JP4667655B2 - 光学素子及びそれを用いた光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及びそれを用いた光学装置に関し、特に、接眼光学系に自由曲面とフレネル反射面を用いて歪みや諸収差の少ない表示装置であって、持ち歩ける小型の表示装置に使用する光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示装置としては、携帯電話や携帯端末として直視型の液晶表示装置が多く用いられていた。しかし、画素数の多い高精細な表示や動画像を表示するには、表示速度が速く高価なアクティブ・マトリックス液晶を使う必要があり、表示装置が高価になる問題があった。また、消費電力も大きく、長時間の表示を行うためには大きな容量を持った電池を必要とし、大きく重い電池を必要とした。さらに、表示内容を周りの人から覗かれる心配があった。
【０００３】
一方、小型の表示素子を用いて光学系により拡大表示するのもとして、特開昭４８−１０２５２７号のものや、本出願人よる特開平５−３０３０５４号のものがある。これらは、表示装置を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものである。特に、後者は、非回転対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るものである。しかし、表示素子に必要とされる大きさが比較的大きいものが必要であり、直視型の表示装置に比べて特に小型の表示素子が使える訳ではなく、当初の目的を達成することはできない。
【０００４】
次に、本発明人による特開平５−３０３０５５号、特開２０００−２２１４４０に示される投影光学系により、表示素子の映像を空中に１回投影し、その像を凹面鏡によりさらに拡大表示する方法が提案されている。装置としては、特開平７−２７０７８１号、特開平９−１３９９０１号のものがある。
【０００５】
また、米国特許第５，２７４，４０６号には、偏心配置の投影レンズを用いて画像をスクリーンに投影する場合に、像の歪み、焦点外れを補正するために偏心配置の自由曲面及びそのフレネル面からなる反射面を用いることが提案されている。
【０００６】
また、米国特許第４，００６，９７１号には、カメラのファインダー系に用いられるフレネル反射面あるいはフレネル屈折面であって、フレネル面を楕円面か構成することにより非点収差、コマ収差を補正したものが提案されている。
【０００７】
さらに、特開平７−１０４２０９号においては、頭部装着型の表示装置の接眼光学系を構成するミラーを回転非対称なパワー持つものとし、その接眼光学系のミラーを微小なミラーの集合体から構成するものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の表示素子を直接凹面鏡等で拡大するタイプは、表示素子としてある程度大きなものを使用せざるを得ず、小型の表示装置を構成することはできなかった。また、表示素子の映像を空中に１回投影する方式の場合は小型の表示素子を用いることが可能であり、安価に大きい画面の表示を観察することが可能な光学系であるが、接眼光学系の射出瞳位置が短く、頭部直前に接眼光学系を配置する必要があり、手に持って観察する場合には画面全面を観察することはできなかった。
【０００９】
また、接眼光学系として反射型のものを用いる場合、光路を折り返すことが可能となり、未使用時に折り畳んでしまえる等、装置が小型化できるが、反面、瞳の偏心収差の発生量が著しく、画面全面の像観察が困難となる問題がある。
【００１０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、小型で消費電力が少なく、安価でありながら、良好な拡大像が得られる携帯型表示装置に適した光学素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光学素子は、少なくとも２つの光学作用面を備えた光学素子において、その中の１つの光学作用面は回転非対称な面で構成され、もう１つの光学作用面はフレネル面からなることを特徴とするものである。
【００１２】
このような光学素子を用いることにより像拡大光学装置を構成することができる。
【００１３】
また、このような光学素子として正のパワーを持つものを用い、映像を拡大するためのリレー光学系と共に使用することで映像表示装置を構成することができる。
【００１４】
さらに、本発明は、映像を表示する表示素子又はその中間像と、前記表示素子に表示された映像又は中間像を投影するリレー光学系と、リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成され、前記接眼光学系が少なくとも１つ以上の自由曲面と少なくとも１つ以上のフレネル反射面を有することを特徴とする投影型光学装置を含むものである。
【００１５】
以下、本発明において上記構成を採用する理由と作用について説明する。
【００１６】
本発明の投影型光学装置は、映像を表示する表示素子又はその中間像と、表示素子に表示された映像又は中間像を投影するリレー光学系と、リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成されるもので、リレー光学系としては偏心プリズム光学系を用いる。
【００１７】
小型の表示素子は生産性が良いことから、安価に高画素の表示素子を入手することが可能である。表示画像の対角の長さが１インチ以下の表示素子を用いることが望ましく、さらに好ましくは０．５インチ以下の表示素子を使うことが、安価な表示装置を構成する場合に有利となる。
【００１８】
このように小型の表示素子を用いる場合には、虫目がねのような光学系で表示画像を拡大するだけでは拡大倍率が不足であり、十分な大きさの映像として観察することはできない。そこで、リレー光学系で表示素子の映像を一度拡大投影し、リレー光学系で投影された像（中間像）をさらに接眼光学系で拡大すると同時に、リレー光学系からの光束を観察者眼球に収束する作用を有する接眼光学系により構成することが重要である。
【００１９】
本発明の光学素子は、虫目がねのような像拡大光学装置として用いることができるが、このようなリレー光学系と共に用いる接眼光学系として用いるものである。
【００２０】
小型の表示素子を接眼光学系近傍に拡大投影するリレー光学系に偏心プリズム光学系を用いることにより、小型のリレー光学系を構成することが可能となる。
【００２１】
すなわち、リレー光学系として、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成され、表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、その少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有する偏心プリズム単数あるいは複数備えてなる偏心プリズム光学系を用いることが望ましい。
【００２２】
レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
【００２３】
一方、ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００２４】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００２５】
また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００２６】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもたないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２７】
また、投影光学系は、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。
【００２８】
したがって、本発明では、表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されているプリズム部材を用いて、偏心収差を補正することにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能になる。
【００２９】
さらに、そのようなリレー光学系によって投影される１次像を形成する光束は、リレー光学系から発散しながら１次像を形成する。接眼光学系は、この発散する光束を効率良く観察者の眼に収束させる収束作用を有することが必要である。接眼光学系にこの収束作用がない場合には、１次像を形成する光束は発散しながら観察者の眼に届くために、眼球に入射して映像として認識される光束は、表示素子を射出した光束の中の極一部の光束となってしまい、非常に暗い像しか観察できなくなってしまう。
【００３０】
したがって、本発明において接眼光学系等に用いる光学素子は、収束作用を持つことが重要であるが、そのために球面等の幾何学形状とすると、球欠分の出っ張りが生じてしまい装置が小型化できない。そのため、その光学素子の収束作用を担う面として、フレネル面を有することが重要である。そして、装置をコンパクトにするためには、光路を折り曲げる必要があり、そのフレネル面を偏心配置することが重要である。しかし、収束作用を有する面を偏心配置することで、偏心収差が発生し、画面全面で均一な像観察が困難となってしまう。そのような偏心収差を打ち消すためには、フレネル面として回転非対称な自由曲面等で構成することが望ましいが、回転非対称なフレネル面を製作することは非常に難しい。したがって、接眼光学系等に用いる光学素子は、収束作用を有し、偏心収差の発生量が小さく、かつ、製作が容易である回転対称なフレネル面と、偏心収差を補正する自由曲面等の回転非対称な面とを分離して有していることが重要である。この構成により、表示素子を射出し、リレー光学系を通過した光線は有効に観察者眼球に集まるようになり、照明効率の良い表示が得られると同時に、電車の中等でも隣りの人に表示内容を覗かれる心配がないものとなる。
【００３１】
なお、自由曲面とは、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）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。
【００３２】
ここで、本発明で用いるフレネル面について説明しておく。フレネル面は、基礎となる曲面を細い輪状の小面に切り分け、その切り分けた多数の輪状の小面を輪帯状に配列したもので、本発明で用いるフレネル面はその基礎となる曲面が回転対称な面形状のものであり、図１３にその模式図を示す。図１３（ａ）は本発明で用いるフレネル面６０の斜視図、図１３（ｂ）はその中心を含む何れかの縦断面図である。図示の例では、回転対称なフレネル面６０を実現するために、フレネルピッチを回転対称な球面形状することによって、回転対称なフレネル面を実現している。そして、このフレネル面６０を屈折面とすることによりフレネル透過面となり、フレネル面６０を反射面とすることによりフレネル反射面となる。なお、フレネル面６０をフレネル透過面とし、そのフレネル透過面に近接した別の光学面を反射面とすることにより、フレネル反射面とすることもできる。
【００３３】
さて、本発明の光学素子において、図１２（ａ）に模式的な断面を示すように、回転対称なフレネル面をフレネル透過面６１とし、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質を挟んでその入射側あるいは射出側の面（光学作用面）も自由曲面等の回転非対称な形状の透過面６２として、光学素子を透過型の光学素子６３とすることもできるし、図１２（ｂ）に示すように、回転対称なフレネル面をフレネル透過面６１とし、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質を挟んでその射出側の面（光学作用面）を自由曲面等の回転非対称な形状の反射面６４として裏面鏡タイプの光学素子６５とすることもできるし、図１２（ｃ）にを示すように、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質を挟んで自由曲面等の回転非対称な形状の透過面６２の射出側の面（光学作用面）を回転対称なフレネル反射面６６とする裏面鏡タイプの光学素子６７とすることもできる。
【００３４】
さて、本発明においては、上記のような光学素子を収束作用を有する接眼光学系として用い、表示素子に表示された映像又は中間像を投影するリレー光学系と、このリレー光学系からの光束をその接眼光学系によって観察者の眼球に向って収束するようにして投影型光学装置を構成することができる。このような構成は、特開２０００−２２１４４０の場合と同様であるが、特開２０００−２２１４４０のものは観察者頭部に装着して観察することを念頭に発明されたものであり、混雑した電車の中で手軽にポケットから出して見て、またポケットにしまうような使い方には不向きである。
【００３５】
そこで、本発明では、接眼光学系の焦点距離を最適化して、表示素子を眼から５０ｍｍ以上離した位置でも画面全体が観察できるように、接眼光学系の射出瞳を接眼光学系から８０ｍｍ以上離すことが重要である。つまり、接眼光学系の射出瞳位置と接眼光学系の射出瞳側の面との軸上距離をEXPeとするとき、
８０ｍｍ＜EXPe＜１０００ｍｍ ・・・（１）
なる条件式を満足することが好ましい。上記条件式の下限の８０ｍｍを越えると、眼を装置に近づけて観察しないと、全画面を観察することができなくなってしまい、見難くなってしまう。また、装置上に配置される操作ボタンやスイッチを操作する場合、その下限を越えると、装置と観察者顔面との距離が短くなりすぎ、操作するために装置と顔面の間に指を持っていくことができなくなってしまう。また、その上限の１０００ｍｍを越えると、逆に遠くなりすぎ、画面が小さくなってしまい細かい映像が観察できなくなると同時に、操作のために手が届かなくなってしまい、操作できなくなってしまう。
【００３６】
さらに好ましくは、
１００ｍｍ＜EXPe＜１０００ｍｍ ・・・（１−１）
なる条件を満足することが重要である。その下限の１００ｍｍを越えると、表示画面ではなく表示素子上に配置された操作ボタン等を観察者が操作するために手を表示素子と観察者顔面の間に入れることができなくなり、画面を見ながら操作することができなくなってしまう。
【００３７】
さらに好ましくは、
３００ｍｍ＜EXPe＜１０００ｍｍ ・・・（１−２）
なる条件を満足することが重要である。その下限の３００ｍｍを越えると、表示素子が明視の距離より近いために、操作ボタン等の操作をする場合に近すぎて見えなくなってしまう。
【００３８】
さて、ここで偏心光学系及び光学面のパワーを定義する。光軸方向をＺ軸方向にとり、偏心光学系及び光学面の偏心方向をＹ軸方向にとり、それらと直交する方向をＸ軸方向とするとき、Ｙ−Ｚ面内とＸ−Ｚ面内の２つの方向の光線に対して、軸上主光線と微小距離離れた平行光線を偏心光学系、光学面に入射させ、特開平１１−１９４２６７号の段落〔００４９〕と同様にパワーＰｘ、Ｐｙを定義し、それらの逆数を焦点距離Ｆｘ、Ｆｙと定義する。
【００３９】
接眼光学系のパワーをＰｘ３、Ｐｙ３、リレー光学系のパワーをＰＰｘ、ＰＰｙとするとき、
０＜｜Ｐｘ３／ＰＰｘ｜＜２ ・・・（２）
０＜｜Ｐｙ３／ＰＰｙ｜＜２ ・・・（３）
なる条件の少なくともいずれか一方を満足することが重要である。
【００４０】
この条件式は、接眼光学系とリレー光学系のパワーの比を表しており、下限の０を越えると、接眼光学系のパワーが小さく（弱く）なりすぎ、見やすい大きさのある程度の観察画角を有する表示装置にならないので、表示映像が小さすぎ細かい表示を観察することができなくなってしまう。また、上限の２を越えると、リレー光学系のパワーが小さく（弱く）なりすぎ、小型の表示素子を使うことができなくなり、装置が大型化すると同時に、消費電力も大きくなってしまい、高価になる。
【００４１】
さらに好ましくは、
０．０１＜｜Ｐｘ３／ＰＰｘ｜＜０．７ ・・・（２−１）
０．０１＜｜Ｐｙ３／ＰＰｙ｜＜０．７ ・・・（３−１）
なる条件の少なくともいずれか一方を満足することが重要である。これらの条件式も上記条件式と同様であるが、特にそれぞれの上限の０．７を越えると、接眼光学系の大きさがＢ５サイズ以下の表示装置を構成する場合に重要となり、表示装置がＢ５サイズに納まらなくなってしまい、持ち運べるノートサイズにならなくなってしまう。
【００４２】
さらに好ましくは、
０．０１＜｜Ｐｘ３／ＰＰｘ｜＜０．４ ・・・（２−２）
０．０１＜｜Ｐｙ３／ＰＰｙ｜＜０．４ ・・・（３−２）
なる条件の少なくともいずれか一方を満足することが重要である。これらの条件式も上記条件式と同様であるが、特にそれぞれの上限の０．４を越えると、接眼光学系の大きさがＢ６サイズ以下の表示装置を構成する場合に重要となり、表示装置がＢ６サイズに納まらなくなってしまい、ポケットにしまえる表示装置にならなくなってしまう。
【００４３】
本発明の投影表示装置の投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとするとき、
０．５＜Ｐｘ／Ｐｙ＜１．８ ・・・（４）
なる条件式を満足することが重要である。この条件はＸ方向とＹ方向の像の大きさに関係し、下限の０．５を越えると、Ｘ方向に対してＹ方向のパワーが大きくなりすぎ、Ｙ方向の像の大きさがＸ方向に比べて小さくなりすぎる。逆に、上記条件式の上限の１．８を越えると、Ｘ方向に対してＹ方向のパワーが小さくなりすぎ、Ｙ方向の像の大きさがＸ方向に比べて大きくなりすぎる。
【００４４】
さらに好ましくは、
０．７＜Ｐｘ／Ｐｙ＜１．７ ・・・（４−１）
なる条件を満足することが必要である。この条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【００４５】
さらに好ましくは、
０．８＜Ｐｘ／Ｐｙ＜１．６ ・・・（４−２）
なる条件を満足することが必要である。この条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【００４６】
次に、本発明の投影型光学装置の投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとし、観察者眼球前方に配置される接眼光学系のパワーをＰｘ３、Ｐｙ３とするとき、
０．０１＜｜Ｐｘ３／Ｐｘ｜＜１．０ ・・・（５）
０．０１＜｜Ｐｙ３／Ｐｙ｜＜１．０ ・・・（６）
なる条件の少なくとも一方を満足することが重要である。これらの条件は、接眼光学系のパワーとリレー光学系のパワー配置を規定するものであり、それぞれの下限の０．０１を越えると、接眼光学系のパワーが小さくなりすぎ、リレー光学系の投影倍率を大きくしないと、広い観察映像を提示することができなくなる。
しかし、リレー光学系の投影倍率を上げることはリレー光学系の物像間距離が長くなってしまい、光学系を小型にすることが難しくなる。また、上限の１．０を越えると、今度は接眼光学系のパワーが強くなりすぎ、偏心して配置された接眼光学系による偏心収差が大きく発生し、リレー光学系で補正することが不可能になる。
【００４７】
さらに好ましくは、
０．２＜｜ＰＸ３／Ｐｘ｜＜０．７ ・・・（５−１）
０．２＜｜ＰＹ３／Ｐｙ｜＜０．７ ・・・（６−１）
なる条件の少なくとも一方を満足することが重要である。これらの条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【００４８】
次に、本発明の投影型光学装置の投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとし、リレー光学系のパワーをＰＰｘ、ＰＰｙとするとき、０．５＜｜ＰＰｘ／Ｐｘ｜＜１０．０ ・・・（７）
０．５＜｜ＰＰｙ／Ｐｙ｜＜１０．０ ・・・（８）
なる条件の少なくとも一方を満足することが重要である。これらの条件は、投影光学系の作用を持つリレー光学系のパワー配置を規定するものであり、それぞれの下限の０．５を越えると、リレー光学系のパワーが小さくなりすぎ、リレー光学系の焦点距離が大きくなりすぎ光学系を小型にすることが難しくなる。また、上限の１０．０を越えると、今度はリレー光学系の焦点距離が短くなりすぎ、偏心して配置された接眼光学系による偏心収差をリレー光学系で補正することが不可能になる。
【００４９】
さらに好ましくは、
１．０＜｜ＰＰｘ／Ｐｘ｜＜８．０ ・・・（７−１）
１．０＜｜ＰＰｙ／Ｐｙ｜＜８．０ ・・・（８−１）
なる条件の少なくとも一方を満足することが重要である。これらの条件の下限と上限の意味は上記と同様である。
【００５０】
以上の本発明の条件式（１）〜（８）に関する後記の実施例１〜４のデータを下記に示す。

【００５１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の投影型光学装置である投影表示装置の実施例を説明する。
【００５２】
具体的な数値実施例１〜４を説明する前に本発明の投影表示装置の使用形態の例について説明する。
【００５３】
本発明の第１の使用形態は、図１に示すように、接眼光学系３２を少なくとも反射作用を有する光学素子３４で構成するものである。この光学素子３４は、図１２（ｂ）又は（ｃ）の形態の光学素子である。そして、図１の場合、表示装置の本体３０上に、観察者側から見て、操作ボタン３３をリレー光学系３１より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン３３のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系３１は接眼光学系３２の手前に配置することにより、接眼光学系３２で反射された映像を無理なく観察することが可能となる。なお、図１において、観察者眼球位置をＥで示す。なお、画像表示素子は、リレー光学系３１の本体３０側に配置されるが、図示を省く。
【００５４】
さらに、図１の場合、接眼光学系３２は、本体３０から開閉する機構にすることによって、携帯時はポケットに収納することが可能となる。また、このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高い。
【００５５】
さらに、開閉は観察者側を本体３０から持ち上げて開閉する方向にすることによって、接眼光学系３２の光学面が収納時に表面に露出することがなく、光学系の光学面に汚れ等が付着し難くなりより好ましい。
【００５６】
本発明の第２の使用形態は、図２に示すように、接眼光学系３２を少なくとも透過作用を有する光学素子３５で構成するものである。この光学素子３５は、図１２（ａ）の形態の光学素子である。そして、図２の場合、表示装置の本体３０上に、観察者側から見て、操作ボタン３３を接眼光学系３２より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン３３のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系３１の手前に接眼光学系３２を配置することにより、無理なく映像を観察することが可能となる。
【００５７】
また、本実施形態の場合は、接眼光学系３２をリレー光学系３１側に倒して収納するようにすることが好ましい。これにより、リレー光学系３１を保護するカバーの役目を接眼光学系３２表面で代用することが可能となる。
【００５８】
さらに、図１、図２のどちらの使用形態においても、リレー光学系３１と接眼光学系３２の間に反射鏡３６（図２）を配置し、光路を折り曲げることにより、リレー光学系３１から接眼光学系３２までの距離を短くすることが可能となる。
さらに好ましくは、その反射鏡３６にパワーを持たせることにより、接眼光学系３２の持つパワーを分散することが可能となり、より大画面の映像を鮮明に表示することが可能となる。
【００５９】
また、その反射鏡３６は接眼光学系３２の下に収納するようにすることにより、その光学素子が露出することが防げ、防塵性が向上する。
【００６０】
次に、接眼光学系について説明する。接眼光学系は、後記の数値実施例では拡散性のない面として扱っているが、ある程度の拡散性を持つことがさらに好ましい。その理由について次に説明する。
【００６１】
投影像近傍に配置される接眼光学系３２は、図３に示すように、散乱性が少なく観察者の方向に選択的に光線を収束させるものにすることが重要である。図４に示すように、散乱性が多い接眼光学系３２では、一般的には見る位置からの照度ムラが発生し難く好ましいものであるが、本発明の携帯型の表示装置においては、観察者は一人のことが多く、入射光５１を散乱させると、入射光５１に対して観察者の眼球に届く光線が少なくなり、照明光が無駄になってしまう。さらに、無駄に散乱させ暗くなった表示画面の明るさを補うために照明の輝度を上げると、消費電力が多くなってしまい、使用時間が極端に短くなったり、せっかく小型になった表示装置に対して、大型で重いバッテリーを装着することになってしまう。この問題を避けるために、本発明における接眼光学系３２としては、図３に示すように、散乱性の低いスクリーンを使用することが重要である。なお、図３、図４では、接眼光学系３２として反射作用を有する光学素子として図示してあるが、もちろん、図１２（ａ）のような透過作用を有する光学素子を用いる場合も同様である。
【００６２】
また、電車の中等で観察する場合は、周囲の他人に表示内容を覗かれてしまうことを防止する秘読性の点でも、拡散性の少ないスクリーンが好ましく、拡散性が多いと隣りに座った人に表示内容が見えてしまう。。
【００６３】
さらに好ましくは、スクリーン面の拡散性は、接眼光学系３２の光学面の法線に垂直の入射光線が、垂直に正反射する方向の強度に対して、面の法線となす角度が２０°の方向の拡散光強度が５０％以下になるようにすることが、光の有効利用の面から好ましい。さらに好ましくは、面の法線となす角度が１０°の方向の拡散強度が５０％以下になる散乱性の低いものがより好ましい。
【００６４】
さらに好ましくは、図５に示すように、接眼光学系３２の散乱性の範囲５３は、観察者の両眼に対応する水平方向に対して垂直方向より大きいことが好ましい。散乱性の範囲５３が縦方向に対して横方向に大きいと、リレー光学系３１からの光束を有効に観察者の両眼に導くことが可能となり、両眼で観察することが可能となる。
【００６５】
また、図６に示すように、接眼光学系３２に回折光学素子（ＤＯＥ）やホログラム光学素子（ＨＯＥ）を付加して、リレー光学系３１を射出した光線が２つに別れて観察者両眼に向かうようにすることにより、さらに効率の良い散乱性の範囲５３を得ることができる。また、頂角が鈍角をなす１次元状のマイクロプリズムを並べて構成したプリズムシートを用いても同様の作用が得られる。
【００６６】
ところで、本発明において、観察者眼球によって観察される虚像の表示位置は、接眼光学系３２近傍に提示されるように構成するが、接眼光学系３２の表面よりさらに観察者側に提示することによって表示映像にさらなる臨場感を与えることが可能となる。また、接眼光学系３２の表面に上記のような拡散性がある場合には、虚像位置は接眼光学系３２の拡散性のある面に一致させることによって、鮮明な映像を観察することが可能となる。また、特に表示画素数の少ない映像の場合は、意図的に微小距離表示映像位置と拡散性を持つ面をずらすことによって、ローパスフィルター効果によって滑らかな映像にすることも可能である。
【００６７】
また、後記の数値実施例のように、接眼光学系３２は観察者から例えば４０ｃｍの設定されていながら、映像は１ｍ遠方に提示する構成をとることも可能であり、映像の提示位置は任意に設定することが可能である。
【００６８】
さらに好ましくは、表示素子を光軸方向に移動する機構を設けることにより、リレー光学系３１より投影される実像の位置を移動し、接眼光学系３２で形成される虚像の位置を無限遠から、接眼光学系３２近傍まで移動できるようにすることが望ましい。この機構により、観察者の好みの位置に虚像位置を調整することが可能となり、近視の人も遠視の人も老眼の人も見やすい像位置を選択することが可能となる。
【００６９】
なお、本発明の接眼光学系３２を構成する光学素子は回転非対称面を用いて構成されているため、特に、物体中心を射出して観察者の虹彩中心を通過し、眼底中心に到達する軸上主光線が接眼光学系３２に対して偏心して入射する偏心光学系の場合、接眼光学系３２を回転非対称な面で構成することにより、偏心によって発生する像の台形歪みや、像面の傾き等の偏心収差を補正することが可能となる。また、リレー光学系３１を偏心プリズム光学系で構成する場合には、リレー光学系３１と偏心収差の補正を分担することが可能となり、さらに好ましい。
【００７０】
次に、リレー光学系３１について説明する。本発明によるリレー光学系３１には、本発明者等がすでに提案している内面反射回数が１回以上の種々の偏心プリズム単体あるいは複数からなる偏心プリズム光学系を用いることができる。その中、代表的なものを例示すると、実施例１〜４の偏心プリズムのように、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するようになっているものを用いることができる。
【００７１】
このような形状の偏心プリズムは、収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００７２】
また、図１９（ａ）に示すように、表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２（図１４等）に面する第２面１２と、第３面１３からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した表示素子３からの光線は、第２面１２で全反射し、その反射光は第３面１３で反射し、その反射光は今度は第１面１１で全反射し、その反射光は今度は第２面１２で屈折してプリズム外に射出するもので、第１面１１が入射面と第３反射面を、第２面１２が第１反射面と射出面を兼用しており、プリズム内で光線が１回転する偏心プリズム１０であってもよい。この偏心プリズム１０は、３つの反射面を有するために３回の反射面にパワーを分散することが可能であり、収差発生を少なくすることが可能である。また、光路がプリズム内で交差する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能である。
【００７３】
また、図１９（ｂ）に示すように、表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第２面１２と、第３面１３からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した表示素子３からの光線は、第２面１２で全反射し、その反射光は第３面１３で反射し、その反射光は今度は第２面１２で屈折してプリズム外に射出するもので、第２面１２が第１反射面と射出面を兼用している偏心プリズム１０であってもよい。第１反射面と射出面を兼用するこのこの偏心プリズム１０は、第１反射面で大きく光線を屈曲させ、さらに第２反射面は少ない屈曲角で光線を射出面へと反射するために、プリズム光学系の射出光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００７４】
また、図１９（ｃ）に示すように、表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第２面１２と、第３面１３からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した表示素子３からの光線は、第３面１３で反射し、その反射光は今度は第１面１１で全反射し、その反射光は第２面１２で屈折してプリズム外に射出するもので、第１面１１が入射面と第２反射面を兼用している偏心プリズム１０であってもよい。第２反射面と入射面とを兼用するこのこの偏心プリズム１０は、第２反射面で光線を大きく屈曲させ、第１反射面は少ない屈曲角で光線を第２反射面へと反射するために、プリズム光学系の入射光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００７５】
ところで、本発明の投影表示装置において、接眼光学系３２を本体３０から開閉可能とする場合に、図７に示すように、接眼光学系３２を開かないで閉じた状態では、壁面５４等に投影するプロジェクターとしても用いることができる。この場合、表示素子を移動して投影像の位置を壁面５４に合わせる機構が必要になる。また、投影表示装置の明るさが足りない場合には、図８（ｂ）に示すように、外付けの光源装置３８を例えば本体３０の下面に取り付け可能にして、図８（ａ）の通常の接眼光学系３２を介して観察するときの内蔵光源３７を図示に矢印のように使用位置から使用位置外に移動させ、表示素子３を背面から外付けの光源装置中の外付けの光源３９からの照明光で照明可能にすることも可能である。なお、図８（ｂ）の場合には、表示素子３をリレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０に近接するように矢印方向に移動可能にしてフォーカス調整できるようになっている。
【００７６】
また、図９に示すように、２つのリレー光学系３１Ｌ、３２Ｒを使用し、それぞれのリレー光学系３１Ｒ、３２Ｌに対応して左右の表示素子を配置し、接眼光学系３２を左右共通とし、それぞれの表示素子に両眼視差像を表示することにより、左右の表示素子からの光路を左右の眼用に分離させて、観察者の左右眼に対して視差のある映像が観察できる両眼立体視が可能な構成となり、特殊な眼鏡なしで立体画像が観察な投影表示装置とすることが可能となる。
【００７７】
また、本発明の投影表示装置は以上のような携帯型の使用形態に限らず、図１０に示すように、手持ちビュワータイプの形態にも構成できる。また、図１１に示すような構成も可能であり、この構成の場合、リレー光学系３１の支持部材４２を接眼光学系３２の保護カバーの役目を兼用するようにすることにより、携帯時の防塵性を向上させることが可能となる。
【００７８】
次に、以下に、本発明の投影表示装置に用いられる光学系の数値実施例１〜４について説明する。
【００７９】
実施例１〜４の構成パラメータは後記するが、座標系は、射出瞳１（観察者瞳）位置から表示素子３に向う逆光線追跡で、図１４に示すように、軸上主光線２を、光学系の射出瞳１の中心を垂直に通り、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、射出瞳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、射出瞳１から光学系の接眼光学系３２の光学素子２０の射出瞳１に面した面２１に向かう方向をＺ軸正方向とし、図の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、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。
【００８０】
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（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。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。
【００８１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）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。
【００８２】
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。
【００８３】

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。
【００８４】
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。
【００８５】
さて、以下に示す実施例１は、接眼光学系３２を視軸（射出瞳１の中心を通る軸上主光線２に一致）に対して２０°傾いて配置しているものであり、観察画角水平１３°、垂直１０°、瞳系φ１５ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１から映像までの距離は３０ｃｍであり、４．８×３．２ｍｍの表示素子３を使用する。
【００８６】
実施例２は、接眼光学系３２を視軸に対して２０°傾いて配置しているものであり、観察画角水平１３°、垂直１０°、瞳系φ１５ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１から映像までの距離は３０ｃｍであり、８．９×６．７ｍｍの表示素子３を使用する。
【００８７】
実施例３は、接眼光学系を視軸に対して傾きを持たず配置しているものであり、観察画角水平１３°、垂直１０°、瞳系φ１５ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１から映像までの距離は３０ｃｍであり、４．８×３．２ｍｍの表示素子３を使用する。
【００８８】
実施例４は、接眼光学系を視軸に対して傾きを持たず配置しているものであり、観察画角水平１３°、垂直１０°、瞳系φ１５ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１から映像までの距離は３０ｃｍであり、８．９×６．７ｍｍの表示素子３を使用する。
【００８９】
以下の実施例は、接眼光学系３２の拡散性がないと考えて設計されており、拡散性に関しては、所望の拡散性なり、拡散素子を利用して構成することができる。
【００９０】
各実施例の光学系の構成を説明する。
【００９１】
実施例１の光学系の全体の光路図を図１４に、射出瞳に至る光路を省いた拡大光路図を図１５に示す。実施例２の光学系は実施例１と同様であるので図示は省く。また、実施例３の光学系の全体の光路図を図１６に、射出瞳に至る光路を省いた拡大光路図を図１７に示す。実施例４の光学系は実施例３と同様であるので図示は省く。
【００９２】
実施例１〜４何れの光学系も、射出瞳１に面した接眼光学系３２は入射側の面２１が自由曲面からなる透過面からなり、裏面側の面２２がフレネル反射面からなる光学素子２０からなり、表示素子３に面したリレー光学系３１は偏心プリズム１０からなる。これらの実施例の偏心プリズム１０は、表示素子３に面する第１面１１と、光学素子２０に面する第２面１２と、第３面１３と、第４面１４からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した表示素子３からの光線は、第３面１３で反射し、その反射光は第４面１４で反射し、その反射光は第２面１２で屈折してプリズム外に射出し、光学素子２０の表面側の面２１近傍に表示素子３の映像を結像するものであり、第１面１１と第３面１３とを結ぶ光路が第４面１４と第２面１２とを結ぶ光路とプリズム内で交差するようになっており、偏心プリズム１０内で光線は１回転するものである。
【００９３】
実施例１〜４において、光学素子２０の入射側の面２１と、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４は自由曲面から構成され、光学素子２０のフレネル反射面２２は回転対称非球面から構成されている。
【００９４】
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、“ＦＲ”はフレネル反射面をそれぞれ示す。
【００９５】

【００９６】

【００９７】

【００９８】

【００９９】
上記実施例１の横収差を図１８に示す。この横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１００】
なお、本発明の投影表示装置のリレー光学系に用いる偏心プリズム光学系としては、以上の実施例１〜４で用いたタイプ及び図１９に示した内部反射回数２〜３回のタイプのプリズムに限定されず、他のタイプの偏心プリズム単体あるいはそれらの偏心プリズムの組み合わせからなる光学系を用いることができる。
【０１０１】
以上の本発明の光学素子及びそれを用いた光学装置は例えば次のように構成することができる。
【０１０２】
〔１〕 少なくとも２つの光学作用面を備えた光学素子において、その中の１つの光学作用面は回転非対称な面で構成され、もう１つの光学作用面はフレネル面からなることを特徴とする光学素子。
【０１０３】
〔２〕 前記フレネル面は回転対称なフレネル面からなることを特徴とする上記１記載の光学素子。
【０１０４】
〔３〕 前記少なくとも２つの光学作用面は少なくとも透過作用を有することを特徴とする上記１又は２記載の光学素子。
【０１０５】
〔４〕 前記少なくとも２つの光学作用面の中の１つの光学作用面は少なくとも反射作用を有することを特徴とする上記１又は２記載の光学素子。
【０１０６】
〔５〕 前記少なくとも２つの光学作用面の中、透過作用を有する面を回転非対称な面で構成し、反射作用を有する面をフレネル面で構成したことを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の光学素子。
【０１０７】
〔６〕 前記少なくとも２つの光学作用面の中、透過作用を有する面をフレネル面で構成し、反射作用を有する面を回転非対称な面で構成したことを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の光学素子。
【０１０８】
〔７〕 上記１から６の何れか１項記載の光学素子を用いたことを特徴とする像拡大光学装置。
【０１０９】
〔８〕 上記１から６の何れか１項記載の光学素子は正のパワーを持ち、映像を拡大するためのリレー光学系と共に用いられることを特徴とする映像表示装置。
【０１１０】
〔９〕 映像を表示する表示素子又はその中間像と、前記表示素子に表示された映像又は中間像を投影するリレー光学系と、リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成され、前記接眼光学系が少なくとも１つ以上の自由曲面と少なくとも１つ以上のフレネル反射面を有することを特徴とする投影型光学装置。
【０１１１】
〔１０〕 前記接眼光学系の射出瞳位置と前記接眼光学系の射出瞳側の面との軸上距離をEXPeとするとき、
８０ｍｍ＜EXPe＜１０００ｍｍ ・・・（１）
なる条件式を満足することを特徴とする上記９記載の投影型光学装置。
【０１１２】
〔１１〕 全光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、前記接眼光学系のＸ方向、Ｙ方向のパワーをそれぞれＰｘ３、Ｐｙ３、前記リレー光学系のＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰＰｘ、ＰＰｙとするとき、
０＜｜Ｐｘ３／ＰＰｘ｜＜２ ・・・（２）
０＜｜Ｐｙ３／ＰＰｙ｜＜２ ・・・（３）
なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴とする上記９又は１０記載の投影型光学装置。
【０１１３】
〔１２〕 全光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとするとき、
０．５＜Ｐｘ／Ｐｙ＜１．８ ・・・（４）
なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴とする上記９から１１の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１１４】
〔１３〕 全光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとし、前記接眼光学系のＸ方向、Ｙ方向のパワーをそれぞれＰｘ３、Ｐｙ３、とするとき、
０．０１＜｜Ｐｘ３／Ｐｘ｜＜１．０ ・・・（５）
０．０１＜｜Ｐｙ３／Ｐｙ｜＜１．０ ・・・（６）
なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴とする上記９から１２の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１１５】
〔１４〕 全光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとし、前記リレー光学系のＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰＰｘ、ＰＰｙとするとき、
０．５＜｜ＰＰｘ／Ｐｘ｜＜１０．０ ・・・（７）
０．５＜｜ＰＰｙ／Ｐｙ｜＜１０．０ ・・・（８）
なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴とする上記９から１３の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１１６】
〔１５〕 前記リレー光学系が、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成され、前記表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、その少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有する偏心プリズム単数あるいは複数備えてなることを特徴とする上記９から１３の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１１７】
〔１６〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するようになっていることを特徴とする上記１５記載の投影型光学装置。
【０１１８】
〔１７〕 前記偏心プリズムが、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が前記表示素子からの光を入射させる入射面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼用した面にて形成されていることを特徴とする上記１５記載の投影型光学装置。
【０１１９】
〔１８〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなることを特徴とする上記１５記載の投影型光学装置。
【０１２０】
〔１９〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなることを特徴とする上記１５記載の投影型光学装置。
【０１２１】
〔２０〕 前記接眼光学系は拡散性を有することを特徴とする上記９から１９の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２２】
〔２１〕 前記接眼光学系は少なくとも１次元方向に拡散性を有することを特徴とする上記９から２０の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２３】
〔２２〕 前記接眼光学系は異なる２つの方向を中心に拡散性を有することを特徴とする上記９から２１の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２４】
〔２３〕 前記リレー光学系による中間像が前記接眼光学系近傍に結像されることを特徴とする上記９から２１の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２５】
〔２４〕 前記表示素子を２つ備え、前記各表示素子に対応して前記リレー光学系を２つ備え、２つの前記リレー光学系に共通の前記接眼光学系を備えていることを特徴とする上記９から２３の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２６】
〔２５〕 前記接眼光学系を光路から退避可能に構成し、プロジェクターとして使用可能に構成したことを特徴とする上記９から２４の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２７】
〔２６〕 前記表示素子の前記リレー光学系に対する位置を調整可能に構成されていることを特徴とする上記９から２５の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２８】
〔２７〕 前記表示素子を照明する光源を備え、投影型光学装置本体に装着取り外し可能な外付け光線装置を備えていることを特徴とする上記９から２６の何れか１項記載の投影型光学装置。
【０１２９】
【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、小型で作りやすく偏心収差を補正可能な光学素子が可能になり、この光学素子を用いることにより、小型で消費電力が少なく、安価でありながら、良好な拡大像が得られる携帯型表示装置等の光学装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投影表示装置の１つの使用形態を説明するための図である。
【図２】本発明による投影表示装置の別の使用形態を説明するための図である。
【図３】本発明の投影表示装置の接眼光学系の散乱性を説明するための図である。
【図４】散乱性が多い場合の図３に対応する図である。
【図５】接眼光学系の散乱性の範囲が観察者の両眼に対応する水平方向に対して垂直方向より大きい場合の本発明の投影表示装置を示す図である。
【図６】リレー光学系を射出した光線が２つに別れて観察者両眼に向かう場合の本発明の投影表示装置を示す図である。
【図７】本発明の投影表示装置がプロジェクターとして使用可能な構成を説明するための図である。
【図８】外付けの光源装置が使用可能な本発明の投影表示装置を説明するための図である。
【図９】２つのリレー光学系を使用して立体画像が観察な本発明の投影表示装置を説明するための図である。
【図１０】本発明の投影表示装置を手持ちビュワータイプの形態に構成した場合を説明するための図である。
【図１１】リレー光学系の支持部材が接眼光学系の保護カバーの役目を兼用する本発明の投影表示装置を説明するための図である。
【図１２】本発明による光学素子の可能な形態の模式的な断面図である。
【図１３】本発明で用いるフレネル面を説明するための模式図である。
【図１４】本発明の実施例１の光学系の全体の光路図である。
【図１５】本発明の実施例１の光学系の射出瞳に至る光路を省いた拡大光路図である。
【図１６】本発明の実施例３の光学系の全体の光路図である。
【図１７】本発明の実施例３の光学系の射出瞳に至る光路を省いた拡大光路図である。
【図１８】実施例１の光学系の横収差図である。
【図１９】本発明の投影型光学装置のリレー光学系に使用可能な偏心プリズムのいくつかの例を示す図である。
【符号の説明】
１…射出瞳（観察者瞳）
２…軸上主光線
３…表示素子
１０…偏心プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
２０…光学素子
２１…光学素子の入射側の面
２２…光学素子の裏面側の面
３０…表示装置本体
３１、３１Ｌ、３２Ｒ…リレー光学系
３２…接眼光学系
３３…操作ボタン
３４…反射作用を有する光学素子
３５…透過作用を有する光学素子
３６…反射鏡（平面鏡）
３７…内蔵光源
３８…外付けの光源装置
３９…外付けの光源
４２…リレー光学系の支持部材
５１…入射光
５２…散乱光
５３…散乱性の範囲
５４…壁面
６０…フレネル面
６１…回転対称なフレネル透過面
６２…回転非対称な形状の透過面
６３、６５、６７…光学素子
６４…回転非対称な形状の反射面
６６…回転対称なフレネル反射面
Ｅ…観察者眼球位置

Claims (4)

1. 映像を表示する表示素子と、
   前記表示素子に表示された映像又はその第１の中間像を拡大して投影するリレー光学系と、
   前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有し、
   前記接眼光学系が正のパワーを持ち、少なくとも１つ以上の自由曲面と少なくとも１つ以上のフレネル反射面を有し、
   前記リレー光学系によって投影された第２の中間像が前記接眼光学系に結像されることを特徴とする投影型光学装置。
2. 全光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとし、前記接眼光学系のＸ方向、Ｙ方向のパワーをそれぞれＰｘ３、Ｐｙ３、とするとき、
   ０．０１＜｜Ｐｘ３／Ｐｘ｜＜１．０ ・・・（５）
   ０．０１＜｜Ｐｙ３／Ｐｙ｜＜１．０ ・・・（６）
   なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴とする請求項１に記載の投影型光学装置。
3. 全光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、投影光学系全系のＸ方向のパワーをＰｘ、Ｙ方向のパワーをＰｙとし、前記リレー光学系のＸ方向、Ｙ方向のパワーをＰＰｘ、ＰＰｙとするとき、
   ０．５＜｜ＰＰｘ／Ｐｘ｜＜１０．０ ・・・（７）
   ０．５＜｜ＰＰｙ／Ｐｙ｜＜１０．０ ・・・（８）
   なる条件の少なくとも何れか一方を満足することを特徴とする請求項１に記載の投影型光学装置。
4. 前記接眼光学系は散乱性を有し、該散乱性は前記観察者の両眼に対応する水平方向に対して垂直方向よりも大きいことを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の投影型光学装置。

Images