの下部）で光を内部全反射させ、共用領域以外は反射膜による反射とすると、面Ａでの反射光束の全てを内部全反射させる場合に対して、設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０２１６】
また、反射膜領域と共用領域の境界は反射膜の境界がはっきり目に見え好ましくないので、境界付近（反射膜領域内の下部側）は共有領域から遠ざかるにつれて徐々に反射率を上げて境界を目立たなくすることが望ましい。この反射膜は金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏光方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【０２１７】
以下、上記各実施形態を、数値実施例を用いて説明する。
【０２１８】
［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で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（光学素子）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１実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０２１９】
２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により構成されている。
【０２２０】
ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。また、折り返し反射面Ａ（Ｓ６）と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ７）には反射膜が形成され、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ９）にはハーフミラーが形成されている。
【０２２１】
本数値実施例において、全て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。
【０２２２】
本数値実施例の光学データを表１に示す。この数値実施例は射出瞳径φ１０ｍｍ，画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系である。
【０２２３】
なお、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。
【０２２４】
Ｒは曲率半径である。ＦＦＳの項（数値実施例２以降はＴＹＰの項）は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、数字（数値実施例２以降はＦＦＳ）は以下の式に従う回転非対称面である．
【０２２５】
【数１】
ＦＦＳの項の数字又はＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は、その面形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃｉに対応する回転非対称形状であることを示している。
【０２２７】
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。
【０２２８】
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。
【０２２９】
【表１】
なお、本数値実施例に示した光学系は、ｚ軸負方向における無限遠方の物点からの光束を、絞りＳ１を通過させて第１の光学系１に導き、第１の光学系１を射出した後、第２の光学系２を経て撮像面ＳＩに結像させる撮像光学系（第２実施形態）としても利用できる。
【０２３１】
［数値実施例２］
図１１には、図３に示した第３実施形態（やや図４の第４実施形態に近いもの）の数値実施例での光路断面図を示している。
【０２３２】
図中、２１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が面Ａ，Ｓ３，Ｓ７が面Ｂ、Ｓ５が折り返し反射面Ｃである。折り返し反射面Ｃ（Ｓ５）には反射膜が形成され、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ７）にはハーフミラーが形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０２３３】
２２は第２の光学系であり、それぞれが２面構成の２つのレンズ２２−１，２２−２からなり、レンズ２２−１の一方の面は第１の光学系２１を構成する透明体と接合されており、この面はＳ７として表記している。
【０２３４】
また、第１の光学系２１および第２の光学系２２におけるＳ１からＳ１０までの光学面は、本数値実施例において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している。本数値実施例の光学データを表２に示す。
【０２３５】
【表２】
なお、図４に示した第４実施形態は、本数値実施例の面Ｓ７と面Ｓ３の有効面が重ならないようにθを設定し、面Ｓ７を入射面として別面とし、Ｓ３面は反射のみの面、Ｓ７面は接合面で透過作用のみの面とすることによって実施できる。またＳ７とＳ３の有効面を重ならないようにθを設定し、Ｓ７とＳ３を同一面のままとし、Ｓ３面は反射のみの面、Ｓ７面は接合面で透過作用のみの面としてもよい。
【０２３７】
これにより、１面分減らすことができ、かつ明るさのメリットも残る。また透過作用のみのＳ７の接合面をなくし、光学系２１とレンズ２２−１を同一部材の一体物（一体成形品など）とすると、部品が１個減り光学系のコストダウンが可能になる。また、透過作用のみのＳ７の接合面をなくし、光学系２１とレンズ２２−１を微小間隔の空気層をおいて配置してもよい。
【０２３８】
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。
【０２３９】
また、本数値実施例も、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２４０】
［数値実施例３］
図１２には、図５に示した第５実施形態の数値実施例での光路断面図を示している。
【０２４１】
図中、４１は第１の光学系を示し、４１−ａは少なくとも３つの面を有する透明体としての光学素子、４１−ｂは反射ミラー部材である。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０は同一面、Ｓ３，Ｓ１１は同一面、Ｓ５，Ｓ９は同一面であり、それぞれ図５にて説明した面Ａ，面Ｂ，面Ｃに相当する。
【０２４２】
Ｓ７は折り返し反射面である。この折り返し反射面（Ｓ７）と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ９）には反射膜が、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ１１）にはハーフミラーが形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０２４３】
図中、２は第２の光学系であり、Ｓ１２，Ｓ１３を有するレンズにより構成されている。
【０２４４】
図５では、ある程度の大きさの角度θを設定していたが、本数値実施例ではθの値をかなり小さくして表示光学系の光学性能を優先させている。本数値実施例の光学データを表３に示す。
【０２４５】
【表３】
本数値実施例は、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。
【０２４７】
また、本数値実施例も、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２４８】
［数値実施例４］
図１３には、図６に示した第６実施形態の数値実施例での光路断面図を示している。図中，５１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、４つの光学面を有した透明体としての光学素子により構成されている。
【０２４９】
Ｓ２，Ｓ４，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６実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０２５０】
Ｓ６は折り返し反射面Ｄである。折り返し反射面Ｄ（Ｓ６）と面Ｃ（Ｓ５，Ｓ７）には反射膜が、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ９）にはハーフミラーが形成されている。
【０２５１】
５２は第２の光学系であり、それぞれ２面を有する２つのレンズ５２−１，５２−２から構成されている。レンズ５２−１の一方の面Ｓ１０は第１の光学系５１（光学素子）の面Ｓ９と同一面で接合されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０２５２】
本数値実施例において、全て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。本数値実施例の光学データを表４に示す。
【０２５３】
【表４】
本数値実施例は、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２とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【０２５５】
また、本数値実施例も、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２５６】
［数値実施例５］
図１４には、図７に示した第７実施形態に類似の実施形態における数値実施例での光路断面図を示している。図中、６１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、２つの光学素子６１−ａ１，６１−ａ２からなる。両光学素子６１−ａ１，６１−ａ２とも３つの光学面を有している。
【０２５７】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ１４は同一面、Ｓ３，Ｓ１５は同一面、Ｓ７，Ｓ１１は同一面、Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１２は同一面であり、これら４面はそれぞれ第７実施形態に説明した面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅに相当する。
【０２５８】
Ｓ９は折り返し反射面Ｇである。この折り返し反射面Ｇ（Ｓ９）と面Ｃ（Ｓ７，Ｓ１１）には反射膜が、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ１５）にはハーフミラーが形成されている。
【０２５９】
なお、本数値実施例５は図７に示した第７実施形態と若干異なり、第１の光学系６１に折り返し反射面Ｇを有する反射部材を用いず、光学素子６１−ａ２内のＳ９面を折り返し反射面として光学調整を簡単なものにしたものである。また、第１の光学系６１に光学素子を２つ採用したため、第１の光学系６１と画像表示素子３（ＳＩ）との間に第２の光学系を必要としない。
【０２６０】
ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。本数値実施例では、面Ｂ（Ｓ３，Ｓ１５）、面Ｃ（Ｓ７，Ｓ１１）、折り返し反射面Ｇ（Ｓ９）に回転非対称面を採用し、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。なお、全ての光学面に回転非対称面を採用したほうが、より良好な光学性能が得られる。本数値実施例の光学データを表５に示す。
【０２６１】
【表５】
本数値実施例は、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。
【０２６３】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に撮像光学系として利用することもできる。
【０２６４】
【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の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる(往復光路)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表示広画角を達成でき、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。
【０２６５】
なお、表示光学系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。
【０２６６】
また、本願第２の発明によれば、第１の面と第２の面との間で光を略往復させて光路をほぼ重複させる(往復光路)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撮影広画角を達成することができる。
【０２６７】
なお、撮像光学系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実施形態である撮像光学系の構成図。
【図３】本発明の第３実施形態である表示光学系の構成図。
【図４】本発明の第４実施形態である表示光学系の構成図。
【図５】本発明の第５実施形態である表示光学系の構成図。
【図６】本発明の第６実施形態である表示光学系の構成図。
【図７】本発明の第７実施形態である表示光学系の構成図。
【図８】本発明の第８実施形態である表示光学系の構成図。
【図９】本発明の第９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（第１実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１１】本発明の数値実施例３（第３実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１２】本発明の数値実施例４（第４実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１３】本発明の数値実施例５（第５実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１４】本発明の数値実施例６（第６実施形態の実施形）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】
１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１ 第１の光学系
２，２２，５２，８２ 第２の光学系
３ 画像像表示素子
４ 撮像素子
Claims (12)
- 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、少なくとも反射作用を有する第１の面と、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の面とを有し、
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、
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。 - 前記原画からの光は、第２の面で反射し、第１の面で再反射した後、入射する光線に対し偏心した別の第３の面で眼又は被投射面側に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。
- 前記表示光学系に、前記原画からの中心画角主光線がほぼ反対側に折り返し反射する、反射作用のみを有する折り返し反射面があることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
- 前記折り返し反射面は、前記第１の面又は前記第２の面であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
- 前記表示光学系は、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から４いずれかに記載の画像表示装置。
- 前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方が、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５いずれかに記載の画像表示装置。
- 前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方が、曲率を有することを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の画像表示装置。
- 前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方が、回転非対称な面形状であることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
- 前記第３の面が、曲率を有することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
- 前記第３の面が、回転非対称な面形状であることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
- 前記第３の面の反射におけるローカル母線断面焦点距離が、前記第１の面または前記第２の面のうち、複数回反射または複数回透過する面のローカル母線断面焦点距離より、正で最も短いことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
- 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、少なくとも反射作用を有する第１の面と、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の面とを有し、
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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