(57)【要約】  本発明は、薄型で画像表示素子の画像と外界像の見やすさを両立することができ、画像表示素子（２０）の画像を虚像として観察者眼球（Ｅ）に投影することが可能な接眼投影光学装置（１）を提供することを目的とする。  本発明の接眼投影光学装置（１）は、表示素子（２０）と、有効光路にて３回の内部反射を行うプリズム光学系（１０）を有し、プリズム光学系（１０）は、有効光路にて、ひとつの対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して鏡対称に構成され、入射面（１５）、第１の反射面（１４）、第３の反射面（１２）、第２の反射面（１３）の一部の領域と射出面（１１）の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面（１１，１３）を有し、以下の条件式（１）を満足する。    0.05 ＜ Mmin/L ＜ 0.23 ・・・（１）ただし、Ｌは、前記対称面上における、前記表示面の中心点Ｐと、前記表示面の中心点Ｐから最も遠いプリズム外形端Ｑまでの距離、Ｍmin は、前記対称面上における、線分ＰＱと直交する直線が前記プリズムの前記反射兼射出面及び前記第１の反射面を含む面の各々と交わる２点間の距離Ｍの中で最小となる距離である。
2017109857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像を表示する表示面を持つ表示素子と、  中間像を形成せずに、前記表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影する接眼投影光学系を有し、  前記接眼投影光学系は、    有効光路にて、３回の内部反射を行い、    屈折率が周囲の環境媒質より高い媒質で満たされたプリズムを有し、  前記プリズムは、    有効光路にて、ひとつの対称面に対して鏡対称に構成され、    光線が入射する入射面、前記入射面から入射した光線を反射する第１の反射面、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面、前記第１の反射面及び第３の反射面に対向して配置され、前記第１の反射面にて反射した光線を前記第３の反射面に向けて反射する第２の反射面、前記第３の反射面にて反射した光を透過して射出する射出面を有し、且つ、    前記第２の反射面の一部の領域と前記射出面の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面、を有し、  以下の条件式（１）を満足することを特徴とする接眼投影装置。    0.05  ＜  Mmin/L  ＜  0.23                    ・・・（１）ただし、Ｌは、前記対称面上における、前記表示面の中心点Ｐと、前記表示面の中心点Ｐから最も遠いプリズム外形端Ｑまでの距離、Ｍminは、前記対称面上における、線分ＰＱと直交する直線が前記プリズムの前記反射兼射出面及び前記第１の反射面を含む面の各々と交わる２点間の距離Ｍの中で最小となる距離である。
【請求項２】
以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の接眼投影装置。    2.0 mm ＜  Mmin  ＜ 10.0 mm                   ・・・（２）
【請求項３】
以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の接眼投影装置。    1.5 mm  ＜  Tv  ＜  14.5 mm                   ・・・（３）ただし、Tvは、前記第３の反射面の有効領域の  前記対称面に垂直な方向での最大幅である。
【請求項４】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面のうちの少なくとも２面は、前記対称面に対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接眼投影装置。
【請求項５】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面のうちの少なくとも２面は、前記対称面に対してのみ対称性を持つ回転非対称面からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接眼投影装置。
【請求項６】
前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項７】
前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対してのみ鏡対称性を持つ回転非対称面からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項８】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項９】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対してのみ鏡対称性を持つ回転非対称面からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１０】
前記反射兼射出面は、前記対称面上にて、前記観察者眼球の側に凹形状の負パワーを持つことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１１】
前記第１の反射面は、前記対称面上にて、前記観察者眼球の側に凹形状の正パワーを持つことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１２】
前記対称面上にて、前記反射兼射出面と前記第１の反射面が形成するプリズム形状は、Ｍを前記対称面上における、線分ＰＱと直交する直線が前記プリズムの前記反射兼射出面及び前記第１の反射面を含む面の各々と交わる２点間の距離とした時、前記表示素子の側から前記第３の反射面の側にてＭが略小さくなる形状であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１３】
以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の接眼投影装置。 0.3  ＜  Mmin/Mmax  ＜  0.95                     ・・・（４）ただし、Mmaxは、前記Ｍの中で最大となる距離である。
【請求項１４】
前記対称面と直交する方向の前記プリズム両側面の距離が前記表示素子の側から前記第３の反射面の側にて短くなる形状であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１５】
前記プリズムは、前記対称面上にて、前記反射兼射出面と前記第３の反射面との距離が最も短くなる前記プリズムの端部に面取り部を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１６】
前記第１の反射面は、前記対称面上にて、前記入射面から入射する前記表示面からの可視光線の主光線を全反射させる以下の条件式（５）を満たすことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の接眼投影装置。    ｎ（１／ｓｉｎθｃ）                          ・・・（５）    ここで、  θｃは、前記入射面から入射する前記表示面からの可視光線の前記第１の反射面への入射角、  ｎｐは、前記プリズムの屈折率、である。
【請求項１７】
前記表示素子は、長辺と短辺を持つ矩形形状の表示面をもち、  前記短辺が、前記対称面に交差して配置され、  前記表示素子は、前記短辺方向にて上下方向の画像を表示することを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の接眼投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、表示素子に表示された画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影する接眼投影光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  近年、表示素子に表示された画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するウェアラブルディスプレイの技術開発が加速している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１０６１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  特許文献１に記載の技術では、虚像を観察者の視野中央より側方外側に提示する。したがって、観察者が疲労しやすくなったり、第三者が観察者を見た時に、観察者の視線に違和感を生じることがある。また、観察者が顔の真っ直ぐ前方にある中央近傍で観察しようとすると、画像表示素子（画像表示素子を保持する部材を含む）が視界に入り、外界を遮りやすい。【０００５】  本発明にかかる実施形態は、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、薄型で画像表示素子の画像と外界像の見やすさを両立することができ、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な接眼投影光学装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するために、本発明にかかる一実施形態の接眼投影装置は、  表示画像を表示する表示面を持つ表示素子と、  中間像を形成せずに、前記表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影する接眼投影光学系を有し、  前記接眼投影光学系は、    有効光路にて、３回の内部反射を行い、    屈折率が周囲の環境媒質より高い媒質で満たされたプリズムを有し、  前記プリズムは、    有効光路にて、ひとつの対称面に対して鏡対称に構成され、    光線が入射する入射面、前記入射面から入射した光線を反射する第１の反射面、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面、前記第１の反射面及び第３の反射面に対向して配置され、前記第１の反射面にて反射した光線を前記第３の反射面に向けて反射する第２の反射面、前記第３の反射面にて反射した光を透過して射出する射出面を有し、且つ、    前記第２の反射面の一部の領域と前記射出面の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面、を有し、  以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。    0.05  ＜  Mmin/L ＜  0.23                     ・・・（１）ただし、Ｌは、前記対称面上における、前記表示面の中心点Ｐと、前記表示面の中心点Ｐから最も遠いプリズム外形端Ｑまでの距離、Ｍminは、前記対称面上における、線分ＰＱと直交する直線が前記プリズムの前記反射兼射出面及び前記第１の反射面を含む面の各々と交わる２点間の距離Ｍの中で最小となる距離である。
【発明の効果】
【０００７】  以上の本発明にかかる一実施形態の接眼投影光学装置によれば、薄型で画像表示素子の画像と外界像の見やすさを両立することができ、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の接眼投影光学装置の構成を示す図である。
【図２】本実施形態の接眼投影光学装置のＸ−Ｚ断面での構成を示す図である。
【図３】本実施形態のプリズム光学系の面取り部を示す。
【図４】本実施形態の接眼投影光学装置のプリズム光学系と表示面を示す。
【図５】本実施形態の実施例１の接眼投影光学装置のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図６】本実施形態の実施例１の接眼投影光学装置のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図７】本実施形態の実施例２の接眼投影光学装置のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図８】本実施形態の実施例２の接眼投影光学装置のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図９】本実施形態の実施例３の接眼投影光学装置のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図１０】本実施形態の実施例３の接眼投影光学装置のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図１１】本実施形態の実施例４の接眼投影光学装置のＹ−Ｚ断面での光路図である。
【図１２】本実施形態の実施例４の接眼投影光学装置のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【図１３】接眼投影光学装置を用いた画像表示装置の基本構成を示す。
【図１４】接眼投影光学装置を用いた画像表示装置の側面図である。
【図１５】接眼投影光学装置を用いた他の例の画像表示装置の側面図である。
【図１６】接眼投影光学装置を用いた頭部装着型画像表示装置を示す。
【図１７】接眼投影光学装置を用いた頭部装着型画像表示装置の正面図である。場合の概念図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  図１は、本実施形態の接眼投影光学装置１の構成を示す図である。図２は、本実施形態の接眼投影光学装置１のＸ−Ｚ断面での構成を示す図である。
【００１０】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、表示画像を表示する表示面を持つ表示素子２０と、中間像を形成せずに、表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するプリズム光学系１０と、を有する。観察時には、プリズム光学系１０の対称面ＳＳがほぼ水平となるように接眼投影光学装置１を頭部に装着することが好ましい。
【００１１】  本実施形態のプリズム光学系１０は、有効光路にて、ひとつの対称面ＳＳに対して鏡対称に構成され、光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、第３の反射面１３にて反射した光を透過して射出する射出面１１を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面、を有し、３回の内部反射を行い、屈折率が周囲の環境媒質より高い媒質で満たされている。
【００１２】  本実施形態の画像表示素子２０の表示面である像面から射出した光は、プリズム光学系１０を通過して、アイポイント（ＥＰ）の近傍またはその前方にある観察者眼球に入射して、拡大した虚像を形成する。したがって、観察者は、表示画像の全体を虚像として観察可能である。
【００１３】  本実施形態の座標系について説明する。座標の原点（Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｚ＝０）は、仮想的な観察者の瞳孔中心とする。そして、原点から中心主光線に沿ったプリズム光学系側方向をＺ軸の正方向とする。中心主光線は、表示素子２０の表示面中心から射出し、プリズム光学系１０に入射し、３回内部反射した後プリズム光学系１０から射出し、観察者の瞳孔中心に至る光線である。そして、Ｚ軸に垂直な方向であって、対称面ＳＳに平行な方向であり、表示素子２０の配置される側とは反対側をＹ軸の正方向とする。したがって、対称面ＳＳは、Ｙ−Ｚ面となり、Ｙ−Ｚ面に垂直で、Ｙ軸及びＺ軸と左手系をなす方向をＸ軸の正方向とする。
【００１４】  本実施形態の接眼投影光学装置１は、表示画像を表示する表示面を持つ表示素子２０と、中間像を形成せずに、表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するプリズム光学系１０と、を有し、プリズム光学系１０は、有効光路にて、ひとつの対称面ＳＳに対して鏡対称に構成され、光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、第３の反射面１２にて反射した光を透過して射出する射出面１１を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面１１，１３、を有し、以下の条件式（１）を満足する。    0.05  ＜  Mmin/L  ＜  0.23                    ・・・（１）ただし、Ｌは、対称面ＳＳ上における、表示面の中心点Ｐと、表示面の中心点Ｐから最も遠いプリズム外形端Ｑまでの距離、Ｍminは、対称面ＳＳ上における、線分ＰＱと直交する直線がプリズム光学系１０の反射兼射出面１１，１３及び第１の反射面１４を含む面の各々と交わる２点間の距離Ｍの中で最小となる距離、である。
【００１５】  ウェアラブルディスプレイで使用されるプリズム光学系１０は、見やすく、小型で、自然な使用感を要求される。光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、第３の反射面１２にて反射した光を透過して射出する射出面１１、を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面、有する構成とすることで、観察画角と観察可能範囲（瞳孔を配置すると虚像全体を見ることができる範囲）の確保に必要な面のサイズを確保したまま、視線方向のプリズム光学系１０の厚さを薄くすることが可能となる。
【００１６】  また、観察者自身の外界の見易さ及び、第三者が観察者の虚像観察時の視線に違和感を抱かないよう、虚像を顔面の真っ直ぐ前方に表示したいというニーズがある。しかしながら、虚像を顔面の正面近傍に表示しつつ、表示素子２０が外界を遮らないようにするためには、射出面１１と表示素子２０の物理的距離を遠ざける必要がある。内部反射回数が少ない本実施形態では、小型で十分な観察画角を維持したまま、即ちプリズム１０の大型化を避けつつ比較的短い焦点距離を維持したまま、表示素子２０を射出面１１から十分遠ざけることは、相反する要求である。
【００１７】  だが、条件式（１）を満足することで、視野方向で短縮した光路を、表示素子２０を遠ざける方向の光路へ振り分けることが可能となり、虚像を観察者正面近傍に表示しても、表示素子２０で外界が遮蔽されることがなくなり、上記にあげた要求を全て同時に満たすことが可能となる。
【００１８】  条件式（１）の上限値を上回ると、プリズム光学系１０が視線方向に厚くなりすぎデザインを著しく損ねる、あるいはプリズム光学系１０の外形長手方向が短くなりすぎ表示素子が外界を遮ってしまう。条件式（１）の下限値を下回ると、プリズム光学系１０が視線方向に薄くなりすぎ十分な観察画角や観察可能範囲を確保できなくなる。
【００１９】  以下の条件式（１’）を満足すると好ましい。    0.1  ＜  Mmin/L  ＜  0.21                     ・・・（１’）
【００２０】  以下の条件式（１"）を満足するとさらに好ましい。    0.12  ＜  Mmin/L  ＜  0.19                    ・・・（１"）
【００２１】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、以下の条件式（２）を満足する。    2.0 mm ＜  Mmin  ＜  10.0 mm                  ・・・（２）
【００２２】  条件式（２）を満足することで、プリズム光学系１０の視線方向の厚みを最適なバランスとすることができる。視線方向の厚みは前方への突出部となるため、使用上・デザイン上で重要である。
【００２３】  条件式（２）の上限値を上回ると、プリズム光学系１０が視線方向に厚くなりすぎデザインを著しく損ねる。条件式（２）の下限値を下回ると、プリズム光学系１０が視線方向に薄くなりすぎ十分な観察画角や観察可能範囲を確保できなくなる。
【００２４】  以下の条件式（２’）を満足すると好ましい。    2.5 mm ＜  Mmin  ＜  8.0 mm                     ・・・（２’）
【００２５】  以下の条件式（２"）を満足するとさらに好ましい。    3.0 mm ＜  Mmin  ＜  6.5 mm                  ・・・（２"）
【００２６】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、以下の条件式（３）を満足する。    1.5 mm  ＜  Tv  ＜  14.5 mm                   ・・・（３）ただし、Tvは、プリズム光学系１０の第３の反射面の有効領域の  対称面ＳＳに垂直な方向での最大幅である。
【００２７】  条件式（３）を満足することで、プリズム光学系１０の対称面垂直方向の厚みを最適なバランスとすることができる。
【００２８】  条件式（３）の上限値を上回ると、通常の表示素子２０のアスペクトから考えて、プリズム光学系１０が対称面垂直方向に不必要に厚くなりすぎる。条件式（３）の下限値を下回ると、プリズム光学系１０が対称面垂直方向に薄くなりすぎ十分な観察画角や観察可能範囲を確保できなくなる。
【００２９】  以下の条件式（３’）を満足すると好ましい。    1.5 mm  ＜  Tv  ＜  10 mm                     ・・・（３’）
【００３０】  以下の条件式（３"）を満足するとさらに好ましい。    2.0 mm  ＜  Tv  ＜  4.5 mm                    ・・・（３"）
【００３１】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、入射面１５、第１の反射面１４、第３の反射面１２、反射兼射出面１１，１３のうちの少なくとも２面は、対称面ＳＳに対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなる。
【００３２】  本実施形態の接眼投影光学装置１は、偏心光学系であるため偏心収差を補正するために、少なくとも２面の回転非対称面があることが好ましい。ただし、眼の並びに対応する水平面に対して鏡対称であるため、当該回転非対称面も対応する水平面に対して鏡対称な形状となる。
【００３３】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、入射面１５、第１の反射面１４、第３の反射面１２、反射兼射出面１１，１３のうちの少なくとも２面は、対称面ＳＳに対してのみ鏡対称性を持つ回転非対称面からなる。
【００３４】  本実施形態の接眼投影光学装置１は、偏心光学系であるため偏心収差をより多く補正するために、対称面ＳＳに対してのみ鏡対称性を持つ少なくとも２面の回転非対称面があることが好ましい。ただし、眼の並びに対応する水平面に対して鏡対称であるため、当該回転非対称面も対応する水平面に対して鏡対称な形状となる。
【００３５】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、第１の反射面１４、第３の反射面１２、反射兼射出面１１，１３は、対称面ＳＳに対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなる。
【００３６】  本実施形態の接眼投影光学装置１は、偏心光学系であるため偏心収差を補正するために、対称面ＳＳに対して鏡対称性を持つ４面の回転非対称面があることが好ましい。ただし、眼の並びに対応する水平面に対して鏡対称であるため、当該回転非対称面も対応する水平面に対して鏡対称な形状となる。
【００３７】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、第１の反射面１４、第３の反射面１２、反射兼射出面１１，１３は、対称面ＳＳに対してのみ鏡対称性を持つ回転非対称面からなる。
【００３８】  本実施形態の接眼投影光学装置１は、偏心光学系であるため偏心収差をより多く補正するために、対称面ＳＳに対してのみ鏡対称性を持つ４面の回転非対称面があることが好ましい。ただし、眼の並びに対応する水平面に対して鏡対称であるため、当該回転非対称面も対応する水平面に対して鏡対称な形状となる。
【００３９】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、入射面１５、第１の反射面１４、第３の反射面１２、反射兼射出面１１，１３は、対称面ＳＳに対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなる。
【００４０】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、反射兼射出面１１，１３は、対称面ＳＳ上にて、観察者眼球の側に凹形状の負パワーを持つ。
【００４１】  反射兼射出面１１，１３は顔面形状にフィットさせるため水平断面方向で負のパワーを持つことが望ましい。また第３の反射面１２は、観察者側からの逆光線追跡を考えた場合、導光する光束径を広げない為に正のパワーを持つことが望ましい。
【００４２】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、第１の反射面１４は、対称面上にて、観察者眼球の側に凹形状の正パワーを持つ。
【００４３】  第１の反射面１４に正パワーを持たせることで、プリズム光学系１０を一つのレンズとみなした際の、後側主点位置が、表示素子２０側に移動するため、光路を長く取ることができ、表示面が外界を遮らないよう視野の外側へ配置する観点から好ましい。また、反射兼射出面１１，１３を顔面にフィットさせるため負パワーを強くした場合に発生する、偏心収差の補正の観点からも、第１の反射面１４に正パワーを持たせることは好ましい。
【００４４】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、対称面ＳＳ上にて、反射兼射出面１１，１３と第１の反射面１４が形成するプリズム形状は、Ｍを対称面ＳＳ上における、線分ＰＱと直交する直線がプリズム光学系１０の反射兼射出面１１，１３及び第１の反射面１４を含む面の各々と交わる２点間の距離とした時、表示素子２０の側から第３の反射面１２の側にてＭが略小さくなる形状である。
【００４５】  本実施形態のようにプリズム光学系１０を薄く長くすると、一般に正規光以外の不要な光がゴーストとして現れやすく問題となる。本条件を満たすことで、プリズムの対称面での断面形状は、反射兼射出面１１，１３と第１の反射面１４間距離が表示素子２０から、射出面１１に向かうに従って、略先細りの形状となる。強度の強いゴーストは、パネルから射出し正規光となるＮＡに隣接する不要なＮＡが、正規光に対して多いまたは少ない反射回数でプリズム光学系１０内を伝播して、観察者眼球へと導光されることに起因する。
【００４６】  したがって、本構成のように、略先細りの形状とすることで、上記不要な光は、正規光の射出角に対して、反射回数が多いまたは少ない分だけ相対的な射出角の差を生じるため、各々外側へと逃げることになるため好ましい。本構成は、正規像の左右方向に現れるゴースト除去に効果がある。
【００４７】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、以下の条件式（４）を満足する。    0.3  ＜  Mmin/Mmax  ＜  0.95                  ・・・（４）ただし、Mmaxは、前記Ｍの中で最大となる距離である。
【００４８】  条件式（４）を満足することで、よりゴースト除去に効果がある。条件式（４）の上限を上回ると、不要なＮＡを逃がすことが出来ず、ゴーストが現れやすくなる。条件式（４）の下限を下回ると、プリズム光学系１０の表示素子２０側の厚みが不必要に大きくなる。
【００４９】  以下の条件式（４’）を満足すると好ましい。    0.4  ＜  Mmin/Mmax  ＜  0.9                     ・・・（４’）
【００５０】  以下の条件式（４"）を満足するとさらに好ましい。    0.5  ＜  Mmin/Mmax  ＜  0.85                    ・・・（４”）
【００５１】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、対称面ＳＳと直交する方向のプリズム両側面の距離Ｍｖが表示素子２０の側から第３の反射面１２の側にて短くなる形状である。
【００５２】  観察者に対してプリズム光学系１０の垂直方向の上下側面は、光学有効面では無いが、表示面から射出される不要なＮＡが反射によって導光され、正規像の上下方向にゴーストを生じさせる原因となる。したがって、本構成のように、上下の面間を表示素子２０から、射出面１１に向かうに従って、略先細りの形状とすることで、上記不要な光は、正規光の射出角に対して、反射回数が多い分だけ相対的な射出角の差が生じるため、外側へと逃げることになるため好ましい
【００５３】  図３は、本実施形態のプリズム光学系１０の面取り部１０ａを示す。
【００５４】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１では、プリズム光学系１０は、対称面上にて、反射兼射出面１１，１３と第３の反射面１２との距離が最も短くなるプリズム光学系１０の端部に面取り部１０ａを有する。
【００５５】  有効径を延長した反射兼射出面１１，１３と第３の反射面１２の交わるプリズム光学系１０の先端部は、鋭角な形状で、いわゆる光トラップの働きをするため、不要光が到達しゴーストとなりやすい。そのため先端を面取りで落とすことで、先端に到達した光をプリズム光学系１０の外へと逃がすことができるため好ましい。さらに、端面に吸収材などを塗布することも好ましい。
【００５６】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、第１の反射面１４は、対称面ＳＳ上にて、入射面１５から入射する表示面からの可視光線の主光線を全反射させる以下の条件式（５）を満たす。    ｎｐ＞（１／ｓｉｎθｃ）                        ・・・（５）ここで、θｃは、入射面１５から入射する表示面からの可視光線の第１の反射面１４への入射角、ｎｐは、プリズム光学系１０の屈折率、である。
【００５７】  全反射によって光量をロスなく導光させるために第１の反射面１４での反射は、全反射条件を満たすことが望ましい。
【００５８】  図４は、本実施形態の接眼投影光学装置１のプリズム光学系１０と表示面を示す。
【００５９】  また、本実施形態の接眼投影光学装置１は、表示素子２０は、長辺２０ａと短辺２０ｂを持つ矩形形状の表示面をもち、短辺２０ｂが、対称面ＳＳに交差して配置され、表示素子２０は、短辺２０ｂ方向にて上下方向の画像を表示する。
【００６０】  本構成とすることで、観察者に横長の像を提供することができる。また、シースルー効果を生む為に、反射兼射出面１１，１３の（眼の並びに対して垂直方向の）厚みを瞳孔径より小さくする場合に、観察画角を確保する点からも好ましい。
【００６１】  次に、本実施形態の実施例について説明する。
【００６２】  図５は、本実施形態の実施例１の接眼投影光学装置１のＹ−Ｚ断面での光路図である。図６は、本実施形態の実施例１の接眼投影光学装置１のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【００６３】  実施例１の接眼投影光学装置１は、表示画像を表示する表示面を持つ表示素子２０と、中間像を形成せずに、表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するプリズム光学系１０と、を有する。プリズム光学系１０は、有効光路にて、ひとつの対称面ＳＳに対して鏡対称に構成される。プリズム光学系１０は、光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、及び、第３の反射面１２にて反射した光を透過して射出する射出面１１を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面１１，１３、を有する。
【００６４】  回転非対称面としての自由曲面は、入射面１５、第１の反射面１４、第２の反射面１３、第３の反射面１２、及び射出面１１である。
【００６５】  仮想的な観察者の瞳としての物体面を射出した光は、逆光線追跡で、仮想的な射出瞳ＥＰを通過し、入射面１５を透過してプリズム光学系１０に入射する。入射面１５から入射した光は、第１の反射面１４、第２の反射面１３及び第３の反射面１２をそれぞれ内部反射する。第３の反射面１２を内部反射した光は、射出面１１を透過してプリズム光学系１０から射出する。プリズム光学系１０から射出した光は、像面である表示素子２０に入射する。
【００６６】  図７は、本実施形態の実施例２の接眼投影光学装置１のＹ−Ｚ断面での光路図である。図８は、本実施形態の実施例２の接眼投影光学装置１のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【００６７】  実施例２の接眼投影光学装置１は、表示画像を表示する表示面を持つ表示素子２０と、中間像を形成せずに、表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するプリズム光学系１０と、を有する。プリズム光学系１０は、有効光路にて、ひとつの対称面ＳＳに対して鏡対称に構成される。プリズム光学系１０は、光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、及び、第３の反射面１２にて反射した光を透過して射出する射出面１１を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面１１，１３、を有する。
【００６８】  回転非対称面としての自由曲面は、入射面１５、第１の反射面１４、第２の反射面１３、第３の反射面１２、及び射出面１１である。
【００６９】  仮想的な観察者の瞳としての物体面を射出した光は、逆光線追跡で、仮想的な射出瞳ＥＰを通過し、入射面１５を透過してプリズム光学系１０に入射する。入射面１５から入射した光は、第１の反射面１４、第２の反射面１３及び第３の反射面１２をそれぞれ内部反射する。第３の反射面１２を内部反射した光は、射出面１１を透過してプリズム光学系１０から射出する。プリズム光学系１０から射出した光は、像面である表示素子２０に入射する。
【００７０】  図９は、本実施形態の実施例３の接眼投影光学装置１のＹ−Ｚ断面での光路図である。図１０は、本実施形態の実施例３の接眼投影光学装置１のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【００７１】  実施例３の接眼投影光学装置１は、表示画像を表示する表示面を持つ表示素子２０と、中間像を形成せずに、表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するプリズム光学系１０と、を有する。プリズム光学系１０は、有効光路にて、ひとつの対称面ＳＳに対して鏡対称に構成される。プリズム光学系１０は、光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、及び、第３の反射面１２にて反射した光を透過して射出する射出面１１を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面１１，１３、を有する。
【００７２】  回転非対称面としての自由曲面（プリズム光学系の対称面のみを面の唯一の対称面とする面）は、第１の反射面１４、第２の反射面１３、及び射出面１１である。入射面１５は平面である。第３の反射面１２はトーリック面である。
【００７３】  仮想的な観察者の瞳としての物体面を射出した光は、逆光線追跡で、仮想的な射出瞳ＥＰを通過し、入射面１５を透過してプリズム光学系１０に入射する。入射面１５から入射した光は、第１の反射面１４、第２の反射面１３及び第３の反射面１２をそれぞれ内部反射する。第３の反射面１２を内部反射した光は、射出面１１を透過してプリズム光学系１０から射出する。プリズム光学系１０から射出した光は、像面である表示素子２０に入射する。
【００７４】  図１１は、本実施形態の実施例４の接眼投影光学装置１のＹ−Ｚ断面での光路図である。図１２は、本実施形態の実施例４の接眼投影光学装置１のＸ−Ｚ断面での光路図である。
【００７５】  実施例４の接眼投影光学装置１は、表示画像を表示する表示面を持つ表示素子２０と、中間像を形成せずに、表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影するプリズム光学系１０と、を有する。プリズム光学系１０は、有効光路にて、ひとつの対称面ＳＳに対して鏡対称に構成される。プリズム光学系１０は、光線が入射する入射面１５、入射面１５から入射した光線を反射する第１の反射面１４、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面１２、第１の反射面１４及び第３の反射面１２に対向して配置され、第１の反射面１４にて反射した光線を第３の反射面１２に向けて反射する第２の反射面１３、及び、第３の反射面１２にて反射した光を透過して射出する射出面１１を有し、且つ、第２の反射面１３の一部の領域と射出面１１の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面１１，１３、を有する。
【００７６】  回転非対称面としての自由曲面（プリズム光学系の対称面のみを面の唯一の対称面とする面）は、第２の反射面１３、第３の反射面１２、及び射出面１１である。入射面１５及び第１の反射面１４は球面である。
【００７７】  仮想的な観察者の瞳としての物体面を射出した光は、逆光線追跡で、仮想的な射出瞳ＥＰを通過し、入射面１５を透過してプリズム光学系１０に入射する。入射面１５から入射した光は、第１の反射面１４、第２の反射面１３及び第３の反射面１２をそれぞれ内部反射する。第３の反射面１２を内部反射した光は、射出面１１を透過してプリズム光学系１０から射出する。プリズム光学系１０から射出した光は、像面である表示素子２０に入射する。
【００７８】  以下、実施例に基づいて本実施形態の接眼投影光学装置１について説明する。
【００７９】  これら光学系の構成パラメータは後記するが、例えば図１に示すように、観察者の観察する位置Ｅ（瞳孔位置）をプリズム光学系１０のダミー面とし、ダミー面を通る光線が、プリズム光学系１０を経て画像表示素子２０に向かう逆光線追跡の結果に基づくものである。
【００８０】  座標系は、図１に示すように、ダミー面（アイポイントＥＰ）と中心主光線Ｌｃとの交点を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、原点からプリズム光学系１０側へ向かう中心主光線Ｌｃの方向をＺ軸正方向とし、原点から画像表示素子２０とは反対側でＺ軸に直交する方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と左手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００８１】  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（アイポイントＥＰ）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。射出面１１は曲面であるが、各主光線が一点に交わる射出瞳位置として設計している。代表する主光線３本が射出面１１と交わる図示を行っている。
【００８２】  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。
【００８３】  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係数項は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、基準点からの偏心量で表わす。
【００８４】  また、本発明にかかる実施形態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する。
【００８５】    Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］                    ∞                  ＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn                 ・・・（ａ） 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。
【００８６】  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。
【００８７】  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。
【００８８】  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、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。
【００８９】  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。
【００９０】  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。
【００９１】  また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、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。
【００９２】  以下に、上記実施例１〜４の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。なお、記号“ｅ”は、それに続く数値が１０を底にもつ、べき指数であることを示している。例えば「１．０ｅ−５」は「１．０×１０-5」であることを意味している。
【００９３】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  r1    ∞（観察者瞳）     18.00  r2    FFS[1]（射出瞳）    0.00  偏心(1)    1.544     56  r3    FFS[2]              0.00  偏心(2)    1.544     56  r4    FFS[1]              0.00  偏心(1)    1.544     56  r5    FFS[3]              0.00  偏心(3)    1.544     56  r6    FFS[4]              0.00  偏心(4)    1.544     56像  面  ∞                  0.00  偏心(5)                          FFS[1]Ｃ4   -8.12e-03      Ｃ6   -4.34e-03      Ｃ8    4.07e-04Ｃ10   2.31e-05      Ｃ11   3.74e-05      Ｃ13  -1.78e-05Ｃ15  -5.28e-06      Ｃ17  -1.73e-05      Ｃ19  -1.92e-06Ｃ21  -6.50e-08      Ｃ22  -2.91e-06      Ｃ24  -2.98e-07Ｃ26  -1.17e-07      Ｃ28   2.69e-09                           FFS[2]Ｃ4   -1.12e-02      Ｃ6   -1.20e-02      Ｃ8    2.89e-04Ｃ10  -2.11e-04      Ｃ11   2.54e-06      Ｃ13   9.90e-06Ｃ15  -1.77e-05      Ｃ17  -2.60e-06      Ｃ19   5.75e-07Ｃ21  -4.44e-07                           FFS[3]Ｃ4   -3.13e-03      Ｃ6   -3.13e-03      Ｃ8    3.83e-06Ｃ10   7.18e-05      Ｃ11   2.04e-05      Ｃ13  -9.22e-06Ｃ15  -3.11e-06      Ｃ17  -1.09e-05      Ｃ19  -9.73e-07Ｃ21   7.86e-08      Ｃ22   3.75e-06      Ｃ24   2.94e-06Ｃ26  -1.37e-07      Ｃ28   3.65e-09                           FFS[4]Ｃ4    2.82e-02      Ｃ6   -3.32e-02      Ｃ8    7.42e-04Ｃ10   1.77e-03      Ｃ11   7.24e-04      Ｃ13  -2.85e-04Ｃ15   5.28e-04      Ｃ17  -2.7 e-04      Ｃ19  -5.76e-06Ｃ21  -7.10e-05             偏心[1] Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   18.00α   -2.45  β    0.00  γ    0.00            偏心[2] Ｘ    0.00  Ｙ    4.97  Ｚ   18.55α   34.05  β    0.00  γ    0.00            偏心[3] Ｘ    0.00  Ｙ  -14.19  Ｚ   23.23α   -4.78  β    0.00  γ    0.00            偏心[4] Ｘ    0.00  Ｙ  -27.09  Ｚ   17.43α   52.66  β    0.00  γ    0.00            偏心[5] Ｘ    0.00  Ｙ  -28.50  Ｚ   14.2 α   51.00  β    0.00  γ    0.00射出瞳有効径    X方向:4.5mm×Y方向:8.6mmX方向画角   7.4度Y方向画角  13.1度
【００９４】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  r1    ∞（観察者瞳）     18.00  r2    FFS[1] （射出瞳）    0.00  偏心(1)    1.544     56  r3    FFS[2]              0.00  偏心(2)    1.544     56  r4    FFS[1]              0.00  偏心(1)    1.544     56  r5    FFS[3]              0.00  偏心(3)    1.544     56  r6    FFS[4]              0.00  偏心(4)    1.544     56像  面  ∞                  0.00  偏心(5)                          FFS[1]Ｃ4   -7.74e-03      Ｃ6   -4.36e-03      Ｃ8    4.81e-05Ｃ10  -1.51e-04      Ｃ11   1.07e-04      Ｃ13  -1.21e-04Ｃ15  -1.65e-05      Ｃ17  -4.51e-05      Ｃ19  -1.68e-05Ｃ21  -5.86e-07      Ｃ22  -3.44e-06      Ｃ24  -2.06e-06Ｃ26  -8.53e-07      Ｃ28  -5.84e-09                           FFS[2]Ｃ4   -1.18e-02      Ｃ6   -1.30e-02      Ｃ8    6.90e-05Ｃ10  -5.40e-04      Ｃ11  -4.35e-05      Ｃ13  -2.36e-05Ｃ15  -7.86e-05      Ｃ17  -1.15e-05      Ｃ19  -8.92e-07Ｃ21  -5.01e-06                           FFS[3]Ｃ4   -2.71e-03      Ｃ6   -1.16e-03      Ｃ8    1.75e-04Ｃ10   1.11e-05      Ｃ11   4.92e-04      Ｃ13  -7.49e-05Ｃ15   6.62e-07      Ｃ17  -1.13e-04      Ｃ19   9.49e-06Ｃ21   4.85e-09      Ｃ22   8.00e-06      Ｃ24   5.99e-06Ｃ26  -4.06e-07      Ｃ28  -1.93e-09                           FFS[4]Ｃ4    1.09e-02      Ｃ6    9.55e-03      Ｃ8    1.23e-03Ｃ10  -1.76e-04      Ｃ11   1.89e-03      Ｃ13  -8.50e-04Ｃ15  -5.65e-04      Ｃ17  -5.76e-04      Ｃ19   7.43e-05Ｃ21   4.36e-05             偏心[1] Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   18.00α   -2.11  β    0.00  γ    0.00            偏心[2] Ｘ    0.00  Ｙ    1.81  Ｚ   19.15α   34.32  β    0.00  γ    0.00            偏心[3] Ｘ    0.00  Ｙ  -23.00  Ｚ   21.19α   -2.82  β    0.00  γ    0.00            偏心[4] Ｘ    0.00  Ｙ  -30.00  Ｚ   19.50α   77.96  β    0.00  γ    0.00            偏心[5] Ｘ    0.00  Ｙ  -32.00  Ｚ   15.2 α   62.00  β    0.00  γ    0.00射出瞳有効径    X方向:2.0mm×Y方向:4.0mmX方向画角   6.9度Y方向画角  11.0度
【００９５】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  r1    ∞（観察者瞳）     18.00  r2    FFS[1] （射出瞳）    0.00  偏心(1)    1.544     56  r3    トーリック面        0.00  偏心(2)    1.544     56  r4    FFS[1]              0.00  偏心(1)    1.544     56  r5    FFS[3]              0.00  偏心(3)    1.544     56  r6    ∞                  0.00  偏心(4)    1.544     56像  面  ∞                  0.00  偏心(5)                          FFS[1]Ｃ4   -2.14e-02      Ｃ6   -3.21e-03      Ｃ8    4.16e-04Ｃ10   1.72e-05      Ｃ11  -1.54e-05      Ｃ13  -1.21e-05Ｃ15   4.10e-07                           FFS[3]Ｃ4   -1.33e-02      Ｃ6   -2.50e-03      Ｃ8    3.24e-04Ｃ10   9.95e-06      Ｃ11  -2.45e-05      Ｃ13  -7.66e-06Ｃ15  -1.14e-08      Ｃ17   1.12e-06      Ｃ19  -1.23e-07Ｃ21   3.31e-09                            トーリック面RX= -27.246RY= -55.891            偏心[1] Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   18.00α   -2.02  β    0.00  γ    0.00            偏心[2] Ｘ    0.00  Ｙ    2.39  Ｚ   20.07α   28.36  β    0.00  γ    0.00            偏心[3] Ｘ    0.00  Ｙ  -18.76  Ｚ   23.69α   -2.19  β    0.00  γ    0.00            偏心[4] Ｘ    0.00  Ｙ  -20.36  Ｚ   19.55α   55.60  β    0.00  γ    0.00            偏心[5] Ｘ    0.00  Ｙ  -26.99  Ｚ   15.99α   58.07  β    0.00  γ    0.00射出瞳有効径    X方向:4.5mm×Y方向:8.6mmX方向画角   7.4度Y方向画角  13.1度
【００９６】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  r1    ∞（観察者瞳）     18.00  r2    FFS[1] （射出瞳）   0.00  偏心(1)    1.544     56  r3    FFS[3]              0.00  偏心(2)    1.544     56  r4    FFS[1]              0.00  偏心(1)    1.544     56  r5   -187.734             0.00  偏心(3)    1.544     56  r6     25.250             0.00  偏心(4)    1.544     56像  面  ∞                  0.00  偏心(5)                          FFS[1]Ｃ4   -6.31e-03      Ｃ6   -6.78e-03      Ｃ8    3.40e-04Ｃ10  -1.25e-04      Ｃ11  -2.11e-05      Ｃ13  -1.31e-05Ｃ15  -8.44e-06      Ｃ17  -1.48e-05      Ｃ19  -3.06e-06Ｃ21  -8.27e-08      Ｃ22  -1.71e-08      Ｃ24  -2.02e-06Ｃ26  -2.27e-07      Ｃ28   1.51e-09                           FFS[2]Ｃ4   -1.08e-02      Ｃ6   -1.52e-02      Ｃ8    2.10e-04Ｃ10  -5.21e-04      Ｃ11  -6.42e-06      Ｃ13   3.97e-06Ｃ15  -4.27e-05      Ｃ17   5.34e-08      Ｃ19   5.64e-07Ｃ21  -1.36e-06            偏心[1] Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   18.00α   -2.41  β    0.00  γ    0.00            偏心[2] Ｘ    0.00  Ｙ    3.34  Ｚ   19.57α   32.14  β    0.00  γ    0.00            偏心[3] Ｘ    0.00  Ｙ  -14.22  Ｚ   23.11α   -5.12  β    0.00  γ    0.00            偏心[4] Ｘ    0.00  Ｙ  -26.92  Ｚ   17.38α   61.99  β    0.00  γ    0.00            偏心[5] Ｘ    0.00  Ｙ  -28.52  Ｚ   14.20α   51.27  β    0.00  γ    0.00射出瞳有効径    X方向:4.5mm×Y方向:8.6mmX方向画角   7.4度Y方向画角  13.1度
【００９７】  上記実施例１〜４について、各構成要素の値及び各条件式（１）〜（４）の値を下記に示しておく。【表１】
2017109857.tif 000003
【００９８】  図１３に、接眼投影装置１を用いた画像表示装置Ｄの構成例を示す。
【００９９】  本実施形態の画像表示装置Ｄは、プリズム光学系１０と画像表示素子２０とを備える接眼投影装置１を用いることで、小型軽量、低コスト化が可能でかつ、装着した人が客観的に違和感の少ない画像表示装置Ｄを提供することを目的としている。
【０１００】  本実施形態の画像表示装置Ｄは、画像表示素子２０として液晶表示素子を用いている。液晶表示素子を用いる場合、光源としてのバックライトＢＬを必要とする。本実施形態では、バックライトＢＬと画像表示素子２０との間に照明レンズＬＬを有する。
【０１０１】  本実施形態の画像表示装置Ｄは、このような構成により、画像表示素子２０から射出された画像光を正のパワーを持つプリズム光学系１０によって眼球方向に屈曲させるとともに、観察者が虚像として画像を観察することを可能とする。
【０１０２】  また、射出部の近傍を開口絞りＳとなるよう機能させることで、プリズム自体を薄く細くしても映像を観察することができる。
【０１０３】  さらに、画像表示素子２０が液晶表示素子である場合には、バックライトＢＬが必要であり、照明の効率上、光源の像を射出窓近傍に位置させることが望ましい。もちろん、ＯＬＥＤの様な発光型表示素子の場合、バックライトは不要である。
【０１０４】  また、画像表示装置Ｄから出射する中心主光線を眼球の正面方向よりもやや外側になるように配置してもよい。
【０１０５】  図１４は、接眼投影装置１を用いた画像表示装置Ｄの側面図である。
【０１０６】  図１６に示すように、接眼投影装置１のプリズム光学系１０の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍ未満に設定すると、プリズム光学系１０の上下から観察者の瞳Ｅにプリズム光学系１０の後ろの風景を見ることが可能となり、シースルー効果を出すことができる。
【０１０７】  図１５は、接眼投影装置１を用いた他の例の画像表示装置Ｄの側面図である。
【０１０８】  図１５に示すように、接眼投影装置１のプリズム光学系１０の観察者の瞳Ｅに対向する部分の垂直方向の幅を４ｍｍ以上にすると、長い縦幅により、上下方向のズレに対して許容範囲を広くすることができる。
【０１０９】  図１６は、接眼投影装置１を用いた頭部装着型の画像表示装置Ｄを示す。図１７は、接眼投影装置１を用いた頭部装着型の画像表示装置Ｄの正面図である。
【０１１０】  本実施形態の画像表示装置Ｄは、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察すること（シースルー機能）を可能とするとともに、小型軽量・低コスト化が可能な頭部装着型画像表示装置を提案する。
【０１１１】  図１６に示すように、接眼投影装置１は、眼鏡Ｇに装着することが可能である。正面方向を向いた画像表示素子２０から射出された画像光は、プリズム光学系１０により瞳孔へ向けて射出される。プリズム光学系１０は正のパワーを持ち、画像表示素子２０の画像を拡大し、装着者は虚像として観察することができる。また、画像表示素子２０を略テンプル部Ｇ１に沿った方向（矢印Ｔ方向）に沿って前後することで観察者の視度に合わせて調整できる。なお、画像表示素子２０の中心から射出する第１の中心主光線ＣＬ１とプリズムから射出し、観察者瞳孔中心に到達する第２の中心主光線ＣＬ２によって出来る角度は０°〜４０°であることが望ましい。
【０１１２】  図１で示した画像表示装置Ｄは、図１７に示すように、正面から見ると、プリズム光学系１が観察者の瞳Ｅに対向して配置され、観察者に拡大した虚像を呈示することが可能となる。
【０１１３】  なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。
【符号の説明】
【０１１４】１…接眼投影装置１０…プリズム光学系２０…画像表示素子Ｄ…画像表示装置
【図１】
2017109857.tif 000004
【図２】
2017109857.tif 000005
【図３】
2017109857.tif 000006
【図４】
2017109857.tif 000007
【図５】
2017109857.tif 000008
【図６】
2017109857.tif 000009
【図７】
2017109857.tif 000010
【図８】
2017109857.tif 000011
【図９】
2017109857.tif 000012
【図１０】
2017109857.tif 000013
【図１１】
2017109857.tif 000014
【図１２】
2017109857.tif 000015
【図１３】
2017109857.tif 000016
【図１４】
2017109857.tif 000017
【図１５】
2017109857.tif 000018
【図１６】
2017109857.tif 000019
【図１７】
2017109857.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月22日(2016.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像を表示する表示面を持つ表示素子と、
中間像を形成せずに、前記表示画像を観察者眼球に導き、虚像として拡大投影する接眼投影光学系を有し、
前記接眼投影光学系は、
有効光路にて、３回の内部反射を行い、
屈折率が周囲の環境媒質より高い媒質で満たされたプリズムを有し、
前記プリズムは、
有効光路にて、ひとつの対称面に対して鏡対称に構成され、
光線が入射する入射面、前記入射面から入射した光線を反射する第１の反射面、射出側に向けて光線を反射する凹面形状の第３の反射面、前記第１の反射面及び第３の反射面に対向して配置され、前記第１の反射面にて反射した光線を前記第３の反射面に向けて反射する第２の反射面、前記第３の反射面にて反射した光を透過して射出する射出面を有し、
且つ、
前記第２の反射面の一部の領域と前記射出面の一部の領域をオーバーラップさせた反射兼射出面、を有し、
以下の条件式（１）を満足する
ことを特徴とする接眼投影装置。
０．０５  ＜  Ｍｍｉｎ／Ｌ  ＜  ０．２３            ・・・（１）
ただし、
Ｌは、前記対称面上における、前記表示面の中心点Ｐと、前記表示面の中心点Ｐから最も遠いプリズム外形端Ｑまでの距離、
Ｍｍｉｎは、前記対称面上における、線分ＰＱと直交する直線が前記プリズムの前記反射兼射出面及び前記第１の反射面を含む面の各々と交わる２点間の距離Ｍの中で最小となる距離
である。
【請求項２】
以下の条件式（２）を満足する
ことを特徴とする請求項１に記載の接眼投影装置。
２．０ｍｍ＜  Ｍｍｉｎ  ＜１０．０ｍｍ              ・・・（２）
【請求項３】
以下の条件式（３）を満足する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の接眼投影装置。
１．５ｍｍ  ＜  Ｔｖ  ＜  １４．５ｍｍ            ・・・（３）
ただし、
Ｔｖは、前記第３の反射面の有効領域の  前記対称面に垂直な方向での最大幅である。
【請求項４】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面のうちの少なくとも２面は、前記対称面に対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接眼投影装置。
【請求項５】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面のうちの少なくとも２面は、前記対称面に対してのみ対称性を持つ回転非対称面からなる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接眼投影装置。
【請求項６】
前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項７】
前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対してのみ鏡対称性を持つ回転非対称面からなる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項８】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対して鏡対称性を持つ回転非対称面からなる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項９】
前記入射面、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記反射兼射出面は、前記対称面に対してのみ鏡対称性を持つ回転非対称面からなる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１０】
前記反射兼射出面は、前記対称面上にて、前記観察者眼球の側に凹形状の負パワーを持つ
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１１】
前記第１の反射面は、前記対称面上にて、前記観察者眼球の側に凹形状の正パワーを持つ
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１２】
前記対称面上にて、前記反射兼射出面と前記第１の反射面が形成するプリズム形状は、Ｍを前記対称面上における、線分ＰＱと直交する直線が前記プリズムの前記反射兼射出面及び前記第１の反射面を含む面の各々と交わる２点間の距離とした時、前記表示素子の側から前記第３の反射面の側にてＭが略小さくなる形状である
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１３】
以下の条件式（４）を満足する
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
０．３  ＜  Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ  ＜  ０．９５            ・・・（４）
ただし、
Ｍｍａｘは、前記Ｍの中で最大となる距離
である。
【請求項１４】
前記対称面と直交する方向の前記プリズム両側面の距離が前記表示素子の側から前記第３の反射面の側にて短くなる形状である
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１５】
前記プリズムは、前記対称面上にて、前記反射兼射出面と前記第３の反射面との距離が最も短くなる前記プリズムの端部に面取り部を有する
ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
【請求項１６】
前記第１の反射面は、前記対称面上にて、前記入射面から入射する前記表示面からの可視光線の主光線を全反射させる以下の条件式（５）を満たす
ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の接眼投影装置。
ｎｐ＞（１／ｓｉｎθｃ）                          ・・・（５）
ここで、
θｃは、前記入射面から入射する前記表示面からの可視光線の前記第１の反射面への入射角、
ｎｐは、前記プリズムの屈折率、
である。
【請求項１７】
前記表示素子は、長辺と短辺を持つ矩形形状の表示面をもち、
前記短辺が、前記対称面に交差して配置され、
前記表示素子は、前記短辺方向にて上下方向の画像を表示する
ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の接眼投影装置。
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月24日(2018.4.24)
【手続補正１】
【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】
だが、条件式（１）を満足することで、視線方向で短縮した光路を、表示素子２０を遠ざける方向の光路へ振り分けることが可能となり、虚像を観察者正面近傍に表示しても、表示素子２０で外界が遮蔽されることがなくなり、上記にあげた要求を全て同時に満たすことが可能となる。
【国際調査報告】
2017109857.tif 000021
2017109857.tif 000022
2017109857.tif 000023
2017109857.tif 000024