JP5603716B2 - プリズム光学系、プリズム光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転非対称面を用いたプリズム光学系と、プリズム光学系を用いた画像表示装置及び撮像装置に関するものである。

従来、偏心光学系として、例えば、複数の光学面を有するプリズムであり、画像表示素子を観察する光学系として用いる場合には、表示素子から発した光はプリズム内に入射し、プリズム内部で反射してプリズムから射出し、観察者眼球に到達することにより拡大された虚像として画像を観察することができる。

このような画像を観察する光学系として、特許文献１には、少なくとも３つの反射面により１次像を形成して眼球に投影するプリズムによるものが、特許文献２、３には、ホログラム素子を眼鏡レンズ部に配置したものなどが提案されている。また、その他の画像表示装置の光学系として、特許文献４には、導光板と接眼レンズによって眼球に投影するものが提案されている。

特開２００８−７６４２９号公報 特開２００７−９４１７５号公報 特開２００４−３２５９８５号公報 特開２００６−３８７９号公報

特許文献１では、３つの反射面での３回の反射により、表示素子１１から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。このような光路の折り曲げのために、表示素子側（図の上部）の素子形状が大きくなる。眼鏡のフレーム等に保持し、レンズの外側に配置する提案がされているが、導光路が外部に出っ張り外観上好ましくない。

特許文献２、３にはホログラム素子を利用した方法が提案されている。これによると、ホログラムによる回折を利用して光学系を薄型にしたレイアウトが可能である。しかしながら、ホログラムには別の問題もある。ホログラム素子は製造が非常に困難であり、コストも高い。

さらに、波長選択性が高いため、波長の非常に狭いレーザー光線のような光源を用いるか、またはＬＥＤの一部の波長のみを利用するといった方法が取られており、レーザー光源はまだまだ３原色の小型化されたチップは開発途上であり高コストで、消費電力も高く、眼鏡に組み込めるものではない。また、ＬＥＤ光源を利用したものは狭帯域のバンドパスフィルターを通過させるため光の利用効率が低い。

さらにホログラム素子の課題として、低消費電力であり、自発光タイプで照明系もいらず、小型化に有利な有機ＥＬパネルが使用できない。有機ＥＬパネルはＬＥＤよりも波長帯が比較的広く、ホログラム素子との組み合わせは効率が悪く、不要光も多くなり画質を確保できない。

特許文献４では、導光板あるいはプリズムと接眼レンズを組合せる必要があり、複数の
光学素子を筐体内に配置させる。したがって、棒状の光学部材支持部材が配置されるため外観上問題があった。さらに、組立、調整の工数がかかり、耐水性などの装置の耐性にも問題があった。

本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子によって、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な偏心光学系を提供するところにある。

上記課題を解決するため、本発明のプリズム光学系は、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、前記プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、前記プリズム内にて中間像を形成し、当該プリズム光学系は、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記プリズム光学系に入射し、その後前記プリズム光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記プリズム光学系に入射し、前記プリズム光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、前記第１面を透過し、前記プリズム光学系から射出するように構成されていることを特徴とする。

上記課題を解決するため、本発明のプリズム光学系は、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、前記プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、前記プリズム内にて中間像を形成し、当該プリズム光学系は、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記プリズム光学系に入射し、その後前記プリズム光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記プリズム光学系に入射し、前記プリズム光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、前記第２面に対向した内部反射面である第３面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第３面、再び内部反射面である前記第２面、前記第３面を透過し、前記プリズム光学系から射出するように構成されていることを特徴とする。

さらに、前記プリズム光学系において、前記入射あるいは射出する面のうち１面の少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする。

さらに、前記プリズム光学系において、光が入射あるいは射出する面に対向する面は、１つの面で構成されることを特徴とする。

さらに、前記プリズム光学系において、前記プリズム光学系に入射する軸上主光線と、前記プリズム光学系から射出する軸上主光線のなす角度をαとすると、
０°≦ α ≦ ６０°
を満たすことを特徴とする。

さらに、前記プリズム光学系において、光が入射する面あるいは射出する面に対向する面の一部が切り取られていることを特徴とする。

また、本発明の画像表示装置は、前記プリズム光学系を有し、前記プリズム光学系の前記第１面に対向して前記画像表示素子を配備し、前記第１面の透過領域に対向して観察者
の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することを特徴とする。

さらに、前記画像表示装置において、前記プリズム光学系の射出瞳は、第１面の射出窓近傍、または、第１面と観察者眼球の間に形成されることを特徴とする。

また、本発明の撮像装置は、前記プリズム光学系を有し、前記第１面に対向して撮像素子を配備し、前記第１面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備し、外界像を撮像することを特徴とする。

以上、本発明によれば、非常に小さく、軽量でかつ形状の自由度が高い１個の光学素子であって、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能なプリズム光学系を提供することができる。さらに、本発明によれば、小型軽量・低コストでデザイン性に優れた眼鏡型画像表示装置を提供することができる。

実施例１におけるプリズム光学系の構成を示す図である。 実施例１におけるプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。 実施例１におけるプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２におけるプリズム光学系の構成を示す図である。 実施例２におけるプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。 実施例２におけるプリズム光学系のＸ−Ｚ断面での光路図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の変形例におけるプリズム光学系のＹ−Ｚ断面での光路図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の基本構成図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の上面図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の正面図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の側面図である。 プリズム光学系を用いた画像表示装置の側面図である。 プリズム光学系を用いた撮像装置の基本構成図である。

本発明に係るプリズム光学系１は、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間を屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズム光学系１であり、前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズム光学系１の外部に結像することが好ましい。

入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間を屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズム光学系１とすることで、図１に示されるような、なめらかな流線型形状とすることが可能となり、例えば顔面に装着する画像表示装置Ｐの場合には、近未来的なスマートな印象を与えることができる。また、撮像装置として用いる場合には、通常のカメラとはまったく異なった形状の装置にすることができるため、セキュリティ用途などでは、撮像していることを相手に気づかれずに撮影を行うことができる。

さらに、少なくとも２面の光学面により形成された空間を屈折率１より大きい光学媒質で満たされたプリズム光学系１とすると、プリズムの媒質内を光が通過するため、プリズム内部の反射においては、臨界角以上の入射角とすることによって、全反射させることが可能となる。

さらに、少なくとも２面を有する光学系が１つのプリズムとしたことで、各光学面をそれぞれの形状で形成し、それらの面を組み合わせて金型を作り、成形することで、安定した品質の光学素子を製造することが可能となる。

さらに、入射する光束は、プリズムの偏心した１面を透過してプリズム内に入射し、互いに偏心した２面の光学面によって形成される空間内の媒質中を通過して、前記少なくとも２面において５回の内部反射をする。したがって、各透過面、反射面が平面ではなく、あるパワーを持った面であれば、偏心収差が発生する。その偏心収差は互いに偏心した少なくとも２面は回転非対称面であることにより、各偏心面で発生する偏心収差を良好に補正することが可能となる。

また、プリズム内において５回の内部反射を行うことで、プリズム内における光路長を制御することが可能となり、例えば、プリズムが短くても長い光路長にすることが可能である。眼鏡に取り付けて観察するタイプの画像表示装置Ｐであって、観察者眼球の前にプリズムの射出面を、また、眼鏡のテンプル部付近にある画像表示素子２の前にプリズムの入射面を配置する場合には、プリズムの長さはその間の距離で制限を受けることになる。

また、光学系としては、表示素子の大きさと観察画角によって、全体の焦点距離ｆが決まり、そのｆによってプリズムの長さもある程度決まってしまう。したがって、必要な光路長を確保するには、プリズムを構成する少なくとも２面の間隔を変化させることで制御することが可能となる。

このような構成により、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズム光学系１の外部に結像することにより、光学系の仕様をある程度自由に制御することが可能となる。

また、中間像を形成せずに結像させた場合、例えば、画像表示装置Ｐの場合には、光学系の画角ωと表示素子の水平方向の長さＨと光学系の焦点距離ｆの関係は、
Ｈ／２＝ｔａｎ（ω／２）×ｆ
で一義的に決まることとなる。実際には表示素子の大きさにしたがって、プリズムの長さと形状が決められるため、観察画角の大きさの自由度は小さい。しかしながら、中間像をプリズム内に形成し、その中間像をプリズム外部に結像させるようにすることで、光学系全体の仕様をより自由に決めることが可能となる。

例えば、画像表示装置Ｐの場合には、プリズム内の中間像の大きさを変化させることで、観察画角を制御することが可能となる。物体である画像表示素子２の中間像は２次物体であるため、中間像を大きくすることはＨが大きくなるのと等価である、したがって、上式からも容易に画角２ωを変化させることができることがわかる。

ちなみに、この場合の焦点距離は一次像形成までの部分（焦点距離ｆ１）と、１次像を略無限に投影する部分（焦点距離ｆ２）の２つの光学系の合成と考えられ、全体の光学系の焦点距離ｆｚは、二つの光学系の間の距離をΔとして、ｆｚ＝ｆ１×ｆ２/Δで与えら
れる。（本光学系の場合、２つの光学系に分離し、それぞれの主点位置を特定することは困難であるため、Δを特定することはできない）

上記の中間像を２次物体（物体高Ｈ’）として捉えると、２次物体を観察者眼球に投影するだけの光学系となり、上記式は、
Ｈ’／２＝ｔａｎ（ω’／２）×ｆ１
となる（ただし、ω’はこの場合の画角）。変形すると、
ω’＝２・ａｒｃｔａｎ（Ｈ’／（２・ｆ１)）
となる。例えば、Ｈ’を大きく、ｆ２を小さくすることによってω’は大きくなり、広い画角を実現できる。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、光が入射或いは射出する面のうち１面は少なくとも１回の透過作用と２回の内部反射作用を有することが好ましい。

光が入射或いは射出する面とは、表示装置として用いるときは光の射出面、撮像装置として用いるときは入射面として透過作用を有する面のことであり、その面は内部で反射する作用も同時に有する面とすることで、その透過領域とプリズム内部における反射領域をオーバーラップさせることができ、さらに内部反射を２回とすることで、１つの面で２回の反射をさせるため、面のつなぎ目を意識せずに２つの反射領域をオーバーラップさせることが可能である。したがって、プリズム自体をコンパクトにすることが可能であり、装置の小型軽量化に有効に作用する。

このような構成によれば、プリズム光学系１がコンパクトな形状となり、画像表示装置Ｐの場合には装着者の違和感や煩わしさを軽減する。また、撮像装置の場合には、装置全体の小型軽量化に貢献する。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、前記入射あるいは射出する面のうち１面の少なくとも１回の内部反射は全反射作用を用いることが好ましい。

第１面の内部反射を全反射面とすることで、第１面は反射コートをしなくても内部反射をすることができる。全反射する領域は透明なため、光は透過できるので、第１面を入射面または射出面として用いる場合に、ハーフミラーコーティング、ＨＯＥなどの特殊な手段を講じる必要がない。さらに、全反射なので、反射率は略１００％であり、金属コートに比べて反射率が高いため、全体の効率の低下を抑制することが可能となる。

このような構成によれば、プリズムを製造する場合に特殊なコーティング等が必要無く、低いコストで製造できる。さらに、反射率が高いため、効率がよく、省エネルギーな装置とすることができる。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、光が入射あるいは射出する面に対向する面は、１つの面で構成されることが好ましい。

このような構成によれば、プリズムの１面が外観的になめらかな１面で構成することが可能となる。画像表示装置Ｐの場合には、この面を外側に配備されるため、外観上の違和感の少ない形状とすることが可能となる。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、画像を表示する画像表示面２から射出した光が前記プリズム光学系１に入射し、その後前記プリズム光学系１から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、前記プリズム光学系１に入射し、前記プリズム光学系１から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、前記第１面を透過し、前記プリズム光学系１から射出するように構成され
ていることが好ましい。

上記のような光学面の構成のプリズム光学系１によれば、図１のようにプリズムは第１面と第２面の面内で多重反射をすることになり、非常に小さい素子でありながら実際の光路長を長くすることが可能となる。また、プリズム形状は曲面を有する略棒状になり、後述する眼鏡のガラスの外形状に沿った形状にすることも可能となる。さらに、眼鏡のフレームの一部として使用することも可能である。

このように、光学素子が小さく、略棒状にしたために、画像観察装置観察者の眼球前方に配備する場合には、観察者の外界視野の妨げる面積を小さくすることができる。

さらに、プリズムは第１面にて２回の内部反射を行い、その前後で、第２面で３回の内部反射を行うようにしたため、第２面の傾きを適切な角度にすることで画像表示素子２を所望の角度に配置することができる。また、第１面の傾きを適切な角度にすることによって観察者眼球の設定を所望の位置、角度にすることができる。したがって、このような構成のプリズム光学系１によると観察者に対して邪魔にならないように、ある程度自由な相対位置、相対角度で画像表示素子２を設置できる。

このような構成によれば、ユーザーはシースルー観察において外界視野の死角をなくすことができ、画像表示素子２が邪魔にならないように出来るため、より快適に装着して使用することができる。さらに、形状の自由度が高いことで、本発明のプリズム光学系１を眼鏡のフレームの一部として用いることができ、画像表示装置Ｐを装着した人を客観的に見て違和感の無いものにすることが可能である。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、前記プリズム光学系１に入射する軸上主光線と、前記プリズム光学系１から射出する軸上主光線のなす角度をαとすると、
０°≦ α ≦ ６０°
を満たすようにすることが好ましい。

画像表示素子２の中心から射出する軸上主光線とプリズムから射出し、観察者瞳孔中心に到達する軸上主光線によって出来る角度αは上記範囲に設定されることが望ましい。単眼で画像表示装置Ｐを観察する観察者にとって、表示画面の位置は正面より外側であることにより、正面の外界視野を妨げることないため、外界の視認性を高い状態を維持しつつ、電子画像を観察したいときには眼球を外側にすることで観察することが可能である。

画像表示素子２が眼鏡テンプル部に取り付く場合には、表示面を略正面に向けて配備されるが、観察者が眼鏡を装着するときテンプル部は外側に若干開くため、表示素子から射出する軸上主光線もある角度を持ってプリズムに入射することを考慮すると、入射光の軸上主光線と、射出光の軸上主光線のなす角度は上述の範囲で設定されることが望ましい。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、プリズム光学系１の入射面と射出面は同一面であることが好ましい。

プリズム光学系１の入射面と射出面は同一面であることにより、プリズムは同一面内に入射面と射出面とすることができるため、画像表示装置Ｐの場合には、画像表示素子２を観察者眼球と同じ向きに配備することができるため、眼鏡のテンプル部に画像表示素子２を観察者前方に向けて配備し、観察者の眼球にその画像表示素子２の画像を投影することが可能となる。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、入射面と射出面は異なる面であること
としてもよい。

プリズム光学系１の入射面と射出面は異なる面とすることで、入射面と射出面の向きを自由に設定できる。そのため、像面に直面する射出面の角度を自由に設定することによって、像面に対する主光線の入射角を設定することができ、例えば、画像表示装置Ｐの場合には、画像表示素子２の視野角特性に合わせて主光線の入射角を設定することが容易になる。さらに、このような構成によれば、テレセン性の制御ができるため、観察画面の周辺まで光量低下が抑制され、明るさの均一性の高い画面とすることができる。

また、本発明に係るプリズム光学系１において、光が入射する面あるいは射出する面に対向する面の一部が切り取られていることを特徴としている。さらに好ましくは、切り取られる部分が中間像近傍となるようにするとよい。

光学面の一部を切り取ることで、プリズム光学系１の軽量化を図ることが可能となる。さらに、切り取られる部分を中間像近傍とすることで、ゴースト、フレアーを制限し、鮮明な画像を観察、または撮像することが可能となる。

また、本発明に係る画像表示装置Ｐは、前記プリズム光学系１の第１面に対向して前記画像表示素子２を配備し、第１面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することとしている。

画像表示素子２から発した光は、プリズム入射面から入射し、少なくとも２面で５回の内部反射した後、第１面から光は略平行光となって射出し、観察者眼球の瞳孔に入射する。このような構成の画像表示装置Ｐによれば、観察者は拡大された虚像を観察することができる。

また、画像表示装置Ｐにおいて、前記プリズム光学系１の射出瞳は、第１面の射出窓近傍、または、第１面と観察者眼球の間に形成されることが好ましい。

表示素子の射出瞳をプリズム光学系１の第１面の射出窓近傍または第１面と観察者眼球の間に形成されることで、観察画像周縁の光束のケラレを小さくできる。

このような構成の画像表示装置Ｐによれば、観察者は画面の周辺まで鮮明な画像を観察することができる。

また、本発明に係る撮像装置は、前記プリズム光学系１の第１面に対向して撮像素子を配備し、第１面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備することで、外界像を撮像することとしている。

プリズムの第１面の下側近傍に円形の開口を持つ開口絞りを配備し、第１面に対向してＣＣＤ等の撮像素子を配備することで、開口絞りを通過しプリズムの第１面から入射した光は、第１面、第２面で５回の内部反射をして第１面から射出して撮像素子に到達し、光は集光させることができ、小型軽量化された撮像装置を実現することができる。

以下、実施例に基づいて本実施形態のプリズム光学系１について説明する。

具体的な構成パラメータは後記するが、プリズム光学系１の構成パラメータは、図１に示すように、観察者の観察位置、すなわち、眼球３が配置される位置付近に設定された仮想面ｒ１を通る中心光線Ａが、プリズム光学系１を経て画像表示素子２に向かう逆光線追跡の結果に基づくものである。

図１に示すように、プリズム光学系１から射出される中心光線Ａは、観察位置にて観察されることで、プリズム光学系１の右側に逆光線追跡における虚像面（逆光線追跡でいう物体面）を形成する。ここでは、虚像面から射出側に１ｍ離れた位置に仮想面ｒ１を設定し、仮想面ｒ１と中心光線Ａの交点を原点Ｏとしている。さらに、原点Ｏからプリズム光学系１側へ向かう中心主光線の方向をＺ軸正方向とし、原点Ｏから画像表示素子２側でＺ軸に直交する方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系１の原点Ｏの中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（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、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

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、面の曲率半径、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。

また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

また、本発明にかかる実施形態で用いられる自由曲面の面の形状は、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸とする。
Ｚ＝（ｒ² ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）² ｝］
∞
＋Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙⁿ ・・・（ａ）
^j=1
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。

球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）
である。

自由曲面項は、
₆₆
Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙ^n
j=1
＝Ｃ₁
＋Ｃ₂ Ｘ＋Ｃ₃ Ｙ
＋Ｃ₄ Ｘ² ＋Ｃ₅ ＸＹ＋Ｃ₆ Ｙ²
＋Ｃ₇ Ｘ³ ＋Ｃ₈ Ｘ² Ｙ＋Ｃ₉ ＸＹ² ＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₂Ｘ³ Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ² Ｙ² ＋Ｃ₁₄ＸＹ³ ＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵ ＋Ｃ₁₇Ｘ⁴ Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³ Ｙ² ＋Ｃ₁₉Ｘ² Ｙ³ ＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶ ＋Ｃ₂₃Ｘ⁵ Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴ Ｙ² ＋Ｃ₂₅Ｘ³ Ｙ³ ＋Ｃ₂₆Ｘ² Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵ ＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷ ＋Ｃ₃₀Ｘ⁶ Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵ Ｙ² ＋Ｃ₃₂Ｘ⁴ Ｙ³ ＋Ｃ₃₃Ｘ³ Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ² Ｙ⁵ ＋Ｃ₃₅ＸＹ⁶ ＋Ｃ₃₆Ｙ⁷
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは１以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ₂ 、Ｃ₅ 、Ｃ₇ 、Ｃ₉ 、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ₃ 、Ｃ₅ 、Ｃ₈ 、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、Ｃ₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。

また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、対称面を１面のみ有する回転非対称な面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることはいうまでもない。

図１は本発明の実施形態に係るプリズム光学系１を用いた画像表示装置Ｐの概念図である。

実施例１のプリズム光学系１は、図１に示すように、入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、プリズム内にて中間像を形成し、その中間像をプリズムの外部に結像することとしている。

また、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第１面１１に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。

次に、本発明のプリズム光学系１に係る実施例１について説明する。

実施例１のプリズム光学系１を備えた画像表示装置ＰのＹ−Ｚ断面図を図２に、Ｘ−Ｚ断面図を図３に、光学系全体の横収差図を図４及び図５に示す。

実施例１の画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１と、画像表示素子２とを有する。

プリズム光学系１は、光学作用を有する２面の連続した光学面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、２回の透過作用と２回の内部反射を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、２回の内部反射作用を有する。また、第１面１１の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。

実施例１では、第１面１１、第２面１２の両方が回転非対称面としての自由曲面として形成している。

逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第１面１１（ｒ３）を透過してプリズム光学系１に入射し、第２面１２（ｒ４）で内部反射し、第１面１１（ｒ５）で再び内部反射し、第２面１２（ｒ６）で再度内部反射し、第１面１１（ｒ７）で再度内部反射し、第２面１２（ｒ８）で再々度内部反射し、第１面１１（ｒ９）を透過してプリズム光学系１から射出される。プリズム光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。

また、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１に光が入射する入射面としての第１面１１（ｒ９）に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第１面１１（ｒ３）に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。

実施例２のプリズム光学系１を備えた画像表示装置Ｐの構成を図６に、Ｙ−Ｚ断面図を図７に、Ｘ−Ｚ断面図を図８に、光学系全体の横収差図を図９及び図１０に示す。

実施例２の画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１と、画像表示素子２とを有する。

プリズム光学系１は、光学作用を有する３面の光学面を用いて形成されている。第１面１１は、画像表示素子２に対向して配置され、１回の透過作用と２回の内部反射作用を有する。また、第２面１２は、第１面１１に対して画像表示素子２とは反対側に配置され、３回の内部反射作用を有する。第３面１３は、第２面１２に対向し、画像表示素子２側に配置され、１回の透過作用を有する。また、第１面１１の透過面付近には射出瞳Ｓが設けられている。

この実施例２では、第１面１１、第２面１２、第３面１３を回転非対称面としており、第１面１１は、射出面と２回の内部反射面を兼ね、第２面１２は、３回の内部反射面として機能し、第３面１３は入射面として機能する。

逆光線追跡において、射出瞳Ｓを通過した光束は、第１面１１（ｒ３）を透過してプリズム光学系１に入射し、第２面１２（ｒ４）で内部反射し、第１面１１（ｒ５）で再び内部反射し、第２面１２（ｒ６）で再度内部反射し、第１面１１（ｒ７）で再度内部反射し、第２面１２（ｒ８）で再々度内部反射し、第３面１３（ｒ９）を透過してプリズム光学系１から射出される。プリズム光学系１から射出された光束は、画像表示素子２に入射する。

また、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１に光が入射する入射面としての第３面１３に対向して画像表示素子２を配置し、光が射出する面の透過領域としての第１面１１に対向して観察者の眼球３を配備することで、観察者に拡大した虚像を呈示する。

以下に、上記実施例１、２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。

実施例１
画角 ：水平 6.84°垂直 9.12°

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
r1 ∞（仮想面）
r2 ∞（射出瞳） 偏心(1)
r3 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
r4 FFS[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
r5 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
r6 FFS[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
r7 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
r8 FFS[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
r9 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
像 面 ∞ 偏心(4)

FFS[1]
Ｃ4 -4.097e-002 Ｃ6 2.797e-003 Ｃ8 -1.021e-003
Ｃ10 2.852e-005 Ｃ11 -6.159e-004 Ｃ13 -3.355e-005
Ｃ15 -4.324e-006 Ｃ17 3.462e-006 Ｃ19 2.193e-007
Ｃ21 -2.226e-007 Ｃ22 3.358e-005 Ｃ24 1.043e-006
Ｃ26 2.298e-007 Ｃ28 2.873e-009

FFS[2]
Ｃ4 -2.854e-002 Ｃ6 -1.554e-002 Ｃ8 -1.861e-003
Ｃ10 -9.123e-004 Ｃ11 -3.462e-004 Ｃ13 -1.594e-004
Ｃ15 -3.945e-005 Ｃ17 -8.232e-006 Ｃ19 -2.028e-006
Ｃ21 -7.821e-007 Ｃ22 8.407e-006 Ｃ24 1.641e-009
Ｃ26 7.859e-008 Ｃ28 -3.656e-009

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 20.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 13.35 Ｚ 23.84
α -17.83 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 19.19 Ｚ 33.24
α -19.17 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 34.85 Ｚ 19.26
α -12.57 β 0.00 γ 0.00

実施例２
画角 ：水平 6.84°垂直 9.12°

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.00
r1 ∞（仮想面）
r2 ∞（射出瞳） 偏心(1)
r3 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
r4 FFS[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
r5 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
r6 FFS[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
r7 FFS[1] 偏心(2) 1.5254 56.2
r8 FFS[2] 偏心(3) 1.5254 56.2
r9 FFS[3] 偏心(4) 1.5254 56.2
像 面 ∞ 偏心(5)

FFS[1]
Ｃ4 -1.217e-002 Ｃ6 5.572e-003 Ｃ8 -1.257e-003
Ｃ10 -3.312e-005 Ｃ11 1.245e-004 Ｃ13 -1.277e-004
Ｃ15 -6.142e-006 Ｃ17 6.123e-005 Ｃ19 -2.452e-006
Ｃ21 1.608e-007 Ｃ22 3.857e-005 Ｃ24 1.679e-006
Ｃ26 6.144e-008 Ｃ28 1.729e-008

FFS[2]
Ｃ4 -2.035e-002 Ｃ6 -1.492e-002 Ｃ8 -1.879e-003
Ｃ10 -9.249e-004 Ｃ11 -2.082e-004 Ｃ13 -1.320e-004
Ｃ15 -3.946e-005 Ｃ17 -8.566e-006 Ｃ19 -2.398e-006
Ｃ21 -7.783e-007 Ｃ22 1.605e-005 Ｃ24 -3.599e-007
Ｃ26 8.955e-009 Ｃ28 -3.586e-009

FFS[3]
Ｃ4 -2.463e-002 Ｃ6 -7.680e-003 Ｃ8 -1.859e-003
Ｃ10 -1.639e-003 Ｃ11 -3.787e-004 Ｃ13 -6.550e-004
Ｃ15 -9.815e-004 Ｃ17 7.054e-006 Ｃ19 -1.161e-003
Ｃ21 1.416e-004 Ｃ22 1.524e-004 Ｃ24 -9.199e-005
Ｃ26 -1.939e-004 Ｃ28 4.349e-005

偏心[1]
7Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 20.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 13.83 Ｚ 22.99
α -16.26 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 19.46 Ｚ 32.03
α -17.89 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 31.27 Ｚ 27.97
α -10.20 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 34.18 Ｚ 14.79
α -12.15 β 0.00 γ 0.00

図１１は、実施例２の変形例を示した模式図であって、プリズム光学系１から第２面１２を
含んだ部分Ｅを切り取った形状としている。このように、プリズム光学系１から光路に寄与しない部分を切り取った形状とするにより軽量化を図ることが可能となる。

さらに、プリズム光学系１の内部に形成された中間像が形成される位置近傍で絞りを付けたような切り取り形状とすることで、図示した光線経路以外の光、所謂迷光を制限することが可能となる。このような形状のプリズム光学系１によれば、ゴースト、フレアーが制限されるため、鮮明な画像を観察、または撮像することが可能となる。なお、このような形状のプリズム光学系１の製造方法としては、製造したプリズム光学系１から部分Ｅを切り取ることとしてもよいし、予め部分Ｅが切り取られたプリズム光学系１を製造することとしてもよい。

図１２は、プリズム光学系１を用いた画像表示装置Ｐの基本構成を示す模式図である。

本実施形態の画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１と画像表示素子２とを用いることで、小型軽量、低コスト化が可能でかつ、装着した人が客観的に違和感の少ない画像表示装置Ｐを提供することを目的としている。

本実施形態の画像表示装置Ｐは、画像表示素子２として液晶表示素子を用いている。液晶表示素子を用いる場合、光源としてのバックライトＢＬが必要となる。本実施形態では、バックライトＢＬと画像表示素子２との間に照明レンズＬを有する。

本実施形態の画像表示装置Ｐは、このような構成により、画像表示素子２から射出された画像光を正のパワーを持つプリズム光学系１によって眼球方向に屈曲させるとともに、観察者が虚像として画像を観察することを可能とする。

また、射出部の近傍を開口絞りＳとなるよう機能させることで、プリズム光学系１自体を薄く細くしても映像を観察することができる。

さらに、画像表示素子２が液晶表示素子である場合には、バックライトＢＬが必要であり、照明の効率上、光源の像を射出窓近傍に位置させることが望ましい。

また、プリズム光学系１を眼球の正面方向よりもやや外側に配置することが好ましい。これにより、視界の正面をプリズム光学系１、あるいは、プリズム光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。また、光路を短くすることができ、プリズム光学系１をよりコンパクトにすることができる。

図１３は、プリズム光学系１を備えた画像表示装置Ｐを、眼鏡Ｇに装着した場合の上面図を示している。本実施形態では、画像表示装置Ｐは、プリズム光学系１、画像表示素子２、電装系３を主な構成要素としている。本実施形態では、観察者に対し画像表示装置Ｐを位置固定するため、眼鏡Ｇを流用することとしているが、画像表示装置Ｐの位置固定に
は、専用のものを用いるなど適宜手段を採用することができる。

電装系３は、画像表示素子２に対して映像を供給する。この電装系３には、バッテリーなどの電源部、映像コンテンツを記憶する記憶部、他の装置と通信するための通信部、あるいは、インターフェイス部などを備えて個構成される。本実施形態では、画像表示素子２と一体となって構成されており、眼鏡Ｇのテンプル部（つる）Ｇ１に対してクリップなどで固定される。

本実施形態では、プリズム光学系１、電装系３、画像表示素子２がユニット化されており、このユニットをテンプル部Ｇ１の下側に位置するようにクリップなどで眼鏡Ｇに固定している。なお、ユニット化を行うことなく、プリズム光学系１、電装系３、画像表示素子２の何れかを独立させ、それぞれを眼鏡Ｇに固定されることとしてもよい。

また、画像表示素子２に対するプリズム光学系１の配置位置を前後させることで視度調整を行うことが可能となり、観察者の視力に合わせた映像を提供することが可能となる。本実施形態では、図１２に矢印Ｔで示すように、画像表示素子２を含む電装系３の配置位置を前後させることで、プリズム光学系１との距離を変化させ視度調整することが可能となっている。

このような眼鏡Ｇに装着された画像表示装置Ｐにおいて、正面方向を向いた画像表示素子２から射出された画像光は、プリズム光学系１により瞳孔へ向けて射出される。プリズム光学系１は正のパワーを持ち、画像表示素子２の画像を拡大し、装着者は虚像として観察することができる。なお、画像表示素子２の中心から射出する第１の軸上主光線Ｂ１と、プリズム光学系１から射出され観察者の瞳孔中心に到達する第２の軸上主光線Ｂ２によって形成される角度αは０°〜６０°であることが望ましい。

図１３は、図１２に示す画像表示装置Ｐの装着の様子の側面図を示した図である。本実施形態では、ユニット化された画像表示装置Ｐは、テンプル部Ｇ１の下方にクリップなどで取り付けられている。観察者の正面方向を向いた画像表示素子２から水平に射出された軸上主光線は、プリズム光学系１によって斜め上方に射出され、観察者の眼球に入射する。

このように本実施形態のプリズム光学系１では、水平方向に照射された画像光を、観察者の斜め下方方向、すなわち、図３で説明したようにＸ−Ｚ面での角度を付与して観察者の眼球に入射させることが可能となり、プリズム光学系１を視界の正面よりも下方に配置することが可能となる。そのため、視界をプリズム光学系１、あるいは、プリズム光学系１にて投影される映像にて邪魔することがない。

図１４は、プリズム光学系を用いた画像表示装置Ｐの正面図、図１５、図１６は、プリズム光学系を用いた画像表示装置Ｐの側面図である。図１４に示すように、正面から見ると、プリズム光学系１が観察者の瞳Ｅに対向して配置され、観察者に拡大した虚像を呈示することが可能となる。

図１５に示すように、プリズム光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍ未満に設定すると、プリズム光学系１の上下から観察者の瞳Ｅにプリズム光学系１の後ろの風景を見ることが可能となり、シースルー効果を出すことができる。

また、図１６に示すように、プリズム光学系１の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を４ｍｍ以上にすると、長い縦幅により、上下方向のズレに対して許容範囲を広く
することができる。

本実施形態の画像表示装置Ｐは、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察すること（シースルー機能）を可能とするとともに、小型軽量・低コスト化が可能な眼鏡型画像表示装置を提案する。

また、本実施形態のプリズム光学系１は、画像表示素子２に代えて、図示しない撮像素子とともに用いることで、小型軽量で低コスト化が可能な撮像装置を提供することが可能である。

図１７に本実施形態のプリズム光学系を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の基本構成図を示す。撮像装置に本発明のプリズム光学系を適用する場合には、画像表示装置における射出瞳が入射瞳として作用し、瞳位置近傍に開口絞り４６を設ける。この開口絞り４６の開口を拡縮することで明るさの調整が行われる。さらに、表示素子の代わりにＣＣＤなどの撮像素子４４を配備する。

デジタルカメラ本体には、光を取り入れ、内部の汚れを防ぐことにもなる入射窓４７、スイッチ４２、シャッター４１、及び、操作、撮像の様子を確認するための背面表示パネル４３が装備されている。スイッチ４２をＯＮにしてシャッター４１を押すと、撮像素子４４に付属したシャッター（図示せず）が作動し、シャッタースピードで設定された時間の静止画を撮像素子４４で撮像し、画像記録メモリー４５に画像データが蓄積される。動画像を撮影する場合は、シャッターを開放にして撮像素子４４で取り込んだ動画像を画像記録メモリー４５に蓄積する。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…プリズム光学系
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
２…画像表示素子
３…電装系
４…デジタルカメラ（撮像装置）
４１…シャッター
４２…スイッチ
４３…背面表示パネル
４４…撮像装置（ＣＣＤ）
４５…画像記録メモリー
４６…開口絞り
４７…入射窓
Ｐ…画像表示装置
Ｇ…眼鏡
Ｇ１…テンプル部
Ｇ２…眼鏡レンズ

Claims (9)

1. 入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、
   前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、前記プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、前記プリズム内にて中間像を形成し、
   当該プリズム光学系は、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記プリズム光学系に入射し、その後前記プリズム光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、
   前記プリズム光学系に入射し、前記プリズム光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第１面、再び内部反射面である前記第２面、前記第１面を透過し、前記プリズム光学系から射出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系。
2. 入射する光束の軸上主光線に対して互いに偏心した少なくとも２面の光学面により形成される空間が屈折率１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、
   前記少なくとも２面の光学面は、回転非対称面であり、前記プリズム内において内部反射を５回行い、かつ、前記プリズム内にて中間像を形成し、
   当該プリズム光学系は、画像を表示する画像表示面から射出した光が前記プリズム光学系に入射し、その後前記プリズム光学系から射出し、射出瞳を形成して観察者の眼球に投影するとともに、
   前記プリズム光学系に入射し、前記プリズム光学系から射出するまでの光の経路に沿って順に、入射面である透過面の第１面、前記第１面に対向した内部反射面である第２面、前記第２面に対向した内部反射面である第３面、再び内部反射面である前記第２面、再び内部反射面である前記第３面、再び内部反射面である前記第２面、前記第３面を透過し、前記プリズム光学系から射出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系。
3. 前記入射あるいは射出する面のうち１面の少なくとも１回の内部反射は全反射作用を有することを特徴とする
   請求項１又は２に記載のプリズム光学系。
4. 光が入射あるいは射出する面に対向する面は、１つの面で構成されることを特徴とする
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプリズム光学系。
5. 前記プリズム光学系に入射する軸上主光線と、前記プリズム光学系から射出する軸上主光線のなす角度をαとすると、
   ０°≦ α ≦ ６０°
   を満たすことを特徴とする
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載のプリズム光学系。
6. 光が入射する面あるいは射出する面に対向する面の一部が切り取られていることを特徴とする
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載のプリズム光学系。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載のプリズム光学系を有し、
   前記プリズム光学系の前記第１面に対向して前記画像表示素子を配備し、
   前記第１面の透過領域に対向して観察者の眼球を配備させたとき、前記観察者に拡大した虚像を呈示することを特徴とする
   画像表示装置。
8. 前記プリズム光学系の射出瞳は、第１面の射出窓近傍、または、第１面と観察者眼球の間に形成されることを特徴とする
   請求項７に記載の画像表示装置。
9. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載のプリズム光学系を有し、
   前記第１面に対向して撮像素子を配備し、
   前記第１面の透過領域に前方近傍に開口絞りを配備し、
   外界像を撮像する
   ことを特徴とする撮像装置。

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