JP4583625B2 - 画像表示装置 - 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とする頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者等は、３つの光学面からなり、その中の第３面から画像表示素子からの表示光を入射させ、第１面で第３面から入射した表示光を全反射させ、第２面でその反射光を裏面反射させ、その反射光を今度は第１面で屈折させて射出する偏心プリズムを用いた画像表示装置に関して多くの提案をしている。
【０００３】
その中、特開平１０−７５４０７号においては、そのような偏心プリズムの観察者の瞳を配置する射出瞳側に両面共回転非対称な面からなるレンズを配置するものが提案されている。なお、このレンズは、上記偏心プリズムを通して外界をシースルーするときの収差補正を行うために配置されたものである。
【０００４】
また、特開平１１−１９４２９５号においては、そのような偏心プリズムの射出瞳側に、画像表示素子の画素を目立たなくするローパスフィルターを配置したものが提案されている。
【０００５】
また、特開平２０００−１００４２においては、そのような偏心プリズムの射出瞳側に、表示像を拡大する拡大レンズを配置するものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−７５４０７号のように、上記のような偏心プリズムの射出瞳側に両面共回転非対称な面からなるレンズを配置したものの場合、両者の組み立て誤差により大きな偏心収差が発生しやすく、その偏心プリズムの射出瞳側に特開平１１−１９４２９５号のようなローパスフィルターをさらに組み合わせた場合、偏心収差がより顕著になってしまう。
【０００７】
また、特開平１０−７５４０７号のように、偏心プリズムの射出瞳側にレンズを配置するものにおいて、特開平２０００−１００４２のように、そのレンズにより表示像を拡大させる場合、そのレンズのパワーを大きくせざるを得ない。すると、画像表示素子と偏心プリズムの間にローパスフィルターを配置するスペースがなくなるので、画像表示素子の画素を目立たなくするためのローパスフィルターは特開平１１−１９４２９５号のように偏心プリズムの射出瞳側に配置せざるを得ない。その場合も、上記と同様に、組み立て誤差に偏心収差が顕著になってしまう。
【０００８】
なお、特開平２０００−１００４２のように、拡大レンズとして両面回転対称なレンズを用いることも考えられるが、偏心プリズムで発生する偏心収差を必ずしも十分には補正できない。したがって、特開平１０−７５４０７号のように、拡大レンズの少なくとも１面に回転非対称面を用いる必要があるが、上記のように、ローパスフィルターをさらに組み合わせた場合、偏心収差がより顕著になってしまう。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏心プリズムを観察光学系として用いる画像表示装置において、ローパスフィルターを配置しても組み立て誤差等による偏心収差の悪化が少ない構成を提供することである。
【００１０】
【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画像表示装置は、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターが設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
以下、本発明において上記構成をとった理由と作用を説明する。
【００１２】
少なくとも３つの面を持ち、その少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、観察者眼球から画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、第１面で屈折され、第２面で内部反射され、第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、第１面から第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムの第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に、少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズを配備し、その正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、その正レンズの少なくとも１つの対称面はその偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなるようにすることで、観察画角を大きくし、観察者により大きい画面を画面の隅々までクリアーな画像として観察可能にすることができる。
【００１３】
上記のような偏心プリズムだけで観察光学系を構成する場合に比べて、偏心プリズムの他に正レンズを光路中に配備することで、観察光学系の焦点距離をより短くすることができるため、観察画角が大きくなる。
【００１４】
観察光学系の焦点距離をｆ、画像表示素子の高さをＹ、観察画角をωとすると、
ω／２＝ｔａｎ-1（Ｙ／ｆ）
で与えられる。したがって、焦点距離ｆが短くなると観察画角ωは大きくなり、観察者により大きい画像を呈示することが可能となる。
【００１５】
そして、本発明に基づいて、その正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターを設ける。
【００１６】
すなわち、画像表示素子の画素を目立たなくする光学的ローパスフィルターとして異なる回折次数光の間で画素ずらしを行わせる回折型のローパスフィルターを用い、それを観察画角拡大用の正レンズのレンズ面と一体化して、組み立て誤差による偏心収差の発生を抑止するものである。
【００１７】
なお、この正レンズは、正の単レンズに限られず、全体のパワーが正の接合レンズや、負レンズを含み全体として正のパワーの正レンズ群も含むものとする。
【００１８】
部品点数の削減に着目し、小型、軽量、安価を目的とする場合は、正の単レンズが望ましい。
【００１９】
また、収差性能の向上及び組立時の工数削減や生産性向上の両面のバランスに着目すれば、接合レンズが望ましい。この場合、光学的ローパスフィルターは負レンズ側の面に設けても、接合型の正レンズの１面に設けてもよい。
【００２０】
さらに、より高い収差性能を目的とする場合は、複数のレンズからなり、全体として正パワーの正レンズ群として構成することが望ましい。この場合、正レンズ群のどのレンズ面に光学的ローパスフィルターを設けてもよい。
【００２１】
図６は、本発明による画像表示装置を両眼用に構成した場合であって観察者に装着した状態を上から見た平面図である。図中、１０が偏心プリズム、２０が正レンズ、３０が画像表示素子であり、４０が筐体であり、左右の眼ＥＬ、ＥＲ用の各要素を符号の後にＬ、Ｒを付与して区別する。そして左右の眼ＥＬ、ＥＲの視軸を２Ｌ、２Ｒとし、その視軸２Ｌ、２Ｒは左右の光学系の射出光軸に一致する。したがって、左右の光学系の光軸も２Ｌ、２Ｒとする。また、座標は、Ｘ軸を右眼ＥＲから左眼ＥＬの方向に向かう水平方向とし、Ｚ軸を左右の眼ＥＬ、ＥＲから出る視軸２Ｌ、２Ｒの方向とする。したがって、図６の平面はＸ−Ｚ面である。
【００２２】
このような構成において、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの回転非対称面は２つ以下の対称面を有し、その正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１つの対称面は偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを構成する面の少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一とすることが重要である。このように、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１面を回転非対称面にすることによって、偏心した面で構成された偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒで補正し切れない残存収差を補正することが可能となる。
【００２３】
また、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１つの対称面を偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの少なくとも１つの回転非対称面の唯一の対称面とすることで、画像表示素子３０Ｌ、３０Ｒの画像の水平又は垂直の基準軸に対して対称な光学系となる。そのため、観察光学系は水平又は垂直方向に対して対称な光学性能を有することになり、収差補正を行うために有利な系となる。
【００２４】
正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの対称面と偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの対称面が一致していない場合には、２つの光学素子の光学面がずれているために互いの素子の偏心による収差が発生する。そのため、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒ、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒ共にさらに複雑な収差補正のために負担が大きくなり、高い光学性能を維持することが困難となる。
【００２５】
また、画像表示素子３０Ｌ、３０Ｒの中心から出た光は、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの基準軸上を透過又は反射し、さらに、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの対称面上を介して観察者眼球ＥＬ、ＥＲに到達する。したがって、観察者眼球に入射される観察光学系の光軸と観察者視軸は略一致するため、光軸ずれがなく安定した画像を観察できる。
【００２６】
正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの対称面と偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの対称面が一致していない場合には、光軸と観察者視軸が１平面内にないものとなり、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒと正レンズ２０Ｌ、２０Ｒを互いにシフト又はチルトさせることで光軸と視軸を一致させる必要がある。そのため、偏心収差が生じ、偏心収差補正を行う必要が生じる結果、光学系全体に偏心収差補正の負担がかかり、十分な観察画角を得ることができない。
【００２７】
また、視軸（光軸）２Ｌ、２Ｒと正レンズ２０Ｌ、２０Ｒのパワーを有する面の中心を一致させることが重要である。正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの中心が視軸２Ｌ、２Ｒと一致していることで、観察画面の中心が視野の中心となり観察しやすい光学系となる。さらに、画面中心が光学系の中心となり、水平、垂直方向それぞれにおいて対称な広がりを持つ。したがって、中心から周辺になるに従って水平、垂直それぞれに光学性能は略対称な変化を示し、自然な観察像を呈示することができる。一般に、光学性能は像高に相当する画面の広がりが大きい程収差が大きくなる傾向にある。それは、本発明の偏心系においても同様であり、収差が非対称になると観察者は不自然に感じ、不快な印象を与える。
【００２８】
ところで、図６の場合は、正レンズ２０Ｌ、２０ＲはＸ−Ｚ面内において偏心することなく、かつ、Ｘ−Ｚ面内において左右対称な形状を有する場合の図であるが、このような場合には、左右の光学素子１０Ｌ、２０Ｌ、１０Ｒ、２０Ｒは観察者の中心の面に対称であるため、左の正レンズ２０Ｌと右の正レンズ２０Ｒは全く同じものを用いればよい。
【００２９】
また、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒが２つの対称面を有している場合で、Ｘ−Ｚ面内において傾いている場合、つまり、観察者の上方から見て正レンズ２０Ｌ、２０Ｒが図７のように傾いて配備されているとき、例えば左眼用の正レンズ２０Ｌの鼻側（内側）と耳側（外側）では、軸外光線の観察光束が正レンズ２０Ｌを通過する距離が異なる。したがって、同じ部品を左右に同様に配備しただけでは、左右眼用の光学系の対称性が失われ、左右の観察像が異なることになる。したがって、この場合には、左の正レンズ２０Ｌを視軸２Ｌの周りで１８０°回転して右眼用に配備することで、左右の光学系１０Ｌ、２０Ｌ、１０Ｒ、２０Ｒの対称性が保たれる。したがって、同一の正レンズ２０Ｌ、２０Ｒによって左右眼ＥＬ、ＥＲそれぞれに使用することができるため、コストを大幅に削減することができる。
【００３０】
図８（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図６、図７と同様の図である。図８（ａ）のように、各正レンズ２０Ｌ、２０ＲがＸ−Ｚ面内において偏心していない場合、観察者の側面側からの外来光が正レンズ２０Ｌ、２０Ｒ（図の場合は正レンズ２０Ｌのみについて示してある。）の観察者側の面で反射し、観察者眼球ＥＬ、ＥＲに到達し、ゴーストとなる。そこで、図８（ｂ）のように、各正レンズ２０Ｌ、２０ＲがＸ−Ｚ面内において傾いて配備されていると（Ｙ軸の周りで回転していると）、観察者の側面側からの外来光は正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの観察者側の面が傾いているため、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒ（図の場合は正レンズ２０Ｌのみについて示してある。）の観察者側の面で反射した光は観察者鼻側に反射するため、観察者眼球に到達するおそれが少なくなり、ゴーストの低減ができる。Ｘ軸の周りで回転していても、同様の効果が得られる。
【００３１】
ところで、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１面は自由曲面形状であることが望ましい。
【００３２】
ここで、回転非対称面として、本発明で使用する自由曲面とは以下の式で定義されるものである。この定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００３６】
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、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。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。
【００３７】
また、上記の回転非対称な曲面形状の面である自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式により定義できる。この面の形状は以下の式（ｂ）により定義する。その定義式（ｂ）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、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。
【００３８】
ただし、Ｄm （ｍは２以上の整数）は係数である。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 、Ｄ10，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００３９】
上記定義式は、回転非対称面の例示のために示したものであり、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。
【００４０】
このように、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１面に自由曲面形状を用いることで、偏心プリズムで補正し切れないで残っている偏心収差を非常に良好に補正することが可能になる。
【００４１】
また、逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、軸上主光線が偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、正レンズの少なくとも１面はＹ−Ｚ面内において非対称な形状あるいは対称な形状を有するようにすることができる。
【００４２】
さらに、正レンズの少なくとも１面はＸ−Ｚ面内において対称な形状を有するようにすることができる。
【００４３】
また、正レンズの少なくとも１面はアナモフィック非球面であるようにすることができる。
【００４４】
なお、後記の実施例のように、正レンズの１面を平面で構成してもよい。
【００４５】
ところで、正レンズの１面に設ける回折型の光学的ローパスフィルターとしては、１次元回折格子からなるものを用いてもよいが、２次元回折格子からなるものを用いることが望ましい。
【００４６】
図９〜図１１は、本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの例を示す図であり、各図の（ａ）は平面図、（ｂ）は図（ａ）の上下方向の断面図（ただし、図１０においては、穴に沿った断面を上下方向へ投影した図）、（ｃ）は図（ａ）の左右方向の断面図であり、図９は、四角柱（正方形、長方形、平行四辺形、菱形）が２次元方向へアレー状に並んでいる形態であり、図１０は、四角形（正方形、長方形、平行四辺形、菱形）又は円形（円形、楕円形）の穴が２次元方向へアレー状に並んでいる形態であり、後記の全ての実施例においてこの形態の光学的ローパスフィルターを用いており、また、図１１は、円柱又は楕円柱が２次元方向へアレー状に並んでいる形態である。なお、図９、図１０では、位相部の断面形状（図の（ｂ）、（ｃ））が矩形となっているが、その矩形を研磨又はエッチングすることで肩の部分を落とした形状、サイン形状、台形形状でも、同様の光学的ローパスフィルター効果を示す。図１１の場合は、さらには半円状でも可能である。
【００４７】
また、回折型の光学的ローパスフィルターは正レンズ（単レンズに限らず、接合レンズあるいは複数のレンズからなる正レンズ群も含む）の１面のみに設けることに限らず、その２面以上に設けてもよい。その場合、例えは１枚の正レンズの第１面と第２面の両方に１次元回折格子を設け、各１次元回折格子の格子の向きを相互に交差させることにより、２次元回折格子の作用を得るように構成してもよい。また、２次元回折格子を２面以上設けてもよいし、２次元回折格子と１次元回折格子とを別々のレンズ面に設けてもよい。
【００４８】
また、上記の正レンズの少なくとも１面には、保護コーティングを施すことが望ましい。
【００４９】
また、上記の正レンズの少なくとも１面には、反射防止コーティングを施すことが望ましい。
【００５０】
また、上記の正レンズの２面を互いに傾いて配置してもよい。
【００５１】
また、上記の正レンズの２面の面の中心を互いにシフトして配置してもよい。
【００５２】
また、その正レンズが画像表示装置の射出窓を兼ねるようにすることが望ましい。
【００５３】
さて、正レンズと偏心プリズムの第１面（最も正レンズに近接した面）との空気間隔の最小値をＡＧとしたとき、
０．１＜ＡＧ＜１０ （ｍｍ） ・・・（１）
を満たすように配置することが望ましい。
【００５４】
上記の条件式（１）の下限の０．１（ｍｍ）以下では、正レンズと偏心プリズムが干渉する恐れがある。上限の１０（ｍｍ）以上では、偏心プリズムと正レンズの間隔が大きくなりすぎ、装置が大型化してしまう。
【００５５】
さらに好ましくは、上記条件式（１）は、
０．１＜ＡＧ＜５ （ｍｍ） ・・・（１−１）
を満たすことが望ましい。
【００５６】
この条件式（１）に関して、後記の実施例１〜５のＡＧの値は次の通りである。
【００５７】
【００５８】
次に、正レンズの偏心プリズム側の面の逆光線追跡での正レンズの第１面の面中心における法線と軸上主光線とのなす角度をφとした場合、
−２０°＜φ＜４０° ・・・（２）
を満たすことが望ましい。ただし、角度φの符号は、上記軸上主光線に対する正レンズの偏心プリズム側の面の法線が反時計回りの場合を正とする。
【００５９】
上記の条件式（２）の下限の−２０°以下では、偏心プリズムの第３面側において偏心プリズムと正レンズが干渉する恐れがある。上限の４０°以上では、偏心プリズムの第３面と反対側で偏心プリズムと正レンズが干渉する恐れが生じる。
【００６０】
この条件式（２）に関して、後記の実施例１〜５のφの値は次の通りである。
【００６１】
【００６２】
また、正レンズの焦点距離をＦｒとするとき、
５０＜Ｆｒ＜３５０ （ｍｍ） ・・・（３）
を満たすことが望ましい。
【００６３】
上記の条件式（３）の下限の５０（ｍｍ）以下では、光学系全体の焦点距離が短くなりすぎるため、画像表示素子と光学系が干渉する恐れが生じる。上限の３５０（ｍｍ）以上では、光学系全系の焦点距離は変化が小さく、十分な画角の変化、倍率の変化を得ることができない。
【００６４】
この条件式（３）に関して、後記の実施例１〜５のＦｒ（ｍｍ）の値は次の通りである。
【００６５】
【００６６】
ところで、偏心プリズムの第２面の反射面は、偏心プリズムの主な正のパワーを有しており、観察者に対向した第１面は負のパワーを有し、特にこの面は反射時において大きなパワーを有する。したがって、この偏心プリズムは第２面よりも観察者側に主点位置が存在する。また、正レンズが偏心プリズムと観察者の間に配置されても、光学系全系の主点位置は大きな変化を与えない。つまり、正レンズの位置が光学系全系の主点位置の近くに配備される。その場合、偏心プリズムの第２面から正レンズの偏心プリズム側の面までの逆光線追跡での正レンズの第１面に入射する軸上主光線に沿った空気換算長をＤｂとすると、Ｄｂは短い方が観察光学系のアイリリーフを長いものにすることができ、観察者にとって使いやすい装置にすることができる。観察光学系全系の焦点距離をＦとするとき、
０．２＜Ｄｂ／Ｆ＜０．５５ （ｍｍ） ・・・（４）
を満たすことが望ましい。
【００６７】
上記の条件式（４）の下限の０．２（ｍｍ）以下では、Ｄｂが短すぎ、偏心プリズムと正レンズが干渉するか、又は、偏心プリズムの肉厚が薄くなりすぎ、十分な観察画角を確保することが困難となる。上限の０．５５（ｍｍ）以上では、焦点距離に対してＤｂが長くなるため、偏心プリズム自体が大型化してしまう。
【００６８】
この条件式（４）に関して、後記の実施例１〜５のＤｂ／Ｆの値は次の通りである。
【００６９】
【００７０】
ところで、正レンズの１面に設ける回折型の光学的ローパスフィルターは、回折格子の格子ピッチと画像表示素子から光学的ローパスフィルターの距離によって光学的ローパスフィルターのレスポンス関数の周期が決まるが、本発明の場合、偏心プリズムの第２面の反射面は偏心プリズムの主な正のパワーを有している。また、観察者に対向した第１面は負のパワーを有し、特に反射時において大きなパワーを有する。したがって、上記のようにこの偏心プリズムは第２面よりも観察者側に主点位置が存在する。また、正レンズが偏心プリズムと観察者の間に配置されているため、光学系全系の主点位置の近傍に配備され、主点位置に大きな変化を与えない。その場合、全系焦点距離Ｆと光学的ローパスフィルターの回折格子ピッチＰＤとの関係は、
０．００６＜ＰＤ／Ｆ＜０．１５ ・・・（５）
を満たすことが望ましい。
【００７１】
上記の条件式（５）の下限の０．００６以下では、光学的ローパスフィルターの遮断周波数又はレスポンスの極小値与える周波数が小さくなりすぎ、画像表示素子の低周波帯域のレスポンスまでもカットしてしまうため、ボケた画像となる。上限の０．１５以上では、逆に光学的ローパスフィルターの遮断周波数又はレスポンスの極小値与える周波数が大きくなり、光学的ローパスフィルターの効果を得ることが難しい。
【００７２】
この条件式（５）に関して、後記の実施例１〜５のＰＤ／Ｆの値は次の通りである。
【００７３】
【００７４】
ところで、本発明においては、画像表示素子から離れた位置に光学的ローパスフィルターを配備するため、光学的ローパスフィルターの格子ピッチはかなり大きいものになる（実施例においては、０．３から１．２ｍｍの格子ピッチ）。観察者の瞳孔径が２ｍｍから４ｍｍ程度であると考えられる。したがって、瞳孔径を３ｍｍとして、光学的ローパスフィルターの格子は、瞳孔径当たり３／１．２本から３／０．３本であり、この格子自体がムラとなって観察される場合がある。そのムラをあまり感じさせないようにするためには、以下の条件が重要となる。回折型の光学的ローパスフィルターは２次元構造であり、水平方向に回折光を生じる格子の垂直方向からの回転角をθＨ、垂直方向に回折光を生じる格子の水平方向からの回転角をθＶとするとき、
−４０°＜θＨ＜４０° ・・・（６）
−４０°＜θＶ＜３０° ・・・（７）
を満たすことが望ましい。
【００７５】
上記条件式（６）、（７）の範囲を超えると、光学的ローパスフィルターの回折格子の傾きが大きくなり、画像表示素子の画素配列から逸脱した方向になるため、光学的ローパスフィルターの効果を発揮することが困難となる。。
【００７６】
この条件式（６）〜（７）に関して、後記の実施例１〜５のθＨ、θＶの値は次の通りである。
【００７７】
【００７８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の画像表示装置を図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【００７９】
図１〜図５は、それぞれ実施例１〜５の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。逆光線追跡で、何れの実施例も、観察者の瞳が位置すべき射出瞳１と、少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズ２０と、偏心プリズム１０と、画像表示素子３とからなり、正レンズ２０は、射出瞳１側の面（第１面）２１と偏心プリズム１０側の面（第２面）２２とを持ち、偏心プリズム１０は、第１面１１から第３面１３で構成された屈折率が１より大きい透明媒質からなり、その第１面１１は正レンズ２０を経た射出瞳１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。その偏心プリズム１０の第３面１３に面して像面が位置し、その像面に画像表示素子３が配置されている。
【００８０】
これら実施例１〜５の構成パラメータは後記するが、各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線２を、射出瞳１の中心を垂直に通り、画像表示素子３中心に至る光線で定義する。そして、逆光線追跡において、瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１から正レンズ２０に向かう方向をＺ軸正方向とし、偏心プリズム１０内で光軸が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、図１の紙面の表から裏へ向かう方向を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。
【００８１】
偏心面については、光学系の原点の中心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、前記の（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｃ）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。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００８２】
また、各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。
【００８３】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、前記の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
実施例１は、図１にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１は平面、第２面２２はアナモフィック非球面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤ（図１０参照）は、水平方向０．８６ｍｍ、垂直方向０．７５５ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤ（図１０参照）は０．５５、格子高さ（図１０参照）は５５０ｎｍである。
【００８８】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００８９】
実施例２は、図２にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１は平面、第２面２２はアナモフィック非球面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向０．９１５ｍｍ、垂直方向０．８３ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは０．５、格子高さは５７０ｎｍである。
【００９０】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００９１】
実施例３は、図３にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１は平面、第２面２２は回転非対称な自由曲面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向０．８９５ｍｍ、垂直方向０．６９ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは０．６、格子高さは４３０ｎｍである。
【００９２】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００９３】
実施例４は、図４にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１、第２面２２共回転非対称な自由曲面からなり、その第２面２２に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向０．３ｍｍ、垂直方向０．３ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは０．７９、格子高さは５００ｎｍである。
【００９４】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００９５】
実施例５は、図５にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１、第２面２２共回転非対称な自由曲面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向１．２ｍｍ、垂直方向１．０５ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは水平方向０．４、垂直方向０．３７、格子高さは水平方向５４０ｎｍ、垂直方向４３０ｎｍである。
【００９６】
また、偏心プリズム１０の第１面１１、第２面１２、第３面１３は全て回転非対称な自由曲面からなる。
【００９７】
上記のように、実施例１〜３は平面上に光学的ローパスフィルターを設けており、作製しやすいメリットがある。また、実施例４〜５は回転非対称な面上に光学的ローパスフィルターを設けており、この場合は、光学的ローパスフィルターを設ける面でも収差補正の一部を担えるメリットがある。
【００９８】
なお、全ての実施例の観察画角は、水平画角３３°、垂直画角２５°で、画像表示素子３の大きさは１１．２ｍｍ×８．４ｍｍ、瞳径４ｍｍである。
【００９９】
以下に各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＬＰＦ”は光学的ローパスフィルター面をそれぞれ示す。
【０１００】
【０１０１】
【０１０２】
【０１０３】
【０１０４】
【０１０５】
なお、上記実施例は何れも正レンズの一方の面に光学的ローパスフィルターを直接設ける構成をとっているが、本発明においては、さらに以下のような構成を採用してもよい。
【０１０６】
例えば、正レンズを平凸形状に構成し、その平面側に、平板に２次元回折格子を設けたローパスフィルター素子を貼り合わせたものであってもよい。さらに、ローパスフィルター素子の構成を、両面に１次元回折格子を格子の並び方向を交差するように構成し、２次元ローパスフィルター効果を達成するローパスフィルター素子としてもよい。この場合、平凸レンズと両面１次元ローパスフィルター素子とを接合することができないため、接触する（間隔ゼロ）ように配置するとよい。さらに、正レンズから多少離して配置してもよく、その距離Ｓは、
０≦Ｓ≦１０ｍｍ ・・・（８）
の範囲が望ましい。その上限の１０ｍｍを超えると、観察者とのアイリリーフが短くなり、メガネが入るスペースが狭くなり、望ましくない。下限を越えることは物理的に不可能である。
【０１０７】
また、このように分離形態の場合には、正レンズの平面部にも曲率を設け、両凸レンズ形状や正メニスカス形状に構成してもよい。
【０１０８】
さて、以上に説明したような画像表示装置を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。
【０１０９】
片眼に装着する構成にした場合の様子を図１２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１３にそれぞれ示す。また、その状態での断面図を図１４に示す。図１２〜図１４中、１３１は表示装置本体を示し、図１２の場合は観察者の顔面の左眼の前方に、図１３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。
【０１１０】
これらの例においては、表示装置本体１３１の筐体４０中には、図１４に示すように、画像表示素子３０と偏心プリズム１０と正レンズ２０とからなる本発明の画像表示装置が取り付けられ、正レンズ２０の何れかの面に図１０に示したような回折型光学的ローパスフィルターが一体に設けられており、この正レンズ２０が画像表示装置の射出窓を兼ねている。また、偏心プリズム１０の第２面１２（図１〜図５）には半透過ミラーが設けられ、その半透過ミラーを介してシースルー用補償プリズム５０が貼り付けられ、その前方に液晶シャッター６０が配置されている。ここで、シースルー用補償プリズム５０は液晶シャッター６０を通った外界光に対して光学系のパワーが略ゼロになるように設定されているものである。したがって、液晶シャッター６０を閉じて画像表示素子３０に映像を表示することにより電子映像が、液晶シャッター６０を開いて画像表示素子３０の表示を切るか継続することにより、外界像を選択的に又は画像表示素子３０の映像と重畳して観察できるようになっている。
【０１１１】
さて、表示装置本体１３１の支持部材としては、一端を表示装置本体１３１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１３２と、前フレーム１３２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１３３とから（図１２の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム１３３の他端に挟まれるように自らの両端を一方ずつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム１３４とから（図１３の場合）構成されている。
【０１１２】
また、前フレーム１３２における上記の後フレーム１３３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１３５が接合されている。このリヤプレート１３５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカバー１３６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１３の場合）。リヤプレート１３５又はリヤカバー１３６内の観察者の耳に対応する位置にスピーカー１３９が取り付けられている。
【０１１３】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル１４１が表示装置本体１３１から、頭頂フレーム１３４（図１３の場合）、後フレーム１３３、前フレーム１３２、リヤプレート１３５の内部を介してリヤプレート１３５あるいはリヤカバー１３６の後端部より外部に突出している。そして、このケーブル１４１はビデオ再生装置１４０に接続されている。なお、図中、１４０ａはビデオ再生装置１４０のスイッチやボリュウム調整部である。
【０１１４】
なお、ケーブル１４１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。
【０１１５】
以上の本発明の画像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【０１１６】
〔１〕 観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターが設けられていることを特徴とする画像表示装置。
【０１１７】
〔２〕 前記正レンズの少なくとも１面が自由曲面形状であることを特徴とする上記１記載の画像表示装置。
【０１１８】
〔３〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズの少なくとも１面はＹ−Ｚ面内において非対称な形状を有することを特徴とする上記１又は２記載の画像表示装置。
【０１１９】
〔４〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズの少なくとも１面はＹ−Ｚ面内において対称な形状を有することを特徴とする上記１又は２記載の画像表示装置。
【０１２０】
〔５〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズの少なくとも１面はＸ−Ｚ面内において対称な形状を有することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２１】
〔６〕 前記正レンズの少なくとも１面はアナモフィック非球面であることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２２】
〔７〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とするとき、前記正レンズのパワーを有する面の面中心が軸上主光線と一致することを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２３】
〔８〕 前記正レンズの１面は平面であることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２４】
〔９〕 前記光学的ローパスフィルターは、前記正レンズの前記第１面側あるいは前記射出瞳側の面、又は、その両側の面に設けられていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２５】
〔１０〕 前記光学的ローパスフィルターは１次元回折格子からなることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２６】
〔１１〕 前記光学的ローパスフィルターは２次元回折格子からなることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２７】
〔１２〕 前記正レンズの２面に１次元回折格子からなる前記光学的ローパスフィルターが設けられ、その１次元回折格子の格子の向きが相互に交差するように設けられていることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２８】
〔１３〕 前記正レンズの少なくとも１面には保護コーティングが施されていることを特徴とする上記１から１２の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２９】
〔１４〕 前記正レンズの少なくとも１面には反射防止コーティングを施されていることを特徴とする上記１から１２の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３０】
〔１５〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズはＸ軸周りに傾いて配置されていることを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３１】
〔１６〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズはＹ軸周りに傾いて配置されていることを特徴とする上記１から１５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３２】
〔１７〕 前記正レンズの２面は互いに傾いて配置されていることを特徴とする上記１から１６の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３３】
〔１８〕 前記正レンズの２面の面の中心は互いにシフトして配置されていることを特徴とする上記１から１７の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３４】
〔１９〕 前記正レンズは画像表示装置の射出窓を兼ねることを特徴とする上記１から１８の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３５】
〔２０〕 前記正レンズと前記偏心プリズムの第１面との空気間隔の最小値をＡＧとしたとき、
０．１＜ＡＧ＜１０ （ｍｍ） ・・・（１）
を満たすことを特徴とする上記１から１９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３６】
〔２１〕 前記正レンズと前記偏心プリズムの第１面との空気間隔の最小値をＡＧとしたとき、
０．１＜ＡＧ＜５ （ｍｍ） ・・・（１−１）
を満たすことを特徴とする上記２０記載の画像表示装置。
【０１３７】
〔２２〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とするとき、前記正レンズの偏心プリズム側の面の面中心における法線と軸上主光線とのなす角度をφとした場合、
−２０°＜φ＜４０° ・・・（２）
を満たすことを特徴とする上記１から２１の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３８】
〔２３〕 前記正レンズの焦点距離をＦｒとするとき、
５０＜Ｆｒ＜３５０ （ｍｍ） ・・・（３）
を満たすことを特徴とする上記１から２２の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３９】
〔２４〕 前記偏心プリズムの第２面から前記正レンズの偏心プリズム側の面までの逆光線追跡での正レンズの第１面に入射する軸上主光線に沿った空気換算長をＤｂとするとき、
０．２＜Ｄｂ／Ｆ＜０．５５ （ｍｍ） ・・・（４）
を満たすことを特徴とする上記１から２３の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１４０】
〔２５〕 前記回折型の光学的ローパスフィルターの回折格子ピッチをＰＤ、全系の焦点距離をＦとするとき、
０．００６＜ＰＤ／Ｆ＜０．１５ ・・・（５）
を満たすことを特徴とする上記１から２４の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１４１】
〔２６〕 前記回折型の光学的ローパスフィルターは２次元構造であり、水平方向に回折光を生じる格子の垂直方向からの回転角をθＨ、垂直方向に回折光を生じる格子の水平方向からの回転角をθＶとするとき、
−４０°＜θＨ＜４０° ・・・（６）
−４０°＜θＶ＜３０° ・・・（７）
を満たすことを特徴とする上記１から２５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１４２】
〔２７〕 観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズと分離配置された回折型の光学的ローパスフィルター素子が、両面に１次元回折格子を設け、該両面の回折格子の並び方向が相互に交差するように構成され、前記光学的ローパスフィルター素子と前記正レンズとが下記の条件を満足する間隔Ｓで配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【０１４３】
０≦Ｓ≦１０ｍｍ ・・・（８）
【０１４４】
【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、偏心プリズムを観察光学系として用いる画像表示装置において、ローパスフィルターを配置しても組み立て誤差等による偏心収差の悪化が少ない構成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の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図５】本発明の実施例５の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図６】本発明による画像表示装置を両眼用に構成した場合に観察者に装着した状態を上から見た平面図である。
【図７】本発明による画像表示装置を両眼用に構成した場合に両眼の正レンズが傾いて配備されている場合の上から見た平面図である。
【図８】両眼の正レンズを傾いて配備することによりゴーストが低減できる様子を示す図である。
【図９】本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの１例を示す図である。
【図１０】本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの別の例を示す図である。
【図１１】本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの別の例を示す図である。
【図１２】本発明の画像表示装置を片眼装着用に構成した場合の様子を示す図である。
【図１３】本発明の画像表示装置を両眼装着用に構成した場合の様子を示す図である。
【図１４】図１２、図１３の状態での断面図である。
【符号の説明】
ＥＬ…左眼
ＥＲ…右眼
１…射出瞳
２、２Ｌ、２Ｒ…（光軸）視軸
３…画像表示素子
１０、１０Ｌ、１０Ｒ…偏心プリズム
１１…偏心プリズムの第１面
１２…偏心プリズムの第２面
１３…偏心プリズムの第３面
２０、２０Ｌ、２０Ｒ…正レンズ
２１…正レンズの第１面
２２…正レンズの第２面
３０、３０Ｌ、３０Ｒ…画像表示素子
４０…筐体
５０…シースルー用補償プリズム
６０…液晶シャッター
１３１…表示装置本体
１３２…前フレーム
１３３…後フレーム
１３４…頭頂フレーム
１３５…リヤプレート
１３６…リヤカバー
１３９…スピーカー
１４１…ケーブル
１４０…ビデオ再生装置
１４０ａ…ビデオ再生装置のスイッチ、ボリュウム調整部
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能とする頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者等は、３つの光学面からなり、その中の第３面から画像表示素子からの表示光を入射させ、第１面で第３面から入射した表示光を全反射させ、第２面でその反射光を裏面反射させ、その反射光を今度は第１面で屈折させて射出する偏心プリズムを用いた画像表示装置に関して多くの提案をしている。
【０００３】
その中、特開平１０−７５４０７号においては、そのような偏心プリズムの観察者の瞳を配置する射出瞳側に両面共回転非対称な面からなるレンズを配置するものが提案されている。なお、このレンズは、上記偏心プリズムを通して外界をシースルーするときの収差補正を行うために配置されたものである。
【０００４】
また、特開平１１−１９４２９５号においては、そのような偏心プリズムの射出瞳側に、画像表示素子の画素を目立たなくするローパスフィルターを配置したものが提案されている。
【０００５】
また、特開平２０００−１００４２においては、そのような偏心プリズムの射出瞳側に、表示像を拡大する拡大レンズを配置するものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−７５４０７号のように、上記のような偏心プリズムの射出瞳側に両面共回転非対称な面からなるレンズを配置したものの場合、両者の組み立て誤差により大きな偏心収差が発生しやすく、その偏心プリズムの射出瞳側に特開平１１−１９４２９５号のようなローパスフィルターをさらに組み合わせた場合、偏心収差がより顕著になってしまう。
【０００７】
また、特開平１０−７５４０７号のように、偏心プリズムの射出瞳側にレンズを配置するものにおいて、特開平２０００−１００４２のように、そのレンズにより表示像を拡大させる場合、そのレンズのパワーを大きくせざるを得ない。すると、画像表示素子と偏心プリズムの間にローパスフィルターを配置するスペースがなくなるので、画像表示素子の画素を目立たなくするためのローパスフィルターは特開平１１−１９４２９５号のように偏心プリズムの射出瞳側に配置せざるを得ない。その場合も、上記と同様に、組み立て誤差に偏心収差が顕著になってしまう。
【０００８】
なお、特開平２０００−１００４２のように、拡大レンズとして両面回転対称なレンズを用いることも考えられるが、偏心プリズムで発生する偏心収差を必ずしも十分には補正できない。したがって、特開平１０−７５４０７号のように、拡大レンズの少なくとも１面に回転非対称面を用いる必要があるが、上記のように、ローパスフィルターをさらに組み合わせた場合、偏心収差がより顕著になってしまう。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏心プリズムを観察光学系として用いる画像表示装置において、ローパスフィルターを配置しても組み立て誤差等による偏心収差の悪化が少ない構成を提供することである。
【００１０】
【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画像表示装置は、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターが設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
以下、本発明において上記構成をとった理由と作用を説明する。
【００１２】
少なくとも３つの面を持ち、その少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、観察者眼球から画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、第１面で屈折され、第２面で内部反射され、第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、第１面から第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムの第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に、少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズを配備し、その正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、その正レンズの少なくとも１つの対称面はその偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなるようにすることで、観察画角を大きくし、観察者により大きい画面を画面の隅々までクリアーな画像として観察可能にすることができる。
【００１３】
上記のような偏心プリズムだけで観察光学系を構成する場合に比べて、偏心プリズムの他に正レンズを光路中に配備することで、観察光学系の焦点距離をより短くすることができるため、観察画角が大きくなる。
【００１４】
観察光学系の焦点距離をｆ、画像表示素子の高さをＹ、観察画角をωとすると、
ω／２＝ｔａｎ-1（Ｙ／ｆ）
で与えられる。したがって、焦点距離ｆが短くなると観察画角ωは大きくなり、観察者により大きい画像を呈示することが可能となる。
【００１５】
そして、本発明に基づいて、その正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターを設ける。
【００１６】
すなわち、画像表示素子の画素を目立たなくする光学的ローパスフィルターとして異なる回折次数光の間で画素ずらしを行わせる回折型のローパスフィルターを用い、それを観察画角拡大用の正レンズのレンズ面と一体化して、組み立て誤差による偏心収差の発生を抑止するものである。
【００１７】
なお、この正レンズは、正の単レンズに限られず、全体のパワーが正の接合レンズや、負レンズを含み全体として正のパワーの正レンズ群も含むものとする。
【００１８】
部品点数の削減に着目し、小型、軽量、安価を目的とする場合は、正の単レンズが望ましい。
【００１９】
また、収差性能の向上及び組立時の工数削減や生産性向上の両面のバランスに着目すれば、接合レンズが望ましい。この場合、光学的ローパスフィルターは負レンズ側の面に設けても、接合型の正レンズの１面に設けてもよい。
【００２０】
さらに、より高い収差性能を目的とする場合は、複数のレンズからなり、全体として正パワーの正レンズ群として構成することが望ましい。この場合、正レンズ群のどのレンズ面に光学的ローパスフィルターを設けてもよい。
【００２１】
図６は、本発明による画像表示装置を両眼用に構成した場合であって観察者に装着した状態を上から見た平面図である。図中、１０が偏心プリズム、２０が正レンズ、３０が画像表示素子であり、４０が筐体であり、左右の眼ＥＬ、ＥＲ用の各要素を符号の後にＬ、Ｒを付与して区別する。そして左右の眼ＥＬ、ＥＲの視軸を２Ｌ、２Ｒとし、その視軸２Ｌ、２Ｒは左右の光学系の射出光軸に一致する。したがって、左右の光学系の光軸も２Ｌ、２Ｒとする。また、座標は、Ｘ軸を右眼ＥＲから左眼ＥＬの方向に向かう水平方向とし、Ｚ軸を左右の眼ＥＬ、ＥＲから出る視軸２Ｌ、２Ｒの方向とする。したがって、図６の平面はＸ−Ｚ面である。
【００２２】
このような構成において、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの回転非対称面は２つ以下の対称面を有し、その正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１つの対称面は偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを構成する面の少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一とすることが重要である。このように、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１面を回転非対称面にすることによって、偏心した面で構成された偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒで補正し切れない残存収差を補正することが可能となる。
【００２３】
また、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１つの対称面を偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの少なくとも１つの回転非対称面の唯一の対称面とすることで、画像表示素子３０Ｌ、３０Ｒの画像の水平又は垂直の基準軸に対して対称な光学系となる。そのため、観察光学系は水平又は垂直方向に対して対称な光学性能を有することになり、収差補正を行うために有利な系となる。
【００２４】
正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの対称面と偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの対称面が一致していない場合には、２つの光学素子の光学面がずれているために互いの素子の偏心による収差が発生する。そのため、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒ、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒ共にさらに複雑な収差補正のために負担が大きくなり、高い光学性能を維持することが困難となる。
【００２５】
また、画像表示素子３０Ｌ、３０Ｒの中心から出た光は、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの基準軸上を透過又は反射し、さらに、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの対称面上を介して観察者眼球ＥＬ、ＥＲに到達する。したがって、観察者眼球に入射される観察光学系の光軸と観察者視軸は略一致するため、光軸ずれがなく安定した画像を観察できる。
【００２６】
正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの対称面と偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの対称面が一致していない場合には、光軸と観察者視軸が１平面内にないものとなり、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒと正レンズ２０Ｌ、２０Ｒを互いにシフト又はチルトさせることで光軸と視軸を一致させる必要がある。そのため、偏心収差が生じ、偏心収差補正を行う必要が生じる結果、光学系全体に偏心収差補正の負担がかかり、十分な観察画角を得ることができない。
【００２７】
また、視軸（光軸）２Ｌ、２Ｒと正レンズ２０Ｌ、２０Ｒのパワーを有する面の中心を一致させることが重要である。正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの中心が視軸２Ｌ、２Ｒと一致していることで、観察画面の中心が視野の中心となり観察しやすい光学系となる。さらに、画面中心が光学系の中心となり、水平、垂直方向それぞれにおいて対称な広がりを持つ。したがって、中心から周辺になるに従って水平、垂直それぞれに光学性能は略対称な変化を示し、自然な観察像を呈示することができる。一般に、光学性能は像高に相当する画面の広がりが大きい程収差が大きくなる傾向にある。それは、本発明の偏心系においても同様であり、収差が非対称になると観察者は不自然に感じ、不快な印象を与える。
【００２８】
ところで、図６の場合は、正レンズ２０Ｌ、２０ＲはＸ−Ｚ面内において偏心することなく、かつ、Ｘ−Ｚ面内において左右対称な形状を有する場合の図であるが、このような場合には、左右の光学素子１０Ｌ、２０Ｌ、１０Ｒ、２０Ｒは観察者の中心の面に対称であるため、左の正レンズ２０Ｌと右の正レンズ２０Ｒは全く同じものを用いればよい。
【００２９】
また、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒが２つの対称面を有している場合で、Ｘ−Ｚ面内において傾いている場合、つまり、観察者の上方から見て正レンズ２０Ｌ、２０Ｒが図７のように傾いて配備されているとき、例えば左眼用の正レンズ２０Ｌの鼻側（内側）と耳側（外側）では、軸外光線の観察光束が正レンズ２０Ｌを通過する距離が異なる。したがって、同じ部品を左右に同様に配備しただけでは、左右眼用の光学系の対称性が失われ、左右の観察像が異なることになる。したがって、この場合には、左の正レンズ２０Ｌを視軸２Ｌの周りで１８０°回転して右眼用に配備することで、左右の光学系１０Ｌ、２０Ｌ、１０Ｒ、２０Ｒの対称性が保たれる。したがって、同一の正レンズ２０Ｌ、２０Ｒによって左右眼ＥＬ、ＥＲそれぞれに使用することができるため、コストを大幅に削減することができる。
【００３０】
図８（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図６、図７と同様の図である。図８（ａ）のように、各正レンズ２０Ｌ、２０ＲがＸ−Ｚ面内において偏心していない場合、観察者の側面側からの外来光が正レンズ２０Ｌ、２０Ｒ（図の場合は正レンズ２０Ｌのみについて示してある。）の観察者側の面で反射し、観察者眼球ＥＬ、ＥＲに到達し、ゴーストとなる。そこで、図８（ｂ）のように、各正レンズ２０Ｌ、２０ＲがＸ−Ｚ面内において傾いて配備されていると（Ｙ軸の周りで回転していると）、観察者の側面側からの外来光は正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの観察者側の面が傾いているため、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒ（図の場合は正レンズ２０Ｌのみについて示してある。）の観察者側の面で反射した光は観察者鼻側に反射するため、観察者眼球に到達するおそれが少なくなり、ゴーストの低減ができる。Ｘ軸の周りで回転していても、同様の効果が得られる。
【００３１】
ところで、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１面は自由曲面形状であることが望ましい。
【００３２】
ここで、回転非対称面として、本発明で使用する自由曲面とは以下の式で定義されるものである。この定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００３３】
【００３４】
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。
【００３５】
自由曲面項は、
【００３６】
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、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。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。
【００３７】
また、上記の回転非対称な曲面形状の面である自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式により定義できる。この面の形状は以下の式（ｂ）により定義する。その定義式（ｂ）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、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。
【００３８】
【００３９】
上記定義式は、回転非対称面の例示のために示したものであり、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。
【００４０】
このように、正レンズ２０Ｌ、２０Ｒの少なくとも１面に自由曲面形状を用いることで、偏心プリズムで補正し切れないで残っている偏心収差を非常に良好に補正することが可能になる。
【００４１】
また、逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、軸上主光線が偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、正レンズの少なくとも１面はＹ−Ｚ面内において非対称な形状あるいは対称な形状を有するようにすることができる。
【００４２】
さらに、正レンズの少なくとも１面はＸ−Ｚ面内において対称な形状を有するようにすることができる。
【００４３】
また、正レンズの少なくとも１面はアナモフィック非球面であるようにすることができる。
【００４４】
なお、後記の実施例のように、正レンズの１面を平面で構成してもよい。
【００４５】
ところで、正レンズの１面に設ける回折型の光学的ローパスフィルターとしては、１次元回折格子からなるものを用いてもよいが、２次元回折格子からなるものを用いることが望ましい。
【００４６】
図９〜図１１は、本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの例を示す図であり、各図の（ａ）は平面図、（ｂ）は図（ａ）の上下方向の断面図（ただし、図１０においては、穴に沿った断面を上下方向へ投影した図）、（ｃ）は図（ａ）の左右方向の断面図であり、図９は、四角柱（正方形、長方形、平行四辺形、菱形）が２次元方向へアレー状に並んでいる形態であり、図１０は、四角形（正方形、長方形、平行四辺形、菱形）又は円形（円形、楕円形）の穴が２次元方向へアレー状に並んでいる形態であり、後記の全ての実施例においてこの形態の光学的ローパスフィルターを用いており、また、図１１は、円柱又は楕円柱が２次元方向へアレー状に並んでいる形態である。なお、図９、図１０では、位相部の断面形状（図の（ｂ）、（ｃ））が矩形となっているが、その矩形を研磨又はエッチングすることで肩の部分を落とした形状、サイン形状、台形形状でも、同様の光学的ローパスフィルター効果を示す。図１１の場合は、さらには半円状でも可能である。
【００４７】
また、回折型の光学的ローパスフィルターは正レンズ（単レンズに限らず、接合レンズあるいは複数のレンズからなる正レンズ群も含む）の１面のみに設けることに限らず、その２面以上に設けてもよい。その場合、例えは１枚の正レンズの第１面と第２面の両方に１次元回折格子を設け、各１次元回折格子の格子の向きを相互に交差させることにより、２次元回折格子の作用を得るように構成してもよい。また、２次元回折格子を２面以上設けてもよいし、２次元回折格子と１次元回折格子とを別々のレンズ面に設けてもよい。
【００４８】
また、上記の正レンズの少なくとも１面には、保護コーティングを施すことが望ましい。
【００４９】
また、上記の正レンズの少なくとも１面には、反射防止コーティングを施すことが望ましい。
【００５０】
また、上記の正レンズの２面を互いに傾いて配置してもよい。
【００５１】
また、上記の正レンズの２面の面の中心を互いにシフトして配置してもよい。
【００５２】
また、その正レンズが画像表示装置の射出窓を兼ねるようにすることが望ましい。
【００５３】
さて、正レンズと偏心プリズムの第１面（最も正レンズに近接した面）との空気間隔の最小値をＡＧとしたとき、
０．１＜ＡＧ＜１０ （ｍｍ） ・・・（１）
を満たすように配置することが望ましい。
【００５４】
上記の条件式（１）の下限の０．１（ｍｍ）以下では、正レンズと偏心プリズムが干渉する恐れがある。上限の１０（ｍｍ）以上では、偏心プリズムと正レンズの間隔が大きくなりすぎ、装置が大型化してしまう。
【００５５】
さらに好ましくは、上記条件式（１）は、
０．１＜ＡＧ＜５ （ｍｍ） ・・・（１−１）
を満たすことが望ましい。
【００５６】
この条件式（１）に関して、後記の実施例１〜５のＡＧの値は次の通りである。
【００５７】
次に、正レンズの偏心プリズム側の面の逆光線追跡での正レンズの第１面の面中心における法線と軸上主光線とのなす角度をφとした場合、
−２０°＜φ＜４０° ・・・（２）
を満たすことが望ましい。ただし、角度φの符号は、上記軸上主光線に対する正レンズの偏心プリズム側の面の法線が反時計回りの場合を正とする。
【００５９】
上記の条件式（２）の下限の−２０°以下では、偏心プリズムの第３面側において偏心プリズムと正レンズが干渉する恐れがある。上限の４０°以上では、偏心プリズムの第３面と反対側で偏心プリズムと正レンズが干渉する恐れが生じる。
【００６０】
この条件式（２）に関して、後記の実施例１〜５のφの値は次の通りである。
【００６１】
また、正レンズの焦点距離をＦｒとするとき、
５０＜Ｆｒ＜３５０ （ｍｍ） ・・・（３）
を満たすことが望ましい。
【００６３】
上記の条件式（３）の下限の５０（ｍｍ）以下では、光学系全体の焦点距離が短くなりすぎるため、画像表示素子と光学系が干渉する恐れが生じる。上限の３５０（ｍｍ）以上では、光学系全系の焦点距離は変化が小さく、十分な画角の変化、倍率の変化を得ることができない。
【００６４】
この条件式（３）に関して、後記の実施例１〜５のＦｒ（ｍｍ）の値は次の通りである。
【００６５】
ところで、偏心プリズムの第２面の反射面は、偏心プリズムの主な正のパワーを有しており、観察者に対向した第１面は負のパワーを有し、特にこの面は反射時において大きなパワーを有する。したがって、この偏心プリズムは第２面よりも観察者側に主点位置が存在する。また、正レンズが偏心プリズムと観察者の間に配置されても、光学系全系の主点位置は大きな変化を与えない。つまり、正レンズの位置が光学系全系の主点位置の近くに配備される。その場合、偏心プリズムの第２面から正レンズの偏心プリズム側の面までの逆光線追跡での正レンズの第１面に入射する軸上主光線に沿った空気換算長をＤｂとすると、Ｄｂは短い方が観察光学系のアイリリーフを長いものにすることができ、観察者にとって使いやすい装置にすることができる。観察光学系全系の焦点距離をＦとするとき、
０．２＜Ｄｂ／Ｆ＜０．５５ （ｍｍ） ・・・（４）
を満たすことが望ましい。
【００６７】
上記の条件式（４）の下限の０．２（ｍｍ）以下では、Ｄｂが短すぎ、偏心プリズムと正レンズが干渉するか、又は、偏心プリズムの肉厚が薄くなりすぎ、十分な観察画角を確保することが困難となる。上限の０．５５（ｍｍ）以上では、焦点距離に対してＤｂが長くなるため、偏心プリズム自体が大型化してしまう。
【００６８】
この条件式（４）に関して、後記の実施例１〜５のＤｂ／Ｆの値は次の通りである。
【００６９】
ところで、正レンズの１面に設ける回折型の光学的ローパスフィルターは、回折格子の格子ピッチと画像表示素子から光学的ローパスフィルターの距離によって光学的ローパスフィルターのレスポンス関数の周期が決まるが、本発明の場合、偏心プリズムの第２面の反射面は偏心プリズムの主な正のパワーを有している。また、観察者に対向した第１面は負のパワーを有し、特に反射時において大きなパワーを有する。したがって、上記のようにこの偏心プリズムは第２面よりも観察者側に主点位置が存在する。また、正レンズが偏心プリズムと観察者の間に配置されているため、光学系全系の主点位置の近傍に配備され、主点位置に大きな変化を与えない。その場合、全系焦点距離Ｆと光学的ローパスフィルターの回折格子ピッチＰＤとの関係は、
０．００６＜ＰＤ／Ｆ＜０．１５ ・・・（５）
を満たすことが望ましい。
【００７１】
上記の条件式（５）の下限の０．００６以下では、光学的ローパスフィルターの遮断周波数又はレスポンスの極小値与える周波数が小さくなりすぎ、画像表示素子の低周波帯域のレスポンスまでもカットしてしまうため、ボケた画像となる。上限の０．１５以上では、逆に光学的ローパスフィルターの遮断周波数又はレスポンスの極小値与える周波数が大きくなり、光学的ローパスフィルターの効果を得ることが難しい。
【００７２】
この条件式（５）に関して、後記の実施例１〜５のＰＤ／Ｆの値は次の通りである。
【００７３】
ところで、本発明においては、画像表示素子から離れた位置に光学的ローパスフィルターを配備するため、光学的ローパスフィルターの格子ピッチはかなり大きいものになる（実施例においては、０．３から１．２ｍｍの格子ピッチ）。観察者の瞳孔径が２ｍｍから４ｍｍ程度であると考えられる。したがって、瞳孔径を３ｍｍとして、光学的ローパスフィルターの格子は、瞳孔径当たり３／１．２本から３／０．３本であり、この格子自体がムラとなって観察される場合がある。そのムラをあまり感じさせないようにするためには、以下の条件が重要となる。回折型の光学的ローパスフィルターは２次元構造であり、水平方向に回折光を生じる格子の垂直方向からの回転角をθＨ、垂直方向に回折光を生じる格子の水平方向からの回転角をθＶとするとき、
−４０°＜θＨ＜４０° ・・・（６）
−４０°＜θＶ＜３０° ・・・（７）
を満たすことが望ましい。
【００７５】
上記条件式（６）、（７）の範囲を超えると、光学的ローパスフィルターの回折格子の傾きが大きくなり、画像表示素子の画素配列から逸脱した方向になるため、光学的ローパスフィルターの効果を発揮することが困難となる。。
【００７６】
この条件式（６）〜（７）に関して、後記の実施例１〜５のθＨ、θＶの値は次の通りである。
【００７７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の画像表示装置を図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【００７９】
図１〜図５は、それぞれ実施例１〜５の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。逆光線追跡で、何れの実施例も、観察者の瞳が位置すべき射出瞳１と、少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズ２０と、偏心プリズム１０と、画像表示素子３とからなり、正レンズ２０は、射出瞳１側の面（第１面）２１と偏心プリズム１０側の面（第２面）２２とを持ち、偏心プリズム１０は、第１面１１から第３面１３で構成された屈折率が１より大きい透明媒質からなり、その第１面１１は正レンズ２０を経た射出瞳１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。その偏心プリズム１０の第３面１３に面して像面が位置し、その像面に画像表示素子３が配置されている。
【００８０】
これら実施例１〜５の構成パラメータは後記するが、各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線２を、射出瞳１の中心を垂直に通り、画像表示素子３中心に至る光線で定義する。そして、逆光線追跡において、瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１から正レンズ２０に向かう方向をＺ軸正方向とし、偏心プリズム１０内で光軸が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、図１の紙面の表から裏へ向かう方向を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。
【００８１】
偏心面については、光学系の原点の中心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、前記の（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｃ）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。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。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００８２】
また、各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。
【００８３】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、前記の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００８４】
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。
【００８５】
【００８６】
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。
【００８７】
実施例１は、図１にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１は平面、第２面２２はアナモフィック非球面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤ（図１０参照）は、水平方向０．８６ｍｍ、垂直方向０．７５５ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤ（図１０参照）は０．５５、格子高さ（図１０参照）は５５０ｎｍである。
【００８８】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００８９】
実施例２は、図２にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１は平面、第２面２２はアナモフィック非球面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向０．９１５ｍｍ、垂直方向０．８３ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは０．５、格子高さは５７０ｎｍである。
【００９０】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００９１】
実施例３は、図３にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１は平面、第２面２２は回転非対称な自由曲面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向０．８９５ｍｍ、垂直方向０．６９ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは０．６、格子高さは４３０ｎｍである。
【００９２】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００９３】
実施例４は、図４にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１、第２面２２共回転非対称な自由曲面からなり、その第２面２２に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向０．３ｍｍ、垂直方向０．３ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは０．７９、格子高さは５００ｎｍである。
【００９４】
また、偏心プリズム１０の第１面１１は回転対称非球面、第２面１２、第３面１３は回転非対称な自由曲面からなる。
【００９５】
実施例５は、図５にＹ−Ｚ断面図を示す構成であり、正レンズ２０の第１面２１、第２面２２共回転非対称な自由曲面からなり、その第１面２１に２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターが一体に成形されている。その格子ピッチＰＤは、水平方向１．２ｍｍ、垂直方向１．０５ｍｍであり、デューティ比ＩＤ／ＰＤは水平方向０．４、垂直方向０．３７、格子高さは水平方向５４０ｎｍ、垂直方向４３０ｎｍである。
【００９６】
また、偏心プリズム１０の第１面１１、第２面１２、第３面１３は全て回転非対称な自由曲面からなる。
【００９７】
上記のように、実施例１〜３は平面上に光学的ローパスフィルターを設けており、作製しやすいメリットがある。また、実施例４〜５は回転非対称な面上に光学的ローパスフィルターを設けており、この場合は、光学的ローパスフィルターを設ける面でも収差補正の一部を担えるメリットがある。
【００９８】
なお、全ての実施例の観察画角は、水平画角３３°、垂直画角２５°で、画像表示素子３の大きさは１１．２ｍｍ×８．４ｍｍ、瞳径４ｍｍである。
【００９９】
以下に各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＬＰＦ”は光学的ローパスフィルター面をそれぞれ示す。
【０１００】
なお、上記実施例は何れも正レンズの一方の面に光学的ローパスフィルターを直接設ける構成をとっているが、本発明においては、さらに以下のような構成を採用してもよい。
【０１０６】
例えば、正レンズを平凸形状に構成し、その平面側に、平板に２次元回折格子を設けたローパスフィルター素子を貼り合わせたものであってもよい。さらに、ローパスフィルター素子の構成を、両面に１次元回折格子を格子の並び方向を交差するように構成し、２次元ローパスフィルター効果を達成するローパスフィルター素子としてもよい。この場合、平凸レンズと両面１次元ローパスフィルター素子とを接合することができないため、接触する（間隔ゼロ）ように配置するとよい。さらに、正レンズから多少離して配置してもよく、その距離Ｓは、
０≦Ｓ≦１０ｍｍ ・・・（８）
の範囲が望ましい。その上限の１０ｍｍを超えると、観察者とのアイリリーフが短くなり、メガネが入るスペースが狭くなり、望ましくない。下限を越えることは物理的に不可能である。
【０１０７】
また、このように分離形態の場合には、正レンズの平面部にも曲率を設け、両凸レンズ形状や正メニスカス形状に構成してもよい。
【０１０８】
さて、以上に説明したような画像表示装置を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。
【０１０９】
片眼に装着する構成にした場合の様子を図１２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１３にそれぞれ示す。また、その状態での断面図を図１４に示す。図１２〜図１４中、１３１は表示装置本体を示し、図１２の場合は観察者の顔面の左眼の前方に、図１３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。
【０１１０】
これらの例においては、表示装置本体１３１の筐体４０中には、図１４に示すように、画像表示素子３０と偏心プリズム１０と正レンズ２０とからなる本発明の画像表示装置が取り付けられ、正レンズ２０の何れかの面に図１０に示したような回折型光学的ローパスフィルターが一体に設けられており、この正レンズ２０が画像表示装置の射出窓を兼ねている。また、偏心プリズム１０の第２面１２（図１〜図５）には半透過ミラーが設けられ、その半透過ミラーを介してシースルー用補償プリズム５０が貼り付けられ、その前方に液晶シャッター６０が配置されている。ここで、シースルー用補償プリズム５０は液晶シャッター６０を通った外界光に対して光学系のパワーが略ゼロになるように設定されているものである。したがって、液晶シャッター６０を閉じて画像表示素子３０に映像を表示することにより電子映像が、液晶シャッター６０を開いて画像表示素子３０の表示を切るか継続することにより、外界像を選択的に又は画像表示素子３０の映像と重畳して観察できるようになっている。
【０１１１】
さて、表示装置本体１３１の支持部材としては、一端を表示装置本体１３１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１３２と、前フレーム１３２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１３３とから（図１２の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム１３３の他端に挟まれるように自らの両端を一方ずつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム１３４とから（図１３の場合）構成されている。
【０１１２】
また、前フレーム１３２における上記の後フレーム１３３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１３５が接合されている。このリヤプレート１３５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカバー１３６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１３の場合）。リヤプレート１３５又はリヤカバー１３６内の観察者の耳に対応する位置にスピーカー１３９が取り付けられている。
【０１１３】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル１４１が表示装置本体１３１から、頭頂フレーム１３４（図１３の場合）、後フレーム１３３、前フレーム１３２、リヤプレート１３５の内部を介してリヤプレート１３５あるいはリヤカバー１３６の後端部より外部に突出している。そして、このケーブル１４１はビデオ再生装置１４０に接続されている。なお、図中、１４０ａはビデオ再生装置１４０のスイッチやボリュウム調整部である。
【０１１４】
なお、ケーブル１４１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。
【０１１５】
以上の本発明の画像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【０１１６】
〔１〕 観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターが設けられていることを特徴とする画像表示装置。
【０１１７】
〔２〕 前記正レンズの少なくとも１面が自由曲面形状であることを特徴とする上記１記載の画像表示装置。
【０１１８】
〔３〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズの少なくとも１面はＹ−Ｚ面内において非対称な形状を有することを特徴とする上記１又は２記載の画像表示装置。
【０１１９】
〔４〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズの少なくとも１面はＹ−Ｚ面内において対称な形状を有することを特徴とする上記１又は２記載の画像表示装置。
【０１２０】
〔５〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズの少なくとも１面はＸ−Ｚ面内において対称な形状を有することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２１】
〔６〕 前記正レンズの少なくとも１面はアナモフィック非球面であることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２２】
〔７〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とするとき、前記正レンズのパワーを有する面の面中心が軸上主光線と一致することを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２３】
〔８〕 前記正レンズの１面は平面であることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２４】
〔９〕 前記光学的ローパスフィルターは、前記正レンズの前記第１面側あるいは前記射出瞳側の面、又は、その両側の面に設けられていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２５】
〔１０〕 前記光学的ローパスフィルターは１次元回折格子からなることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２６】
〔１１〕 前記光学的ローパスフィルターは２次元回折格子からなることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２７】
〔１２〕 前記正レンズの２面に１次元回折格子からなる前記光学的ローパスフィルターが設けられ、その１次元回折格子の格子の向きが相互に交差するように設けられていることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２８】
〔１３〕 前記正レンズの少なくとも１面には保護コーティングが施されていることを特徴とする上記１から１２の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１２９】
〔１４〕 前記正レンズの少なくとも１面には反射防止コーティングを施されていることを特徴とする上記１から１２の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３０】
〔１５〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズはＸ軸周りに傾いて配置されていることを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３１】
〔１６〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズはＹ軸周りに傾いて配置されていることを特徴とする上記１から１５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３２】
〔１７〕 前記正レンズの２面は互いに傾いて配置されていることを特徴とする上記１から１６の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３３】
〔１８〕 前記正レンズの２面の面の中心は互いにシフトして配置されていることを特徴とする上記１から１７の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３４】
〔１９〕 前記正レンズは画像表示装置の射出窓を兼ねることを特徴とする上記１から１８の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３５】
〔２０〕 前記正レンズと前記偏心プリズムの第１面との空気間隔の最小値をＡＧとしたとき、
０．１＜ＡＧ＜１０ （ｍｍ） ・・・（１）
を満たすことを特徴とする上記１から１９の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３６】
〔２１〕 前記正レンズと前記偏心プリズムの第１面との空気間隔の最小値をＡＧとしたとき、
０．１＜ＡＧ＜５ （ｍｍ） ・・・（１−１）
を満たすことを特徴とする上記２０記載の画像表示装置。
【０１３７】
〔２２〕 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とするとき、前記正レンズの偏心プリズム側の面の面中心における法線と軸上主光線とのなす角度をφとした場合、
−２０°＜φ＜４０° ・・・（２）
を満たすことを特徴とする上記１から２１の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３８】
〔２３〕 前記正レンズの焦点距離をＦｒとするとき、
５０＜Ｆｒ＜３５０ （ｍｍ） ・・・（３）
を満たすことを特徴とする上記１から２２の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１３９】
〔２４〕 前記偏心プリズムの第２面から前記正レンズの偏心プリズム側の面までの逆光線追跡での正レンズの第１面に入射する軸上主光線に沿った空気換算長をＤｂとするとき、
０．２＜Ｄｂ／Ｆ＜０．５５ （ｍｍ） ・・・（４）
を満たすことを特徴とする上記１から２３の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１４０】
〔２５〕 前記回折型の光学的ローパスフィルターの回折格子ピッチをＰＤ、全系の焦点距離をＦとするとき、
０．００６＜ＰＤ／Ｆ＜０．１５ ・・・（５）
を満たすことを特徴とする上記１から２４の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１４１】
〔２６〕 前記回折型の光学的ローパスフィルターは２次元構造であり、水平方向に回折光を生じる格子の垂直方向からの回転角をθＨ、垂直方向に回折光を生じる格子の水平方向からの回転角をθＶとするとき、
−４０°＜θＨ＜４０° ・・・（６）
−４０°＜θＶ＜３０° ・・・（７）
を満たすことを特徴とする上記１から２５の何れか１項記載の画像表示装置。
【０１４２】
〔２７〕 観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズと分離配置された回折型の光学的ローパスフィルター素子が、両面に１次元回折格子を設け、該両面の回折格子の並び方向が相互に交差するように構成され、前記光学的ローパスフィルター素子と前記正レンズとが下記の条件を満足する間隔Ｓで配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【０１４３】
０≦Ｓ≦１０ｍｍ ・・・（８）
【０１４４】
【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、偏心プリズムを観察光学系として用いる画像表示装置において、ローパスフィルターを配置しても組み立て誤差等による偏心収差の悪化が少ない構成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の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図５】本発明の実施例５の画像表示装置の光学系の構成を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図６】本発明による画像表示装置を両眼用に構成した場合に観察者に装着した状態を上から見た平面図である。
【図７】本発明による画像表示装置を両眼用に構成した場合に両眼の正レンズが傾いて配備されている場合の上から見た平面図である。
【図８】両眼の正レンズを傾いて配備することによりゴーストが低減できる様子を示す図である。
【図９】本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの１例を示す図である。
【図１０】本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの別の例を示す図である。
【図１１】本発明において使用できる２次元回折格子からなる光学的ローパスフィルターの別の例を示す図である。
【図１２】本発明の画像表示装置を片眼装着用に構成した場合の様子を示す図である。
【図１３】本発明の画像表示装置を両眼装着用に構成した場合の様子を示す図である。
【図１４】図１２、図１３の状態での断面図である。
【符号の説明】
ＥＬ…左眼
ＥＲ…右眼
１…射出瞳
２、２Ｌ、２Ｒ…（光軸）視軸
３…画像表示素子
１０、１０Ｌ、１０Ｒ…偏心プリズム
１１…偏心プリズムの第１面
１２…偏心プリズムの第２面
１３…偏心プリズムの第３面
２０、２０Ｌ、２０Ｒ…正レンズ
２１…正レンズの第１面
２２…正レンズの第２面
３０、３０Ｌ、３０Ｒ…画像表示素子
４０…筐体
５０…シースルー用補償プリズム
６０…液晶シャッター
１３１…表示装置本体
１３２…前フレーム
１３３…後フレーム
１３４…頭頂フレーム
１３５…リヤプレート
１３６…リヤカバー
１３９…スピーカー
１４１…ケーブル
１４０…ビデオ再生装置
１４０ａ…ビデオ再生装置のスイッチ、ボリュウム調整部
Claims (5)
- 観察者が観察する画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子によって形成された画像を観察者眼球に投影する観察光学系とを備えた画像表示装置において、
前記観察光学系は、少なくとも３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形成される空間は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、前記観察者眼球から前記画像表示素子に到る逆光線追跡の順に、屈折面でかつ内部反射面である第１面、前記第１面に対向し、光軸に対して偏心するかあるいは傾いて配置された正のパワーを有する反射面である第２面、前記第１面で屈折され、前記第２面で内部反射され、前記第１面で内部反射された光線を屈折する屈折面である第３面を備え、前記第１面から前記第３面の少なくとも１面は回転非対称な曲面形状にて構成された偏心プリズムを備えており、
前記偏心プリズムの前記第１面と観察者眼球が位置すべき射出瞳の間に少なくとも１面の回転非対称面を有する正レンズが配備され、前記正レンズの回転非対称面は２以下の対称面を有し、前記正レンズの少なくとも１つの対称面は前記偏心プリズムを構成する少なくとも１面の回転非対称面の唯一の対称面と同一の面からなり、
さらに、前記正レンズの少なくとも１面に、回折型の光学的ローパスフィルターが設けられていることを特徴とする画像表示装置。 - 前記光学的ローパスフィルターは２次元回折格子からなることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
- 逆光線追跡で観察光学系の射出瞳中心を通り画像表示素子の表示中心に到る光線を軸上主光線とし、前記軸上主光線が前記偏心プリズムで折り曲げられる平面をＹ−Ｚ面とし、射出瞳から前記正レンズに向かう軸上主光線の方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交し光学系の偏心方向をＹ軸方向、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするとき、前記正レンズはＸ軸周りに傾いて配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の画像表示装置。
- 前記回折型の光学的ローパスフィルターの回折格子ピッチをＰＤ、全系の焦点距離をＦとするとき、
０．００６＜ＰＤ／Ｆ＜０．１５ ・・・（５）
を満たすことを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の画像表示装置。 - 前記回折型の光学的ローパスフィルターは２次元構造であり、水平方向に回折光を生じる格子の垂直方向からの回転角をθＨ、垂直方向に回折光を生じる格子の水平方向からの回転角をθＶとするとき、
−４０°＜θＨ＜４０° ・・・（６）
−４０°＜θＶ＜３０° ・・・（７）
を満たすことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の画像表示装置。
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| JP2000010042A (ja) * | 1998-06-19 | 2000-01-14 | Canon Inc | 画像観察装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002244075A (ja) | 2002-08-28 |
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