JP4246216B2 - プリズム光学素子及び像観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリズム光学素子及び像観察装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能にする頭部又は顔面装着型画像表示装置に関する。

頭部又は顔面装着型画像表示装置の従来の周知なものとして、特許文献１のものがある。この画像表示装置は、画像表示素子の表示画像を正レンズよりなるリレー光学系にて空中像として伝達し、凹面反射鏡からなる接眼光学系でこの空中像を拡大して観察者の眼球内に投影するものである。

また、従来の他のタイプのものとして、特許文献２のものがある。この装置は、ＣＲＴの画像をリレー光学系を介して中間像を形成し、反射ホログラフィック素子とホログラム面を有するコンバイナによって観察者の眼に投影するものである。

さらに、従来の他のタイプの画像表示装置として、特許文献３のものがある。この装置は、画像表示素子の像を伝達素子で湾曲した物体面に伝達し、その物体面をトーリック反射面で空中に投影するようにしたものである。

また、従来の他のタイプの画像表示素子として、特許文献４のものがある。この装置は、半透過凹面鏡と半透過平面鏡によって物体面を射出瞳に投影する接眼光学系である。

その他、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８のものも知られている。
特開平３−１０１７０９号公報 米国特許第４，６６９，８１０号明細書 米国特許第４，０２６，６４１号明細書 米国再発行特許第２７，３５６号明細書 米国特許第４，３２２，１３５号明細書 米国特許第４，９６９，７２４号明細書 欧州特許第０，５８３，１１６Ａ２号明細書 特開平７−３３３５５１号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２のような画像表示素子の映像をリレーするタイプの画像表示装置では、接眼光学系の形式によらず、接眼光学系以外にリレー光学系として数枚のレンズを用いなければならないため、光路長が長く、光学系は大型になり、重量も重たくなる。

頭部装着式画像表示装置は、人間の身体、特に頭部に装着する装置であるため、装置が顔面から突出する量が大きいと、頭部で支持している点から装置の重心までの距離が長くなり、装着時のバランスが悪くなる。さらに、装置を装着して移動、回転等を行うときに装置が物にぶつかるおそれも生じる。つまり、頭部装着式画像表示装置は、小型軽量であることが重要である。そしてこの装置の大きさ、重量を決定する大きな要因は光学系の構成にある。

しかしながら、接眼光学系として通常の拡大鏡のみを用いると、発生する収差は非常に大きく、それを補正する手段がない。拡大鏡の凹面の形状を非球面にすることである程度球面収差が補正できても、コマ収差、像面湾曲等が残存するため、観察画角を大きくすると、実用的な装置にはなり得ない。あるいは、接眼光学系として凹面鏡のみを用いる場合には、通常の光学素子（レンズやミラー）のみではなく、発生した像面湾曲に合わせて湾曲した面を有する伝導素子（ファイバープレート）によってこれを補正するという手段を用いなければならない。

さらに、特許文献３のような、映像表示素子の像をトーリック反射面を用いて観察者眼球に投影するタイプでは、偏心したトーリック反射面により発生する像面湾曲を物体面自体を湾曲させて補正を行っているため、ＬＣＤ（液晶表示素子）等のいわゆるフラットディスプレイを画像表示素子として用いることが困難である。

一方、特許文献４のような、半透過凹面鏡と半透過平面鏡を用いて物体面を観察者の瞳に投影する共軸系の接眼光学系においては、半透過面を２枚用いているために、理論値でも像の明るさは１／１６にまで低下してしまう。さらに、半透過凹面鏡によって発生する像面湾曲を物体面自体を湾曲させて補正を行っているため、ＬＣＤ（液晶表示素子）等のフラットディスプレイを画像表示素子として用いることが上記と同様に困難である。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い画角においても収差が少なく明瞭で、歪みの少ない観察像を与える非常に小型な像観察装置とそれに用いられるプリズム光学素子を提供することである。

上記目的を達成する本発明の像観察装置は、像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、
前記接眼光学系が、間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めた少なくとも３つの面を備えた面構成を持つプリズム部材を有し、
前記プリズム部材が、前記像形成手段から射出された光線を内部反射させる作用を持つ２つの全反射面と１つの反射面を少なくとも備え、
前記２つの全反射面のうちの一方の全反射面は、前記プリズム部材の単体媒質の観察者側に配置され、かつ、その全反射面は、前記プリズム部材の内部反射によって生じる収差を補正する作用を持った曲面形状に形成され、さらに、
前記２つの全反射面のうちの他方の全反射面は、前記一方の全反射面と対向する位置に配置され、前記一方の全反射面と該他方の全反射面の２つの面を通して外界観察を行うことができるように、前記２つの全反射面の配置が、前記単体媒質を挟んで外界を観察するときに発生する歪みを低下させるような対向配置となっており、
前記他方の全反射面と同じ側の異なる位置であって、前記一方の全反射面と対向する位置に、前記反射面が配置され、
前記像形成手段によって形成された像の観察は、少なくとも前記２つの全反射面と前記反射面を介して行われ、
前記プリズム部材に、前記像形成手段によって形成された像の観察と前記外界像の観察とを切り替える切替手段を設け、
前記接眼光学系の射出瞳を光学系の原点として、光軸を前記画像形成手段の中心と前記射出瞳の中心（原点）とを通る光線で定義したとき、前記切替手段は、前記光軸を含む面に沿った方向に前記プリズム部材を移動させる機能を有するように形成されていることを特徴とするものである。

なお、本発明において、第２面と第３面とは、別々に設計された面が隣接配置されている構成に限らず、１つの同一面を用いて、その面の一部の領域面を第２面として作用させ、その面の他の一部の領域面を第３面として作用させるものも含むものである。また、その際、光線束に幅があることから、当然第２面としても第３面としても作用するオーバーラップ領域が存在してもよいことは言うまでもない。

この場合、前記切替手段は、前記像形成手段によって形成された像を観察する際の前記プリズム部材から観察者眼球に到る光路が、前記外界像を観察観察する際の前記プリズム部材から観察者眼球に到る光路と略一致するように、前記プリズム部材を移動させることが望ましい。

また、前記切替手段は、前記プリズム部材を観察者の視軸に垂直方向に移動可能となるように移動させる構成を有するようにすることができる。
あるいは、前記切替手段は、前記プリズム部材を回動可能となるように移動させる構成を有するようにすることができる。

なお、本発明において、第２面と第３面とは、別々に設計された面が隣接配置されている構成に限らず、１つの同一面を用いて、その面の一部の領域面を第２面として作用させ、その面の他の一部の領域面を第３面として作用させるものも含むものである。また、その際、光線束に幅があることから、当然第２面としても第３面としても作用するオーバーラップ領域が存在してもよいことは言うまでもない。

以下に、本発明のプリズム光学素子と像観察装置、画像表示装置の構成と作用効果について説明をする。特に、像観察装置、画像表示装置の説明においては、光学系の設計上の利便性から、特別の記載がない場合、観察者瞳位置から画像表示素子に向けて光線を追跡する逆光線追跡に基づいて説明を行う。

この像観察装置においては、画像表示素子（像形成手段）からの光線を接眼光学系内で３回の内部反射をすることよって光路が折り畳まれる効果が絶大となり、非常に薄型の接眼光学系を実現している。さらに、その３回の内部反射の中、２回の反射を全反射とすることによって反射コーティングする領域が非常に少なくなり、小型軽量で低コストな接眼光学系を実現することに成功している。さらに、３回の反射の中、２回の反射を全反射とすることで不要光の発生によるゴースト像の発生、あるいは、フレアーによるコントラストの低下を少なくできる。通常、屈折率が１より大きい光学媒質で満たされた内部反射を有する光学系においては、画像表示素子からの射出角の大きい光、正規の光線経路ではない反射等による不要光による影響が問題になる。本発明では全反射面を２面用いることで、反射コーティング面が少なくなるため、画像表示素子から瞳に到達する本来の光束以外の不要光は２つの内部反射面で透過されることになり、観察者瞳まで到達する不要光が著しく低減される。

図２０を参照にしてこの作用を詳しく説明する。図２０は光軸に対して偏心した３つの面１０１、１０２、１０３によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２の画像表示素子７からの光が入射する部分の拡大図であり、１５は観察者眼球、１０１は入射面、１０２は外界側の反射面又は全反射面、１０３は観察者側の屈折面又は反射面である。図２０（ａ）は反射面１０２が反射コーティングされている場合、図２０（ｂ）は反射面１０２が全反射面であり、反射コーティングされていない場合を示している。図２０（ａ）の場合、画像表示素子７の左側から射出した射出角の大きな光は偏心プリズム１２の入射面１０１に入射して屈折され、反射コーティングされた反射面１０２において反射され、屈折面１０３を透過して観察者眼球１５に入射される。したがって、観察者は正規の画像表示素子７の画像（以下、電子像）以外に観察者の視野の上方に不要な電子像が見えるか、又は、上方にフレアーが生じることになる。

図２０（ｂ）の場合、画像表示素子７の左側から射出した射出角の大きな光は偏心プリズム１２の入射面１０１に入射して屈折され、反射コーティングされていない反射面１０２においては臨界角以下の入射角となっているため透過されてしまう。したがって、この光は観察者の反対側に透過するため、観察者眼球１５には入射されない。つまり、ゴースト像又はフレア−は発生しないことになる。

以上説明した作用は、この例以外でも全反射面において同様に生じさせることが可能である。正規の電子像を観察する光線経路の光束は臨界角以上の入射角を有するように設定し、それ以外のゴースト又はフレアーになる可能性のある射出角の光束を全反射面において臨界角以下になるように設定することによって達成できる。また、この全反射面を２面に設定することによって上述した効果を得るのが容易となり、観察者にはゴースト像がなく、フレアーによるコントラストの低下の少ない明瞭な観察像を提供することが可能となる。

まず、本発明のプリズム光学素子は、像観察装置あるいは画像表示装置の接眼光学系（観察光学系）として用いることを想定すると、少なくとも３回の内部反射を生じせしめるようなプリズム部材にて構成され、そのプリズム部材は屈折率が１より大きい媒質で満たされているため、上述した光路の折り畳み効果による接眼光学系を非常に薄くできる効果に加え、少なくとも内部反射が３回以上生じるような構成としたことによる収差補正の効果が絶大となり、画面の隅々まで明瞭な観察像を呈示することが可能となっている。この点を以下に詳しく説明する。

上記プリズム光学素子の主なパワーは反射面である第２面で与えられる。この場合、パワーが等しい屈折系に比べて大きな曲率半径で構成することができるため、収差の発生を少なくすることができる。そして、外界側の反射面を２つの異なる面（第２面及び第３面）に分けたことより、各面の曲率に依存することなく好ましい方向に反射光を設定することが可能である。したがって、光学系の形状を観察者顔面に沿うようにし、画像表示素子の背面を観察者側に向くように配置することができる。特に、画像表示素子がＬＣＤ等のバックライトが必要なものの場合、バックライトや電気系が観察者側に配備されるため、前方に突出することがなく画像表示装置全体の突出を最小限に構成できる。

一般に、凹面鏡を光軸に対して偏心又は傾けて配置すると、共軸系では発生しない偏心による収差が発生する。本発明のプリズム光学素子においても、像観察装置あるいは画像表示装置に用いる場合、第２面が観察者視軸に対して偏心又は傾いているため、偏心による収差が発生している。特に、軸上においても軸上主光線の光路を含む面内に沿う方向（タンジェンシャル方向）と視軸を含み軸上主光線の光路を含む面と垂直な方向（サジタル方向）とのパワーが異なるため、非点収差及びコマ収差が発生する。これらの偏心収差を補正するためには、プリズム光学素子を構成する少なくとも４面の中、少なくとも１面がタンジェンシャル方向とサジタル方向とのパワーが異なる面、つまり、回転非対称な面で構成されることで、第２面で発生する偏心収差を補正することができる。

さらに、対称面が１面しかない面で構成することが有効である。観察者視軸（軸上主光線）上に画像表示素子を配置した場合、接眼光学系を構成している少なくとも１つの面をサジタル方向において対称面を有する面とすることで、観察者眼球に対して左右対称な観察像を投影することができる。一方、その面のタンジェンシャル方向には対称面を持たないようにすると、タンジェンシャル方向における自由度が増大し、軸上主光線の光路を含む面内において発生する偏心収差をより良好に補正することが可能となる。

上記の接眼光学系を少なくとも４つの面で構成する場合、第１面の反射が全反射であるようにすることができる。観察者瞳の直前に配置している面である第１面を全反射とすることで、接眼光学系から光線の射出する領域と内部反射領域をオーバーラップさせることが可能となる。つまり、１つの面で２つの作用を共有することができ、接眼光学系を小型に構成することを可能にした。

また、第１面においても上述した全反射面によるゴースト、フレアを低減する効果が得られるため、よりクリアーな観察像を提供することが可能となる。さらに、反射コーティングは第２面のみとなるため製作性が向上しより安価な画像表示装置を実現できる。

また、上記のプリム光学素子において、媒質のｄ線における屈折率をｎ_d 、第３面における任意の光線の内部反射の角度をθ_r3とするとき、
ｓｉｎ^-1（１／ｎ_d ）≦θ_r3≦６０° ・・・（１）
を満たすようにすることが望ましい。この（１）式を満たすことが重要である。下限であるｓｉｎ^-1（１／ｎ_d ）以上とすることで、第３面における内部反射角が臨界角以上になり、画像表示素子から発した任意の光線は第３面において全反射することが可能となる。

また、第３面における反射角が大きすぎると、プリズム光学素子が視軸の垂直方向（タンジェンシャル方向）に長いものになってしまう。特に、広画角な画像表示装置の場合は、軸外光線が次に反射する第１面に到達できない程広がり、実現不能になる。したがって、画像表示素子から発した任意の光線は第３面において（１）式の上限である６０°以下に設定されていることが望ましい。

さらに、
ｓｉｎ^-1（１／ｎ_d ）≦θ_r3≦５０° ・・・（２）
を満たすことようにすることが望ましい。第３面は光軸（軸上主光線）に対して傾くかあるいは偏心した曲面であるため、この面における反射角はできるだけ小さい方が偏心による収差、特に偏心コマ収差の発生が小さい。したがって、画像表示素子から発した任意の光線は第３面において（２）式の上限である５０°以下に設定されていることが望ましい。

また、プリズム光学素子を構成する少なくとも１面は平面とすることが安価な画像表示装置を実現するために重要である。少なくとも１つの平面を基準としてその他の面を定義できるため、光学系の機械的な設計、製作を容易にすることができる。これにより、加工時間の短縮、装置全体の容易なレイアウト等も可能となり、大幅なコスト削減を実現できる。

また、少なくとも１面を球面にすることによっても同様の効果を得ることができる。その場合、少なくとも１つの球面を基準としてその他の面を定義することが容易であるため、装置全体のレイアウト等も簡易になり、大幅なコスト削減が可能となる。

なお、プリズム光学素子の媒質の屈折率ｎが１．３よりも大きいことが望ましい。

以上のようなプリズム光学素子を観察光学系内部に配置して観察光学系を構成することができることは、上記の説明から明らかであろう。

その場合、プリズム光学素子を対物レンズ内部に配置することもできるし、対物レンズ後方に配置し、対物レンズによって形成された物体像を正立正像させる作用を持った像正立手段内部に配置することもできる。後者においては、そのプリズム光学素子に像正立作用と共に接眼レンズ作用も合わせて持たせることができる。

また、以上のプリズム光学素子の第４面に対向配置されるＬＣＤ（液晶表示素子）、ＣＲＴからなる像形成手段、あるいは、リレー光学系によってリレーされるＬＣＤやＣＲＴ等からなる像形成手段と、そのプリズム光学素子とその像形成手段を観察者顔面に保持する作用を持った保持部材とを有し、像形成手段から射出した光束が、プリズム光学素子内部の光路順に、第４面に入射して、第３面で反射され、第１面で反射され、第２面で反射され、第１面より射出される頭部装着型画像表示装置として本発明のプリズム光学素子を用いることができる。

なお、本発明において、第２面と第３面とを同一面にて兼用させることができる。その場合、物理的な面の数を１面減少させることができるため、光学設計上、及び、プリズムの生産上、工程が簡略化でき、量産性並びに価格の低減に寄与できる。さらに、物理的に１つの面に第２面作用と第３面作用とを併せ持つように兼用させ、かつ、光束が内部反射する領域を一部オーバーラップさせるようにすれば、プリズム部材の小型化が実現でき望ましい。

また、本発明の１つの像観察装置は、像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、前記接眼光学系が、間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めた少なくとも３つの面を備えた面構成を持つプリズム部材を有すると共に、前記プリズム部材が前記像形成手段から射出された光線を少なくとも３回内部反射させる作用を有し、かつ、その少なくとも３回の内部反射作用の中の少なくとも２回の内部反射は全反射作用による反射となるように構成されており、前記少なくとも２回の全反射作用の中の少なくとも１回の反射は前記プリズム部材の単体媒質の観察者側に配置された面によって行われ、かつ、その面は前記プリズム部材の内部反射によって生じる収差を補正する作用を持った曲面形状に形成され、さらに、前記プリズム部材の少なくとも３つの面の中少なくとも２つの面を通して外界観察を行うことができるように、前記少なくとも２つの面が前記単体媒質を挟んで外界を観察するときに発生する歪みを低下させるような対向配置がなされていることを特徴とするものである。

本発明の像観察装置は、第３面５は全反射面であり反射コーティングをしていないため、第３面５と第１面３を透過する外界光は観察者眼球１５に到達する。したがって、電子像の観察範囲βと異なる範囲αで外界を観察可能となる。このように、観察者が外界像と電子像を部分領域別に観察できることは、例えば、観察者が観察者視界の中で、上側領域で外界を観察し、下側領域で電子像を同時に観察することができることである。ただし、この部分領域別とは、上下、左右等、観察者が部分的にそれぞれを観察できればどのような方向、領域に分かれていても構わない。このような機能を備えることで、観察者が画像表示装置を装着したまま外界を認識できるため、危険防止と緊急時に対応できる安全な画像表示装置を提供することができる。そのため、画像表示装置としてのアプリケーションの幅が広がることとなる。

この像形成装置において、像形成手段としては、第４面に像形成画面を対向配置させたＬＣＤ、ＣＲＴ等の画像表示素子（リレー光学系によってリレーされるものは予定していない。）であり、第２面は曲面にて形成されていることが望ましい。

また、このような像形成装置において、画像表示素子と接眼光学系を観察者眼球前方に保持する作用を持った保持部材を設け、プリズム部材が、画像表示素子から射出した光束が、第４面から入射し、その入射光束が第３面で反射され、その反射光束が第１面で反射され、その反射光束が第２面で反射され、その反射光束が第１面から射出されるように構成することにより頭部装着型画像表示装置として構成することができる。

また、以上の像観察装置において、プリズム部材が、像形成手段によって形成された像の観察時及び外界像の観察時の何れの観察においても、同じ位置に固定したものとすることができ、その場合、下記の図７を用いて説明するように、第１面と前記第３面を通して、部分領域別に像形成手段からの像と外界像を観察可能であることが望ましい。

また、プリズム部材に、像形成手段によって形成された像の観察と外界像の観察とを切り替える切替手段を設け、その切替手段によりプリズム部材を移動させるようにしてもよい。

すなわち、接眼光学系の観察者眼球直前に配置してある第１面と、外界側に配置し主光線の一部が全反射している第３面が観察者視軸付近になるように移動することによって、観察者はまっすぐ正面を向いた場合の視軸の周辺、つまり、視野の中心付近において外界像を観察できるので、画像表示装置を装着したまま観察者の眼の前の外界を確認することができるため、安全性を確保した画像表示装置を実現できる。

また、電子像を表示したままであれば、接眼光学系を移動したり戻したりすることによって、外界像と電子像を切り替えながら確認することができるので、アプリケーションの幅が広がることとなる。

この場合、切替手段は、前記像形成手段によって形成された像を観察する際のプリズム部材から観察者眼球に到る光路が、外界像を観察観察する際のプリズム部材から観察者眼球に到る光路と略一致するようにプリズム部材を移動させることが望ましい。

また、プリズム部材の移動が軸上主光線の光路を含む面に沿った方向に移動するようにすると、移動が直線的になるため、移動機構、装置全体のレイアウトが容易となり、安価な画像表示装置を実現できる。

また、プリズム部材の移動が視軸に垂直方向へ移動可能であると、装置全体のレイアウトや移動機構が容易であるのは言うまでもなく、接眼光学系の移動後も観察者前面への突出量は変わらないので、小型でコンパクトな画像表示装置を提供できる。

また、プリズム部材が回動可能であると、プリズム部材が容易な回動機構によってプリズム部材を移動することで外界を観察することが可能であるため、機構自体は安価になり、さらに、左右同時に回動するようにすることで、両眼で外界を確認可能なため、安全性も高まり、装置のレイアウトも簡単な構成で実現できる。

また、参考例の像観察装置は、像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、前記接眼光学系が少なくともプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、その面構成の中、透過又は反射の光学作用を持った光学作用面が少なくとも４つ設けられ、かつ、その４つの光学作用面とそれ以外の面で囲まれた間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めて構成され、前記４つの光学作用面は、透過作用と反射作用とを有し観察者眼球側に配置された第１面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ観察者視軸に対して少なくとも偏心あるいは傾いて配置された反射作用を有する第２面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ前記第２面に略隣接配置された反射作用を有する第３面と、一方の端部を前記第１面に略隣接させ他方の端部を前記第３面に略近接させるように配置した第４面とからなり、少なくとも前記第３面は全反射作用を有するように前記プリズム部材が構成されていると共に、前記第１面と前記単体媒質と前記第３面とを通して外界を観察することが可能な外界観察作用を有するように前記第１面と前記単体媒質と前記第３面とが構成されていることを特徴とするものである。なお、上記において、４つの光学作用面以外の面とは、光学作用のないプリズム側面やカット面を意味する。

これらの像観察装置においては、観察者眼球直前に配置してある面と前記接眼光学系の外界側に配置してある面を通して外界を観察可能なように構成されている。図７を用いてこの作用効果について説明する。図７は光軸に対して偏心した４つの面３、４、５、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２の断面図であり、図中、１は観察者の瞳、２は観察者視軸、３は接眼光学系１２の第１面、４は第２面、５は第３面、６は第４面、７は画像表示素子、１２が接眼光学系、１５は観察者眼球、１６は光学フィルターであり、実際の画像表示素子７からの光線経路は、画像表示素子７を発した光線が、接眼光学系１２の第４面６に入射し、第３面５で全反射し、第１面３で全反射し、第２面４で反射され、再び第１面を通過して観察者の瞳１を射出瞳として観察者眼球１５に画像を投影している。

上記の像観察装置は、第３面５は全反射面であり反射コーティングをしていないため、第３面５と第１面３を透過する外界光は観察者眼球１５に到達する。したがって、電子像の観察範囲βと異なる範囲αで外界を観察可能となる。このように、観察者が外界像と電子像を部分領域別に観察できることは、例えば、観察者が観察者視界の中で、上側領域で外界を観察し、下側領域で電子像を同時に観察することができることである。ただし、この部分領域別とは、上下、左右等、観察者が部分的にそれぞれを観察できればどのような方向、領域に分かれていても構わない。このような機能を備えることで、観察者が画像表示装置を装着したまま外界を認識できるため、危険防止と緊急時に対応できる安全な画像表示装置を提供することができる。そのため、画像表示装置としてのアプリケーションの幅が広がることとなる。

この像形成装置において、像形成手段としては、第４面に像形成画面を対向配置させたＬＣＤ、ＣＲＴ等の画像表示素子（リレー光学系によってリレーされるものは予定していない。）であり、第２面は曲面にて形成されていることが望ましい。

また、このような像形成装置において、画像表示素子と接眼光学系を観察者眼球前方に保持する作用を持った保持部材を設け、プリズム部材が、画像表示素子から射出した光束が、第４面から入射し、その入射光束が第３面で反射され、その反射光束が第１面で反射され、その反射光束が第２面で反射され、その反射光束が第１面から射出されるように構成することにより頭部装着型画像表示装置として構成することができる。

また、上記の像形成装置において、観察者眼球直前に配置してある面と接眼光学系の外界側に配置してある面は、外界光に対して前記２つの面の任意の場所における合成パワーが略ゼロであるようにすることが望ましい。外界光に対する２つの面の合成パワーが略ゼロであると、外界像を観察する状態が裸眼で観察するのと略同等となり、より自然な外界を観察することができる。したがって、危険防止や緊急時には外界を的確に認識することができるため、非常に安全な画像表示装置を提供することができる。

この場合、第１面と第３面とを曲面、球面、あるいは、平面にて形成することができる。観察者が外界を観察するとき、外界からの光線は外界側に配置された内部反射面の中、全反射している領域と、観察者眼球直前に配置してある屈折面を透過して観察者瞳に投影される。ここで、この２つの面が非球面ではなく球面とすることで、各面の曲率の変化がないため、軸外においてより自然な外界像を観察することが容易になる。また、観察者眼球直前に配置してある第１面と接眼光学系の外界側に配置してある第３面が平面であると、各面にはパワーがないので自然な外界を観察できる。さらに、その２つの面が観察者視軸に対して垂直であり、互いに平行に配備されている場合には、単に透明の板を通して外界を観察することになるため、非常に自然な外界像を観察することが可能となる。

これらにおいて、外界光に対する観察者眼球直前に配置してある面と接眼光学系の外界側に配置してある面との任意の場所における合成パワーをφ_t1とする場合、
−０．5 ≦φ_t1≦０．5 （１／ｍｍ） ・・・（３）
を満たすことが望ましい。ただし、φ_t1は軸上主光線を含む面内のパワーφ_t1（ｙｚ）とその面に垂直な面内のパワーφ_t1（ｘｚ）それぞれに対応する。（３）式の条件を満たすことによって、外界光が偏心プリズムを透過する場合の倍率が１近傍に設定することができるため、より自然な外界を観察できる。

また、以上の像観察装置において、プリズム部材が、像形成手段によって形成された像の観察時及び外界像の観察時の何れの観察においても、同じ位置に固定したものとすることができ、その場合、上記で図７を用いて説明したように、第１面と前記第３面を通して、部分領域別に像形成手段からの像と外界像を観察可能であることが望ましい。

また、プリズム部材に、像形成手段によって形成された像の観察と外界像の観察とを切り替える切替手段を設け、その切替手段によりプリズム部材を移動させるようにしてもよい。

すなわち、接眼光学系の観察者眼球直前に配置してある第１面と、外界側に配置し主光線の一部が全反射している第３面が観察者視軸付近になるように移動することによって、観察者はまっすぐ正面を向いた場合の視軸の周辺、つまり、視野の中心付近において外界像を観察できるので、画像表示装置を装着したまま観察者の眼の前の外界を確認することができるため、安全性を確保した画像表示装置を実現できる。

また、電子像を表示したままであれば、接眼光学系を移動したり戻したりすることによって、外界像と電子像を切り替えながら確認することができるので、アプリケーションの幅が広がることとなる。

この場合、観察者眼球直前に配置してある面と接眼光学系の外界側に配置してある面は、外界光に対して２つの面の合成パワーが略ゼロであるようにすることが望ましい。観察者は、外界光に対するその２つの面の合成パワーが略ゼロであると、より自然な外界を観察でき、危険防止や緊急時に適切に対応でき、非常に安全な画像表示装置を提供することができる。

そして、外界光に対する観察者眼球直前に配置してある面と接眼光学系の外界側に配置してある面との任意の場所における合成パワーをφ_t2とする場合、
−０．5 ≦φ_t2≦０．5 （１／ｍｍ） ・・・（４）
を満たすことが望ましい。ただし、φ_t2は軸上主光線を含む面内のパワーφ_t2（ｙｚ）とその面に垂直な面内のパワーφ_t2（ｘｚ）それぞれに対応する。（４）式の条件を満たすことによって、外界光が偏心プリズムを透過する場合の倍率を１近傍に設定することができるため、より自然な外界を観察できる。

この場合、切替手段は、前記像形成手段によって形成された像を観察する際のプリズム部材から観察者眼球に到る光路が、外界像を観察観察する際のプリズム部材から観察者眼球に到る光路と略一致するようにプリズム部材を移動させることが望ましい。

また、プリズム部材の移動が軸上主光線の光路を含む面に沿った方向に移動するようにすると、移動が直線的になるため、移動機構、装置全体のレイアウトが容易となり、安価な画像表示装置を実現できる。

また、プリズム部材の移動が視軸に垂直方向への移動可能であると、装置全体のレイアウトや移動機構が容易であるのは言うまでもなく、接眼光学系の移動後も観察者前面への突出量は変わらないので、小型でコンパクトな画像表示装置を提供できる。

また、プリズム部材が回動可能であると、プリズム部材が容易な回動機構によってプリズム部材を移動することで外界を観察することが可能であるため、機構自体は安価になり、さらに、左右同時に回動するようにすることで、両眼で外界を確認可能なため、安全性も高まり、装置のレイアウトも簡単な構成で実現できる。

もう１つの参考例の像観察装置は、像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、前記接眼光学系が少なくともプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、その面構成の中、透過又は反射の光学作用を持った光学作用面が少なくとも４つ設けられ、かつ、その４つの光学作用面とそれ以外の面で囲まれた間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めて構成され、前記４つの光学作用面は、透過作用と反射作用とを有し観察者眼球側に配置された第１面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ観察者視軸
に対して少なくとも偏心あるいは傾いて配置された反射作用を有する第２面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ前記第２面に略隣接配置された反射作用を有する第３面と、一方の端部を前記第１面に略隣接させ他方の端部を前記第３面に略近接させるように配置した第４面とからなり、少なくとも前記第２面又は前記第３面が全反射作用を有するように前記プリズム部材が構成されていると共に、前記全反射作用を有する前記第２面又は前記第３面の全反射作用を生じる領域近傍に観察者の視線を検出する作用を持った視線検出手段を配置したことを特徴とするものである。この場合も、４つの光学作用面以外の面とは、光学作用のないプリズム側面やカット面を意味する。

以下に、この像観察装置を画像表示装置として構成する場合の作用効果を説明する。視線検出手段を光学系近傍に配置することより、観察者の視線を検出することが可能となっている。ここで、視線検出について、図５、図６を用いて説明する。図５（ａ）は光軸に対して偏心した３つの面３、４、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２と画像表示素子７からなる画像表示装置の断面図、図５（ｂ）は光軸に対して偏心した４つの面３、４、５、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２と画像表示素子７からなる画像表示装置の断面図であり、また、図６は光軸に対して偏心した４つの面３、４、５、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２と画像表示素子７からなるもう１つの画像表示装置の断面図であり、図中、１は観察者の瞳、２は観察者視軸、３は接眼光学系１２の第１面、４は第２面、５は第３面、６は第４面、７は画像表示素子、９は視線検出光学系、１０は視線検出器、１１は照明手段、１２が接眼光学系、１５は観察者眼球である。

図５（ａ）は、接眼光学系１２の偏心プリズムを挟んで観察者眼球１５と対向する外界側に視線検出手段９、１０を配置した図である。この場合、観察者瞳１の像は、観察者瞳１の直前に配置した第１面３と、接眼光学系１２の外界側に配置してある反射面である第２面４とを透過して視線検出手段９、１０に入射する必要がある。しかし、接眼光学系１２の外界側に配置している第２面４は、反射面なので反射コーティングが施されており、視線検出手段９、１０に観察者瞳１の像を導くためには、反射面に反射コーティングしない部分ＮＣ（コーティング穴）が必要であり、観察する画像に悪影響を与えることになる。

図５（ｂ）、図６に本発明の像観察装置である画像表示装置を示す。接眼光学系１２の外界側に配置してある反射面である第３面５が一部全反射するように設定されている。その全反射部分は、反射コーティングなしであっても画像表示素子７からの光を反射するため反射コーティングが不要になり、観察者瞳１の像は、観察者瞳１の直前に配置した第１面３と接眼光学系の外界側に配置してある第３面５の全反射部分を透過して視線検出手段９、１０によって検出することができる。したがって、接眼光学系１２の反射面に電子像の観察に悪影響を与えるコーティング穴を作成することなく、視線検出ができる。

この場合、偏心プリズムの第１面は全反射作用を有することが望ましい。その場合に、視線検出手段は、第２面又は第３面の全反射領域を通過して観察者の視線を検出する位置に配置されていることが望ましい。

また、観察者眼球を照明する照明手段を有することが望ましい。この画像表示装置は、観察者眼球を照明することより明るい像を検出できるため、観察者の正確な視線が検出可能である。また、照明手段は接眼光学系の外界側に配備されていることが望ましい。図５（ａ）のように、観察者顔面と接眼光学系１２の間の配備されると、眼鏡等に干渉する危惧が生じる。しかしながら、図５（ｂ）のように、照明手段１１を接眼光学系１２の外界側に配置すると、観察者顔面との干渉を避けて配置することができる。さらに、照明手段１１からの照明光を接眼光学系１２の反射面の全反射部分を透過するように配備することによって、コーティング穴を作成することなく観察者瞳を照明することができる
また、照明手段は赤外光を用いるものであることが望ましい。電子像を観察することは、即観察者瞳が画像表示素子の光によって照明されていることになる。角膜反射法等の微弱な虚像を取り込んで画像解析する必要のある視線検出手段においては、刻々と照射光量の変化する画像表示素子の光束による反射像を排除する必要がある。通常、画像表示素子はＬＣＤ等であり、放射する光は可視域の波長帯である。したがって、照明手段に赤外光を用いることで、画像表示素子からの光による影響を低減することができる。

そして、この場合も、接眼光学系と像形成手段と視線検出手段とを観察者顔面に保持する作用を持った保持部材を設けて頭部装着型画像表示装置とすることができる。

また、以上の像観察装置において、像形成手段と接眼光学系を観察者頭部に対して位置決めする位置決め手段を有するようにすることができる。

さらに、このような像観察装置の少なくとも２組を一定の間隔で支持する支持手段を設けて両眼で立体像等を観察可能にすることができる。

次に、参考例の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、前記接眼光学系は少なくとも２面で形成される空間を屈折率が１より大きい媒質で満たしており、観察者眼球直前に位置している第１面と、前記第１面に対向した反射面である第２面のうち、少なくとも１面が、観察者視軸に対して偏心するかあるいは傾いた曲面で構成された偏心プリズムと、前記第２面の外側に配備され、外界光に対して前記第１面と前記第２面で発生する偏心による収差の補正作用を有する収差補正手段とを含んだ構成を有することを特徴とするものである。

この画像表示装置においては、観察者眼球直前に位置している第１面と、第１面に対向した反射面である第２面を介して外界像を観察する場合、この２面の中少なくとも１面は観察者視軸に対して偏心あるいは傾いた面であるため、光軸に非対称な偏ったパワーを有するレンズを通して外界を観察しているのと同様になる。そこで、第２面の外界側に偏ったパワーを打ち消すようなフレネルレンズ等の収差補正手段を配置することより、観察者はより自然な外界を観察することが可能となる。さらに、フレネルレンズは非常に薄い光学素子なので、装置を大きくすることなく小型な画像表示装置を提供できる。

また、本発明において、フレネルレンズは上述した効果が得られるならば他の光学素子、例えば、回折光学素子、ホログラフィック光学素子等に置き換えてもよい。

なお、フレネルレンズを用いる場合、フレネルレンズの輪帯の中心が、前記画像表示素子からの軸上主光線の光路を含む面内にあり、フレネルレンズが軸上主光線の光路を含む面内において視軸に対し垂直に偏心していることが望ましい。フレネルレンズは軸対称の形状であれば、製作性に優れ、コストも低くできる。軸対称のパワーを有するフレネルレンズを軸上主光線の光路を含む面内において視軸に対し偏心させて配備させることによって、外界光に対して第１面と第２面で発生する偏心による収差をより良好に補正することが可能になる。

また、フレネルレンズの輪帯の中心が、前記軸上主光線の光路を含む面上にあり、前記フレネルレンズが視軸に対して傾いて配置され、その傾き方向が第２面の面形状に沿うような方向に配置するようにしてもよい。フレネルレンズを第２面の面形状に沿うように配置することは、観察者視軸に対して傾いて配置することとなる。したがって、光軸に非対称な偏ったパワーに設定することが可能となり、外界光に対して第１面と第２面で発生する偏心による収差をより良好に補正することが可能になる。さらに、観察者に対しての突出量や、接眼光学系とフレネルレンズの間の空間が減り、無駄のない非常にコンパクトな画像表示装置を提供することができる。

もう１つの参考例の画像形成装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子により形成された画像を虚像として観察できるように導く接眼光学系とを有する画像表示装置において、前記接眼光学系は、少なくとも３面で形成される空間を屈折率が１より大きい媒質で満たしており、前記少なくとも３面は、観察者眼球直前に位置している屈折及び内部反射面と、前記屈折及び内部反射面に対向し前記接眼光学系の外界側に配置された外界側内部反射面と、前記画像表示素子の発する光束を入射する屈折面とからなり、その中の少なくとも１面が、観察者視軸に対して偏心あるいは傾いた面で構成され、少なくとも３回の内部反射をしている偏心プリズムと、前記観察者眼球直前に位置している屈折及び内部反射面と前記外界側内部反射面とを介して外界を観察する場合、外界光に対して前記２面で発生するパワーを打ち消す作用を有する第２光学素子とからなり、前記第２光学素子は前記外界側内部反射面の外界側に配置されていることを特徴とするものである。

観察者眼球直前に位置している第１面と、第１面に対向した反射面である第２面を介して外界像を観察する場合、この２面の中少なくとも１面は観察者視軸に対して偏心あるいは傾いた面であるため、各像高によって異なる偏ったパワーを有するレンズを通して外界を観察しているのと同様になる。そこで、外界光に対して上記の２面で発生する偏ったパワーを打ち消す作用を有する第２光学素子を接眼光学系の外界側に配置することより、観察者はより自然で広範囲な外界像を観察することができる。したがって、危険防止と緊急時対応ができ、安全な画像表示装置を提供することができる。

この場合、接眼光学系は、４面で形成される空間を屈折率が１より大きい媒質で満たされ、その４面は、観察者眼球側に位置している屈折面かつ反射面である第１面、第１面に対向した反射面である第２面、第１面に対向し第２面に隣接した反射面である第３面、画像表示素子に最も近接している屈折面である第４面で構成され、少なくとも１面が観察者視軸に対して偏心するかあるいは傾いた面を含む偏心プリズムからなっていてもよい。接眼光学系がこのように４面で構成されている場合、第１面と第２面を透過した外界光によって外界を認識する。その場合、第２面を網羅する領域においてのみ偏ったパワーを打ち消す作用を有する第２光学素子を配置することで、接眼光学系全体は大型化せずに付加機能を実現することが可能となる。

また、第１面と第２面と第２光学素子、若しくは、第１面と第３面と第２光学素子を介して外界を観察できるように、少なくとも１つの第２光学素子を第２面又は第３面の外界側に配置することが望ましい。第２面の外界側に偏ったパワーを打ち消す作用を有する第２光学素子を配備することで、電子像を観察する領域と略同じ領域において自然な外界像を観察することができる。また、同様に、第３面の外界側に偏ったパワーを打ち消す作用を有する第２光学素子を配置することより電子像とは異なる領域においても自然な外界を観察できる。さらに、２つの第２光学素子を同時に第２面と第３面の外界側に配置することより、観察者は第１面と第２面及び第１面と第３面を透過する外界像を全て観察することができる。したがって、電子像の観察画角よりも外界観察画角が広がり、自然で広範囲な外界像を観察することができる。これにより、危険防止と緊急時の適切な対応ができ、非常に安全な画像表示装置を提供することができる。

また、第２光学素子は、外界光に対する第１面と第２面、若しくは、第１面と第３面のそれぞれの合成パワーを同時に打ち消す作用を有することが望ましい。外界光に対する第１面と第２面、第１面と第３面のそれぞれの合成パワーを同時に打ち消す作用を有する第２光学素子を１つの光学素子で構成し、接眼光学系の外界側に配置することで広範囲の外界を観察できる。この第２光学素子は同時にそれぞれの合成パワーを打ち消すので、外界像に切れ目が入らずより自然に観察ができる。したがって、１個の光学素子で広い範囲の外界を認識でき、コスト的にも安価で危険防止と緊急時対応ができ、安全性もいっそう高まった画像表示装置を提供することができる。

また、以上において、画像表示素子と接眼光学系を観察者頭部に対して位置決めする位置決め手段を有するようにすることができる。画像表示素子と接眼光学系を観察者頭部に対して位置決めする位置決め手段を有することより、観察者は安定した電子像を観察することが可能となる。

また、画像表示素子と接眼光学系を観察者頭部に対して支持する支持手段を有し、観察者頭部に装着できるようにすることができる。画像表示素子と接眼光学系を観察者頭部に対して支持する支持手段を有し、観察者頭部に装着できるようにしたことによって、観察者は自由な観察姿勢や、観察方向で電子像を観察することが可能となる。

さらに、画像表示装置の少なくとも２組を一定の間隔で支持する支持手段を有するようにすることもできる。少なくとも２組を一定の間隔で支持する支持手段を有することによって、観察者は左右両眼で楽に観察することが可能となる。また、左右の電子像に視差を与えた画像を表示し、両眼でそれらを観察することによって立体像を楽しむことが可能となる。

また、以上の画像表示装置における接眼光学系を結像光学系として用いることが可能である。接眼光学系における画像表示面を像面として、無限遠の物体を結像させるように構成することで、図２４に示すようなカメラのファインダー光学系等の結像光学系として利用することが可能である。

なお、本発明において、第２面と第３面とを同一面にて兼用させることができる。その場合、物理的な面の数を１面減少させることができるため、光学設計上、及び、プリズムの生産上、工程が簡略化でき、量産性並びに価格の低減に寄与できる。さらに、物理的に１つの面に第２面作用と第３面作用とを併せ持つように兼用させ、かつ、光束が内部反射する領域を一部オーバーラップさせるようにすれば、プリズム部材の小型化が実現でき望ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明によると、非常に薄型で小型の接眼光学系でありながら、不要光が少なく、広い観察画角においても明瞭な観察像を与える像観察装置としての画像表示装置を提供することができる。

以下に、本発明による画像表示装置の実施例１〜１７について説明する。

後述する各実施例の構成パラメータにおいては、代表的に図１に示すように、接眼光学系１２の射出瞳１を光学系の原点として、光軸２を画像表示素子７の表示中心と射出瞳１の中心（原点）とを通る光線で定義し、射出瞳１から光軸２の進む方向をＺ軸方向、このＺ軸に直交し射出瞳１中心を通り、光線が接眼光学系１２によって折り曲げられる面内の方向をＹ軸方向、Ｚ軸、Ｙ軸に直交し射出瞳１中心を通る方向をＸ軸方向とし、射出瞳１から接眼光学系１２に向かう方向をＺ軸の正方向、光軸２から画像表示素子７方向をＹ軸の正方向、そして、これらＺ軸、Ｙ軸と右手系を構成する方向をＸ軸の正方向とする。なお、光線追跡は接眼光学系１２の射出瞳１の側を物体側として、画像表示素子７側を像面側とした逆光線追跡により行っている。

そして、偏心量Ｙ、Ｚ、傾き量θが記載されている面については、構成パラメ−タ中に特に記載のない限り（実施例６、９には記載あり）、光学系の原点である射出瞳１からのＹ方向、Ｚ方向へのずれ量及び面の中心軸のＺ軸に対する傾き角を表している。なお、傾き角は反時計回りの方向を正としている。また、基準面を特に記載している場合は、その基準面の面頂からの同様のずれ量及び傾き角を表している。

また、後述する構成パラメータ中に、同軸部分の面間隔については間隔として示してある。その他、球面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数を慣用法に従って示してある。

図１〜図４、図５（ｂ）〜図１７は具体例１〜４、５〜１７の画像表示装置の光軸を含む断面図であり、このうち、図９に対応する具体例９が本発明の実施例で、他は参考例である（なお、以下の説明では、参考例も実施例と称して説明している。）。
図１〜図４、図５（ｂ）〜図１１、図１５〜図１６の実施例においては、光軸に対して偏心した４つの面３、４、５、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質に
よって満たされた偏心プリズム１２からなり、また、図１７の実施例においては、光軸に対して偏心した３つの面３、４、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２からなる。各図中、１は観察者の瞳、２は観察者視軸、３は接眼光学系１２の第１面、４は第２面、５は第３面、６は第４面、７は画像表示素子、８はフレネルレンズ、９は視線検出光学系、１０は視線検出器、１１は照明手段、１２は接眼光学系（偏心プリズム）、１３、１４は第２光学素子、１５は観察者眼球、１６は光学フィルター、１７はリニアモーター、１８は光学素子に設けられた突出部、１９は外装部に設けられたガイド（レール）であり、電子像を観察する場合の実際の光線経路は、図１〜図４、図５（ｂ）〜図１１、図１５〜図１６の実施例においては、画像表示素子７の電子像から発した光線は、接眼光学系１２の画像表示素子７と対面している屈折面である第４面６に入射し、観察者顔面の反対側に位置する２面４、５の中、第４面６に隣接する第３面５で観察者瞳１側に反射し、観察者瞳１の直前に配置している第１面３で観察者瞳１から遠ざかる方向に反射し、観察者顔面の反対側に位置する２面４、５の中、観察者瞳１の直前に配置している第２面４で観察者瞳１側に反射をし、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球１５内に投影される。また、図１７の実施例１７においては、画像表示素子７の電子像から発した光線は、接眼光学系１２の画像表示素子７と対面している屈折面である第４面６に入射し、観察者顔面の反対側に位置する第３面５を兼用した第２面４の第４面６に隣接する領域（第３面５）で観察者瞳１側に反射し、観察者瞳１の直前に配置している第１面３で観察者瞳１から遠ざかる方向に反射し、観察者顔面の反対側に位置し第２面４の第４面６から遠い領域で観察者瞳１側に反射をし、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球１５内に投影される。

図５（ｂ）、図６に示したものは、視線検出手段を有する本発明の画像表示装置の実施例である。接眼光学系１２の外界側に配置してある反射面である第３面５が一部全反射するように設定されている。その全反射部分は、反射コーティングなしであっても画像表示素子７からの光を反射するため反射コーティングが不要になり、また、視線検出する場合の実際の光線経路は、光源１１からの照明光は、接眼光学系１２の第３面５と第１面３を透過して観察者眼球１５を照明し、そこで反射した光線が観察者瞳１の直前に配置してある第１面３に入射し、観察者顔面の反対側に位置する第３面５の少なくとも一部の全反射している領域を透過して視線検出用光学系９により視線検出器１０に導かれ、観察者瞳１の像を形成する。ここで、電子像等の光による影響を低減するため、赤外光の照明１１や、赤外光を検出する検出器１０を用いても当然よい。さらに、照明手段１１の位置は、図示した場所以外でも観察者眼球１５が照明できれば何れの場所でも構わない。

また、図１８は、実施例１７のように光軸に対して偏心した３つの面３、４、６からなる接眼光学系１２の場合に、視線検出用光学系９、視線検出器１０、光源１１からなる同様な視線検出手段を設けた場合の断面図である。視線検出する場合の実際の光線経路は、図５（ｂ）、図６と同様であるので説明は省く。

図７に示したものは、接眼光学系１２によって電子像と外界像を同時に観察することが可能な本発明の画像表示装置の実施例である。外界像を観察する場合の実際の光線経路は、外界の物点からの光線が第３面５から入射し、第１面３を透過して、観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。さらに、第３面５の外界側に、外界光の光量を調節する減光フィルター若しくは光学素子１６を配置することより、観察者が電子像、外界像の両方あるいは片方を観察しやすいようにすることも可能である。また、減光フィルターあるいは光学素子１６を観察範囲αとβとの間で移動可能にすることで、電子像、外界像の何れかの光量を調整するようにすることができる。

図８、図９に示したものは、接眼光学系１２を移動することによって外界像を観察することができる本発明の別の画像表示装置の実施例である。図８では、図８（ａ）の電子像観察位置から接眼光学系１２を観察者瞳に対して負のＹ方向に移動することより、図８（ｂ）の外界像観察位置となり、図９では、図９（ａ）の電子像観察位置から接眼光学系１２を観察者瞳１に対して時計周りに回転することより、図９（ｂ）の外界像観察位置となる。したがって、何れも接眼光学系１２を通して観察者の視軸方向で外界を観察することが可能となる。外界の物点からの光線は、第３面５から入射し、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。さらに、図８（ｂ）において、観察者は、電子像を観察者視軸２より下の領域で観察できる。ここで、電子像の観察方向は、接眼光学系１２の配置の仕方や移動方向により異なるので如何なる方向でも構わない。

なお、図８（ｃ）、図９（ｃ）には、接眼光学系１２の移動機構の例を示してある。何れの場合も、光学素子に設けられた突出部１８を介してリニアモーター１７により、接眼光学系１２を外装部に設けられたガイド（レール）１９に沿って移動させればよい。図８（ｃ）の場合はガイド（レール）１９が直線であり、図９（ｃ）の場合はガイド（レール）１９が円弧であるので、それぞれ直線移動と回転が行われる。

なお、図１９に、実施例１７のように光軸に対して偏心した３つの面３、４、６からなる接眼光学系１２の場合に、図８の実施例と同様に、電子像観察位置から接眼光学系１２を観察者瞳に対して負のＹ方向に移動することより外界像観察位置となる例を示してある。その作用は図８と同様であるので、説明は省く。

図１０〜図１４に示したものは、外界像を観察する光路中に収差補正手段であるフレネルレンズ８を配置する本発明の画像表示装置の実施例である。外界像を観察する場合の実際の光線経路は、外界の物点からの光線は、フレネルレンズ８を透過して第２面４より偏心プリズムに入射し、第１面３を透過して、観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。ここで、フレネルレンズ８は、外界を観察する場合に所定の位置に配置してあればよく、外界を観察しないときは上下移動や回転移動等の移動機構によって別の位置に配備されるか、又は、取り外し可能に構成しても構わない。

図１０〜図１４中、図１０〜図１１の場合は、図１等と同様に、接眼光学系（偏心プリズム）１２は光軸に対して偏心した４つの面３、４、５、６からなり、電子像観察時は同様の光線経路をたどるが、図１２の偏心プリズム１２は、光軸に対して偏心した３つの面３、４、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２からなり、電子像を観察する場合の実際の光線経路は、画像表示素子７の電子像から発した光線は、接眼光学系１２の画像表示素子７と対面している屈折面である第４面（順番から言えば第３面となる）６に入射し、観察者瞳１の直前に配置してある第１面３で観察者瞳１から遠ざかる方向に反射し、観察者顔面の反対側に位置する第２面４で観察者瞳１側に反射をし、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球１５内に投影される。

また、図１３の偏心プリズム１２は、光軸に対して偏心した３つの面３、４、６によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２からなり、電子像を観察する場合の実際の光線経路は、画像表示素子７の電子像から発した光線は、接眼光学系１２の画像表示素子７と対面している屈折面である第４面（順番から言えば第３面となる）６に入射し、観察者顔面の反対側に位置する第２面４で観察者瞳１側に反射をし、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球１５内に投影される。

また、図１４の偏心プリズム１２は、光軸に対して偏心した２つの面３、４によって形成された空間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされた偏心プリズム１２からなり、電子像を観察する場合の実際の光線経路は、画像表示素子７の電子像から発した光線は、接眼光学系１２の画像表示素子７と対面している屈折面である第１面３に入射し、観察者顔面の反対側に位置する第２面４で観察者瞳１側に反射をし、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球１５内に投影される。

次に、図１５、図１６に示したものは、外界像を観察する光路中に接眼光学系１２の観察者眼球直前に位置している第１面３と外界側内部反射面である第２面４又は第３面５とを介して外界を観察する場合、外界光に対してその２面３、４又は３、５で発生するパワーを打ち消す作用を有する第２光学素子１３、１４を配置する本発明の画像表示装置の実施例である。外界像を観察する場合の実際の光線経路は、外界の物点からの光線は、第２光学素子１３あるいは別の第２光学素子１４を透過して、第２面４あるいは第３面５から偏心プリズム１２に入射し、第１面３を透過して観察者の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。

なお、本発明は図１〜図４、図５（ｂ）〜図１９の光学系に限定されるものではなく、公知のその他の光学系に適用できるものである。

以下の各実施例の構成パラメータ中、回転対称な非球面形状は、近軸曲率半径をＲとすると、次の式で与えられる。Ｚ軸が回転対称な非球面の軸となる。

Ｚ＝（ｈ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｈ² ／Ｒ² ）｝^1/2 ］
＋Ａｈ⁴ ＋Ｂｈ⁶ ＋Ｃｈ⁸ ＋Ｄｈ¹⁰・・・
（ｈ² ＝ｘ² ＋ｙ² ）
・・・（ａ）
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、Ｋは円錐係数、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。

また、アナモルフィック面の形状は以下の式により定義する。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。

Ｚ＝（ＣＸ・ｘ² ＋ＣＹ・ｙ² ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ_x ）ＣＸ² ・ｘ²
−（１＋Ｋ_y ）ＣＹ² ・ｙ² ｝^1/2 ］
＋Σ Ｒ_m ｛（１−Ｐ_m ）ｘ² ＋（１＋Ｐ_m ）ｙ² ｝^m+1
m=1
例として、ｍ＝４（４次項）までを考えると、展開したときに以下の式で表せる。

Ｚ＝（ＣＸ・ｘ² ＋ＣＹ・ｙ² ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ_x ）ＣＸ² ・ｘ²
−（１＋Ｋ_y ）ＣＹ² ・ｙ² ｝^1/2 ］
Ｒ₁ ｛（１−Ｐ₁ ）ｘ² ＋（１＋Ｐ₁ ）ｙ² ｝²
Ｒ₂ ｛（１−Ｐ₂ ）ｘ² ＋（１＋Ｐ₂ ）ｙ² ｝³
Ｒ₃ ｛（１−Ｐ₃ ）ｘ² ＋（１＋Ｐ₃ ）ｙ² ｝⁴
Ｒ₄ ｛（１−Ｐ₄ ）ｘ² ＋（１＋Ｐ₄ ）ｙ² ｝⁵
・・・（ｂ）
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣＸはＸ軸方向曲率、ＣＹはＹ軸方向曲率、Ｋ_x はＸ軸方向円錐係数、Ｋ_y はＹ軸方向円錐係数、Ｒ_m は非球面項回転対称成分、Ｐ_m は非球面項回転非対称成分である。なお、後記する実施例の構成パラメータでは、
Ｒ_x ：Ｘ軸方向曲率半径
Ｒ_y ：Ｙ軸方向曲率半径
を用いており、曲率ＣＸ、ＣＹとの間には、
Ｒ_x ＝１／ＣＸ，Ｒ_y ＝１／ＣＹ
の関係にある。

また、自由曲面の面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

_{k n}
Ｚ＝Σ Σ Ｃ_nmＸⁿ Ｙ^{n-m
n=0 m=k}
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したときに以下の式で表せる。

Ｚ＝Ｃ₂
＋Ｃ₃ Ｙ＋Ｃ₄ Ｘ
＋Ｃ₅ Ｙ² ＋Ｃ₆ ＹＸ＋Ｃ₇ Ｘ²
＋Ｃ₈ Ｙ³ ＋Ｃ₉ Ｙ² Ｘ＋Ｃ₁₀ＹＸ² ＋Ｃ₁₁Ｘ³
＋Ｃ₁₂Ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃Ｙ³ Ｘ＋Ｃ₁₄Ｙ² Ｘ² ＋Ｃ₁₅ＹＸ³ ＋Ｃ₁₆Ｘ⁴
＋Ｃ₁₇Ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈Ｙ⁴ Ｘ＋Ｃ₁₉Ｙ³ Ｘ² ＋Ｃ₂₀Ｙ² Ｘ³ ＋Ｃ₂₁ＹＸ⁴
＋Ｃ₂₂Ｘ⁵
＋Ｃ₂₃Ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄Ｙ⁵ Ｘ＋Ｃ₂₅Ｙ⁴ Ｘ² ＋Ｃ₂₆Ｙ³ Ｘ³ ＋Ｃ₂₇Ｙ² Ｘ⁴
＋Ｃ₂₈ＹＸ⁵ ＋Ｃ₂₉Ｘ⁶
＋Ｃ₃₀Ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁Ｙ⁶ Ｘ＋Ｃ₃₂Ｙ⁵ Ｘ² ＋Ｃ₃₃Ｙ⁴ Ｘ³ ＋Ｃ₃₄Ｙ³ Ｘ⁴
＋Ｃ₃₅Ｙ² Ｘ⁵ ＋Ｃ₃₆ＹＸ⁶ ＋Ｃ₃₇Ｘ⁷
・・・（ｃ）
なお、本発明の実施例においては、Ｘ方向に対称な光学系として設計したので、Ｘ奇数項の係数は０とした（上記でいえば、Ｃ₄ ，Ｃ₆ ，Ｃ₉ ‥‥＝０）。

なお、後記の構成パラメータ中、データの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。

実施例１〜４、５〜１７の光軸２を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図１〜図４、図５（ｂ）〜図１７に示す。実施例１〜１１、１３、１４の観察画角は、水平画角３０．０°、垂直画角２２．７２°、実施例１２の観察画角は、水平画角４０．０°、垂直画角３０．５３°、実施例１５、１６の観察画角は、水平画角３５．０°、垂直画角２６．６０°、瞳径は実施例１〜１６共に４ｍｍである。

以下に、上記実施例１〜６、９〜１４、１７の構成パラメーター及び条件式の値を示す。実施例７、８は実施例３と同じであるので省く。また、実施例１０、１１の画像表示素子観察時の構成パラメーターは実施例５と同じであるので、外界観察時の構成パラメーターを示す。また、実施例１２の画像表示素子観察時の構成パラメーターを実施例１２（１）として、外界観察時の構成パラメーターを実施例１２（２）として示す。なお、表中、“ＡＳＰＨ”は非球面、“ＡＮＡＭ”はアナモルフィック面、“ＳＦ”は面、“ＲＥＦＬ”は反射面を示す。

実施例１
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ ASPH ∞ 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｋ 0.0000 Ｙ 18.114 θ 4.44°
Ａ 0.0000 Ｚ 37.091
Ｂ 0.0000
Ｃ 1.1599 ×10^-13
Ｄ 4.4930 ×10^-16
３ ANAM Ｒ_y -142.541 1.5254 56.25
(2ND SF) Ｒ_x -122.057 Ｙ 3.041 θ -17.79°
(REFL) Ｋ_y -5.4587 Ｚ 52.132
Ｋ_x -0.2658
Ｒ₁ -5.0900 ×10^-10
Ｒ₂ 3.0528 ×10^-10
Ｒ₃ 6.2600 ×10^-13
Ｒ₄ 4.9434 ×10^-15
Ｐ₁ -1.1948 ×10⁺¹
Ｐ₂ 2.3791 ×10^-1
Ｐ₃ 4.8713 ×10^-1
Ｐ₄ 3.3074 ×10^-1
４ ASPH ∞ 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｋ 0.0000 Ｙ 18.114 θ 4.44°
(REFL) Ａ 0.0000 Ｚ 37.091
Ｂ 0.0000
Ｃ 1.1599 ×10^-13
Ｄ 4.4930 ×10^-16
５ ∞ 1.5254 56.25
(3RD SF) Ｙ 18.114 θ 4.44°
(REFL) Ｚ 53.502
６ ANAM Ｒ_y 47.391 Ｙ 41.220 θ -55.16°
(4TH SF) Ｒ_x 86.005 Ｚ 47.787
Ｋ_y 1.9910
Ｋ_x -0.1607
Ｒ₁ 1.1694 ×10^-7
Ｒ₂ -2.2052 ×10^-10
Ｒ₃ -1.8410 ×10^-11
Ｒ₄ -4.2076 ×10^-14
Ｐ₁ -6.2804
Ｐ₂ -4.0710
Ｐ₃ 4.2066 ×10^-1
Ｐ₄ 5.1697 ×10^-1
７ ∞ Ｙ 40.079 θ -25.63°
（画像表示面） Ｚ 38.041
（１）θ_r3＝４３．８５°
（３）φ_t1（ｙｚ）＝０（１／mm）
φ_t1（ｘｚ）＝０（１／mm） 。

実施例２
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ 自由曲面(1) 1.5000 55.55
(1ST SF) Ｙ 8.738 θ -0.43°
Ｚ 38.294
３ 自由曲面(2) 1.5000 55.55
(2ND SF) Ｙ 0.000 θ -26.39°
(REFL) Ｚ 47.232
４ 自由曲面(1) 1.5000 55.55
(1ST SF) Ｙ 8.738 θ -0.43°
(REFL) Ｚ 38.294
５ 自由曲面(3) 1.5000 55.55
(3RD SF) Ｙ 28.900 θ 4.00°
(REFL) Ｚ 51.503
６ 自由曲面(4) 1.5000 55.55
(4TH SF) Ｙ 37.094 θ -42.91°
Ｚ 43.146
７ ∞ Ｙ 39.222 θ -39.45°
（画像表示面） Ｚ 41.032
自由曲面(1)
Ｃ₅ -4.3507×10^-4 Ｃ₇ -8.3810×10^-3 Ｃ₈ -7.2046×10^-5
Ｃ₁₀ -1.6070×10^-4 Ｃ₁₂ -5.7849×10^-7 Ｃ₁₄ -7.6285×10^-7
Ｃ₁₆ 2.6344×10^-6 Ｃ₁₇ -7.4711×10^-9 Ｃ₁₉ -1.9337×10^-8
Ｃ₂₁ 9.3990×10^-8
自由曲面(2)
Ｃ₅ -4.4979×10^-3 Ｃ₇ -8.5757×10^-3 Ｃ₈ -6.4211×10^-5
Ｃ₁₀ -3.1176×10^-5 Ｃ₁₂ 1.3495×10^-6 Ｃ₁₄ 4.8979×10^-8
Ｃ₁₆ -2.4100×10^-8 Ｃ₁₇ -4.2204×10^-8 Ｃ₁₉ -3.8212×10^-8
Ｃ₂₁ -9.1979×10^-9
自由曲面(3)
Ｃ₅ -4.6997×10^-4 Ｃ₇ -3.2125×10^-3 Ｃ₈ -8.6078×10^-5
Ｃ₁₀ -1.0181×10^-4 Ｃ₁₂ -2.7246×10^-6 Ｃ₁₄ 2.7277×10^-6
Ｃ₁₆ 3.7002×10^-6 Ｃ₁₇ -3.1103×10^-8 Ｃ₁₉ 1.0092×10^-8
Ｃ₂₁ 2.0208×10^-7
自由曲面(4)
Ｃ₅ 3.6987×10^-3 Ｃ₇ 8.3763×10^-3 Ｃ₈ -8.9771×10^-4
Ｃ₁₀ 5.0916×10^-6 Ｃ₁₂ -5.7678×10^-5 Ｃ₁₄ 4.5123×10^-7
Ｃ₁₆ -2.3865×10^-6
（１）θ_r3＝４８．４４°
（３）φ_t1（ｙｚ）＝−０．００３７（１／mm）
φ_t1（ｘｚ）＝−０．００７２（１／mm） 。

実施例３
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ ∞ 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ -27.000 θ 0.00°
Ｚ 37.395
３ ANAM Ｒ_y -143.929 1.5254 56.25
(2ND SF) Ｒ_x -123.293 Ｙ -14.868 θ -28.80°
(REFL) Ｋ_y 0.3713 Ｚ 42.871
Ｋ_x -1.9942
Ｒ₁ 2.1403 ×10^-8
Ｒ₂ 9.6413 ×10^-13
Ｒ₃ 6.3684 ×10^-14
Ｒ₄ -1.2452 ×10^-17
Ｐ₁ -3.9989 ×10^-3
Ｐ₂ -3.0463
Ｐ₃ 2.5677 ×10-1
Ｐ₄ 4.2810 ×10-1
４ ∞ 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ -27.000 θ 0.00°
(REFL) Ｚ 37.395
５ ∞ 1.5254 56.25
(3RD SF) Ｙ 0.079 θ 0.00°
(REFL) Ｚ 53.539
６ ANAM Ｒ_y 39.861 Ｙ 44.498 θ -66.77°
(4TH SF) Ｒ_x 62.319 Ｚ 51.066
Ｋ_y 1.5656
Ｋ_x 4.2425
Ｒ₁ 3.9064 ×10^-6
Ｒ₂ 5.0520 ×10^-10
Ｒ₃ 4.9921 ×10^-13
Ｒ₄ -6.6158 ×10^-15
Ｐ₁ -1.5408 ×10^-1
Ｐ₂ 4.0979
Ｐ₃ 1.6631
Ｐ₄ 1.0506
７ ∞ Ｙ 42.800 θ -21.40°
（画像表示面） Ｚ 38.475
（１）θ_r3＝４４．５３°
（３）φ_t1（ｙｚ）＝０（１／mm）
φ_t1（ｘｚ）＝０（１／mm） 。

実施例４
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ ANAM Ｒ_y -242.348 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｒ_x -159.768 Ｙ 5.082 θ -3.86°
Ｋ_y 12.1104 Ｚ 32.396
Ｋ_x 4.7358
Ｒ₁ -2.5719 ×10^-10
Ｒ₂ -4.9792 ×10^-12
Ｒ₃ 8.8695 ×10^-13
Ｒ₄ 6.7191 ×10^-20
Ｐ₁ -1.8150 ×10⁺¹
Ｐ₂ -4.7838
Ｐ₃ -1.2978
Ｐ₄ -7.1284
３ ANAM Ｒ_y -119.562 1.5254 56.25
(2ND SF) Ｒ_x -98.451 Ｙ 27.149 θ -11.26°
(REFL) Ｋ_y -0.1186 Ｚ 52.500
Ｋ_x 0.7866
Ｒ₁ -1.6969 ×10^-9
Ｒ₂ -6.2266 ×10^-11
Ｒ₃ 8.5459 ×10^-16
Ｒ₄ 8.0998 ×10^-16
Ｐ₁ -1.8331
Ｐ₂ -4.9789 ×10^-1
Ｐ₃ -2.3604
Ｐ₄ -9.6450 ×10^-1
４ ANAM Ｒ_y -242.348 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｒ_x -159.768 Ｙ 5.082 θ -3.86°
(REFL) Ｋ_y 12.1104 Ｚ 32.396
Ｋ_x 4.7358
Ｒ₁ -2.5719 ×10^-10
Ｒ₂ -4.9792 ×10^-12
Ｒ₃ 8.8695 ×10^-13
Ｒ₄ 6.7191 ×10^-20
Ｐ₁ -1.8150 ×10⁺¹
Ｐ₂ -4.7838
Ｐ₃ -1.2978
Ｐ₄ -7.1284
５ ANAM Ｒ_y -179.007 1.5254 56.25
(3RD SF) Ｒ_x -231.111 Ｙ 27.820 θ 1.74°
(REFL) Ｋ_y 2.2288 Ｚ 47.835
Ｋ_x -72.7188
Ｒ₁ 6.1912 ×10^-8
Ｒ₂ -9.4470 ×10^-13
Ｒ₃ 2.8064 ×10^-15
Ｒ₄ 2.0069 ×10^-18
Ｐ₁ 2.0705 ×10^-2
Ｐ₂ 6.7667
Ｐ₃ -5.5003
Ｐ₄ -4.0534
６ ANAM Ｒ_y 72.293 Ｙ 42.329 θ -42.24°
(4TH SF) Ｒ_x 39.167 Ｚ 43.924
Ｋ_y -1.0213
Ｋ_x -7.8305
Ｒ₁ -7.5404 ×10^-7
Ｒ₂ -5.8510 ×10^-10
Ｒ₃ 5.8345 ×10^-13
Ｒ₄ 1.5291 ×10^-15
Ｐ₁ -1.2077 ×10^-1
Ｐ₂ 2.1174 ×10^-2
Ｐ₃ 2.9220 ×10^-1
Ｐ₄ -1.4519
７ ∞ Ｙ 42.878 θ -19.36°
（画像表示面） Ｚ 30.211
（１）θ_r3＝４２．７５°
（３）φ_t1（ｙｚ）＝０．０００８（１／mm）
φ_t1（ｘｚ）＝−０．００１（１／mm） 。

実施例５
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ -104.851 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 2.540 θ -7.02°
Ｚ 33.527
３ ANAM Ｒ_y -54.751 1.5254 56.25
(2ND SF) Ｒ_x -62.006 Ｙ -19.747 θ -48.21°
(REFL) Ｋ_y -1.3614 Ｚ 30.166
Ｋ_x 0.1944
Ｒ₁ 2.4430 ×10^-10
Ｒ₂ -1.1189 ×10^-10
Ｒ₃ -2.4892 ×10^-16
Ｒ₄ 1.9084 ×10^-22
Ｐ₁ -2.7674 ×10⁺¹
Ｐ₂ 5.3845 ×10^-1
Ｐ₃ -4.1468
Ｐ₄ 1.0048 ×10⁺¹
４ -104.851 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 2.540 θ -7.02°
(REFL) Ｚ 33.527
５ ANAM Ｒ_y -8201.935 1.5254 56.25
(3RD SF) Ｒ_x 1243.857 Ｙ -37.497 θ 4.95°
(REFL) Ｋ_y 0.0000 Ｚ 53.061
Ｋ_x 0.0000
Ｒ₁ 9.7227 ×10^-8
Ｒ₂ 1.2246 ×10^-12
Ｒ₃ -1.5956 ×10^-16
Ｒ₄ 6.7677 ×10^-21
Ｐ₁ 8.5858 ×10^-1
Ｐ₂ -4.4664
Ｐ₃ 1.9991
Ｐ₄ 2.2019
６ 46.674 Ｙ 28.160 θ -29.19°
(4TH SF) Ｚ 36.643
７ ∞ Ｙ 31.793 θ -26.09°
（画像表示面） Ｚ 35.135
（１）θ_r3＝３６．５１° 。

実施例６
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ ∞ Ｙ 0.000 θ 20.00°
（仮想面） Ｚ 0.000
３ ∞ 1.5254 56.25
(1ST SF) （仮想面から）
Ｙ 0.000 θ 0.00°
Ｚ 40.495
４ ANAM Ｒ_y -146.661 1.5254 56.25
(2ND SF) Ｒ_x -131.067 （仮想面から）
(REFL) Ｋ_y -0.1158 Ｙ -23.006 θ -32.35°
Ｋ_x -0.6570 Ｚ 49.040
Ｒ₁ 1.4710 ×10^-8
Ｒ₂ 2.4181 ×10^-10
Ｒ₃ 8.0445 ×10^-14
Ｒ₄ -1.0655 ×10^-16
Ｐ₁ -6.7968 ×10^-1
Ｐ₂ 1.1524 ×10^-2
Ｐ₃ 9.6151 ×10^-1
Ｐ₄ 5.6260 ×10^-1
５ ∞ 1.5254 56.25
(1ST SF) （仮想面から）
(REFL) Ｙ 0.000 θ 0.00°
Ｚ 40.495
６ ∞ 1.5254 56.25
(3RD SF) （仮想面から）
(REFL) Ｙ 0.000 θ 0.00°
Ｚ 56.475
７ ANAM Ｒ_y 70.881 （仮想面から）
(4TH SF) Ｒ_x 99.816 Ｙ 30.811 θ -80.98°
Ｋ_y 6.0488 Ｚ 62.245
Ｋ_x 7.1389
Ｒ₁ 1.8385 ×10^-5
Ｒ₂ 1.8499 ×10^-10
Ｒ₃ -3.4116 ×10^-12
Ｒ₄ -7.2747 ×10^-15
Ｐ₁ 3.2623 ×10^-1
Ｐ₂ 3.8697
Ｐ₃ 9.0201 ×10^-1
Ｐ₄ 1.1638 ×10^-1
８ ∞ Ｙ 40.634 θ -2.65°
（画像表示面） Ｚ 30.403
（１）θ_r3＝４６．７０°
（３）φ_t1（ｙｚ）＝０（１／mm）
φ_t1（ｘｚ）＝０（１／mm） 。

実施例９
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ ∞ Ｙ 0.000 θ 15.00°
（仮想面） Ｚ 0.000
３ -221.433 1.5254 56.25
(1ST SF) （仮想面から）
Ｙ 0.000 θ 0.00°
Ｚ 38.879
４ -106.803 1.5254 56.25
(2ND SF) （仮想面から）
(REFL) Ｙ -16.310 θ -30.86°
Ｚ 48.157
５ -221.433 1.5254 56.25
(1ST SF) （仮想面から）
(REFL) Ｙ 0.000 θ 0.00°
Ｚ 38.879
６ -208.964 1.5254 56.25
(3RD SF) （仮想面から）
(REFL) Ｙ 0.000 θ 0.00°
Ｚ 55.417
７ 154.685 （仮想面から）
(4TH SF) Ｙ 22.393 θ -20.71°
Ｚ 41.581
８ ∞ Ｙ 39.534 θ -5.00°
（画像表示面） Ｚ 27.732
（１）θ_r3＝４１．６８°
（３）φ_t1（ｙｚ）＝０．０００２４（１／mm）
φ_t1（ｘｚ）＝０．０００２４（１／mm） 。

実施例１０
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ -104.851 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 2.540 θ -7.02°
Ｚ 33.527
３ ANAM Ｒ_y -54.751 Ｙ -19.747 θ -48.21°
(2ND SF) Ｒ_x -62.006 Ｚ 30.167
(REFL) Ｋ_y -1.3614
Ｋ_x 0.1944
Ｒ₁ 2.4430 ×10^-10
Ｒ₂ -1.1189 ×10^-10
Ｒ₃ -2.4892 ×10^-16
Ｒ₄ 1.9084 ×10^-22
Ｐ₁ -2.7674 ×10⁺¹
Ｐ₂ 5.3845 ×10^-1
Ｐ₃ -4.1468
Ｐ₄ 1.0048 ×10⁺¹
４ ∞ 2.000 1.4922 57.50
（フレネルレンズ第１面） Ｙ 45.000 θ 0.00°
Ｚ 51.527
５ ∞
（フレネルレンズ第２面）
Ｋ 0.0000
Ａ 2.0658 ×10^-6
Ｂ -4.2780 ×10^-10
Ｃ 3.2196 ×10^-14
Ｄ 2.1256 ×10^-18 。

実施例１１
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ -104.851 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 2.540 θ -7.02°
Ｚ 33.527
３ ANAM Ｒ_y -54.751 Ｙ -19.747 θ -48.21°
(2ND SF) Ｒ_x -62.006 Ｚ 30.166
(REFL) Ｋ_y -1.3614
Ｋ_x 0.1944
Ｒ₁ 2.4430 ×10^-10
Ｒ₂ -1.1189 ×10^-10
Ｒ₃ -2.4892 ×10^-16
Ｒ₄ 1.9084 ×10^-22
Ｐ₁ -2.7674 ×10⁺¹
Ｐ₂ 5.3845 ×10^-1
Ｐ₃ -4.1468
Ｐ₄ 1.0048 ×10⁺¹
４ ∞ 2.000 1.4922 57.50
（フレネルレンズ第１面） Ｙ 20.000 θ -22.00°
Ｚ 53.527
５ ∞
（フレネルレンズ第２面）
Ｋ 0.0000
Ａ 4.4111 ×10^-5
Ｂ -1.0534 ×10^-7
Ｃ 1.1649 ×10^-10
Ｄ -4.9416 ×10^-14 。

実施例１２（１）
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ 自由曲面(1) 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 13.983 θ 9.46°
Ｚ 33.974
３ 自由曲面(2) 1.5254 56.25
(2ND SF) Ｙ 4.596 θ -15.22°
(REFL) Ｚ 49.231
４ 自由曲面(1) 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 13.983 θ 9.46°
(REFL) Ｚ 33.974
５ 自由曲面(3) Ｙ 27.094 θ 79.39°
(3RD SF) Ｚ 35.215
６ ∞ Ｙ 29.266 θ 46.34°
（画像表示面） Ｚ 46.318
自由曲面(1)
Ｃ₅ -2.6152×10^-3 Ｃ₇ -3.9706×10^-3 Ｃ₈ -7.5434×10^-5
Ｃ₁₀ -1.5120×10^-6 Ｃ₁₂ 2.6572×10^-7 Ｃ₁₄ 1.3359×10^-6
Ｃ₁₆ 1.7946×10^-7 Ｃ₁₇ -2.9881×10^-9 Ｃ₁₉ -3.0362×10^-9
Ｃ₂₁ -2.0258×10^-7 Ｃ₂₃ -3.8978×10^-10 Ｃ₂₅ 1.4986×10^-9
Ｃ₂₇ -3.8974×10^-9 Ｃ₂₉ -2.5335×10^-9 Ｃ₃₀ 4.3101×10^-12
Ｃ₃₂ -1.4923×10^-11 Ｃ₃₄ 7.6026×10^-11 Ｃ₃₆ -4.2410×10^-11
自由曲面(2)
Ｃ₅ -6.2524×10^-3 Ｃ₇ -7.5944×10^-3 Ｃ₈ -1.0605×10^-5
Ｃ₁₀ 9.3276×10^-6 Ｃ₁₂ 8.3882×10^-7 Ｃ₁₄ -5.6861×10^-7
Ｃ₁₆ -4.9904×10^-7 Ｃ₁₇ -2.0403×10^-10 Ｃ₁₉ -8.0184×10^-9
Ｃ₂₁ -4.4196×10^-8 Ｃ₂₃ 4.4149×10^-10 Ｃ₂₅ 3.8170×10^-10
Ｃ₂₇ 8.4970×10^-11 Ｃ₂₉ -2.8006×10^-10 Ｃ₃₀ 1.3964×10^-12
Ｃ₃₂ -1.7677×10^-10 Ｃ₃₄ 3.3220×10^-12 Ｃ₃₆ 6.9401×10^-12
自由曲面(3)
Ｃ₅ -1.2118×10^-2 Ｃ₇ -3.7062×10^-3 Ｃ₈ -1.2290×10^-4
Ｃ₁₀ 9.9763×10^-4 Ｃ₁₂ -8.0746×10^-5 Ｃ₁₄ -3.8939×10^-5
Ｃ₁₆ 2.6861×10^-5 Ｃ₁₇ -1.7720×10^-6 Ｃ₁₉ -3.4243×10^-6
Ｃ₂₁ -3.5310×10^-7 Ｃ₂₃ 1.2185×10^-7 Ｃ₂₅ 1.0019×10^-7
Ｃ₂₇ 1.4838×10^-7 Ｃ₂₉ -5.3531×10^-8 。

実施例１２（２）
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ 自由曲面(1) 1.5254 56.25
(1ST SF) Ｙ 13.983 θ 9.46°
Ｚ 33.974
３ 自由曲面(2) Ｙ 4.596 θ -15.22°
(2ND SF) Ｚ 49.231
４ ∞ 2.000 1.4922 57.50
（フレネルレンズ第１面） Ｙ 45.982 θ -18.17°
Ｚ 65.000
５ ∞
（フレネルレンズ第２面）
Ｋ 0.0000
Ａ 3.9372 ×10^-6
Ｂ -1.6979 ×10^-9
Ｃ 4.2377 ×10^-13
Ｄ -4.1829 ×10^-17
自由曲面(1)
Ｃ₅ -2.6152×10^-3 Ｃ₇ -3.9706×10^-3 Ｃ₈ -7.5434×10^-5
Ｃ₁₀ -1.5120×10^-6 Ｃ₁₂ 2.6572×10^-7 Ｃ₁₄ 1.3359×10^-6
Ｃ₁₆ 1.7946×10^-7 Ｃ₁₇ -2.9881×10^-9 Ｃ₁₉ -3.0362×10^-9
Ｃ₂₁ -2.0258×10^-7 Ｃ₂₃ -3.8978×10^-10 Ｃ₂₅ 1.4986×10^-9
Ｃ₂₇ -3.8974×10^-9 Ｃ₂₉ -2.5335×10^-9 Ｃ₃₀ 4.3101×10^-12
Ｃ₃₂ -1.4923×10^-11 Ｃ₃₄ 7.6026×10^-11 Ｃ₃₆ -4.2410×10^-11
自由曲面(2)
Ｃ₅ -6.2524×10^-3 Ｃ₇ -7.5944×10^-3 Ｃ₈ -1.0605×10^-5
Ｃ₁₀ 9.3276×10^-6 Ｃ₁₂ 8.3882×10^-7 Ｃ₁₄ -5.6861×10^-7
Ｃ₁₆ -4.9904×10^-7 Ｃ₁₇ -2.0403×10^-10 Ｃ₁₉ -8.0184×10^-9
Ｃ₂₁ -4.4196×10^-8 Ｃ₂₃ 4.4149×10^-10 Ｃ₂₅ 3.8170×10^-10
Ｃ₂₇ 8.4970×10^-11 Ｃ₂₉ -2.8006×10^-10 Ｃ₃₀ 1.3964×10^-12
Ｃ₃₂ -1.7677×10^-10 Ｃ₃₄ 3.3220×10^-12 Ｃ₃₆ 6.9401×10^-12 。

実施例１３
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ 自由曲面(1) 1.5163 64.15
(1ST SF) Ｙ 0.000 θ 24.79°
Ｚ 35.567
３ 自由曲面(2) 1.5163 64.15
(2ND SF) Ｙ 5.402 θ -9.11°
(REFL) Ｚ 70.723
４ 自由曲面(3) Ｙ 21.138 θ -25.12°
(3RD SF) Ｚ 39.783
５ ∞ Ｙ 23.963 θ -11.11°
（画像表示面） Ｚ 34.441
自由曲面(1)
Ｃ₅ 6.8620×10^-3 Ｃ₇ 7.4153×10^-3 Ｃ₈ 5.9417×10^-5
Ｃ₁₀ 2.9033×10^-5 Ｃ₁₂ -4.6823×10^-7 Ｃ₁₄ 3.8805×10^-6
Ｃ₁₆ 5.0284×10^-7 Ｃ₁₇ 2.3906×10^-8 Ｃ₁₉ 7.1030×10^-8
Ｃ₂₁ 2.8323×10^-8
自由曲面(2)
Ｃ₅ -3.7101×10^-3 Ｃ₇ -4.1036×10^-3 Ｃ₈ 4.2896×10^-6
Ｃ₁₀ -8.4314×10^-6 Ｃ₁₂ -8.1477×10^-8 Ｃ₁₄ 1.1846×10^-6
Ｃ₁₆ 2.8608×10^-7 Ｃ₁₇ 8.8332×10^-9 Ｃ₁₉ 3.2284×10^-8
Ｃ₂₁ 1.2745×10^-8
自由曲面(3)
Ｃ₅ 1.5613×10^-2 Ｃ₇ 1.5901×10^-2 Ｃ₈ 3.8223×10^-4
Ｃ₁₀ -5.9546×10^-5 Ｃ₁₂ -5.8106×10^-5 Ｃ₁₄ -4.2859×10^-5
Ｃ₁₆ -2.2163×10^-5 Ｃ₁₇ 1.1940×10^-6 Ｃ₁₉ 2.0760×10^-6
Ｃ₂₁ 1.0626×10^-6 。

実施例１４
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ 自由曲面(1) 1.5163 64.15
(1ST SF) Ｙ -10.123 θ 20.33°
Ｚ 43.489
３ 自由曲面(2) 1.5163 64.15
(2ND SF) Ｙ 1.103 θ -10.31°
(REFL) Ｚ 65.000
４ 自由曲面(1) Ｙ -10.123 θ 20.33°
(1ST SF) Ｚ 43.489
５ ∞ Ｙ 17.608 θ -13.99°
（画像表示面） Ｚ 30.846
自由曲面(1)
Ｃ₅ 1.0401×10^-2 Ｃ₇ 8.6572×10^-3 Ｃ₈ 9.8267×10^-5
Ｃ₁₀ 2.0456×10^-4 Ｃ₁₂ -9.4226×10^-6 Ｃ₁₄ 1.6262×10^-6
Ｃ₁₆ 4.0506×10^-6 Ｃ₁₇ 3.2669×10^-7 Ｃ₁₉ 2.1072×10^-7
Ｃ₂₁ 1.5355×10^-7
自由曲面(2)
Ｃ₅ -2.5798×10^-3 Ｃ₇ -3.0708×10^-3 Ｃ₈ -3.2024×10^-5
Ｃ₁₀ -3.3909×10^-6 Ｃ₁₂ 2.9430×10^-6 Ｃ₁₄ 4.3427×10^-6
Ｃ₁₆ 3.4981×10^-6 Ｃ₁₇ -2.8763×10^-8 Ｃ₁₉ 4.0895×10^-8
Ｃ₂₁ 5.4666×10^-8 。

実施例１７
面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数
（偏心量） （傾き角）
１ ∞（瞳）
２ 自由曲面(1) 1.5000 55.55
(1ST SF) Ｙ 18.958 θ 7.69°
Ｚ 30.730
３ 自由曲面(2) 1.5000 55.55
(2ND SF) Ｙ 9.165 θ -13.84°
(REFL) Ｚ 48.107
４ 自由曲面(1) 1.5000 55.55
(1ST SF) Ｙ 18.958 θ 7.69°
(REFL) Ｚ 30.730
５ 自由曲面(2) 1.5000 55.55
(2ND SF) Ｙ 9.165 θ -13.84°
(REFL) Ｚ 48.107
６ 自由曲面(3) 1.5000 55.55
(4TH SF) Ｙ 34.128 θ -31.50°
Ｚ 30.758
７ ∞ Ｙ 47.350 θ -34.92°
（画像表示面） Ｚ 35.893
自由曲面(1)
Ｃ₅ -4.9463×10^-3 Ｃ₇ -3.4912×10^-3 Ｃ₈ 6.9477×10^-5
Ｃ₁₀ 1.7114×10^-4 Ｃ₁₂ 1.0830×10^-6 Ｃ₁₄ -2.2541×10^-7
Ｃ₁₆ 4.5743×10^-6 Ｃ₁₇ 6.1581×10^-8 Ｃ₁₉ 4.7667×10^-8
Ｃ₂₁ -1.9359×10^-7 Ｃ₂₃ -1.3103×10^-10 Ｃ₂₅ -7.7572×10^-10
Ｃ₂₇ 7.0783×10^-10 Ｃ₂₉ 5.3774×10^-9 Ｃ₃₀ 4.7726×10^-12
Ｃ₃₂ 1.3699×10^-11 Ｃ₃₄ 7.4217×10^-11 Ｃ₃₆ -1.3460×10^-10
自由曲面(2)
Ｃ₅ -5.9243×10^-3 Ｃ₇ -5.4509×10^-3 Ｃ₈ 3.4016×10^-5
Ｃ₁₀ 7.9633×10^-5 Ｃ₁₂ -4.1470×10^-7 Ｃ₁₄ 1.0233×10^-6
Ｃ₁₆ 2.6471×10^-6 Ｃ₁₇ 2.3016×10^-9 Ｃ₁₉ 3.3134×10^-8
Ｃ₂₁ -1.6456×10^-8 Ｃ₂₃ -1.3255×10^-10 Ｃ₂₅ -4.9215×10^-10
Ｃ₂₇ -3.3070×10^-10 Ｃ₂₉ 4.1802×10^-9
自由曲面(3)
Ｃ₅ 7.9798×10^-3 Ｃ₇ 1.7546×10^-2 Ｃ₈ -1.1020×10^-4
Ｃ₁₀ 9.4392×10^-4 Ｃ₁₂ -3.9282×10^-6 Ｃ₁₄ -7.3326×10^-6
Ｃ₁₆ -1.4273×10^-5
（１）θ_r3＝４６．４８° 。

以上の実施例では、前記定義式（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の非球面、アナモルフィック面、自由曲面で構成したが、次の定義式（ｄ）のように定義したＺｅｒｎｉｋｅ多項式で表される面形状、次の定義式（ｅ）のように定義したＸ方向に対称な自由曲面での設計も可能である。つまり、あらゆる定義の曲面が使えることは言うまでもない。

面対称な自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式（ｄ）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。

Ｘ＝Ｒ×cos(A)
Ｙ＝Ｒ×sin(A)
Ｚ＝Ｄ₂
＋Ｄ₃ Ｒcos(A)＋Ｄ₄ Ｒsin(A)
＋Ｄ₅ Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆ （Ｒ² −１）＋Ｄ₇ Ｒ² sin(2A)
＋Ｄ₈ Ｒ³ cos(3A) ＋Ｄ₉ （３Ｒ³ −２Ｒ）cos(A)
＋Ｄ₁₀（３Ｒ³ −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ sin(3A)
＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）cos(2A)
＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴ −６Ｒ² ＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）sin(2A)
＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ cos(5A)
＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）cos(3A)
＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）cos(A)
＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）sin(A)
＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）sin(3A) ＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ sin(5A)
＋Ｄ₂₃Ｒ⁶cos(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）cos(4A)
＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）cos(2A)
＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶ −３０Ｒ⁴ ＋１２Ｒ² −１）
＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）sin(2A)
＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）sin(4A) ＋Ｄ₂₉Ｒ⁶sin(6A)・・・・・
・・・（ｄ）
なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。ただし、Ｄ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。

Ｘ方向に対称な自由曲面は、前記の（ｃ）式に対応して次のように定義できる。

Ｚ＝Ｃ₂
＋Ｃ₃ Ｙ＋Ｃ₄ ｜Ｘ｜
＋Ｃ₅ Ｙ² ＋Ｃ₆ Ｙ｜Ｘ｜＋Ｃ₇ Ｘ²
＋Ｃ₈ Ｙ³ ＋Ｃ₉ Ｙ² ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₀ＹＸ² ＋Ｃ₁₁｜Ｘ³ ｜
＋Ｃ₁₂Ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃Ｙ³ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₄Ｙ² Ｘ² ＋Ｃ₁₅Ｙ｜Ｘ³ ｜＋Ｃ₁₆Ｘ⁴
＋Ｃ₁₇Ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈Ｙ⁴ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₉Ｙ³ Ｘ² ＋Ｃ₂₀Ｙ² ｜Ｘ³ ｜
＋Ｃ₂₁ＹＸ⁴ ＋Ｃ₂₂｜Ｘ⁵ ｜
＋Ｃ₂₃Ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄Ｙ⁵ ｜Ｘ｜＋Ｃ₂₅Ｙ⁴ Ｘ² ＋Ｃ₂₆Ｙ³ ｜Ｘ³ ｜
＋Ｃ₂₇Ｙ² Ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈Ｙ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₂₉Ｘ⁶
＋Ｃ₃₀Ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁Ｙ⁶ ｜Ｘ｜＋Ｃ₃₂Ｙ⁵ Ｘ² ＋Ｃ₃₃Ｙ⁴ ｜Ｘ³ ｜
＋Ｃ₃₄Ｙ³ Ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅Ｙ² ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₃₆ＹＸ⁶ ＋Ｃ₃₇｜Ｘ⁷ ｜
・・・・
・・・（ｅ）
さて、以上説明したような接眼光学系と画像表示素子からなる組を１組用意し、片眼装着用に構成しても、また、そのような組を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼装着用に構成してもよい。そのようにして、片眼あるいは両眼で観察できる据え付け型又はポータブル型の画像表示装置として構成することができる。

片眼に装着する構成にした場合の様子を図２１に（この場合は、左眼に装着）、両眼に装着する構成にした場合の様子を図２２にそれぞれ示す。図２１、図２２中、３１は表示装置本体部を示し、図２１の場合は観察者の顔面の左眼の前方に、図２２の場合は観察者の顔面の両眼の前方に保持されるよう支持部材が頭部を介して固定している。その支持部材としては、一端を表示装置本体部３１に接合し、観察者のこめかみから耳の上部にかけて延在する左右の前フレーム３２と、前フレーム３２の他端に接合され、観察者の側頭部を渡るように延在する左右の後フレーム３３とから（図２１の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム３３の他端に挟まれるように自らの両端を一方づつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム３４とから（図２２の場合）構成されている。

また、前フレーム３２における上記の後フレーム３３との接合近傍には、弾性体からなり例えば金属板バネ等で構成されたリヤプレート３５が接合されている。このリヤプレート３５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカバー３６が観察者の後頭部から首のつけねにかかる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように接合されている（図２２の場合）。リヤプレート３５又はリヤカバー３６内側の観察者の耳に対応する位置にスピーカ３９が取り付けられている。

映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル４１が表示装置本体部３１から、頭頂フレーム３４（図２２の場合）、後フレーム３３、前フレーム３２、リヤプレート３５の内部を介してリヤプレート３５あるいはリヤカバー３６の後端部より外部に突出している。そして、このケーブル４１はビデオ再生装置４０に接続されている。なお、図中、４０ａはビデオ再生装置４０のスイッチやボリュウム調整部である。

なお、ケーブル４１は先端をジャックして、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構わない。

さらに、本発明の画像表示装置の接眼光学系を結像光学系として用いた場合、例えば、図２３に示すような撮影光学系Ｏｂとファインダー光学系Ｆｉが別体に併設されたコンパクトカメラＣａのファインダー光学系Ｆｉに用いることができる。結像光学系として用いた場合の光学系の構成図を図２４に示す。前側レンズ群ＧＦと、明るさ絞りＤとその後方に配備された本発明の接眼光学系ＤＳとで対物光学系Ｌｔを構成することができる。この対物光学系Ｌｔによって形成された像は上記対物系のＬｔの観察者側に設けられた４回反射のポロプリズムＰによって正立され、接眼レンズＯｃによって観察できる。

以上、本発明のプリズム光学素子及び像観察装置、画像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの限定されず種々の変形が可能であり、本発明の範囲内であればいかように構成してもよい。

以上の本発明のプリズム光学素子及び像観察装置は例えば次のように構成することができる。

〔１〕 屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質を挟んだ複数の面によって形成されるプリズム光学素子において、
前記プリズム光学素子が、前記プリズム光学素子内部に光線を入射させるか、若しくは、前記プリズム光学素子内部から光線を射出させる透過作用及び前記プリズム光学素子内部での内部反射作用とを合わせて有した第１面と、前記媒質を挟んで前記第１面と対向配置され前記プリズム光学素子内部での内部反射作用を有する第２面と、前記第２面と略近接する位置に配置されかつ前記第１面と前記媒質を挟んで対向配置され前記プリズム光学素子内部での内部反射作用を有する第３面と、前記第１面が光線を前記プリズム光学素子内部に入射させる作用を有するときには前記プリズム光学素子内部から光線を射出させる作用を有し、前記第１面が光線を前記プリズム光学素子内部から射出させる作用を有するときには前記プリズム光学素子内部に光線を入射させる作用を有するような透過作用を持った第４面とを有し、前記媒質のｄ線における屈折率をｎ_d 、前記第３面における任意の光線の内部反射の角度をθ_r3とするとき、
ｓｉｎ^-1（１／ｎ_d ）≦θ_r3≦６０° ・・・（１）
を満たすことを特徴とするプリズム光学素子。

〔２〕 上記〔１〕において、
ｓｉｎ^-1（１／ｎ_d ）≦θ_r3≦５０° ・・・（２）
を満たすことを特徴とするプリズム光学素子。

〔３〕 上記〔１〕又は〔２〕において、前記第１面の反射が全反射であることを特徴とするプリズム光学素子。

〔４〕 上記〔１〕から〔３〕の何れか１項において、前記プリズム光学素子の媒質の屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ＞１．３）ことを特徴とするプリズム光学素子。

〔５〕 上記〔１〕から〔３〕の何れか１項において、前記プリズム光学素子を構成する少なくとも１面は平面であることを特徴とするプリズム光学素子。

〔６〕 上記〔１〕から〔５〕の何れか１項において、前記プリズム光学素子を観察光学系内部に配置したことを特徴とする観察光学系。

〔７〕 上記〔６〕において、前記プリズム光学素子を対物レンズ内部に配置したことを特徴とする観察光学系。

〔８〕 上記〔６〕において、前記プリズム光学素子が対物レンズ後方に配置され、前記対物レンズによって形成された物体像を正立正像させる作用を持った像正立手段内部に配置されていることを特徴とするカメラファインダー光学系。

〔９〕 上記〔８〕において、前記プリズム光学素子が像正立作用と共に接眼レンズ作用も合わせて有することを特徴とするカメラファインダー光学系。

〔１０〕 上記〔１〕から〔５〕の何れか１項において、前記プリズム光学素子の前記第４面に対向配置された像形成手段と、前記プリズム光学素子と前記像形成手段を観察者顔面に保持する作用を持った保持部材とを有し、前記像形成手段から射出した光束が、前記プリズム光学素子内部の光路順に、前記第４面に入射して、前記第３面で反射され、前記第１面で反射され、前記第２面で反射され、前記第１面より射出されることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

〔１１〕 像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、
前記接眼光学系が、間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めた少なくとも３つの面を備えた面構成を持つプリズム部材を有すると共に、前記プリズム部材が前記像形成手段から射出された光線を少なくとも３回内部反射させる作用を有し、かつ、その少なくとも３回の内部反射作用の中の少なくとも２回の内部反射は全反射作用による反射となるように構成されており、前記少なくとも２回の全反射作用の中の少なくとも１回の反射は前記プリズム部材の単体媒質の観察者側に配置された面によって行われ、かつ、その面は前記プリズム部材の内部反射によって生じる収差を補正する作用を持った曲面形状に形成され、
さらに、前記プリズム部材の少なくとも３つの面の中少なくとも２つの面を通して外界観察を行うことができるように、前記少なくとも２つの面が前記単体媒質を挟んで外界を観察するときに発生する歪みを低下させるような対向配置がなされていることを特徴とする像観察装置。

〔１２〕 像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、
前記接眼光学系が少なくともプリズム部材を含み、
前記プリズム部材は、その面構成の中、透過又は反射の光学作用を持った光学作用面が少なくとも４つ設けられ、かつ、その４つの光学作用面で囲まれた間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めて構成され、
前記４つの光学作用面は、透過作用と反射作用とを有し観察者眼球側に配置された第１面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ観察者視軸に対して少なくとも偏心あるいは傾いて配置された反射作用を有する第２面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ前記第２面に略隣接配置された反射作用を有する第３面と、一方の端部を前記第１面に略隣接させ他方の端部を前記第３面に略近接させるように配置した第４面とからなり、
少なくとも前記第３面は全反射作用を有するように前記プリズム部材が構成されていると共に、前記第１面と前記単体媒質と前記第３面とを通して外界を観察することが可能な外界観察作用を有するように前記第１面と前記単体媒質と前記第３面とが構成されていることを特徴とする像観察装置。

〔１３〕 上記〔１２〕において、前記像形成手段が前記第４面に像形成画面を対向配置させた画像表示素子であり、前記第２面が曲面にて形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔１４〕 上記〔１３〕において、前記画像表示素子と前記接眼光学系を観察者眼球前方に保持する作用を持った保持部材を有し、前記プリズム部材は、前記画像表示素子から射出した光束が、前記第４面から入射し、その入射光束が前記第３面で反射され、その反射光束が前記第１面で反射され、その反射光束が前記第２面で反射され、その反射光束が前記第１面から射出されるように構成されたことを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

〔１５〕 上記〔１２〕から〔１４〕の何れか１項において、前記外界観察作用は前記第１面と前記第３面の少なくとも一部の領域における合成のパワーが略ゼロとなるように形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔１６〕 上記〔１２〕から〔１５〕の何れか１項において、前記第１面と前記第３面とが曲面にて形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔１７〕 上記〔１２〕から〔１６〕の何れか１項において、前記第１面と前記第３面とが球面にて形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔１８〕 上記〔１２〕から〔１４〕の何れか１項において、前記第１面と前記第３面とが平面にて形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔１９〕 上記〔１２〕から〔１８〕の何れか１項において、前記第１面と前記第３面との任意の場所における合成のパワーをφ_t1とする場合、
−０．5 ≦φ_t1≦０．5 （１／ｍｍ） ・・・（３）
を満たすことを特徴とする像観察装置。

〔２０〕 上記〔１２〕から〔１９〕の何れか１項において、前記プリズム部材は、前記像形成手段によって形成された像の観察時及び前記外界像の観察時の何れの観察においても同じ位置に固定されているように形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔２１〕 上記〔２０〕において、前記第１面と前記第３面を通して、部分領域別に前記像形成手段からの像と外界像を観察可能であることを特徴とする像観察装置。

〔２２〕 上記〔１２〕から〔１９〕の何れか１項において、前記プリズム部材は、前記像形成手段によって形成された像の観察と前記外界像の観察とを切り替える切替手段を有し、前記切替手段は、前記プリズム部材を移動させる機能を有するように形成されていることを特徴とする像観察装置。

〔２３〕 上記〔２２〕において、前記切替手段は、前記像形成手段によって形成された像を観察する際の前記プリズム部材から観察者眼球に到る光路が、前記外界像を観察観察する際の前記プリズム部材から観察者眼球に到る光路と略一致するように前記プリズム部材を移動させることを特徴とする像観察装置。

〔２４〕 上記〔２２〕又は〔２３〕において、前記切替手段は、前記プリズム部材を軸上主光線の光路を含む面に沿った方向に移動可能となるように移動させる構成を有することを特徴とする像観察装置。

〔２５〕 上記〔２２〕又は〔２３〕において、前記切替手段は、前記プリズム部材を観察者の視軸に垂直方向に移動可能となるように移動させる構成を有することを特徴とする像観察装置。

〔２６〕 上記〔２２〕又は〔２３〕において、前記切替手段は、前記プリズム部材を回動可能となるように移動させる構成を有することを特徴とする像観察装置。

〔２７〕 像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、
前記接眼光学系が少なくともプリズム部材を含み、
前記プリズム部材は、その面構成の中、透過又は反射の光学作用を持った光学作用面が少なくとも４つ設けられ、かつ、その４つの光学作用面で囲まれた間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めて構成され、
前記４つの光学作用面は、透過作用と反射作用とを有し観察者眼球側に配置された第１面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ観察者視軸に対して少なくとも偏心あるいは傾いて配置された反射作用を有する第２面と、前記第１面に対して前記媒質を挟んで対向配置されかつ前記第２面に略隣接配置された反射作用を有する第３面と、一方の端部を前記第１面に略隣接させ他方の端部を前記第３面に略近接させるように配置した第４面とからなり、
少なくとも前記第２面又は前記第３面が全反射作用を有するように前記プリズム部材が構成されていると共に、前記全反射作用を有する前記第２面又は前記第３面の全反射作用を生じる領域近傍に観察者の視線を検出する作用を持った視線検出手段を配置したことを特徴とする像観察装置。

〔２８〕 上記〔２７〕において、前記第１面が全反射作用を有するように前記プリズム部材が構成されていることを特徴とする像観察装置。

〔２９〕 上記〔２８〕において、前記視線検出手段は、前記第２面又は前記第３面の全反射領域を通過して観察者の視線を検出する位置に配置されていることを特徴とする像観察装置。

〔３０〕 上記〔２７〕から〔２９〕の何れか１項において、前記観察者眼球を照明する照明手段を有することを特徴とする像観察装置。

〔３１〕 上記〔３０〕において、前記照明手段は赤外光を用いるものであることを特徴とする像観察装置。

〔３２〕 上記〔３１〕において、前記接眼光学系と前記像形成手段と前記視線検出手段とを観察者顔面に保持する作用を持った保持部材を備えていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

〔３３〕 上記〔１０〕、〔１４〕から〔２６〕、〔３２〕の何れか１項において、前記像形成手段と前記接眼光学系を観察者頭部に対して位置決めする位置決め手段を有することを特徴とする像観察装置。

〔３４〕 上記〔１０〕、〔１４〕から〔２６〕、〔３２〕、〔３３〕の何れか１項において、前記像観察装置の少なくとも２組を一定の間隔で支持する支持手段を有することを特徴とする像観察装置。

〔３５〕 上記〔１〕〜〔１０〕及び〔２７〕〜〔３４〕の何れか１項において、前記第２面及び前記第３面とが、光学作用的には別々の面として作用し、かつ、構成的には１つの面にて形成されていることを特徴とするプリズム光学素子又はプリズム部材。

〔３６〕 上記〔３５〕において、前記第２面と前記第３面とを構成する１つの面は、前記第４面に近い領域が第３面として作用し、前記第４面から遠い域が第２面として作用するように構成されていることを特徴とするプリズム光学素子又はプリズム部材。

〔３７〕 上記〔３６〕において、前記第２面と前記第３面とを構成する１つの面は、中央領域が第２面と第３面との両方の作用を兼用するするように構成されていることを特徴とするプリズム光学素子又はプリズム部材。

本発明の実施例１の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例２の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例３の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例４の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 変形例（ａ）と対比しながら本発明（ｂ）の実施例５の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系を説明する断面図である。 本発明の実施例６の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例７の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例８の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例９の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１０の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１１の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１２の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１３の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１４の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１５の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１６の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 本発明の実施例１７の接眼光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の単眼用の光学系の断面図である。 実施例１７のような接眼光学系に視線検出手段を設けた場合の断面図である。 実施例１７のような接眼光学系を電子像観察位置から外界像観察位置へ変換する場合の移動方向と機構を示す図である。 本発明において全反射面により不要光を除去する作用を説明するための図である。 本発明の画像表示装置を片眼装着用構成にした場合の様子を示す図である。 本発明の画像表示装置を両眼装着用構成にした場合の様子を示す図である。 本発明による光学系を結像光学系として利用した場合の構成図である。 本発明による光学系を結像光学系として利用した場合の光学系の構成図である。

符号の説明

１…射出瞳位置（観察者瞳位置）
２…観察者視軸（軸上主光線）
３…接眼光学系の第１面
４…接眼光学系の第２面
５…接眼光学系の第３面
６…接眼光学系の第４面
７…画像表示素子
８…フレネルレンズ
９…視線検出光学系
１０…視線検出器
１１…照明手段
１２…接眼光学系（偏心プリズム）
１３、１４…第２光学素子
１５…観察者眼球
１６…光学フィルター
１７…リニアモーター
１８…光学素子に設けられた突出部
１９…外装部に設けられたガイド（レール）
３１…表示装置本体部
３２…前フレーム
３３…後フレーム
３４…頭頂フレーム
３５…リヤプレート
３６…リヤカバー
３９…スピーカ
４０…ビデオ再生装置
４０ａ…スイッチ、ボリュウム調整部
４１…ケーブル
ＮＣ…コーティング穴
Ｏｂ…撮影光学系
Ｆｉ…ファインダー光学系
Ｃａ…コンパクトカメラ
ＧＦ…前側レンズ群
Ｄ …明るさ絞り
ＤＳ…接眼光学系（本発明）
Ｌｔ…対物光学系
Ｐ …ポロプリズム
Ｏｃ…接眼レンズ

Claims (4)

1. 像形成手段と、前記像形成手段によって形成された像を観察眼球に導く作用を持った接眼光学系とを有する像観察装置において、
   前記接眼光学系が、間を屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）単体媒質で埋めた少なくとも３つの面を備えた面構成を持つプリズム部材を有し、
   前記プリズム部材が、前記像形成手段から射出された光線を内部反射させる作用を持つ２つの全反射面と１つの反射面を少なくとも備え、
   前記２つの全反射面のうちの一方の全反射面は、前記プリズム部材の単体媒質の観察者側に配置され、かつ、その全反射面は、前記プリズム部材の内部反射によって生じる収差を補正する作用を持った曲面形状に形成され、さらに、
   前記２つの全反射面のうちの他方の全反射面は、前記一方の全反射面と対向する位置に配置され、前記一方の全反射面と該他方の全反射面の２つの面を通して外界観察を行うことができるように、前記２つの全反射面の配置が、前記単体媒質を挟んで外界を観察するときに発生する歪みを低下させるような対向配置となっており、
   前記他方の全反射面と同じ側の異なる位置であって、前記一方の全反射面と対向する位置に、前記反射面が配置され、
   前記像形成手段によって形成された像の観察は、少なくとも前記２つの全反射面と前記反射面を介して行われ、
   前記プリズム部材に、前記像形成手段によって形成された像の観察と前記外界像の観察とを切り替える切替手段を設け、
   前記接眼光学系の射出瞳を光学系の原点として、光軸を前記画像形成手段の中心と前記射出瞳の中心（原点）とを通る光線で定義したとき、前記切替手段は、前記光軸を含む面に沿った方向に前記プリズム部材を移動させる機能を有するように形成されていることを特徴とする像観察装置。
2. 請求項１において、前記切替手段は、前記像形成手段によって形成された像を観察する際の前記プリズム部材から観察者眼球に到る光路が、前記外界像を観察する際の前記プリズム部材から観察者眼球に到る光路と略一致するように、前記プリズム部材を移動させることを特徴とする像観察装置。
3. 請求項１又は２において、前記切替手段は、前記プリズム部材を観察者の視軸に垂直方向に移動可能となるように移動させる構成を有することを特徴とする像観察装置。
4. 請求項１又は２において、前記切替手段は、前記プリズム部材を回動可能となるように移動させる構成を有することを特徴とする像観察装置。

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