JPH08313829A

JPH08313829A - 光学装置

Info

Publication number: JPH08313829A
Application number: JP7120034A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takahashi; 高橋浩一
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1996-11-29
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JP3599828B2; US6317267B1; US6018423A; US5875056A; US6195207B1; US5701202A

Abstract

(57)【要約】【目的】広画角で明瞭に観察が可能であり、像の明る
さの低下がほとんど生ぜず、非常に小型軽量で疲労し難
い画像表示装置等の光学装置。【構成】画像表示素子６と、その像を観察者眼球１に
導くために設けられた接眼光学系７とを備えた光学装置
において、接眼光学系７が、画像表示素子６の像側から
順に入射面を形成する第３面５と、反射面と射出面とを
形成する第１面３と、反射面を形成する第２面４とを含
み、第１面３乃至第３面５が屈折率が１より大きい媒質
を挟んで一体形成されており、画像表示素子６から発し
た光線束は、第３面５で屈折して接眼光学系７に入射
し、第１面３で内部反射し、第２面４で反射されて、再
び第１面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位
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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学装置に関し、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
頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部又は顔面装着式画像表示装置の従来
の周知なものとして、特開平３ー１０１７０９号のもの
がある。図５０（ａ）に全体の光学系を、図５０（ｂ）
にその接眼光学系の部分を示すように、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。

【０００３】また、従来の他のタイプのものとして、米
国特許第４，６６９，８１０号のものがある。この装置
は、図５１に示すように、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。

【０００４】また、従来の他のタイプの画像表示装置と
して、特開昭６２ー２１４７８２号のものがある。この
装置は、図５２（ａ）、（ｂ）に示すように、画像表示
素子を接眼レンズで拡大して直接観察できるようにした
ものである。

【０００５】さらに、従来の他のタイプの画像表示装置
として、米国特許第４，０２６，６４１号のものがあ
る。この装置は、図５３に示すように、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。

【０００６】また、従来の他のタイプの画像表示素子と
して、米国再発行特許第２７，３５６号のものがある。
この装置は、図５４に示すように、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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５
０、図５１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、重量も重くなる。

【０００８】また、図５０（ａ）の接眼光学系のみの場
合は、図５０（ｂ）に示すように、観察者に対して凹面
を向けた反射面のみに正のパワーがあるため、図中、Ｐ
１に示されるような負の像面湾曲が大きく発生してしま
う。

【０００９】また、図５２のようなレイアウトでは、観
察者の顔面からの装置突出量が大きくなってしまう。さ
らに、画像表示素子と照明光学系がその突出した部分に
取り付けられることになり、装置はますます大きく、重
量も重くなってしまう。

【００１０】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。

【００１１】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、図５３に示すよう
に、発生した像面湾曲に合わせて湾曲した面を有する伝
達素子（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。

【００１２】一方、図５４に示すような、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。

【００１３】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
て明瞭に観察が可能であり、像の明るさの低下がほとん
ど生じることがなく、さらに、非常に小型軽量であるた
めに疲労し難い画像表示装置等の光学装置を提供するこ
とである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光学装置は、被観察像を形成する像形成手段と、前
記像を観察者眼球に導くために設けられた接眼光学系と
を備えた光学装置において、前記接眼光学系が、前記像
側から順に入射面を形成する第３面と、反射面と射出面
とを形成する第１面と、反射面を形成する第２面とを含
み、前記第１面乃至第３面が屈折率が１より大きい媒質
を挟んで一体形成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１５】この場合、像形成手段としては、物体像を
形成する全体として正の屈折力を有する対物レンズ系か
らなり、この対物レンズ系と上記接眼光学系との間に物
体像が形成され、ファインダー光学系として用いられる
もの、別の像形成手段としては、観察画像を形成する画
像表示素子からなり、画像表示素子と上記接眼光学系と
を観察者頭部に装着する装着手段を備えているものから
構成することができる。

【００１６】本発明の別の本発明の光学装置は、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
成された画像を投影し、観察者眼球に導く接眼光学系と
からなる光学装置において、前記接眼光学系は少なくと
も３つの面を持ち、前記少なくとも３つの面によって形
成される空間が屈折率が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向かって
順に、屈折面かつ内部反射面である第１面、前記第１面
に対向し、観察者視軸に対して偏心するかあるいは傾い
た正のパワーを有する反射面である第２面、前記画像表
示素子に最も近接している屈折面である第３面で構成さ
れ、前記少なくとも３つの面の中、少なくとも２つの面
は有限の曲率半径を有する面であることを特徴とするも
のである。

【００１７】本発明のさらに別の本発明の光学装置は、
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投影し、観察者眼球に導く接眼光
学系とからなる光学装置において、前記接眼光学系は、
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が屈折率が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
向かって順に、屈折面かつ全反射面である第１面、前記
第１面に対向し、観察者視軸に対して偏心するかあるい
は傾いた正のパワーを有する反射面である第２面、前記
画像表示素子に最も近接している屈折面である第３面で
構成され、前記少なくとも３つの面の中、少なくとも２
つの面は有限の曲率半径を有する面である偏心光学素子
と、屈折作用を有する少なくとも１つの光学面とを前記
画像表示素子から前記観察者眼球に至る光路中に配設し
てなることを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】以下に、上記の本発明の光学装置の作用につい
て説明する。この説明においては、画像表示装置に用い
る場合、光学系の設計上の利便性から観察者の瞳位置か
ら画像表示素子に向けて光線を追跡する逆光線追跡によ
って行う。

【００１９】本発明の基本的な構成は、被観察像を形成
する像形成手段と、前記像を観察者眼球に導くために設
けられた接眼光学系とを備えた光学装置において、前記
接眼光学系が、前記像側から順に入射面を形成する第３
面と、反射面と射出面とを形成する第１面と、反射面を
形成する第２面とを含み、前記第１面乃至第３面が屈折
率が１より大きい媒質を挟んで一体形成されていること
を特徴とするものである。この面番号の順は、観察者眼
球側から逆光線追跡の順によると、第１面、第２面、第
１面、第３面となる。

【００２０】このような構成をとった理由は、第１面〜
第３面がそれぞれ独立した光学素子とする場合、これら
を配置するときの角度や距離等に非常に高精度が求めら
れるため、組立が困難となり、生産性が低下する不具合
が生じる。そこで、第１面〜第３面を一体的（例えば、
プリズム）に形成し、組立を容易にし、生産性の向上を
図ることができる。

【００２１】ところで、このような接眼光学系に入射さ
せるための像形成手段として、物体像を形成する全体と
して正の屈折力を有する対物レンズ系からなり、この対
物レンズ系と接眼光学系との間に物体像を形成するもの
として、光学系をファインダー光学系として用いると、
一眼レフカメラ、観察光学系とファインダー光学系とが
別体に設けられたコンパクトカメラ、又は、フィルムに
代えて電子撮像素子を用いた電子カメラ等への利用が可
能になるものである。

【００２２】もちろん、像形成手段として、観察画像を
形成する画像表示素子を用い、画像表示素子と接眼光学
系とを観察者頭部に装着する装着手段を備えさせること
により、この光学装置を頭部装着式画像表示装置に適用
することができる。

【００２３】なお、上記接眼光学系は、屈折率が共に１
より大きくかつ相互に屈折率の異なった複数の媒質を接
合して形成することもでき、これは、色収差等の補正の
ために接合面をレンズ（プリズム）内に加えたものであ
り、組立の容易化を妨げることなく、収差補正を実現す
ることができる。

【００２４】さて、本発明においては、接眼光学系の第
１面、第２面及び第３面によって形成される空間を屈折
率が１より大きい媒質で満たし、さらに、３面の中、２
面を有限の曲率半径を有するようにしたことによって、
偏心して傾いた第２面で発生する球面収差とコマ収差及
び像面湾曲の補正を行うことが可能となり、広い射出瞳
径と広い観察画角を持つ明瞭な観察像を観察者に提供す
ることに成功したものである。

【００２５】一般に、凹面鏡では、凹面に強いパワーを
持たせることによってペッツバール和が大きくなり、正
の像面湾曲が発生する。また、内コマ収差が発生する。
第１面、第２面及び第３面によって形成される空間を屈
折率が１より大きい媒質で満たすことによって、瞳から
の光線が第１面において屈折されるため、軸外光線の主
光線及び従属光線の第２面に入射する高さを低く抑える
効果が得られる。それによって主光線の高さが低いた
め、第２面が大きくならず、接眼光学系を小型にするこ
とができる。あるいは、画角を広くとることが可能にな
る。また、従属光線高が低くなるために、第２面で発生
するコマ収差、特に高次コマ収差の発生を抑えることが
可能となる。

【００２６】接眼光学系の３面の中、２面を有限の曲率
半径とする場合において、第２面の他に第１面が有限の
曲率半径を有する面の場合であって第１面が正のパワー
を有する場合には、第１面で光線が屈折する効果が大き
いため、第２面に入射する光線高をより低くすることが
可能となる。この作用によって、第２面の凹面鏡で発生
する強い内コマ収差の発生を小さくすることができる。
第１面が負のパワーを有する場合には、第２面で反射し
た後、再び第１面で内部反射するときに第２面で発生す
るコマ収差及び像面湾曲の補正に有効な手段となる。

【００２７】第２面の他に第３面が有限の曲率半径を有
する面の場合、第３面に負のパワーを持たせることで、
特に第２面で発生する像面湾曲を補正することが可能と
なる。

【００２８】さらに、画像表示素子の観察像をリレー光
学系によって中間像として空中に実像を結像させ、接眼
光学系によって眼球に拡大投影するのではなく、画像表
示素子をそのまま拡大して観察者の眼球に投影するよう
にすることによって、観察者は拡大された画像表示素子
の画像を虚像として観察できるため、少ない光学素子数
で光学系を構成できる。また、構成する光学素子は、接
眼光学系の反射面である第２面が観察者の顔面の直前に
顔面のカーブに沿った形状で配備されるため、顔面から
の突出量は非常に小さくでき、小型で軽量な画像表示装
置を実現することができる。

【００２９】上記の第２面で反射した後の第１面での内
部反射を全反射とすることが、光学素子の大きさ、性能
上大変有効に作用する。以下に詳しく説明する。図４５
に本発明の光学装置の光路図を示す。同図（ａ）は第１
面３が全反射しない場合の接眼光学系、同図（ｂ）は第
１面３で全反射する場合の接眼光学系を示している。そ
れぞれの断面図において、図中、１は観察者瞳位置、２
は観察者視軸、３は接眼光学系の第１面、４は接眼光学
系の第２面、５は接眼光学系の第３面、６は画像表示素
子、７は接眼光学系である。また、図４５（ａ）におい
て、第１面３の内部反射領域Ｍにはミラーコートが施し
てあり、その他の領域は屈折する領域である。

【００３０】瞳１から出た光線は接眼光学系の第１面３
に入射して屈折されて凹面鏡である第２面４で反射し、
再び第１面３で内部反射する構成であるが、図４５
（ａ）のように、上側軸外光線Ｕの第２面４の反射高さ
と第２面４で反射した後の第１面３での反射高さの差が
大きければそれだけ接眼光学系７自体が長くなり、大型
化する。つまり、反射点の高さの差が小さければ小さい
程、接眼光学系７の大きさは小型にできる。言い換えれ
ば、同じ大きさの接眼光学系ならば、その反射点の高さ
の差が小さい程、観察画角を広くとることが可能にな
る。

【００３１】しかしながら、本発明の接眼光学系におい
て、図４５（ｂ）のように、上側光線Ｕの第２面４と第
１面３の反射高さの差を小さくすると、第１面３に入射
する下側光線Ｌよりも上で反射するため、第１面３が全
反射でない場合には、第１面３の屈折領域がミラーコー
ト領域Ｍ’と重なり、下側の光線Ｌが遮られてしまう。

【００３２】すなわち、第１面３での内部反射が全反射
する条件を満たしていれば、第１面３にミラーコートを
施す必要がないため、第２面４で反射後の上側光線Ｕと
第１面３に入射する下側光線Ｌが第１面３で干渉して
も、それぞれの光線は本来の作用ができることになる。

【００３３】また、偏心した凹面鏡である第２面４で
は、その反射角が大きくなればなる程コマ収差が大きく
発生するが、第１面３で全反射する場合には、第２面４
における反射角を小さくすることできるため、第２面４
でのコマ収差の発生を抑制する効果を得ることができ
る。

【００３４】なお、第１面３の内部反射が全反射条件を
満足しない場合には、第１面３の内部反射する領域Ｍに
おいてミラーコートされている必要がある。

【００３５】さらに、接眼光学系の第１面、第２面及び
第３面の何れか１面は、偏心非球面であることが収差補
正上有効である。特に、後記する座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
において、Ｙ方向に偏心又は視軸から傾いて配置される
第２面で発生するコマ収差、特に、高次コマ収差やコマ
フレアーを補正するために、これは重要な条件である。

【００３６】本発明のように、観察者眼球の前方に偏心
するかあるいは傾いた反射面を有するタイプの接眼光学
系を用いる画像表示装置においては、観察者の視軸上に
おいても反射面に入射する光線が斜めになるため、コマ
収差が発生する。このコマ収差は、反射面の傾き角が大
きくなるに従って大きくなる。しかしながら、小型で広
画角の画像表示装置を実現しようとすると、偏心量又は
傾き角をある程度大きくしないと、観察者の頭部と光
路、又は、画像表示素子と光路が干渉するため、広画角
な観察像を確保することが困難になる。そのため、広画
角で小型の画像表示装置になればなる程、反射面の傾き
角が大きくなり、コマ収差の発生を如何に補正するかが
重要な問題となる。

【００３７】このような複雑なコマ収差を補正するため
には、接眼光学系を構成する第１面、第２面、第３面の
何れか１面を偏心した非球面とすることで、光学系のパ
ワーを視軸に対して非対称な構成にすることができ、さ
らに、軸外においては非球面の効果を利用することがで
きるため、軸上を含めたコマ収差の補正を有効に行うこ
とが可能となる。

【００３８】さらに、接眼光学系の第１面、第２面及び
第３面の何れか１面はアナモフィック面であることが重
要である。つまり、Ｙ−Ｚ面内の曲率半径と、この面と
直交するＸ−Ｚ面内の曲率半径が異なる面であることで
ある。この条件は、第２面が視軸に対して偏心あるいは
傾いているために起こる収差を補正するための条件であ
る。一般に、球面が偏心していると、その面に入射する
光線は、入射面内と入射面に直交する面内で光線に対す
る曲率が異なる。このため、本発明のように観察者眼球
の前に反射面が視軸に対して偏心あるいは傾いて配置さ
れている接眼光学系では、観察画像中心にあたる視軸上
の観察像も、上記理由により非点収差が発生する。この
軸上の非点収差を補正するために、接眼光学系の第１
面、第２面及び第３面の何れか１面の曲率半径は入射面
内とこれと直交する面内において異なるものとすること
が重要になる。

【００３９】さて、観察者視軸を含む上下方向の面をＹ
−Ｚ面、この観察者視軸を含む左右方向の面をＸ−Ｚ面
と定義する場合、第２面のＹ−Ｚ面内における曲率半径
をＲ_y2、第２面のＸ−Ｚ面内における曲率半径をＲ_x2と
するとき、Ｒ_y2／Ｒ_x2≧１・・・・（１）を満たすことが好ましい。

【００４０】上記（１）式は、第２面が視軸に対して傾
いているために起こる収差、特に軸上を含む非点収差を
補正するための条件である。一般的に、画角が大きくな
ると、高次の非点収差が現れ、凸レンズ系では、子午像
は画角が大きくなると負の方向に大きくなり、球欠像は
正の方向に大きくなる。これらの非点収差を補正するた
めには、子午面内のパワーを小さくし、球欠面内のパワ
ーを大きくするような光学系の構成にすることが必要と
なる。したがって、１つの面における曲率半径ではＹ方
向を大きく、Ｘ方向を小さくすることになる。

【００４１】本発明の接眼光学系において、主な正のパ
ワーを持つ面は第２面の反射面であるため、他の面でＹ
−Ｚ面内の曲率半径とＸ−Ｚ面内の曲率半径に差を持た
せるよりも、第２面が（１）の条件を満たすことによっ
て、非点収差補正の効果を大きく持たせることが可能と
なり、収差補正上より好ましい。

【００４２】さて、第１面は、第２面に対して凸面を向
けた透過反射面であることが有効である。第２面は接眼
光学系全体の主な正のパワーを有する反射面であるた
め、上述したコマ収差の他に、像面湾曲も大きく発生し
ている。第１面を負のパワーを持つ面とすることで、第
２面で発生する内コマ収差とは逆のコマ収差をこの面で
発生させ、コマ収差を補正させることが可能である。さ
らに、第２面で発生する正の像面湾曲に対して、第３面
で負の像面湾曲を発生させて像面湾曲の補正も同時に行
うことが可能となる。

【００４３】また、第１面の内部反射を全反射とするた
めには、第１面での全ての光線の反射角が臨界角θ_r＝
ｓｉｎ^-1（１／ｎ）よりも大きいことが条件となる（た
だし、ｎは光学系の媒質の屈折率である。）。例えば、
ｎ＝１．５の場合は、θ_r＝４１．８１であり、それ以
上の反射角が必要である。以下、図４６を参照にして説
明する。図４６に第２面４で反射した後、第１面３で内
部反射する部分の説明図を示す。同図（ａ）は第１面３
が第２面４に向かって凹面の場合、同図（ｂ）は第１面
３が第２面４に向かって凸面の場合である。

【００４４】第２面４で反射後の光線は、それぞれの光
線はある角度をもって下側に反射される。図４６（ａ）
に示すように、第１面３が第２面４に対して凹面を向け
た反射面の場合、第１面３の法線Ｓは第２面４に対して
内側に向かう方向になる。第２面４で反射した下側光線
Ｌは第１面３の法線に沿った方向から入射するため、第
１面３での反射角γを大きくすることができない。つま
り、第１面３で反射した光線全てに対して全反射条件を
満たすことは困難である。逆に、図４６（ｂ）のよう
に、第１面３が第２面４に対して凸面の形状をしている
場合には、第１面３の法線Ｓ’は第２面４に対して外側
に発散する方向になるため、下側光線に対しても反射角
γ’を大きくする効果が得られ、広い画角において、第
１面３における全反射条件を満たすことが容易となる。

【００４５】また、接眼光学系の第１面及び第３面の何
れか１面は、視軸に対してティルトあるいはディセンタ
リングしていることが望ましい。第１面及び第３面の何
れか１面がティルトあるいはディセンタリングすること
により、視軸に対して画像表示素子側の画像とその反対
側の画像で非対称に発生するコマ収差の補正や、画像表
示素子を配置する面を第２面で反射後の光軸に対して略
垂直に配置することが可能となる。これは、視野角特性
の良くない画像表示素子を用いるときに有効となる。

【００４６】接眼光学系の第２面と視軸のなす角をαと
するとき、４０°＜α＜１１０° ・・・・（２）であることが望ましい。これは、本発明の画像表示装置
の接眼光学系と画像表示素子を適性な位置に配備するた
めの条件である。（２）式の下限の４０°を越えると、
反射後の光線は視軸に対して９０度以上の反射角を持っ
てしまうため、画面の上と下の軸外光線の結像位置が非
常に離れてしまい、現実的ではなくなる。逆に、上限の
１１０°を越えると、図４５で示されている上側光線Ｕ
が第２面で反射後視軸より上方向に反射されてしまうた
め、軸外光線の結像位置が反対方向となってしまう。

【００４７】また、画像表示素子の表示面は視軸に対し
て傾いて配備されていることが重要である。光学素子を
構成する屈折面あるいは反射面が偏心又は傾いている場
合、瞳からの光線は屈折面あるいは反射面での屈折角又
は反射角が像高によって異なり、像面が視軸に対して傾
くことがある。その場合、画像表示素子面を視軸に対し
て傾いて配備することで、像面の傾きを補正することが
可能となる。

【００４８】さて、より広画角な小型の画像表示装置に
なればなる程、最初の反射面である第２面の傾き角が大
きくなり、高次コマ収差の発生が増える。また、面の傾
きによって発生する非点収差も増大するため、第１面と
第２面及び第３面によって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ており、少なくとも３つの面
の中、少なくとも２面は有限の曲率半径を有する面であ
る偏心光学素子のみでは、これらの収差補正を十分に行
なうことが困難になってしまう場合がある。

【００４９】そのため、観察者眼球と画像表示素子の間
に、上述した偏心光学素子に加えて、屈折作用を有する
少なくとも１つの光学面を配備することによって、接眼
光学系で発生する収差の補正をより有効に行うことが可
能となる。

【００５０】本発明の偏心光学素子では、第２面とその
後の第１面の内部反射は反射面であるため、それらの面
で色収差は発生しない。また、画像表示素子に近接する
第３面における主光線は光軸に略平行であるため、色収
差の発生は少ない。したがって、接眼光学系の色収差
は、屈折面である第１面での色収差の発生が支配的にな
る。また、本発明のような広画角な光学系では、軸上の
色収差よりも倍率の色収差の方が顕著に現れる。つま
り、第１面で発生する倍率の色収差の補正を行うことが
重要であり、それによりより鮮明で高解像な画像を表示
することを可能とする。そのために、接眼光学系の構成
として、観察者眼球と画像表示素子の間に偏心光学素子
と屈折作用を有する少なくとも１つの光学面とを配備す
ることによって、接眼光学系を構成する光学素子を２種
類以上の媒質にすることができ、それらの媒質のアッベ
数の違いによって、倍率の色収差を補正することが可能
となる。

【００５１】上述したように、本発明の接眼光学系にお
いては、偏心光学素子の第１面で発生する色収差の補正
が重要である。上記の屈折作用を有する少なくとも１つ
の光学面が、第１面で発生する色収差量と略同等の逆の
色収差を発生させる面で構成されることによって、この
色収差の補正が可能となる。

【００５２】以下に、色収差の補正について詳しく説明
する。画像表示素子から観察者眼球に至る光路中に偏心
光学素子と屈折作用を有する少なくとも１つの光学面と
を配備することによって、接眼光学系の媒質を２つ以上
で構成することができる。その場合、媒質のアッベ数の
差異によって倍率の色収差を補正することが可能とな
る。例えば、偏心光学素子の第１面と第２面の間に光学
面を配備した場合であって、偏心光学素子が２つの媒質
で構成されている場合を考える。全体の焦点距離ｆ、第
１面側偏心光学素子の焦点距離、アッベ数をそれぞれｆ
₁、ν₁、第２面側偏心光学素子の焦点距離、アッベ数
をそれぞれｆ₂、ν₂とすると、光学系全体の色消し条
件は次式で与えられる。

【００５３】ｆ₁＝（ν₁−ν₂）×ｆ／ν₁ ｆ₂＝−（ν₁−ν₂）×ｆ／ν₂ 1/f=1/f₁＋１／ｆ₂ 接眼光学系の焦点距離ｆ及び第２面側偏心光学素子の焦
点距離ｆ₂は正であり、第１面側の焦点距離ｆ₁が負で
あるため、第１面側偏心光学系と第２面側偏心光学素子
のアッベ数の関係はν₁＜ν₂となる。つまり、この場
合の第１面側偏心光学素子は、アッベ数がより小さい媒
質を用いることで、色収差を良好に補正することが可能
となる。

【００５４】上述以外の場所に、少なくとも１つの光学
面が存在する場合におけるそれぞれの媒質のアッベ数の
設定は、上述した例に準じて、同様の方法で設定するこ
とができる。

【００５５】上記の少なくとも１つの光学面が、観察者
眼球と偏心光学素子の第１面の間に配設されている場合
で、光学素子と観察者眼球の間に正の屈折力を有する光
学面を配備する場合には、偏心光学素子の第２面での光
束径が小さくなるため、高次のコマ収差の発生が少なく
なり、画像表示画面周辺まで鮮明に画像を観察すること
ができる。また、画像周辺での主光線は、正の屈折力を
有する少なくとも１つの光学面によって屈折されるため
に、偏心光学素子に入射する光線高を低くすることがで
きるため、偏心光学素子のみの場合よりもさらに観察画
角を大きく設定することが可能となる。

【００５６】また、上記の少なくとも１つの光学面が、
偏心光学素子の第１面と第２面の間に配設された場合、
上述したように、偏心光学素子が第１面側と第２面側に
２種類の媒質で構成することになるため、色収差補正に
有効である。

【００５７】さらに、上記の少なくとも１つの光学面
が、偏心光学素子の第３面と画像表示素子との間に配設
されている場合、負のパワーを有するときは、画像表示
素子に最も近い位置であるため、光学素子で発生した像
面湾曲の補正を行なうことが可能である。

【００５８】上記の少なくとも１つの光学面を視軸に対
して偏心して配設することで、視軸に対して画像表示素
子側の画像とその反対側の画像との間で非対称に発生す
るコマ収差を補正し、画像表示素子を配置する面に対す
る光軸を略垂直にすることが可能となる。

【００５９】また、上記の少なくとも１つの光学面を接
合レンズで構成することによって、偏心光学素子で発生
する倍率の色収差を補正することができ、さらに鮮明で
広画角を確保する場合に有効である。

【００６０】また、上記の少なくとも１つの光学面と偏
心光学素子の向かい合った面を凹面とすることで空気レ
ンズが形成される。この場合、２面の負のパワーを有効
に利用できるため、光学系全体のペッツバール和を小さ
くすることができ、偏心光学素子の第２面で発生する像
面湾曲の補正を有効に行うことができる。

【００６１】なお、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に
よって、観察者は安定した観察像を観察することが可能
となる。

【００６２】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によって、観察者は自由な観察
姿勢や観察方向で画像を観察することが可能となる。

【００６３】また、光学装置の少なくとも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
右の画像表示面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。

【００６４】また、接眼光学系における画像表示素子面
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４８〜図４９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。

【００６５】

【実施例】以下に、本発明の光学装置を適用した画像表
示装置の実施例１から１１について、それぞれの単眼用
の画像表示装置の断面図である図１〜図１１を参照して
説明する。

【００６６】各実施例の構成パラメータは後記するが、
以下の説明において、面番号は、観察者の瞳位置１から
画像表示素子６へ向う逆追跡の面番号として示してあ
る。そして、座標の取り方は、図１に示すように、観察
者の虹彩位置１を原点とし、観察者視軸２を原点から接
眼光学系７に向かう方向を正とするＺ軸、観察者視軸２
に直交し、観察者眼球から見て上下方向の下から上を正
とするＹ軸、観察者視軸２に直交し、観察者眼球からみ
て左右方向の右から左を正とするＸ軸と定義する。つま
り、紙面内をＹーＺ面とし、紙面と垂直方向の面をＸ−
Ｚ面とする。また、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げ
られるものとする。

【００６７】そして、後記する構成パラメータ中におい
て、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面につい
ては、基準面である１面（瞳位置１）からのその面の面
頂のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量、及び、その面の中心
軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反
時計回りを意味する。なお、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θの
記載のない面は、その前の面と同軸であることを意味す
る。

【００６８】また、面間隔は、２面に関しては１面から
のＺ軸に沿う距離であり、その位置が基準点になり、そ
の基準点から偏心量Ｙの点が２面の面頂になる。同軸系
部分についてはその面から次の面までの軸上間隔であ
る。なお、面間隔は、光軸に沿って逆追跡の方向を正と
して示してある。

【００６９】また、各面において、非回転対称な非球面
形状は、その面を規定する座標上で、Ｒ_y、Ｒ_xはそれ
ぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内で
の近軸曲率半径、Ｋ_x、Ｋ_yはそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−
Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲはそれぞれＺ軸に対して
回転対称な４次、６次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰはそれ
ぞれＺ軸に対して回転非対称な４次、６次の非球面係数
とすると、非球面式は以下に示す通りである。

【００７０】Ｚ =［( Ｘ²/Ｒ_x)+ (Ｙ²/Ｒ_y) ］／［1+
｛ 1-(1+Ｋ_x) ( Ｘ²/Ｒ_x ²)-(1+Ｋ_y) ( Ｙ²/Ｒ_y ²)｝
^1/2］＋ＡＲ［ (1-ＡＰ) Ｘ²+( 1+ＡＰ) Ｙ²］²＋Ｂ
Ｒ［ (1-ＢＰ) Ｘ²+( 1+ＢＰ) Ｙ²］³ また、回転対称な非球面形状は、Ｒは近軸曲率半径、Ｋ
は円錐係数、Ａ、Ｂはそれぞれ４次、６次の非球面係
数、ｈはｈ²＝Ｘ²＋Ｙ²とすると、非球面式は以下に
示す通りである。Ｚ =（ｈ²/Ｒ）／［1+｛ 1-(1+Ｋ) ( ｈ²/Ｒ²)｝^1/2］
＋Ａｈ²＋Ｂｈ⁶ なお、面と面の間の媒質の屈折率はｄ線の屈折率で表
す。長さの単位はｍｍである。

【００７１】さて、以下に示す実施例は全て右眼用の画
像表示装置であり、左眼用は構成す光学要素を全てＹ−
Ｚ面に対称に配備することで実現できる。また、実際の
装置においては、接眼光学系によって光軸が屈曲する方
向は、観察者の上方あるいは下方、側方何れの方向にあ
ってもよいことは言うまでもない。

【００７２】それぞれの断面図において、図中、１は観
察者瞳位置、２は観察者視軸、３は接眼光学系の第１
面、４は接眼光学系の第２面、５は接眼光学系の第３
面、６は画像表示素子、７は接眼光学系、９は光学面で
ある。

【００７３】各実施例における実際の光線経路は、実施
例１を例にとると、次のようになる。すなわち、画像表
示素子６から発した光線束は、接眼光学系７の第３面５
で屈折して接眼光学系７に入射し、第１面３で内部反射
し、第２面４で反射されて、再び第１面３に入射して屈
折されて、観察者の瞳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。

【００７４】実施例１本実施例は、図１に断面を示すが、水平画角４０°、垂
直画角３０．６°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球
面であり、５面は球面である。

【００７５】実施例２本実施例は、図２に断面を示すが、水平画角４５°、垂
直画角３４．５°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、２、３、４面はアナモフィック非球
面であり、５面は平面である。

【００７６】実施例３本実施例は、図３に断面を示すが、水平画角４５°、垂
直画角３４．５°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、２、３、４、５面はアナモフィック
非球面である。

【００７７】実施例４本実施例は、図４に断面を示すが、水平画角３０°、垂
直画角２２．７°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、３面はアナモフィック非球面であ
り、２、４面は平面、５面は球面である。

【００７８】実施例５本実施例は、図５に断面を示すが、水平画角３０°、垂
直画角２２．７°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、３、５面はアナモフィック非球面で
あり、２、４面は球面である。

【００７９】実施例６本実施例は、図６に断面を示すが、水平画角３０°、垂
直画角２２．７°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、３面はアナモフィック非球面であ
り、２、４、５面は球面である。

【００８０】実施例７本実施例は、図７に断面を示すが、水平画角４５°、垂
直画角３４．５°、瞳経４ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、２、３、５、６、７面は球面、４面
はアナモフィック非球面、８面は回転対称な非球面であ
る。また、光学面９は、３面と５面と７面で定義されて
おり、接眼光学系（偏心光学素子）７の２面と４面の
間、４面と６面の間、６面と８面の間に視軸に対して偏
心して配備されている。

【００８１】実施例８本実施例は、図８に断面を示すが、水平画角４０°、垂
直画角３０．５°、瞳経８ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、２、３、４、６、７面は球面、５面
はアナモフィック非球面である。また、光学面９は、２
面と３面で定義された正レンズであり、接眼光学系（偏
心光学素子）７と観察者眼球の間に視軸に対して偏心し
て配備されている。

【００８２】実施例９本実施例は、図９に断面を示すが、水平画角３０°、垂
直画角２２．７°、瞳経８ｍｍである。後記する構成パ
ラメータにおいて、３、５、７面は球面、２、４、６面
はアナモフィック非球面である。また、光学面９は、３
面と５面で定義されており、接眼光学系（偏心光学素
子）７の２面と４面の間、４面と６面の間に視軸に対し
て偏心して配備されている。

【００８３】実施例１０本実施例は、図１０に断面を示すが、水平画角４５°、
垂直画角３４．５°、瞳経８ｍｍである。後記する構成
パラメータにおいて、５、６面は球面、２、３、４面は
アナモフィック非球面である。また、光学面９は、６面
で定義されており、接眼光学系（偏心光学素子）７の５
面と負レンズを形成して視軸に対して偏心して偏心光学
素子７に接合されている。

【００８４】実施例１１本実施例は、図１１に断面を示すが、水平画角３０°、
垂直画角２２．７°、瞳経４ｍｍである。後記する構成
パラメータにおいて、２、３、４、６、７面は球面、５
面はアナモフィック非球面である。また、光学面９は、
２面と第３面で定義された正レンズであり、接眼光学系
（偏心光学素子）７と観察者眼球の間に視軸に対して偏
心して配備されている。次に、上記実施例１〜１１の構
成パラメータを示す。

【００８５】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） 26.360 ２Ｒ_y-108.187 1.4922 57.50 Ｒ_x -73.105 Ｙ -24.028 θ -14.70° Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 5.54186×10^-7 ＢＲ 8.17563×10^-11 ＡＰ -0.0804376 ＢＰ -1.37947 ３Ｒ_y -69.871 1.4922 57.50 Ｒ_x -60.374 Ｙ 19.109 θ 36.66° Ｋ_y -0.136826 Ｚ 33.339 Ｋ_x -0.123306 ＡＲ -7.23291×10^-11 ＢＲ -4.52937×10^-12 ＡＰ 29.0752 ＢＰ -2.08536 ４Ｒ_y-108.187 1.4922 57.50 Ｒ_x -73.105 Ｙ -24.028 θ -14.70° Ｋ_y 0 Ｚ 26.360 Ｋ_x 0 ＡＲ 5.54186×10^-7 ＢＲ 8.17563×10^-11 ＡＰ -0.0804376 ＢＰ -1.37947 ５ 77.772 Ｙ -35.215 θ -47.77° Ｚ 18.817 ６（画像表示素子）（第１面より）Ｙ -30.892 θ -52.77° Ｚ 43.084 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.157 （２） α ＝ 53.34° 。

【００８６】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） 20.267 ２Ｒ_y-420.378 1.4922 57.50 Ｒ_x -99.789 Ｙ -49.262 θ -13.94° Ｋ_y 5.709616 Ｋ_x -2.785007 ＡＲ 5.37533×10^-7 ＢＲ -6.41106×10^-11 ＡＰ -0.422753 ＢＰ -0.455912 ３Ｒ_y-122.291 1.4922 57.50 Ｒ_x -69.335 Ｙ -34.556 θ 37.99° Ｋ_y 0.774787 Ｚ 24.367 Ｋ_x -0.104426 ＡＲ -1.82945×10^-9 ＢＲ 4.45272×10^-14 ＡＰ 5.40431 ＢＰ -1.13468 ４Ｒ_y-420.378 1.4922 57.50 Ｒ_x -99.789 Ｙ -49.262 θ -13.94° Ｋ_y 5.709616 Ｚ 20.267 Ｋ_x -2.785007 ＡＲ 5.37533×10^-7 ＢＲ -6.41106×10^-11 ＡＰ -0.422753 ＢＰ -0.455912 ５ ∞ Ｙ -33.816 θ -56.84° Ｚ 21.726 ６（画像表示素子）Ｙ -31.165 θ -50.91° Ｚ 38.433 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.764 （２） α ＝ 52.01° 。

【００８７】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） 19.657 ２Ｒ_y-178.469 1.4922 57.50 Ｒ_x -75.710 Ｙ -42.983 θ -19.56° Ｋ_y -4.700072 Ｋ_x -1.222689 ＡＲ 9.71232×10^-7 ＢＲ -1.79187×10^-10 ＡＰ -0.426826 ＢＰ -0.380615 ３Ｒ_y -81.632 1.4922 57.50 Ｒ_x -66.826 Ｙ 30.011 θ 40.46° Ｋ_y -0.070545 Ｚ 26.362 Ｋ_x -0.574123 ＡＲ 3.90381×10^-11 ＢＲ -2.95604×10^-14 ＡＰ -62.1044 ＢＰ 3.68602 ４Ｒ_y-178.469 1.4922 57.50 Ｒ_x -75.710 Ｙ -42.983 θ -19.56° Ｋ_y -4.700072 Ｚ 19.657 Ｋ_x -1.222689 ＡＲ 9.71232×10^-7 ＢＲ -1.79187×10^-10 ＡＰ -0.426826 ＢＰ -0.380615 ５Ｒ_y -78.809 Ｙ -28.629 θ -69.21° Ｒ_x -15.380 Ｚ 27.051 Ｋ_y -12.000 Ｋ_x -7.201382 ＡＲ -9.38885×10^-7 ＢＲ -3.46619×10^-9 ＡＰ -0.995315 ＢＰ 0.706461 ６（画像表示素子）Ｙ -30.077 θ -55.73° Ｚ 38.578 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.222 （２） α ＝ 49.54° 。

【００８８】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） 35.674 ２ ∞ 1.4870 70.40 Ｙ 4.942 θ 15.45° ３Ｒ_y-166.785 1.4870 70.40 Ｒ_x-129.798 Ｙ -2.361 θ 30.67° Ｋ_y 0.644353 Ｚ 64.642 Ｋ_x -3.574565 ＡＲ -1.34076×10^-7 ＢＲ -6.16761×10^-13 ＡＰ -0.140999 ＢＰ -6.05079 ４ ∞ 1.4870 70.40 Ｙ 4.942 θ 15.45° Ｚ 35.674 ５ 92.827 Ｙ -21.834 θ -50.80° Ｚ 78.827 ６（画像表示素子）Ｙ -44.030 θ -8.14° Ｚ 74.025 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.285 （２） α ＝ 59.33° 。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） 32.614 ２ 359.756 1.4870 70.40 Ｙ 2.346 θ 9.84° ３Ｒ_y-173.440 1.4870 70.40 Ｒ_x-140.501 Ｙ -1.857 θ 29.87° Ｋ_y -8.751468 Ｚ 58.946 Ｋ_x 4.994003 ＡＲ 2.50178×10^-8 ＢＲ -1.79281×10^-14 ＡＰ -3.8616 ＢＰ 23.172 ４ 359.756 1.4870 70.40 Ｙ 2.346 θ 9.84° Ｚ 32.614 ５Ｒ_y -71.035 Ｙ -28.993 θ -50.31° Ｒ_x -30.258 Ｚ 64.366 Ｋ_y 0 Ｋ_x -4.016232 ＡＲ 1.64494×10^-5 ＢＲ -6.89738×10^-9 ＡＰ 0.757293 ６（画像表示素子）Ｙ -42.040 θ -9.06° Ｚ 63.493 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.234 （２） α ＝ 60.13° 。

【００８９】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） 31.861 ２ 624.447 1.4870 70.40° Ｙ 4.081 θ 12.08° ３Ｒ_y-205.155 1.4870 70.40 Ｒ_x-147.117 Ｙ -0.579 θ 31.42° Ｋ_y 5.070131 Ｚ 59.565 Ｋ_x -2.741334 ＡＲ -9.17885×10^-9 ＢＲ -4.90794×10^-13 ＡＰ 0.353607 ＢＰ -8.4008 ４ 624.447 1.4870 70.40 Ｙ 4.081 θ 12.08° Ｚ 31.861 ５ 62.779 Ｙ -30.891 θ -54.73° Ｚ 69.696 ６（画像表示素子）Ｙ -46.009 θ -6.40° Ｚ 71.400 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.395 （２） α ＝ 58.58° 。

【００９０】実施例７面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳） 25.798 ２ -96.979 1.7550 27.60 Ｙ 35.503 θ 19.41° ３ -371.916 1.7184 46.86 Ｙ 28.466 θ 1.64° Ｚ 34.179 ４Ｒ_y -73.443 1.7184 46.86 Ｒ_x -69.804 Ｙ -27.105 θ -5.80° Ｋ_y 0.36532 Ｚ 50.843 Ｋ_x -0.017813 ＡＲ 2.37314×10^-10 ＢＲ 3.61091×10^-12 ＡＰ -8.04115 ＢＰ 0.142633 ５ -371.916 1.7550 27.60 Ｙ 28.466 θ 1.64° Ｚ 34.179 ６ -96.979 1.7550 27.60 Ｙ 35.503 θ 19.41° Ｚ 25.789 ７ -371.916 1.7184 46.86 Ｙ 28.466 θ 1.64° Ｚ 34.171 ８Ｒ -64.000 Ｙ -5.065 θ -14.73° Ｋ 0.032998 Ｚ 55.928 Ａ -2.03599×10^-6 Ｂ 8.44986×10^-10 ９（画像表示素子）Ｙ -32.487 θ -42.92° Ｚ 46.354 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.052 （２） α ＝ 95.80° 実施例８面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳） 5.434 ２ -67.198 12.671 1.4870 70.40 Ｙ -28.840 θ -62.14° ３ -55.775 ４ -108.280 1.7095 47.70 Ｙ 23.401 θ 20.84° Ｚ 45.112 ５Ｒ_y -81.008 1.7095 47.70 Ｒ_x -76.504 Ｙ -20.800 θ 9.41° Ｋ_y 0.596647 Ｚ 73.513 Ｋ_x 0.2904 ＡＲ 6.598 ×10^-8 ＢＲ 7.20621×10^-12 ＡＰ -0.0350833 ＢＰ -0.148558 ６ -108.280 1.7095 47.70 Ｙ 23.401 θ 20.84° Ｚ 45.112 ７ -168.220 Ｙ -4.594 θ -33.61° Ｚ 96.768 ８（画像表示素子）Ｙ -44.345 θ -40.19° Ｚ 69.067 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.059 （２） α ＝ 80.59° 。

【００９１】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） 44.607 ２Ｒ_y-735.371 1.6792 51.00 Ｒ_x ∞ Ｙ -18.782 θ -7.75° Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ -1.57554×10^-8 ＢＲ 9.32392×10^-14 ＡＰ -1.67996 ＢＰ 0.122856 ３ -61.610 1.6682 32.23 Ｙ 18.019 θ 29.91° Ｚ 60.673 ４Ｒ_y-151.581 1.6682 32.23 Ｒ_x-170.090 Ｙ 23.479 θ 23.76° Ｋ_y -8.127909 Ｚ 62.324 Ｋ_x 1.633055 ＡＲ -5.16785×10^-8 ＢＲ 2.0965 ×10^-12 ＡＰ 0.595412 ＢＰ 0.638703 ５ -61.610 1.6792 51.00 Ｙ 18.019 θ 29.91° Ｚ 60.673 ６Ｒ_y-735.371 1.6792 51.00 Ｒ_x ∞ Ｙ -18.782 θ -7.75° Ｋ_y 0 Ｚ 44.607 Ｋ_x 0 ＡＲ -1.57554×10^-8 ＢＲ 9.32392×10^-14 ＡＰ -1.67996 ＢＰ 0.122856 ７ -290.903 Ｙ -40.650 θ -69.40° Ｚ 38.685 ８（画像表示素子）Ｙ -44.086 θ -35.00° Ｚ 77.749 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 0.891 （２） α ＝ 66.24° 。

【００９２】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） 27.648 ２Ｒ_y-127.773 1.7394 45.06 Ｒ_x -74.145 Ｙ -39.982 θ -19.01° Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 3.66126×10^-7 ＢＲ 1.819 ×10^-11 ＡＰ -0.356073 ＢＰ -0.699016 ３Ｒ_y -81.881 1.7394 45.06 Ｒ_x -68.040 Ｙ 28.434 θ 39.91° Ｋ_y -0.111977 Ｚ 37.099 Ｋ_x -0.354898 ＡＲ 5.28817×10^-12 ＢＲ -3.7857 ×10^-12 ＡＰ 37.4793 ＢＰ -0.751459 ４Ｒ_y-127.773 1.7394 45.06 Ｒ_x -74.145 Ｙ -39.982 θ -19.01° Ｋ_y 0 Ｚ 27.648 Ｋ_x 0 ＡＲ 3.66126×10^-7 ＢＲ 1.819 ×10^-11 ＡＰ -0.356073 ＢＰ -0.699016 ５ -21.067 1.567 1.7550 27.60 Ｙ -33.151 θ -59.68° Ｚ 46.009 ６ -66.347 ７（画像表示素子）Ｙ -36.167 θ -50.37° Ｚ 52.703 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.203 （２） α ＝ 50.09° 。

【００９３】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） 25.000 ２ 123.041 6.500 1.5940 61.72 Ｙ -24.800 θ 5.787° ３ -594.632 ４ 239.449 1.4870 70.40 Ｙ -6.355 θ 14.22 ° Ｚ 34.191 ５Ｒ_y-408.357 1.4870 70.40 Ｒ_x-239.896 Ｙ -11.547 θ 27.47° Ｋ_y -59.547081 Ｚ 63.131 Ｋ_x 29.562822 ＡＲ 2.289885 ×10^-7 ＢＲ 8.51773 ×10^-11 ＡＰ -0.538645 ＢＰ -0.20468 ６ 239.449 1.4870 70.40 Ｙ -6.355 θ 34.19° Ｚ 34.191 ７ 35.931 Ｙ -36.256 θ -31.36° Ｚ 52.780 ８（画像表示素子）Ｙ -36.901 θ -6.46° Ｚ 70.463 （１）Ｒ_y2／Ｒ_x2＝ 1.702 （２） α ＝ 62.53° 。

【００９４】次に、上記実施例１の横収差図を図１２〜
図１４に、同様に実施例２〜１１の横収差図をそれぞれ
図１５〜図１７、図１８〜図２０、図２１〜図２３、図
２４〜図２６、図２７〜図２９、図３０〜図３２、図３
３〜図３５、図３６〜図３８、図３９〜図４１、図４２
〜図４４に示す。これらの横収差図において、括弧内に
示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画
角における横収差を示す。

【００９５】以上、本発明の光学装置を画像表示装置に
適用した場合の実施例に基づいて説明してきたが、本発
明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が可能であ
る。本発明の光学装置を頭部装着式画像表示装置（ＨＭ
Ｄ）１３として構成するには、図４７（ａ）に断面図、
同図（ｂ）に斜視図を示すように、例えばヘッドバンド
１０を取り付けて観察者の頭部に装着して使用する。こ
の使用例の場合に、接眼光学系の第２面を半透過ミラー
（ハーフミラー）１２とし、このハーフミラー１２の前
方に液晶シヤッター１１を配備し、外界像を選択的に又
は画像表示素子６の映像と重畳して観察できるようにし
ている。

【００９６】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４８に斜
視図を示すように、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。このような
結像光学系として用いた場合の光学系の構成図を図４９
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による接眼光学系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、この対物光学系Ｌｔの観察者側
に設けられた４回反射のホロプリズムＰによって正立さ
れ、接眼レンズＯｃによって観察できる。

【００９７】以上の本発明の光学装置は、例えば次のよ
うに構成することができる。〔１〕被観察像を形成する像形成手段と、前記像を観
察者眼球に導くために設けられた接眼光学系とを備えた
光学装置において、前記接眼光学系が、前記像側から順
に入射面を形成する第３面と、反射面と射出面とを形成
する第１面と、反射面を形成する第２面とを含み、前記
第１面乃至第３面が屈折率が１より大きい媒質を挟んで
一体形成されていることを特徴とする光学装置。

【００９８】〔２〕前記像形成手段が、物体像を形成
する全体として正の屈折力を有する対物レンズ系からな
り、前記対物レンズ系と前記接眼光学系との間に前記物
体像が形成され、ファインダー光学系として用いられる
ことを特徴とする上記〔１〕記載の光学装置。

【００９９】〔３〕前記像形成手段が、観察画像を形
成する画像表示素子からなり、前記画像表示素子と前記
接眼光学系とを観察者頭部に装着する装着手段を備えて
いることを特徴とする上記〔１〕記載の光学装置。

【０１００】〔４〕前記接眼光学系が、屈折率が共に
１より大きくかつ相互に屈折率の異なった複数の媒質を
接合して形成されていることを特徴とする上記〔１〕か
ら〔３〕の何れか１項記載の光学装置。

【０１０１】〔５〕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投影し、観
察者眼球に導く接眼光学系とからなる光学装置におい
て、前記接眼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が屈折率が
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向かって順に、屈折面かつ内部反
射面である第１面、前記第１面に対向し、観察者視軸に
対して偏心するかあるいは傾いた正のパワーを有する反
射面である第２面、前記画像表示素子に最も近接してい
る屈折面である第３面で構成され、前記少なくとも３つ
の面の中、少なくとも２つの面は有限の曲率半径を有す
る面であることを特徴とする光学装置。

【０１０２】〔６〕前記第１面の内部反射は全反射で
あることを特徴とする上記〔５〕記載の光学装置。

【０１０３】〔７〕前記第１面の内部反射領域はミラ
ーコートされていることを特徴とする上記〔５〕記載の
光学装置。

【０１０４】〔８〕前記第１面、前記第２面及び前記
第３面の何れか１面は偏心非球面であることを特徴とす
る上記〔５〕から〔７〕の何れか１項記載の光学装置。

【０１０５】

〔９〕前記第１面、前記第２面及び前記
第３面の何れか１面はアナモフィック面であることを特
徴とする上記〔８〕記載の光学装置。

【０１０６】〔１０〕前記観察者視軸を含む上下方向
の面をＹ−Ｚ面、前記観察者視軸を含む左右方向の面を
Ｘ−Ｚ面と定義する場合、前記第２面のＹ−Ｚ面内にお
ける曲率半径をＲ_y2、前記第２面のＸ−Ｚ面内における
曲率半径をＲ_x2とするとき、Ｒ_y2／Ｒ_x2≧１・・・・（１）であることを特徴とする上記

〔９〕記載の光学装置。

【０１０７】〔１１〕前記第１面は前記第２面に対し
て凸面を向けた反射面であることを特徴とする上記
〔５〕又は〔６〕記載の光学装置。

【０１０８】〔１２〕前記接眼光学系の第１面及び第
３面の何れか１面は視軸に対してティルトあるいはディ
センタリングしていることを特徴とする上記〔１１〕記
載の光学装置。

【０１０９】〔１３〕前記接眼光学系の第２面と視軸
のなす角をαとするとき、４０°＜α＜１１０° ・・・・（２）であることを特徴とする上記〔１２〕記載の光学装置。

【０１１０】〔１４〕前記画像表示素子の表示面は前
記観察者視軸に対して傾いて配備されていることを特徴
とする上記〔１３〕記載の光学装置。

【０１１１】〔１５〕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投影
し、観察者眼球に導く接眼光学系とからなる光学装置に
おいて、前記接眼光学系は、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が
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向かって順に、屈折面か
つ全反射面である第１面、前記第１面に対向し、観察者
視軸に対して偏心するかあるいは傾いた正のパワーを有
する反射面である第２面、前記画像表示素子に最も近接
している屈折面である第３面で構成され、前記少なくと
も３つの面の中、少なくとも２つの面は有限の曲率半径
を有する面である偏心光学素子と、屈折作用を有する少
なくとも１つの光学面とを前記画像表示素子から前記観
察者眼球に至る光路中に配設してなることを特徴とする
光学装置。

【０１１２】〔１６〕前記少なくとも１つの光学面
は、前記第１面で発生する色収差量と略同等の逆の色収
差量を発生させる面で構成されていることを特徴とする
上記〔１５〕記載の光学装置。

【０１１３】〔１７〕前記少なくとも１つの光学面
は、前記観察者眼球と前記偏心光学素子の第１面の間に
配設されていることを特徴とする上記〔１５〕記載の光
学装置。

【０１１４】〔１８〕前記少なくとも１つの光学面
は、前記偏心光学素子の第１面と第２面の間に配設され
ていることを特徴とする上記〔１５〕記載の光学装置。

【０１１５】〔１９〕前記少なくとも１つの光学面
は、前記偏心光学素子の第３面と前記画像表示素子との
間に配設されていることを特徴とする上記〔１５〕記載
の光学装置。

【０１１６】〔２０〕前記少なくとも１つの光学面
は、前記観察者視軸に対して偏心していることを特徴と
する上記〔１５〕記載の光学装置。

【０１１７】〔２１〕前記少なくとも１つの光学面
は、接合面であることを特徴とする上記〔１５〕から
〔２０〕の何れか１項記載の光学装置。

【０１１８】〔２２〕前記少なくとも１つの光学面と
前記偏心光学素子は空気レンズを形成することを特徴と
する上記〔１５〕から〔２０〕の何れか１項記載の光学
装置。

【０１１９】〔２３〕前記画像表示素子と前記接眼光
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
有すること特徴とする上記〔５〕から〔２２〕の何れか
１項記載の光学装置。

【０１２０】〔２４〕前記画像表示素子と前記接眼光
学系を観察者頭部に対して支持する支持手段を有し、前
記観察者頭部に装着できるようにしたことを特徴とする
上記〔５〕から〔２３〕の何れか１項記載の光学装置。

【０１２１】〔２５〕前記光学装置の少なくとも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
する上記〔５〕から〔２４〕の何れか１項記載の光学装
置。

【０１２２】〔２６〕前記光学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を特徴とする上記
〔５〕から〔２２〕の何れか１項記載の光学装置。

【０１２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光学装置によると、広い観察画角で、非常に小型軽量
な画像表示装置、及び、新規な結像光学系を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例１の光路図である。

【図２】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例２の光路図である。

【図３】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例３の光路図である。

【図４】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例４の光路図である。

【図５】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例５の光路図である。

【図６】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例６の光路図である。

【図７】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例７の光路図である。

【図８】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例８の光路図である。

【図９】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した場
合の実施例９の光路図である。

【図１０】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した
場合の実施例１０の光路図である。

【図１１】本発明の光学装置を画像表示装置に適用した
場合の実施例１１の光路図である。

【図１２】本発明の実施例１の横収差図の一部である。

【図１３】本発明の実施例１の横収差図の残りの一部で
ある。

【図１４】本発明の実施例１の横収差図の残りの部分で
ある。

【図１５】本発明の実施例２の横収差図の一部である。

【図１６】本発明の実施例２の横収差図の残りの一部で
ある。

【図１６】本発明の実施例２の横収差図の残りの部分で
ある。

【図１７】本発明の実施例３の横収差図の一部である。

【図１８】本発明の実施例３の横収差図の残りの一部で
ある。

【図１９】本発明の実施例３の横収差図の残りの部分で
ある。

【図２０】本発明の実施例４の横収差図の一部である。

【図２１】本発明の実施例４の横収差図の残りの一部で
ある。

【図２２】本発明の実施例４の横収差図の残りの部分で
ある。

【図２３】本発明の実施例５の横収差図の一部である。

【図２４】本発明の実施例５の横収差図の残りの一部で
ある。

【図２５】本発明の実施例５の横収差図の残りの部分で
ある。

【図２７】本発明の実施例６の横収差図の一部である。

【図２８】本発明の実施例６の横収差図の残りの一部で
ある。

【図２９】本発明の実施例６の横収差図の残りの部分で
ある。

【図３０】本発明の実施例７の横収差図の一部である。

【図３１】本発明の実施例７の横収差図の残りの一部で
ある。

【図３２】本発明の実施例７の横収差図の残りの部分で
ある。

【図３３】本発明の実施例８の横収差図の一部である。

【図３４】本発明の実施例８の横収差図の残りの一部で
ある。

【図３５】本発明の実施例８の横収差図の残りの部分で
ある。

【図３６】本発明の実施例９の横収差図の一部である。

【図３７】本発明の実施例９の横収差図の残りの一部で
ある。

【図３８】本発明の実施例９の横収差図の残りの部分で
ある。

【図３９】本発明の実施例１０の横収差図の一部であ
る。

【図４０】本発明の実施例１０の横収差図の残りの一部
である。

【図４１】本発明の実施例１０の横収差図の残りの部分
である。

【図４２】本発明の実施例１１の横収差図の一部であ
る。

【図４３】本発明の実施例１１の横収差図の残りの一部
である。

【図４４】本発明の実施例１１の横収差図の残りの部分
である。

【図４５】本発明による光学装置の第１面の内部反射に
ついての説明図である。

【図４６】本発明による光学装置の第１面の形状と全反
射の関係の説明図である。

【図４７】本発明による頭部装着式画像表示装置の断面
図と斜視図である。

【図４８】本発明による光学装置を結像光学系として利
用した場合の構成図である。

【図４９】本発明による光学装置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。

【図５０】従来の１つの画像表示装置の光学系を示す図
である。

【図５１】従来の別の画像表示装置の光学系を示す図で
ある。

【図５２】従来のさらに別の画像表示装置の光学系を示
す図である。

【図５３】従来のもう１つの画像表示装置の光学系を示
す図である。

【図５４】従来のさらにもう１つ画像表示装置の光学系
を示す図である。

【符号の説明】

１…観察者瞳位置２…観察者視軸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…画像表示素子７…接眼光学系９…光学面１０…ヘッドバンド１１…液晶シヤッター１２…半透過ミラー（ハーフミラー）１３…頭部装着式画像表示装置（ＨＭＤ）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 …ホロプリズムＯｃ…接眼レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被観察像を形成する像形成手段と、前記
像を観察者眼球に導くために設けられた接眼光学系とを
備えた光学装置において、前記接眼光学系が、前記像側から順に入射面を形成する
第３面と、反射面と射出面とを形成する第１面と、反射
面を形成する第２面とを含み、前記第１面乃至第３面が
屈折率が１より大きい媒質を挟んで一体形成されている
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】前記像形成手段が、物体像を形成する全
体として正の屈折力を有する対物レンズ系からなり、前
記対物レンズ系と前記接眼光学系との間に前記物体像が
形成され、ファインダー光学系として用いられることを
特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】前記像形成手段が、観察画像を形成する
画像表示素子からなり、前記画像表示素子と前記接眼光
学系とを観察者頭部に装着する装着手段を備えているこ
とを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】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投影し、観察者眼
球に導く接眼光学系とからなる光学装置において、前記接眼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が屈折率が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
記画像表示素子に向かって順に、屈折面かつ内部反射面
である第１面、前記第１面に対向し、観察者視軸に対し
て偏心するかあるいは傾いた正のパワーを有する反射面
である第２面、前記画像表示素子に最も近接している屈
折面である第３面で構成され、前記少なくとも３つの面
の中、少なくとも２つの面は有限の曲率半径を有する面
であることを特徴とする光学装置。
【請求項５】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投影し、観察者眼
球に導く接眼光学系とからなる光学装置において、前記接眼光学系は、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が屈折率が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向かって順に、屈折面かつ全反射面
である第１面、前記第１面に対向し、観察者視軸に対し
て偏心するかあるいは傾いた正のパワーを有する反射面
である第２面、前記画像表示素子に最も近接している屈
折面である第３面で構成され、前記少なくとも３つの面
の中、少なくとも２つの面は有限の曲率半径を有する面
である偏心光学素子と、屈折作用を有する少なくとも１
つの光学面とを前記画像表示素子から前記観察者眼球に
至る光路中に配設してなることを特徴とする光学装置。