(57)【要約】【課題】照明光学系を備え、光利用効率が高く、小型でも鮮明な画像を呈示することが可能な照明光学系を備えた画像表示装置。【解決手段】透過型画像表示素子５とその表示像を拡大するリレー光学系４とを備え、リレー光学系４は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は少なくとも３面の光学面からなる偏心プリズム１１、１２であり、偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、リレー光学系４の結像面近傍に画像を観察するための光学部材３が配設されており、光源７からの光を画像表示素子５に照射させる照明光学系６を有し、照明光学系６は少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、画像表示素子５の背面に配設されている画像表示装置。【選択図】　　　　図１４
2004020694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と該画像表示素子の画像を拡大するリレー光学系とを備え、
該リレー光学系は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は、屈折率が１より大きい媒質で満たされ、互いに偏心配置された少なくとも３面の光学面から成る偏心プリズムであり、該偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、
該リレー光学系の結像面近傍に画像を観察するための光学部材が配設されており、
該画像表示素子は透過型の画像表示素子であり、
該画像表示素子を照明するための光源として点光源が配置され、
該光源からの光を該画像表示素子に照射させる照明光学系を有し、
該照明光学系は、少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、かつ、該画像表示素子の背面に配設されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【請求項２】
画像表示素子と該画像表示素子の画像を拡大するリレー光学系とを備え、
該リレー光学系は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は、屈折率が１より大きい媒質で満たされ、互いに偏心配置された少なくとも３面の光学面から成る偏心プリズムであり、該偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、
該リレー光学系の結像面近傍に画像を観察するための光学部材が配設されており、
該画像表示素子は反射型の画像表示素子であり、
該画像表示素子を照明するための光源として点光源が配置され、
該光源からの光を該画像表示素子に照射させる照明光学系を有し、
該照明光学系は、少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、かつ、該画像表示素子の前面に配設されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記照明光学系は前記リレー光学系の一部を用いていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系を備えた画像表示装置に関し、特に、小型でより鮮明な像観察が可能となる偏心光学系とそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型の表示素子を用いて光学系により拡大表示するものとして、特開平７−３３３５５１号や特開平８−７６０３４号のもの等がある。これらは、表示素子を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものである。何れも回転非対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るものである。このような光学系を用いた装置の応用例としては、例えば特開２０００−２２１４４０に示される投影光学系がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
撮像光学系においては、入射瞳径が大きい程取り込める光量が増し、明るい像が得られるが、回転対称な光学系の場合、大口径になることから、レンズを固定するための鏡枠部分のレンズ間隔やふち肉が足りなくなり、これを確保するために間隔を厚くすると、全体が大きくなってしまう。また、収差補正を十分に行うためには、多くの光学エレメントが必要となってしまう。
【０００４】
また、観察光学系の場合、射出瞳径が大きい程観察者の眼球配置位置の自由度が大きくなるが、同様に、回転対称な光学系の場合、全体が大きくなってしまい、また、多くの光学エレメントが必要となってしまう。
【０００５】
観察光学系の場合に、射出瞳径を大きくする他の方法として、拡散作用を有する光学素子を配置し、瞳の拡大を図ることも考えられるが、像が非常に暗くなるため、消費電力が大きい明るい表示素子と大型な電池が必要となり、例えば安価な携帯端末に利用することは不適当である。
【０００６】
ところで、従来の表示素子を直接凹面鏡等で拡大するタイプは、表示素子としてある程度大きなものを使用せざるを得ず、小型の表示装置を構成することはできなかった。また、表示素子の映像を空中に１回投影する方式の場合は小型の表示素子を用いることが可能であり、安価に大きい画面の表示を観察することが可能な光学系であるが、接眼光学系の射出瞳位置が短く、頭部直前に接眼光学系を配置する必要があり、手に持って観察する場合には画面全面を観察することはできなかった。
【０００７】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は照明光学系を備え、光利用効率が高く、小型でも鮮明な画像を呈示することが可能な画像表示装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の照明光学系を備えた画像表示装置は、画像表示素子と該画像表示素子の画像を拡大するリレー光学系とを備え、
該リレー光学系は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は、屈折率が１より大きい媒質で満たされ、互いに偏心配置された少なくとも３面の光学面から成る偏心プリズムであり、該偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、
該リレー光学系の結像面近傍に画像を観察するための光学部材が配設されており、
該画像表示素子は透過型の画像表示素子であり、
該画像表示素子を照明するための光源として点光源が配置され、
該光源からの光を該画像表示素子に照射させる照明光学系を有し、
該照明光学系は、少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、かつ、該画像表示素子の背面に配設されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のもう１つの照明光学系を備えた画像表示装置は、画像表示素子と該画像表示素子の画像を拡大するリレー光学系とを備え、
該リレー光学系は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は、屈折率が１より大きい媒質で満たされ、互いに偏心配置された少なくとも３面の光学面から成る偏心プリズムであり、該偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、
該リレー光学系の結像面近傍に画像を観察するための光学部材が配設されており、
該画像表示素子は反射型の画像表示素子であり、
該画像表示素子を照明するための光源として点光源が配置され、
該光源からの光を該画像表示素子に照射させる照明光学系を有し、
該照明光学系は、少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、かつ、該画像表示素子の前面に配設されていることを特徴とするものである。
【００１０】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用について説明する。
【００１１】
本発明の画像表示素子とその表示画像を拡大するリレー光学系とを備えた画像表示装置において、リレー光学系を２つの光学素子で構成することによって、リレー光学系で必要な収差補正能力を２つの光学素子に分配することができる。そのため、１つの光学素子で構成された場合に比べ、収差補正をする範囲が広がり、すなわち広画角にすることが可能となり、小型であっても結像面の大きさを適正な大きさにすることが可能となる。
【００１２】
次に、その中の少なくとも１つの光学素子を偏心プリズムで構成する理由を説明する。
【００１３】
レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
【００１４】
一方、ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子のみを用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００１５】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００１６】
また、反射面は屈折面に比べて偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００１７】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもたないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べて光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００１８】
また、リレー光学系の少なくとも１つの光学素子を構成する光学面を偏心配置する場合には、面の偏心によって発生する偏心収差を補正するために、回転非対称の光学面を有することが重要である。
【００１９】
さらに、その結像面近傍に画像を観察するための光学部材を配設されているため、その１次像を観察者の眼球に投影すること、あるいはその光学部材によって視野角を拡大することができるため、明るく鮮明な画像を観察者に呈示することが可能となる。
【００２０】
なお、リレー光学系の結像面近傍に配設される光学部材は正の屈折力を有する接眼光学系であることが好ましい。
【００２１】
この場合に、接眼光学系は、レンズ、プリズム、フレネルレンズ、拡散板等にて構成することが可能である。
【００２２】
リレー光学系の結像面近傍に配設される光学部材７０が、図２０に示すように、散乱光７２で示すように、散乱性が高い光学部材では、一般的には見る位置からの照度ムラが発生し難く好ましいものであるが、本発明の携帯型の画像表示装置においては、観察者は一人のことが多く、入射光７１を散乱させると、入射光７１に対して観察者の眼球に届く光線が少なくなり、照明光が無駄になってしまう。さらに、無駄に散乱させ暗くなった表示画面の明るさを補うために照明の輝度を上げると、消費電力が多くなってしまい、使用時間が極端に短くなったり、せっかく小型になった表示装置に対して、大型で重いバッテリーを装着することになってしまう。
【００２３】
この問題を避けるために、本発明におけるの画像表示装置の構成においては、図１９に示すように、リレー光学系の結像位置近傍に正の屈折力を有する散乱性がないか低い光学部材（接眼光学系）７０を配設し、設定された虚像距離に対応する視度を有する主光線の広がりを持った略平行光束を観察者眼球に投影するようにすることができる。このようにして、光源からの光量を有効に観察者眼球に導くことが可能となり、輝度の高い明るい画像を投影することが可能となる。
【００２４】
なお、図１９では、光学部材７０として反射作用を有する光学素子として図示してあるが、もちろん、後記の実施例のように、透過作用を有する光学素子を用いる場合も同様である。
【００２５】
さらに加えて、本発明の画像表示装置においては、画像表示素子は透過型の画像表示素子であり、その画像表示素子を照明するための光源は点光源であり、その光源からの光を画像表示素子に照射させる照明光学系は正の屈折力を有する光学素子であり、画像表示素子の背面に配設されることが本発明の画像表示装置に有利に作用する。
【００２６】
すなわち、画像表示素子の背面に導光板型の平面型拡散光源を用いると、光源の均一性は高いが、光源でのＮＡ（開口数）が画像表示素子のＮＡに対して大きい場合がある。その場合には、光源から発した光の一部しか利用できず、利用効率が悪い。一方、光源としてＬＥＤ等の点光源を用い、正レンズ又は凹面反射鏡等の正の屈折力を有する光学素子によって集光することで、画像表示素子側のＮＡに近い値に設計することが可能となり、光源からの光を有効に利用することができる。
【００２７】
加えて、その照明光学系は、少なくとも１枚のフレネルレンズを含んで構成すれば、コンパクト化に寄与できる。
【００２８】
また、画像表示素子として反射型の画像表示素子を用い、その画像表示素子を照明するための光源を点光源とし、その光源からの光を画像表示素子に照射させる照明光学系を正の屈折力を有する光学素子とし、画像表示素子の前面に配設するようにしても、本発明の画像表示装置に有利に作用する。
【００２９】
すなわち、光源としてＬＥＤ等の点光源を用い、正レンズ又は凹面反射鏡等の正の屈折力を有する光学素子によって集光することで、画像表示素子側のＮＡに近い値に設計することが可能となり、光源からの光を有効に利用することができる。
【００３０】
本発明に用いるリレー光学系と光学部材が構成する接眼光学系とについて説明しておく。
【００３１】
まず、偏心光学系の焦点距離を定義する。光軸方向をＺ軸方向にとり、偏心光学系の偏心方向をＹ軸方向にとり、それらと直交する方向をＸ軸方向とするとき、Ｙ−Ｚ面内とＸ−Ｚ面内の２つの方向の光線に対して、軸上主光線と微小距離離れた平行光線を偏心光学系に入射させ、特開平１１−１９４２６７号の段落〔００４９〕と同様にパワーＰｘ、Ｐｙを定義し、それらの逆数を焦点距離ｆｘ、ｆｙと定義する。
【００３２】
本発明の画像表示装置において、リレー光学系の偏心方向をＹ方向、それらと直交する方向をＸ方向とするとき、リレー光学系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離をｆｘ（ｒ）、ｆｙ（ｒ）、画像表示素子の対角方向の長さをＬとするとき、
０．６≦ｆｘ（ｒ）／Ｌ≦３　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１−１）
０．６≦ｆｙ（ｒ）／Ｌ≦３　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１−２）
を満足することが望ましい。
【００３３】
上記条件式（１−１）、（１−２）は、本発明に基づいて画像表示素子の大きさとリレー光学系の焦点距離の関係を表すものであり、リレー光学系の大きさを決めるためのものである。
【００３４】
本発明のような画像表示装置の場合、結像位置近傍の光学部材とリレー光学系は分離可能な構成にすることにより、携帯性を高めることができる。その場合には、画像表示装置の大きさはリレー光学系の大きさ、すなわち焦点距離の値によって決まる。つまり、条件式（１−１）、（１−２）の値が小さい程瞳から画像表示素子までの距離が短く、小型化が可能になる。
【００３５】
それぞれの下限の０．６より小さいと、画角が大きくなり、収差補正し切れず、特に周辺では解像が悪い映像になる。それぞれの上限の３より大きいと、リレー光学系の焦点位置が長くなり、画像表示装置が大型化してしまう。
【００３６】
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。この条件式の下限及び上限の意味は条件式（１−１）、（１−２）と同様である。
【００３７】
０．８≦ｆｘ（ｒ）／Ｌ≦２．５　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２−１）
０．８≦ｆｙ（ｒ）／Ｌ≦２．５　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２−２）
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。この条件式の下限及び上限の意味は条件式（１−１）、（１−２）と同様である。
【００３８】
０．９≦ｆｘ（ｒ）／Ｌ≦２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３−１）
０．９≦ｆｙ（ｒ）／Ｌ≦２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３−２）
また、リレー光学系と接眼光学系のＸ方向、Ｙ方向の合成焦点距離をｆｘ（ｋ）、ｆｙ（ｋ）、画像表示素子の対角方向の長さをＬとするとき、
２．０≦ｆｘ（ｋ）／Ｌ≦１５０　　　　　　　　　　・・・（４−１）
２．０≦ｆｙ（ｋ）／Ｌ≦１５０　　　　　　　　　　・・・（４−２）
を満足することが望ましい。
【００３９】
上記条件式（４−１）、（４−２）は、本発明に基づいて画像表示素子の大きさとリレー光学系と接眼光学系とからなる観察光学系の焦点距離の関係を示すものである。本発明の画像表示装置においては、接眼光学系が最も大きい光学素子であり、接眼光学系の大きさ及びその設置する位置が装置全体の大きさを決めるものになる。この値が小さい程接眼光学系から画像表示素子までの距離が短く、小型化が可能になる。
【００４０】
それぞれの下限の２．０より小さいと、全系の焦点距離が短くなりすぎ、画像表示素子から１次像までの距離が短くなり、十分大きな観察画面サイズを確保できなくなる。一方、それぞれの上限の１５０より大きいと、逆に瞳から画像表示素子までの距離が長くなり、装置が大型化する。
【００４１】
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。この条件式の下限及び上限の意味は条件式（４−１）、（４−２）と同様である。
【００４２】
３．０≦ｆｘ（ｋ）／Ｌ≦８０　　　　　　　　　　　・・・（５−１）
３．０≦ｆｙ（ｋ）／Ｌ≦８０　　　　　　　　　　　・・・（５−２）
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。この条件式の下限及び上限の意味は条件式（４−１）、（４−２）と同様である。
【００４３】
３．０≦ｆｘ（ｋ）／Ｌ≦６０　　　　　　　　　　　・・・（６−１）
３．０≦ｆｙ（ｋ）／Ｌ≦６０　　　　　　　　　　　・・・（６−２）
また、リレー光学系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離をｆｘ（ｒ）、ｆｙ（ｒ）、接眼光学系のＸ方向、Ｙ方向の焦点距離をｆｘ（ｓ）、ｆｙ（ｓ）とするとき、
２．０≦ｆｘ（ｓ）／ｆｘ（ｒ）≦２０　　　　　　　・・・（７−１）
２．０≦ｆｙ（ｓ）／ｆｙ（ｒ）≦２０　　　　　　　・・・（７−２）
を満足することが望ましい。
【００４４】
上記条件式（７−１）、（７−２）は、本発明に基づいて、接眼光学系の焦点距離とリレー光学系の焦点距離の比を表しており、条件式（７−１）、（７−２）の値が小さい程装置全体をコンパクトにすることが可能となり、また、リレー光学系の画角が広くなり、大きな画面を呈示することになる。
【００４５】
それぞれの下限の２．０より小さいと、接眼光学系とリレー光学系の距離が短くなり、リレー光学系からの射出角（画角）が大きくなりすぎ、リレー光学系を構成することが困難になる。それぞれの上限の２０より大きいと、リレー光学系から接眼光学系の距離が長くなり、装置が大型化する。
【００４６】
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。この条件式の下限及び上限の意味は条件式（７−１）、（７−２）と同様である。
【００４７】
３．０≦ｆｘ（ｓ）／ｆｘ（ｒ）≦１５　　　　　　　・・・（８−１）
３．０≦ｆｙ（ｓ）／ｆｙ（ｒ）≦１５　　　　　　　・・・（８−２）
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。この条件式の下限及び上限の意味は条件式（７−１）、（７−２）と同様である。
【００４８】
３．０≦ｆｘ（ｓ）／ｆｘ（ｒ）≦１０　　　　　　　・・・（９−１）
３．０≦ｆｙ（ｓ）／ｆｙ（ｒ）≦１０　　　　　　　・・・（９−２）
また、リレー光学系の結像面近傍に配設される画像を観察するための光学部材として、もちろん、透過レンズ、透過フレネルレンズのような透過屈折作用を有するものであってもよい。また、フレネル反射面のような反射作用を有するものであってもよい。また、透過型回折光学素子、透過型ホログラム素子、反射型回折光学素子、反射型ホログラム素子のような回折作用を有するものであってもよい。
【００４９】
特に、接眼光学系を、回折光学素子、ホログラム素子、フレネルレンズ、フレネル反射面等で製作することにより、薄型の接眼光学系を構成することが可能となる。
【００５０】
また、回折光学素子やホログラム素子で接眼光学系を構成する場合に、その面に指向性の拡散性を持たせることができ、接眼光学系を経た光束を異なる２つ以上の方向に拡散できるようになり、画像を観察できる射出瞳の範囲を拡大するようにすることもできる。
【００５１】
さらに、リレー光学系による１次像の収差補正がなされ、結像性能が良好な場合には、接眼光学系は回転対称な屈折力を有するもので十分観察することができる。このような回転対称な屈折力を有する光学部材は比較的大きな光学素子であるため、加工が容易であり、コストダウンの効果が大きい。
【００５２】
一方、リレー光学系によって発生する偏心による収差を有している場合には、接眼光学系は回転非対称な屈折力を有すると、偏心によって発生する像の台形歪みや像面の傾き等の偏心収差を補正することが可能となる。また、リレー光学系を上記のように偏心光学系で構成すると、リレー光学系と偏心収差の補正を分担することができ、その収差補正を有効に行うことが可能となる。
【００５３】
ところで、本発明における光学部材としては、図１９に示すように、散乱性の低いスクリーンを使用することも有効である。拡散手段によって、観察者瞳位置近傍において射出瞳の大きさを実効的に大きくすることが可能となり、余り光量をロスすることなく、観察者の観察位置の自由度を向上させることができる。
【００５４】
また、本発明における光学部材は接眼光学系として使うには、正の屈折力を有した部材、例えばフレネルレンズを配設することによって、観察者は拡大された虚像を観察することができる。一方、その光学部材を拡散板で構成すると、リレー光学系による実像が拡散板上に形成され、拡散板の効果によって視野角が広い表示画像となり、観察者は広い範囲（角度）で観察可能となり、２人以上で観察したいときには有効である。したがって、用途によってこの光学部材を切り替えられることが望ましい。
【００５５】
また、本発明に使用する光学部材は、後記の実施例の光路図（例えば、図１〜図４）からも明らかなように、リレー光学系に比べて大きい光学素子となる。本発明の画像表示装置は携帯性が望まれるため、この部分が着脱が可能であることが、装置全体を小さくすることに有利である。
【００５６】
ところで、リレー光学系の少なくとも１つの偏心プリズムの少なくとも１つの有効面以外の部分には、光を遮断する遮光手段が施されていることが、ゴースト光あるいはフレアー光を低減するのに有効である。外来光又は画像表示素子から発した光が透過面にて裏面反射し、正規の光路以外の光路を経て観察者眼球に到達することがある。その光はゴースト光あるいはフレアー光となって、観察画像の劣化を引き起こす。内部反射が生じる透過面又は反射面の有効領域以外の部分に反射防止コーティングを施すことで、このような影響を低減することが可能となる。例えば、図２１に示すように、偏心プリズム７３と７４からなるリレー光学系の場合には、光路のゴーストが発生することがある。このような場合には、有効面外である部分に和墨等の黒色のコーティング７５を施すことで、画像表示素子５から発した正規光以外の不要な光を取り除くことが可能となる。
【００５７】
また、リレー光学系の少なくとも１つの有効面には、反射防止コーティングを施していることが、ゴースト光あるいはフレアー光を低減するのに有効である。外来光又は画像表示素子から発した光が透過面にて表面反射し、正規の光路以外の光路を経て観察者眼球に到達することがある。その光は、ゴースト光あるいはフレアー光となって観察画像の劣化を引き起こす。例えば、図２２に示すように、偏心プリズム７３と７４からなるリレー光学系の場合に、偏心プリズム７４の透過面Ａ、Ｂに反射防止コーティングを施すことで、このような影響を低減することが可能となる。その他の透過面に同様のコーティングを施すことももちろん望ましく、透過率が高くなり全体の光利用効率が向上するメリットが生じる。
【００５８】
また、本発明において、照明光学系としてリレー光学系の一部を用いていることで、省スペースに構成でき、装置をコンパクトにすることができる。例えば、画像表示素子に近接する偏心プリズムの画像表示素子と対向する空間に光源を配設して、正の屈折力を有する光学素子と偏心プリズムを介して画像表示素子を照明することも可能である。
【００５９】
また、照明光学系としてリレー光学系において用いているハーフミラーを利用することで、より効率良く照明光学系を構成することができる。
【００６０】
後記の実施例２を示す図７を用いて説明する。画像表示素子５に近接した偏心プリズム１３には、画像表示素子５に対して略４５°傾斜したハーフミラー面３５が配備されている。この面３５を用いて光源の光を画像表示素子５に導入するようにする。図７において下方に光源を配置し、正の屈折力を有する光学素子を介して偏心プリズム１３に入射することで、リレー光学系４の一部を利用できるため、照明光学系の部分の突出量が少なくとも光路長を長くすることができ、瞳収差補正に都合がよい。
【００６１】
また、本発明の画像表示装置の照明光学系は、リレー光学系において用いているハーフミラーを偏光ビームスプリッターにすると、さらに効率良く照明光学系を構成することができる。
【００６２】
上記と同じ図７を用いて説明する。画像表示素子５に近接した偏心プリズム１３には、画像表示素子５に対して略４５°傾斜したハーフミラー面３５が配備されている。この面３５をＰ偏光（Ｐ波）は透過し、Ｓ偏光（Ｓ波）は反射するような設定になっている偏光ビームスプリッターで構成する。光源からの光は、Ｓ偏光を透過する偏光板を介して偏心プリズム１３に入射する。偏光ビームスプリッター面では全ての光が反射されて画像表示素子５を照明する。この場合、画像表示素子５は反射型画像表示素子で構成され、そこで反射した光は位相が９０°回転してＰ偏光となって再び偏心プリズム１３に導かれる。今度はこの光は偏光ビームスプリッターを全て透過する。偏光ビームスプリッターと反射面３６の間に配設される１／４波長板を介してその反射面で反射され、再び１／４波長板を介して偏光ビームスプリッターに到達するが、そのときには光は１／４波長板によってＳ偏光となっているため、全ての光は反射され、第１面３４から射出する。したがって、この構成の照明光学系とリレー光学系では、光源から放出された光は偏光板の後に理論的にはロスすることなく１次像を形成することが可能となる。
【００６３】
また、本発明の画像表示装置の照明光学系は、リレー光学系において用いているハーフミラー面をホログラフィック光学面にすると、さらに効率良く照明光学系を構成することができる。
【００６４】
ホログラフィック光学面は、その面に入射する角度によって、透過作用、反射作用を有するため、上述したような偏光ビームスプリッターと同様の作用を有することができる。
【００６５】
また、本発明の画像表示装置の照明光学系において、光源開口と光学部材が構成する接眼光学系の射出瞳が略共役な関係にあると、光源開口の大きさと照明光学系の瞳の大きさが略同等の大きさとなり、光源からの光を効率良く観察者眼球まで導くことが可能である。
【００６６】
また、照明光学系の正の屈折力を有する光学素子として、透過レンズ、透過フレネルレンズのような透過屈折作用を有するものであってもよい。また、透過型回折光学素子、透過型ホログラム素子、反射型回折光学素子、反射型ホログラム素子のような回折作用を有するものであってもよい。
【００６７】
特に、照明光学系をフレネルレンズ、フレネル反射面、回折光学素子、ホログラム素子等で製作することにより、薄型の照明光学系を構成することが可能となる。
【００６８】
また、本発明において、照明光学系と画像表示素子の間に拡散手段が配備されていると、照明の均一性が向上し好ましい。その拡散手段は、拡散角の比較的小さい拡散板、レンチキュラー板、微小プリズム板等であってもよい。
【００６９】
なお、本発明においては、上記のように、リレー光学系に回転非対称の光学面を用いるが、回転非対称な曲面形状としては、限定的でないが、自由曲面を用いることが望ましい。自由曲面は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７０】
このような偏心光学系に用いる偏心プリズムとしては、プリズム内に光を入射する入射面と、その光をプリズム内で反射する１つ以上の反射面と、反射光をプリズム外に射出する射出面とを有する反射回数が１回以上の公知の種々のものが何れも使用可能である。
【００７１】
このような偏心プリズムの例としては、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するようになっているものがある。このような形状の偏心プリズムは、収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００７２】
このような偏心プリズムの他の例としては、３つの反射面を備え、その中の第３反射面が入射面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼用した面にて形成されているものがある。このような形状の偏心プリズムは、３つの反射面を有するために３回の反射面にパワーを分散することが可能であり、収差発生を少なくすることが可能である。また、光路がプリズム内で交差する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能である。
【００７３】
また、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなる偏心プリズムを例示することができる。第２反射面と入射面とを兼用するこの形状の偏心プリズムは、第２反射面で光線を大きく屈曲させ、第１反射面は少ない屈曲角で光線を第２反射面へと反射するために、プリズム光学系の入射光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００７４】
さらに、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなる偏心プリズムを例示することができる。第１反射面と射出面を兼用するこのこの形状の偏心プリズムは、第１反射面で大きく光線を屈曲させ、さらに第２反射面は少ない屈曲角で光線を射出面へと反射するために、プリズム光学系の射出光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００７５】
さらに好ましくは、偏心プリズムは、対称面を１面のみ有する自由曲面を備え、プリズムを構成する各面は略同一面内の対称面を有していることが好ましい。この構成により、対称面と直交する方向には比較的有効径を広く取ることが可能となり、縦横比が２以上の横方向に大きな射出瞳径を取ることが可能となる。
【００７６】
さて、以上のような対称面に垂直な方向に瞳径が大きい本発明の偏心光学系は、
１＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１００　　　　　　　　　　・・・（１０−１）
を満たすことが望ましい。だだし、ＥＰＤｘは瞳の最も長い軸方向の長さであり、ＥＰＤｙは瞳の最も短い軸方向の長さである。
【００７７】
上記条件式（１０−１）は、瞳の形状を非円形とすることを表すものであり、その下限の１を越えて小さくなるときは、瞳が円形又は正方形に近い形になり、より明るい撮像及び像観察が行えなくなる。他方、上限の１００を越えて大きくなるときは、光学系のパワーの瞳形成のための負荷が大きくなりすぎ、良好な結像性能が得られなくなる。
【００７８】
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。
【００７９】
１．５＜ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜５０　　　　　　　　　・・・（１０−２）
この条件式の下限及び上限の意味は前述と同様である。
【００８０】
さらに望ましくは、次の条件式を満足することが重要である。
【００８１】
２．０≦ＥＰＤｘ／ＥＰＤｙ＜１０　　　　　　　　　・・・（１０−３）
この条件式の下限及び上限の意味は前述と同様である。
【００８２】
前記条件式（１０−１）〜（１０−３）の何れかを満足する入射瞳を形成するために、直交する２軸方向で大きさの異なる絞りを持ったリレー光学系として用いることができる。このようなリレー光学系は明るく小型のものとして構成することができる。
【００８３】
小型の画像表示素子を接眼光学系近傍に拡大投影するリレー光学系に、上記のような対称面に垂直な方向に瞳径が大きい偏心光学系を用いることにより、小型のリレー光学系を構成することが可能となる。
【００８４】
また、液晶表示素子等の小型の画像表示素子は生産性が良いことから、安価に高画素のものを入手することが可能である。できれば表示画像の対角の長さが１インチ以下の表示素子を用いることが望ましく、さらに好ましくは、０．５インチ以下の画像表示素子を使うことが、安価な画像表示装置を構成する場合に有利となる。
【００８５】
このように小型の画像表示素子を用いる場合には、虫眼鏡のような光学系で拡大するだけでは拡大倍率が不足であり、十分な大きさの映像として観察することはできなかった。そこで、リレー光学系で画像表示素子の映像を一度拡大投影し、リレー光学系で投影された像をさらに接眼光学系で拡大すると同時に、リレー光学系からの光束を観察者眼球に収束する作用を有する接眼光学系により構成することが重要である。
【００８６】
さらに、対称面方向（瞳の長軸に対して直交する方向）の観察可能範囲を広げるために、プリズムシートやレンチキュラーシート等のような１次元方向に拡散作用を有する拡散素子をリレー光学系による結像位置近傍に付加することが望ましい。その際は、その１次元方向に拡散作用を有する拡散素子の拡散方向を対称面に平行に配置することが好ましい。また、対称面と直交する方向に画像表示素子の長手方向を一致させることにより、対称面方向の光学面の有効径が小さくてすむことから、装置の小型化につながり、かつ、収差発生量が少なくなり好ましい。
【００８７】
【発明の実施形態】
以下に、本発明の画像表示装置の光学系の数値実施例について説明する。
【００８８】
実施例１〜５の構成パラメータは後記するが、以下の実施例の座標の取り方は、図１〜図２に示すように、射出瞳１（観察者瞳）位置から画像表示素子５に向う逆光線追跡で、軸上主光線２を、光学系の射出瞳１の中心を垂直に通り、画像表示素子５の中心に至る光線で定義する。そして、射出瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線２に沿う方向をＺ軸方向とし、射出瞳１から光学系の射出瞳１に面した面に向かう方向をＺ軸正方向とし、光学系の対称面（偏心方向の平面）をＹ−Ｚ平面とし、Ｚ軸に直交し、画像表示素子５から離れる方向を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軸とする。
【００８９】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（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、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００９０】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００９１】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００９２】
Ｚ＝（ｙ２　／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｙ２　／Ｒ２　｝１　／２］
＋Ａｙ４　＋Ｂｙ６　＋Ｃｙ８　＋Ｄｙ１０＋……
・・・（ｂ）
ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００９３】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、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。
【００９４】
さて、以下に示す実施例１〜５は、観察画角は水平１３°、垂直１０°、観察者眼球位置に当たる射出瞳１から映像までの距離は４００ｍｍであり、横（Ｘ）、縦（Ｙ）８．９×６．７ｍｍの画像表示素子５を使用するものである。
【００９５】
図１に実施例１の対称面（Ｙ−Ｚ面）に沿った断面図、図２にＸ−Ｚ面に投影した光路図、図３、図４にそれぞれ図１、図２の画像表示素子５、リレー光学系４、接眼光学系３近傍の拡大図を示す。
【００９６】
また、図５〜図８に実施例２のそれぞれ図１〜図４に対応する図を、図９〜図１２に実施例３のそれぞれ図１〜図４に対応する図を示す。
【００９７】
また、図１３に実施例４の対称面（Ｙ−Ｚ面）に沿った断面図、図１４に図１３の光源７、照明光学系６、画像表示素子５、リレー光学系４、接眼光学系３近傍の拡大図を示す。また、図１５〜図１６に実施例５のそれぞれ図１３〜図１４に対応する図を示す。
【００９８】
実施例１の画像表示装置の光学系は、図１〜図４に示すように、射出瞳１に面した接眼光学系３は、射出瞳１側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、この接眼光学系３に面してリレー光学系４が配置されている。このリレー光学系４は、２つの偏心プリズム１０、偏心プリズム１１からなる。接眼光学系３に面した偏心プリズム１０は、接眼光学系３に面する第１面２１と、反射面の第２面２２と、偏心プリズム１１に面する第３面２３とからなり、偏心プリズム１１は、偏心プリズム１０に面する第１面２４と、画像表示素子５に面する第４面２７と、第１面２４と第４面２７の間に配置された２つの反射面の第２面２５、第３面２６とからなる。偏心プリズム１０及び偏心プリズム１１は対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な構成になっている。
【００９９】
画像表示素子５からの表示光は、偏心プリズム１１の第４面２７で屈折してプリズム内に入射し、第３面２６と第２面２５で内部反射を繰り返し、第４面２７と第３面２６とを結ぶ光路と第２面２５と第１面２４とを結ぶ光路とがプリズム内で交差して、反射光は第１面２４で屈折してプリズム外に射出し、偏心プリズム１０の第３面２３から屈折してそのプリズム内に入射し、第２面２２で反射して、第１面２１から射出して、接眼光学系３のフレネルレンズ面上に画像表示素子５の拡大像を結像し、接眼光学系３で屈折された光束は射出瞳１に収束する。
【０１００】
ここで、リレー光学系４の偏心プリズム１１の第２面２５近傍が射出瞳１と共役になっており、偏心プリズム１１の第１面２４の外形あるいはその面に設けた遮光部が射出瞳１の外形を決めることになる。したがって、この面２４に横長の開口を形成することで、射出瞳１の形状を決めることも可能である。
【０１０１】
実施例２の画像表示装置の光学系のそれぞれ図１〜図４に対応する図を図５〜図８に示す。実施例２では、実施例１とリレー光学系４の構成のみが異なっている。リレー光学系４のみを説明すると、このリレー光学系４は、２つの偏心プリズム１２、偏心プリズム１３からなる。接眼光学系３に面した偏心プリズム１２は、３面３１〜３３で構成された偏心プリズムであるが、実施例１の偏心プリズム１０と異なる点は、構成する面の第１面３１、第２面３２、第３面３３が何れも回転非対称な自由曲面で構成されていることである（実施例１では第１面２１と第３面２３は球面、第２面２２は平面からなる。）。また、画像表示素子５に面した偏心プリズム１３は、偏心プリズム１２に面する第１面３４と、画像表示素子５に面する第４面３７と、第１面３４と第４面３７の間に配置された２つの反射面の第２面３５、第３面３６とからなるが、第２面３５は透過と反射作用を有するハーフミラーである。また、第２面３５は入射する偏光状態で反射と透過の異なる作用を有する偏光ビームスプリッター面（ＰＢＳ面）であってももちろんよい。
【０１０２】
画像表示素子５からの表示光は、偏心プリズム１３の第４面３７で屈折してプリズム内に入射し、第２面３５を透過して、第３面３６で内部反射し、再び第２面３５に入射するが今度は反射されて第１面３４で屈折してプリズム外に射出する。偏心プリズム１２の第３面３３から屈折してそのプリズム内に入射し、第２面３２で反射して、第１面３１から射出して、接眼光学系３のフレネルレンズ面上に画像表示素子５の拡大像を結像し、接眼光学系３で屈折された光束は射出瞳１に収束する。
【０１０３】
偏心プリズム１３の第２面３５がＰＢＳ面の場合には、例えば、そのＰＢＳ面はＰ波を透過し、Ｓ波を反射する特性を有し、画像表示素子５から発する光はＰ波とする。画像表示素５から出た光は、偏心プリズム１３の第２面３５では１００％透過し、第２面３５と第３面３６の間に挟み込んだ１／４波長板（図示せず）によって第３面３６にて反射した後、再び第２面３５に入射するときにはＳ波となっているため、今度は第２面３５で１００％反射して偏心プリズム１３から射出する。したがって、この場合には、ハーフミラーでのロスが理論的には発生しないように構成することが可能である。
【０１０４】
実施例３の画像表示装置の光学系のそれぞれ図１〜図４に対応する図を図９〜図１２に示す。実施例３では、実施例１とリレー光学系４の構成のみが異なっている。リレー光学系４のみを説明すると、このリレー光学系４は、レンズ１６と偏心プリズム１４の組み合わせからなる。レンズ１６は、接眼光学系３に面しその方向に凸の凸面４５と反対側の凹面４６とからなる負メニスカスレンズからなり、偏心プリズム１４は、実施例１の偏心プリズム１１と同様に、レンズ１６に面する第１面４１と、画像表示素子５に面する第４面４４と、第１面４１と第４面４４の間に配置された２つの反射面の第２面４２、第３面４３とからなる。
【０１０５】
画像表示素子５からの表示光は、偏心プリズム１４の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３と第２面４２で内部反射を繰り返し、第４面４４と第３面４３とを結ぶ光路と第２面４２と第１面４１とを結ぶ光路とがプリズム内で交差して、反射光は第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、レンズ１６の第２面４６、第１面４５を介して接眼光学系３のフレネルレンズ面上に画像表示素子５の拡大像を結像し、接眼光学系３で屈折された光束は射出瞳１に収束する。
【０１０６】
上記のように、レンズ１６は負のパワーを有するレンズであり、リレー光学系４の射出側に配置されており、偏心プリズム１４から射出する光束の画角を広げることになり、広画角のリレー光学系４に有利である。また、このレンズ１６は回転対称の球面で構成されており、偏心した光学素子に比べ、製作性に優れ、コストも低く抑えることができる。
【０１０７】
実施例４の画像表示装置の光学系は、図１３〜図１４に示すように、実施例１と同様の接眼光学系３、リレー光学系４、及び、画像表示素子５の構成に、照明光学系６を配備したものである。
【０１０８】
リレー光学系４は、偏心プリズム１０と偏心プリズム１１からなっている。
【０１０９】
ここで、画像表示素子５は透過型液晶表示素子等の透過型の画像表示素子であり、背面から光を照射して画像を表示するものである。照明光学系６は、２枚のフレネルレンズからなり、光源７位置に瞳が形成するように設計されている。光源７は、ＬＥＤ等の発光素子そのものであっても、発光素子を積分球等の光源ボックスに入れたものであってもよく、その開口位置が照明系の瞳位置になるように配置される。そして、この光源７の開口と射出瞳１が略共役な関係になっている。
【０１１０】
実施例５の画像表示装置の光学系は、図１５〜図１６に示すように、接眼光学系３、リレー光学系４、及び、画像表示素子５の構成に、照明光学系６を配備したものである。
【０１１１】
照明光学系６は、１枚のフレネルレンズ１７と、偏心プリズム１５の一部からなり、実施例４と同様に、光源７位置に瞳が形成するように設計されている。
【０１１２】
リレー光学系４は、偏心プリズム１２と偏心プリズム１５からなっており、偏心プリズム１５は１／４波長板８を挟んだ構成としている。
【０１１３】
ここで、画像表示素子５は反射型液晶表示素子、ＤＭＤ等の反射型の画像表示素子であり、前面から光を照射（照明）して画像を表示するものである。
【０１１４】
光源７から発した光は、直線偏光（Ｓ波）であるとする。この実施例では省略しているが、必要があれば、光源７と偏心プリズム１５の間に偏光板を配備してもよい。光源７からの光は、照明光学系６であるフレネルレンズ１７を介して偏心プリズム１５に入射面５５から入射される。ここで、偏心プリズム１５の入射面５５は、正のパワーを有する非球面フレネル透過面である。そして、第２面５２のＰＢＳ面では略全ての光が反射される。ここで、このＰＢＳ面はＳ波を反射し、Ｐ波を透過する特性を有している。
【０１１５】
第２面５２で反射した光は、偏心プリズム１５の第４面５４から射出して反射型画像表示素子５を照明する。反射型画像表示素子５では、光の位相が９０°回転し、光はＰ波となって表示光となる。再び第４面５４から偏心プリズム１５に入射し、ＰＢＳ面の第２面５２は略全てを透過し、１／４波長板８を介して反射面の第３面５３で反射して、再び１／４波長板８を介してＰＢＳ面の第２面５２に入射される。この過程で、光は１／４波長板８を２度通過するため、光の位相が９０°回転して再びＳ波になり、第２面５２では略全ての光が反射されて、第１面５１を介して偏心プリズム１５から射出する。その後は、実施例２と同様の光路を経て、接眼光学系３のフレネルレンズ面上に１次結像し、フレネルレンズを介して観察者眼球に導かれる。
【０１１６】
したがって、この場合には、光源７から射出した光は理論的には損失することなく観察者眼球に到達するため、明るい表示画面を呈示することができる。
【０１１７】
なお、実施例１〜５の偏心プリズム１０の第１面２１、第３面２３は球面、偏心プリズム１１の第１面２４〜第４面２７、偏心プリズム１２の第１面３１〜第３面３３、偏心プリズム１３の第１面３４、第３面３６、第４面３７、偏心プリズム１４の第１面４１〜第４面４４、偏心プリズム１５の第１面５１、第３面５３、第４面５４は回転非対称の自由曲面からなり、接眼光学系３、偏心プリズム１５の照明光入射面５５、照明光学系６の第１面６１〜第６面６６のフレネル透過面は回転対称非球面からなる。
【０１１８】
また、全ての実施例において、画像表示素子５の大きさは０．４４インチ、射出瞳径はＸ方向、Ｙ方向それぞれ４５ｍｍ、２５ｍｍの長方形であり、接眼光学系３であるフレネルレンズの大きさは７０×５２．５ｍｍである。
【０１１９】
一般に、観察光学系においては、光学系の射出瞳位置に観察者の瞳を置くことで像観察が可能であり、射出瞳径が大きい程広い範囲での観察が可能であるが、偏心光学系の場合は、射出瞳径を大きくとることは困難である。
【０１２０】
しかし、実施例１〜５にあげたような偏心プリズム光学系の場合は、対称面に垂直な方向においては隣接する有効径同士の干渉が起こらないため、対称面に垂直な方向に瞳径を拡大することは容易である。
【０１２１】
なお、実施例１〜５は、接眼光学系３は拡散性がないものとして設計されており、拡散性に関しては、所望の拡散性なり、拡散素子を利用して構成することができる。例えば、接眼光学系３近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【０１２２】
さらに、接眼光学系３の位置に拡散板や白色の衝立て等のスクリーンを配備して画像を観察することもできる。拡散板の場合には、拡散板に実像が形成され、観察者はリレー光学系４側でもその反対側からでも観察することができる。拡散板の効果によって視野角が広がり、観察者は広い範囲でその実像を観察することが可能となる。
【０１２３】
なお、接眼光学系３が光を透過しないものの場合には、リレー光学系４側から観察することになる。
【０１２４】
また、リレー光学系４を結像光学系として用いることも可能である。実施例１〜５の画像表示素子５の位置を像面として、その位置に撮像素子を配備してリレー光学系５を撮像光学系として利用すると、小型で広角な撮像装置を実現することができる。
【０１２５】
以下に上記各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＦＲ”はフレネルレンズ面をそれぞれ示す。なお、物体面はリレー光学系４の投影像面、像面は画像表示素子５の表示面である。
【０１２６】
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　　　　∞　　　　　　　　−４００．００
１　　　　　∞（瞳）
２　　　ＡＳＳ▲１▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　偏心（１）　　１．４９１７　　　５５．３
３　　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（２）
４　　　　−１５７．９９　　　　　　　　　　　　　　偏心（３）　　１．５２５４　　　５６．２
５　　　　　∞　（ＲＥ）　　　　　　　　　　偏心（４）　　１．５２５４　　　５６．２
６　　　　　２９９．９８　　　　　　　　　　　　　　偏心（５）
７　　　ＦＦＳ▲１▼　　　　　　　　　　　　　偏心（６）　　１．５２５４　　　５６．２
８　　　ＦＦＳ▲２▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（７）　　１．５２５４　　　５６．２
９　　　ＦＦＳ▲３▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（８）　　１．５２５４　　　５６．２
１０　　　ＦＦＳ▲４▼　　　　　　　　　　　　　偏心（９）
像　面　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１０）
ＡＳＳ▲１▼
Ｒ　　　　６８．５７
Ｋ　　　　−３．１９９５×１０−１
Ａ　　　　　４．３４１６×１０−６
Ｂ　　　　−４．０９４７×１０−９
Ｃ　　　　　１．７０５７×１０−１２　
Ｄ　　　　−２．６２６７×１０−１６　
ＦＦＳ▲１▼
Ｃ４　　−５．１４７２×１０−４　　　Ｃ６　　−１．５０６９×１０−２　　　Ｃ８　　　３．０６３１×１０−４
Ｃ１０　　２．１８９７×１０−４　　　Ｃ１１　　２．０７３２×１０−５　　　Ｃ１３　　２．４１３３×１０−５
ＦＦＳ▲２▼
Ｃ４　　　５．２０８０×１０−３　　　Ｃ６　　−２．５３１９×１０−４　　　Ｃ８　　−１．０７４８×１０−５
Ｃ１０　−３．２８７３×１０−５　　　Ｃ１１　　２．１２２３×１０−６　　　Ｃ１３　　２．５３３３×１０−６
Ｃ１５　−１．１８０３×１０−７
ＦＦＳ▲３▼
Ｃ４　　−６．７７３６×１０−３　　　Ｃ６　　−８．５７１７×１０−３　　　Ｃ８　　　８．６３５３×１０−５
Ｃ１０　　４．３１１２×１０−５　　　Ｃ１１　　５．３１３５×１０−７　　　Ｃ１３　　８．５９４４×１０−７
Ｃ１５　　２．２５７７×１０−７
ＦＦＳ▲４▼
Ｃ４　　　４．１１２４×１０−３　　　Ｃ６　　　２．３４４４×１０−２　　　Ｃ８　　　２．８７９１×１０−３
Ｃ１０　−５．８５９９×１０−４　　　Ｃ１１　−２．９２１９×１０−４　　　Ｃ１３　−９．３１６４×１０−４
偏心（１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４００．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４０１．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　５１７．０４
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　５２６．０２
α　　４０．０３　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−８．９３　Ｚ　　５１５．３９
α　　７３．７０　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１４．４１　Ｚ　　５１５．４０
α　　９７．９２　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（７）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−３０．６４　Ｚ　　５２１．４２
α　　１０６．５２　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（８）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１８．５４　Ｚ　　５１０．９９
α　１５０．７６　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（９）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２１．６１　Ｚ　　５２９．７８
α　　１６５．８５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１０）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２１．８６　Ｚ　　５３１．９２
α　　１７３．３２　　β　　　０．００　γ　　１８０．００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【０１２７】
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　　　　∞　　　　　　　　−４００．００
１　　　　　∞（瞳）
２　　　ＡＳＳ▲１▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　　　偏心（１）　　１．４９１７　　　５５．３
３　　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（２）
４　　　ＦＦＳ▲１▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（３）　　１．５２５４　　　５６．２
５　　　ＦＦＳ▲２▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（４）　　１．５２５４　　　５６．２
６　　　ＦＦＳ▲３▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（５）
７　　　ＦＦＳ▲４▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（６）　　１．５２５４　　　５６．２
８　　　　　∞　（ＲＥ）　　　　　　　　　　偏心（７）　　１．５２５４　　　５６．２
９　　　ＦＦＳ▲５▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（８）　　１．５２５４　　　５６．２
１０　　　ＦＦＳ▲６▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（９）
像　面　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１０）
ＡＳＳ▲１▼
Ｒ　　　　６８．０３
Ｋ　　　　−６．５９７２×１０−１
Ａ　　　　　３．９２６６×１０−６
Ｂ　　　　−３．９５３５×１０−９
Ｃ　　　　　１．６３２０×１０−１２　
Ｄ　　　　−２．４３９８×１０−１６　
ＦＦＳ▲１▼
Ｃ４　　−３．１６５２×１０−３　　　Ｃ６　　−２．７４５４×１０−３　　　Ｃ８　　　１．０６２４×１０−４
Ｃ１０　　２．０１２４×１０−４　　　Ｃ１１　−４．６２１５×１０−６　　　Ｃ１３　−７．３８７５×１０−６
Ｃ１５　−６．１４３２×１０−６
ＦＦＳ▲２▼
Ｃ４　　−７．７４９２×１０−５　　　Ｃ６　　　３．５５６９×１０−４　　　Ｃ８　　　３．２７７７×１０−６
Ｃ１０　　２．９９９９×１０−６　　　Ｃ１１　　６．１２６６×１０−７　　　Ｃ１３　　４．６４１３×１０−７
ＦＦＳ▲３▼
Ｃ４　　　１．９５３７×１０−３　　　Ｃ６　　−３．６４３３×１０−３　　　Ｃ８　　　８．６２０３×１０−４
Ｃ１０　−３．１０６６×１０−５　　　Ｃ１１　　３．０５３３×１０−５　　　Ｃ１３　　３．８６６６×１０−５
ＦＦＳ▲４▼
Ｃ４　　−３．４１９８×１０−４　　　Ｃ６　　−６．９４８３×１０−３　　　Ｃ８　　　１．１１７９×１０−３
Ｃ１０　　６．１３２０×１０−６　　　Ｃ１１　　４．５８６４×１０−５　　　Ｃ１３　　６．９８７３×１０−５
ＦＦＳ▲５▼
Ｃ４　　−１．０１９２×１０−２　　　Ｃ６　　−９．８７４１×１０−３　　　Ｃ８　　　２．６１５０×１０−６
Ｃ１０　−１．５７４０×１０−６　　　Ｃ１１　−１．３７８３×１０−６　　　Ｃ１３　−３．８３３３×１０−７
Ｃ１５　　２．５４２９×１０−６
ＦＦＳ▲６▼
Ｃ４　　　２．２１６６×１０−２　　　Ｃ６　　　２．９０４４×１０−２　　　Ｃ８　　−８．６７６０×１０−５
Ｃ１０　−１．９８８６×１０−４　　　Ｃ１１　−１．２７７０×１０−４　　　Ｃ１３　−３．２４７４×１０−４
偏心（１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４００．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４０１．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−６．４３　Ｚ　　５２４．１５
α　　１０．７２　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−９．６１　Ｚ　　５４２．８９
α　　３６．６６　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１０．４６　Ｚ　　５２３．３８
α　　８１．８６　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１１．４７　Ｚ　　５２４．５５
α　　７７．４８　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（７）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１９．１０　Ｚ　　５２９．６１
α　　１１４．２６　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（８）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１４．９９　Ｚ　　５２０．１８
α　　１５６．４１　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（９）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．９０　Ｚ　　５３８．２４
α　　１５５．８３　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１０）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２４．０３　Ｚ　　５４０．８５
α　　１５６．６２　　β　　　０．００　γ　　１８０．００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【０１２８】
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　　　　∞　　　　　　　　−４００．００
１　　　　　∞（瞳）
２　　　ＡＳＳ▲１▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　　　偏心（１）　　１．４９１７　　　５５．３
３　　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（２）
４　　　　　　４２．６８　　　　　　　　　　　　　　偏心（３）　　１．５１６３　　　６４．１
５　　　　　　１１．８２　　　　　　　　　　　　　　偏心（４）
６　　　ＦＦＳ▲１▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（５）　　１．５２５４　　　５６．２
７　　　ＦＦＳ▲２▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（６）　　１．５２５４　　　５６．２
８　　　ＦＦＳ▲３▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（７）　　１．５２５４　　　５６．２
９　　　ＦＦＳ▲４▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（８）
像　面　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（９）
ＡＳＳ▲１▼
Ｒ　　　　３１．９６
Ｋ　　　　−８．８５８２×１０−１
Ａ　　　　−２．０６４７×１０−７
Ｂ　　　　−３．０４９４×１０−１１　
Ｃ　　　　−２．１９４５×１０−１４　
Ｄ　　　　　８．５８８９×１０−１８　
ＦＦＳ▲１▼
Ｃ４　　　２．１４８０×１０−２　　　Ｃ６　　　３．７７５９×１０−２　　　Ｃ８　　　２．９４１１×１０−４
Ｃ１０　　２．２１１４×１０−４　　　Ｃ１１　−１．１０６６×１０−４　　　Ｃ１３　　１．８６５９×１０−５
Ｃ１５　−１．５９２５×１０−６
ＦＦＳ▲２▼
Ｃ４　　−４．０８４１×１０−３　　　Ｃ６　　　６．１２８９×１０−３　　　Ｃ８　　　１．８９５０×１０−４
Ｃ１０　　４．１１２２×１０−４　　　Ｃ１１　−２．９２３７×１０−５　　　Ｃ１３　−１．０６３３×１０−６
Ｃ１５　　２．９３０３×１０−６
ＦＦＳ▲３▼
Ｃ４　　　１．０１６５×１０−２　　　Ｃ６　　　１．５６７４×１０−２　　　Ｃ８　　　８．３９０６×１０−５
Ｃ１０　　１．２３８８×１０−４　　　Ｃ１１　−２．２８９８×１０−５　　　Ｃ１３　　７．８０２６×１０−６
Ｃ１５　　１．０５０８×１０−６
ＦＦＳ▲４▼
Ｃ４　　−７．９４０１×１０−２　　　Ｃ６　　−４．５５１５×１０−２　　　Ｃ８　　　１．２５９４×１０−２
Ｃ１０　　２．８６１６×１０−３　　　Ｃ１１　　４．８２３８×１０−４　　　Ｃ１３　　１．２７４６×１０−３
偏心（１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４００．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４０１．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４６０．５１
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４６２．１５
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４６５．１５
α　　−５．１９　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−０．４９　Ｚ　　４８０．８８
α　−２９．２９　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（７）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　９．８６　Ｚ　　４７６．０２
α　−７９．０３　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（８）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−８．８４　Ｚ　　４７７．３８
α　−６７．５９　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（９）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１１．７９　Ｚ　　４７２．４７
α　−９３．３３　β　　　０．００　γ　　１８０．００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【０１２９】
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　　　　∞　　　　　　　　−４００．００
１　　　　　∞（瞳）
２　　　ＡＳＳ▲１▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　偏心（１）　　１．４９１７　　　５５．３
３　　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（２）
４　　　　−１５７．９９　　　　　　　　　　　　　　偏心（３）　　１．５２５４　　　５６．２
５　　　　　∞　（ＲＥ）　　　　　　　　　　偏心（４）　　１．５２５４　　　５６．２
６　　　　　２９９．９８　　　　　　　　　　　　　　偏心（５）
７　　　ＦＦＳ▲１▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（６）　　１．５２５４　　　５６．２
８　　　ＦＦＳ▲２▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（７）　　１．５２５４　　　５６．２
９　　　ＦＦＳ▲３▼（ＲＥ）　　　　　　　　　偏心（８）　　１．５２５４　　　５６．２
１０　　　ＦＦＳ▲４▼　　　　　　　　　　　　　　偏心（９）
像　面　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１０）
１２　　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１０）　１．５１６８　　　６４．１
１３　　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１１）
１４　　　ＡＳＳ▲２▼（ＦＲ）　　　　　　　　偏心（１２）　１．５２５４　　　５６．２
１５　　　ＡＳＳ▲３▼（ＦＲ）　　　　　　　　偏心（１３）
１６　　　ＡＳＳ▲４▼（ＦＲ）　　　　　　　　偏心（１４）　１．５２５４　　　５６．２
１７　　　ＡＳＳ▲５▼（ＦＲ）　　　　　　　　偏心（１５）
光　源　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１６）
ＡＳＳ▲１▼
Ｒ　　　　６８．５７
Ｋ　　　　−３．１９９５×１０−１
Ａ　　　　　４．３４１６×１０−６
Ｂ　　　　−４．０９４７×１０−９
Ｃ　　　　　１．７０５７×１０−１２　
Ｄ　　　　−２．６２６７×１０−１６　
ＡＳＳ▲２▼
Ｒ　　　　１６．２０
Ｋ　　　　−１．３２８９×１０＋７
Ａ　　　　−２．７３４３×１０−３
ＡＳＳ▲３▼
Ｒ　　　　　４．１８
Ｋ　　　　−３．７２５５×１０＋１
Ａ　　　　−２．６９１９×１０−４
Ｂ　　　　−３．８０８６×１０−５
ＡＳＳ▲４▼
Ｒ　　　　−８．７５
Ｋ　　　　−２．２６２２
Ａ　　　　−２．１５７８×１０−３
Ｂ　　　　　７．１２５６×１０−５
ＡＳＳ▲５▼
Ｒ　　　　　８．６１
Ｋ　　　　　８．５７３１×１０−１
Ａ　　　　−２．２１８３×１０−３
Ｂ　　　　　５．２８３２×１０−５
ＦＦＳ▲１▼
Ｃ４　　−５．１４７２×１０−４　　　Ｃ６　　−１．５０６９×１０−２　　　Ｃ８　　　３．０６３１×１０−４
Ｃ１０　　２．１８９７×１０−４　　　Ｃ１１　　２．０７３２×１０−５　　　Ｃ１３　　２．４１３３×１０−５
ＦＦＳ▲２▼
Ｃ４　　　５．２０８０×１０−３　　　Ｃ６　　−２．５３１９×１０−４　　　Ｃ８　　−１．０７４８×１０−５
Ｃ１０　−３．２８７３×１０−５　　　Ｃ１１　　２．１２２３×１０−６　　　Ｃ１３　　２．５３３３×１０−６
Ｃ１５　−１．１８０３×１０−７
ＦＦＳ▲３▼
Ｃ４　　−６．７７３６×１０−３　　　Ｃ６　　−８．５７１７×１０−３　　　Ｃ８　　　８．６３５３×１０−５
Ｃ１０　　４．３１１２×１０−５　　　Ｃ１１　　５．３１３５×１０−７　　　Ｃ１３　　８．５９４４×１０−７
Ｃ１５　　２．２５７７×１０−７
ＦＦＳ▲４▼
Ｃ４　　　４．１１２４×１０−３　　　Ｃ６　　　２．３４４４×１０−２　　　Ｃ８　　　２．８７９１×１０−３
Ｃ１０　−５．８５９９×１０−４　　　Ｃ１１　−２．９２１９×１０−４　　　Ｃ１３　−９．３１６４×１０−４
偏心（１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４００．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４０１．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　５１７．０４
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　５２６．０２
α　　４０．０３　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−８．９３　Ｚ　　５１５．３９
α　　７３．６４　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１４．４１　Ｚ　　５１５．３９
α　　９７．８６　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（７）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−３０．６５　Ｚ　　５２１．４０
α　　１０６．４６　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（８）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１８．５４　Ｚ　　５１０．９８
α　　１５０．７０　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（９）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２１．６３　Ｚ　　５２９．７７
α　　１６５．７９　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１０）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２１．８８　Ｚ　　５３１．９１
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．００　Ｚ　　５３２．９０
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．３７　Ｚ　　５３６．０８
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．４９　Ｚ　　５３７．０７
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．８６　Ｚ　　５４０．２３
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．９８　Ｚ　　５４１．２３
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２３．３７　Ｚ　　５４４．５０
α　　１７３．２５　　β　　　０．００　γ　　　０．００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【０１３０】
実施例５
面番号　曲率半径　　　　　　　　面間隔　　偏心　　　屈折率　　アッベ数
物体面　　　∞　　　　　　　　　−４００．００
１　　　　∞（瞳）
２　　ＡＳＳ▲１▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　　偏心（１）　　１．４９１７　　　５５．３
３　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（２）
４　　ＦＦＳ▲１▼　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（３）　　１．５２５４　　　５６．２
５　　ＦＦＳ▲２▼（ＲＥ）　　　　　　　　　　　偏心（４）　　１．５２５４　　　５６．２
６　　ＦＦＳ▲３▼　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（５）
７　　ＦＦＳ▲４▼　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（６）　　１．５２５４　　　５６．２
８　　　　∞　（ＲＥ）　　　　　　　　　　　偏心（７）　　１．５２５４　　　５６．２
９　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（８）　　１．５１６８　　　６４．１
１０　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（９）　　１．５２５４　　　５６．２
１１　　ＦＦＳ▲５▼（ＲＥ）　　　　　　　　　　　偏心（１０）　１．５２５４　　　５６．２
１２　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（９）　　１．５１６８　　　６４．１
１３　　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（８）　　１．５２５４　　　５６．２
１４　　ＦＦＳ▲６▼　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１１）
像　面　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１２）
１６　　ＦＦＳ▲６▼　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１１）　１．５２５４　　　５６．２
１７　　　　∞　（ＲＥ）　　　　　　　　　　　偏心（７）　　１．５２５４　　　５６．２
１８　　ＡＳＳ▲２▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　　偏心（１３）
１９　　ＡＳＳ▲３▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１４）　１．４９２２　　　５７．５
２０　　ＡＳＳ▲４▼（ＦＲ）　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１５）
光　源　　　∞　　　　　　　　　　　　　　　　偏心（１６）
ＡＳＳ▲１▼
Ｒ　　　　６８．０３
Ｋ　　　　−６．５９７２×１０−１
Ａ　　　　　３．９２６６×１０−６
Ｂ　　　　−３．９５３５×１０−９
Ｃ　　　　　１．６３２０×１０−１２　
Ｄ　　　　−２．４３９８×１０−１６　
ＡＳＳ▲２▼
Ｒ　　　　１４．５９
Ｋ　　　　　６．０１９７×１０−１
Ａ　　　　　１．５８２９×１０−５
Ｂ　　　　　２．６７４２×１０−８
ＡＳＳ▲３▼
Ｒ　　　−１２．９７
Ｋ　　　　　２．４５４１×１０−２
Ａ　　　　−４．１５９１×１０−６
Ｂ　　　　−６．２３９２×１０−９
ＡＳＳ▲４▼
Ｒ　　　　３８．７８
Ｋ　　　　　４．８３６９×１０−６
Ａ　　　　　１．３４６６×１０−１０　
Ｂ　　　　　６．６９２３×１０−１４　
ＦＦＳ▲１▼
Ｃ４　　−３．１６５２×１０−３　　　Ｃ６　　−２．７４５４×１０−３　　　Ｃ８　　　１．０６２４×１０−４
Ｃ１０　　２．０１２４×１０−４　　　Ｃ１１　−４．６２１５×１０−６　　　Ｃ１３　−７．３８７５×１０−６
Ｃ１５　−６．１４３２×１０−６
ＦＦＳ▲２▼
Ｃ４　　−７．７４９２×１０−５　　　Ｃ６　　　３．５５６９×１０−４　　　Ｃ８　　　３．２７７７×１０−６
Ｃ１０　　２．９９９９×１０−６　　　Ｃ１１　　６．１２６６×１０−７　　　Ｃ１３　　４．６４１３×１０−７
ＦＦＳ▲３▼
Ｃ４　　　１．９５３７×１０−３　　　Ｃ６　　−３．６４３３×１０−３　　　Ｃ８　　　８．６２０３×１０−４
Ｃ１０　−３．１０６６×１０−５　　　Ｃ１１　　３．０５３３×１０−５　　　Ｃ１３　　３．８６６６×１０−５
ＦＦＳ▲４▼
Ｃ４　　−３．４１９８×１０−４　　　Ｃ６　　−６．９４８３×１０−３　　　Ｃ８　　　１．１１７９×１０−３
Ｃ１０　　６．１３２０×１０−６　　　Ｃ１１　　４．５８６４×１０−５　　　Ｃ１３　　６．９８７３×１０−５
ＦＦＳ▲５▼
Ｃ４　　−１．０１９２×１０−２　　　Ｃ６　　−９．８７４１×１０−３　　　Ｃ８　　　２．６１５０×１０−６
Ｃ１０　−１．５７４０×１０−６　　　Ｃ１１　−１．３７８３×１０−６　　　Ｃ１３　−３．８３３３×１０−７
Ｃ１５　　２．５４２９×１０−６
ＦＦＳ▲６▼
Ｃ４　　　２．２１６６×１０−２　　　Ｃ６　　　２．９０４４×１０−２　　　Ｃ８　　−８．６７６０×１０−５
Ｃ１０　−１．９８８６×１０−４　　　Ｃ１１　−１．２７７０×１０−４　　　Ｃ１３　−３．２４７４×１０−４
偏心（１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４００．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　　０．００　Ｚ　　４０１．００
α　　　０．００　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−６．４３　Ｚ　　５２４．１５
α　　１０．７２　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　　−９．６１　Ｚ　　５４２．８９
α　　３６．６６　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１０．４６　Ｚ　　５２３．３８
α　　８１．８６　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１１．４７　Ｚ　　５２４．５５
α　　７７．４８　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（７）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１９．１０　Ｚ　　５２９．６１
α　　１１４．２６　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（８）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１７．００　Ｚ　　５２３．２６
α　　１５６．４１　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（９）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１７．００　Ｚ　　５２１．２６
α　　１５６．４１　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１０）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−１４．９９　Ｚ　　５２０．１８
α　　１５６．４１　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１１）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２２．９０　Ｚ　　５３８．２４
α　　１５５．８３　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１２）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２４．０３　Ｚ　　５４０．８５
α　　１５６．６２　　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１３）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２６．９０　Ｚ　　５２７．１７
α　　７６．１１　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１４）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２８．１１　Ｚ　　５２６．８７
α　　７５．７０　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１５）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−２９．０８　Ｚ　　５２６．６２
α　　７５．２９　β　　　０．００　γ　　　０．００
偏心（１６）
Ｘ　　　０．００　Ｙ　−３５．６０　Ｚ　　５２４．８５
α　　７５．１９　β　　　０．００　γ　　　０．００　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【０１３１】
上記実施例１の横収差を図１７、図１８に示す。これらの横収差図において、図１７は図１に示した光路に対応し、画面垂直方向の最小、最大、中心像高における横収差を示す。図１８は図２に示した光路に対応し、画面水平方向の最小、最大、中心像高における横収差を示す。なお、これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ）画角，垂直（Ｙ）画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１３２】
次に、上記実施例１〜３の条件式（１−１）、（１−２）、（４−１）、（４−２）、（７−１）、（７−２）に関する値を示す。
【０１３３】
2004020694.tif 000003
【０１３４】
ところで、実施例１〜５に例示したような画像表示装置は、例えば、図２３、図２４に示すような携帯情報端末や、図２５、図２６に示すような携帯電話の形態にも適用することができ、安価で消費電力の少ない、極めて携帯性に優れた装置を提供することができる。
【０１３５】
図２３の場合は、接眼光学系３をフレネル反射鏡のような反射作用を有する光学素子７６で構成する例である。この場合、画像表示装置の本体８０上に、観察者側から見て、操作ボタン８１をリレー光学系４より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン８１のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系４は接眼光学系３の手前に配置することにより、接眼光学系３で反射された映像を無理なく観察することが可能となる。なお、図２３において、観察者眼球位置をＥで示し、この画像表示装置の射出瞳１の位置に観察者の両眼あるいは片眼Ｅを一致させることにより、表示映像を無理なく観察することができる。なお、画像表示素子５は、リレー光学系４の本体８０側に配置されるが、図示を省く。
【０１３６】
さらに、図２４の場合、接眼光学系３は、本体８０から開閉する機構にすることによって、携帯時はポケット等に収納することが可能となる。また、このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高い。
【０１３７】
さらに、開閉は観察者側を本体８０から持ち上げて開閉する方向にすることによって、接眼光学系３の光学面が収納時に表面に露出することがなく、光学系の光学面に汚れ等が付着し難くなりより好ましい。
【０１３８】
また、図２４の場合は、接眼光学系３を少なくともフレネルレンズのような透過作用を有する光学素子７７で構成するものである。この場合、画像表示装置の本体８０上に、観察者側から見て、操作ボタン８１を接眼光学系３より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン８１のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系４の手前に接眼光学系３を配置することにより、無理なく映像を観察することが可能となる。
【０１３９】
また、図２４の場合は、接眼光学系３をリレー光学系４側に倒して収納するようにすることが好ましい。これにより、リレー光学系４を保護するカバーの役目を接眼光学系３表面で代用することが可能となる。
【０１４０】
さらに、図２３、図２４のどちらの使用形態においても、リレー光学系４と接眼光学系３の間に反射鏡７８（図２４）を配置し、光路を折り曲げることにより、リレー光学系４から接眼光学系３までの距離を短くすることが可能となる。さらに好ましくは、その反射鏡７８にパワーを持たせることにより、接眼光学系３の持つパワーを分散することが可能となり、より大画面の映像を鮮明に表示することが可能となる。また、その反射鏡７８は接眼光学系３の下に収納するようにすることにより、その光学素子が露出することが防げ、防塵性が向上する。
【０１４１】
図２５、図２６は携帯電話９０に接眼光学系３とリレー光学系４からなる画像表示装置を設けてその射出瞳１の位置でその表示映像を無理なく観察できるようにしたものであり、携帯電話９０には、操作者の声を情報として入力するマイク部９１と、通話相手の声を出力するスピーカ部９２と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ９３と、操作者が情報を入力する操作ボタン８１と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を投影表示する本発明の画像表示装置が設けられている。図２５は、図２３に対応する構成で、接眼光学系３を携帯電話９０に対して開閉する機構を持っており、携帯時は折り畳んでポケット等に収納することが可能となる。また、図２６は、図２４に対応する構成であるが、接眼光学系３は携帯電話９０の本体表面に固定され、その内部にリレー光学系４と反射鏡７８が取り付けられており、折り畳まずにそのままポケット等に収納するものである。
【０１４２】
以上の本発明の照明光学系を備えた画像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【０１４３】
〔１〕　画像表示素子と該画像表示素子の画像を拡大するリレー光学系とを備え、
該リレー光学系は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は、屈折率が１より大きい媒質で満たされ、互いに偏心配置された少なくとも３面の光学面から成る偏心プリズムであり、該偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、
該リレー光学系の結像面近傍に画像を観察するための光学部材が配設されており、
該画像表示素子は透過型の画像表示素子であり、
該画像表示素子を照明するための光源として点光源が配置され、
該光源からの光を該画像表示素子に照射させる照明光学系を有し、
該照明光学系は、少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、かつ、該画像表示素子の背面に配設されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１４４】
〔２〕　画像表示素子と該画像表示素子の画像を拡大するリレー光学系とを備え、
該リレー光学系は少なくとも２つの光学素子によって構成され、少なくとも１つの光学素子は、屈折率が１より大きい媒質で満たされ、互いに偏心配置された少なくとも３面の光学面から成る偏心プリズムであり、該偏心プリズムの少なくとも２つの光学面は回転非対称な面で構成されており、
該リレー光学系の結像面近傍に画像を観察するための光学部材が配設されており、
該画像表示素子は反射型の画像表示素子であり、
該画像表示素子を照明するための光源として点光源が配置され、
該光源からの光を該画像表示素子に照射させる照明光学系を有し、
該照明光学系は、少なくとも１つの正の屈折力を有する光学素子で構成され、かつ、該画像表示素子の前面に配設されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１４５】
〔３〕　上記１又は２において、前記照明光学系は前記リレー光学系の一部を用いていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１４６】
〔４〕　上記１又は２において、前記リレー光学系がハーフミラー面を含んで構成され、前記照明光学系は前記リレー光学系のハーフミラー面を用いて、前記光源から発した光が該ハーフミラーによって反射されて前記画像表示素子に導かれるように構成されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１４７】
〔５〕　上記４において、前記ハーフミラー面は偏光ビームスプリッター面であることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１４８】
〔６〕　上記４において、前記ハーフミラー面はホログラフィック光学面であることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１４９】
〔７〕　上記５において、前記光源と前記画像表示素子との間に偏光板が配備されており、その偏光板の透過光の偏光状態と、前記偏光ビームスプリッターの反射特性を示す偏光状態とは同じであることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５０】
〔８〕　上記１又は２において、前記リレー光学系の光路中には波長板が配置されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５１】
〔９〕　上記１又は２において、前記リレー光学系の光路中には１／４波長板が配置されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５２】
〔１０〕　上記１又は２において、前記照明光学系において、前記光源の開口と前記光学部材が構成する接眼光学系の射出瞳が略共役な関係にあることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５３】
〔１１〕　上記１又は２において、前記正の屈折力を有する光学素子にフレネルレンズが含まれていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５４】
〔１２〕　上記１又は２において、前記正の屈折力を有する光学素子に反射面が含まれていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５５】
〔１３〕　上記１又は２において、前記正の屈折力を有する光学素子に回折光学素子が含まれていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５６】
〔１４〕　上記１又は２において、前記照明光学系と前記画像表示素子の間に拡散手段が配備されていることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５７】
〔１５〕　上記１４において、前記拡散手段は拡散板であることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５８】
〔１６〕　上記１４において、前記拡散手段はレンチキュラー板であることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１５９】
〔１７〕　上記１４において、前記拡散手段は微小プリズム板であることを特徴とする照明光学系を備えた画像表示装置。
【０１６０】
【発明の効果】
以上の本発明の画像表示装置によると、光源からの光利用効率が高く、小型でも鮮明な画像を呈示することが可能な照明光学系を備えた画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の画像表示装置の光学系の対称面に沿った断面図である。
【図２】本発明の実施例１の画像表示装置の光学系の対称面に対称面に直交する面に投影した光路図である。
【図３】図１の画像表示素子、リレー光学系、接眼光学系近傍の拡大図である。
【図４】図２の画像表示素子、リレー光学系、接眼光学系近傍の拡大図である。
【図５】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の図１と同様の図である。
【図６】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の図２と同様の図である。
【図７】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の図３と同様の図である。
【図８】本発明の実施例２の画像表示装置の光学系の図４と同様の図である。
【図９】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の図１と同様の図である。
【図１０】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の図２と同様の図である。
【図１１】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の図３と同様の図である。
【図１２】本発明の実施例３の画像表示装置の光学系の図４と同様の図である。
【図１３】本発明の実施例４の画像表示装置の光学系の対称面に沿った断面図である。
【図１４】図１３の画像表示素子、リレー光学系、接眼光学系近傍の拡大図である。
【図１５】本発明の実施例５の画像表示装置の光学系の図１３と同様の図である。
【図１６】本発明の実施例５の画像表示装置の光学系の図１４と同様の図である。
【図１７】実施例１の図１に示した光路に対応する横収差図である。
【図１８】実施例１の図２に示した光路に対応する横収差図である。
【図１９】本発明の画像表示装置の接眼光学系の散乱性を説明するための図である。
【図２０】散乱性が多い場合の図１９に対応する図である。
【図２１】リレー光学系に適用可能な遮光手段を説明するための図である。
【図２２】リレー光学系に適用可能な反射防止コーティング手段を説明するための図である。
【図２３】本発明の画像表示装置を携帯情報端末に適用した場合の斜視図である。
【図２４】本発明の画像表示装置を携帯情報端末に適用した別の場合の斜視図である。
【図２５】本発明の画像表示装置を携帯電話に適用した場合の斜視図である。
【図２６】本発明の画像表示装置を携帯電話に適用した別の場合の斜視図である。
【符号の説明】
１…射出瞳
２…軸上主光線
３…接眼光学系
４…リレー光学系
５…画像表示素子
６…照明光学系
７…光源
８…１／４波長板
１０、１１、１２、１３、１４、１５…偏心プリズム
１６…レンズ
１７…照明用フレネルレンズ
２１〜２７、３１〜３７、４１〜４４、５１〜５４…偏心プリズムの光学面
４５、４６…レンズ面
５５…偏心プリズムの照明光導入面
６１〜６６…フレネルレンズのレンズ面
７０…光学部材
７１…入射光
７２…散乱光
７３、７４…偏心プリズム
７５…黒色コーティング
７６…反射作用を有する光学素子
７７…透過作用を有する光学素子
７８…反射鏡
８０…画像表示装置本体
８１…操作ボタン
９０…携帯電話
９１…マイク部
９２…スピーカ部
９３…アンテナ
Ｅ…観察者眼球位置
【図１】
2004020694.tif 000004
【図２】
2004020694.tif 000005
【図３】
2004020694.tif 000006
【図４】
2004020694.tif 000007
【図５】
2004020694.tif 000008
【図６】
2004020694.tif 000009
【図７】
2004020694.tif 000010
【図８】
2004020694.tif 000011
【図９】
2004020694.tif 000012
【図１０】
2004020694.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2004020694.tif 000016
【図１４】
2004020694.tif 000017
【図１５】
2004020694.tif 000018
【図１６】
2004020694.tif 000019
【図１７】
2004020694.tif 000020
【図１８】
2004020694.tif 000021
【図１９】
2004020694.tif 000022
【図２０】
2004020694.tif 000023
【図２１】
2004020694.tif 000024
【図２２】
2004020694.tif 000025
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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