【手続補正書】
【提出日】平成16年3月12日(2004.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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画像表示装置において、
前記接眼光学系は第１面と第２面の２つの面を有し、前記２つの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、
前記接眼光学系の少なくとも１面は観察者視軸に対して偏心あるいは傾いた非回転対称非球面であり、
前記第１面は、前記画像表示素子から射出した光線の入射面と前記接眼光学系から光線が射出する射出面を兼ねる透過面で、かつ、観察者に向かって凸面であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
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画像表示装置において、
前記接眼光学系は、前記画像表示素子から射出された光線を入射させる作用と射出させる作用を持った第１面と、前記第１面から入射した光線を反射させる作用を持った第２面とを含んだプリズム部材を備え、
前記第１面と第２面との間が、屈折率が１より大きい媒質にて満たされていると共に、
前記第１面と第２面とが、前記画像表示素子により形成された画像を観察者眼球に拡大投影する作用と、偏心により発生する収差を補正する作用とを有する非回転対称非球面形状を備えていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義したときに、前記軸上主光線が、前記プリズム部材内部でＶ字形の折り返し光路を形成すると共に、
前記Ｖ字形光路を含む平面（Ｙ−Ｚ面）での前記第１面の断面形状が、前記画像表示素子の中心から射出された軸上主光線が前記第１面に入射する際の入射角よりも、前記画像表示素子の観察者眼球側端部から射出された主光線が前記第１面に入射する際の入射角の方が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、該軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
前記画像表示素子から射出した光線が前記接眼光学系に入射し、前記第２面で反射して前記観察者眼球側に射出する際の前記第１面における射出領域において、前記軸上主光線が射出する領域におけるＸ方向の曲率をＣＸ２(1s)、Ｙ方向の曲率をＣＹ２(1s)とするとき、
０．００５＜｜ＣＸ２(1s)｜＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（１）
０．００５＜｜ＣＹ２(1s)｜＜０．１ （１／ｍｍ） ・・・（２）
なる条件を共に満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
前記画像表示素子から射出した光線が前記接眼光学系に入射し、前記第２面で反射して前記観察者眼球側に射出する際の前記第１面における射出領域において、Ｙ−Ｚ面内でＹ正最大画角である主光線が射出する領域におけるＹ方向の１階微分値をＤＹ１(1s)、Ｙ−Ｚ面内でＹ負最大画角の主光線が射出する領域におけるＹ方向の１階微分値をＤＹ３(1s)とし、ＤＹ１(1s)−ＤＹ３(1s)をＤＹ(1s)とするとき、
０．０５＜ＤＹ(1s)＜１．５ ・・・（５）
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
前記画像表示素子から射出した光線が前記接眼光学系に入射する際の前記第１面の入射領域において、Ｙ方向正最大画角の主光線が入射する領域におけるＸ方向曲率をＣＸ１(1n)、Ｙ方向負最大画角での主光線が入射する領域におけるＸ方向曲率をＣＸ３(1n)とするとき、
０．３＜ＣＸ１(1n)／ＣＸ３(1n)＜５ ・・・（７）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
前記画像表示素子から射出した光線が前記接眼光学系に入射する際の前記第１面の入射領域において、軸上主光線が入射する領域におけるＹ方向の１階微分値をＤＹ２(1n)、Ｘ軸上でＸ最大画角の主光線が入射する領域におけるＹ方向の１階微分値をＤＹ５(1n)とし、ＤＹ２(1n)−ＤＹ５(1n)をＤＹ(1n)するとき、
−２．０＜ＤＹ(1n)＜１．０ ・・・（９）
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
前記画像表示素子から射出した光線が前記接眼光学系に入射する際の前記第１面の入射領域において、Ｙ方向正最大画角の主光線が入射する領域におけるＹ方向の曲率をＣＹ１(1n)、Ｙ方向負最大画角の主光線が入射する領域におけるＹ方向の曲率をＣＹ３(1n)とするとき、
０．３＜ＣＹ１(1n)／ＣＹ３(1n)＜８ ・・・（１１）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
射出瞳中心からＹ方向に高さＨの点を通り、前記画像表示素子中心からのマージナル光線と軸上主光線とのなす角度（θ）の正弦絶対値（｜ｓｉｎθ｜）を開口数ＮＡとし、この開口数ＮＡの逆数と前記高さＨを乗じた値をＹ−Ｚ面内の焦点距離Ｆｙと定義するとき、
１０＜Ｆｙ＜６０ （ｍｍ） ・・・（１５）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記画像表示素子の中心から射出して前記接眼光学系の形成する射出瞳の中心を通る光線を軸上主光線と定義し、軸上主光線が前記射出瞳を射出し前記第１面に交差するまでの直線によって定義される軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交しかつ前記第１面又は前記第２面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、
射出瞳中心からＸ方向に高さＨの点を通り、前記画像表示素子中心からのマージナル光線と軸上主光線とのなす角度（θ）の正弦絶対値（｜ｓｉｎθ｜）を開口数ＮＡとし、この開口数ＮＡの逆数と前記高さＨを乗じた値をＸ−Ｚ面内の焦点距離Ｆｘと定義するとき、
１０＜Ｆｘ＜６０ （ｍｍ） ・・・（１７）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記画像表示素子と前記接眼光学系とを内蔵する本体部と、前記本体部を観察者眼球前方に支持する支持部を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項記載の画像表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の接眼光学系においては、透過面である第１面１１を観察者眼球３に対して凸面にすることが重要である。観察者瞳１から画像表示素子５に到る逆光線追跡において、観察者瞳１から射出した光線は接眼光学系４である偏心プリズムの第１面１１で屈折して入射する。この第１面１１が凸面であれば、正のパワーを有することになり、瞳１から大きな画角で射出した軸外光線が反射面である第２面１２に入射する際に、光線高を低く抑えることができる。したがって、広い画角を確保すると共に、小型軽量の光学系を実現することができる。さらに、視軸上の光束あるいは軸外光束の何れの光束における従属光線も、同様に第２面１２における光線高が低く抑えられることになり、反射面で発生するコマ収差を良好に補正する効果が生じる。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、軸上主光線が、偏心プリズム内部でＶ字形の折り返し光路を形成すると共に、そのＶ字形光路を含む平面（Ｙ−Ｚ面）での第１面１１の断面形状が、画像表示素子５の中心から射出された軸上主光線が第１面１１に入射する際の入射角よりも、画像表示素子５の観察者眼球３側端部から射出された主光線が第１面１１に入射する際の入射角の方が大きくなるように構成すると、偏心プリズム４に対して画像表示素子５を傾けずに、観察者瞳１から射出し第１面１１に入射する光線が画像表示素子５で邪魔されずに第２面１２で反射され、第１面１１から射出して画像表示素子５に到るので、相対的に大きな画像表示素子５が配置でき、広い画角が実現できる共に、小型軽量の光学系を実現することができる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、第１面１１を自由曲面で構成することによって、偏心によるコマ収差の発生を抑えることができる。これは、第１面１１で光線が屈折作用する場合に、軸上主光線に対して面が傾いて配置されることで、偏心によるコマ収差を補正することが可能となるためである。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
次に、回転対称な像歪みについて説明する。本発明の接眼光学系のように、光学系の主な光学的パワーを有する反射凹面又は透過凸面から離れた位置に光学系の瞳があり、かつ、画角が広い光学系では、瞳側からの逆光線追跡において樽型の回転対称な像歪みが大きく発生する。この像歪みの発生を抑えることは、反射面又は射出面の周辺における傾きを変化させることによって可能となる。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
実施例１〜６の接眼光学系４では、光軸２を含むＹ−Ｚ断面をそれぞれ図２〜図７に示すように、画像表示素子５と射出瞳１とに対向して偏心配置された透過面である第１面１１を経て光学系４に入射した画像表示素子５からの光は、第２面１２で反射し、再び透過面である第１面１１を透過して光学系４から射出して、中間像を形成することなく射出瞳１の位置近傍にある観察者の瞳に入射し、観察者の網膜上に表示像を結像する。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
また、前フレーム３２における上記の後フレーム３３との接合部近傍には、弾性体からなり例えば金属板バネ等で構成されたリアプレート３５が接合されている。このリアプレート３５は、上記支持部材の一翼を担うリアカバー３６が観察者の後頭部から首の付け根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１１の場合）。リアプレート３５又はリアカバー３６内側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。