(57)【要約】【課題】視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることを可能にする。【解決手段】本開示の観察光学系は、少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第１レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群とを備える。【選択図】図５
2020076935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第１レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群と
を備える
観察光学系。
【請求項２】
前記第１レンズ群、前記反射光学素子、および前記第２レンズ群はそれぞれ、正のパワーを有する
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項３】
前記中間像のサイズは、前記画像表示部に表示される像のサイズより大きい
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項４】
前記第１レンズ群は、フレネル面を有する軸対称レンズを含む軸対称光学系である
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項５】
前記反射光学素子および前記第２レンズ群はそれぞれ、前記第１レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項６】
前記反射光学素子および前記第２レンズ群のうち少なくとも一方は、非軸対称な自由曲面を有する
請求項５に記載の観察光学系。
【請求項７】
頭部に装着したときに、顔の正面から見て前記画像表示部が眼より耳側に配置され、かつ、顔の横から見て前記画像表示部が前記反射光学素子の反射面より顔側に配置されるように構成されている
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項８】
前記第１レンズ群の焦点距離をｆｂ、アイレリーフの長さをＥとしたとき、
１＜ｆｂ／Ｅ＜１．２５  ……（１）
を満足する
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項９】
前記入射瞳側から光線追跡をした場合において、前記中間像の垂直方向の像の高さをＡ、前記中間像を前記反射光学素子および前記第２レンズ群によって前記画像表示部に結像させたときの垂直方向の像の高さをＢとしたとき、
０．５５＜Ｂ／Ａ＜０．８５  ……（２）
を満足する
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項１０】
観察者の眼に照射される光を発する光源と、
前記第１レンズ群と前記反射光学素子との間の光路中に配置され、前記観察者の眼によって反射された前記光源からの光の反射光を分離する光分離素子と、
前記光分離素子によって分離された前記反射光の光路中に配置された撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して前記反射光が入射する撮像素子と
をさらに備える
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項１１】
前記反射面は、外部の光を透過する半透過特性を有する
請求項１に記載の観察光学系。
【請求項１２】
画像表示部と、
前記画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系と
を含み、
前記観察光学系は、
少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に前記画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第１レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群と
を備える
画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等に好適な観察光学系および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像表示装置として、ヘッドマウントディスプレイが知られている（例えば特許文献１〜５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２１１４７４号公報
【特許文献２】特開２０１８−１０６１６７号公報
【特許文献３】特開平１０−１５３７４８号公報
【特許文献４】特開２００４−３４１４１１号公報
【特許文献５】特開２０１３−２５１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヘッドマウントディスプレイにおいては、表示装置本体を眼前に装着して長時間使用するため、観察光学系および表示装置本体が小さく軽量であることが要求されている。また、広い視野画角で像を観察可能であることが要求されている。
【０００５】
視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能な観察光学系および画像表示装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一実施の形態に係る観察光学系は、少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第１レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群とを備える。
【０００７】
本開示の一実施の形態に係る画像表示装置は、画像表示部と、画像表示部に表示された像を拡大する観察光学系とを含み、観察光学系は、少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第１レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群とを備える。
【０００８】
本開示の一実施の形態に係る観察光学系、または画像表示装置では、第１レンズ群が、反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、反射光学素子の反射面上または反射面よりも入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像が形成される。第２レンズ群が、入射瞳側から光線追跡をした場合における、第１レンズ群、中間像、および反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面によって光が反射された後の光路上に入射瞳の像が形成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施の形態に係る観察光学系を用いた画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態の一例を示す構成図である。
【図２】平面鏡を傾き角０度で用いた観察光学系における反射光の状態の一例を示す説明図である。
【図３】平面鏡を傾き角１５度で用いた観察光学系における反射光の状態の一例を示す説明図である。
【図４】楕円面鏡を用いた観察光学系の反射光における状態の一例を示す説明図である。
【図５】本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の一構成例を概略的に示す光学系断面図である。
【図６】第１の比較例に係る観察光学系および画像表示装置の一構成例を概略的に示す光学系断面図である。
【図７】第２の比較例に係る観察光学系および画像表示装置の一構成例を概略的に示す光学系断面図である。
【図８】一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の第１の変形例を概略的に示す光学系断面図である。
【図９】一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の第２の変形例を概略的に示す光学系断面図である。
【図１０】実施例１に係る観察光学系および画像表示装置の構成を示す光学系断面図である。
【図１１】実施例２に係る観察光学系および画像表示装置の構成を示す光学系断面図である。
【図１２】実施例３に係る観察光学系および画像表示装置の構成を示す光学系断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例
１．概要（図１〜図９）
１．１  本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の概要
１．２  効果および変形例
２．光学系の数値実施例（図１０〜図１２）
３．その他の実施の形態
【００１１】
＜０．比較例＞
ヘッドマウントディスプレイは高解像で大きな視野角のものが要望されている。従来のヘッドマウントディスプレイの構成は、レンズ（単レンズまたは収差補正のため複数になっている場合もある）を通して表示パネルを見るものが主であり、大きな視野角を達成するため、数インチサイズの表示パネルを使用していた。しかし、そのパネルサイズで画素数を増やして高解像化しようとすると、製造が難しくなり、歩留まりが悪いためコストがあがってしまう欠点があった。一方で、マイクロディスプレイと呼ばれる１インチ（対角２５．４ｍｍ）程度の小型サイズの４Ｋパネルの開発が最近進んでいるので、ヘッドマウントディスプレイの高解像化には、この４Ｋパネルを使用することが合理的である。
【００１２】
しかし、従来のような単レンズを使った観察光学系のヘッドマウントディスプレイでマイクロディスプレイを使う場合、パネルサイズが小さくなった分だけ視野角も小さくなってしまう。この欠点を補うため、小さなパネルサイズで大きな視野角が得られる観察光学系の開発が以前から行われてきた。
【００１３】
その中で、タイリング技術など、観察光学系と表示パネルとを複数組み合わせて全体で大きな視野角を得る技術も増えてきている。これに対して、後述する本開示の一実施の形態では、１インチ（対角２５．４ｍｍ）以下のサイズの表示パネルを片眼１枚（両眼で２枚）だけ使って１１０度以上の大きな水平視野角を実現し、なおかつヘッドマウントディスプレイとして必要な小型軽量化を実現する観察光学系を提示する。１インチパネルの対角の半分は１２．７ｍｍなので、半視野角５５度を使って、近軸計算で求めた焦点距離は８．９ｍｍになる。眼球回転まで考慮した瞳径は１２ｍｍくらい必要なので、カメラレンズでいうＦナンバーは０．８以下の広角レンズ同等の仕様になり、レンズとしてかなり難しい仕様といえる。
【００１４】
特許文献１（特開２０１７−２１１４７４号公報）および特許文献２（特開２０１８−１０６１６７号公報）に記載の観察光学系は、現在商品化されている光学タイプを発展させたものである。
【００１５】
特許文献１（特開２０１７−２１１４７４号公報）に記載の観察光学系は、フレネルレンズ２枚を用いて、半視野角４５度を達成している。特許文献１に記載の技術は、パネルサイズの小型化を目指したものではないため、そのパネルサイズで高解像化する（画素数を増やす）とかなり高価なものになってしまう。
【００１６】
特許文献２（特開２０１８−１０６１６７号公報）に記載の観察光学系は、フレネルレンズを含む３枚のレンズを使って、対角１９．９ｍｍの像面サイズ（パネルサイズ）で視野角８０度を実現し、小さな表示パネルの使用を可能にしている。しかしながら、特許文献２に記載の観察光学系の構成で、大きな視野角を小さな表示パネルで実現しようとすると、光路が途中で複数回大きく曲がる設計になり、そこで大きな収差が発生する場合がある。特許文献２には水平視野角を１１０度以上に拡大する旨の記述はなく、小さな表示パネルのまま１１０度以上の大きな視野角を得ることは困難である。
【００１７】
一方で商品化はあまりされていないが、小さな表示パネルで広い視野角を実現する別の方法として、観察光学系内で一旦、中間像を形成するようにしたリレー光学系を用いる方法がある。
【００１８】
特許文献３（特開平１０−１５３７４８号公報）、および特許文献４（特開２００４−３４１４１１号公報）には、自由曲面プリズムを使ったリレー光学系が開示されている。特許文献３および特許文献４に記載のリレー光学系は、プリズム内に中間像を作り、その中間像をその後の光学系でパネル位置に縮小して結像させる構成となっている。このリレー光学系の不利な点は、リレー光学系の小型化を図ろうとすると、多くの場合光路が重なる光学面が存在し、例えば左から入射時には光を透過し、右から入射時には光を反射するような特性の反射面が必要になってくることである。その場合、反射時に全反射条件を満たしていれば一番光量の効率はよくなるが、視野角が大きくなるとすべての光線で全反射条件を満たすことは非常に難しく、現実的には反射面に半透過の特性を持つ膜を使うしかない。そのため、ほとんどの場合光量損失と迷光が避けられない。
【００１９】
また、特許文献３、および特許文献４に記載のリレー光学系では、眼に一番近い光学素子（自由曲面プリズム）に反射面が配置されているが、光が一番広がった場所なので、視野角が大きくなると、自由曲面プリズムは急激に大きくなってしまう。また、水平視野角は５０度となっているが、さらなる視野角拡大は非常に難しい。
【００２０】
特許文献５（特開２０１３−２５１０２号公報）には、自由曲面プリズムを２枚を使ったリレー光学系が開示されている。特許文献５に記載のリレー光学系においても、眼に一番近い光学素子（自由曲面プリズム）に凹面の反射面があり、やはり光が一番広がった場所なので、視野角が大きくなると、自由曲面プリズムは急激に大きくなってしまう。また自由曲面プリズム内で光を１回反射させているだけなので、光は顔の方向に戻り眼の近くを反射光が通過していく。そのため、眼と自由曲面プリズムとの距離をかなり大きくしないとめがねを着用した使用は難しい。水平視野角は８０度あるが、かなり光学系サイズを大きくしない限り、このリレー光学系でさらなる視野角拡大は難しい。
【００２１】
＜１．概要＞
［１．１  本開示の一実施の形態に係る観察光学系および画像表示装置の概要］
図１は、本開示の一実施の形態に係る観察光学系１を用いた画像表示装置を観察者４の頭部に装着した状態の一例を示している。また、図５には、一実施の形態に係る観察光学系１および画像表示装置の断面構成例を示す。
【００２２】
一実施の形態に係る画像表示装置は、画像表示部と、画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系１とを備える。画像表示部は、例えば、液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）ディスプレイ等の表示パネル２を含んでいる。表示パネル２は、本開示の技術における「画像表示部」の一具体例に相当する。
【００２３】
一実施の形態に係る観察光学系１は、入射瞳（アイポイント）Ｅ．Ｐ．に近い側から順に、前側光学系１０と、少なくとも反射面３１を１面含む反射光学素子３０と、後ろ側光学系２０とを備える。前側光学系１０は、本開示の技術における「第１レンズ群」の一具体例に相当する。後ろ側光学系２０は、本開示の技術における「第２レンズ群」の一具体例に相当する。
【００２４】
前側光学系１０は、反射光学素子３０よりも入射瞳Ｅ．Ｐ．に近い位置に配置され、反射面３１上または反射面３１よりも入射瞳Ｅ．Ｐ．に近い位置に、表示パネル２に表示された画像に相当する虚像の中間像４０を形成する。なお、反射光学素子３０は反射面３１を複数、有していてもよい。この場合、入射瞳Ｅ．Ｐ．側から光線追跡をした場合における、最初に光が入射する反射面３１よりも入射瞳Ｅ．Ｐ．に近い位置に中間像４０が形成される。
【００２５】
後ろ側光学系２０は、入射瞳Ｅ．Ｐ．側から光線追跡をした場合における、前側光学系１０、中間像４０、および反射光学素子３０の順に光が通過した後の光路上に配置され、反射面３１によって光が反射された後の光路上に入射瞳Ｅ．Ｐ．の像が形成されるように配置されている。
【００２６】
本開示では、一実施の形態として、１インチ（対角２５．４ｍｍ）以下のサイズの表示パネル２を片側の眼３に対し１枚（両眼で２枚）だけ使って１１０度以上の大きな水平視野角を実現し、なおかつヘッドマウントディスプレイとして必要な小型軽量化を実現できる観察光学系１を提示する。
【００２７】
ヘッドマウントディスプレイは一般に薄い（特に眼３から前方方向の厚さが小さい）ものが好まれる。厚いヘッドマウントディスプレイは重心が顔から離れているため、使用時に顔の一部分に圧力がかかりやすく不快であるとともに、使用時のずり落ちが問題になる。上記特許文献１および特許文献２に記載の観察光学系のように、単レンズを使用（収差を補正するための複数使用も含む）した観察光学系であれば、薄いヘッドマウントディスプレイは実現しやすいが、１インチ（対角２５．４ｍｍ）以下の表示パネル２で１１０度以上の大きな水平視野角を実現したものは今のところ知られていない。
【００２８】
したがって、一実施の形態に係る観察光学系１では、入射瞳Ｅ．Ｐ．側から光線追跡をした場合において、一度、表示パネル２より大きいサイズの中間像４０を作り、その後、中間像４０をリレーして所望のパネルサイズに再結像させる構成としている。なお、本開示の一実施の形態では、特に断りのない限り、虚像を物体面、表示パネル２を像面とし、観察者４が観察する実際の光路とは逆向きに光が進むものとして説明を行う。
【００２９】
一実施の形態に係る観察光学系１では、一般の観察光学系では表示パネル２の位置にできる像が一旦、中間像４０になり、その後ろにリレーする光学系が必要となる。このため、全長は一般の観察光学系に比べて非常に長くなり装着感に問題が出やすい。したがって、図１に示すように、一実施の形態に係る観察光学系１では、顔の幅方向には大きくなるが、途中で耳の方向に光路を折り曲げる配置を取っている。中間像４０より後ろに光学系が追加されるため、少し重いヘッドマウントディスプレイになるが、折り曲げないときに比べ重心が顔に近づき、装着時の圧力も頭の広い面積で分散できるためヘッドマウントディスプレイの装着感およびその安定性は問題にならなくなる。一実施の形態に係る観察光学系１では、図１に示すように、頭部に装着したときに、顔の正面から見て表示パネル２が眼３より耳側、顔の横から見て表示パネル２が反射光学素子３０の反射面３１より顔側に配置されるように構成されている。
【００３０】
一実施の形態に係る観察光学系１において、光路を折り曲げる反射面３１が正のパワーを持てば像面湾曲を抑える方向に働くので、広い視野角実現に有利になってくる。上記特許文献３等に記載のリレー光学系においても反射面３１が含まれているが、眼３から出た光が最初に届く、眼３に一番近い光学素子（自由曲面プリズム）に反射面３１が配置されている。
【００３１】
ここで、反射面３１が眼３（入射瞳Ｅ．Ｐ．）に一番近い場所にあると視野角拡大が難しいことを図２〜図４に示す簡易シミュレーションで説明する。
【００３２】
図２には、平面鏡３１０を傾き角０度で用いた観察光学系における反射光の状態の一例を示す。図３には、平面鏡３１０を傾き角１５度で用いた観察光学系における反射光の状態の一例を示す。図４には、楕円面鏡３２０を用いた観察光学系の反射光における状態の一例を示す。
【００３３】
図２および図３には、平面鏡３１０に、入射角度０度の光Ｌｉｎ（０°）、入射角度＋５５度の光Ｌｉｎ（＋５５°）、および入射角度−４５度の光Ｌｉｎ（−４５°）を入射させた場合のそれぞれの反射光Ｌｒｅｆ（０°），Ｌｒｅｆ（＋５５°），Ｌｒｅｆ（−４５°）の光路を示す。図４には、楕円面鏡３２０に、入射角度０度の光Ｌｉｎ（０°）、入射角度＋６０度の光Ｌｉｎ（＋６０°）、および入射角度−４５度の光Ｌｉｎ（−４５°）を入射させた場合のそれぞれの反射光Ｌｒｅｆ（０°），Ｌｒｅｆ（＋６０°），Ｌｒｅｆ（−４５°）の光路を示す。
【００３４】
視野角が大きいと反射面３１の傾きを変えただけでは反射光を眼３の方向へ一切戻らないようにすることはできない。なお、特許文献５（特開２０１３−２５１０２号公報）に記載の観察光学系では、１つの屈折面を通した裏面反射であり反射面３１にも曲率がついているため、図２および図３に示す例のようには極端ではないが、それでもやはり視野角が大きくなると眼３の方向へ戻る光がないようにすることは難しい。
【００３５】
ただし、図４に示す例のように偏心した楕円面鏡３２０を考えれば、主光線を焦点に集めることができるので、焦点位置を適切に選べば眼３に戻らない配置は可能である。例えば、図４に示したように、１つの楕円焦点Ｆ１の位置に中間像４０、もう１つの楕円焦点Ｆ２の位置が入射瞳Ｅ．Ｐ．となるような配置が可能である。しかしながらこの場合、結像性能が低すぎて（主光線以外の光線が主光線に集まらなさすぎて）、反射面３１の後ろに配置される光学系は非常に困難なものになる。
【００３６】
このように、従来の光学タイプのように、眼３に近い位置に配置される光学素子に反射面３１を入れる構成では視野角拡大を目指すことは非常に難しい。そのため、一実施の形態に係る観察光学系１では、従来と異なる新しい光学系タイプの構成となっている。
【００３７】
一実施の形態に係る観察光学系１において、前側光学系１０、反射光学素子３０、および後ろ側光学系２０はそれぞれ、正のパワーを有する。
【００３８】
前側光学系１０は、反射光学素子３０内の反射面３１と同じ位置、または反射面３１よりも眼３側の位置に中間像４０を作り、同時に反射光学素子３０内の反射面３１より後ろ（表示パネル２側）の位置に瞳を作る。
【００３９】
中間像４０は、観察光学系１による虚像と共役である。また、この中間像４０は実像である。中間像４０のサイズは表示パネル２のパネルサイズ（表示パネル２に表示される像のサイズ）よりも大きいが、反射光学素子３０と後ろ側光学系２０で縮小されて所望のパネルサイズで表示パネル２上に結像されることになる。
【００４０】
前側光学系１０は、１枚または複数の軸対称レンズを含む軸対称光学系で構成される。図５の構成例では、前側光学系１０が、第１レンズＬ１１、第２レンズＬ１２、および第３レンズＬ１３の３枚構成の例を示す。前側光学系１０は、フレネル面を有していてもよい。図５の構成例では、第１レンズＬ１１における第２レンズＬ１２に対向する面が第１フレネル面Ｆｒ１であり、第２レンズＬ１２における第１レンズＬ１１に対向する面が第２フレネル面Ｆｒ２となっている。
【００４１】
反射光学素子３０および後ろ側光学系２０は、前側光学系１０に対し、偏心およびチルトしている。反射光学素子３０は、前側光学系１０に対しチルトした軸対称形状、もしくは自由曲面形状を有する。
【００４２】
後ろ側光学系２０は自由曲面を少なくとも１面有する。後ろ側光学系２０は全体として軸対称な軸を持たない偏心光学系となっている。反射光学素子３０では眼３の方向を避けるようにチルトして光を反射させる必要がある。このため、一般に反射光学素子３０では非軸対称な収差が発生してしまう。その収差を補正するため後ろ側光学系２０にも偏心、または自由曲面を有する必要がある。
【００４３】
一実施の形態に係る観察光学系１では、反射光学素子３０内の反射面３１よりも眼３側（前側光学系１０側）に中間像４０を作ることが重要である。そうすることで反射光学素子３０の作用によって、反射面３１の後方（反射面３１と後ろ側光学系２０との間、または後ろ側光学系２０の内部）に瞳の実像（入射瞳Ｅ．Ｐ．の像）５０ができるので、中間像４０と瞳の実像５０とにはさまれた場所に反射面３１が配置されることになり、反射光学素子３０のサイズ、および反射光学素子３０の前後を通る光の広がり範囲を小さく制限できるようになる。その結果、大きな視野角でも小型のヘッドマウントディスプレイの実現が可能になる。従来の観察光学系のように中間像４０ができる前に光が反射光学素子３０に入射すると、光は大きく広がっているため、反射面３１が大きくなりすぎて大きな視野角にすることは難しくなる。また、たとえそのような設計ができたとしてもヘッドマウントディスプレイ全体は非常に大きなものになってしまう。
【００４４】
図６および図７には、第１および第２の比較例に係る観察光学系および画像表示装置の一構成例を概略的に示す。
【００４５】
図６に示した第１の比較例に係る観察光学系は、上記特許文献５に記載の観察光学系の構成に相当する。第１の比較例に係る観察光学系は、眼３側から順に、自由曲面プリズム１１０と、自由曲面プリズム１２０とを備えている。自由曲面プリズム１１０は反射面１１１を有する。
【００４６】
図７に示した第２の比較例に係る観察光学系は、上記特許文献３に記載の観察光学系の構成に相当する。第２の比較例に係る観察光学系は、眼３側から順に、自由曲面プリズム２１０と、集光光学系２２０とを備えている。自由曲面プリズム２１０は反射面２１１を有する。
【００４７】
図６および図７に示した第１および第２の比較例に係る観察光学系では、眼３側から光を入射すると、反射面１１１，２１１によって光が反射された後に中間像４０が形成されるが、この場合、視野角の拡大は難しい。これに対し、一実施の形態に係る観察光学系１では、眼３側から光を入射すると、図５に示すように中間像４０が形成された後に光が反射面３１によって反射されるので視野角の拡大が容易となる。
【００４８】
［１．２  効果および変形例］
以上説明したように、一実施の形態に係る観察光学系１および画像表示装置によれば、視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能となる。
【００４９】
一実施の形態に係る観察光学系１および画像表示装置によれば、高解像度マイクロディスプレイを使った大きな水平視野角の小型ヘッドマウントディスプレイを実現できる。
【００５０】
図８は、一実施の形態に係る観察光学系１および画像表示装置の第１の変形例を概略的に示している。一実施の形態に係る観察光学系１は、前側光学系１０と反射面３１との間に空間があるため、視線検出光学系を配置することは比較的容易である。
【００５１】
例えば、図８に示した第１の変形例のように、赤外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源６１で観察者４の眼３を照射し、前側光学系１０と反射面３１との間の空間に撮像光学系（結像光学系６０）を入れて、撮像素子６３に眼３の像を常に取り込み、眼３の動きをモニタすることができる。この場合、前側光学系１０と反射光学素子３０との間の光路中に光分離素子としてダイクロイックミラー６２を配置する。ダイクロイックミラー６２は、理想的には赤外光を１００％反射し、可視光を１００％透過する特性を有する。これにより、ダイクロイックミラー６２は、観察者４の眼３によって反射された、光源６１からの光の反射光（赤外光）と観察画像の光（可視光）とを分離する。結像光学系６０は、ダイクロイックミラー６２によって分離された反射光の光路中において、観察光学系１の射出瞳６６に相当する位置に配置する。結像光学系６０および撮像素子６３よりも眼３側には、観察者４から結像光学系６０および撮像素子６３を見えないようにするための目隠し板６５を配置することが好ましい。撮像素子６３には、観察者４の眼３によって反射された、光源６１からの光の反射光が結像光学系６０を介して入射する。視線位置算出部６４は、撮像素子６３による撮像結果に基づいて、観察者４の視線位置を算出する。
【００５２】
図９は、一実施の形態に係る観察光学系１および画像表示装置の第２の変形例を概略的に示している。
【００５３】
図９に示したように、一実施の形態に係る観察光学系１において、反射光学素子３０を、外部の光を透過する半透過特性を有する半透過鏡等の反射光学素子３０Ａで構成するようにしてもよい。この場合、反射光学素子３０Ａの後ろに適切な追加光学系（結像光学系）８０を追加すれば、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現できる。これにより、観察者４は例えば、表示パネル２に表示された表示画像７０に、外部画像７１が重畳された観察画像７２を観察することが可能となる。外部画像７１は、外の景色であってもよいし、外部の表示パネルに表示された表示画像であってもよい。
【００５４】
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
【実施例】
【００５５】
＜２．光学系の数値実施例＞
［実施例１］
図１０は、実施例１に係る観察光学系１Ａおよび画像表示装置の断面構成を示す。
【００５６】
実施例１に係る観察光学系１Ａは、図１０に示したように、反射光学素子３０が反射鏡１枚で構成されている。実施例１に係る観察光学系１Ａでは、反射面３１の前（眼３側）に３枚の軸対称レンズ（第１レンズＬ１１、第２レンズＬ１２、および第３レンズＬ１３）を配置してその直後に中間像４０を作っている。中間像４０は反射面３１より眼３側にあり、反射面３１の後ろには瞳の実像５０ができている。
【００５７】
実施例１に係る観察光学系１Ａでは、前側光学系１０が、眼３側から順に、第１レンズＬ１１、第２レンズＬ１２、および第３レンズＬ１３が配置された、３枚レンズの構成となっている。前側光学系１０には、フレネル面が２面含まれ、薄型化に貢献している。具体的には、第１レンズＬ１１における第２レンズＬ１２に対向する面が第１フレネル面Ｆｒ１であり、第２レンズＬ１２における第１レンズＬ１１に対向する面が第２フレネル面Ｆｒ２となっている。フレネル面は、例えば平面状の基板面に形成され、そのサグ量は２つの互いに平行な平面で上限下限が決まっている。第１フレネル面Ｆｒ１および第２フレネル面Ｆｒ２は一般には曲面でもよく、互いに平行でなくても構わない。
【００５８】
実施例１に係る観察光学系１Ａでは、瞳の実像５０は後ろ側光学系２０の中にできている。後ろ側光学系２０は自由曲面を２面含み、反射面３１で発生した非軸対称な収差を補正している。
【００５９】
なお、実施例１に係る観察光学系１Ａでは、眼３で追いにくい鼻側、上下方向（特に上）より耳側の視野角が大きいが、これに限定されるものではない。視野角は以下のとおりである。
・視野角
Ｙ方向（水平）：−５７．５度（耳側）〜＋４５度（鼻側）
Ｘ方向（垂直）：−３０度〜＋３０度
【００６０】
前側光学系１０にフレネルレンズを含む場合、以下の条件式（１），（２）の２つの不等式を満足することで、小型軽量でありながら良好な光学性能を持つ画像表示装置が実現可能になる。なお、条件式（１）において、前側光学系１０の焦点距離をｆｂ、アイレリーフの長さをＥとする。条件式（２）では、入射瞳Ｅ．Ｐ．側から光線追跡をした場合において、中間像４０の垂直方向の像の高さをＡ、中間像４０を反射光学素子３０および後ろ側光学系２０によって表示パネル２に結像させたときの垂直方向の像の高さをＢとする。
１＜ｆｂ／Ｅ＜１．２５  ……（１）
０．５５＜Ｂ／Ａ＜０．８５  ……（２）
【００６１】
条件式（１）は、前側光学系１０によって形成される中間像４０の位置に制限を与える条件であり、ｆｂ／Ｅが１より小さいと収差が悪化し、ｆｂ／Ｅが１．２５より大きいと光学系サイズが大きくなってしまう。
【００６２】
条件式（２）は、中間像４０と表示パネル２との間の垂直方向の横倍率に制限を与える条件になっている。Ｂ／Ａが条件式（２）の下限を下回ると光学系が大型化してしまう。一方上限をこえてしまうと、収差が悪化してしまう。
【００６３】
なお、実施例１に係る観察光学系１Ａは軸対称でないため、水平方向の倍率と垂直方向の倍率は一般に異なり、水平方向の倍率は垂直方向の倍率に比べ偏心等で比較的自由度がある。
【００６４】
実施例１に係る観察光学系１Ａでは、波長５３６ｎｍの光の場合、前側光学系１０の焦点距離ｆｂは、ｆｂ＝１４．３２ｍｍとなる。アイレリーフの長さＥ＝１３ｍｍであるから、ｆｂ／Ｅ＝１．１０となり、条件式（１）を満足している。
【００６５】
実施例１に係る観察光学系１Ａでは、水平０度、垂直±３０度の主光線が垂直方向の像サイズを決めている。実施例１に係る観察光学系１Ａにおいて、実光線追跡を行うと、中間像４０の垂直方向の像の高さＡ＝±７．３６ｍｍ、表示パネル２上での垂直方向の像の高さＢ＝±５．５０ｍｍであり、Ｂ／Ａ＝０．７４７となり、条件式（２）を満足している。
【００６６】
［表１］に、実施例１に係る観察光学系１Ａの基本的なレンズデータを示す。［表１］において、０面は物体面（虚像）、１面は入射瞳Ｅ．Ｐ．（直径１２ｍｍ）、８面は中間像４０、１５面は表示パネル面（０．９３インチ）を示す。
【００６７】
［表１］において、Ｒは面の曲率半径、Ｄは光軸上の面間隔、Ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数を示す。また、［表１］において、面タイプがＳＰＨでＲの値が１ｅ＋１８の面は平面を表す。ＲＥＦＲは屈折面、ＲＥＦＬは反射面３１を表す。また、［表１］において、「ＳＰＨ」は球面、「ＡＳＰ」は非球面を表す。非球面の式は以下のとおりである。ただし、球面の場合、非球面の式において、ｋ＝Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝Ｅ＝Ｆ＝Ｇ＝Ｈ＝Ｊ＝０とする。後述する他の実施例についても同様である。
【００６８】
【数１】
2020076935.tif 000003
【００６９】
また、［表１］において、「ＡＳＰ−ＦＲＥＳＮＥＬ」は薄肉フレネル面を表す。薄肉フレネル面の場合、面のサグ量は常に０だが、面の法線を計算するときだけ上記非球面の式（の微分値）から計算する。薄肉フレネル面は実形状を考慮しないで光線追跡を行う理想的な場合で、立ち壁を無視しているため、迷光が発生しない。また、［表１］において、「ＳＰＳ  ＸＹＰ」は、ＸＹ多項式面を表す。ＸＹ多項式面の式は以下のとおりである（１０次式の場合）。後述する他の実施例についても同様である。
【００７０】
【数２】
2020076935.tif 000004
【００７１】
【表１】
2020076935.tif 000005
【００７２】
［表２］には、実施例１に係る観察光学系１Ａにおける非球面係数を示す。［表３］には、実施例１に係る観察光学系１Ａにおける偏心データを示す。偏心データは、各面について、各面の１つ前の面基準の座標（ＸＤＥ，ＹＤＥ，ＺＤＥ）とオイラー角（ＡＤＥ，ＢＤＥ，ＣＤＥ）とを示す。ＸＤＥ，ＹＤＥ，ＺＤＥは偏心量、ＡＤＥ，ＢＤＥ，ＣＤＥはチルト角に相当する。ＡＤＥとは、ミラーもしくはレンズをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量を意味する。ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。なお、表示パネル２の表示面の横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、表示面に対して垂直な方向をＺ軸とする。後述する他の実施例についても同様である。
【００７３】
【表２】
2020076935.tif 000006
【００７４】
【表３】
2020076935.tif 000007
【００７５】
また、以下に、実施例１に係る観察光学系１ＡにおけるＸＹ多項式面の係数を示す。
【００７６】
（実施例１・ＸＹ多項式面の係数Ｃｊ）
・９面
Ｃ３：７．６０４ｅ−００２
Ｃ４：−６．６４６ｅ−００３
Ｃ６：−７．０２５ｅ−００３
Ｃ８：−８．７７４ｅ−００５
Ｃ１０：６．３８７ｅ−００６
Ｃ１１：−２．９３５ｅ−００７
Ｃ１３：１．４２７ｅ−００６
Ｃ１５：−８．１０３ｅ−００７
Ｃ１７：−２．０７４ｅ−００８
Ｃ１９：−５．９２７ｅ−００８
Ｃ２１：−４．８５７ｅ−００９
【００７７】
・１０面
Ｃ３：１．７６８ｅ−００１
Ｃ４：−２．５３３ｅ−００２
Ｃ６：−１．８５５ｅ−００２
Ｃ８：１．２５４ｅ−００４
Ｃ１０：−１．２９１ｅ−００４
Ｃ１１：−６．２７８ｅ−００６
Ｃ１３：３．３１１ｅ−００６
Ｃ１５：１．０９８ｅ−００５
Ｃ１７：−１．２４２ｅ−００７
Ｃ１９：−３．８０４ｅ−００７
Ｃ２１：−２．０４５ｅ−００７
【００７８】
・１２面
Ｃ３：９．５５３ｅ−００１
Ｃ４：−３．２３４ｅ−００２
Ｃ６：−５．０７５ｅ−００２
Ｃ８：５．３０６ｅ−００４
Ｃ１０：１．０７７ｅ−００３
Ｃ１１：１．２７５ｅ−００５
Ｃ１３：−３．０４４ｅ−００５
Ｃ１５：−２．０７１ｅ−００５
Ｃ１７：−３．５２３ｅ−００７
Ｃ１９：−１．８９１ｅ−００８
Ｃ２１：−７．８６５ｅ−００９
【００７９】
［実施例２］
図１１は、実施例２に係る観察光学系１Ｂおよび画像表示装置の断面構成を示す。
【００８０】
実施例２に係る観察光学系１Ｂは、図１１に示したように、実施例１に係る観察光学系１Ａの構成に対して、反射光学素子３０を自由曲面プリズムからなる反射光学素子３０Ｂに変更した構成例である。反射光学素子３０Ｂは反射面３１と屈折面とを１つずつ持ち、リトロー配置（入射面と射出面とが同一面の配置）となっている。この実施例２に係る観察光学系１Ｂでは、反射面３１が凹面（裏面反射）であるが、反射光学素子３０Ｂの全体のパワーが正であれば、反射面３１自体は平面や凸面でも構わない。
【００８１】
実施例２に係る観察光学系１Ｂの視野角は以下のとおりである。
・視野角
Ｙ方向（水平）：−５７．５度（耳側）〜＋４５度（鼻側）
Ｘ方向（垂直）：−３０度〜＋３０度
【００８２】
実施例２に係る観察光学系１Ｂでは、波長５３６ｎｍの光の場合、前側光学系１０の焦点距離ｆｂは、ｆｂ＝１３．３６ｍｍとなる。アイレリーフの長さＥ＝１３ｍｍであるから、ｆｂ／Ｅ＝１．０３となり、条件式（１）を満足している。
【００８３】
実施例２に係る観察光学系１Ｂでは、水平０度、垂直±３０度の主光線が垂直方向の像サイズを決めている。実施例２に係る観察光学系１Ｂにおいて、実光線追跡を行うと、中間像４０の垂直方向の像の高さＡ＝±６．８４ｍｍ、表示パネル２上での垂直方向の像の高さＢ＝±４．５０ｍｍであり、Ｂ／Ａ＝０．６５８となり、条件式（２）を満足している。
【００８４】
なお、実施例２に係る観察光学系１Ｂは軸対称でないため、水平方向の倍率と垂直方向の倍率は一般に異なり、水平方向の倍率は垂直方向の倍率に比べ偏心等で比較的自由度がある。
【００８５】
［表４］に、実施例２に係る観察光学系１Ｂの基本的なレンズデータを示す。［表４］において、０面は物体面（虚像）、１面は入射瞳Ｅ．Ｐ．（直径１２ｍｍ）、８面は中間像４０、１５面は表示パネル面（０．９３インチ）を示す。［表４］において、Ｒは面の曲率半径、Ｄは光軸上の面間隔、Ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数を示す。また、［表４］において、面タイプがＳＰＨでＲの値が１ｅ＋１８の面は平面を表す。ＲＥＦＲは屈折面、ＲＥＦＬは反射面３１を表す。［表４］において、「ＳＰＨ」は球面、「ＡＳＰ」は非球面を表す。非球面の式は実施例１と同様である。「ＡＳＰ−ＦＲＥＳＮＥＬ」は、実施例１と同様に薄肉フレネル面を表す。［表４］において、「ＳＰＳ  ＸＹＰ」は、ＸＹ多項式面を表す。ＸＹ多項式面の式は実施例１と同様である。
【００８６】
［表５］には、実施例２に係る観察光学系１Ｂにおける非球面係数を示す。［表６］には、実施例２に係る観察光学系１Ｂにおける偏心データを示す。偏心データは、各面について、各面の１つ前の面基準の座標とオイラー角とを示す。
【００８７】
【表４】
2020076935.tif 000008
【００８８】
【表５】
2020076935.tif 000009
【００８９】
【表６】
2020076935.tif 000010
【００９０】
また、以下に、実施例２に係る観察光学系１ＢにおけるＸＹ多項式面の係数を示す。
【００９１】
（実施例２・ＸＹ多項式面の係数Ｃｊ）
・９面
Ｃ３：２．２２４ｅ−００１
Ｃ４：１．２４３ｅ−００３
Ｃ６：−１．０４０ｅ−００２
Ｃ８：２．４３４ｅ−００４
Ｃ１０：４．３８６ｅ−００６
Ｃ１１：−４．３８６ｅ−００６
Ｃ１３：−１．１９８ｅ−００５
Ｃ１５：−３．２４４ｅ−００６
Ｃ１７：−７．３２９ｅ−００８
Ｃ１９：１．５００ｅ−００７
Ｃ２１：２．６１８ｅ−００８
【００９２】
・１０面
Ｃ３：８．０８９ｅ−００２
Ｃ４：−４．９６５ｅ−００３
Ｃ６：−７．９４０ｅ−００３
Ｃ８：９．３００ｅ−００５
Ｃ１０：−３．８８５ｅ−００５
Ｃ１１：−１．１９６ｅ−００６
Ｃ１３：−４．２４０ｅ−００６
Ｃ１５：−８．２５１ｅ−００７
Ｃ１７：−６．６２６ｅ−００８
Ｃ１９：−１．５５５ｅ−００９
Ｃ２１：２．３６４ｅ−００９
【００９３】
・１１面
Ｃ３：２．２２４ｅ−００１
Ｃ４：１．２４３ｅ−００３
Ｃ６：−１．０４０ｅ−００２
Ｃ８：２．４３４ｅ−００４
Ｃ１０：４．３８６ｅ−００６
Ｃ１１：−４．３８６ｅ−００６
Ｃ１３：−１．１９８ｅ−００５
Ｃ１５：−３．２４４ｅ−００６
Ｃ１７：−７．３２９ｅ−００８
Ｃ１９：１．５００ｅ−００７
Ｃ２１：２．６１８ｅ−００８
【００９４】
・１２面
Ｃ３：−１．８６７ｅ−００１
Ｃ４：−３．５２６ｅ−００２
Ｃ６：−３．２０６ｅ−００２
Ｃ８：−３．４０２ｅ−００４
Ｃ１０：−２．００８ｅ−００４
Ｃ１１：−２．０３６ｅ−００６
Ｃ１３：−６．１４２ｅ−００６
Ｃ１５：−５．５２８ｅ−００６
Ｃ１７：−３．８１９ｅ−００７
Ｃ１９：−５．５９２ｅ−００７
Ｃ２１：３．１３４ｅ−００８
【００９５】
［実施例３］
図１２は、実施例３に係る観察光学系１Ｃおよび画像表示装置の断面構成を示す。
【００９６】
実施例１，２に係る観察光学系１Ａ，１Ｂではフレネルレンズを使っているが、本開示の技術は必ずフレネルレンズが必要というわけではない。フレネルレンズを使用しない場合は、迷光がなくなる利点があるため、場合によってはフレネルレンズがない方が好ましいこともある。実施例３に係る観察光学系１Ｃでは、前側光学系１０が、第１レンズＬ１１、および第２レンズＬ１２の２枚構成となっている。
【００９７】
実施例３に係る観察光学系１Ｃでは、図１２に示したように、実施例１，２に比べ中間像４０は反射面３１に近いところにできている。一方、瞳の実像５０は反射面３１から遠いところにできている。これは前側光学系１０をフレネルレンズでない屈折率の低い樹脂レンズを使ったためおきたことで、重くなるが高屈折率ガラスを前側光学系１０に使用すれば中間像４０を前側光学系１０に近づけられ、小型化できるようになる。
【００９８】
実施例３に係る観察光学系１Ｃの視野角は以下のとおりである。
・視野角
Ｙ方向（水平）：−６０度（耳側）〜＋４５度（鼻側）
Ｘ方向（垂直）：−３０度〜＋３０度
【００９９】
実施例３に係る観察光学系１Ｃでは、波長５３６ｎｍの光の場合、前側光学系１０の焦点距離ｆｂは、ｆｂ＝４５．７０ｍｍとなる。アイレリーフの長さＥ＝１３．７３５２ｍｍであるから、ｆｂ／Ｅ＝３．３３となり、条件式（１）を満たしていない。
【０１００】
実施例３に係る観察光学系１Ｃでは、水平０度、垂直±３０度の主光線が垂直方向の像サイズを決めている。実施例３に係る観察光学系１Ｃにおいて、実光線追跡を行うと、中間像４０の垂直方向の像の高さＡ＝±２４．４８ｍｍ、表示パネル２上での垂直方向の像の高さＢ＝±５．５０ｍｍであり、Ｂ／Ａ＝０．２２５となり、条件式（２）を満たしていない。
【０１０１】
実施例３に係る観察光学系１Ｃでは、前側光学系１０にフレネルレンズを含まず、小型化をある程度割り切っているため、条件式（１），（２）を満たしていない。
【０１０２】
［表７］に、実施例３に係る観察光学系１Ｃの基本的なレンズデータを示す。［表７］において、０面は物体面（虚像）、１面は入射瞳Ｅ．Ｐ．（直径１４ｍｍ）、６面は中間像４０、１４面は表示パネル面（０．９３インチ）を示す。［表７］において、Ｒは面の曲率半径、Ｄは光軸上の面間隔、Ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数を示す。また、［表７］において、面タイプがＳＰＨでＲの値が１ｅ＋１８の面は平面を表す。ＲＥＦＲは屈折面、ＲＥＦＬは反射面３１を表す。［表７］において、「ＳＰＨ」は球面、「ＡＳＰ」は非球面を表す。非球面の式は実施例１と同様である。［表７］において、「ＳＰＳ  ＸＹＰ」は、ＸＹ多項式面を表す。ＸＹ多項式面の式は実施例１と同様である。
【０１０３】
［表８］には、実施例３に係る観察光学系１Ｃにおける非球面係数を示す。［表９］には、実施例３に係る観察光学系１Ｃにおける偏心データを示す。偏心データは、各面について、各面の１つ前の面基準の座標とオイラー角とを示す。
【０１０４】
【表７】
2020076935.tif 000011
【０１０５】
【表８】
2020076935.tif 000012
【０１０６】
【表９】
2020076935.tif 000013
【０１０７】
また、以下に、実施例３に係る観察光学系１ＣにおけるＸＹ多項式面の係数を示す。
【０１０８】
（実施例３・ＸＹ多項式面の係数Ｃｊ）
・１２面
Ｃ３：７．８４２ｅ−００３
Ｃ４：−２．４４８ｅ−００２
Ｃ６：−２．９４１ｅ−００２
Ｃ８：−５．０７６ｅ−００５
Ｃ１０：−７．７７９ｅ−００５
Ｃ１１：５．１３６ｅ−００８
Ｃ１３：６．９７１ｅ−００６
Ｃ１５：−３．２９０ｅ−００６
Ｃ１７：１．５３７ｅ−００６
Ｃ１９：６．６３５ｅ−００７
Ｃ２１：−１．５１２ｅ−００７
Ｃ２２：１．１６９ｅ−００７
Ｃ２４：５．０２３ｅ−００８
Ｃ２６：−６．３４６ｅ−００８
Ｃ２８：−３．０２５ｅ−００８
【０１０９】
・１３面
Ｃ１：−３．５８９ｅ＋０００
Ｃ３：１．７３６ｅ−００１
Ｃ４：−９．７０３ｅ−００３
Ｃ６：−２．２４０ｅ−００２
Ｃ８：３．５０８ｅ−００４
Ｃ１０：２．７７６ｅ−００４
Ｃ１１：−１．０４０ｅ−００５
Ｃ１３：３．５３１ｅ−００５
Ｃ１５：３．７７９ｅ−００６
Ｃ１７：４．５２６ｅ−００７
Ｃ１９：−１．３８６ｅ−００６
Ｃ２１：−４．０６８ｅ−００７
Ｃ２２：３．２１６ｅ−００７
Ｃ２４：１．３３７ｅ−００８
Ｃ２６：−８．７１７ｅ−００８
Ｃ２８：１．１１４ｅ−００８
【０１１０】
＜３．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
【０１１１】
例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、視野角の拡大と小型軽量化とを両立させることが可能となる。
【０１１２】
（１）
少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に、画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第１レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群と
を備える
観察光学系。
（２）
前記第１レンズ群、前記反射光学素子、および前記第２レンズ群はそれぞれ、正のパワーを有する
上記（１）に記載の観察光学系。
（３）
前記中間像のサイズは、前記画像表示部に表示される像のサイズより大きい
上記（１）または（２）に記載の観察光学系。
（４）
前記反射光学素子および前記第２レンズ群はそれぞれ、前記第１レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（５）
前記反射光学素子および前記第２レンズ群はそれぞれ、前記第１レンズ群に対し、偏心およびチルトしている
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（６）
前記反射光学素子および前記第２レンズ群のうち少なくとも一方は、非軸対称な自由曲面を有する
上記（５）に記載の観察光学系。
（７）
頭部に装着したときに、顔の正面から見て前記画像表示部が眼より耳側に配置され、かつ、顔の横から見て前記画像表示部が前記反射光学素子の反射面より顔側に配置されるように構成されている
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（８）
前記第１レンズ群の焦点距離をｆｂ、アイレリーフの長さをＥとしたとき、
１＜ｆｂ／Ｅ＜１．２５  ……（１）
を満足する
上記（１）ないし（７）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（９）
前記入射瞳側から光線追跡をした場合において、前記中間像の垂直方向の像の高さをＡ、前記中間像を前記反射光学素子および前記第２レンズ群によって前記画像表示部に結像させたときの垂直方向の像の高さをＢとしたとき、
０．５５＜Ｂ／Ａ＜０．８５  ……（２）
を満足する
上記（１）ないし（８）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（１０）
観察者の眼に照射される光を発する光源と、
前記第１レンズ群と前記反射光学素子との間の光路中に配置され、前記観察者の眼によって反射された前記光源からの光の反射光を分離する光分離素子と、
前記光分離素子によって分離された前記反射光の光路中に配置された撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して前記反射光が入射する撮像素子と
をさらに備える
上記（１）ないし（９）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（１１）
前記反射面は、外部の光を透過する半透過特性を有する
上記（１）ないし（１０）のいずれか１つに記載の観察光学系。
（１２）
画像表示部と、
前記画像表示部に表示された画像を拡大する観察光学系と
を含み、
前記観察光学系は、
少なくとも反射面を１面含む反射光学素子と、
前記反射光学素子よりも入射瞳に近い位置に配置され、前記反射面上または前記反射面よりも前記入射瞳に近い位置に前記画像表示部に表示された画像に相当する虚像の中間像を形成する第１レンズ群と、
前記入射瞳側から光線追跡をした場合における、前記第１レンズ群、前記中間像、および前記反射光学素子の順に光が通過した後の光路上に配置され、前記反射面によって光が反射された後の光路上に前記入射瞳の像が形成されるように配置された第２レンズ群と
を備える
画像表示装置。
【符号の説明】
【０１１３】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…観察光学系、２…表示パネル（画像表示部）、３…眼、４…観察者、１０…前側光学系（第１レンズ群）、２０…後ろ側光学系（第２レンズ群）、３０…反射光学素子、３０Ａ…反射光学素子（半透過鏡）、３０Ｂ…反射光学素子（自由曲面プリズム）、３１…反射面、４０…中間像、５０…瞳の実像（入射瞳の像）、６０…結像光学系（撮像光学系）、６１…光源、６２…ダイクロイックミラー（光分離素子）、６３…撮像素子、６４…視線位置算出部、６５…目隠し板、６６…射出瞳、７０…表示画像、７１…外部画像（外の景色や外部の表示パネルの表示画像）、７２…観察画像（表示画像＋外部画像）、８０…追加光学系、１１０…自由曲面プリズム、１１１…反射面、１２０…自由曲面プリズム、２１０…自由曲面プリズム、２１１…反射面、２２０…集光光学系、３１０…平面鏡、３２０…楕円面鏡、Ｌ１１…第１レンズ、Ｌ１２…第２レンズ、Ｌ１３…第３レンズ、Ｌｉｎ（０°）…角度０度の入射光、Ｌｒｅｆ（０°）…角度０度の入射光、Ｌｉｎ（−４５°）…入射角度−４５度の光、Ｌｒｅｆ（−４５°）…入射角度−４５度の光の反射光、Ｌｉｎ（＋５５°）…入射角度＋５５度の光、Ｌｒｅｆ（＋５５°）…入射角度＋５５度の光の反射光、Ｌｉｎ（＋６０°）…入射角度＋６０度の光、Ｌｒｅｆ（＋６０°）…入射角度＋６０度の光の反射光、Ｆｒ１…第１フレネル面、Ｆｒ２…第２フレネル面、Ｆ１，Ｆ２…楕円焦点、Ｅ．Ｐ．…入射瞳（アイポイント）。
【図１】
2020076935.tif 000014
【図２】
2020076935.tif 000015
【図３】
2020076935.tif 000016
【図４】
2020076935.tif 000017
【図５】
2020076935.tif 000018
【図６】
2020076935.tif 000019
【図７】
2020076935.tif 000020
【図８】
2020076935.tif 000021
【図９】
2020076935.tif 000022
【図１０】
2020076935.tif 000023
【図１１】
2020076935.tif 000024
【図１２】
2020076935.tif 000025