(57)【要約】【課題】プリズム２２を用いた構成において、充分にコンパクトで、広角でありながら薄型の観察光学系２１を実現する。【解決手段】プリズム２２は、少なくとも３つの反射面を有している。表示素子１１の表示面の１点から射出されてプリズム２２に入射した光線は、上記３つの反射面での３回の反射により、表示素子１１から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。このような光路の折り曲げ方により、プリズム２２内の空間を有効利用することができ、従来に比べて観察光学系２１を充分にコンパクトに構成することができる。したがって、広角であっても薄型の観察光学系２１を実現できる。また、観察光学系２１をＨＭＤに適用したときには、軽量のＨＭＤを実現することができ、観察者への使用負担を軽減できるとともに、表示素子１１などの光学部品をＨＭＤの支持部材に集約して配置することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くプリズム型光学素子を有する観察光学系であって、
上記光学素子は、少なくとも３つの反射面を有しており、
上記表示素子の表示面の１点から射出されて上記光学素子に入射した光線は、上記３つの反射面での３回の反射により、上記表示素子から観察者の瞳に至る光路中で３回交差することを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
上記光学素子は、物理的に一体となった１つの部品のみで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
【請求項３】
上記表示素子の表示面の中心と上記光学素子によって形成される光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、上記表示素子から射出されて上記光学素子に入射する光軸上の光線を第１の光線、上記光学素子から射出されて観察者の瞳に入射する光軸上の光線を第２の光線とすると、
上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線との交点が、上記光学素子に対して上記表示素子とは反対側に位置するとき、上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線とのなす角度が０度以上６０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の観察光学系。
【請求項４】
上記表示素子の表示面の中心と上記光学素子によって形成される光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、上記表示素子から射出されて上記光学素子に入射する光軸上の光線を第１の光線、上記光学素子から射出されて観察者の瞳に入射する光軸上の光線を第２の光線とすると、
上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線との交点が、上記光学素子に対して上記表示素子側に位置するとき、上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線とのなす角度が０度以上１０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の観察光学系。
【請求項５】
上記光学素子の少なくとも１面には、上記表示素子からの映像光を観察者の瞳方向に回折反射させるホログラム素子が貼り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の観察光学系。
【請求項６】
上記ホログラム素子は、光学的パワーを有していることを特徴とする請求項５に記載の観察光学系。
【請求項７】
映像を表示する表示素子と、
請求項１から６のいずれかに記載の観察光学系とを有し、上記表示素子からの映像光を、上記観察光学系のプリズム型光学素子を介して観察者の瞳に導くことを特徴とする映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くプリズム（プリズム型光学素子）を有する観察光学系と、それを用いた映像表示装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示素子にて表示された映像の虚像を観察者に観察させる観察光学系として、従来から、屈折光学系や反射光学系を使ったものが多数提案されている。中でも、プリズムを用いた観察光学系は、小型化が容易であることから、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）に好適に用いられている。
【０００３】
このようなプリズムを用いた観察光学系としては、例えば特許文献１〜４に開示されている。特許文献１および２では、プリズムの３つ以上の反射面を使って光路を折りたたむことにより、光学系の小型化、薄型化を図るようにしている。また、例えば特許文献３および４の光学系では、薄型の光学系を実現すべく、やはりプリズムの反射面を利用して光路を折りたたむ構成を採用している。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３３８５５号公報
【特許文献２】特開平１１−２０２２０５号公報
【特許文献３】特開２００３−１４００８１号公報
【特許文献４】特開２００４−１２７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、プリズムを用いた観察光学系は、その体積を小さくすることを主な目的としており、通常、広い視野角が得られる構成とはなっていない。例えば、上記プリズムとして、厚さが眼鏡レンズ程度の光学素子を使った場合には、反射面の傾き方向の視野角（反射面に対する入射光線と出射光線とを含む平面内での視野角）としては、１０°程度しか確保することができない。これは、プリズムを用いた観察光学系において、広い視野角を得ようとすると、視野角の広がり方向だけではなく、反射面を確保するために、観察者眼の光軸方向（瞳に入射する光の入射方向）にも大きな空間を必要とするからである。
【０００６】
また、特許文献１〜４の光学系では、表示素子の表示面の１点から射出されてプリズムに入射した光線が光路中で交差する回数は高々１回であり、充分に小さな光学系とはなっていない。このため、広角な光学系を実現しようとした場合には、観察者眼の光軸方向におけるプリズムの厚さは１０ｍｍ程度と厚くなる。
【０００７】
以上のように、従来、プリズムを用いた観察光学系において、広角で小型かつ薄型のものは未だ実現されてはいない。また、観察光学系が充分に小型でないと、これをＨＭＤに適用したときには、ＨＭＤ自体が重くなってそれを装着する観察者の負担が増大するばかりでなく、表示素子などの光学部品をテンプル部分に集約して配置することが困難となり、ＨＭＤを構成することが困難となる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、プリズム型光学素子を用いた構成でも充分にコンパクトな光学系を実現することができ、これによって広角であっても薄型とすることができるとともに、ＨＭＤに適用したときにそれを確実に構成することができる観察光学系と、その観察光学系を用いた映像表示装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の観察光学系は、表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くプリズム型光学素子を有する観察光学系であって、上記光学素子は、少なくとも３つの反射面を有しており、上記表示素子の表示面の１点から射出されて上記光学素子に入射した光線は、上記３つの反射面での３回の反射により、上記表示素子から観察者の瞳に至る光路中で３回交差することを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、表示素子からの映像光は、少なくとも３つの反射面を有するプリズム型光学素子を介して観察者の瞳に導かれる。このとき、表示素子の表示面の１点から射出されて光学素子に入射した光線は、上記３つの反射面での３回の反射により、表示素子から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。このような光路の折り曲げ方により、交差回数を高々１回とする従来に比べて、充分にコンパクトな観察光学系を実現することができ、広角であっても薄型の観察光学系を実現することができる。また、本発明の観察光学系はコンパクトであるので、これをＨＭＤに適用した場合でも軽量であり、観察者への使用負担を軽減することができる。そして、さらに、例えば表示素子などの光学部品をＨＭＤの支持部材（例えばテンプル部分）に集約して配置することが可能となり、ＨＭＤを確実に構成することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の観察光学系において、上記光学素子は、物理的に一体となった１つの部品のみで構成されていることが望ましい。光学素子が複数の部品で構成されている場合には、各部品を連結したり支持する部材が必要となるが、光学素子が物理的に一体となった１つの部品のみで構成されていれば、そのような部材は不要であり、光学素子ひいては観察光学系を軽量化できる。また、複数の部品の位置合わせも不要となり、１個の光学素子について部品精度を出すだけで、充分な光学性能が保証される。
【００１２】
また、本発明の観察光学系において、上記表示素子の表示面の中心と上記光学素子によって形成される光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、上記表示素子から射出されて上記光学素子に入射する光軸上の光線を第１の光線、上記光学素子から射出されて観察者の瞳に入射する光軸上の光線を第２の光線とすると、上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線との交点が、上記光学素子に対して上記表示素子とは反対側に位置するとき、上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線とのなす角度が０度以上６０度以下であることが望ましい。
【００１３】
第１の光線の延長線と第２の光線の延長線との交点が、光学素子に対して表示素子とは反対側に位置するときの、第１の光線の延長線と第２の光線の延長線とのなす角度が０度以上６０度以下であれば、本発明の観察光学系をＨＭＤに適用した場合でも、観察光学系に映像光を供給する表示素子の配置位置が、観察者から離れすぎた位置になることがない。したがって、表示素子をＨＭＤの支持部材（例えばテンプル部分）に確実に配置することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の観察光学系において、上記表示素子の表示面の中心と上記光学素子によって形成される光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、上記表示素子から射出されて上記光学素子に入射する光軸上の光線を第１の光線、上記光学素子から射出されて観察者の瞳に入射する光軸上の光線を第２の光線とすると、上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線との交点が、上記光学素子に対して上記表示素子側に位置するとき、上記第１の光線の延長線と上記第２の光線の延長線とのなす角度が０度以上１０度以下であることが望ましい。
【００１５】
第１の光線の延長線と第２の光線の延長線との交点が、光学素子に対して表示素子側に位置するときの、第１の光線の延長線と第２の光線の延長線とのなす角度が０度以上１０度以下であれば、本発明の観察光学系をＨＭＤに適用した場合でも、観察光学系に映像光を供給する表示素子の配置位置が観察者に近寄りすぎて、表示素子が観察者に接触することがない。また、上記の接触を回避するために、光学素子を導光方向（光学素子内で光入射側から光射出側に向かう方向）に長く形成したのでは、光学素子が大型化してＨＭＤを実現することが不可能となるが、上記角度の設定により、光学素子を導光方向に長く形成しなくても、表示素子を観察者に接触させることなく、ＨＭＤの支持部材（例えばテンプル部分）に確実に配置することができる。
【００１６】
また、本発明の観察光学系において、上記光学素子の少なくとも１面には、上記表示素子からの映像光を観察者の瞳方向に回折反射させるホログラム素子が貼り付けられている構成であってもよい。
【００１７】
ホログラム素子は波長選択性が高いので、表示素子からの映像光を観察者の瞳方向に回折反射させる一方、外光をほとんど透過させることができる。したがって、明るい映像および外界像を観察者に提供することができる。
【００１８】
また、上記ホログラム素子は、光学的パワー（集光または発散作用）を有していることが望ましい。この場合は、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。
【００１９】
本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上述した本発明の観察光学系とを有し、上記表示素子からの映像光を、上記観察光学系のプリズム型光学素子を介して観察者の瞳に導くことを特徴としている。
【００２０】
本発明の観察光学系によれば、広角で小型かつ薄型のものを実現できるので、そのような観察光学系と表示素子とで映像表示装置を構成することにより、これをＨＭＤに適用したときに、広角で軽量のＨＭＤを実現することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、表示素子の表示面の１点から射出されて光学素子に入射した光線は、３つの反射面での３回の反射により、光路中で３回交差するので、観察光学系を充分にコンパクトに構成することができ、広角であっても薄型の観察光学系を実現することができる。また、上記観察光学系をＨＭＤに適用したときには、軽量のＨＭＤを実現することができ、観察者への使用負担を軽減することができる。さらに、表示素子などの光学部品をＨＭＤの支持部材に集約して配置することが可能となり、ＨＭＤを確実に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図２は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。このＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２とを備えている。映像表示装置１は、後述する表示素子１１（図１参照）および観察光学系２１を有しており、表示素子１１からの映像光を、観察光学系２１のプリズム２２を介して観察者の瞳に導く。支持手段２は、プリズム２２が観察者の眼前に位置するように映像表示装置１を支持するものであり、眼鏡のフレームやテンプル部分に相当する。
【００２３】
また、映像表示装置１は、上記の表示素子１１の他に、表示素子１１を照明するための光源を有しており、必要に応じて一方向拡散板や集光レンズなども有している。これらの光学素子は、支持手段２にて保持される筐体３内に収容されている。
【００２４】
図１は、映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。映像表示装置１の表示素子１１は、光源からの光を変調して映像を表示するものであり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。観察光学系２１は、プリズム２２・２３（図２参照）でホログラム素子２４を挟持して構成されている。プリズム２２・２３は、ともにプリズム型光学素子を構成している。
【００２５】
プリズム２２は、表示素子１１からの映像光を内部で反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものであり、プリズム２３とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。このプリズム２２は、概ね、平行平板の一方の端部を楔状にし、他方の端部を厚くした形状で構成されている。また、プリズム２２は、一方の端部に配置されるホログラム素子２４を挟むように、プリズム２３と接着剤で接合されている。
【００２６】
プリズム２３は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２参照）、プリズム２２の一方の端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、プリズム２２と一体となって略平行平板となるものである。プリズム２３をプリズム２２に接合することにより、観察者が観察光学系２１を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００２７】
つまり、例えば、プリズム２２にプリズム２３を接合させない場合、外光はプリズム２２の楔状の端部を透過するときに屈折するので、プリズム２２を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、プリズム２２にプリズム２３を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光がプリズム２２の楔状の端部を透過するときの屈折をプリズム２３でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００２８】
ホログラム素子２４は、表示素子１１から出射される映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射し、表示素子１１にて表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムであり、軸非対称な正の光学的パワーを有している。つまり、ホログラム素子２４は、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができる。また、ホログラム素子２４は、表示素子１１からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能しており、観察者は、ホログラム素子２４を介して、表示素子１１から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００２９】
次に、本発明の特徴部分について説明する。
図１に示すように、本発明の観察光学系２１において、プリズム２２は、少なくとも３つの反射面を有しており、表示素子１１の表示面の１点から射出されてプリズム２２に入射した光線は、上記３つの反射面での３回の反射により、表示素子１１から観察者の瞳に至る光路中で３回交差する。
【００３０】
なお、図１においては、上記光線の光路を実線で示しており、図中の「○」印は、上記光線が交差する箇所を示している。このような図示の仕方は、以降の図３（ａ）（ｂ）でも同様とする。また、ここで言う「交差」とは、表示素子１１の表示面の１点から射出された光線がプリズム２２の反射面で折り曲げられて再度自身と交わることを言い、上記光線が表示面の他の点から出た光線と交わる場合を含む概念ではない。
【００３１】
ここで、図３（ａ）は、入射光線がプリズムＡの２面で反射されるときの光路の一例を示す説明図であり、図３（ｂ）は、入射光線がプリズムＢの３面で反射されるときの光路の一例を示す説明図である。プリズムＡの２面での反射の場合、同じプリズムＡ内の空間を３回使うことになる（プリズムＡ内で面に向かう光線が３本存在する）。したがって、同図（ａ）のように、光路がプリズムＡ内で三角形を形作るようにすれば、上記光線の交差は１回となる。一方、同図（ｂ）のように、同じプリズムＢ内の空間を４回使うように、３つの反射面で光線を３回反射させた場合は、入射光線をプリズムＢ内で１回だけ交差させることも可能であるが、反射面の配置を工夫すれば、図１のように最大で３回交差させることも可能である。
【００３２】
このように、プリズム内で反射回数が同じでも交差回数が少ない構成にしたり、さらには入射光線がプリズム内で交差しない構成にすることも可能である。しかし、これらの場合は、入射光線をプリズム内で交差させる場合と比較して、光路の重なり方が少ない。したがって、プリズム内の１つの空間を最も有効に使用するには、入射光線のプリズム内での交差回数を最大にするのが最もよい。
【００３３】
つまり、図１に示すように、プリズム２２の３つの反射面での３回の反射によって、表示素子１１の表示面の１点から射出される光線を光路中で３回交差させることにより、上記光線の交差回数を最大にしてプリズム２２内の空間を最も有効利用することができる。これにより、充分にコンパクトな観察光学系２１を実現することができ、広角であっても観察光学系２１を５ｍｍ程度の薄型に構成することが可能となる。
【００３４】
また、本発明の観察光学系２１をコンパクトに構成できるので、これをＨＭＤに適用した場合には、軽量のＨＭＤを実現することができ、さらに、表示素子１１などの光学部品を支持手段２のテンプル部分に集約して配置することも容易となる。
【００３５】
また、本発明の観察光学系２１では、図１に示すように、プリズム２２は、物理的に一体となった１つの部品のみで構成されている。これは、以下の理由による。
【００３６】
眼鏡型ディスプレイであるＨＭＤを構成するには、これを軽量化して観察者への使用負担を極力軽減することが必要となる。しかし、ＨＭＤを構成する光学部品の数が増えた場合、光学部品全体の重量は同じでも、多数の光学部品を連結するための構造部品が必要となって重量も増え、構造部品を配置するためのスペースも余分に必要となる。この点、本発明では、プリズム２２は、物理的に一体となった１つの部品のみで構成されているので、観察光学系２１の小型化、軽量化が容易となり、ＨＭＤの軽量化が容易となる。また、プリズム２２が一体部品なので、複数部品からなる場合に必要な各部品間の位置合わせが全く不要となり、１個の部品精度を出しておくだけで充分な光学性能が保証される。
【００３７】
また、図４（ａ）（ｂ）は、表示素子１１の配置の仕方が互いに異なる映像表示装置１の平面図をそれぞれ示している。ここで、以下での説明の便宜上、表示素子１１の表示面の中心とプリズム２２によって形成される光学瞳Ｅ（図１参照）の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、表示素子１１から射出されてプリズム２２に入射する光軸上の光線を第１の光線Ｐとし、プリズム２２から射出されて観察者の瞳に入射する光軸上の光線を第２の光線Ｑとする。また、第１の光線Ｐの延長線をＬ１とし、第２の光線Ｑの延長線をＬ２とする。さらに、延長線Ｌ１と延長線Ｌ２との交点をＲとする。
【００３８】
本発明の観察光学系２１においては、図４（ａ）に示すように、交点Ｒがプリズム２２に対して表示素子１１（または瞳）とは反対側に位置するとき、第１の光線Ｐの延長線Ｌ１と第２の光線Ｑの延長線Ｌ２とのなす角度θ１を、０度以上６０度以下に設定している。なお、このように角度θ１を設定した場合は、表示素子１１から射出された光線は、観察者の側頭部から内側方向（観察者側）へ射出され、観察者前方に位置するプリズム２２の内部を導光され、観察者の瞳に正面から入射することになる。
【００３９】
ＨＭＤを実現する場合、表示素子１１や表示素子用の配線、照明光源などを支持手段２のテンプル部分に配置するのが構成しやすい。テンプル部分には、観察者の顔に固定するためのつるやベルトなどを取り付ける場合が多いので、元々構成部品が存在している。この構成部品とともに表示素子１１などを配置できれば、ＨＭＤを簡潔に実現可能である。
【００４０】
しかし、角度θ１が６０度を越えて大きくなると、表示素子１１の配置位置がテンプル部分から大きく外側に張り出すことになり、ＨＭＤを実現することができなくなる。したがって、角度θ１を０度以上６０度以下に設定することにより、表示素子１１などの構成部品をテンプル部分に確実に配置してＨＭＤを構成することが可能となる。
【００４１】
また、本発明の観察光学系２１においては、図４（ｂ）に示すように、交点Ｒがプリズム２２に対して表示素子１１（または瞳）と同じ側に位置するとき、第１の光線Ｐの延長線Ｌ１と第２の光線Ｑの延長線Ｌ２とのなす角度θ２を、０度以上１０度以下に設定している。なお、このように角度θ２を設定した場合は、表示素子１１から射出された光線は、観察者の側頭部から外側方向（観察者とは反対側）へ射出され、観察者前方に位置するプリズム２２の内部を導光され、観察者の瞳に正面から入射することになる。
【００４２】
角度θ２が１０度を越えて大きくなると、テンプル部分に配置される表示素子１１などの部品が観察者の側頭部に当たってしまう。また、これを回避するためには、プリズム２２の折り曲げ方向の長さを極端に大きくすることが必要となる。なお、上記の折り曲げ方向とは、プリズム２２内での映像光の導光方向のことであり、プリズム２２への映像光の入射位置とプリズム２２からの射出位置とを結ぶ方向でもある。しかし、これではプリズム２２が大型化してＨＭＤを実現することができなくなる。
【００４３】
したがって、角度θ２を０度以上１０度以下に設定することにより、プリズム２２を大型化させることなく、そして、表示素子１１などの構成部品を観察者に接触させることなくテンプル部分に確実に配置して、ＨＭＤを構成することが可能となる。
【００４４】
また、本発明の観察光学系２１においては、図１に示すように、プリズム２２の少なくとも１面に、表示素子１１からの映像光を観察者の瞳方向に回折反射させるホログラム素子２４が貼り付けられている。なお、ホログラム素子２４は、プリズム２２の複数の面に貼り付けられてもよい。この場合は、表示素子１１からの映像光は、複数のホログラム素子２４を介して観察者の瞳に導かれることになる。
【００４５】
表示映像と外界像とを同時に観察できるシースルー型のＨＭＤは、表示映像と外界像とを見比べたり、表示映像を見ている状態でも外の状況を容易に把握できることから、その用途は広い。このとき、ハーフミラーなどの光学素子を介して表示映像と外界像とを観察者に提供する構成では、それぞれの像に対応する光の光量が半分になることから、充分に判別できる表示画像と明るい外界像とを同時に観察者に提供することができない。
【００４６】
一方、ホログラム素子２４は、波長選択性が高く、特に体積位相型で反射型のホログラム素子においてはシャープな分光反射特性を実現できるため、ホログラム素子２４を介して表示映像と外界像とを観察者に提供する構成とすれば、表示映像の波長光のみを回折反射させて明るい表示映像を観察者に提供できるのと同時に、外界の光量も９０％程度確保することができるので、明るい外界像を観察者に提供することが可能となる。
【００４７】
また、本発明の観察光学系２１においては、ホログラム素子２４は、上述したように光学的パワーを有している。ホログラム素子２４に単純な反射機能だけではなく、虚像を作るような光学的パワーを持たせることにより、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができ、光学性能のよい観察光学系２１を実現することができる。特に、回折角が２５度以下となるような光学的パワーをホログラム素子２４に持たせれば、充分な回折効率が得られ、良好に収差補正が可能である。
【００４８】
また、本発明の観察光学系２１は、表示素子１１での表示映像の１次像を一旦生成し、その１次像から虚像を生成して観察者に提供する構成となっている。なお、上記１次像は、プリズム２２が有する上記３つの反射面の少なくとも２面に光学的パワーを持たせることで生成可能である。
【００４９】
広角でない観察光学系では、焦点距離を長くできるので、光学素子に対して表示素子を離して配置することが可能である。逆に、広角な観察光学系では、光学素子の焦点距離を短くしなければならない。具体的には、人の眼の焦点距離は、多少の個人差はあるが、ほぼ２０ｍｍ程度なので、広角な観察光学系では、光学素子の焦点距離は２０ｍｍ以下とする必要がある。なお、撮影系では、撮像素子の大きさを変更することで光学系の大きさを調整することが可能であるが、観察系では自ずと焦点距離が決まってしまうため、光学系の全長は画角によってほとんど決められてしまう。
【００５０】
本発明では、ＨＭＤのテンプル部分に表示素子１１などの構成部品を配置し、光学素子として薄型でシースルーであるプリズム２２を使用するため、光路を全反射によって折りたたむようにしている。この構成では、ＨＭＤのテンプル部分から観察者の瞳中心までの物理的な距離は、ほぼ３０〜４０ｍｍとなっているが、表示映像から虚像を直接生成する構成で焦点距離２０ｍｍ以下を実現しようとすると、表示素子１１の配置位置がプリズム２２と重なることになり、表示素子１１を配置することができなくなる。
【００５１】
しかし、表示素子１１での表示映像の１次像を一旦生成してから観察用の虚像を生成する構成とすることで、プリズム２２に対して表示素子１１を配置するための物理的な距離を確保することが可能となり、ＨＭＤを確実に構成することが可能となる。
【００５２】
このとき、上記１次像の像面は、光軸に垂直な面に対して傾いていることが望ましい。なお、上記の光軸とは、上述したように、表示素子１１の表示面の中心とプリズム２２によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸である。このように１次像面を傾けるには、プリズム２２の上記少なくとも２面（光学的パワーを有する面）の位置、傾き、パワーなどを適切に設定すればよい。
【００５３】
特に、本発明の観察光学系２１は、表示素子１１などをテンプル部分に配置するために、光路を一方向に折り曲げる光学素子（プリズム２２）を採用している。このため、光路の折り曲げ方向では非対称（光軸に対して非対称）な収差が現れるので、対称なパワーを持つ光学素子では収差をうまく補正することができない。そこで、本発明では、折り曲げ方向に対して非対称なパワーを持つプリズム２２を採用し、これによって、１次像面を光軸に対して垂直な面から傾けるようにしている。この結果、非対称な収差を良好に補正することが可能となり、性能のよい光学系を得ることができる。
【００５４】
また、本発明の映像表示装置１は、上述した表示素子１１と観察光学系２１とを有し、表示素子１１からの映像光を、観察光学系２１のプリズム２２を介して観察者の瞳に導く構成である。
【００５５】
薄型化が可能な本発明の観察光学系２１は小型で軽量となるため、広角でありながらより小型で軽量の映像表示装置１を実現することができる。この映像表示装置１は観察者の頭部に装着したり、眼鏡のように付けられる形状にすることが可能である。また、観察光学系２１は薄型であるため、外界像の透過率を高くすることができる。これにより、外界像を観察しながら同時に映像を確認することも可能な映像表示装置１となる。
【実施例】
【００５６】
以下、本発明の観察光学系２１の各実施例を示す。図５、図７、図９および図１１は、それぞれ実施例１、２、３および４に係る映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。また、図６、８、１０および１２は、それぞれ実施例１、２、３および４における表示素子１１の表示面における横収差図を示している（逆トレースにより、光学性能を上記表示面で評価している）。
【００５７】
なお、各実施例において、上記光軸方向をＺ方向とし、ホログラム素子２４への光軸の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム素子２４への光軸の入射面とは、ホログラム素子２４における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。
【００５８】
また、Ｙ軸は対称性が保存されていない方向でもあり、この方向から光学面を見たときには、それが偏芯しているかどうかを判別することができる。一方、Ｘ軸は対称性が保存されている方向でもあり、この方向から光学面を見ても、それが偏芯しているかどうかを判別することはできない。
【００５９】
また、ホログラム素子２４のホログラム面は、規格化波長（ｎｍ）を単位とした位相変化を以下のようなＸＹ多項式で表現したものである。
Ｚｐ＝Σ（ＡｍＢｎ＊Ｘ＾ｍ＊Ｙ＾ｎ）
ここで、Ｚｐは面のローカルなＺ軸方向のホログラム面による位相変化量、ＡｍＢｎはＸのｍ乗でＹのｎ乗に対する係数、Ｘ＾ｍはＸのｍ乗（変数）、Ｙ＾ｎはＹのｎ乗（変数）、ΣはＸの累乗とＹの累乗に対する総和を表している。ＸはＸ方向のＺ軸からの距離（
ｍｍ）、ＹはＹ方向のＺ軸からの距離（ｍｍ）である。
【００６０】
また、非球面は以下の式で表現される。
Ｚ＝ｃ＊Ｈ＾２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）＊ｃ＾２＊Ｈ＾２｝＾０．５］
＋Σ（Ｃｍ＊Ｈ＾ｍ）
ここで、Ｚは面のローカルなＺ軸方向の面頂点からの位置、ｃは近軸の曲率で曲率半径の逆数（１／ｍｍ）、Ｋは円錐定数、ＣｍはＨのｍ乗の係数、Ｈ＾ｍはＨのｍ乗を表し、ＨはＺ軸からの高さ、すなわち、（Ｘ＾２＋Ｙ＾２）＾０．５を表している。ΣはＨの累
乗に対する総和である。非球面の面頂点は、光軸が面と交わる位置とは一致しない。
【００６１】
また、各実施例では、無限遠の虚像位置を物体面とし、物体面に対する像面を表示素子１１の表示面としている。また、Ｓｉ（ｉ＝１、２、・・・）は物体側から数えてｉ番目の面、ｒｉ（ｉ＝１、２、・・・）は面Ｓｉの曲率半径（ｍｍ）を指す。ただし、Ｓ１０面は、ダミー面であり、図７、図９および図１１では便宜上、Ｓ１０面の図示を省略している。また、ｄｉ（ｉ＝１、２、・・・）はＳｉ面とＳ（ｉ＋１）面との間の軸上面間隔（ｍｍ）を示しており、Ｎｊ（ｉ＝１、２、・・・）およびνｊ（ｉ＝１、２、・・・）は物体側から数えてｊ番目の光学要素のｄ線に対する屈折率（Ｎｄ）およびアッベ数（νｄ）を示している。ただし、直前の面に対して偏芯した面Ｓｉは、Ｓ２面の面頂点を原点とするグローバル座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表現してあり、軸上面間隔ｄｉの数値にはよらない。なお、曲率半径ｒｉはＸ軸方向とＹ軸方向とで同じである。
【００６２】
また、各横収差図において、Ｘ−ＦＡＮとは、光軸に垂直な方向で、かつ、表示素子１１の表示面に平行な方向を指し、Ｙ−ＦＡＮとは、Ｘ−ＦＡＮに垂直で、かつ、上記表示面に平行な方向を指す。なお、各横収差図における座標（Ｘ，Ｙ）は、表示素子１１の表示面におけるローカル座標を示し、「Ｒ．Ｆ」とは、relative fieldの略であり、瞳位置における観察画角において上下、左右の各方向の両端の一方の画角に対応している。
【００６３】
（実施例１）
曲率半径           軸上面間隔         屈折率Nd/アッベ数νd
虚像  ：                           ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞         d1=14.000000
Ｓ２面：     r2=∞                 -             N2= 1.49140/ν2=57.82
【００６４】
Ｓ３面：     r3=∞（反射面）       -             N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面:  回折次数  1
物体光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
参照光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
規格化波長:    587.56
位相係数
B1  :  2.5761E-05   A2  : -4.2257E-02   B2  : -4.4262E-02
A2B1: -1.3468E-05   B3  :  7.7978E-04   A4  : -2.5042E-05
A2B2: -9.0952E-05   B4  : -5.1365E-05   A4B1:  1.0862E-07
A2B3: -5.3717E-06   B5  : -1.2412E-05   A6  :  2.1376E-06
A4B2:  7.8734E-06   A2B4:  4.6089E-06   B6  :  7.4398E-07
A6B1:  1.4319E-07   A4B3:  3.2621E-07   A2B5:  2.4435E-07
A6B2: -6.2054E-07   A4B4: -4.6089E-07   A2B6: -7.7854E-08
A6B3: -1.1228E-08   A4B5: -2.3127E-08   A6B4:  2.9926E-08
A4B6:  6.5022E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    3.700000
X軸回り:  -22.500000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００６５】
Ｓ４面：     r4=∞（反射面）       -             N4= 1.49140/ν4=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００６６】
Ｓ５面：     r5=∞（反射面）       -             N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    5.800000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００６７】
Ｓ６面：     r6=∞（反射面）       -             N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００６８】
Ｓ７面：     r7=-27.25383（反射面）   -          N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K  :   21.824398
C4  :0.139887E-03   C6  :0.336006E-05   C8  :-.687557E-07
C10 :0.483543E-08
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :   25.082485   Z座標  :    6.909882
X軸回り:   35.915466° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００６９】
Ｓ８面：     r8=∞（反射面）       -             N8= 1.49140/ν8=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７０】
Ｓ９面：     r9=-0.455892e-11（反射面）    -     N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K  :  -58.492641
C4  :-.226976E-03   C6  :0.187732E-05   C8  :-.492478E-08
C10 :0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :   11.988835   Z座標  :    4.223307
X軸回り:  312.939907° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７１】
Ｓ１０面（ダミー面）:  r10=∞      -             N10=-1.49140/ν10=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７２】
Ｓ１１面：   r11=∞           d11=0.000000
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :   30.134149   Z座標  :    1.404988
X軸回り:  -21.875445° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７３】
像面（表示面）:
【００７４】
入射瞳径      φ2.00000(mm)
設計波長     587.56(nm)
X方向画角    ±7°
Y方向画角     ±10°
光軸近辺焦点距離  -10.5(mm)  （１次像面があるのでマイナスで表示）
【００７５】
（実施例２）
曲率半径           軸上面間隔        屈折率Nd/アッベ数νd
虚像  ：                           ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞         d1=14.000000
Ｓ２面：     r2=∞                -             N2= 1.49140/ν2=57.82
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７６】
Ｓ３面：     r3=∞（反射面）      -             N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面:  回折次数  1
物体光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
参照光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
規格化波長:    587.56
位相係数
B1  :  6.8759E-02   A2  : -3.8674E-02   B2  : -3.5718E-02
A2B1:  1.6268E-04   B3  :  7.7978E-04   A4  :  5.3095E-05
A2B2: -2.2417E-06   B4  : -7.6309E-05   A4B1:  1.0862E-07
A2B3: -2.6845E-05   B5  : -7.9761E-06   A6  : -2.1472E-06
A4B2: -9.8626E-06   A2B4:  4.6024E-07   B6  :  1.1863E-06
A6B1:  1.4319E-07   A4B3:  1.9839E-06   A2B5:  1.1611E-06
A6B2:  3.0043E-07   A4B4:  4.2410E-07   A2B6: -8.7901E-08
A6B3: -1.1228E-08   A4B5: -1.1839E-07   A6B4: -5.1442E-09
A4B6: -5.7056E-10
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    2.800000
X軸回り:  -25.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７７】
Ｓ４面：     r4=∞（反射面）      -             N4= 1.49140/ν4=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７８】
Ｓ５面：     r5=∞（反射面）      -             N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    5.500000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００７９】
Ｓ６面：     r6=∞（反射面）      -             N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００８０】
Ｓ７面：     r7=-26.09342（反射面）     -       N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K  :    5.324093
C4 :0.603595E-04   C6 :-.284641E-06   C8 :0.217792E-07   C10:-.297630E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :   28.730432   Z座標  :    5.720461
X軸回り:   42.254419° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００８１】
Ｓ８面：     r8=∞（反射面）      -             N8= 1.49140/ν8=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００８２】
Ｓ９面：     r9=-0.455892e-11（反射面）   -     N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K  :  -58.492641
C4 :-.260699E-03   C6 :0.217354E-05   C8 :-.496066E-08   C10:0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :   16.029136   Z座標  :    2.328609
X軸回り:  -55.510581° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００８３】
Ｓ１０面（ダミー面）：  r10=∞       -          N10=-1.49140/ν10=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :    0.000000   Z座標  :    0.000000
X軸回り:    0.000000° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００８４】
Ｓ１１面：   r11=∞           d11=-1.000000
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標  :    0.000000   Y座標  :   29.236201   Z座標  :    1.451844
X軸回り:  -49.407526° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００８５】
像面（表示面）:
【００８６】
入射瞳径      φ2.00000(mm)
設計波長     587.56(nm)
X方向画角    ±7°
Y方向画角     ±10°
光軸近辺焦点距離  -11.0(mm)  （１次像面があるのでマイナスで表示）
【００８７】
（実施例３）
曲率半径           軸上面間隔         屈折率Nd/アッベ数νd
虚像  ：                           ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞         d1=14.000000
Ｓ２面：     r2=∞                 -             N2= 1.49140/ν2=57.82
【００８８】
Ｓ３面：     r3=∞（反射面）       -             N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面:  回折次数  1
物体光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
参照光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
規格化波長:    587.56
位相係数
B1  :  6.8759E-02   A2  : -3.4914E-02   B2  : -3.3073E-02
A2B1:  2.2641E-04   B3  :  5.7234E-04   A4  :  6.5133E-05
A2B2:  2.8696E-05   B4  : -1.3091E-05   A4B1: -2.4621E-06
A2B3: -1.2326E-05   B5  : -8.0874E-06   A6  : -2.3026E-06
A4B2: -7.7022E-06   A2B4: -2.3045E-06   B6  :  6.1411E-07
A6B1:  7.0512E-08   A4B3:  1.0446E-06   A2B5:  2.7855E-07
A6B2: -1.1433E-09   A4B4:  3.6556E-07   A2B6: -5.1502E-09
A6B3:  3.0097E-09   A4B5: -5.8752E-08   A6B4:  1.8757E-09
A4B6:  1.1937E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:      0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     3.700000
X軸回り:  -22.500000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００８９】
Ｓ４面：     r4=∞（反射面）      -             N4= 1.49140/ν4=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９０】
Ｓ５面：     r5=∞（反射面）      -             N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     5.800000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９１】
Ｓ６面：     r6=∞（反射面）      -             N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９２】
Ｓ７面：     r7=-30.91680（反射面）    -        N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K  :   39.482378
C4  :0.105511E-03   C6  :0.130311E-04   C8  :-.646030E-06
C10  :0.286717E-07
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:    26.314877   Z座標:     8.971139
X軸回り:  32.777927° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９３】
Ｓ８面：     r8=∞（反射面）      -             N8= 1.49140/ν8=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９４】
Ｓ９面：  r9=-0.455892451719e-11（反射面）  -   N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K  :  -58.492641
C4  :-.298371E-03   C6  :0.280263E-05   C8  :-.955308E-08
C10  :0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:    14.745537   Z座標:     5.051148
X軸回り: -49.685005° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９５】
Ｓ１０面（ダミー面）：  r10=∞        -         N10=-1.49140/ν10=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【００９６】
Ｓ１１面：   r11=∞           d11=-1.475678
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000     Y座標:     27.175103     Z座標:     1.626495
X軸回り: 298.846481°   Y軸回り:    0.000000°   Z軸回り:   0.000000°
【００９７】
像面（表示面）:
偏芯データ（ローカル座標）
X座標:      0.000000   Y座標:      0.000000   Z座標:      0.000000
X軸回り:   19.050745° Y軸回り:    0.000000° Z軸回り:    0.000000°
【００９８】
入射瞳径      φ2.00000(mm)
設計波長     587.56(nm)
X方向画角    ±7°
Y方向画角     ±10°
光軸近辺焦点距離  -11.0(mm)  （１次像面があるのでマイナスで表示）
【００９９】
（実施例４）
曲率半径           軸上面間隔         屈折率Nd/アッベ数νd
虚像  ：                           ∞
Ｓ１面（瞳面）：r1=∞         d1=14.000000
Ｓ２面：     r2=∞                 -             N2= 1.49140/ν2=57.82
【０１００】
Ｓ３面：     r3=∞（反射面）  d3=0.000000        N3=-1.49140/ν3=57.82
ホログラム面:  回折次数  1
物体光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
参照光:  実光源
X座標:0.000000E+00   Y座標:0.000000E+00   Z座標:0.100000E+01
規格化波長:    587.56
位相係数
B1  :  6.8759E-02   A2  : -3.7340E-02   B2  : -3.2814E-02
A2B1: -2.4313E-06   B3  : -1.9539E-05   A4  :  5.8016E-06
A2B2:  9.9746E-06   B4  : -5.6731E-06   A4B1:  7.2031E-07
A2B3: -5.8243E-06   B5  : -3.1364E-07   A6  :  1.7115E-07
A4B2: -3.1567E-07   A2B4:  2.9374E-07   B6  : -6.5776E-08
A6B1: -1.2680E-07   A4B3: -5.7330E-07   A2B5: -3.0603E-07
A6B2:  2.0102E-08   A4B4: -1.1191E-07   A2B6: -1.2977E-08
A6B3:  3.0097E-09   A4B5: 5.4835E-08   A6B4:  -8.4111E-10
A4B6:  2.1030E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:      0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     3.700000
X軸回り:  -23.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０１】
Ｓ４面：     r4=∞（反射面）      -             N4= 1.49140/ν4=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０２】
Ｓ５面：     r5=∞（反射面）      -             N5=-1.49140/ν5=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     5.800000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０３】
Ｓ６面：     r6=∞（反射面）      -             N6= 1.49140/ν6=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０４】
Ｓ７面：     r7=-37.32470（反射面）    -        N7=-1.49140/ν7=57.82
非球面係数:
K  :   29.556909
C4  :0.929252E-04   C6  :0.791906E-06   C8  :-.102539E-07
C10  :0.933837E-09
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:      0.000000   Y座標:    29.050693   Z座標:     7.917518
X軸回り:   38.341471° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０５】
Ｓ８面：     r8=∞（反射面）      -             N8= 1.49140/ν8=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０６】
Ｓ９面：  r9=-0.455892451719e-11（反射面）  -   N9=-1.49140/ν9=57.82
非球面係数:
K  :  -58.492641
C4 :-.146757E-03   C6  :0.884470E-06   C8  :-.216927E-08
C10  :0.000000E+00
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:    13.555200   Z座標:     4.123389
X軸回り: -50.935638° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０７】
Ｓ１０面（ダミー面）：  r10=∞        -         N10=-1.49140/ν10=57.82
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   0.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０８】
Ｓ１１面：   r11=∞           d11=-1.000000
偏芯データ（Ｓ２面頂点グローバル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:    30.408097   Z座標:    -0.732708
X軸回り: -43.301508° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１０９】
像面（表示面）:
偏芯データ（ローカル座標）
X座標:     0.000000   Y座標:     0.000000   Z座標:     0.000000
X軸回り:   5.000000° Y軸回り:   0.000000° Z軸回り:   0.000000°
【０１１０】
入射瞳径      φ2.00000(mm)
設計波長     587.56(nm)
X方向画角    ±7°
Y方向画角     ±10°
光軸近辺焦点距離  -11.0(mm)  （１次像面があるのでマイナスで表示）
【０１１１】
以上の構成により、左右画角２０°（±１０°）で上下画角１４°（±７°）と広角でありながら、外光を通す部分のプリズム厚が５〜６ｍｍと薄型で、観察者のテンプル部分に表示素子１１などの構造物をコンパクトに無駄なく配置できる観察光学系２１を実現することができた。
【０１１２】
ところで、図１３は、表示素子１１として反射型のものを用いた場合の映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。上述した実施例４は、図１３の映像表示装置１にも応用可能である。反射型の表示素子１１としては、例えば反射型の液晶表示素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製））を用いることができる。この構成では、光源１２からの照明光をプリズム３１を介して表示素子１１に入射させ、表示素子１１からの反射光をプリズム３１を介してプリズム２２に入射させる。なお、プリズム３１は、像生成用のプリズム２２とは別体であってもよいし、プリズム２２と一体化されたもの（プリズム２２を像生成用と照明用とで共用したもの）であってもよい。また、プリズム３１の代わりにミラーを用いてもよい。
【０１１３】
また、図１４は、ＨＭＤの他の構成例を模式的に示す斜視図である。本発明の映像表示装置１は、上述のように表示素子１１を支持手段２のテンプル部分に配置する以外にも、同図に示すように、観察者の瞳の上方または下方位置に配置した構成とすることも可能である。この場合は、支持手段のテンプル部分は、観察光学系２１のプリズム２３を支持することになる。この構成では、左右方向により広角な装置を構成することが可能で、左右方向に±１４°程度の表示が同様の観察光学系により実現できる。
【０１１４】
つまり、図１４の構成では、同図の紙面に対して垂直な面（例えば図５の光学系を縦置きしたときのＺＸ面に相当）の面内で光軸を斜め方向に偏芯させる面はない。このため、この方向（図１４の左右方向）に視野角を広げても、プリズムの厚さに影響せずにスペックを上げることができる。Ｚ−Ｘ方向（左右方向）は対称なので性能がとりやすく、Ｙ−Ｚ方向（上下方向）より広い視野角でも充分に良好な性能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は、特に広角で外界の透過像を表示画像と同時に観察することが可能な眼鏡型のＨＭＤに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施の一形態に係るＨＭＤに適用される映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２】上記ＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は、入射光線がプリズムの２面で反射されるときの光路の一例を示す説明図であり、（ｂ）は、入射光線がプリズムの３面で反射されるときの光路の一例を示す説明図である。
【図４】（ａ）は、観察者の側頭部から内側方向へ光線が射出されるように表示素子が配置された映像表示装置の平面図であり、（ｂ）は、観察者の側頭部から外側方向へ光線が射出されるように表示素子が配置された映像表示装置の平面図である。
【図５】本発明の一実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図６】上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図８】上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図１０】上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施例に係る映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図１２】上記映像表示装置の表示素子の表示面における横収差図を示す説明図である。
【図１３】他の映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図１４】上記ＨＭＤの他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１      映像表示装置
１１      表示素子
２１      観察光学系
２２      プリズム（プリズム型光学素子）
２４      ホログラム素子
Ｓ７    反射面
Ｓ８    反射面
Ｓ９    反射面
【図１】
2008076429.tif 000003
【図２】
2008076429.tif 000004
【図３】
2008076429.tif 000005
【図４】
2008076429.tif 000006
【図５】
2008076429.tif 000007
【図６】
2008076429.tif 000008
【図７】
2008076429.tif 000009
【図８】
2008076429.tif 000010
【図９】
2008076429.tif 000011
【図１０】
2008076429.tif 000012
【図１１】
2008076429.tif 000013
【図１２】
2008076429.tif 000014
【図１３】
2008076429.tif 000015
【図１４】
2008076429.tif 000016