(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された観察像を観察するために射出瞳を形成する観察光学系を有し、前記観察光学系が、前記画像表示素子からの光束を反射させる第１の反射面を含む薄板状の第１の光学部材と前記第１の反射面からの反射光をさらに反射させる作用を有する反射面を含む薄板状の第２の光学部材とを組み合せて構成され、且つ、レンズ作用を有する面を少なくとも１面有し、次の条件式(1)を満足することを特徴とする画像表示装置。
０．２８≦Ｐ・ＰＤ・ＺＤ≦０．９                        ……(1)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、ＰＤは射出瞳の直径(mm)、ＺＤは画像表示素子の表示面から前記観察光学系における前記第１の反射面までの光軸上の距離(mm)である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系を有する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、個人で大画面の画像を楽しむこと等を目的とした画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされている。従来、頭部装着式の画像表示装置としては、ＣＲＴのような画像表示素子の像を画像伝達素子で物体面に伝達し、この物体面の像をトーリツク反射面を介して空中に投影するようにしたものが知られている（米国特許第４０２６６４１号）。また、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の画像表示装置上の画像を屈折型のリレー光学系により１度空中で結像させ、さらに偏心配置された凹面鏡からなる接眼光学系を介して観察者の眼球に導くようにしたものが知られている（特開平６−２９４９４３号）。
【０００３】
しかし、これらの画像表示装置は、いずれも光学系が大きく重いため、頭部や顔面に装着して長時間使用するのに耐えうるものではない。このため、良好な画質を維持したまま、軽量化することが望まれる。
また、携帯電話の普及や携帯情報端末の普及に伴い、携帯電話や携帯情報端末の画像や文字データを画像表示装置により大画面で見たいというニーズが高まっており、これらの携帯電話等においても、ポケットや鞄に入れて携帯することから、良好な画質を維持したまま、重量を軽くすることが望まれている。
【０００４】
軽量化を達成するための従来例としては、薄板状の光学部材を組み合わせて構成した観察光学系が知られている（特開平８−２３４１３７号、特開平８−２４０７７３号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの観察光学系は、軽量化を達成可能ではあるものの、例えば、反射面にごみなどが付着し易く、フレアなどが発生して良好な画質を得ることが困難となるという問題がある。
このことを図２９，３０を用いて説明する。図２９，３０の観察光学系は、いずれもＬＣＤなどの画像表示素子１から射出した光束を光学部材２の反射面２1で反射させるようになっている。ところで、図２９に示すような観察光学系は、プリズムを用いているため、組立て時や搬送時に反射面２1にごみや傷が付着することは無い。ところが、図３０に示すような軽量化を達成するために、薄板状の光学部材を組み合わせて構成した観察光学系は、反射面２1にごみや傷が付きやすく、組立てや搬送が容易でない。
【０００６】
そこで、本発明は、表示素子上の画像を拡大観察する画像表示装置において、良好な画質を維持したまま、軽量化を達成することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明による画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された観察像を観察するために射出瞳を形成する観察光学系を有し、前記観察光学系が、前記画像表示素子からの光束を反射させる第１の反射面を含む薄板状の第１の光学部材と前記第１の反射面からの反射光をさらに反射させる作用を有する反射面を含む薄板状の第２の光学部材とを組み合せて構成され、且つ、レンズ作用を有する面を少なくとも１面有し、かつ、次の条件式(1)を満足することを特徴としている。
０．２８≦Ｐ・ＰＤ・ＺＤ≦０．９                        ……(1)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、ＰＤは射出瞳の直径(mm)、ＺＤは画像表示素子の表示面から前記観察光学系における前記第１の反射面までの光軸上の距離(mm)である。
【０００８】
例えば、図１に示す、図３０と同様の光学部材を備えた光学系において、組立てや搬送の際に、反射面にごみや傷が付いたとしても、光学性能に与える影響が少なく、良好な画質が得られるようにするには、条件式(1)を満足することが望ましい。なお、図１中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は第１の光学部材、２1は第１の反射面、３は射出瞳である。
【０００９】
第１の反射面２1においては、画像表示素子１から射出した光が差し込んだときの光束径は比較的小さく、第１の反射面２1で反射した後に光束の径が拡大するため、第１の反射面２1にごみが付着すると、観察の際にぼけたごみの像が瞳に大きく映り込み、画質を落としてしまう。この場合、反射面２1に同じ大きさのごみが付着するものと仮定すると、画像表示素子１の画素ピッチが小さい場合には、画像がより高精細になるためぼけたごみの像の部分が目立つようになるが、画素ピッチが大きい場合には、画像が全体的に荒くなるためごみの像が目立ち難くなる。また、射出瞳３の直径が大きい、つまりＮＡが大きい方が、第１の反射面の光束径が大きくなるので、ごみは相対的に小さく映り目立ち難くなる。また、画像表示素子１の表示面からレンズ作用を有する面を少なくとも１面有する観察光学系における第１の反射面までの距離が長いほど、第１の反射面の光束径が大きくなるので、ごみは相対的に小さく映り目立ち難くなる。
【００１０】
これらを総合的に検討した結果、本発明の画像表示装置として、条件式(1)を満足することが望ましいことがわかった。
条件式(1)を満足すれば、製造工程において反射面を付着するごみは観察の際に目立ち難くなり、良好な画質を得ることが可能となる。
条件式(1)の下限値０．２８を下回ってしまうと、反射面にごみが付着した場合、ごみが大きく目立って画像が劣化するので好ましくない。また、条件式(1)の上限値０．９を上回ってしまうと、光学系の大きさが大きくなるか、あるいは、画質が全体的に悪くなるかして、実用的で無くなるため好ましくない。
【００１１】
また、第１の参考発明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された観察像を観察するために射出瞳を形成する観察光学系を有し、前記観察光学系中に、回折効果によりレンズ作用を有する回折素子を少なくとも１枚有し、観察に際し次の条件式(2)を満足する、光学部材を用いることを特徴としている。
ａ＜９０                                              ……(2)
ただし、ａは波長５００nm〜６５０nmにおける透過率(%)である。
【００１２】
観察光学系の軽量化を達成するための手段としては、厚さが薄いにもかかわらずレンズ作用を有する回折素子を用いることが知られており、反射型あるいは透過型の回折素子として、レリーフ型ホログラムや体積型ホログラムを用いることが可能である。しかし、回折素子においては不要次数項によるフレアの発生が問題となるため、例えば、太陽や電灯などの明るい光源が回折素子に入射するような場合には、回折素子で発生するフレアーのため良好な画像を得ることができない、という問題がある。
【００１３】
そこで、第１の参考発明の画像表示装置では、フレアの原因となる光源の光量をカットするために条件式(2)を満足する光学部材を用いている。条件式(2)を満足すれば、回折素子によるフレアは低減し、かつ、良好な画像を得ることが可能となる。
【００１４】
また、第２の参考発明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された観察像を観察するために射出瞳を形成する観察光学系を有し、前記観察光学系が、少なくとも１つの正の屈折力を有するプリズム部材を含む第１群と、第２群とで構成され、第１群が、光軸調整のために可動に構成されていることを特徴としている。
【００１５】
観察光学系の軽量化を図るためには、正の屈折力を有する光学部材を正の屈折力を有する１群と２群とに分割して、その間を空気で構成することが有効である。
しかし、２群構成とすると、互いの群の光軸がばらつきやすく、また、光軸のばらつきに対する感度が大きくなり、良好な画質を得ることが困難となる場合がある。
そこで、第２の参考発明では、少なくとも１つの正の屈折力を有する、プリズム部材を含む第１群を光軸調整のために可動に構成した。
第２の参考発明のように構成すれば、組立ての際にプリズム部材を含む第１群を動かすことで光軸を調整することができ、良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００１６】
また、第３の参考発明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された観察像を観察するために射出瞳を形成する観察光学系を有し、前記観察光学系が、少なくとも１つの正の屈折力を有するプリズム部材を含む第１群と、正の屈折力を有する第２群とで構成され、第１群と第２群との間に一次結像面を有し、次の条件式(3)を満足することを特徴としている。
０．１＜Ｐ・ＰＤ・ＺＤＤ＜５                            ……(3)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、ＰＤは射出瞳の直径(mm)、ＺＤＤは一次結像面から一次結像面に最も隣接する光学素子までの光軸上の距離(mm)である。
【００１７】
光路中に一次結像面を有する観察光学系においては、比較的光束が細くなる一次結像面付近に配置した光学素子に付着するごみや傷による光学性能の劣化が問題となる。光束径が細くなる一次結像面近傍の光学素子にごみが付着したとすると、観察の際にぼけたごみの像が相対的に大きく映り込み、画質を落としてしまう。
ここで、同じ大きさのごみが付着するものと仮定すると、ＬＣＤなどの画像表示素子においては、画素ピッチが大きい場合には、画像が全体的に荒くなるため、ごみは目立ち難くなり、一方、画素ピッチが小さくなると、画像がより高精細になるため、ぼけたごみの像部分が目立つようになる。また、射出瞳の直径が大きい方がＮＡが大きくなり、第１の反射面の光束径が大きくなるので、ごみは相対的に小さく映り目立ち難くなる。また、一次結像面から一次結像面に最も隣接する光学素子までの光軸上の距離が長いほど、第１の反射面の光束径が大きくなるので、ごみは相対的に小さく映り目立ち難くなる。
【００１８】
これらを総合的に考慮した結果、第３の参考発明の画像表示装置として、条件式(3)を満足することが望ましいことがわかった。条件式(3)を満足すれば、製造工程において付着するごみは目立ち難くなり、良好な画質を得ることが可能となる。条件式(3)の下限値０．１を超えてしまうと、ごみが付着した場合にごみの像が大きく目立って画像が劣化しやすくなるので好ましくない。また、条件式(3)の上限値５を超えてしまうと、光学系の大きさが大きくなるか、あるいは、画質が全体的に悪くなるかして、実用的でなくなるため好ましくない。
【００１９】
また、第４の参考発明の画像表示装置は、画像表示素子と前記画像表示素子に表示された観察像を観察するために射出瞳を形成する観察光学系を有し、前記観察光学系が、正の屈折力を有する第１群と、第２群とで構成され、前記観察光学系の画角をα(rad)、前記画像表示素子の画素ピッチをＰ(mm)としたとき、次の条件式(4)を満足することを特徴としている。
０．０２×１０-2＜α・Ｐ＜２×１０-2                    ……(4)
【００２０】
正の屈折力を有する第１群と、第２群により構成された画像表示装置の観察光学系において、小型化を維持したまま高画質化を達成するには条件式(4)を満足することが望ましい。画像表示装置においては、画角を広くしたほうが臨場感溢れる画像を得ることができるが、極端に画角を広げると観察光学系が大きくなってしまうという問題がある。また、高画質化を達成するには画素ピッチが小さいほうが望ましいが、画素ピッチを極端に小さくすると観察光学系で発生する収差を補正するためのレンズ枚数が多くなり、画像表示装置全体が大きくなってしまうという問題がある。
【００２１】
そこで、第４の参考発明では、条件式(4)を満足することが望ましい。条件式(4)を満足すれば、小型化を維持したまま観察光学系の高画質化を達成することが可能となる。
条件式(4)の下限値０．０２×１０-2を超えてしまうと、画角が狭くなるか、または、観察光学系が大きくなるため好ましくない。
また、条件式(4)の上限値２×１０-2を超えてしまうと、高精細な画像が得られなくなるか、または、観察光学系が大きくなるため好ましくない。
【００２２】
また、第４の参考発明は、条件式(4)に加えて次の条件式(5)を満足することがより望ましい。
０．０５＜Ｐ・ＬＤ＜２                                  ……(5)
ただし、ＬＤは観察光学系の最終面（光路上、最も射出瞳から離れた観察光学系の面）と射出瞳との間の画面中心の距離(mm)である。
【００２３】
条件式(5)を満足すれば、良好な画質を維持したまま、観察光学系を小型化することが可能となる。
条件式(5)の下限値０．０５を超えてしまうと、観察光学系の最終面と射出瞳との間の画面中心の距離として実用的な距離でなくなるか、あるいは、観察光学系が大きくなるため好ましくない。
また、条件式(5)の上限値２を超えると、高精細な画像が得られなくなるか、または、観察光学系が大きくなるため好ましくない。
【００２４】
また、本発明は、上記条件式(1)に加えて、次の条件式(6)を満足することがより望ましい。
０．５＜Ｐ・ＰＤ・ＺＤ≦０．９                          ……(6)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、ＰＤは射出瞳の直径(mm)、ＺＤは画像表示素子の表示面から前記観察光学系における前記第１の反射面までの光軸上の距離(mm)である。
【００２５】
また、第１の参考発明は、上記条件式(2)に加えて、次の条件式(7)を満足することがより望ましい。
ａ＜５０                                                ……(7)
ただし、ａは波長４５０nm〜６５０nmにおける透過率である。
【００２６】
また、第３の参考発明は、上記条件式(3)に加えて、次の条件式(8)を満足することがより望ましい。
０．５＜Ｐ・ＰＤ・ＺＤＤ＜２                            ……(8)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、ＰＤは射出瞳の直径(mm)、ＺＤＤは一次結像面から一次結像面に最も隣接する光学素子までの光軸上の距離(mm)である。
【００２７】
また、第４の参考発明は、上記条件式(4)に加えて、次の条件式(9)を満足することがより望ましい。
０．１×１０-2＜α・Ｐ＜１×１０-2                        ……(9)
ただし、αは観察光学系の画角(rad)、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)である。
【００２８】
また、第５の参考発明は、上記条件式(5)に加えて、次の条件式(10)を満足することがより望ましい。
０．１＜Ｐ・ＬＤ                                        ……(10)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、観察光学系の最終面（光路上、最も射出瞳から離れている面）と射出瞳との間の画面中心の距離(mm)である。
【００２９】
また、本発明は、前記観察光学系が、画像表示素子からの光束を反射させる作用を有する第１面を含む第１の光学部材と、第１面からの反射光をさらに反射させる作用を有する第２の光学部材とを含み、第１の光学部材と第２の光学部材との間が、気体で構成されている。
光学部材間を気体で構成すれば、その分軽量化することができる。
【００３０】
また、本発明の画像表示装置は、前記観察光学系の少なくとも１つの面が、回折効果によりレンズ作用を有する回折素子で構成されていることが好ましい。
回折素子を用いれば、小型化及び軽量化することができ、また、観察光学系の他の面により発生する色収差をキャンセルすることができる。
【００３１】
また、本発明は、前記観察光学系の少なくとも１つの面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることが好ましい。
【００３２】
また、第１の参考発明は、前記観察光学系により形成される射出瞳と光学部材との間に配置された光学部材の少なくとも１つが回折素子であることが好ましい。
【００３３】
また、第１の参考発明は、前記観察光学系が少なくとも１つのプリズム部材を含み、前記プリズム部材が、前記画像表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、前記光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることが好ましい。
【００３４】
また、第２の参考発明は、前記観察光学系中の少なくとも１面が、回折によりレンズ作用を有する光学素子で構成されていることが好ましい。
【００３５】
また、第２の参考発明は、前記観察光学系の少なくとも１つのプリズム部材が、前記画像表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、前記光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が、偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることが好ましい。
【００３６】
また、第２の参考発明は、前記第２群が、正の屈折力を有することが好ましい。
【００３７】
また、第２の参考発明は、前記画像表示素子の光軸中心と前記第１群の光軸中心と前記第２群の光軸中心とを一致させる際に、第１のピンホールを前記第１群の射出面側に前記第１群の光軸と一致するように配置すると共に、第２のピンホールを前記第２群の射出面側に前記第２群の光軸と一致するように配置し、前記画像表示素子の中心部を光らせて点光源とし、該点光源を前記第１のピンホール、前記第２のピンホールを通して観察可能となるように前記第１群を調整することが好ましい。
【００３８】
また、第２の参考発明は、射出瞳側に撮像光学系を配置し、前記画像表示素子に表示された画像を前記撮像光学系で撮影するように構成してもよい。
【００３９】
また、第２の参考発明は、光軸調整後に第１群を接着固定することが好ましい。
【００４０】
また、第３の参考発明は、前記画像表示素子と射出瞳との間に画像表示素子からの漏れ光を遮光する作用を有する部材が配置されていることが好ましい。
【００４１】
また、第３の参考発明は、前記第１群と第２群との間に少なくとも１枚のフレア絞りが配置されていることが好ましい。
【００４２】
また、第３の参考発明は、前記観察光学系の少なくとも１つのプリズム部材が、前記画像表示素子から射出された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記光束をプリズム内で反射させる少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出させる射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることが好ましい。
【００４３】
また、第４の参考発明は、前記観察光学系が、正の屈折力を有する第１群と、第２群とで構成されていることが好ましい。
【００４４】
また、第４の参考発明は、前記第１群が、少なくとも１つの正の屈折力を有するプリズム部材を含み、該プリズム部材が、前記画像表示素子から射出した光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記光束をプリズム内で反射させる少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出させる射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が、偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることが好ましい。
【００４５】
また、第４の参考発明は、前記第２群が、正の屈折力を有することが好ましい。
【００４６】
また、第４の参考発明は、前記観察光学系中の少なくとも１面が回折によりレンズ作用をなす光学素子であることが好ましい。
【００４７】
また、第５の参考発明は、前記観察光学系が、正の屈折力の第１群と、第２群とで構成されていることが好ましい。
【００４８】
また、第５の参考発明は、前記第１群が、少なくとも１つの正の屈折力を有するプリズム部材を含み、該プリズム部材が、前記画像表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、前記光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が、偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることが好ましい。
【００４９】
また、第５の参考発明は、前記第２群が、正の屈折力を有することが好ましい。
【００５０】
また、第５の参考発明は、前記観察光学系中の少なくとも１面が回折光学素子であることが好ましい。
【００５１】
なお、本発明で用いる回転非対称な面は、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成するとよい。
【００５２】
また、本発明の観察光学系は、図面において、軸上主光線を、射出瞳中心を通り画像表示素子の中心に到達する光線で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳の中心から最初の光学部材の面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸と定義し、また、このＺ軸と直交し、かつ、紙面に平行な軸をＹ軸と定義し、さらに、Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳の中心を本発明の観察光学系における座標系の原点とする。また、本発明においては、上述のように射出瞳から画像表示素子に向かう逆光線追跡で面番号をつけることとし、軸上主光線が射出瞳から画像表示素子に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向とそれぞれ定義する。
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(11)により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００５３】
0004727025.tif 000002
……(11)
ただし、(1)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ2＋Ｙ2）である。
【００５４】
自由曲面項は次式(12)のように展開することができる。
0004727025.tif 000003
……(12)
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００５５】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面とも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。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(1)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達成することが可能である。
【００５６】
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。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(1)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達成することが可能である。
【００５７】
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も向上させることが可能となる。
【００５８】
また、上記定義式(11)は、上述のように１つの例として示したものであり、上記定義式(11)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５９】
本発明において観察光学系にプリズム部材を用いた場合には、プリズム部材に設けられた反射面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００６０】
また、アナモルフィック面の形状は次式(13)により定義される。なお、面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。
0004727025.tif 000004
【００６１】
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(13)は、展開したとき、次式(14)で表わすことができる。
0004727025.tif 000005
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、ＫｘはＸ軸方向円錐係数、ＫｙはＹ軸方向円錐係数、Ｒｎは球面項回転対称成分、Ｐｎは非球面項回転非対称成分である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６２】
また、トーリック面にはＸトーリック面とＹトーリック面があり、それぞれ次式(15)，(16)により定義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がトーリック面の軸となる。
Ｘトーリック面は、次式(15)で定義される。
0004727025.tif 000006
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００６３】
また、本発明における回折素子（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図３１は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ0＝ＨＷＬに対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ0を用いて、次式(17)で与えられる。
ｎdＱd・Ｎ＝ｎiＱi・Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0・Ｎ    ……(17)
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎi（ｎd）は入射側（射出側）の屈折率、Ｑi（Ｑd）は入射（射出）ベクトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射出光の回折次数である。
【００６４】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図３１に示すように点Ｐ1＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）を光源とする物体光、および点Ｐ2＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造される（定義される）とすれば、
Φ0＝Φ02P
＝ｎ2・ｓ2・ｒ2−ｎ1・ｓ1・ｒ1
となる。ただし、ｒ1（ｒ2）は点Ｐ1（点Ｐ2）からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ1（ｎ2）は製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）を配置した側の屈折率であり、ｓ1＝ＨＶ１、およびｓ2＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符号は光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中におけるＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の屈折率ｎ1（ｎ2）は、レンズデータ中でＨＯＥ面が接している媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）が存在する側の屈折率とする。
【００６５】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの光路差関数Φ0は、多項式で表した付加的な位相項Φ0Poly（基準波長λ0における光路差関数）を加えて次式(18)で表わすことができる。
Φ0＝Φ02P＋Φ0Poly                    ……(18)
ここで、多項式は、
0004727025.tif 000007
であり、一般には
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ｝／２
で定義することができる。ただし、Ｈjは各項の係数である。
【００６６】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ0を
Φ0＝Φ0Poly
のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義することもできる。例えば、２点光源Ｐ1（点Ｐ2）を一致させると光路差関数Φ0の干渉による成分Φ02Pはゼロとなるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみで光路差関数を表示したことに相当する。
以上のＨＯＥに関する説明は、すべてＨＯＥ原点を基準とするローカル座標に対するものである。
【００６７】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。
0004727025.tif 000008
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例及び参考例を図面を用いて説明する。なお、各実施例及び各参考例においては、例えば図２に示すように、軸上主光線を、射出瞳４の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から第１の光学部材２、第２の光学部材３、ＬＣＤなどの画像表示素子１の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線が第１の光学部材２の入射面と交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、紙面と平行な軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳４の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線が射出瞳３から画像表示素子１に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子１に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【００６９】
本発明の参考例においてプリズムが設けられている場合には、プリズムはこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、プリズムに設けられる各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００７０】
偏心面については、対応する座標系の原点から、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、上記式(11)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の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。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して半時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣用法によって与えるものとする。
【００７１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記式(11)により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７２】
また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(19)により定義する。その定義式(19)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表わされる。
【００７３】
0004727025.tif 000009
なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。ただし、Ｄm（ｍは２以上の整数）は係数である。
【００７４】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次式(20)により定義することもできる。その定義式(20)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m                             ……(20)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００７５】
また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式(20)により定義する場合は、その対称面により生ずる対称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよい。
【００７６】
ここで、例としてｋ＝７（７次項）で、Ｘ方向に対称な面対称自由曲面を上記定義式(20)を展開した形で表わすと次式(21)となる。
0004727025.tif 000010
【００７７】
本発明において使用可能なその他の面の表現例として、上記定義式(20)（Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m）を(21)式と同様、Ｘ方向に対称な面で、ｋ＝７とした面を表わす場合、次式(22)のように展開することもできる。
【００７８】
0004727025.tif 000011
【００７９】
また、回転対称非球面の形状は次式(23)により定義する。その定義式(23)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
0004727025.tif 000012
ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10は非球面係数である。
【００８０】
なお、本発明の実施例では、上記(11)式を用いた自由曲面で面形状が表現されるが、上記(19)式、(20)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００８１】
【実施例】
第１実施例
図２は、本発明による画像表示装置の第１実施例の要部概略構成図である。図２中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は薄板状の第１の光学部材、２1は第１の光学部材２の反射面、３は薄板状の第２の光学部材、３1は第２の光学部材３の反射面、４は射出瞳、５は画像表示素子１の前に置いたフレア絞りである。
【００８２】
本実施例では、光学部材２および３により、正の屈折力を有する非共軸（偏心）系の観察光学系が構成されている。観察光学系では画像表示素子１から射出された光束を光学部材２の反射面２1で反射させて、光学部材３に導き、光学部材３の反射面３1で反射した光束を再び光学部材２に導き、光学部材２で透過させている。
光学部材３は、反射面３1が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状、いわゆる自由曲面にて構成されており、これにより諸収差を良好に補正し、かつ、コンパクト化を実現している。
【００８３】
また、第１の光学部材２はリップマン型の体積ホログラム、第２の光学部材３は自由曲面レンズでそれぞれ構成されている。また、第１の光学部材２と第２の光学部材３との間は、ガラスやプラスチックなどで充填しないで、気体で満たしており、これにより観察光学系の軽量化を達成している。なお、本実施例では、観察光学系の反射面として回折素子（リップマン型の体積ホログラム）や自由曲面（自由曲面レンズ）を用いているが、これらのみならず非球面やトーリック面、偏向板等を反射面に用いてもよい。また、本実施例では、画像表示素子１は、画素ピッチＰが０．０１２mm（＝１２μm）、距離ＺＤが１５mm、瞳径ＰＤが４．５mmとなっている。
【００８４】
第２実施例
図３は、本発明による画像表示装置の第２実施例の要部概略構成図である。図３中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は薄板状の第１の光学部材、３は薄板状の第２の光学部材、４は射出瞳、５は画像表示装置の前に置いたフレア絞りである。
【００８５】
本実施例では、光学部材２および３により、正の屈折力を有する非共軸（偏心）系の観察光学系が構成されている。観察光学系では画像表示素子１から射出された光束を光学部材２の反射面２1で反射させて、光学部材３に導き、光学部材３の反射面３1で反射した光束を再び光学部材２に導き、光学部材２で透過させている。
光学部材３は、反射面３1が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されており、これにより諸収差を良好に補正してコンパクト化を実現している。また、本実施例では、図２の実施例とは異なり、光学部材２と光学部材３とが一体的に成形されている。ただし、光学部材２と光学部材３とは、別体で成形されていてもよい。
なお、本実施例では、第１の光学部材２はリップマン型の体積ホログラム、第２の光学部材３は自由曲面レンズでそれぞれ構成されている。
【００８６】
また、第１の光学部材と第２の光学部材との間をガラスやプラスチックなどで充填しないで、気体で満たすことで、軽量化を達成している。なお、気体で満たした部分へのごみの侵入を防止するために、開口部分に透明な光学部材でふたをしてもよい。なお、本実施例においても、図２の実施例と同様に、観察光学系の反射面として回折素子（リップマン型の体積ホログラム）や自由曲面（自由曲面レンズ）を用いているが、これらのみならず非球面やトーリック面、偏向板等を反射面に用いてもよい。また、本実施例では、画像表示素子１は、画素ピッチＰが０．０１０mm（＝１０μm）、距離ＺＤが２０mm、瞳径ＰＤが４．５mmとなっている。
【００８７】
第３実施例
図４は、本発明による画像表示装置の第３実施例の要部概略構成図である。図４中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は薄板状の第１の光学部材、３は薄板状の第２の光学部材、４は射出瞳、５は画像表示装置の前に置いたフレア絞りである。
【００８８】
本実施例では、光学部材２および３により、正の屈折力を有する非共紬（偏心）系の観察光学系が構成されている。観察光学系では画像表示素子１から射出された光束を光学部材２の反射面２1で反射させて、光学部材３に導き、光学部材３の反射面３1で反射させて、再び光学部材２に導き、光学部材２の反射面２1で反射させた後に、再び光学部材３に導き、光学部材３を透過させている。
光学部材２は、反射面が光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されており、これにより諸収差を良好に補正してコンパクト化を実現している。
【００８９】
また、光学部材２と光学部材３とは、一体的に成形されている。ただし、光学部材２と光学部材３は別体で成形されていてもよい。
なお、第１の光学部材はリップマン型の体積ホログラム、第２の光学部材は自由曲面レンズでそれぞれ構成されている。
【００９０】
また、第１の光学部材と第２の光学部材との間をガラスやプラスチックなどで充填しないで、気体で満たすことで、軽量化を達成している。なお、気体で満たした部分へのごみの侵入を防止するために、開口部分に透明な光学部材でふたをしてもよい。なお、本実施例においても、図２の実施例と同様に、観察光学系の反射面として回折素子（リップマン型の体積ホログラム）や自由曲面（自由曲面レンズ）を用いているが、これらのみならず非球面やトーリック面、偏向板等を反射面に用いてもよい。また、本実施例では、画像表示素子１は、画素ピッチＰが０．００８mm（＝８μm）、距離ＺＤが１０mm、瞳径ＰＤが３．５mmとなっている。
【００９１】
第１参考例
第１参考例として、ＨＯＥを用いた場合に発生する不要次数項のフレアを低減した例を示す。図５(a)，(b)は、本発明の第１参考例の画像表示装置を説明するための要部概略構成図である。図５(a)中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は薄板状の第１の光学部材、３は薄板状の第２の光学部材、４は射出瞳、６は太陽や電灯などの輝点、７は輝点から射出された光束である。図５(a)では光学部材３に体積型ホログラム（ＨＯＥ）を用いており、太陽や電灯などの輝点６からの光束７がＨＯＥ３で回折され目に導かれてフレアが発生している様子を表わしている。また、図５(b)は本発明の第１参考例の画像表示装置の概略構成図であり、条件式(2)を満足する光学部材８を用いて、輝点６からの光束７を実用上問題のないレベルまで遮光し、フレアの発生を抑えている。特に、射出瞳４と光学部材８との間に回折素子３が位置するように光学部材８を備えたことで、回折素子３によるフレアの発生を防止している。
【００９２】
第２参考例
図６は、本発明の第２参考例の画像表示装置の要部概略構成図である。第２参考例は、第１参考例の変形例を表わすものである。図６中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、９はプリズム部材である。プリズム部材９は第１の反射面９1と第２の反射面９2を有している。また、４は射出瞳である。また、プリズム部材９の第２の反射面９2は、体積型ホログラム（ＨＯＥ）を用いて構成されており、太陽や電灯などの輝点６からの光束７がＨＯＥで回折され目に導かれてフレアが発生するのを、条件式(2)を満足する光学部材８を用いることで、輝点６からの光束７を実用上問題のないレベルまで遮光し、フレアの発生を抑えている。本参考例では、特に、射出瞳４と光学部材８との間に回折素子が位置するように光学部材８を配置していることで、回折素子によるフレアの発生を防止している。
【００９３】
第３参考例
図７は本発明の第３参考例の画像表示装置を示す図であり、(a)は光学部材の概略構成を示す要部断面図、(b)は画像表示装置の外形を示す斜視図、(c)は光軸調整を行なう場合の説明図である。図７中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は正の屈折力のプリズム部材１つで構成された、観察光学系の第１群、３は正の屈折力を有する体積型ホログラム（ＨＯＥ）で構成された、観察光学系の第２群、４は射出瞳である。また、Ｐ'、Ｐ"は光軸調整の際に用いる第１及び第２のピンホールである。また、１０は観察光学系の第１群を保持する枠部材、１１は観察光学系の第２群を保持する枠部材であり、枠部材１０と枠部材１１は、符号１２で示す細長状の枠部材１２に保持されている。また枠部材１０は枠部材１２に対して可動に構成されており、枠部材１０を動かすことで第１群と第２群との光軸調整を行うことができるようになっている。
【００９４】
また、画像表示素子１と第１群と第２群の光軸中心を一致させる際に、ピンホールＰ’を第１群の射出面側に第１群の光軸と一致するように配置すると共に、ピンホールＰ”を第２群の射出面側に第２群の光軸と一致するように配置し、画像表示素子１の中心部を光らせて点光源とし、該点光源がピンホールＰ’、ピンホールＰ”を通して観察可能となるように、第１群を含む枠部材１０の位置を調整することで、光軸調整を行うことがきでるようになっている。
なお、光軸調整後は、枠部材１０を接着により、固定することが望ましい。
【００９５】
また、本参考例によれば、図７(c)に示すように、光軸調整を行う場合には、撮像レンズ１３、ＣＣＤなどの撮像素子１４を含む撮像光学系を射出瞳側に配置し、ＬＣＤの画像を見ながら光軸調整するようにすることができる。
【００９６】
第４参考例
図８は、本発明の第４参考例の画像表示装置を示す要部概略構成図である。図８中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は正の屈折力を有する１つのプリズム部材で構成された、観察光学系の第１群、３は正の屈折力を有するＨＯＥで構成された、観察光学系の第２群、４は射出瞳である。また、１２は観察光学系の第１群を保持する枠部材、１１は観察光学系の第２群を保持する枠部村である。また、本参考例の観察光学系は、図中符号１５で表わす位置で一回結像させることで、小型化を達成している。また、図中のＺＤＤは一次結像面から第２群までの距離であり、ごみによるフレア等を防止するために条件式(3)を満足している。また、第１群２と第２群３との間にフレア絞り５を配置し、フレアを防止している。また、画像表示素子１と射出瞳４との間に画像表素子１からの漏れ光を遮光する作用を有する部材１６が配置されている。
【００９７】
第１群をなすプリズム部材２は、画像表示素子１から射出された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されている。
【００９８】
第５参考例
第５参考例として、小型の画像表示装置を達成した例を示す。図９は、本発明の第５参考例の画像表示装置の要部概略構成図である。図９中、１はＬＣＤなどの画像表示素子、２は観察光学系の正の屈折力を持つ第１群、３は観察光学系の第２群、４は射出瞳である。本参考例では、第１群および第２群により正の屈折力を有する非共軸（偏心）系の観察光学系が構成されている。第１群２はプリズム部材で構成され、画像表示素子１から射出された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、前記光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、前記少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されている。また、第１群２は小型化を達成するためにプリズム部材内で３回反射するように形成されている。また、第２群３はＨＯＥで構成され、第１群２で発生する色収差をキャンセルする作用を有している。
【００９９】
また、図９中、１７は観察光学系の第１群を保持する第１の鏡枠、１８は第２群を保持する第２の鏡枠である。
第１の鏡枠１７と第２の鏡枠１８は一部分で接続して一体化している。また、ＨＯＥ３は、ＨＯＥを射出して瞳に入射する光軸に対してほぼ垂直に配置されている。このため、第２の鏡枠１８を薄く構成することが可能となっている。
【０１００】
また、図９中、１９は画像表示素子に映像を出力するための制御部、２０は画像表示素子に出力する映像の記録部、２１は記録部２０のデータを制御部１９に送るための配線である。なお、配線２１の代わりに無線でデータを送受信するようにしてもよい。
【０１０１】
また、図９中、２２は本参考例の画像表示装置をメガネやサングラスに付加するためのクリップ、２３はメガネの蔓、２４はメガネのレンズ部である。クリップ２２は第１の鏡枠１７に接続しており、メガネの蔓２３に挟み込むことで第１の鏡枠１７をメガネに保持させることができるようになっている。
【０１０２】
また、図９中、２５はＬＣＤなどの画像表示素子を照明するために外部の光を取り入れる窓である。外部の光が弱い場合には、例えば鏡枠１７に内蔵された照明手段（図示省略）を用い、例えば、屋外など、外部の光が強い場所で用いる場合には、照明手段を用いなくても窓２５を介して外部の光により、ＬＣＤなどの画像表示部を照明することができるようになっている。なお、外部の光を効率良く取り込むために、窓２５をレンズやＨＯＥ素子で構成してもよい。
【０１０３】
また、図９中、２６は画像中心を表す光軸、２７は軸外の主光線である。本参考例では条件式(4)を満足することで、観察光学系の高画質化を達成し、条件式(5)を満足することで観察光学系の小型化を達成している。
【０１０４】
なお、記録部２０は携帯電話あるいは携帯情報端末で構成することも可能である。また、ＬＣＤの駆動や照明用の電気を記録部２０から供給することも可能である。
【０１０５】
第６参考例
図１０は、本発明の第６参考例の画像表示装置の要部概略構成図である。第６参考例は、第５参考例の一変形例を表わしている。第５参考例とは観察光学系の構成が異なり、特に、第２群のＨＯＥ３がＨＯＥを射出して瞳に入射する光軸に対してほぼ垂直な位置からは外れ、ＨＯＥへの入射角βと射出角β'が略等しくなるように配置されており、ＨＯＥのパワーを弱めることが可能な構成となっている。このため、本参考例によれば、ＨＯＥで発生する不要次数項のフレアの発生を抑制する効果を有している。
【０１０６】
さらに、本参考例において、次の条件式(24)を満足すれば、不要次数項のフレアの発生を抑制し、良好な結像性能を得ることが可能である。
０．５＜｜β／β'｜＜１．５                              ……(24)
【０１０７】
また、さらに望ましくは条件式(24)に加えて次の条件式(25)を満足することが望ましい。
０．８＜｜β／β’｜＜１．２                            ……(25)
【０１０８】
第７参考例
図１１は、本発明の第７参考例の画像表示装置の要部概略構成図である。第７参考例は、第５参考例の他の変形例を表わしている。第５参考例とは観察光学系の構成が異なり、特に、第２群３に正の屈折力を有する反射面３1を用いたことを特徴としている。また、第５参考例と異なり、ＨＯＥ素子を用いないことで、ＨＯＥ素子で発生する不要次数項のフレアの発生を抑制する効果を有している。また、第２群３の反射面３1を自由曲面で構成することで偏心による収差を良好に補正することができるようになっている。
【０１０９】
第８参考例
図１２は、本発明の第８参考例の画像表示装置の要部概略構成図である。第８参考例は、第７参考例の一変形例を表わしている。第７参考例とは観察光学系の構成が異なり、特に、第１群２に２回反射のプリズム光学系を用いたことを特徴としている。
【０１１０】
第９参考例
図１３は、本発明の第９参考例の画像表示装置の要部概略構成図である。第９参考例は、第７参考例の他の変形例を表わしている。第７参考例とは観察光学系の構成が異なるものであり、観察光学系を反射面２８のみで構成することで軽量化を達成している。
【０１１１】
また、本発明の参考例の観察光学系に用いるプリズムは、上記実施例及び参考例において示したタイプのものに限定されるものではなく、図１４〜図２４に示すようなプリズムを用いてもよい。なお、プリズムの構成自体の説明であるため、プリズムの向きは上記各実施例及び各参考例の図とは一致させてはいない。
【０１１２】
図１４の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が反射面として、第３面３４が入射面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１３】
図１５の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面と入射面とを兼ね備えた面として、第３面３４が第２の反射面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１４】
図１６の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として、第４面３５が第１の反射面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第３面３４で反射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１５】
図１７の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が同一面上の異なる位置に第１の反射面と第３の反射面とを備えた面として、第３面３４が第２の反射面として、第４面３５が入射面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３に備わる第１の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第３の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１６】
図１８の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第３面３４が第３の反射面として、第４面３５が第１の反射面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第２面３３に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第４の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１７】
図１９の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と、第３の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第４の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２に備わる第１の反射面で反射した後、第３面３４に備わる第２の反射面で反射し、第１面３２に備わる第３の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１８】
図２０の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第５の反射面として、第３面３４が第１の反射面と第３の反射面とを兼ね備えた面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第１面３２に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４に備わる第１の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４に備わる第３の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第４の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１１９】
図２１の場合は、プリズムＰは第１面３２と、第２面３３と、第３面３４、第４面３５とを備え、第１面３２が第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が第１の反射面として、第４面３５が入射面としてそれぞれ構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１２０】
図２２の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面としてそれぞれ構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における第１の反射面と射出面を兼ね備えた面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における入射面としてそれぞれ構成されている。
【０１２１】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第３面４３で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３に備わる第１の反射面で反射し、第２面４２で反射した後、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１２２】
図２３の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面としてそれぞれ構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面としてそれぞれ構成されている。
【０１２３】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。
【０１２４】
図２４の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面としてそれぞれ構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面としてそれぞれ構成されている。
【０１２５】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、結像面３１に結像するように構成されている。なお、図２３と図２４のプリズムとは、第２プリズムＰ２の第３面と第４面とを結ぶ光路と第１面と第２面とを結ぶ光路とが図２３では、交差しないのに対し、図２４では交差するようになっている点で構成が異なっている。
【０１２６】
次に、以上のような本発明による画像表示装置をより具体化したその他の実施形態を以下に例示する。
【０１２７】
その一例として、図２５に頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を、図２６にその断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学系を図２６に示すように接眼光学系として用いており、この接眼光学系１００と画像表示素子１からなる組を左右一対用意し、それらを眼幅距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１２８】
すなわち、画像表示装置本体１０２には、上記のような観察光学系が接眼光学系１００として用いられ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子１が配置されている。そして、画像表示装置本体１０２には、図２５に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、各画像表示装置１０２の接眼光学系１００の射出瞳と第１の光学部材２との間にはカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズのいずれを用いてもよい。また、眼鏡用レンズで構成してもよい。
【０１２９】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１０６が接続されており、観察者はこの再生装置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図２５の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、画像表示装置本体１０２の内部には映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１３０】
なお、コード１０５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１３１】
さらに、本発明による観察光学系は、接眼光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２７にその片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着（この場合は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、接眼光学系１００と画像表示素子１０１からなる組１つからなる表示装置本体１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、表示装置本体１０２を観察者の片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は図２５，２６の場合と同様であり、説明は省く。
【０１３２】
次に、本発明の参考例の観察光学系の回折素子とプリズムを配置するときの望ましい構成を図２８に示す。図中、偏心プリズムＰは、本発明の参考例の観察光学系中に含まれるプリズムである。いま、回折素子の面Ｃが、図のように四角形を形成するとき、偏心プリズムＰに配置された面対称自由曲面の対称面Ｄが、この回折素子の面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１３３】
さらに、この回折素子の面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角がそれぞれ略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、この対称面Ｄが回折素子の面Ｃを左右又は上下対称にさせる位置に一致するように構成することが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１３４】
さらに、偏心プリズムＰを構成する光学面である第１面、第２面、第３面等の中、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子６のパワーの面との関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１３５】
以上説明したように、本発明の画像表示装置は、特許請求の範囲に記載された特徴のほかに下記に示すような特徴も備えている。
【０１３６】
（１）前記観察光学系が、画像表示素子からの光束を反射させる作用を有する第１面を含む第１の光学部材と第１面からの反射光をさらに反射させる作用を有する第２の光学部材とを含み、第１の光学部材と第２の光学部材との間が気体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【０１３７】
（２）前記観察光学系の少なくとも１つの面が、回折効果によりレンズ作用を有する回折素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【０１３８】
（３）次の条件式(6)を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
０．５＜Ｐ・ＰＤ・ＺＤ≦０．９                          ……(6)
ただし、Ｐは画像表示素子の画素ピッチ(mm)、ＰＤは射出瞳の直径(mm)、ＺＤは画像表示素子の表示面から前記観察光学系における前記第１の反射面までの光軸上の距離(mm)である。
【０１３９】
（４）前記観察光学系の少なくとも１つの面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、前記曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【０１６４】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、良好な画質を維持したまま、軽量化した画像表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像表示装置の原理説明図である。
【図２】本発明の第１実施例の画像表示装置の要部断面図である。
【図３】本発明の第２実施例の画像表示装置の要部断面図である。
【図４】本発明の第３実施例の画像表示装置の要部断面図である。
【図５】(a)は本発明の第１参考例の画像表示装置を説明するための比較例を示す要部断面図、(b)は本発明の第１参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図６】本発明の第２参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図７】本発明の第３参考例の画像表示装置を示す図であり、(a)は光学部材の概略構成を示す要部断面図、(b)は画像表示装置の外形を示す斜視図、(c)は光軸調整を行なう場合の説明図である。
【図８】本発明の第４参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図９】本発明の第５参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図１０】本発明の第６参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図１１】本発明の第７参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図１２】本発明の第８参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図１３】本発明の第９参考例の画像表示装置の要部断面図である。
【図１４】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの一例を示す図である。
【図１５】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムの他の例を示す図である。
【図１６】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１７】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１８】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１９】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２０】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２１】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２２】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２３】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２４】本発明の参考例の観察光学系のプリズム部材に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２５】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２６】図２５の断面図である。
【図２７】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２８】本発明の参考例の観察光学系による第１群中にプリズムと回折素子を配置するときの望ましい構成を示す図である。
【図２９】画像表示装置における観察光学系の一構成例を示す図である。
【図３０】画像表示装置における観察光学系の他の構成例を示す図である。
【図３１】本発明における回折素子（ＨＯＥ）を定義するための原理図である。
【符号の説明】
１            画像表示素子
２            第１の光学部材
２1           反射面
３            第２の光学部材
３1  反射面
４            射出瞳
５            フレア絞り
６            輝点
７            輝点からの光束
８            光学部材
９            プリズム部材
９1           第１の反射面
９2           第２の反射面
１０          第１群を保持する枠部材
１１          第２群を保持する枠部材
１２          枠部材１０と枠部材１１を保持する枠部材
１３          撮像レンズ
１４          撮像素子
１５          観察光学系の第一次結像位置
１６          画像表素子からの漏れ光を遮光する作用を有する部材
１７          第１の鏡枠
１８          第２の鏡枠
１９          制御部
２０          映像の記録部
２１          配線
２２          クリップ
２３          眼鏡の蔓
２４          眼鏡のレンズ部
２５          窓
２６          光軸
２７          軸外主光線
２８          反射面
３１          結像面
３２，４１    第１面
３３，４２    第２面
３４，４３    第３面
３５，４４    第４面
１０２        画像表示装置（本体）
１０３        側頭フレーム
１０４        スピーカ
１０５        映像音声伝達コード
１０６        再生装置
１０７        調節部
１０８        前フレーム
Ｇ１          第１群
Ｇ２          第２群
Ｐ            偏心プリズム
Ｐ１          第１プリズム
Ｐ２          第２プリズム
Ｐ'           第１のピンホール
Ｐ"           第２のピンホール
【図１】
0004727025.tif 000013
【図２】
0004727025.tif 000014
【図３】
0004727025.tif 000015
【図４】
0004727025.tif 000016
【図５】
0004727025.tif 000017
【図６】
0004727025.tif 000018
【図７】
0004727025.tif 000019
【図８】
0004727025.tif 000020
【図９】
0004727025.tif 000021
【図１０】
0004727025.tif 000022
【図１１】
0004727025.tif 000023
【図１２】
0004727025.tif 000024
【図１３】
0004727025.tif 000025
【図１４】
0004727025.tif 000026
【図１５】
0004727025.tif 000027
【図１６】
0004727025.tif 000028
【図１７】
0004727025.tif 000029
【図１８】
0004727025.tif 000030
【図１９】
0004727025.tif 000031
【図２０】
0004727025.tif 000032
【図２１】
0004727025.tif 000033
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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