(57)【要約】【課題】  簡単な構造で、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能な画像表示装置を提供する。【解決手段】  画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されるものである。【選択図】図１１
2010020065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、
前記画像表示素子に表示された画像をリレーするリレー光学系と、
前記リレー光学系により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系と、
からなる画像表示装置において、
前記接眼光学系は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、
前記リレー光学系でリレーされたリレー像は、前記リレー光学系の中心軸に直交する各断面内で前記リレー光学系の中心軸と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影される
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記リレー光学系の中心軸は、前記接眼光学系の射出瞳より前記接眼光学系側に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記リレー光学系の中心軸と観察者の視軸は略直交する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記画像表示素子は、円環状の画像を表示する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記リレー光学系は、前記リレー光学系の絞り位置と前記接眼反射面との間に形成されるリレー像近傍に負のパワーを有する光学素子を配置した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記リレー像の近傍に拡散作用を有する手段を配置する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記光学素子の少なくとも１面は軸対称自由曲面で構成される
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記リレー光学系は、透過面のみ有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記画像表示素子に円環状に表示された画像は、前記リレー光学系と前記接眼光学系により、少なくとも１８０度又は略１８０度の視野角を有する画像として視認可能である
ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関し、特に、頭部装着に適し、小型で広い観察画角を表示することが可能な画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、広い観察画角特に水平画角で６０度に相当する映像を観察する表示装置が特許文献１において知られている。
【特許文献１】特開２００７−１１１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１において知られている従来例の場合、さらに広い観察画角を得るためには非常に大きな表示素子と光学系を用いないと不可能であり、装置が大型となる。また、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーし、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには接眼光学系が複雑で大型になる問題があり、簡単な構造で鮮明な画像を観察することは不可能であった。
【０００４】
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り、その目的は、簡単な構造で、小型でありながら、１８０度のような広い観察画角を鮮明に観察することが可能な画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された画像をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系と、からなる画像表示装置において、前記接眼光学系は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、前記リレー光学系でリレーされたリレー像は、前記リレー光学系の中心軸に直交する各断面内で前記リレー光学系の中心軸と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されることを特徴とする。
【０００６】
また、前記リレー光学系の中心軸は、前記接眼光学系の射出瞳より前記接眼光学系側に配置されることを特徴とする。
【０００７】
また、前記リレー光学系の中心軸と観察者の視軸は略直交することを特徴とする。
【０００８】
また、前記画像表示素子は、円環状の画像を表示することを特徴とする。
【０００９】
また、前記リレー光学系は、前記リレー光学系の絞り位置と前記接眼反射面との間に形成されるリレー像近傍に負のパワーを有する光学素子を配置したことを特徴とすることを特徴とする。
【００１０】
また、前記リレー像の近傍に拡散作用を有する手段を配置することを特徴とする。
【００１１】
また、前記光学素子の少なくとも１面は軸対称自由曲面で構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、前記リレー光学系は、透過面のみ有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記画像表示素子に円環状に表示された画像は、前記リレー光学系と前記接眼光学系により、少なくとも１８０度又は略１８０度の視野角を有する画像として視認可能である
ことを特徴とする
【発明の効果】
【００１４】
以上の本発明の画像表示装置においては、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、実施例に基づいて本発明の画像表示装置について説明する。図１は本発明の画像表示装置１の概念図、図２は図１の平面図、である。
【００１６】
本発明の画像表示装置１は、図１及び図２に示すように、画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである。
【００１７】
従来、リレー光学系を使わずに接眼光学系のみで映像を投影する頭部装着型画像表示装置があるが、広い観察像を得るためには非常に大きな表示素子と光学系を用いないと、広い観察画角を観察することは不可能であった。
【００１８】
また、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーして、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには接眼光学系が複雑で大型になる問題があった。
【００１９】
そこで、本発明では接眼光学系５を１面の反射面５ａで構成することにより小型軽量化を達成しつつ、非常に広い観察像を提供することに成功したものである。
【００２０】
しかし、通常、１面の反射面では画角が広い場合非常に大きな像面湾曲が接眼光学系で発生してしまい。周辺まで鮮明な映像を観察することは不可能であった。
【００２１】
一方、接眼光学系５の像面湾曲にリレー光学系４のリレー像の像面湾曲を合わせることは従来行われていた。しかし、１８０度近い観察像を得るために、１面の凹面反射面で接眼光学系を構成すると半円に近い像面湾曲が発生する。リレー光学系４でこの半円に近い像面湾曲を発生させることは、従来の透過レンズの組み合わせの光学系では不可能に近く、たとえ実現しても非常に複雑で大きな光学系になってしまう。
【００２２】
本発明はリレー光学系４のリレーされる像を、中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面からなるリレー像面にすることにより、非常に大きな像面湾曲を発生させることに成功し、接眼光学系５の像面湾曲と合わせることにより、この問題を解決したものである。
【００２３】
さらに好ましくは、この様な構成を取り接眼光学系５の水平方向の観察画角を広く取るためには、リレー光学系４の中心軸２と観察者の視軸を略直交させることが重要である。
なお、この両軸の位置方向関係は必ずしも９０度に直交することに限定されるものではなく、ほぼ直交する方向関係を有していれば良い。従って、その角度は９０度に満たない例えば８５度や８０度であっても良い。
【００２４】
また、リレー光学系４の中心軸２は、接眼光学系５の射出瞳Ｅより接眼光学系５側に配置されることが好ましい。観察者瞳位置からなる射出瞳Ｅとリレー光学系４が干渉しないようにするために、リレー光学系４の中心軸２を含む垂直断面ではリレー光学系を接眼光学系の射出瞳Ｅの上方に逃げることで干渉を防いでいるが、中心軸２と直行する断面である水平断面では、接眼光学系５の射出瞳Ｅより中心軸２を接眼光学系５側に近づけることにより干渉を防いでいる。リレー光学系４は回転対称な光学系で構成されているため、リレー光学系４のサジタル断面の接眼光学系５の射出瞳Ｅは必ず中心軸２上に存在することになる。観察者の額とリレー光学系４の干渉を防ぐ為には、中心軸２を接眼光学系５に近い方に配置することにより初めて可能となる。
【００２５】
さらに好ましくは、観察者眼球位置に相当する接眼光学系５の射出瞳Ｅ位置の瞳収差を最小にする為に、接眼光学系５の水平断面の形状は、リレー光学系４の中心軸２と観察者瞳位置である射出瞳Ｅの２点を焦点とする楕円形状であることが望ましい。この形状により、両眼で１８０度以上の観察画角を観察することが可能となる。
【００２６】
また、図３に示すように、画像表示素子３は、円環状の画像を表示することが好ましい。リレー光学系４は回転対称な形状であり、リレー像が、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内で、リレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるためには、画像表示素子３には円環状の映像を表示することが重要である。通常の表示では像が視野周辺で回転してしまい、正しい映像を観察することができない。さらに好ましくは、図４に示すように、画像表示素子３の画素数を有効に使うために、円環状の表示映像の観察可能な部分のみ拡大して画像表示素子３に表示することが良い。
【００２７】
また、図５及び図６に示すように、リレー像の近傍に拡散作用を有する手段１０を配置することが好ましい。リレー光学系４のリレー像近傍に拡散面等を配置することにより、接眼光学系５の射出瞳Ｅが広がり、観察者が目を動かしても映像がケラレルことなく、視野周辺まで常に映像を観察することが可能となる。さらに、この拡散面によりリレー光学系４のＮＡを小さくすることが可能となり、リレー光学系４の構成を簡単にすることが可能となり、小型のリレー光学系４を構成することができる。
【００２８】
また、拡散作用を有する手段１０は、光学素子表面を表面処理することにより形成されることが好ましい。光学素子表面を表面処理することにより形成されるので、製作性が向上する。
【００２９】
また、拡散作用を有する手段１０を回転又は振動させる手段を有することが好ましい。拡散面自体が観察されてしまうおそれを回避することが可能となる。
【００３０】
また、拡散作用を有する手段１０は、ホログラフィック素子により構成されることが好ましい。拡散面自体が観察されてしまうおそれを回避することが可能となる。
【００３１】
また、リレー光学系４は、リレー光学系４の絞り位置と接眼光学系５の反射面の間に形成されるリレー像近傍の位置に、負のパワーを有する光学素子を有することが好ましい。リレー像近傍に配置される光学素子の負のパワーにより、平面の画像表示素子３の表示像をリレー光学系４の中心軸２と同心の円環状のリレー像に変換することが可能となる。
【００３２】
また、光学素子の少なくとも１面は軸対称自由曲面で構成されることが好ましい。軸対
称自由曲面を使うことにより、接眼光学系５の像面湾曲とリレー光学系４で発生させる像面湾曲を一致させることが可能となり、周辺まで鮮明な映像を観察することが可能となる。
【００３３】
また、リレー光学系４は、透過面のみ有することが好ましい。透過面のみとすることにより製作性が向上する。
【００３４】
さらに好ましくは、リレー光学系４の使用しない部分を（図中破線の部分）カットすることにより、観察者の額との干渉を防ぐことができるのは言うまでもない。
【００３５】
さらに、接眼光学系５は半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重層表示する所謂コンバイナーとして構成することが可能である。この場合円環状の基盤にホログラフィック素子を貼り付けた、凹面鏡の作用を有するコンバイナーとすることが望ましい。
【００３６】
さらに好ましくは、接眼光学系５から観察者瞳位置としての射出瞳Ｅまでの距離をＤｅ、接眼光学系５からリレー光学系４の中心軸２までの距離をＤａとするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
１.１＜Ｄｅ／Ｄａ                                            ・・・（１）
【００３７】
上記条件式（１）の下限の１．１を超えると、リレー光学系４が観察者の額と干渉するおそれがある。
【００３８】
図７及び図８は、他の実施形態を示す図である。この形態は、左右のリレー光学系４の視軸即ち正面方向の視線をずらして配置したものである。図７は平面図、図８は表示素子の表示例を示す図である。このように配置することにより、より広角な観察像を得ることが可能となる。
【００３９】
以下に、本発明の画像表示装置１の光学系の実施例１及び実施例２を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、例えば図９に示すように、観察者の観察する位置を接眼光学系の射出瞳Ｅとし、射出瞳Ｅを通り画像表示素子３に向かう光線が、接眼光学系５と、リレー光学系４とを順に経て画像表示素子３に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。
【００４０】
座標系は、例えば図９に示すように、接眼光学系の射出瞳Ｅと接眼光学系５とを結ぶ主光線と中心軸との交点を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとし、中心軸１の画像表示素子３と反対側の方向をＺ軸正方向とし、図の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図９の原点Ｏから右方向をＹ軸正方向とし、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。
【００４１】
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の原点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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。
【００４４】
まず、図１０に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ａ）が定められる。
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
＋Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ａ）
【００４５】
次いで、この曲線（ａ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。
【００４６】
その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面  
【００４７】
その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。
【００４８】
この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。
ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ1 は円錐定数、Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。
【００４９】
なお、Ｚ軸を中心軸２に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 ，Ｃ5 ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。
【００５０】
また、本発明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 の軸となる。
【００５１】
Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］
∞
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn                             ・・・（ｂ）
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。
【００５２】
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。
【００５３】
自由曲面項は、
66
Σ Ｃj Ｘm Ｙn 
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。
【００５４】
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（ｂ）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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、上記定義式（ｂ）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言うまでもない。
【００５８】
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非球面に関する項は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。
【００５９】
実施例１の視覚表示装置のリレー光学系の中心軸２に沿ってとった断面図を図１１に、その光学系内の光路を示す中心軸１０１に沿う方向に見た平面図を図１２に示す。なお、図１２においては、一部のリレー光学系４しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１３及び図１４に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。
【００６０】
本実施例１は、画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、接眼光学系５は、正のパワーを有
する接眼反射面５ａを有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである
【００６１】
接眼光学系５は、正のパワーを有し、拡張回転自由曲面からなる接眼反射面５ａを有する。なお、６は接眼光学系５の回転対称軸であり、中心軸２と平行である。接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
【００６２】
そして、リレー光学系４は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸２の周りで回転対称な後群Ｇｂと、からなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３及び第４群Ｇ４からなる。
【００６３】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい第１透明媒体Ｌ１及び第２透明媒体Ｌ２からなる。第１透明媒体Ｌ１は、接眼光学系５に対向し、第１透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、光路上第１透過面１１より画像表示素子３側に配置され、トーリック面からなる第２透過面１２をもつ。第２透明媒体Ｌ２は、第１透明媒体Ｌ１に対向し、トーリック面からなる第３透過面２１と、第３透過面２１より画像表示素子３側に配置され、球面からなる第４透過面２２をもつ。
【００６４】
第１群Ｇ１は、画像表示素子３の逆側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３と画像表示素子３の逆側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４の接合レンズからなり、第５透過面３１と、第５透過面３１より画像表示素子３側に配置される接合面３４と、接合面３４より画像表示素子３側に配置される第６透過面４１をもつ。
【００６５】
第２群Ｇ２は、両凸正レンズＬ５と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ６の接合レンズからなり、第７透過面５１と、第７透過面５１より画像表示素子３側に配置される接合面５６と、接合面５６より画像表示素子３側に配置される第８透過面６１をもつ。
【００６６】
第３群Ｇ３は、両凸正レンズＬ７と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第９透過面７１と、第９透過面７１より画像表示素子３側に配置される接合面７８と、接合面７８より画像表示素子３側に配置される第１０透過面８１をもつ。
【００６７】
第４群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第１１透過面９１と、第１１透過面９１より画像表示素子３側に配置される第１２透過面９２をもつ。
【００６８】
光路Ａとして射出瞳Ｅから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系５の接眼反射面５ａで反射され、リレー光学系４に入る。リレー光学系４では、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第２透過面１２を経て透明媒体Ｌ１から外に出て、透明媒体Ｌ２内に第３透過面２１を経て入り、第４透過面２２を経て透明媒体Ｌ２から外に出る。
【００６９】
その後、後群Ｇｂの第１群の負メニスカスレンズＬ３と正メニスカスレンズＬ４の接合レンズ内に第５透過面３１を経て入り、接合面３４を経て、第６透過面４１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ５と負メニスカスレンズＬ６の接合レンズに第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。続いて、第４群のカバーガラスＣＧ
内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、画像表示素子３の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００７０】
この実施例１の仕様は、
画角                １８０°
射出瞳径            φ１．０００ｍｍ
像の大きさ          φ９．６００ｍｍ〜φ１９．２００ｍｍ
である。
【００７１】
実施例２の視覚表示装置のリレー光学系の中心軸２に沿ってとった断面図を図１５に、その光学系内の光路を示す中心軸１０１に沿う方向に見た平面図を図１６に示す。なお、図１６においては、一部のリレー光学系４しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１７及び図１８に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。
【００７２】
本実施例２は、画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、リレー光学系４は、透過面のみで構成され、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面５ａを有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである
【００７３】
接眼光学系５は、正のパワーを有し、自由曲面からなる接眼反射面５ａを有する。なお、６は接眼光学系５の回転対称軸である。接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
【００７４】
そして、リレー光学系４は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸２の周りで回転対称な後群Ｇｂと、からなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３及び第４群Ｇ４からなる。
【００７５】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい第１透明媒体Ｌ１及び第２透明媒体Ｌ２からなる。第１透明媒体Ｌ１は、接眼光学系５に対向し、第１透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、光路上第１透過面１１より画像表示素子３側に配置され、トーリック面からなる第２透過面１２をもつ。第２透明媒体Ｌ２は、第１透明媒体Ｌ１に対向し、トーリック面からなる第３透過面２１と、第３透過面２１より画像表示素子３側に配置され、球面からなる第４透過面２２をもつ。
【００７６】
第１群Ｇ１は、画像表示素子３の逆側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３と画像表示素子３の逆側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４の接合レンズからなり、第５透過面３１と、第５透過面３１より画像表示素子３側に配置される接合面３４と、接合面３４より画像表示素子３側に配置される第６透過面４１をもつ。
【００７７】
第２群Ｇ２は、両凸正レンズＬ５と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ６の接合レンズからなり、第７透過面５１と、第７透過面５１より画像表示素子３側に配置される接合面５６と、接合面５６より画像表示素子３側に配置される第８透過面６１をもつ。
【００７８】
第３群Ｇ３は、両凸正レンズＬ７と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第９透過面７１と、第７透過面７１より画像表示素子３側に配置される接合面７８と、接合面７８より画像表示素子３側に配置される第１０透過面８１をもつ。
【００７９】
第４群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第１１透過面９１と、第１１透過面９１より画像表示素子３側に配置される第１２透過面９２をもつ。
【００８０】
光路Ａとして射出瞳Ｅから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系５の接眼反射面５ａで反射され、リレー光学系４に入る。リレー光学系４では、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第２透過面１２を経て透明媒体Ｌ１から外に出て、透明媒体Ｌ２内に第３透過面２１を経て入り、第４透過面２２を経て透明媒体Ｌ２から外に出る。
【００８１】
その後、後群Ｇｂの第１群の負メニスカスレンズＬ３と正メニスカスレンズＬ４の接合レンズ内に第５透過面３１を経て入り、接合面３４を経て、第６透過面４１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ５と負メニスカスレンズＬ６の接合レンズに第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。続いて、第４群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、画像表示素子３の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００８２】
この実施例２の仕様は、
画角                １８０°
射出瞳径            φ１．０００ｍｍ
像の大きさ          φ９．６００ｍｍ〜φ１９．１９９ｍｍ
である。
【００８３】
また、実施例１及び実施例２における条件式（１）の値を以下に示す。
【００８４】
実施例１        実施例２
条件式（１）       1.358           1.358
【００８５】
以下に、上記実施例１及び実施例２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。
【００８６】
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      ∞                      ∞
1        ∞（射出瞳）            0.000  偏心(1) 
2    ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ）         0.000  偏心(2) 
3    ＥＲＦＳ[2]                 0.000  偏心(3)   1.6204    60.2
4    ＥＲＦＳ[3]                 0.000  偏心(4) 
5    ＥＲＦＳ[4]                 0.000  偏心(5)   1.6204    60.2
6      -10.24                  -14.902  偏心(6) 
7       -9.58                   -2.000            1.5505    46.9
8       -6.58                   -3.000            1.6704    49.5
9     -184.62                   -2.820
10      -54.22                   -4.000            1.5246    66.7
11        4.20                   -2.000            1.7552    27.6
12       10.17                   -0.100
13      -28.38                  -10.000            1.4875    70.4
14        8.46                   -2.000            1.6504    37.3
15       11.95                   -0.100
16        ∞                     -2.250            1.5163    64.1
17        ∞                     -0.100
像  面      ∞
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ -85.495
θ    72.000
Ｒ    73.295
Ｃ4   -9.2247E-006
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ -22.149
θ    67.661
Ｒ    28.467
ＥＲＦＳ[3] 
ＲＹ -29.777
θ    62.774
Ｒ    24.109
ＥＲＦＳ[4] 
ＲＹ -67.060
θ     6.071
Ｒ    10.321
偏心[1] 
Ｘ    0.000  Ｙ  -21.969  Ｚ    0.000 
α   90.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[2] 
Ｘ    0.000  Ｙ   61.336  Ｚ    0.000 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[3] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -23.881 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[4] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -26.469 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[5] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -35.383 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[6] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -36.586 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
【００８７】
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      ∞                      ∞
1        ∞（射出瞳）            0.000  偏心(1) 
2    ＦＦＳ[1]                   0.000  偏心(2) 
3    ＥＲＦＳ[1]                 0.000  偏心(3)   1.6204    60.2
4    ＥＲＦＳ[2]                 0.000  偏心(4) 
5    ＥＲＦＳ[3]                 0.000  偏心(5)   1.6204    60.2
6      -15.10                  -16.276  偏心(6) 
7       -8.73                   -2.000            1.5311    51.8
8       -6.66                   -3.000            1.6165    43.3
9      -36.43                   -2.454
10      -96.15                   -4.000            1.5766    62.8
11        4.06                   -2.000            1.7550    27.6
12        9.35                   -0.100
13      -29.11                  -10.000            1.4875    70.4
14        8.64                   -2.000            1.6267    35.7
15       12.41                   -0.100
16        ∞                     -2.550            1.5163    64.1
17        ∞                     -0.100
像  面      ∞
ＦＦＳ[1] 
ＲＹ -85.495
Ｃ4   -6.9834E-004    Ｃ8    1.7522E-007    Ｃ10  -1.1257E-005
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ -20.898
θ    65.003
Ｒ    29.180
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ -25.613
θ    61.762
Ｒ    25.307
ＥＲＦＳ[3] 
ＲＹ -96.578
θ     1.878
Ｒ    11.628
偏心[1] 
Ｘ    0.000  Ｙ  -21.959  Ｚ    0.000 
α   90.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[2] 
Ｘ    0.000  Ｙ   61.282  Ｚ    0.000 
α   72.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[3] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -23.323 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[4] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -25.720 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[5] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -34.928 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[6] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ  -36.510 
α    0.000  β    0.000  γ    0.000 
【００８８】
なお、実施例１及び２では、画角が１８０度としたが、１８０度を超える仕様とすることも出来るし、１８０度よりは小さい略１８０度にする等、その仕様を自在に選択できるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の画像表示装置の概念図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】画像表示素子の表示例を示す図である。
【図４】画像表示素子の他の表示例を示す図である。
【図５】拡散作用を有する手段を配置した画像表示装置を示す図である。
【図６】図５の平面図である。
【図７】他の実施形態を示す図である。
【図８】図７の画像表示素子の表示例を示す図である。
【図９】実施形態の画像表示装置の座標系を示す図である。
【図１０】拡張回転自由曲面の定義を示す図である。
【図１１】本発明の実施例１の画像表示装置の中心軸に沿ってとった断面図である。
【図１２】図１１の光学系内の光路を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。
【図１３】実施例１の光学系全体の横収差図である。
【図１４】実施例１の光学系全体の横収差図である。
【図１５】変形例２の画像表示装置の光学系の主要部の中心軸に沿ってとった断面図である。
【図１６】図１５の光学系内の光路を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。
【図１７】実施例２の光学系全体の横収差図である。
【図１８】実施例２の光学系全体の横収差図である。
【符号の説明】
【００９０】
１…画像表示装置
２…リレー光学系中心軸
３…画像表示素子
４…リレー光学系
５…接眼光学系
Ｅ…射出瞳
【図１】
2010020065.tif 000003
【図２】
2010020065.tif 000004
【図３】
2010020065.tif 000005
【図４】
2010020065.tif 000006
【図５】
2010020065.tif 000007
【図６】
2010020065.tif 000008
【図７】
2010020065.tif 000009
【図８】
2010020065.tif 000010
【図９】
2010020065.tif 000011
【図１０】
2010020065.tif 000012
【図１１】
2010020065.tif 000013
【図１２】
2010020065.tif 000014
【図１３】
2010020065.tif 000015
【図１４】
2010020065.tif 000016
【図１５】
2010020065.tif 000017
【図１６】
2010020065.tif 000018
【図１７】
2010020065.tif 000019
【図１８】
2010020065.tif 000020