(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ画像情報を形成する一対の画像形成素子と、該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域に導く光学系とを有し、
該光学系は、複数の反射曲面を有し、該一対の観察領域の中間を通る面を対称面とする面対称で、かつ該対称面に対して一方の側に配置された該画像形成素子からの光束が、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に、該対称面に対して他方の側に配置された反射曲面で反射して該一方の側に戻り、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に該一方の側の反射と透過を兼用する面ＳＬａを透過して該一方の側の観察領域に導かれるように構成されており、
該面ＳＬａの領域のうち、該面ＳＬａを通過して、該観察領域に到る有効光束のうち、該対称面に最も近い光路を通る光線ＬＬａが通過する領域は正の屈折力の形状より成ることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記光学系は、複数の反射曲面間を屈折率が１より大きい媒質で満たしたプリズムを有し、前記面ＳＬａは、前記光線ＬＬａが該プリズムを出射し、前記観察領域に入射するときの面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記プリズムは、反射作用と透過作用とを兼用する反射透過兼用面を有し、該反射透過兼用面は、前記光線ＬＬａが正の反射作用を受ける形状で、かつ前記面ＳＬａの一部を構成していることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記面ＳＬａの領域のうち、該面ＳＬａを通過して、該観察領域に到る有効光束のうち、該対称面に最も遠い光路を通る光線が通過する領域は負の屈折力の形状より成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
それぞれ画像情報を形成する一対の画像形成素子と、該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域に導く光学系とを有し、
該光学系は、複数の反射曲面を有し、該一対の観察領域の中間を通る面を対称面とする面対称で、かつ該対称面に対して一方の側に配置された該画像形成素子からの光束が、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に、該対称面に対して他方の側に配置された反射曲面で反射して該一方の側に戻り、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に、一方の側の観察領域に導かれるように構成されており、
該観察領域に到る有効光束のうち、該光学系を通過した後の、該対称面に最も近い光路を通る光線が正の透過屈折力を受けるように構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
前記光学系は、複数の反射曲面間を屈折率が１より大きい媒質で満たしたプリズムを有し、該プリズムの射出面は、前記対称面に最も近い光路を通る光線が正の透過屈折力を受ける面であることを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記プリズムの射出面は、前記対称面に最も近い光路を通る光線が正の反射作用を受ける反射透過兼用面であることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記プリズムの射出面は、前記対称面に最も遠い光路を通る光線が負の反射作用を受ける反射透過兼用面であることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記光学系は、前記観察領域の光入射側に正の屈折力の光学素子を有していることを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１つに記載の画像表示装置と、
該画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装置と、を有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子（液晶パネル）などの画像形成素子に形成された画像情報を光学系を介して観察者に提示する画像表示装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤ等の画像表示装置には、観察像の広画角化により臨場感を高めることと、頭部に装着するため装置全体が小型軽量であることが要望されている。
【０００３】
特に装置全体が重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向（前方）に薄型であることが望まれている。
【０００４】
小型の液晶パネルを用いて広画角化を達成するには、観察用の光学系として液晶パネルに表示された画像の中間実像を形成し、該中間実像の虚像を拡大像として観察する中間結像光学系を用いるのが良い。
【０００５】
中間結像光学系として折り返し反射面とその前後に光が通る偏心反射面を用い、往復光路を形成し、光路中で１回中間像を結像させて広画角化を図ったＨＭＤが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
一方、ＨＭＤは、観察者が頭部に装着した状態での見た目も、ある程度格好の良いことが要望されている。特に、前方からＨＭＤの装着者を見た場合に、同じ投影面積であれば、装置全体が細く横長である方が印象が良い。例えば、図８（ａ）に示す観察者８１に対し、図８（ｂ）に示すように縦長で横幅が小さい装置８２よりも、図８（ｃ）に示すように縦に短く横に長い装置８３の方が、見た目が良い。このような横長に装置を構成するためには、複数の偏心反射面の偏心方向を顔の上下方向に展開していくのではなく、顔の左右方向に展開する横折り光学系を用いる方が有利である。
【０００７】
折り返し反射面による往復光路を形成する光学素子と画像形成素子との間に反射面を配置し、装置全体の小型化を図ったＨＭＤが提案されている（特許文献２参照）。
【０００８】
特許文献２では画像形成素子と反射面との間および反射面と光学素子との間で左右の眼に入射する光束の光路が交差する光学系を用いて装置全体の小型化を達成している。
【特許文献１】特開２００３−１４９５９３号公報
【特許文献２】特開２００４−３４１３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
広画角化を図るために中間像を光路中で１回結像させる１回結像光学系は、光学系を構成する要素の数が多くなり、また光路長が長くなり、装置全体が大型化する傾向がある。またＨＭＤを装着したときの見た目を良くするために装置全体を横長に構成しようとすると観察者の前方への厚みが増大する傾向がある。
【００１０】
本発明は、装置全体が小型（薄型）でありながらも、観察像の広画角化が容易な画像表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の画像表示装置は、
・それぞれ画像情報を形成する一対の画像形成素子と、該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域に導く光学系とを有し、
該光学系は、複数の反射曲面を有し、該一対の観察領域の中間を通る面を対称面とする面対称で、かつ該対称面に対して一方の側に配置された該画像形成素子からの光束が、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に、該対称面に対して他方の側に配置された反射曲面で反射して該一方の側に戻り、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に該一方の側の反射と透過を兼用する面ＳＬａを透過して該一方の側の観察領域に導かれるように構成されており、
該面ＳＬａの領域のうち、該面ＳＬａを通過して、該観察領域に到る有効光束のうち、該対称面に最も近い光路を通る光線ＬＬａが通過する領域は正の屈折力の形状より成ることを特徴としている。
・それぞれ画像情報を形成する一対の画像形成素子と、該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域に導く光学系とを有し、
該光学系は、複数の反射曲面を有し、該一対の観察領域の中間を通る面を対称面とする面対称で、かつ該対称面に対して一方の側に配置された該画像形成素子からの光束が、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に、該対称面に対して他方の側に配置された反射曲面で反射して該一方の側に戻り、該一方の側に配置された反射曲面で反射した後に、一方の側の観察領域に導かれるように構成されており、
該観察領域に到る有効光束のうち、該光学系を通過した後の、該対称面に最も近い光路を通る光線が正の透過屈折力を受けるように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、装置全体が小型（薄型）でありながらも、観察像の広画角化が容易な画像表示装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の各実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１の画像表示装置の要部概略図である。図１は、本発明をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）（画像表示システム）に適用したときの構成を示している。図１は、ＨＭＤを上方から見た概略図である。
【００１５】
図１において、２１は一対の左右眼用の光学系に共用されるプリズム（光学素子）である。プリズム２１は、面ＳＬ１（ＳＬａ），面ＳＬ２，面ＳＬ３，面ＳＲ１（ＳＬａ），面ＳＲ２，面ＳＲ３が屈折率が１より大きい媒質上に形成された構成より成っている。
【００１６】
２２はプリズム２１の面ＳＬ３で接合されるプリズムである。プリズム２２はプリズム２１と共有する面ＳＬ３の他に、面ＳＬ４，面ＳＬ５が屈折率が１より大きい媒質上に形成された構成より成っている。
【００１７】
２２´はプリズム２１の面ＳＲ３で接合されるプリズムである。プリズム２２´はプリズム２１と共有する面ＳＲ３の他に、面ＳＲ４，面ＳＲ５が屈折率が１より大きい媒質上に形成された構成より成っている。
【００１８】
１は一対の画像形成素子のうち左眼ＥＬ用の画像形成素子であり、液晶表示素子（以下、ＬＣＤと記す）より成っている。
【００１９】
２は左眼ＥＬ用の光学系の偏心反射曲面群を含むプリズム部分である。プリズム部分２は偏心反射曲面群の一部の反射面であり、且つ透過面でもある反射透過（反射作用と透過作用）の兼用の面（反射透過兼用面）ＳＬ１，面ＳＬ３と、偏心反射曲面である面ＳＬ２，面ＳＬ４と、透過面である面ＳＬ５とで構成されている。
【００２０】
３はＬＣＤ１からの光束を集光するためのレンズである。これら偏心反射曲面群を含むプリズム部分２およびレンズ３は、本実施例の左眼光学系ＯＬを形成している。
【００２１】
１´は右眼ＥＲ用の画像形成素子であり、ＬＣＤより成っている。
【００２２】
２´は右眼ＥＲ用の光学系の偏心反射曲面群を含むプリズム部分である。プリズム部分２´は偏心反射曲面群の一部の反射面であり、且つ透過面でもある反射透過の兼用の面ＳＲ１，面ＳＲ３と、偏心反射曲面である面ＳＲ２，面ＳＲ４と、透過面である面ＳＲ５とで構成されている。
【００２３】
３´はＬＣＤ１´からの光束を集光するためのレンズである。これら偏心反射曲面群を含むプリズム部分２´およびレンズ３´は、本実施例の右眼光学系ＯＲを形成している。
【００２４】
ＳＣＬ，ＳＣＲはそれぞれ、左眼光学系ＯＬおよび右眼光学系ＯＲにより形成される射出瞳ＰＬ、ＰＲの中心位置である。
【００２５】
Ｃは左眼光学系ＯＬの射出瞳の中心位置ＳＣＬと右眼光学系ＯＲの射出瞳の中心位置ＳＣＲとを結ぶ線分の中心を通り、該線分に垂直な平面である。本実施例の左右眼光学系ＯＬ、ＯＲおよびＬＣＤ１，１´の画像表示面は該平面Ｃを対称面とした面対称な構成より成っている。
【００２６】
なお、本実施例のＨＭＤは、ＬＣＤ１，１´を駆動する駆動回路１００を含む。駆動回路１００には、不図示のパーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像情報供給装置が接点１１０において接続されている。駆動回路１００は入力された画像情報に応じた原画をＬＣＤ１，１´に表示させる。このことは、以下の実施例でも同じである。
【００２７】
本実施例での光路について、まず左眼光学系ＯＬから説明する。平面Ｃに対して一方の左眼側にあるＬＣＤ１を射出した光束は、レンズ３により集光されてプリズム２２の透過面ＳＬ５に導かれる。透過面ＳＬ５からプリズム２２内に入射した光は、面ＳＬ１，面ＳＬ２，面ＳＬ３，面ＳＬ４の４つの偏心反射曲面群によって囲まれた領域に入射する。該領域に導かれた光束は、平面Ｃよりも左眼側にある面ＳＬ４によって反射されてハーフミラーである接合面ＳＬ３からプリズム２１内に入射する。
【００２８】
プリズム２１に入射した光束は、プリズム２１の媒質の屈折率（即ち反射曲面間の屈折率）をｎとするとき、平面Ｃよりも左眼ＥＬ側にある面（第１の反射面）ＳＬ１に、臨界角であるａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射する。これにより、光束は、面ＳＬ１において内部全反射され、平面Ｃよりも他方の右眼ＥＲ側にある面（第２の反射面）ＳＬ２に向かう。面ＳＬ２で反射されて平面Ｃよりも左眼側に戻された光束は、面ＳＬ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射することで再度内部全反射され、面（第３の反射面）ＳＬ３に向かう。ハーフミラー面ＳＬ３で反射された光束は、面ＳＬ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）より小さい入射角で入射してプリズム２１から射出（出射）した後、観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００２９】
ＬＣＤ１上の異なる箇所から射出した複数の主光線は射出瞳の中心位置ＳＣＬに集まり、ＬＣＤ１上から射出した光束は射出瞳の中心位置ＳＣＬを中心として左眼光学系ＯＬの射出瞳ＰＬを形成する。これにより、該射出瞳ＰＬの位置又はその近傍である観察領域に置かれた観察者の左眼ＥＬで、左眼用のＬＣＤ１に表示された原画の拡大像を観察している。
【００３０】
一方、右眼光学系ＯＲにおいては、平面Ｃに対して右眼側にあるＬＣＤ１´からの光束は、レンズ３´により集光されてプリズム２２´の透過面ＳＲ５に導かれる。透過面ＳＲ５からプリズム２２´内に入射した光は、面ＳＲ１，面ＳＲ２，面ＳＲ３，面ＳＲ４の４つの偏心反射曲面群によって囲まれた領域に入射する。該領域に導かれた光束は、平面Ｃよりも右眼側にある面ＳＲ４によって反射されてハーフミラーである接合面ＳＲ３からプリズム２１内に入射する。
【００３１】
プリズム２１に入射した光束は、プリズム２１の媒質の屈折率をｎとするとき、平面Ｃよりも右眼側にある面（第１の反射面）ＳＲ１に、臨界角であるａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射する。これにより、光束は、面ＳＲ１において内部全反射され、平面Ｃよりも左眼側にある面（第２の反射面）ＳＲ２に向かう。面ＳＲ２で反射されて平面Ｃよりも右眼側に戻された光束は、面ＳＲ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射することで再度内部全反射され、面（第３の反射面）ＳＲ３に向かう。ハーフミラー面ＳＲ３で反射された光束は、面ＳＲ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）より小さい入射角で入射してプリズム２１から射出した後、観察者の右眼ＥＲに導かれる。これにより、観察者の右眼ＥＲで、右眼用のＬＣＤ１´に表示された原画の拡大像を観察している。
【００３２】
このように、左眼光学系ＯＬと右眼光学系ＯＲは平面Ｃに対して対称形状を有しており、左眼用の光路と右眼用の光路も平面Ｃに対して対称となっている。このため、以下では、左眼光学系ＯＬを主にして構成の詳細を説明する。
【００３３】
本実施例の光学系は、面ＳＬ１と対向する側に面ＳＲ２と面ＳＬ３とを配置している。射出瞳の中心位置ＳＣＬから対称面Ｃまでの距離ＤＬは、人間の眼間距離の半分程度である必要がある。このため、図で左右方向のサイズの制約を大幅に受ける。従って、これら２つの面ＳＲ２と面ＳＬ３との有効径をいかに小さく抑えられるかで光学系の広画角化が可能か否かが決まってくる。ＬＬ１（ＬＬａ）は図の断面上において、面ＳＬ３での対称面Ｃ側の有効径を決める光線である。観察領域である射出瞳ＰＬを形成する有効光束のうち対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１（光線ＬＬａ）は対称面Ｃに対して最も右側（内側）の画角で射出瞳ＰＬの最も右側（内側）を通るマージナル光線である。光線ＬＬ１が正の透過屈折力を受けるよう構成することで、反射曲面ＳＬ３の有効径を削減している。より具体的には、面ＳＬ３で偏心反射曲面群として最後の反射をした対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が射出面としての面ＳＬ１（面ＳＬａ）を透過（通過）して射出瞳ＰＬに到る際に、正の屈折力、即ち中心画角主光線側に曲がる作用（正レンズ作用）を受けるようにしている。これにより面ＳＬ３の有効径を小さくし、且つ広画角化が図れるようにしている。
【００３４】
また、本実施例の光学系においては、光線が面ＳＬ２から面ＳＬ１を介して面ＳＬ３に到る際の面ＳＬ１における反射においても、対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が正のパワー（凹面鏡作用）を受けるように構成している。これにより面ＳＬ２の有効径の削減に寄与するようにしている。
【００３５】
次に光学的作用がより分かりやすいように、射出瞳ＰＬからＬＣＤ１へ向かう逆トレースの順路〔光路〕において説明する。逆トレースで、面ＳＬ３と面ＳＬ１で反射されて面ＳＬ２に向かう対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１に対して、面ＳＬ１に凹面鏡の作用を持たせている。これにより該光線ＬＬ１と同一画角の主光線ＬＬ２とが面ＳＬ２より前に交差するようにして、面ＳＬ２の面ＳＲ３と交わる側の有効径を削減している。このように構成することで、本実施例の光学系は、小型化と広画角化を達成している。
【００３６】
図２は図１の座標系の説明図である。
【００３７】
図３には、ＬＣＤ１の表示面の中心から射出して射出瞳の中心位置ＳＣＬに至る光線である中心画角主光線ＬＬ３と、左眼光学系ＯＬにおいて注目光線である対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１と最も遠い光線ＬＬ４とを示している。ここでは、図２において、図の紙面と平面Ｃとが交わって形成される直線をＺ軸とする。Ｚ軸において、左右の眼ＥＬ，ＥＲに中心画角主光線ＬＬ３が入射する方向とは略逆側の方向を正の向きとする。また、光学系の左右の射出瞳ＰＬ、ＰＲの中心位置ＳＣＬ、ＳＣＲを結んだ直線をＹ軸とする。Ｙ軸において、右眼側の射出瞳ＰＲから左眼側の射出瞳ＰＬへ向かう方向を正の向きとする。さらに、Ｙ軸およびＺ軸に対して直交する直線をＸ軸とする。Ｘ軸において、右手系を構成するように紙面奥向き方向を正の方向とする。Ｙ軸と平面Ｃとの交点を原点（０，０，０）とする。
【００３８】
まず、図２、図３を用いてＺ軸方向について光路を説明する。ＬＣＤ１から射出してｚ＋方向に進行する光束は、面ＳＬ５を透過し、面ＳＬ４で反射されてｚ−方向に進行する。ｚ−側に進行した光束は、面ＳＬ３を透過してｚ−側に進行し、面ＳＬ１で反射されてｚ＋方向に進行し、面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２では、ｚ−方向に再度進路を変えられ、再度面ＳＬ１に導かれる。光束は面ＳＬ１で反射されることにより再びｚ＋方向に進行し、面ＳＬ３で反射されてｚ−側に進行し、左眼ＥＬに導かれる。このように光路をジグザグに折り畳むことによって、光学系をＺ軸方向に薄くしている。
【００３９】
次に、Ｙ軸方向について光路を説明する。平面Ｃに対して左眼側、すなわちｙ＋側のＬＣＤ１から射出してｙ−方向に進行した光束は、面ＳＬ４での反射、面ＳＬ３での透過および面ＳＬ１での反射においてｙ−方向に進行方向を保ったまま進行する。そして平面Ｃよりも右眼側、すなわちｙ−側の面ＳＬ２に導かれる。そして、面ＳＬ２で反射されることによって、ｙ＋方向に進行方向を変えられ、平面Ｃよりも左眼側であるｙ＋側に戻される。ｙ＋方向に進行した光束は、ｙ＋側の面ＳＬ１によって進行方向をｙ＋に保ったまま反射され、面ＳＬ３によって反射されて進行方向のｙ成分が略０の状態にされてｙ＋側の左眼ＥＬに導かれる
本実施例では、ＬＣＤ１を左眼光学系ＯＬの射出瞳の中心位置（０，ｙｓｃ，０）ＳＣＬよりもｙ＋側の位置に配置している。すなわち、平面ＣからＬＣＤ１までの距離が、該平面Ｃから射出瞳の中心位置までの距離よりも長い。また、平面Ｃよりもｙ−側の位置に、ｙ−側に進行する光束をｙ＋側に進行するように戻す役目を果たす面ＳＬ２を配置している。これらによって、従来の光学系に対して非常に長い光路長を確保することができる。また、これにより、ＬＣＤ１に表示された原画を左眼ＥＬに拡大虚像として提示するのに必要な光学面のパワーを弱めることができるため、光学性能を高め易い。
【００４０】
特に左右の眼を結ぶ方向に光路を展開する構成では、眼間距離２＊ｙｓｃよりも長い光路長は構成が困難である。本実施例では、上述したように観察者の顔の前方の光学系内に眼間距離２＊ｙｓｃよりも長い光路長を確保して、光学性能を高め易くしている。
【００４１】
さらに、ｙ−側に進行する光束をｙ＋側に戻す面ＳＬ２を、ｙ−側の位置であって、光路をＺ軸方向にジグザグに折り畳む位置に配置した。これによって、長い光路長を有する光学系でありながらも、視軸方向（Ｚ軸方向）に薄く小型の光学系を構成している。したがって、光学系が小型であっても、光路長を非常に長くすることができる。
【００４２】
このような光学系の構成を採る場合は、ＬＣＤ１に表示した原画の中間実像を光学系内の光路中に形成することが容易である。中間実像を形成する場合は、光学系を構成する各面のパワーと光路の引き回しとの関係を適宜定めることができ、光学面の配置自由度が高まる。したがって、観察者は原画のサイズに対して観察者が観察する画像の画角を広げやすくなり、臨場感の高い迫力ある映像を観察することができる。
【００４３】
但し、これらのパワーとしては、あまり強すぎると面ＳＬ２（ＳＲ２）の有効径サイズを大きくしてしまう。そのため、逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから面ＳＬ２に向かう途中で中間結像するようにパワー配置するのが良い。各画角の主光線についても、逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから互いの間隔を平行乃至狭めつつ面ＳＬ２に向かうようにすることが好ましい。
【００４４】
以上のように本実施例では、対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が面ＳＬ１の透過と面ＳＬ１での反射の両方で正の屈折力を受けるようにした。これとは逆に、図３に示すように有効光束中で対称面Ｃから最も遠い光線ＬＬ４は、面ＳＬ１の透過乃至面ＳＬ１での反射で対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が受けるよりも弱い正の屈折力、より望ましくは負の屈折力を受けるようにすることが好ましい。
【００４５】
次に瞳ＰＬ、ＰＲからの逆光線追跡で、中間像までの面で最もパワーの強い面ＳＬ３から面ＳＬ１で反射し面ＳＬ２に向かう光路長について考える。対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１の逆光線追跡で面ＳＬ３から面ＳＬ２までの光路長に対して、対称面Ｃから最も遠い光線ＬＬ４の逆光線追跡での面ＳＬ３から面ＳＬ２までの光路長の方が長い。そのため、対称面Ｃに最も近い画角の光線ＬＬ１が逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから面ＳＬ２に向かう途中で中間結像するようにパワー配置をすると、対称面Ｃから最も遠い光線ＬＬ４は面ＳＬ１に近い場所で結像してしまう。この結果、面ＳＬ２に到る頃には光束が広がりすぎて、面ＳＬ２の有効径を大きくしてしまう。
【００４６】
このため本実施例では有効光束中で対称面Ｃから最も遠い光線ＬＬ４は、面ＳＬ１の透過乃至面ＳＬ１での反射で対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が受けるよりも弱い正の屈折力乃至負の屈折力を受けるようにしている。これにより、面ＳＬ２の有効径を小さくしている。
【実施例２】
【００４７】
図４は、本発明の実施例２の画像表示装置の要部概略図である。図４は本発明をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用したときの構成を示している。図４は、ＨＭＤを上方から見た概略図である。
【００４８】
本実施例と実施例１との主たる違いは、プリズム２１と左右の射出瞳ＰＬ、ＰＲとの間、即ち観察領域の光入射側に左眼光学系ＯＬの一部となる正の屈折力のレンズ（光学素子）４，右眼光学系ＯＲの一部となる正の屈折力のレンズ（光学素子）４´を配置したことである。その他の構成は実施例１と同様である。実施例１と同様の構成部分については、実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。
【００４９】
本実施例での光路についても平面Ｃに対して左右対称であるので、左眼光学系ＯＬについてのみ説明する。平面Ｃに対して左眼ＥＬ（不図示）側にあるＬＣＤ１を射出した光束は、レンズ３により集光されてプリズム２２の透過面ＳＬ５に導かれる。透過面ＳＬ５からプリズム２２内に入射した光は、面ＳＬ１（ＳＬａ），面ＳＬ２，面ＳＬ３，面ＳＬ４の４つの偏心反射曲面群によって囲まれた領域に入射する。該領域に導かれた光束は、平面Ｃよりも左眼ＥＬ側にある面ＳＬ４によって反射されてハーフミラーである接合面ＳＬ３からプリズム２１内に入射する。
【００５０】
プリズム２１に入射した光束は、プリズム２１の媒質の屈折率をｎとするとき、平面Ｃよりも左眼ＥＬ側にある面（第１の反射面）ＳＬ１に、臨界角であるａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射する。これにより、光束は、面ＳＬ１において内部全反射され、平面Ｃよりも右眼ＥＲ側にある面（第２の反射面）ＳＬ２に向かう。面ＳＬ２で反射されて平面Ｃよりも左眼ＥＬ側に戻された光束は、面ＳＬ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射することで再度内部全反射され、面（第３の反射面）ＳＬ３に向かう。ハーフミラー面ＳＬ３で反射された光束は、面ＳＬ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）より小さい入射角で入射してプリズム２１から射出した後、レンズ４を通って観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００５１】
ＬＣＤ１上の異なる箇所から射出した複数の主光線は射出瞳の中心位置ＳＣＬに集まり、ＬＣＤ１上から射出した光束は射出瞳の中心位置ＳＣＬを中心として左眼光学系ＯＬの射出瞳ＰＬを形成する。これにより、該射出瞳ＰＬの位置又はその近傍である観察領域に置かれた観察者の左眼ＥＬで、左眼用のＬＣＤ１に表示された原画の拡大像を観察している。
【００５２】
本実施例の光学系も、２つの面ＳＲ２と面ＳＬ３との有効径をいかに小さく抑えられるかで広画角化が可能か否かが決まってくる。特に、図の断面上において、ＬＬ１（ＬＬａ）は面ＳＬ３での対称面Ｃ側の有効径を決める光線である。観察領域である射出瞳ＰＬを形成する有効光束のうち対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１はレンズ４のみ又は面ＳＬ１の透過とレンズ４の透過とを合わせて正の透過屈折力を受けるよう構成することで、反射曲面ＳＬ３の有効径を削減している。
【００５３】
また、本実施例の光学系においても、面ＳＬ２から面ＳＬ１を介して面ＳＬ３に到る際の面ＳＬ１における反射において、対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が正のパワーを受けるように構成している。これにより面ＳＬ２の有効径の削減に寄与するようにしている。
【００５４】
但し、これら面ＳＬ１の透過とレンズ４の透過の合成パワー並びに面ＳＬ１における反射のパワーが、あまり強すぎると面ＳＬ２（ＳＲ２）の有効径サイズを大きくしてしまう。そのため、逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから面ＳＬ２に向かう途中で中間結像するようにパワー配置するのが良い。各画角の主光線についても、逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから互いの間隔を平行乃至狭めつつ面ＳＬ２に向かうようにすることが好ましい。
【００５５】
本実施例の光学系は、以上のように構成することで、面ＳＬ２の面ＳＬ３との有効径を削減し、小型化と広画角化を達成している。
【実施例３】
【００５６】
図５は、本発明の実施例３の画像表示装置の要部概略図である。図５は本発明をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用したときの構成を示している。図５は、ＨＭＤを上方から見た概略図である。
【００５７】
本実施例と実施例２との違いは、プリズム２１の代わりに、複数の反射面より成る中空のミラー２３，２４を用いたことであり、その他の構成は同様である。実施例２と同様の構成部分については、実施例２と同じ符号を付して説明を省略する。
【００５８】
本実施例での光路についても平面Ｃに対して左右対称であるので、左眼光学系ＯＬについてのみ説明する。平面Ｃに対して左眼ＥＬ（不図示）側にあるＬＣＤ１を射出した光束は、レンズ３により集光されてプリズム２２の透過面ＳＬ５に導かれる。透過面ＳＬ５からプリズム２２内に入射した光は、面ＳＬ１（ＳＬａ），面ＳＬ２，面ＳＬ３，面ＳＬ４の４つの偏心反射曲面群によって囲まれた領域に入射する。該領域に導かれた光束は、平面Ｃよりも左眼ＥＬ側にある面ＳＬ４によって反射されてハーフミラーである面ＳＬ３からプリズム２２を射出する。
【００５９】
プリズム２２を射出した光束は、平面Ｃよりも左眼ＥＬ側にある面（第１の反射面）ＳＬ１において反射され、平面Ｃよりも右眼ＥＲ側にある面（第２の反射面）ＳＬ２に向かう。面ＳＬ２で反射されて平面Ｃよりも左眼ＥＬ側に戻された光束は、面ＳＬ１で再度反射され、プリズム２２の面（第３の反射面）ＳＬ３に向かう。ハーフミラー面ＳＬ３で反射された光束は、レンズ４を通って観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００６０】
ＬＣＤ１上の異なる箇所から射出した複数の主光線は、射出瞳の中心位置ＳＣＬを中心として左眼光学系ＯＬの射出瞳ＰＬを形成する。これにより、該射出瞳ＰＬの位置又はその近傍である観察領域に置かれた観察者の左眼ＥＬで、左眼用のＬＣＤ１に表示された原画の拡大像を観察している。
【００６１】
本実施例の光学系も、２つの面ＳＲ２と面ＳＬ３との有効径をいかに小さく抑えられるかで広画角化が可能か否かが決まってくる。特に、図の断面上において、ＬＬ１（ＬＬａ）は面ＳＬ３での対称面Ｃ側の有効径を決める光線である。観察領域である射出瞳ＰＬを形成する有効光束のうち対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が、レンズ４の透過時に正の透過屈折力を受けるよう構成することで、反射曲面ＳＬ３の有効径を削減している。
【００６２】
また、本実施例の光学系においても、面ＳＬ２から面ＳＬ１を介して面ＳＬ３に到る際の面ＳＬ１における反射において、対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が正のパワーを受けるように構成しても良い。
【００６３】
但し、これらレンズ４の正パワー並びに面ＳＬ１における反射の正パワーは、あまり強すぎると面ＳＬ２（ＳＲ２）の有効径サイズを大きくしてしまう。そのため、逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから面ＳＬ２に向かう途中で中間結像するようにパワー配置するのが良い。各画角の主光線についても、逆光線追跡で面ＳＬ１で反射してから互いの間隔を平行乃至狭めつつ面ＳＬ２に向かうようにすることが好ましい。
【００６４】
本実施例の光学系は、以上のように構成することで、面ＳＬ２の面ＳＬ３との有効径を削減し、小型化と広画角化を達成している。
【００６５】
以上のように各実施例によれば、光学系に複数の偏心反射曲面を配置している。そしてこれら偏心反射曲面群により、左眼ＥＬ側にある画像表示手段１から出た光を右眼ＥＲ側にある反射面ＳＬ２に導き、左眼ＥＲ側にある反射面ＳＬ１，ＳＬ３，ＳＬ４によって観察者の左眼ＥＬに導いている。そして右眼ＥＲ側にある画像表示手段１´から出た光を左眼ＥＬ側にある反射面ＳＲ２に導き、右眼ＥＲ側にある反射面ＳＲ１，ＳＲ３，ＳＲ４によって観察者の右眼ＥＲに導くように構成している。このため、光路長に対して光学系のサイズを小さく抑えることが容易である。各実施例では複数の偏心反射曲面群の最終反射面ＳＬ３、ＳＲ３における反射を終えて観察領域ＰＬ、ＰＲに到る際に、有効光束のうち対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１が正の透過屈折力を受けるよう構成している。これにより、広画角の表示を容易にしている。
【００６６】
また、複数の偏心反射曲面群によって視軸方向に折り畳んだ光路を形成することにより、光学系を薄型にすることを容易にしている。
【００６７】
特に各実施例では前述した光学系を採用することで、広画角化に必要な長い光路長を確保しつつ、薄型の画像表示装置を実現している。
【００６８】
その際に、複数の反射曲面間による反射を終えて観察領域に到る光路に、有効光束のうち対称面Ｃに最も近い光線ＬＬ１（対称面に対して最も内側の画角で観察領域の内側を通るマージナル光線）が正の透過屈折力を受けるような面乃至光学素子を配置している。これにより、右側に配置された画像形成素子からの光束を反射させる右側に配置した反射面並びに左側に配置された画像形成素子からの光束を反射させる右側に配置した反射面の両方の有効径を小さくすることが出来る。そして対称面Ｃに対して右側に配置する少なくとも２つの反射面の配置の自由度を上げ、小型化と広画角化との両立を図った画像表示装置を実現している。
［数値実施例］
次に本発明に係わる光学系の数値実施例を示す。
【００６９】
図６は本発明の画像表示装置で用いた光学系の数値実施例の要部概略図である。図７は数値実施例より右眼光学系ＯＲのみを抽出したときの各面の説明図である。図６において図１〜図５で示した部材と同じ部材には同符番を付している。図６では後述する数値実施例で用いる各面Ｓ１〜Ｓ１１（ＳＵＲＦ）と図１で用いた各面（ＳＲ１〜ＳＲ５）との対応関係を図示している。具体的には次の通りである。
【００７０】
Ｓ１：ＰＲ            Ｓ２：ＳＲ１
Ｓ３：ＳＲ３          Ｓ４：ＳＲ１
Ｓ５：ＳＲ２          Ｓ６：ＳＲ１
Ｓ７：ＳＲ３          Ｓ８：面ＳＲ３に対向するプリズム２２´の面
Ｓ９：ＳＲ４          Ｓ１０：ＳＲ５
Ｓ１１：ＬＣＤ´
数値実施例では観察者の瞳位置（ＰＬ、ＰＲ）側から逆に光線を追跡した形での記述とする。
【００７１】
光学系のデータの記述に際して、観察者の瞳位置（ＰＬ、ＰＲ）をグローバル座標系の基準として表記する。
【００７２】
図７に示すように、グローバル座標系における３次元の座標軸を図２で説明したものと同様にＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸とする。但し、図２の座標系に対して、原点位置が射出瞳の中心ＰＲに来るよう適宜移動させ、観察者の視軸方向（射出瞳の中心位置ＳＣＲから光学系により出来る虚像中心に向く方向）にＺ軸を一致させたものとしている。詳細を以下に説明する。
【００７３】
Ｚ軸：第１面の中心(絶対座標原点)を通る直線で、観察者の視軸方向（射出瞳の中心位置ＳＣＬ、ＳＣＲから光学系により出きる虚像中心に向く方向）を正とする。
【００７４】
Ｙ軸：第１面中心(絶対座標原点)を通り、Ｚ軸に対し垂直な直線で、Ｚ軸に対し反時計回りに９０度をなす方向を正方向とする。
【００７５】
Ｘ軸：原点を通り、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる直線で紙面奥向きを正方向とする。
以上のように座標軸を定義する。
【００７６】
光学系を構成する各光学面に関しては、上記グローバル座標系における各光学面の面形状を表記するための座標系（ローカル座標系）の原点位置をＹ，Ｚで表す。グローバル座標系に対するローカル座標系のＹＺ面内での傾きをＡ（ローカル座標系Ｚ軸がグローバル座標系Ｚ軸に対して反時計周りに傾く方向を正とした角度(単位はdegree)）とする。尚、ｘ座標値Ｘは傾きが全て０であるので不記載とする。また、グローバル座標系に対するローカル座標系のＸＺ面内での傾き、グローバル座標系に対するローカル座標系のＸＹ面内での傾きも全て０であるので不記載とした。このような記述により定義されるｘ，ｙ，ｚ軸による座標系を、各面のローカル座標系とする。
【００７７】
また、各面におけるＮｄ，νｄは、その面以降の媒質のｄ線の屈折率とアッベ数を表している。屈折率の符号が変化するものは、その面で反射することを示している。
【００７８】
以下に各実施例で使用する回転対称軸を有していない非回転対称面形状を以下のような数式で表現する。
【００７９】
数値実施例１中では、非回転対称面として以下の非回転対称面形状の式を用い、表中ＦＦＳと表している。尚、数値実施例においては全てＹＺ面に対称な形状としたため、以下の式においては、Ｘの奇数次項をあらかじめ除去した式としている。
【００８０】
【数１】
0004819532.tif 000002
【００８１】
以上のＦＦＳで表される面には符号(1)，(2)，・・・を付し、その面の非球面係数Ｃ＊＊を表の下欄に示した。
【００８２】
また、本実施例では、球面である場合はSPHとして示し曲率半径Ｒの値のみを記載している。
【００８３】
ここで、任意の光線と各面とのヒットポイント上で、各基準光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。
【００８４】
ローカル母線断面の曲率をｌｏｃａｌ＿ｒｙ、ローカル子線断面の曲率をｌｏｃａｌ＿ｒｘとして、該当する面の前後の屈折率をそれぞれｎｄ、ｎｄ´とする。このときに、ｌｏｃａｌ＿ｆｙ＝ｌｏｃａｌ＿ｒｙ／（ｎｄ´−ｎｄ）で与えられるｆｙをローカル母線断面焦点距離、ｌｏｃａｌ＿ｆｘ＝ｒｘ／（ｎｄ´−ｎｄ）で与えられるｆｘをローカル子線断面焦点距離と定義する。
【００８５】
また、ｌｏｃａｌ＿φｙ＝１／ｌｏｃａｌ＿ｆｙ、ｌｏｃａｌ＿φｘ＝１／ｌｏｃａｌ＿ｆｘで与えられるｌｏｃａｌ＿φｙ、ｌｏｃａｌ＿φｘをそれぞれ各面のローカル母線断面パワー、ローカル子線断面パワーとする。
【００８６】
今、第ｉ番目のローカル母線断面パワーをｌｏｃａｌ＿φｙｉとする。また第ｉ番目の光学面と中心画角主光線Ｌ０とのヒットポイントと第ｉ＋１番目の光学面と中心画角主光線Ｌ０とのヒットポイント間の距離をその間の媒質の屈折率で割った値を換算面間隔ｌｏｃａｌ＿ｄとする。この場合に、第ｍ面から第ｎ面まで通常の近軸追跡計算と同様にして求めた合成パワーを母線断面合成パワーｌｏｃａｌ＿φｙ(ｍ-ｎ)、ｌｏｃａｌ＿φｙ(ｍ-ｎ)の逆数ｌｏｃａｌ＿ｆｙ(ｍ-ｎ)を第ｍ面から第ｎ面までの母線断面合成焦点距離とする。
【００８７】
同様に第ｍ面から第ｎ面までローカル子線断面パワーｌｏｃａｌ＿φｘｉ，ヒットポイント間の換算間隔ｌｏｃａｌ＿ｄについて求めた合成パワーを子線断面合成パワーｌｏｃａｌ＿φｘ(ｍ-ｎ)、その逆数を子線断面合成焦点距離ｆｘ(ｍ-ｎ)とする。
＜数値実施例１＞
表１に数値実施例１のデータを示す。観察者の水平画角±２２．５度(紙面内)、垂直画角±１７．３度(紙面垂直)である。射出瞳径はデータの長さの単位をmmとした時に１０mmである。また、表２に数値実施例１の中心画角主光線における各面におけるローカル曲率半径（ｌｏｃａｌ＿ｒｘ,ｌｏｃａｌ＿ｒｙ），ローカル焦点距離（ｌｏｃａｌ＿ｆｘ,ｌｏｃａｌ＿ｆｙ）を示した。並びに全系での合成焦点距離（ｌｏｃａｌ＿ｆｘ(2-10),ｌｏｃａｌ＿ｆｙ(2-10)）を示した。表３に数値実施例１において有効光束中対称面Ｃに最も近い光線の各面におけるローカル曲率半径（ｌｏｃａｌ＿ｒｘ,ｌｏｃａｌ＿ｒｙ），ローカル焦点距離（ｌｏｃａｌ＿ｆｘ,ｌｏｃａｌ＿ｆｙ）を示した。並びに全系での合成焦点距離（ｌｏｃａｌ＿ｆｘ(2-10),ｌｏｃａｌ＿ｆｙ(2-10)）を示した。
［表１］
SURF     Y        Z         A           R         typ        Nd      νd     
1    0.000    0.000     0.000      ∞          SPH        1.0000   0.0
2    0.000   18.832     0.000     384.6652     FFS(1)     1.5709  33.8
3   -8.000   33.416   -28.000     -65.4521     FFS(2)    -1.5709  33.8
4    0.000   18.832     0.000     384.6652     FFS(1)     1.5709  33.8
5   19.602   62.343    31.668    -157.6420     FFS(3)    -1.5709  33.8
6    0.000   18.832     0.000     384.6652     FFS(1)     1.5709  33.8
7   -8.000   33.416   -28.000     -65.4521     FFS(2)     1.0000   0.0
8   -7.572   37.503   -51.284      36.4185     FFS(4)     1.5709  33.8
9  -21.163   52.815   -17.835    -261.7754     FFS(5)    -1.5709  33.8
10  -32.989   22.777    15.229      45.1542     FFS(6)    -1.0000   0.0
11  -34.336   17.829    -2.895      ∞          SPH        1.0000   0.0
FFS(1)          c 1:-5.3212e+001     c 5: 2.2856e-004     c 6:-8.4576e-005
FFS(2)          c 1:-3.8847e+000     c 5:-7.2052e-004     c 6:-6.7165e-004
FFS(3)          c 1:-1.6054e+001     c 5: 5.2122e-004     c 6:-2.4349e-004
FFS(4)          c 1: 3.5082e-003     c 5: 6.5379e-004     c 6: 3.2453e-004
FFS(5)          c 1:-2.2014e+001     c 5:-7.2704e-005     c 6:-2.0040e-005
FFS(6)          c 1:-1.3928e+001     c 5: 1.2391e-004     c 6: 6.1393e-004
［表２］
(local paraxial ray <FOV: Wy=  0.00deg  Wx=  0.00deg  Py= 0.00> )
SURF     local_ry     local_rx    local_fy    local_fx   local_d     nd
FFS      2    554.24937    367.85272     970.834     644.338    18.133    1.571
FFS-M    3    -66.79769    -52.55302      21.261      16.727   -23.397   -1.571
FFS-M    4    657.71033    381.57080     209.342     121.450    37.449    1.571
FFS-M    5   -165.97524   -182.13109      52.828      57.970   -42.903   -1.571
FFS-M    6    575.15617    370.84182     183.066     118.035    20.996    1.571
FFS      7    -60.53401    -51.53316     106.033      90.267     2.304    1.000
FFS      8     36.42786     33.06399      63.808      57.916    25.360    1.571
FFS-M    9   -279.67583   -250.78436      89.018      79.822   -26.254   -1.571
FFS     10     47.41732     42.00803      83.057      73.582    -6.445   -1.000
SURF     hitpoint( y ,x )
2    (     0.000,     0.000 )
3    (     8.730,     0.000 )
4    (    15.024,     0.000 )
5    (    22.333,     0.000 )
6    (     6.956,     0.000 )
7    (    -0.438,     0.000 )
8    (    -4.144,     0.000 )
9    (   -10.079,     0.000 )
10    (    -4.001,     0.000 )
local_fy( 2-10)   local_fx( 2-10)
-17.555           -12.083
［表３］
(local paraxial ray <FOV: Wy= 22.50deg  Wx=  0.00deg  Py= 5.00> )
SURF     local_ry     local_rx    local_fy    local_fx   local_d     nd
FFS      2    628.53433    377.96036    1100.953     662.043    22.905    1.571
FFS-M    3   -125.15989    -60.01062      39.837      19.101   -24.770   -1.571
FFS-M    4   1098.28677    420.33041     349.572     133.786    28.087    1.571
FFS-M    5   -189.80666   -193.37254      60.413      61.548   -56.465   -1.571
FFS-M    6    584.23546    372.10305     185.956     118.436    13.132    1.571
FFS      7    -77.31785    -54.13863     135.432      94.830     3.260    1.000
FFS      8     36.37011     29.09098      63.707      50.956    28.218    1.571
FFS-M    9   -353.86874   -268.84897     112.632      85.572   -15.524   -1.571
FFS     10    128.40199     57.98127     224.912     101.561   -11.386   -1.000
SURF     hitpoint( y ,x )
2    (    12.861,     0.000 )
3    (    26.847,     0.000 )
4    (    30.249,     0.000 )
5    (    27.724,     0.000 )
6    (    -8.303,     0.000 )
7    (   -14.138,     0.000 )
8    (   -18.285,     0.000 )
9    (   -25.240,     0.000 )
10    (   -14.422,     0.000 )
local_fy( 2-10)   local_fx( 2-10)
-55.860           -12.859
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施例１の要部概略図
【図２】本発明の実施例１の座標系を説明する図
【図３】本発明の実施例１の光路を説明する図
【図４】本発明の実施例２の要部概略図
【図５】本発明の実施例３の要部概略図
【図６】本発明の数値実施例の要部概略図
【図７】本発明の数値実施例の説明図
【図８】前方からＨＭＤ装着者を見た場合の印象を説明するための図
【符号の説明】
【００８９】
１，１´  ＬＣＤ
２，２´  偏心反射曲面群
３，３´  レンズ
ＥＬ  左眼
ＥＲ  右眼
ＳＣＬ，ＳＣＲ  射出瞳の中心位置
２１  プリズム
２２，２２´  プリズム
２３  ミラー
ＰＬ，ＰＲ  射出瞳
Ｃ  平面
４，４´  レンズ
【図１】
0004819532.tif 000003
【図２】
0004819532.tif 000004
【図３】
0004819532.tif 000005
【図４】
0004819532.tif 000006
【図５】
0004819532.tif 000007
【図６】
0004819532.tif 000008
【図７】
0004819532.tif 000009
【図８】
0004819532.tif 000010