JPH11326820A

JPH11326820A - 観察光学系及びそれを用いた観察装置

Info

Publication number: JPH11326820A
Application number: JP10134934A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Hayakawa; 早川和仁
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1998-05-18
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】２つ以上の画像表示素子を使用して、小型、
軽量で、広画角、高解像で明るく観察画面周辺まで明瞭
に映像が観察可能な高性能な接眼光学系。【解決手段】第１画像表示素子３ａと第２画像表示素
子３ｂを含む画像表示手段と、観察者眼球側から順に、
透過と反射の作用を持つ第１面１１と、第１面１１に対
向して配置された少なくとも反射作用を有する第２ａ面
１２ａ並びに第２ｂ面１２ｂと、第１面１１と第２ａ面
１２ａの間に配置された少なくとも透過作用を有する第
３ａ面１３ａと、第１面１１と第２ｂ面１２ｂの間に配
置された少なくとも透過作用を有する第３ｂ面１３ｂと
の少なくとも５面で構成され、その少なくとも５面で囲
まれる空間内が屈折率１．３以上の媒質で満たされてな
るプリズム部材１を含んだ接眼光学系とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察光学系及びそ
れを用いた観察装置に関し、特に、広画角、高解像で映
像を観察することができる頭部装着式表示装置等のため
の観察光学系とそれを用いた観察装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】バーチュアルリアリティ用、あるいは、
一人で大画面の映像を楽しむことができるようにするこ
と等を目的として、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部装
着式表示装置の開発が進められている。

【０００３】従来、観察者の頭部装着式表示装置として
は、図１８に示すように、液晶表示装置等の２次元表示
素子５１の表示像を使用者の眼球の前面に４５度に傾斜
配置したハーフミラー５２で反射させ、ハーフミラー５
２のさらに前方に配置した凹面鏡５３でこれを拡大し、
この拡大された表示像を再びハーフミラー５２を通して
観察できるようにしたものが知られている（特開平３−
１８８７７７号）。なお、２次元表示素子５１は凹面鏡
５３の前側焦点位置近くに配置されている。

【０００４】このような頭部装着式表示装置の光学系は
厚みが大変大きくなる。また、小型の２次元表示素子５
１は画素数が十分ではないため、これを拡大して観察さ
れる映像は十分な解像力が得られないという問題もあ
る。

【０００５】また、２個以上の２次元表示手段を組み合
わせて観察画角を広くとることは以前から試みられてい
るが、米国特許第５，１５７，５０３号と独国特許第
４，１２７，９２４号のものは、観察者の頭部に装着で
きるような小型・軽量なものではなかった。また、特開
平６−３０８４２５号のものは、接眼光学系が凸レンズ
で構成されているために収差の発生が多く、さらに、観
察者の眼球位置がずれた場合の収差変化が大きく、眼幅
の異なる多くの観察者が安定して像を観察することがで
きなかった。

【０００６】このような状況において、本出願人は、特
願平９−４９００７号（未だ公開されておらず、公知で
はない。）において、２つ以上の画像表示素子を使用し
て、小型、軽量で、しかも、広画角、高解像で観察画面
周辺まで明瞭に映像が観察可能な観察光学系を提案し
た。これは、図１９に示すように、反射作用と透過作用
を有する第１面７１、反射作用と透過作用を有する第２
面７２、反射作用と透過作用を有する第３面７３の３面
からなるプリズム光学系６３と２つの画像表示素子６
４、６５から構成され、第１の画像表示素子６４を射出
した光線は、第３面７３から透過作用によりプリズム光
学系３内に入射し、第１面７１で反射作用により反射
し、第２面７２で反射作用により反射し、第１面７１で
透過作用により透過してプリズム光学系３から出て、瞳
６１に到達するように構成され、第２の画像表示素子６
５を射出した光線は、第２面７２から透過作用によりプ
リズム光学系６３内に入射し、第１面７１で反射作用に
より反射し、第３面７３で反射作用により反射し、第１
面７１で透過作用により透過してプリズム光学系６３か
ら出て、瞳６１に到達するように構成されている。

【０００７】このように２つの画像表示素子６４、６５
に表示された画像を１つのプリズム光学系６３に異なる
方向から入射させ、略同一の方向（観察者眼球位置）に
射出する構成にすることにより、特開平８−３２７９４
６号のように２つの画像表示素子と２つの光学系を並べ
て配置する方法に比べて、光学系を小型に構成すること
が可能となる。また、２つの光学系で構成する場合は、
その２つの光学系の境界部分での映像が光学系の保持部
材等により遮断され、滑らかに連続した観察像を観察す
ることが難しくなる。この問題も、１つの光学系で構成
することにより、滑らかな連続した観察像を観察するこ
とが可能となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記特願平９−４９０
０７号の観察光学系においては、画像表示素子６４、６
５に対向して配置された反射作用と透過作用を兼ね備え
た第２面７２、第３面７３に反射作用と透過作用を持た
せるために、半透過作用を持たせたミラーコーティング
をすることが重要となる。

【０００９】しかし、特願平９−４９００７号のような
光学系では、一方の画像表示素子６５からの光線に対し
て、第２面７２が透過面であり、第３面７３が反射面と
して機能するため、画像表示素子６４を発した光の１／
４の光量しか観察者眼球に届かず、暗い画像を観察する
ことになってしまう。明るい画像を観察しようとすると
照明を明るくしなければならず、消費電力が大きくなっ
てしまう。

【００１０】本発明は本出願人の提案にかかる上記の観
察光学系のこのような課題を解決するためになされたも
のであり、その目的は、２つ以上の画像表示素子を使用
して、小型、軽量で、しかも、広画角、高解像で明るく
観察画面周辺まで明瞭に映像が観察可能な高性能な接眼
光学系とそれを用いた観察装置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
明の接眼光学系は、透過型ないし反射型の第１画像表示
素子と第２画像表示素子を含む少なくとも２枚の画像表
示素子にて構成される画像表示手段と、観察者眼球側か
ら順に、透過と反射の作用を持つ第１面と、第１面に対
向して配置された少なくとも反射作用を有する第２ａ面
並びに第２ｂ面と、第１面と第２ａ面の間に配置された
少なくとも透過作用を有する第３ａ面と、第１面と第２
ｂ面の間に配置された少なくとも透過作用を有する第３
ｂ面との少なくとも５面で構成され、その少なくとも５
面で囲まれる空間内が屈折率１．３以上の媒質で満たさ
れてなるプリズム部材を含んだ接眼光学系とを有するこ
とを特徴とするものである。

【００１２】本発明のもう１つの接眼光学系は、観察画
像を表示する画像表示素子を含む画像表示手段と、前記
画像表示手段により表示された画像を観察者眼球に導く
接眼光学系とを有する観察光学系において、前記画像表
示素子が、第１の画像表示をする第１画像表示素子と、
第２の画像を表示する第２画像表示素子とを有し、前記
接眼光学系が、屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ
＞１．３）媒質を間に挟んで、透過作用及び／又は反射
作用を有する光学作用面を少なくとも５面備えたプリズ
ム部材を有し、前記プリズム部材の光学作用面が、前記
第１画像表示素子からの光を前記プリズム部材内部に入
射させる第３ａ面と、前記第３ａ面から入射した光をプ
リズム部材内部で反射させる第２ａ面と、前記第２画像
表示素子からの光を前記プリズム部材内部に入射させる
第３ｂ面と、前記第３ｂ面から入射した光をプリズム部
材内部で反射させる第２ｂ面と、前記第３ａ面及び前記
第３ｂ面から入射した各光をプリズム部材内部で反射さ
せる反射作用とプリズム部材外に射出する透過作用とを
併せ持つ第１面とを有することを特徴とするものであ
る。

【００１３】以下、本発明の上記構成、作用並びにその
構成をとる理由について説明する。本発明では、特願平
９−４９００７号の第２面の外側に第３面を新たに加え
て特願平９−４９００７号で第２面が兼ね備えていた反
射作用と透過作用を２面に分割する。図１に、本発明の
基本構成を示す。以下、本発明における光学系の説明に
は、設計の便宜上、虚像を物点、画像表示素子を像点と
する逆光線追跡として取り扱うものとする。

【００１４】まず、本発明の光学系を説明する上で基準
とする座標系について説明する。光学系１の入射瞳（実
際には射出瞳になる。）２中心を通り瞳面に垂直な方向
をＺ軸とし、瞳２から画像表示素子３ａ、３ｂ側に向か
う方向をＺ軸正方向とする。次に、入射瞳２面に平行、
かつ、紙面に平行な方向をＹ軸とし、紙面上方をＹ軸正
方向とする。入射瞳２面に平行で、かつ、紙面に垂直な
方向をＸ軸とし、紙面奥手方向をＸ軸正方向とする。こ
のとき、虚像の水平方向とＹ軸が、虚像の垂直方向とＸ
軸が一致する。

【００１５】入射瞳２を通った光は、光学系１の入射瞳
２と対向して配置された第１面１１を透過し、反射作用
を主とする第２ａ面１２ａ、第２ｂ面１２ｂで分割さ
れ、かつ、これらの面で反射して再び第１面１１に到達
する。第１面１１は、反射と透過の２つの作用を持たせ
ているので、第１面１１で反射した光は、第３ａ面１３
ａ、第３ｂ面１３ｂを透過しそれぞれ像面（実際には、
画像表示素子３ａ、３ｂの表示面）上に結像する。加え
て、第１面１１での反射作用は、全反射の原理を利用す
ることで第１面１１での反射による光量低下をなくする
ことが可能となる。このような構成をとることで、画像
表示素子３ａ、３ｂを発した光は光量を損失することな
く、入射瞳２に位置する観察者眼球まで到達することが
でき、明るい画像を観察者に提供することが可能であ
る。加えて、第２ａ面１２ａ、第２ｂ面１２ｂに反射作
用と透過作用とを有するようにした場合、第１面１１、
第２ａ面１２ａ、第２ｂ面１２ｂで発生する像面歪曲等
の収差を補正する補正光学系を、観察者眼球側から見て
光学系１の前方に配置することで、外界像と画像表示素
子３ａ、３ｂに表示された電子画像との両方を同時に観
察することが可能である。

【００１６】図１の構成において、実際の光線の進行
は、第１画像表示素子３ａを射出した光線は、第３ａ面
１３ａから透過作用により接眼光学系１を構成するプリ
ズム部材内に入射し、反射作用と透過作用を有する第１
面１１で反射作用により反射し、第２ａ面１２ａで反射
作用により反射し、今度は反射作用と透過作用を有する
第１面１１で透過作用により透過して、瞳２位置の観察
者眼球に到達する。

【００１７】また、第２画像表示素子３ｂを射出した光
線は、第３ｂ面１３ｂから透過作用により接眼光学系１
を構成するプリズム部材内に入射し、反射作用と透過作
用を有する第１面１１で反射作用により反射し、第２ｂ
面１２ｂで反射作用により反射し、今度は反射作用と透
過作用を有する第１面１１で透過作用により透過して、
瞳２位置の観察者眼球に到達する。

【００１８】このように２つの画像表示素子３ａ、３ｂ
に表示された画像を１つの接眼光学系１に異なる方向か
ら入射させ、略同一の方向（観察者眼球位置）に射出す
る構成にすることにより、特開平８−３２７９４６号の
ように２つの画像表示素子と２つの光学系を並べて配置
する方法に比べて、光学系を小型に構成することが可能
となる。また、２つの画像表示素子３ａ、３ｂに対して
１つの光学系１で接眼光学系を構成することにより、滑
らかな連続した観察像を観察することが可能となる。

【００１９】反射作用と透過作用を有する第１面１１
は、それぞれ２つの画像表示素子３ａ、３ｂからの光線
を反射する領域が重なっていることが好ましい。この反
射領域を重ねることによって、大きな画像表示素子３
ａ、３ｂを配置することができるため、広画角の観察像
を観察者に提供することが可能となる。

【００２０】さらに好ましくは、反射作用と透過作用を
有する第１面１１が反射作用を有するとき、１つの連続
した曲面で構成されていることが重要である。この第１
面１１を連続した曲面にすることによって、少なくとも
２つの画像表示素子３ａ、３ｂからの光線の反射領域を
重ねて配置しても、観察像が歪むことなく観察すること
が可能となるからである。

【００２１】また、さらに好ましくは、接眼光学系１は
観察者眼球に対向して配置された反射作用と透過作用を
持つ第１面１１、観察者視軸４に対して傾けて配置され
た少なくとも反射作用を有する第２ａ面１２ａ、第２ｂ
面１２ｂ、第１面１１と第２ａ面１２ａの間に配置され
た少なくとも透過作用を有する第３ａ面１３ａ、第１面
１１と第２ｂ面１２ｂの間に配置された少なくとも透過
作用を有する第３ｂ面１３ｂからなる空間を屈折率が
１．３以上の媒質によって満たされたプリズム光学系
（プリズム部材）で構成されることである。この場合に
は、反射作用と透過作用を有する第１面１１を透過する
ときに、光線を屈曲させ表示画角を大きくする作用を有
することにより、より小型で広画角の画像表示装置を構
成することが可能となる。

【００２２】さらに好ましくは、そのプリズム光学系１
の屈折率は１．４５以上で構成することにより、小型の
光学系を達成することが可能となる。また、屈折率を
１．５以上の透明媒質で構成するとより好ましい。さら
に、反射作用と透過作用を有する第１面１１における反
射作用は臨界角以上の反射角を有していることがより好
ましい。この場合は全反射することになるため、第１面
１１にハーフミラーコーティング等の特別なコーティン
グを施す必要がない。したがって、この面においては反
射率、透過率の低下がないため、明るい映像を観察者眼
球に投影することができる。さらに、この面の透過領域
と反射領域をオーバーラップさせることができるため、
光学系を小型に構成することが可能となる。

【００２３】また、少なくとも反射作用を有する第２ａ
面１２ａ、第２ｂ面１２ｂ、少なくとも透過作用を有す
る第３ａ面１３ａ、第３ｂ面１３ｂは、正のパワーを持
っていることが望ましい。この正のパワーによって、画
像表示素子３ａ、３ｂの映像を虚像として拡大して表示
させることが可能となる。また、焦点距離の短い光学系
１とすることが可能となり、広画角の接眼光学系１を構
成することが可能となる。

【００２４】さらに好ましくは、少なくとも反射作用を
有する第２ａ面１２ａ、第２ｂ面１２ｂ、少なくとも透
過作用を有する第３ａ面１３ａ、第３ｂ面１３ｂは、回
転非対称な面で構成することが好ましい。これは、第２
ａ面１２ａ、第２ｂ面１２ｂが観察者の前方に当たる視
軸４に対して傾いて配置されているからである。

【００２５】回転対称な光学系が偏心した場合、回転非
対称な収差が発生し、これを回転対称な光学系でのみ補
正することは不可能である。この偏心により発生する回
転非対称な収差は、像歪、像面湾曲、さらに、軸上でも
発生する非点収差、コマ収差、がある。図１５に偏心し
た凹面鏡Ｍにより発生する像面湾曲を、図１６に偏心し
た凹面鏡Ｍにより発生する非点収差を、図１７に偏心し
た凹面鏡Ｍにより発生するコマ収差を示す。本発明は、
上記の偏心により発生する回転非対称な収差の補正のた
めに回転非対称な面を光学系中に配置して、この回転非
対称な収差を補正している。

【００２６】すなわち、偏心して配置された凹面鏡によ
り発生する回転非対称な収差に、回転非対称な像面湾曲
がある。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡Ｍに
入射した光線は、凹面鏡Ｍに当たって反射結像される
が、光線が凹面鏡Ｍに当たって以降、像面までの後側焦
点距離は、光線が当たった部分の曲率の半分になる。す
ると、図１５に示すように、軸上主光線に対して傾いた
像面を形成する。

【００２７】このように回転非対称な像面湾曲を補正す
るには回転対称な光学系では不可能である。凹面鏡Ｍを
回転非対称な面で構成することにより、傾いた像面湾曲
を補正することが可能となる。図１５に示した配置で
は、図中に示した座標系（図１６、図１７も同様）にお
けるＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）
し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）
することにより補正することができる。また、上記構成
と同様な効果を持つ回転非対称な面を凹面鏡Ｍとは別に
光学系中に配置することにより、少ない構成枚数でフラ
ットの像面を得ることが可能となる。

【００２８】次に、回転非対称な非点収差について説明
する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍ
では軸上光線に対しても図１６に示すような非点収差が
発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明
と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の
曲率を適切に変えることによって可能となる。

【００２９】さらに、回転非対称なコマ収差について説
明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡
Ｍでは軸上光線に対しても図１７に示すようなコマ収差
が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非
対称面のＹ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変え
ると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変える
ことによって可能となる。

【００３０】ここで、本発明で使用する回転非対称面
（自由曲面）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なる。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。

【００３１】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。

【００３２】自由曲面項は、ただし、Ｃ_j（ｊは２以上の整数）は係数である。

【００３３】さらに好ましくは、上記回転非対称面は、
対称面を１面のみ有する面対称自由曲面を使用すること
により、収差補正上好ましい結果を得ることができる。
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、Ｃ
₁₄、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。

【００３４】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、Ｃ
₂₃、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。

【００３５】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。

【００３６】上記定義式（ａ）は、回転非対称な自由曲
面の１つの例として示したものであり、本発明の特徴は
偏心により発生する回転非対称な収差を補正することで
あり、他のトーリック面やアナモルフィック面等のいか
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。

【００３７】さらに好ましくは、第２ａ面１２ａと第２
ｂ面１２ｂと第３ａ面１３ａと第３ｂ面１３ｂは、Ｙ―
Ｚ面に対して面対称である面対称自由曲面なることが望
ましい。

【００３８】さらに好ましくは、第１面１１は対称面を
２面有する面で構成することが重要である。特に、２つ
の画像表示素子３ａ、３ｂの投影像の大きさを同一にす
る場合には、上記定義式のＣ₄、Ｃ₆、Ｃ₁₁、Ｃ₁₃、Ｃ
₁₅、Ｃ₂₂、Ｃ₂₄、Ｃ₂₆、Ｃ₂₈のみを使用し、観察者視軸
４に対して傾けない配置にすると、Ｘ−Ｚ断面とＹ−Ｚ
断面の２つの面に対して対称となり、第１画像表示素子
３ａと第２画像表示素子３ｂの２つの映像が視軸４を中
心としＹ軸方向に対称な像歪みを持つこととなり、観察
時に観察者に違和感を与えることが少なくなる。

【００３９】さらに好ましくは、観察者瞳位置１から画
像表示素子３ａ、３ｂに向けた逆光線追跡において、画
像表示素子３ａ、３ｂ上での光線の横収差が５０μｍ以
下にすることにより、明瞭な観察像を観察することが可
能となる。

【００４０】さらに好ましくは、この逆追跡における入
射瞳径は４ｍｍ以上であることが広い観察画角を提示す
る接眼光学系においては重要になる。これは、観察画角
が広い場合は、眼球を回旋して観察することになる。こ
の場合でも観察映像が途切れないように、接眼光学系の
逆追跡の場合の入射瞳径は４ｍｍ以上が好ましい。さら
に好ましくは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。

【００４１】本発明のような構成をとる光学系１におい
て、収差が良く補正されていることは言うまでもなく、
光学系１のサイズが小さくて軽いことが利用分野におい
て重要となってくる。光学系１のサイズは、画像表示素
子３ａ、３ｂの大きさと画角によって決まってくる。そ
こで、画像表示素子３ａ、３ｂ単体での水平方向の大き
さがｈ_y（ｍｍ）、光学系の水平画角がθ（°）の場
合、画像表示素子３ａ、３ｂ水平サイズを水平画角の半
値の正弦値で規格化したものを、光学系サイズの条件Ｓ
_nとして下記のように定義する。

【００４２】Ｓ_n＝ｈ_y／ｔａｎ（θ／２）・・・（１）本発明において、上記光学系のサイズの条件Ｓ_nは、５≦Ｓ_n≦５０・・・（２）を満たすことが重要となる。これは、下限の５を越える
と、光学系の構成が取れなくなってしまう。上限の５０
を越えると、光学系が大きくなり過ぎてしまい、発明の
主旨から外れてしまう。さらに好ましくは、１４≦Ｓ_n
≦３７・・・
（３）を満たすことが重要である。

【００４３】また、少なくとも２つの画像表示素子３
ａ、３ｂの投影像が接する部分、つまり、視軸近傍の像
歪みが少ないことが重要である。この部分の映像に歪み
があると、２つの映像の接続部分が滑らかに繋がらず、
特に直線や動く物体を表示した場合に不自然に観察され
る。

【００４４】さらに好ましくは、前記像歪みは１５％以
下であることがより望ましく、１０％以下であればなお
よい。

【００４５】また、観察者視軸方向の観察画角がＸ軸負
から正に変化するときの逆追跡における画像表示素子３
ａ、３ｂ上でのＹ軸方向の像歪みの変化が少ないことが
特に重要となる。この部分の像歪みが大きいと２つの表
示素子上に表示される視軸方向の映像がダブッて表示さ
れることになり、特に見苦しくなってしまうからであ
る。

【００４６】上記Ｘ軸負から正に変化するときの２次元
表示素子上でのＹ軸方向の変化は、１ｍｍ以下が望まし
く、さらに望ましくは０．１ｍｍ以下がよい。

【００４７】また、２つの画像表示素子３ａ、３ｂは、
視軸４方向にその映像の一部が重畳するように配置され
ていることが望ましい。この重畳部を設けることによ
り、観察者瞳がずれた場合でも少なくとも片方の映像が
途切れることなく観察することが可能となる。

【００４８】また、画像表示素子３ａ、３ｂから射出す
る角度（視野角）は、画像表示素子３ａ、３ｂの法線に
対してある一定以上の値よりも小さくすることが好まし
い。画像表示素子３ａ、３ｂから射出する光線の中、観
察者側に大きい視野角を有する光線は、接眼光学系１の
第３ａ面、第３ｂ面を屈折して入射し、第１面で屈折し
て観察者側に射出してしまう場合がある。観察者眼球に
この光線が入射した場合にはフレア若しくはゴースト像
として知覚され、観察像に悪影響を与える危惧が生じる
ことになる。したがって、画像表示素子３ａ、３ｂから
射出する光線の視野角を制限することで上述したフレ
ア、ゴーストを除去する効果が得られる。

【００４９】なお、本発明における接眼光学系１の第１
面１１に対向している第２ａ面、第２ｂ面、第３ａ面、
第３ｂ面は、観察者に対して水平方向に並設して配置さ
れていることが望ましい。このような配置にすると、小
さい画像表示素子３ａ、３ｂを用いても水平方向にワイ
ド（広角）な映像を実現でき、装置をコンパクトに抑え
つつ臨場感の高い観察装置とすることができる。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の観察装置の実施
例１〜７について説明する。全ての実施例は、物点位置
を瞳２から１ｍとし、入射瞳径は４ｍｍ、入射瞳２から
プリズム部材１までの作動距離を２８ｍｍ、水平画角を
６０°、プリズム部材１から画像表示素子３ａ、３ｂま
での距離は３ｍｍ以上としてある。また、全ての実施例
の構成は、Ｙ−Ｚ面に関して面対称であり、図１の実施
例１、図５の実施例５以外の実施例は、全てＹ−Ｚ面の
Ｙ負側の光学系１についてのみ図示してある。

【００５１】各実施例の逆光線追跡での構成パラメータ
は後記するが、その構成パラメータにおいては、図１に
示すように、瞳位置２を原点とし、観察者視軸４を原点
からプリズム部材１に向かう方向を正とするＺ軸、瞳位
置２を通り視軸４に直交し、プリズム部材１によって視
軸４に沿って進む軸上主光線が折り曲げられる面内にあ
り、紙面において上下方向の下から上を正とするＹ軸、
瞳位置２を通り視軸４に直交し、紙面の表から裏を正と
するＸ軸と定義する。なお、光線追跡はプリズム部材１
の瞳２側からプリズム部材１に入射する逆追跡としてい
る。

【００５２】そして、偏心が与えられている面について
は、その面の面頂位置の光学系１の原点である瞳２の中
心からのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量と、そ
の面の中心軸（回転非対称面については、前記の（ａ）
式のＺ軸、回転対称非球面については、下記の（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。
なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に
対しての反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して
の時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、面間
隔、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。

【００５３】そして、回転非対称面（自由曲面）の形状
は前記の（ａ）式により定義する。その定義式のＺ軸が
回転非対称面の軸となる。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。Ｚ＝（ｙ²／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｙ²／Ｒ²｝^{1 /2}］＋Ａｙ⁴＋Ｂｙ⁶＋Ｃｙ⁸＋Ｄｙ¹⁰＋…… ・・・（ｂ）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。

【００５４】なお、後記する構成のパラメータ中におい
て、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５８
７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単
位はｍｍである。

【００５５】なお、後記する構成パラメータ中のデータ
としては、第１画像表示素子３ａに関するデータしか示
していないが、第２画像表示素子３ｂに関してはＸ−Ｚ
面に対して第１画像表示素子３ａと対称に配置されてい
る。

【００５６】実施例１図１に実施例１の観察装置の光学系の断面図を示す。図
１は実施例１のＹ−Ｚ断面形状を示したものである。第
１面１１をＹ−Ｚ面、Ｘ−Ｚ面に対称な自由曲面で構成
している。また、第２ａ面１２ａと第２ｂ面１２ｂ、第
３ａ面１３ａと第３ｂ面１３ｂを、Ｙ−Ｚ面対称な自由
曲面で構成している。光学系全体として、Ｘ−Ｚ面と、
Ｙ−Ｚ面という２つの対称面を有している。画像表示素
子３ａ、３ｂは、透過型の画像表示素子（液晶表示素
子）で、対角長０．７インチタイプ（ｈ_y＝１４．４ｍ
ｍ）を想定している。

【００５７】図１の構成において、第１画像表示素子３
ａを射出した光線は、第３ａ面１３ａから透過作用によ
り接眼光学系１を構成するプリズム部材内に入射し、反
射作用と透過作用を有する第１面１１で反射作用により
反射し、第２ａ面１２ａで反射作用により反射し、今度
は反射作用と透過作用を有する第１面１１で透過作用に
より透過して、瞳２位置の観察者眼球に到達する。

【００５８】また、第２画像表示素子３ｂを射出した光
線は、第３ｂ面１３ｂから透過作用により接眼光学系１
を構成するプリズム部材内に入射し、反射作用と透過作
用を有する第１面１１で反射作用により反射し、第２ｂ
面１２ｂで反射作用により反射し、今度は反射作用と透
過作用を有する第１面１１で透過作用により透過して、
瞳２位置の観察者眼球に到達する。

【００５９】実施例２図２に実施例２の観察装置の光学系の断面図を示す。図
２は実施例２のＹ−Ｚ断面形状のＹ負側について示した
ものである。実施例２では、第１面１１を回転対称な非
球面で構成している。また、第２ａ面１２ａと第２ｂ面
１２ｂ、第３ａ面１３ａと第３ｂ面１３ｂを、Ｙ−Ｚ面
対称な自由曲面で構成している。光学系全体として、Ｘ
−Ｚ面と、Ｙ−Ｚ面という２つの対称面を有している。
画像表示素子３ａ、３ｂは、透過型の画像表示素子（液
晶表示素子）で、対角長０．７インチタイプ（ｈ_y＝１
４．４ｍｍ）を想定している。

【００６０】実施例３図３に実施例３の観察装置の光学系の断面図を示す。図
３は実施例３のＹ−Ｚ断面形状のＹ負側について示した
ものである。実施例３では、第１面１１を球面で構成し
ている。また、第２ａ面と第２ｂ面、第３ａ面と第３ｂ
面には、Ｙ−Ｚ面対称な自由曲面で構成している。光学
系全体として、Ｘ−Ｚ面と、Ｙ−Ｚ面という２つの対称
面を有している。画像表示素子３ａ、３ｂは、透過型の
画像表示素子（液晶表示素子）で、対角長０．７インチ
タイプ（ｈ_y＝１４．４ｍｍ）を想定している。

【００６１】実施例４図４に実施例４の観察装置の光学系の断面図を示す。図
４は実施例４のＹ−Ｚ断面形状のＹ負側について示した
ものである。実施例４では、第１面１１を平面で構成し
ている。また、また、第２ａ面と第２ｂ面、第３ａ面と
第３ｂ面には、Ｙ−Ｚ面対称な自由曲面で構成してい
る。光学系全体として、Ｘ−Ｚ面と、Ｙ−Ｚ面という２
つの対称面を有している。画像表示素子３ａ、３ｂは、
透過型の画像表示素子（液晶表示素子）で、対角長０．
７インチタイプ（ｈ_y＝１４．４ｍｍ）を想定してい
る。

【００６２】実施例５図５に実施例５の観察装置の光学系の断面図を示す。図
５は実施例５のＹ−Ｚ断面形状について示したものであ
る。第１面１１をＹ−Ｚ面、Ｘ−Ｚ面に対称な自由曲面
で構成している。また、第２ａ面１２ａと第２ｂ面１２
ｂ、第３ａ面１３ａと第３ｂ面１３ｂを、Ｙ−Ｚ面対称
な自由曲面で構成している。光学系全体として、Ｘ−Ｚ
面と、Ｙ−Ｚ面という２つの対称面を有している。画像
表示素子３ａ、３ｂは、透過型の画像表示素子（液晶表
示素子）で、対角長１．０インチタイプ（ｈ_y＝２５．
６ｍｍ）を想定している。

【００６３】図５の構成において、第１画像表示素子３
ａを射出した光線は、第３ａ面１３ａから透過作用によ
り接眼光学系１を構成するプリズム部材内に入射し、反
射作用と透過作用を有する第１面１１で反射作用により
反射し、Ｘ−Ｚ面を横切って反対側に位置する第２ａ面
１２ａで反射作用により反射し、今度は反射作用と透過
作用を有する第１面１１で透過作用により透過して、瞳
２位置の観察者眼球に到達する。

【００６４】また、第２画像表示素子３ｂを射出した光
線は、第３ｂ面１３ｂから透過作用により接眼光学系１
を構成するプリズム部材内に入射し、反射作用と透過作
用を有する第１面１１で反射作用により反射し、Ｘ−Ｚ
面を横切って反対側に位置する第２ｂ面１２ｂで反射作
用により反射し、今度は反射作用と透過作用を有する第
１面１１で透過作用により透過して、瞳２位置の観察者
眼球に到達する。

【００６５】実施例６図６に実施例６の観察装置の光学系の断面図を示す。図
６は実施例６のＹ−Ｚ断面形状のＹ負側について示した
ものである。実施例６では、第１面１１を球面で構成し
ている。また、第２ａ面１２ａと第２ｂ面１２ｂ、第３
ａ面１３ａと第３ｂ面１３ｂを、Ｙ−Ｚ面対称な自由曲
面で構成している。光学系全体としてはＸ−Ｚ面とＹ−
Ｚ面という２つの対称面を有している。画像表示素子３
ａ、３ｂは、透過型の画像表示素子（液晶表示素子）
で、対角長０．５５インチタイプ（ｈ_y＝１０．２ｍ
ｍ）を想定している。

【００６６】実施例７図７に実施例７の観察装置の光学系の断面図を示す。図
７は実施例７のＹ−Ｚ断面形状のＹ負側について示した
ものである。実施例７では、第１面１１をＹ−Ｚ面、Ｘ
−Ｚ面に対称な自由曲面で構成している。また、第２ａ
面１２ａと第２ｂ面１２ｂ、第３ａ面１３ａと第３ｂ面
１３ｂを、Ｙ−Ｚ面対称な自由曲面で構成している。光
学系全体としてはＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面という２つの対称
面を有している。画像表示素子３ａ、３ｂは、反射型の
画像表示素子（液晶表示素子）で、対角長０．７インチ
タイプ（ｈ_y＝１４．４ｍｍ）を想定している。図７
中、符号５は、画像表示素子３ａ、３ｂの表面に向けて
光を照射する光源であり、光源５からの照明光は画像表
示素子３ａ、３ｂの表面に入射し、その反射状態に応じ
て変調された光は、図１と同様に、第３ａ面１３ａ又は
第３ｂ面１３ｂから透過作用により接眼光学系１を構成
するプリズム部材内に入射し、反射作用と透過作用を有
する第１面１１で反射作用により反射し、第２ａ面１２
ａ又は第２ｂ面１２ｂで反射作用により反射し、今度は
反射作用と透過作用を有する第１面１１で透過作用によ
り透過して、瞳２位置の観察者眼球に到達する。

【００６７】以下、上記実施例１〜７の構成パラメータ
を示す。ここで、自由曲面は“ＦＦＳ”で、回転対称非
球面は“ＡＡＳ”で示してある。実施例１面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 ＦＦＳ偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（反射面）偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ偏心(3) 像面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳＣ₄ -8.9664×10^-3 Ｃ₆ -5.6506×10^-3 ＦＦＳＣ₄ -1.1899×10^-2 Ｃ₆ -9.4804×10^-3 Ｃ₈ -3.6966×10^-5 Ｃ₁₀ -5.9509×10^-5 Ｃ₁₁ -1.7112×10^-6 Ｃ₁₃ -4.5890×10^-6 Ｃ₁₅ -1.6380×10^-6 Ｃ₁₇ -1.6878×10^-8 Ｃ₁₉ -9.5447×10^-8 ＦＦＳＣ₄ 2.6775×10^-2 Ｃ₆ -9.6959 ×10^-3 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -9.74 Ｚ 38.41 α 13.71 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -27.96 Ｚ 33.42 α -71.64 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -33.14 Ｚ 36.80 α -39.64 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝24.94 。

【００６８】実施例２面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 ＡＡＳ偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＡＡＳ（反射面）偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ偏心(3) 像面 ∞ 偏心(4) ＡＡＳＲ -55.75 Ｋ 0.0000 Ａ 3.9961×10^-6 Ｂ -1.8767×10^-9 ＦＦＳＣ₄ -1.0628×10^-2 Ｃ₆ -9.1835×10^-3 Ｃ₈ -3.9782×10^-5 Ｃ₁₀ -3.5924×10^-5 Ｃ₁₁ -7.0864×10^-7 Ｃ₁₃ -4.9033×10^-6 Ｃ₁₅ -2.3952×10^-6 ＦＦＳＣ₄ 2.1927×10^-2 Ｃ₆ -3.9618×10^-2 Ｃ₈ -1.8523×10^-3 Ｃ₁₀ -2.1056×10^-3 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -10.15 Ｚ 39.67 α 10.80 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -30.49 Ｚ 32.78 α -75.68 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -34.51 Ｚ 35.18 α -44.78 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝24.94 。

【００６９】実施例３面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 -66.68 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.5254 56.2 4 -66.68（反射面）偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ偏心(3) 像面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳＣ₄ -1.0426×10^-2 Ｃ₆ -9.8016×10^-3 Ｃ₈ -2.0946×10^-6 Ｃ₁₀ -3.5658×10^-5 Ｃ₁₁ -1.6878×10^-6 Ｃ₁₃ -4.0184×10^-6 Ｃ₁₅ -1.4093×10^-6 ＦＦＳＣ₄ 1.5721×10^-2 Ｃ₆ -3.1922×10^-2 Ｃ₈ -2.6364×10^-3 Ｃ₁₀ -2.6307×10^-3 Ｃ₁₁ 1.4433×10^-4 Ｃ₁₃ -7.0473×10^-5 Ｃ₁₅ -7.2556×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -10.20 Ｚ 40.16 α 10.58 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -30.44 Ｚ 32.66 α -83.73 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -33.95 Ｚ 35.06 α -52.64 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝24.94 。

【００７０】実施例４面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 ∞ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.5254 56.2 4 ∞ （反射面）偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ偏心(3) 像面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳＣ₄ -6.2411×10^-3 Ｃ₆ -4.7912×10^-3 Ｃ₈ 2.8573×10^-5 Ｃ₁₀ 2.3736×10^-6 Ｃ₁₁ -4.5603×10^-7 Ｃ₁₃ -2.3068×10^-6 Ｃ₁₅ -1.5631×10^-7 ＦＦＳＣ4 -1.7674×10^-2 Ｃ₆ -1.2204×10^-2 Ｃ₈ -1.4414×10^-3 Ｃ10 -2.2645×10^-3 Ｃ₁₁ 7.9070×10^-5 Ｃ₁₃ 2.5724×10^-4 Ｃ15 -9.2349×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -10.22 Ｚ 42.70 α 20.53 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -37.82 Ｚ 39.79 α -65.34 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -41.42 Ｚ 43.67 α -27.31 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝24.94 。

【００７１】実施例５面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 ＦＦＳ 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面） 0.00 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（反射面） 0.00 偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ 0.00 偏心(3) 像面 ∞ 0.00 偏心(4) ＦＦＳＣ₄ -1.5328×10^-4 Ｃ₆ 1.1899×10^-3 Ｃ₁₁ -4.6587×10^-6 Ｃ₁₃ -6.1794×10^-7 Ｃ₁₅ 3.5285×10^-7 ＦＦＳＣ₄ -4.0934×10^-3 Ｃ₆ -2.6826×10^-3 Ｃ₈ -1.8847×10^-5 Ｃ₁₀ -3.1000×10^-6 Ｃ₁₁ 2.2919×10^-7 Ｃ₁₃ -3.5014×10^-7 Ｃ₁₅ -7.3642×10^-8 Ｃ₁₇ 8.4463×10^-8 Ｃ₁₉ 5.5035×10^-9 Ｃ₂₁ -1.1939×10^-8 ＦＦＳＣ₄ -2.7379×10^-2 Ｃ₆ -1.1841×10^-2 Ｃ₈ -7.0731×10^-4 Ｃ₁₀ 5.7706×10^-4 Ｃ₁₁ -1.6974×10^-5 Ｃ₁₃ 3.0070×10^-5 Ｃ₁₅ 4.9894×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -12.49 Ｚ 56.96 α -32.23 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 36.20 Ｚ 41.85 α 35.89 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 37.93 Ｚ 43.24 α 28.08 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝36.37 。

【００７２】実施例６面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 -53.38 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.5254 56.2 4 -53.38（反射面）偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ偏心(3) 像面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳＣ₄ -1.3508×10^-2 Ｃ₆ -1.3000×10^-2 Ｃ₈ -1.4311×10^-5 Ｃ₁₀ -9.7271×10^-5 Ｃ₁₁ -2.6756×10^-6 Ｃ₁₃ -7.9410×10^-6 Ｃ₁₅ -6.5226×10^-6 ＦＦＳＣ₄ 4.5648×10^-2 Ｃ₆ -8.6952×10^-2 Ｃ₈ -5.0462×10^-3 Ｃ₁₀ -2.1102×10^-3 Ｃ₁₁ 1.3484×10^-5 Ｃ₁₃ -4.7883×10^-4 Ｃ₁₅ 6.5706×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.96 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -9.69 Ｚ 37.20 α 12.68 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -28.05 Ｚ 31.38 α -80.58 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -30.75 Ｚ 32.27 α -57.25 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝17.67 。

【００７３】実施例７面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳面） 2 ＦＦＳ偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ（反射面）偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＦＦＳ（反射面）偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ偏心(3) 6 ∞ 偏心(4) 像面 ∞ 偏心(4) ＦＦＳＣ₆ -3.6638×10^-3 ＦＦＳＣ₄ -7.1914×10^-3 Ｃ₆ -9.2851×10^-3 Ｃ₈ -8.6123×10^-5 Ｃ₁₀ -6.3270×10^-5 Ｃ₁₁ 7.4250×10^-6 Ｃ₁₃ 6.7351×10^-6 Ｃ₁₅ 1.2832×10^-6 ＦＦＳＣ₄ -2.5248×10^-2 Ｃ₆ -2.8302×10^-2 Ｃ₈ -1.2399×10^-4 Ｃ₁₀ 4.3685×10^-4 Ｃ₁₁ -3.8732×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -9.75 Ｚ 38.94 α 14.91 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -29.02 Ｚ 35.73 α -52.31 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -34.21 Ｚ 38.93 α -25.86 β 0.00 γ 0.00 Ｓ_n＝24.94 。

【００７４】以上の実施例では、本発明の観察光学系
は、単一のプリズム部材１のみからなるものであった
が、図８に示すように、プリズム部材１の射出瞳２側に
レンズ系７を配置して画角を広げるようにしてもよい。
さらには、レンズ系７に代えて回折光学素子（ＤＯＥ）
を配置して同様に画角を広げるようにしてもよい。

【００７５】ところで、以上のような本発明の観察装置
において、画像表示素子３ａ、３ｂの視野角を制限する
視野角制限手段について説明する。まず、ルーバ光学素
子２０の１例を図９（ａ）、（ｂ）に示す。透明フィル
ム２５の中に微細な遮蔽壁２６が周期的に挟み込まれて
いる。この遮蔽壁２６のフィルム面に対する角度を変え
ることで、透過光の最大入射角を変えることができる。
図６のルーバ光学素子２０それぞれの透過率分布を図１
０（ａ）、（ｂ）に示す。このようなルーバ光学素子を
ＬＣＤ（液晶表示素子）等の画像表示素子とバックライ
トの間に挿入することによって、画像表示素子の視野角
を制限することが可能となる。

【００７６】図１１（ａ）〜（ｃ）は画像表示素子３ａ
を照明する照明光学系によって視野角を制限する例であ
る。図においては、第１の画像表示素子３ａのみを図示
してあるが、当然、本発明の観察装置を構成する場合に
は第２の画像表示素子３ｂも同様の構成によって配備さ
れる。図１１（ａ）、（ｂ）は何れも反射鏡２２を使用
して光源２３を概略無限遠に投影することによって、透
過型の画像表示素子３ａを透過した光線は概略平行光束
となる。このため、不要光である斜めに射出する光線が
制限され、図中点線で示した光線は発生しない。本例で
は反射鏡を用いた例を示したが、反射鏡である必要は必
ずしもなく、正レンズ、ライトガイド等でも同じ効果が
得られることは当然である。また、図１１（ｃ）は実施
例７のように反射型の画像表示素子３ａを用いる場合の
例である。反射型のＬＣＤ等の画像表示素子３ａを用い
る場合には、その表示面に照明光８を照射する必要があ
る。そのために、点状の光源５’を、第３ａ面１３ａと
反射型ＬＣＤ３ａの間のスペース及びそれを取り巻くス
ペースであって表示光を遮断しない光路外の位置に配置
し、反射型ＬＣＤ３ａの表示面（画素の面が表示面に平
行に配置されていない場合は画素の面）に対して接眼光
学系１の入射瞳位置２’と鏡像関係にある位置に光源
５’を配置する。このような位置関係に配置すると、光
源５’からの照明光８の入射角と反射型ＬＣＤ３ａから
の表示光束の主光線の射出角が略等しくなり、反射型Ｌ
ＣＤ３ａからの表示光束は全て瞳２に入射するので、明
るい表示が可能になる。なお、入射瞳位置２’は接眼光
学系１に関して射出瞳２と共役な位置である。

【００７７】さて、以上説明したような観察装置を片眼
装着用の頭部装着式表示装置に構成しても、両眼装着用
の頭部装着式表示装置に構成してもよい。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１
３にそれぞれ示す。また、両眼に装着する構成の場合の
観察者の左右の眼６Ｌ、６Ｒに対する左右の接眼光学系
１Ｌ、１Ｒ（図の場合は、実施例１のプリズム部材を想
定している。）の配置を示す上面図を図１４に示す。

【００７８】図１２、図１３中、３１は観察装置本体部
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。その支持部
材としては、一端を観察装置本体部３１に接合し、観察
者のこめかみから耳の上部にかけて延在する左右の前フ
レーム３２と、前フレーム３２の他端に接合され、観察
者の側頭部を渡るように延在する左右の後フレーム３３
とから（図１２の場合）、あるいは、さらに、左右の後
フレーム３３の他端に挟まれるように自らの両端を一方
づつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム３
４とから（図１３の場合）構成されている。

【００７９】また、前フレーム３２における上記の後フ
レーム３３との接合近傍には、弾性体からなり例えば金
属板バネ等で構成されたリヤプレート３５が接合されて
いる。このリヤプレート３５は、上記支持部材の一翼を
担うリヤカバー３６が観察者の後頭部から首のつけねに
かかる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように
接合されている（図１３の場合）。リヤプレート３５又
はリヤカバー３６内にの観察者の耳に対応する位置にス
ピーカ３９が取り付けられている。

【００８０】映像・音声信号等を外部から送信するため
のケーブル４１が表示装置本体部３１から、頭頂フレー
ム３４（図１３の場合）、後フレーム３３、前フレーム
３２、リヤプレート３５の内部を介してリヤプレート３
５あるいはリヤカバー３６の後端部より外部に突出して
いる。そして、このケーブル４１はビデオ再生装置４０
に接続されている。なお、図中、４０ａはビデオ再生装
置４０のスイッチやボリュウム調整部である。

【００８１】なお、ケーブル４１は先端をジャックし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもかまわ
ない。

【００８２】以上の本発明の観察光学系及びそれを用い
た観察装置は、例えば次のように構成することができ
る。〔１〕透過型ないし反射型の第１画像表示素子と第２
画像表示素子を含む少なくとも２枚の画像表示素子にて
構成される画像表示手段と、観察者眼球側から順に、透
過と反射の作用を持つ第１面と、第１面に対向して配置
された少なくとも反射作用を有する第２ａ面並びに第２
ｂ面と、第１面と第２ａ面の間に配置された少なくとも
透過作用を有する第３ａ面と、第１面と第２ｂ面の間に
配置された少なくとも透過作用を有する第３ｂ面との少
なくとも５面で構成され、その少なくとも５面で囲まれ
る空間内が屈折率１．３以上の媒質で満たされてなるプ
リズム部材を含んだ接眼光学系とを有することを特徴と
する観察光学系。

【００８３】〔２〕観察画像を表示する画像表示素子
を含む画像表示手段と、前記画像表示手段により表示さ
れた画像を観察者眼球に導く接眼光学系とを有する観察
光学系において、前記画像表示素子が、第１の画像表示
をする第１画像表示素子と、第２の画像を表示する第２
画像表示素子とを有し、前記接眼光学系が、屈折率
（ｎ）が１．３よりも大きい（ｎ＞１．３）媒質を間に
挟んで、透過作用及び／又は反射作用を有する光学作用
面を少なくとも５面備えたプリズム部材を有し、前記プ
リズム部材の光学作用面が、前記第１画像表示素子から
の光を前記プリズム部材内部に入射させる第３ａ面と、
前記第３ａ面から入射した光をプリズム部材内部で反射
させる第２ａ面と、前記第２画像表示素子からの光を前
記プリズム部材内部に入射させる第３ｂ面と、前記第３
ｂ面から入射した光をプリズム部材内部で反射させる第
２ｂ面と、前記第３ａ面及び前記第３ｂ面から入射した
各光をプリズム部材内部で反射させる反射作用とプリズ
ム部材外に射出する透過作用とを併せ持つ第１面とを有
することを特徴とする観察光学系。

【００８４】〔３〕上記１又は２において、前記第１
画像表示素子にて形成される表示画像と、前記第２画像
表示素子にて形成される表示画像とが、少なくとも一部
同一の画像を含み、観察者眼球に導かれる画像が前記同
一の画像部分で重畳されて観察されるように前記接眼光
学系を構成したことを特徴とする観察光学系。

【００８５】〔４〕上記１から３の何れか１項におい
て、前記第１面の反射作用が、光線の反射角が臨界角以
上の反射角を有する全反射作用であることを特徴とする
観察光学系。

【００８６】〔５〕上記１から４の何れか１項におい
て、前記画像表示手段が、液晶表示素子にて形成された
第１画像表示素子及び第２画像表示素子と、前記各液晶
表示素子の裏面から光を照射する照明手段とを備えたこ
とを特徴とする観察光学系。

【００８７】〔６〕上記１から４の何れか１項におい
て、前記画像表示手段が、液晶表示素子にて形成された
第１画像表示素子及び第２画像表示素子と、前記各液晶
表示素子の表面に向けて光を照射する照明手段とを備え
たことを特徴とする観察光学系。

【００８８】〔７〕上記１から６の何れか１項におい
て、前記接眼光学系が、前記第１面に対向し、かつ、相
互に並設関係にある前記第２ａ面、前記第２ｂ面と前記
第３ａ面、前記第３ｂ面とを観察者に対して水平方向に
並設して配置されていることを特徴とする観察光学系。

【００８９】〔８〕上記１から７の何れか１項におい
て、前記第１画像表示素子と前記第２画像表示素子と前
記接眼光学系の射出瞳とを含む面をＹ−Ｚ断面とすると
き、前記第１面のＹ−Ｚ断面の形状が、観察者側に凹面
を向けた形状であることを特徴とする観察光学系。

【００９０】

〔９〕上記１から８の何れか１項におい
て、前記第１画像表示素子と前記第２画像表示素子と前
記接眼光学系の射出瞳とを含む面をＹ−Ｚ断面とすると
き、前記第２ａ面と前記第３ａ面及び前記第２ｂ面と前
記第３ｂ面のＹ−Ｚ断面の形状が、前記第１面側に凹面
を向けた形状であることを特徴とする観察光学系。

【００９１】〔１０〕上記１から９の何れか１項にお
いて、前記第１面の面形状は回転非対称面形状であるこ
とを特徴とする観察光学系。

【００９２】〔１１〕上記１０において、前記第１面
は対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなること
を特徴とする観察光学系。

【００９３】〔１２〕上記１から１１の何れか１項に
おいて、前記第２ａ面と前記第３ａ面及び前記第２ｂ面
と前記第３ｂ面は回転非対称面形状であることを特徴と
する観察光学系。

【００９４】〔１３〕上記１２において、前記第２ａ
面と前記第３ａ面及び前記第２ｂ面と前記第３ｂ面は対
称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなることを特
徴とする観察光学系。

【００９５】〔１４〕上記１３において、前記第１画
像表示素子と前記第２画像表示素子と前記接眼光学系の
射出瞳とを含む面をＹ−Ｚ断面とし、その断面に垂直な
Ｘ−Ｚ断面とするとき、前記第２ａ面と前記第３ａ面及
び前記第２ｂ面と前記第３ｂ面の対称面がＸ−Ｚ断面若
しくはそれと平行な面上に位置することを特徴とする観
察光学系。

【００９６】〔１５〕上記１から１４の何れか１項に
おいて、前記観察光学系を２つ備え、一方を右眼用観察
光学系に構成し、他方を左眼用観察光学系に構成したこ
とを特徴とする観察装置。

【００９７】〔１６〕上記１から１５の何れか１項に
おいて、前記観察光学系を内蔵した本体部と、前記本体
部を観察者顔面に装着できるように設けられた支持部材
とを備えたことを特徴とする頭部装着型観察装置。

【００９８】

【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、２つ以上の画像表示素子を使用して、小型、
軽量で、しかも、広画角、高解像で明るく観察画面周辺
まで明瞭に映像が観察可能な高性能な接眼光学系とそれ
を用いた観察装置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の観察装置の光学系の断面図
である。

【図２】本発明の実施例２の観察装置の光学系の断面図
である。

【図３】本発明の実施例３の観察装置の光学系の断面図
である。

【図４】本発明の実施例４の観察装置の光学系の断面図
である。

【図５】本発明の実施例５の観察装置の光学系の断面図
である。

【図６】本発明の実施例６の観察装置の光学系の断面図
である。

【図７】本発明の実施例７の観察装置の光学系の断面図
である。

【図８】本発明の観察装置の変形例を説明するための図
である。

【図９】視野角制限手段であるルーバ光学素子の構成と
作用を説明するための図である。

【図１０】図９のルーバ光学素子の透過率分布を示す図
である。

【図１１】本発明において照明光学系により画像表示素
子の視野角を制限する例を示す図である。

【図１２】本発明の観察装置を片眼装着用頭部装着式表
示装置に構成した場合の様子を示す図である。

【図１３】本発明の観察装置を両眼装着用頭部装着式表
示装置に構成した場合合の様子を示す図である。

【図１４】図１３の場合の観察者の左右の眼に対する左
右の接眼光学系の配置を示す上面図である。

【図１５】偏心した凹面鏡により発生する像面湾曲を説
明するための図である。

【図１６】偏心した凹面鏡により発生する非点収差を説
明するための図である。

【図１７】偏心した凹面鏡により発生するコマ収差を説
明するための図である。

【図１８】従来の１つの頭部装着式表示装置の光学系を
説明するための図である。

【図１９】本出願人の先の提案による観察光学系を説明
するための図である。

【符号の説明】

１…接眼光学系（プリズム部材）１Ｌ…左の接眼光学系１Ｒ…右の接眼光学系２…射出瞳（逆光線追跡では、入射瞳）２’…入射瞳３ａ…画像表示素子３ｂ…画像表示素子４…視軸５…光源５’…点光源６Ｌ…観察者の左眼６Ｒ…観察者の右眼７…レンズ系８…照明光１１…第１面１２ａ…第２ａ面１２ｂ…第２ｂ面１３ａ…第３ａ面１３ｂ…第３ｂ面２０…ルーバ光学素子２２…反射鏡２３…光源２５…透明フィルム２６…遮蔽壁３１…観察装置本体部３２…前フレーム３３…後フレーム３４…頭頂フレーム３５…リヤプレート３６…リヤカバー３９…スピーカ４０…ビデオ再生装置４０ａ…スイッチ、ボリュウム調整部４１…ケーブルＭ…凹面鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透過型ないし反射型の第１画像表示素子
と第２画像表示素子を含む少なくとも２枚の画像表示素
子にて構成される画像表示手段と、観察者眼球側から順に、透過と反射の作用を持つ第１面
と、第１面に対向して配置された少なくとも反射作用を
有する第２ａ面並びに第２ｂ面と、第１面と第２ａ面の
間に配置された少なくとも透過作用を有する第３ａ面
と、第１面と第２ｂ面の間に配置された少なくとも透過
作用を有する第３ｂ面との少なくとも５面で構成され、
その少なくとも５面で囲まれる空間内が屈折率１．３以
上の媒質で満たされてなるプリズム部材を含んだ接眼光
学系とを有することを特徴とする観察光学系。
【請求項２】観察画像を表示する画像表示素子を含む
画像表示手段と、前記画像表示手段により表示された画
像を観察者眼球に導く接眼光学系とを有する観察光学系
において、前記画像表示素子が、第１の画像表示をする第１画像表
示素子と、第２の画像を表示する第２画像表示素子とを
有し、前記接眼光学系が、屈折率（ｎ）が１．３よりも大きい
（ｎ＞１．３）媒質を間に挟んで、透過作用及び／又は
反射作用を有する光学作用面を少なくとも５面備えたプ
リズム部材を有し、前記プリズム部材の光学作用面が、前記第１画像表示素
子からの光を前記プリズム部材内部に入射させる第３ａ
面と、前記第３ａ面から入射した光をプリズム部材内部
で反射させる第２ａ面と、前記第２画像表示素子からの
光を前記プリズム部材内部に入射させる第３ｂ面と、前
記第３ｂ面から入射した光をプリズム部材内部で反射さ
せる第２ｂ面と、前記第３ａ面及び前記第３ｂ面から入
射した各光をプリズム部材内部で反射させる反射作用と
プリズム部材外に射出する透過作用とを併せ持つ第１面
とを有することを特徴とする観察光学系。
【請求項３】請求項１又は２において、前記第１画像表示素子にて形成される表示画像と、前記
第２画像表示素子にて形成される表示画像とが、少なく
とも一部同一の画像を含み、観察者眼球に導かれる画像
が前記同一の画像部分で重畳されて観察されるように前
記接眼光学系を構成したことを特徴とする観察光学系。