JP4153630B2

JP4153630B2 - 観察光学系及びそれを用いた画像表示装置

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Publication number: JP4153630B2
Application number: JP28103199A
Authority: JP
Inventors: 研野孝吉; 武山哲英
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: JP2001066545A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系及びそれを用いた画像表示装置に関し、特に、反射型液晶表示素子等の反射光によって画像を表示するタイプの表示素子の明るい画像を、小型で光量ロスを極力抑えた接眼光学系を通して観察し得るように工夫された観察光学系及びそれを用いたヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ヘッドアップディスプレイやメガネ型ディスプレイの発展に伴ってコンパクトな接眼光学系の開発が進み、特開平７−３３３５５１号や特開平８−５０２５６号、特開平８−２３４１３７号等に記載されている薄型コンパクトな偏心プリズムを用いた接眼光学系が提案されている。これらは反射面がパワーを持ち、光路が折り畳まれたコンパクトな接眼光学系であり、パワーを持った偏心反射面により発生してしまう回転非対称な偏心収差を、アナモルフィック反射面や１つの対称面を持った回転非対称反射面を使用して補正している。
【０００３】
また、観察画像を表示する液晶表示素子に関しても、より明るく観察しやすい画像形成のために、反射型液晶表示素子が開発され、その照明形態をも含んだものとして、特開平１０−２６８３０６号のものが公開されている。
【０００４】
さらに、反射型液晶表示素子等の透過型よりも明るい反射型画像表示素子を用いた接眼光学系として、米国特許第５，７７１，１２４号のものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許第５，７７１，１２４号に開示された接眼光学系は、光学部材を全てガラスで構成しなければならず重たくなり、また、構成自体も部品点数が多く大きい構成になっている。また、反射型画像表示素子への照明光が像面の垂直方向からかなり大きく傾いて入射しているため、明るさを犠牲にしてしまっている。
【０００６】
そこで、特開平１０−２６８３０６号に基づいて、観察光学系の反射型画像表示素子の表示面に略垂直な方向から照明するようにすることが考えられるが、米国特許第５，７７１，１２４号のものは接眼光学系がコンパクト性等に欠けるため望ましくない。
【０００７】
そのため、コンパクト性に優れた特開平７−３３３５５１号、特開平８−５０２５６号、特開平８−２３４１３７号等で提案された接眼光学系と特開平１０−２６８３０６号に基づく表示面を略垂直に照明する反射型画像表示素子とを組み合わせて明るくコンパクトな観察光学系を構成することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、上記の従来の偏心プリズムを用いた接眼光学系は透過型の画像表示素子を用いることを前提にしていたため、画像表示素子と偏心プリズムの入射面との間の距離が短い。そのため、反射型画像表示素子の表示面を照明する光学部材を画像表示素子と偏心プリズムの間に配置するスペースがとれないので、反射型画像表示素子は、米国特許第５，７７１，１２４号のものと同様に、光軸に対して斜めに大きく傾けて配置し、照明光を表示面に対して斜め方向から照射するように光源を配置せざるを得ない。
【０００９】
反射型画像表示素子を光軸に対して斜めに大きく傾けて配置する場合には、反射型画像表示素子、特に反射型液晶表示素子を用いる場合に、その視角依存性により反射型画像表示素子の明るさが十分に発揮できない。また、物体面が光軸に対して傾いているため、その像を湾曲、歪みなく光軸に垂直に観察可能にするためには接眼光学系の負担が多きすぎてしまう。
【００１０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏心プリズムからなる接眼光学系と反射型画像表示素子とを用いて小型で明るく高性能の観察光学系及びそれを用いた画像表示装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の観察光学系は、観察するための画像を形成する表示面の前側から入射した照明光束を反射することによって画像を表示する反射型画像表示手段と、前記画像を観察者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備えた観察光学系において、
前記画像表示手段が、照明手段と、前記照明手段から射出された光束を前記表示面の前側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光学手段とを有し、
前記接眼光学系が、前記反射型画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、プリズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面と、プリズム外に光束を射出する射出面とを有するプリズム部材を備えており、
前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成され、
前記プリズム部材の入射面と前記反射型画像表示手段の表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して前記画像を前記瞳位置に導くように構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１
ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わる画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わる位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高（表示面が四角形の場合は対角長）である。
【００１３】
以下、本発明において上記の構成をとる理由と作用について説明する。
【００１４】
本発明においては、観察するための画像を形成する表示面の前側から入射した照明光束を反射することによって画像を表示する反射型画像表示手段と、その画像を観察者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備えた観察光学系において、その画像表示手段が、照明手段と、その照明手段から射出された光束を表示面の前側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光学手段とを有して構成される。
【００１５】
このように、本発明の観察光学系においては、照明手段から射出された光束を反射型画像表示手段の表示面の前側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光学手段を備えており、それにより、表示面を略垂直に前側から照明することができ、明るい観察光学系を構成することが可能になる。
【００１６】
また、接眼光学系が、画像表示手段から反射された表示光束をプリズム内に入射させる入射面と、プリズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面と、プリズム外に光束を射出する射出面とを有するプリズム部材から構成しているので、薄型で小型の観察光学系を構成することが可能になる。
【００１７】
また、そのプリズム部材の少なくとも１つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成されているので、高い光学性能を有しながら小型・軽量で高性能の観察光学系を構成することが可能になる。
【００１８】
レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
【００１９】
一方、ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００２０】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００２１】
また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００２２】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもたないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２３】
また、接眼光学系は、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。
【００２４】
本発明では、上記のように、入射面と少なくとも１つの反射面と射出面とを有するプリズム部材からなり、その少なくとも１つの反射面を、光軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成することにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。
【００２５】
このような本発明の基本構成をとることで、屈折光学系あるいは回転対称な反射光学系を用いた光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から周辺まで性能の良好な、小型の接眼光学系を得ることが可能である。
【００２６】
ここで、逆光線追跡で、瞳中心を通過して反射型画像表示素子の表示面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、本発明のプリズム部材の少なくとも１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をとることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなったりしてしまう。
【００２７】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対し偏心させることも当然可能である。
【００２８】
また、パワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、プリズム部材を構成する面の中、少なくとも１つの反射面は回転非対称な面であることが望ましい。
【００２９】
その理由を以下に詳述する。まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、接眼光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。なお、光線の追跡方向は、上記のように瞳から反射型画像表示素子に向かう逆光線追跡で説明する。
【００３０】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正しあい、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００３１】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
【００３２】
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【００３３】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図２３に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【００３４】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。また、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。
【００３５】
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【００３６】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２４に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００３７】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図２５に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【００３８】
また、本発明の接眼光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【００３９】
また、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００４０】

ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００４１】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²）
である。
【００４２】
自由曲面項は、

ただし、Ｃ_j（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００４３】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ₂、Ｃ₅、Ｃ₇、Ｃ₉、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００４４】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ₃、Ｃ₅、Ｃ₈、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、Ｃ₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００４５】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００４６】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
ところで、本発明において、プリズム部材の入射面と反射型画像表示素子の表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して表示画像を瞳位置に導くように構成されていることが重要である。
【００４８】
０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１・・・（１）
ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わる画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わる位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高（表示面が四角形の場合は対角長）である。
【００４９】
この条件式（１）は、プリズム部材の入射面と反射型画像表示手段の表示面との間に照明光導光光学手段を配置するための条件式であり、上限の３．１を越えると、その間隔が広くなりすぎ、前記のような接眼光学系で達成することが困難になると共に、観察光学系自体が大型化し、本発明の目的に反する結果となる。その下限の０．６を越えると、その間隔が狭くなりすぎ、照明光導光光学手段のビームスプリット面の光軸に対する傾きが小さくなりすぎ、反射型画像表示手段の表示面に略垂直に照明光を入射しようとすると、ケラレにより表示面全面を照明することが困難なる。
【００５０】
さらに望ましくは、
０．７＜Ｌ／Ｈ＜２．０・・・（１−１）
なる条件を満足することが重要である。この条件の上限の意味は上記と同様である。
【００５１】
さらに望ましくは、
０．８＜Ｌ／Ｈ＜１．５・・・（１−２）
なる条件を満足することが重要である。この条件の上限の意味は上記と同様である。
【００５２】
また、本発明において、反射型画像表示手段としては、限定的ではないが例えば反射型液晶表示素子を用いることができる。
【００５３】
ところで、本発明の観察光学系において、上記のように、プリズム部材の入射面と反射型画像表示素子の表示面との間に間隔を比較的大きくとってその間に照明光導光光学手段を配置するので、比較的色収差が発生しやすい。そこで、プリズム部材の入射面側に回折光学素子を配置してこの色収差を補正するようにすることが望ましい。
【００５４】
また、本発明の観察光学系において、接眼光学系として用いるプリズム部材は公知の種々の偏心プリズムを用いることができるが、光路を折り畳んで小型化するために、屈折面と反射面を兼用した屈折反射兼用面を少なくとも１面備えているタイプのものが望ましい。
【００５５】
その代表的なものとして、反射型画像表示手段から反射された表示光束を照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、その入射面から入射した光束を反射する第１反射面と、その第１反射面で反射した光束を反射する第２反射面と、その第２反射面で反射した光束をプリズム外に光束を射出する射出面とを有し、第１反射面と射出面とが屈折反射兼用面からなるものがある。
【００５６】
さらに、反射型画像表示手段から反射された表示光束を照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、その入射面から入射した光束を反射する第１反射面と、その第１反射面で反射した光束を反射する第２反射面と、その第２反射面で反射した光束を反射する第３反射面と、その第３反射面で反射した光束をプリズム外に光束を射出する射出面とを有し、第２反射面と射出面とが屈折反射兼用面からなるものがある。
【００５７】
また、本発明の観察光学系において、照明光導光光学手段が、照明手段から射出された光束を入射させる第１面と、第１面から入射した光束を全反射する第２面と、第２面で全反射された光束を反射させる第３面とを備えた透明部材からなり、第２面は、第３面で反射された光束を透過させて反射型画像表示手段の表示面を前方から照明するようにすると共に、反射型画像表示手段の表示面から反射された表示光束を透過させ、第３面は、第２面を透過した表示光束を透過させるビームスプリット面を構成しているものとすることができる。
【００５８】
この場合に、その透明部材の第３面側にその透明部材による偏角を補償する偏角補償部材が配置されていることが望ましい。
【００５９】
もちろん、照明光導光光学手段以外に何らの偏角補償部材も配置しなくてもよい。この場合には、次の条件を満足することが望ましい。
【００６０】
まず、パラメータの定義をする。図１９は照明光導光光学手段を通る軸上主光線を示した光路図であり、照明光導光光学手段の第２面（一般には、曲面あるいは平面）と軸上主光線の交点を通る接平面と、その第３面（一般には、曲面あるいは平面）と軸上主光線の交点を通る接平面とのなす角度αを頂角と定義する。そして、第２面に入射する軸上主光線と第３面から射出する軸上主光線とのなす角度θを偏角と定義する。
【００６１】
一般に、頂角αを有する三角プリズム（その屈折率をｎとする。）の最小偏角θ_minは次の式で求まる。
【００６２】
θ_min＝２ｓｉｎ^-1［ｎ・ｓｉｎ（α／２）］−α ・・・（２）
ここで、照明光導光光学手段の第２面から第３面を通った軸上主光線の偏角θと、その第２面と軸上主光線の交点を通る接平面とその第３面と軸上主光線の交点を通る接平面とのなす角度αの頂角を有する三角プリズムの最小偏角θ_minとの差であるθ−θ_minをΔθと定義するとき、
Δθ＜２０° ・・・（３）
満たすことが重要である。この条件式の上限値の２０°を越えてΔθが大きくなると、各画角の光束が照明光導光光学手段で大きな角度で屈折されるため、偏心コマ収差や色収差が発生しすぎ、これらの収差を接眼光学系のプリズム部材で打ち消して補正することが困難となる。
【００６３】
さらに好ましくは、
Δθ＜１０° ・・・（３−１）
を満足することが望ましい。条件式の上限値の意味は上記と同様である。
【００６４】
さらに好ましくは、
Δθ＜３° ・・・（３−２）
を満足することが望ましい。条件式の上限値の意味は上記と同様である。
【００６５】
本発明は、右眼用又は左眼用に以上の観察光学系を備えて構成されている画像表示装置を含むものである。
【００６６】
また、右眼用と左眼用に以上の観察光学系を一対備えて構成されている画像表示装置を含むものである。
【００６７】
また、その画像表示装置が、観察者顔面前方に位置するように、観察者頭部を支持する支持手段を有して構成されている画像表示装置を含むものである。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の観察光学系の実施例１〜４について説明する。この実施例は逆光線追跡で説明するが、像面に反射型画像表示素子を配置し、その瞳位置に観察者の眼球の瞳を配置することにより観察光学系として用いることができる。なお、この実施例の構成パラメータは後に示す。
【００６９】
各実施例において、図１に示すように、軸上主光線１を物体中心を出て、瞳２の中心を通り、像面３中心に到る光線で定義する。そして、軸上主光線１が瞳２の面に入射する位置を観察光学系を構成する光学面の原点として、瞳２の面に入射する軸上主光線１に沿う方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１には、原点について定められた座標系を図示してある。なお、実施例２については、軸上主光線１がプリズム１０の第３面１３を射出した直後に軸上主光線１に垂直な仮想面を想定し、その仮想面を射出する軸上主光線１に沿う方向を新たなＺ軸方向とし、軸上主光線１の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００７０】
実施例１〜４では、瞳２の中心について定められた座標系のＹ−Ｚ平面内でプリズム１０の各面の偏心を行っており、また、その各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００７１】
プリズム１０の偏心面については、瞳２の中心について定められた座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面にについては、後記（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【００７２】
また、実施例２において、偏角補償プリズム７の照明光導光プリズム６側の面（第１１面）、照明光導光プリズム６の偏角補償プリズム７側の面（第１２面、第２０面）は、仮想面について定められた座標系に対するその面の中心軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））が与えられている。また、照明光導光プリズム６のレンズ面（第２２面）については、仮想面について定められた座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。
【００７３】
また、実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００７４】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７５】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００７６】

ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、Ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００７７】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００７８】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【００７９】

なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ₄，Ｄ₅，Ｄ₆、Ｄ₁₀０，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。
【００８０】
その他の面の例として、次の定義式（ｄ）があげられる。
【００８１】
Ｚ＝ΣΣＣ_nmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【００８２】

なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｃ）式、（ｄ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【００８３】
なお、回折光学素子に関しては、例えば「光学系デザイナーのための小型光学エレメント」第６、７章（オプトロニクス社刊）や「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）等に記載されており、可視域でのアッべ数ν＝−３．４５３、部分分散比θ_g,F＝０．０３であり、その回折格子の間隔を自由に変えることが可能なため、任意の非球面レンズ面と等価に扱える。以下では、「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）に記載されている「ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈｉｎｄｅｘｍｅｔｈｏｄ」を用いている。
【００８４】
本発明の実施例１の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図１に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであり、その対角長Ｈは１２ｍｍ、画像表示素子の表示面３が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸との交わる位置との間の間隔Ｌは１２．６３２ｍｍで、Ｌ／Ｈ＝１．０５３（条件式（１）の値）であり、瞳径は４ｍｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの距離（アイレリーフ）は３０．０ｍｍである。
【００８５】
この実施例は、逆光線追跡で、物体側から光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、回折光学素子８、偏角補償プリズム７、照明光導光プリズム６、像面（反射型画像表示素子の表示面）３からなり、また、照明光導光プリズム６の照明光入射側には、光源４、フレネルレンズ５が配置されている。
【００８６】
プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するように構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面となっている。
【００８７】
また、回折光学素子８は、そのプリズム１０側の面が回折面９となっており、回折光学素子８は反対側の面で偏角補償プリズム７に接着されている。
【００８８】
また、照明光導光プリズム６は、第１面１６、第２面１７、第３面１８からなる三角プリズムであり、第１面１６がフレネルレンズ５で光源４からの発散光が略平行にされた光束をプリズム内に導入する面であり、照明光軸に垂直に配置されている。その導入照明光は、第３面１８で全反射され、照明光導光プリズム６と偏角補償プリズム７の接着面で偏光ビームスプリット面を構成する第２面１７に入射して反射され、今度は第３面１８を透過して像面３に配置された例えば反射型液晶表示素子の表示面を略垂直に照明するようになっている。
【００８９】
像面３に配置された反射型液晶表示素子の表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面１８からプリズム内に入り、第２面１７の偏光ビームスプリット面を今度は透過して偏角補償プリズム７内に入り、その射出側の面に配置された回折光学素子８を通り、その回折面９で回折され、プリズム１０の第３面１３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡大像を形成する。
【００９０】
後記の構成パラメータの第２面から第５面までがプリズム１０であり、第６面が回折面９で、第７面がその基板面である。第８面と第９面間が偏角補償プリズム７、第９面、第１３面は偏光ビームスプリット面１７、第９面と第１０面間、第１２面と第１３面間、第１３面から第１５面までが照明光導光プリズム６、第１６面と第１７面間がフレネルレンズ５で第１６面がフレネルレンズ面である。第１８面は光源４である。そして、第２面から第１８面の各面は第１面の射出瞳２の中心を基準とした偏心量で表されている。
【００９１】
本発明の実施例２の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図２に、Ｘ−Ｚ方向光路図を図３に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであり、その対角長Ｈは１１．８１ｍｍ、画像表示素子の表示面３が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸との交わる位置との間の間隔Ｌは１３．３５ｍｍで、Ｌ／Ｈ＝１．１３０８４（条件式（１）の値）であり、瞳径は４ｍｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの距離（アイレリーフ）は３２ｍｍである。
【００９２】
この実施例は、逆光線追跡で、物体側から光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、回折光学素子８、偏角補償プリズム７、照明光導光プリズム６、像面（反射型画像表示素子の表示面）３からなり、また、照明光導光プリズム６の照明光入射側にはレンズ面１６’が設けられ、その前方に光源４が配置されている。この実施例の特徴は、図３から明らかなように、光源４が照明光導光プリズム６に対してＸ方向に偏心して配置され、照明光導光プリズム６の偏光ビームスプリット面１７’がＹ軸の周りで傾いて配置され（プリズム１０の面１１〜１３はＸ軸の周りで傾いて配置されている。）、かつ、その偏光ビームスプリット面１７’が平面でなくパワーを有する自由曲面で形成されている点である。
【００９３】
プリズム１０は、実施例１と同様に、第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するように構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面となっている。
【００９４】
また、回折光学素子８は、そのプリズム１０とは反対側（偏角補償プリズム７側）の面が回折面９となっている。
【００９５】
また、照明光導光プリズム６は、第１面１６’、第２面１７’、第３面１８からなる三角形状のプリズムであるが、第１面１６’は凸状球面のレンズ面からなり、第２面１７’は非平面の自由曲面からなり、第１面１６’のレンズ面は光源４からの発散光束を平行光に近い発散光束に変換してプリズム内に導入する面であり、照明光軸に垂直に配置されている。その導入照明光は、第３面１８の平面で全反射され、照明光導光プリズム６と偏角補償プリズム７の接着面で偏光ビームスプリット面を構成する自由曲面の第２面１７’に入射して偏心収差をある程度補正しながら略平行光として反射され、今度は第３面１８を透過して像面３に配置された例えば反射型液晶表示素子の表示面を略垂直に照明するようになっている。
【００９６】
像面３に配置された反射型液晶表示素子の表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面１８からプリズム内に入り、第２面１７’の偏光ビームスプリット面を今度は透過して偏角補償プリズム７内に入り、その射出側に配置された回折光学素子８の回折面９で回折され、プリズム１０の第３面１３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡大像を形成する。
【００９７】
下記の構成パラメータの第２面から第５面までがプリズム１０であり、第５面は仮想面、第８面は回折面９の基板面、第９面が回折面９である。第１０面と第１１面間が偏角補償プリズム７、第１２面、第２０面は偏光ビームスプリット面１７’、第１２面と第１３面間、第１９面と第２０面間、第２０面から第２２面までが照明光導光プリズム６で、第２２面が集光レンズ面である。また、第１４面と第１５面間、第１７面と第１８面間はＬＣＤの偏光板、第１５面と第１６面（像面）間、第１６面（像面）と第１７面間はＬＣＤの基板ガラスである。また、第２３面は光源４である。そして、第２面から第６面（仮想面）の各面は第１面の射出瞳２の中心を基準とした偏心量で表されており、第６面から第２１面までの間は軸上主光線１に沿う軸上間隔で面の位置が指定されており、その中、第１１面、第１２面、第２０面（＝第１２面）については光軸に対するそれらの面の中心軸の傾き角βのみが偏心量として与えられている。第２２面のレンズ面については、第６面の仮想面について定められた座標系におけるその面の面頂位置の偏心量が与えられており、光源４の位置は第２２面からの軸上主光線１に沿う軸上間隔で与えられている。
【００９８】
なお、実施例２の光学系はこのような構成であるので、プリズム１０に対して照明光源４を反射型画像表示素子の表示面３と別の方向（例えば、表示面３をプリズム１０の上方に配置する場合には、照明光源４をプリズム１０の右側あるいは左側）に配置することができ、ヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置を小型に構成することができる。また、実施例１の場合に比較して、フレネルレンズを必要としない分、光学系をコンパクト化できる。さらに、光源４からの照明光を略平行化させるパワーの一部を光源４から離れていて像面３に近い偏光ビームスプリット面１７’に持たせることができるので、照明の均一化と共に、比較的大きな光源４を用いることができるようになる。
【００９９】
本発明の実施例３の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図４に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであり、その対角長Ｈは１２ｍｍ、画像表示素子の表示面３が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸との交わる位置との間の間隔Ｌは１１．５２ｍｍで、Ｌ／Ｈ＝０．９６（条件式（１）の値）であり、Δθ＝０．５０°（条件式（３）の値）であり、瞳径は４ｍｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの距離（アイレリーフ）は２９．９ｍｍである。
【０１００】
この実施例は、逆光線追跡で、物体側から光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、照明光導光プリズム６、像面（反射型画像表示素子の表示面）３からなり、また、照明光導光プリズム６の照明光入射側には、光源４、フレネルレンズ５が配置されている。
【０１０１】
プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するように構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面となっている。
【０１０２】
また、照明光導光プリズム６は、第１面１６、第２面１７、第３面１８からなる三角プリズムであり、全て平面で構成され、第１面１６がフレネルレンズ５で光源４からの発散光が略平行にされた光束をプリズム内に導入する面であり、照明光軸に垂直に配置されている。その導入照明光は、第３面１８で全反射され、照明光導光プリズム６の偏光ビームスプリット面を構成する第２面１７に入射して反射され、今度は第３面１８を透過して像面３に配置された例えば反射型液晶表示素子の表示面を略垂直に照明するようになっている。
【０１０３】
像面３に配置された反射型液晶表示素子の表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面１８からプリズム内に入り、第２面１７の偏光ビームスプリット面を今度は透過して、プリズム１０の第３面１３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡大像を形成する。
【０１０４】
後記の構成パラメータの第２面から第５面までがプリズム１０であり、第６面と第７面が間、第９面と第１０面間、第１０面から第１２面までが照明光導光プリズム６、第１３面と第１４間がフレネルレンズ５でその両面がフレネルレンズ面である。第１５面は光源４である。そして、第２面から第１５面の各面は第１面の射出瞳２の中心を基準とした偏心量で表されている。
【０１０５】
本発明の実施例４の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図５に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであり、その対角長Ｈは１２ｍｍ、画像表示素子の表示面３が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸との交わる位置との間の間隔Ｌは１１．７５ｍｍで、Ｌ／Ｈ＝０．９８（条件式（１）の値）であり、Δθ＝０．４１°（条件式（３）の値）であり、瞳径は４ｍｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの距離（アイレリーフ）は２９．９ｍｍである。
【０１０６】
この実施例は、逆光線追跡で、物体側から光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、照明光導光プリズム６、像面（反射型画像表示素子の表示面）３からなり、また、照明光導光プリズム６の照明光入射側には、光源４、フレネルレンズ５が配置されている。
【０１０７】
プリズム１０は第１面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するように構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面となっている。
【０１０８】
また、照明光導光プリズム６は、第１面１６、第２面１７、第３面１８からなる三角プリズムであり、第１面１６、第３面１８は平面、第２面１７は凸の球面で構成され、第１面１６がフレネルレンズ５で光源４からの発散光が略平行にされた光束をプリズム内に導入する面であり、照明光軸に垂直に配置されている。その導入照明光は、第３面１８で全反射され、照明光導光プリズム６の偏光ビームスプリット面を構成する第２面１７に入射して反射され、今度は第３面１８を透過して像面３に配置された例えば反射型液晶表示素子の表示面を略垂直に照明するようになっている。
【０１０９】
像面３に配置された反射型液晶表示素子の表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面１８からプリズム内に入り、第２面１７の偏光ビームスプリット面を今度は透過して、プリズム１０の第３面１３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡大像を形成する。
【０１１０】
後記の構成パラメータの第２面から第５面までがプリズム１０であり、第６面と第７面が間、第９面と第１０面間、第１０面から第１２面までが照明光導光プリズム６、第１３面と第１４間がフレネルレンズ５でその両面がフレネルレンズ面である。第１５面は光源４である。そして、第２面から第１５面の各面は第１面の射出瞳２の中心を基準とした偏心量で表されている。
【０１１１】
以下に上記各実施例の構成パラメータを示す。以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＤＯＥ”は回折面、“ＰＢＳ”は偏光ビームスプリット面、“ＦＬＳ”はフレネルレンズ面、“ＬＣＤ”は反射型液晶表示素子の表示面、“ＨＲＰ”は仮想面をそれぞれ示す。
【０１１２】

【０１１３】

【０１１４】

【０１１５】

【０１１６】
上記実施例１〜４の横収差をそれぞれ図６〜図９に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１１７】
ところで、以上の実施例の本発明の観察光学系を構成するプリズム１０としては、上記の実施例の内部反射回数２回で第１面が屈折面と反射面を兼用するタイプのプリズムを用いたが、本発明の観察光学系においてプリズム１０として用いるプリズムはこれに限られるものではない。図１０〜図１８にその例を示す。なお、逆光線追跡で説明する。
【０１１８】
図１０の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して屈折されて、像面３６に結像する。図１１の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４で内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０１１９】
図１２の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２０】
図１３の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して全反射し、第４面３５に入射して内部反射し、再び第３面３４に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２１】
図１４の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、再び第２面３３に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２２】
図１５の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２３】
図１６の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部反射し、第４面３５に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２４】
図１７の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第１面３２に入射して全反射し、第３面３４に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２５】
図１８の場合は、プリズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第１面３２に入射して全反射し、再び第３面３４に入射して内部反射し、四たび第１面３２に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像する。
【０１２６】
以上のような本発明による観察光学系は、例えば頭部装着型画像表示装置の光学系として用いることができる。その例を以下に示す。
【０１２７】
まず、図２０に頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を、図２１にその断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学系を図２１に示すように接眼光学系１００として用いており、この接眼光学系１００と反射型画像表示素子１０１からなる組みを左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１２８】
すなわち、表示装置本体１０２には、前記のような観察光学系が接眼光学系１００として用いられ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に反射型液晶表示素子からなる反射型画像表示素子１０１が配置されている。そして、表示装置本体１０２には、図２０に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、表示装置本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、各画像表示装置１０２の接眼光学系１００のプリズム１０の第１面１１（図１）を保護するために、図２１に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と第１面１１の間にカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１２９】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１０６が接続されているので、観察者はこの再生装置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図２０の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、表示装置本体１０２の内部に映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１３０】
なお、コード１０５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１３１】
さらに、本発明による観察光学系は、接眼光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２２にその片眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着（この場合は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、接眼光学系１００と反射型画像表示素子１０１からなる組み１つからなる表示装置本体１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、表示装置本体１０２を観察者の片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は図２０の場合と同様であり、説明は省く。
【０１３２】
ところで、以上のような本発明による観察光学系を用いた両眼あるいは片眼装着用の頭部装着型画像表示装置において、外界像を表示像と同時にあるいは表示像と外界像を選択的に観察可能にするには、図２１に示すように、接眼光学系１００を構成する偏心プリズム１０の射出瞳に面する反射面１２を半透過反射面とし、その半透過反射面１２に接してあるいは若干離間して偏心プリズム１０による偏角あるいはパワーを補償する別の偏心プリズム２０を配置し、２つの偏心プリズム１０、２０を透過して外界を観察可能に構成することが望ましい。その場合には、破線で示した外界光を遮断したり透過させる液晶シャッターのようなシャッター２１を別の偏心プリズム２０の入射側（観察者の眼とは反対の側）に配置して、シャッター２１を開いて外界像を観察（シースルー）可能にするか、外界像と表示像の重畳像を観察可能にし、シャッター２１を閉じて表示素子１０１の表示像を観察可能に構成することが望ましい。
【０１３３】
以上の本発明の観察光学系及びそれを用いた画像表示装置は次のように構成することができる。
【０１３４】
〔１〕観察するための画像を形成する表示面の前側から入射した照明光束を反射することによって画像を表示する反射型画像表示手段と、前記画像を観察者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備えた観察光学系において、
前記画像表示手段が、照明手段と、前記照明手段から射出された光束を前記表示面の前側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光学手段とを有し、
前記接眼光学系が、前記反射型画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、プリズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面と、プリズム外に光束を射出する射出面とを有するプリズム部材を備えており、
前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成され、
前記プリズム部材の入射面と前記反射型画像表示手段の表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して前記画像を前記瞳位置に導くように構成されていることを特徴とする観察光学系。
【０１３５】
０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１
ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わる画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わる位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高（表示面が四角形の場合は対角長）である。
【０１３６】
〔２〕前記反射型画像表示手段が反射型液晶表示素子からなることを特徴とする上記１記載の観察光学系。
【０１３７】
〔３〕前記プリズム部材の入射面側に回折光学素子を備えていることを特徴とする上記１又は２記載の観察光学系。
【０１３８】
〔４〕前記プリズム部材が屈折面と反射面を兼用した屈折反射兼用面を少なくとも１面備えていることを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の観察光学系。
【０１３９】
〔５〕前記プリズム部材が、前記反射型画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面から入射した光束を反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射した光束を反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射した光束をプリズム外に光束を射出する射出面とを有し、前記第１反射面と前記射出面とが屈折反射兼用面からなることを特徴とする上記４記載の観察光学系。
【０１４０】
〔６〕前記プリズム部材が、前記反射型画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面から入射した光束を反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射した光束を反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射した光束を反射する第３反射面と、前記第３反射面で反射した光束をプリズム外に光束を射出する射出面とを有し、前記第２反射面と前記射出面とが屈折反射兼用面からなることを特徴とする上記４記載の観察光学系。
【０１４１】
〔７〕前記照明光導光光学手段が、前記照明手段から射出された光束を入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束を全反射する第２面と、前記第２面で全反射された光束を反射させる第３面とを備えた透明部材からなり、
前記第２面は、前記第３面で反射された光束を透過させて前記反射型画像表示手段の表示面を前方から照明するようにすると共に、前記反射型画像表示手段の表示面から反射された表示光束を透過させ、前記第３面は、前記第２面を透過した表示光束を透過させるビームスプリット面を構成していることを特徴とする上記１から６の何れか項記載の観察光学系。
【０１４２】
〔８〕前記透明部材の前記第３面側に前記透明部材による偏角を補償する偏角補償部材が配置されていることを特徴とする上記７記載の観察光学系。
【０１４３】
〔９〕前記透明部材の前記第３面側に前記透明部材による偏角を補償する何らの偏角補償部材も配置されていないことを特徴とする上記７記載の観察光学系。
【０１４４】
〔１０〕前記照明光導光光学手段の第２面に入射し第３面から射出した軸上主光線の偏角θと、前記第２面と軸上主光線の交点を通る接平面と前記第３面と軸上主光線の交点を通る接平面とのなす角度αの頂角を有する三角プリズムの最小偏角θ_minとの差であるθ−θ_minをΔθと定義するとき、
Δθ＜２０° ・・・（３）
の条件式を満足するように構成されていることを特徴とする上記９記載の観察光学系。
【０１４５】
〔１１〕前記透明部材の前記第３面が偏光ビームスプリット面として構成されていることを特徴とする上記７から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１４６】
〔１２〕前記透明部材の前記第３面が光軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状にて形成されていることを特徴とする上記７から１０の何れか１項記載の観察光学系。
【０１４７】
〔１３〕前記照明手段が前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と異なる方向に偏心して配置され、前記透明部材の前記第３面が前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と異なる方向に偏心して配置されていることを特徴とする上記７から１２の何れか１項記載の観察光学系。
【０１４８】
〔１４〕前記照明手段の偏心方向と前記透明部材の前記第３面の偏心方向とが、前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と略直交していることを特徴とする上記１３記載の観察光学系。
【０１４９】
〔１５〕右眼用又は左眼用に上記１から１４の何れか１項記載の前記観察光学系を備えて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【０１５０】
〔１６〕右眼用と左眼用に上記１から１４の何れか１項記載の前記観察光学系を一対備えて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【０１５１】
〔１７〕前記画像表示装置が、観察者顔面前方に位置するように、観察者頭部を支持する支持手段を有して構成されていることを特徴とする上記１５又は１６記載の画像表示装置。
【０１５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、偏心プリズムからなる接眼光学系と反射型画像表示素子とを用いて小型で明るく高性能の観察光学系及びそれを用いた画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の観察光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の観察光学系のＹ−Ｚ断面図である。
【図３】本発明の実施例２の観察光学系のＸ−Ｚ方向光路図である。
【図４】本発明の実施例３の観察光学系の断面図である。
【図５】本発明の実施例４の観察光学系の断面図である。
【図６】本発明の実施例１の観察光学系の横収差図である。
【図７】本発明の実施例２の観察光学系の横収差図である。
【図８】本発明の実施例３の観察光学系の横収差図である。
【図９】本発明の実施例３の観察光学系の横収差図である。
【図１０】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの１例を示す図である。
【図１１】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１２】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１３】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１４】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１５】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１６】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１７】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１８】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な偏心プリズムの別の例を示す図である。
【図１９】照明光導光光学手段を通る軸上主光線を示した光路図でる。
【図２０】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図２１】図２０の断面図である。
【図２２】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を示す図である。
【図２３】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図２４】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図２５】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
２…射出瞳
３…像面（画像表示素子の表示面）
４…光源
５…フレネルレンズ
６…照明光導光プリズム
７…偏角補償プリズム
８…回折光学素子
９…回折面
１０…プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１６…照明光導光プリズムの第１面
１６’…照明光導光プリズムの第１面（レンズ面）
１７…照明光導光プリズムの第２面（偏光ビームスプリット面）
１７’…照明光導光プリズムの第２面（偏光ビームスプリット面）
１８…照明光導光プリズムの第３面
３１…瞳
３２…第１面
３３…第２面
３４…第３面
３５…第４面
３６…像面
９１…カバー部材
１００…接眼光学系
１０１…反射型画像表示素子
１０２…画像表示装置（表示装置本体）
１０３…側頭フレーム
１０４…スピーカ
１０５…映像音声伝達コード
１０６…再生装置
１０７…調節部
１０８…前フレーム
Ｍ…凹面鏡

Claims

観察するための画像を形成する表示面の前側から入射した照明光束を反射することによって画像を表示する反射型画像表示手段と、前記画像を観察者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備えた観察光学系において、
前記画像表示手段が、照明手段と、前記照明手段から射出された光束を前記表示面の前側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光学手段とを有し、
前記接眼光学系が、前記反射型画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、プリズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面と、プリズム外に光束を射出する射出面とを有するプリズム部材を備えており、
前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成され、
前記照明光導光光学手段が、前記照明手段から射出された光束を入射させる第１面と、前記第１面から入射した光束を全反射する第２面と、前記第２面で全反射された光束を反射させる第３面とを備えた透明部材からなり、
前記第２面は、前記第３面で反射された光束を透過させて前記反射型画像表示手段の表示面を前方から照明するようにすると共に、前記反射型画像表示手段の表示面から反射された表示光束を透過させ、前記第３面は、前記第２面を透過した表示光束を透過させるビームスプリット面を構成し、
前記プリズム部材の入射面と前記反射型画像表示手段の表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して前記画像を前記瞳位置に導くように構成されていることを特徴とする観察光学系。
０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１
ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わる画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わる位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高（表示面が四角形の場合は対角長）である。
前記プリズム部材の入射面側に回折光学素子を備えていることを特徴とする請求項１記載の観察光学系。
前記透明部材の前記第３面側に前記透明部材による偏角を補償する偏角補償部材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の観察光学系。
前記照明手段が前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と異なる方向に偏心して配置され、前記透明部材の前記第３面が前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と異なる方向に偏心して配置されていることを特徴とする請求項１記載の観察光学系。
前記照明手段の偏心方向と前記透明部材の前記第３面の偏心方向とが、前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と略直交していることを特徴とする請求項４記載の観察光学系。
反射型画像表示手段と、接眼光学系とを備えた観察光学系において、
前記反射型画像表示手段が、表示面と、照明手段と、照明光導光光学手段とを有し、
前記照明光導光光学手段が、第１のプリズム部材からなり、
前記第１のプリズム部材が、第１面と、第２面と、第３面とを有し、
前記接眼光学系が、第２のプリズム部材を有し、
前記第２のプリズム部材が、入射面と、少なくとも１つの反射面と、射出面とを有し、
前記少なくとも１つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、光束に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成され、
前記第１面が、前記照明手段と対向して配置され、前記照明手段から射出された光束を入射させる面であり、
前記第２面が、前記表示面と対向して配置され、前記第１面から入射した光束を全反射させる面であり、
前記第３面が、前記入射面と対向して配置され、前記第２面で全反射された光束を反射させる面であり、
前記第２面が、前記第３面で反射された光束を透過させて前記表示面を照明すると共に、前記表示面から反射された表示光束を透過させ、
前記第３面が、前記第２面を透過した表示光束を透過させるビームスプリット面を構成し、
前記入射面と前記表示面との間の間隔が以下の条件式を満足することを特徴とする観察光学系。
０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１
ただし、Ｌは前記表示面が光軸と交わる画像中心位置と前記入射面が光軸との交わる位置との間の間隔、Ｈは前記反射型画像表示手段の像高（表示面が四角形の場合は対角長）である。