(57)【要約】【課題】広画角の観察光学系を使用する画像表示装置において、観察者との干渉を避けるとともに、融像しやすい左右の観察画像を提供する。【解決手段】本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、画像表示素子の原画像を観察者の左右の眼球に投影する観察光学系を有し、観察者が正面を向いた状態の視軸に対して、画像表示素子の中心から観察者眼球中心に至る観察光学系の軸上主光線を外側に傾け、両眼で観察される原画像の水平方向の中心位置を、各眼球に投影される表示画像の水平方向の中心位置に対し、軸上主光線の傾けた角度に応じて内側にずらしたことを特徴とする。【選択図】図２
2013025101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、前記画像表示素子の原画像を観察者の左右の眼球に投影する観察光学系を有する画像表示装置において、
前記観察者が正面を向いた状態の視軸に対して、前記画像表示素子の中心から前記観察者眼球中心に至る前記観察光学系の軸上主光線を外側に傾け、
両眼で観察される前記原画像の水平方向の中心位置を、各眼球に投影される表示画像の水平方向の中心位置に対し、軸上主光線の傾けた角度に応じて内側にずらしたことを特徴とする
画像表示装置。
【請求項２】
前記観察光学系を、眼球中心もしくは射出瞳中心、あるいは、その近傍を中心として回転させることで、前記軸上主光線を外側に傾け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】
以下の条件式（Ａ）を満足することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
０．９  ≦  ２Δ ｔａｎ（ω／２）／Ｈ ｔａｎα  ≦  ３．０    ・・・（Ａ）
ただし、
Ｈ：前記画像表示素子の表示面の水平方向の長さ
ω：観察画角
α：前記観察者視軸に対して前記観察光学系の軸上主光線を外側に傾ける角度
Δ：前記画像表示素子に表示する原画像の水平方向の中心位置を画面の内側にずらす距離、である。
【請求項４】
前記観察光学系は、画像表示素子の原画像の中間像を形成するとリレー光学系と、前記中間像を観察者眼球に投影する接眼光学系の組み合わせによって構成されていることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記観察光学系を構成する光学面の少なくとも１面は、前記軸上主光線に対して偏心して配備されたことを特徴とする
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記観察光学系を構成する光学面の少なくとも１面は、回転非対称面によって構成され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示素子に表示される原画像を観察光学系で観察者眼球に拡大投影する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型画像表示素子を用い、表示される原画像を観察光学系によって拡大した虚像を観察者に呈示する画像表示装置が知られている。観察光学系の持つ画角が大きいほど観察者には大きな画面を呈示することができるため、高い臨場感を提供することを目的とする場合には、観察画角はできるだけ広いことが望まれる。
【０００３】
このような場合、表示素子の画像をリレー光学系によって一度中間像を形成し、それを接眼光学系で拡大して眼球に投影するタイプの観察光学系が好適と考えられる。例えば、特許文献１、特許文献２には、光路中に中間結像を形成する光学系が開示されている。
【０００４】
また、観察者の左右の眼に対してそれぞれ１つの画像表示素子と観察光学系を用いている場合には、その装置の特性を生かして、左右眼に視差のついた別々の画像を表示することで比較的容易に立体視を観察することが可能である。例えば、特許文献３には視差画像を呈示して観察する画像表示装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１６６２１１号公報
【特許文献２】特開２００１−２５５４８９号公報
【特許文献３】特開平８−１６０３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、画像表示装置の観察光学系が広画角の場合においても、観察光学系自体或いは観察光学系によって形成される光束が観察者の顔面や鼻部と干渉することなく利用できる画像表示装置を提供するところにある。さらに、両眼観察時において、左右の観察画像が融像しやすい画像表示装置を提供するところにある。
【０００７】
特許文献１、特許文献２は、観察像を表示する２次元画像表示素子と、２次元画像表示素子の実像を空中に投影するリレー光学系と、その実像を空中に拡大投影すると共に光軸を反射屈曲させる接眼鏡とを具備した視覚表示装置であるが、観察画角を広くした場合、観察者の顔面や鼻部に光線が干渉し、観察画像の一部が眼球に到達できず、観察画像の一部が見えなくなる。或いは、観察光学系の一部である凹面鏡またはプリズムが観察者の顔面や鼻部に干渉してしまう恐れがある。
【０００８】
特許文献３には、視差を有する複数枚の入力画像に基づいて画像表示手段の上に右眼用及び左眼用の表示画像を表示し、該表示画像によって形成した複数の観察映像を観察者の両眼が視認し、該観察者に立体像を認識させる画像表示装置において、該観察者の右眼に提示する右眼用の観察映像の垂直方向の中心線と観察者の左眼に提示する左眼用の観察映像の垂直方向の中心線との間に、０゜より大きく、３゜以下の範囲の逆ハの字型の相対的な傾きを与えるものである。この画像表示装置では、左右眼の観察映像を逆ハの字に呈示させるため、少なくとも左右どちらかの観察画像は水平でない状態で観察されるため、観察者に対して不安感を与えてしまう恐れがある。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は画像表示装置の観察光学系が広画角の場合に、観察者視軸に対して観察光学系の軸上主光線を外側に傾けることで、観察光学系或いは観察光学系の光束が観察者の顔面や鼻部と干渉することなく利用でき、さらに、観察者の両眼で観察する場合に、左右の観察画像が融像しやすい画像表示装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのため、本発明に係る画像表示装置は、
画像表示素子と、前記画像表示素子の原画像を観察者の左右の眼球に投影する観察光学系を有する画像表示装置において、
前記観察者が正面を向いた状態の視軸に対して、前記画像表示素子の中心から前記観察者眼球中心に至る前記観察光学系の軸上主光線を外側に傾け、
両眼球で観察される前記原画像の水平方向の中心位置を、各眼球で観察される表示画像の水平方向の中心位置に対し、軸上主光線の傾けた角度に応じて内側にずらしたことを特徴とする。
【００１１】
リレー光学系によって画像表示素子の画像の１次像を形成し、その１次像を接眼光学系によって観察者眼球に虚像を投影する観察光学系であり、投影する画角が大きい場合には、観察者の鼻と投影する光束が干渉することがある。このような場合には、上記の構成の観察光学系とすることで、観察者の内側（鼻側）の画角は、光学系を傾けた角度分実効的に内側画角が小さくなるため、鼻との干渉を避けることができる。
【００１２】
さらに、両眼で１つの画像を観察するまたは、左右眼で視差画像を観察する２眼式画像表示装置の場合には、単眼での水平画角をω、外側に傾けた角度をαとすると、両眼で観察する画角は、ω＋２αとなり、単眼水平画角よりも大きな画角で画像を呈示することになる。一方、両眼で観察する領域である融像領域はω−αとなり、制限を受けることになる。
【００１３】
以下に本発明の原理を詳しく説明する。
図１に画像表示装置の観察光学系と観察者顔面との関係を示すために観察者の両眼に観察光学系を配備した場合を示している。なお、図１並びに以後に示す図において、観察者１の顔面輪郭について、観察斜眼球２付近におけるＹ−Ｚ平面での断面を実線で、鼻頂付近でのＹ−Ｚ平面での断面を破線で示している。
【００１４】
観察者１の右眼２ａの前方には、右眼用観察光学系３ａが配備されている。観察光学系３ａの後側焦点位置近傍に画像表示素子５ａが設置されているため、観察者には、画像表示素子５ａに表示された原画像が拡大投影された虚像として認識される。
【００１５】
左右各観察光学系３ａ、３ｂの水平画角は８０度である。このように広い水平画角の映像を観察者１の両眼に提供する場合、内側、すなわち、観察者１に対して近い方の光束が観察者の鼻１１と干渉することとなり、内側の画像は遮蔽された画像を観察することになる。また、左右の接眼光学系３０ａ、３０ｂが互いに干渉、あるいは、観察者１の鼻に干渉するため、物理的な配置についても困難になってしまう。
【００１６】
図２は、本発明の実施形態に係る画像表示装置を示した図であって、図１の観察光学系３ａ、３ｂを１０度、外側に回転させた場合の観察者１の顔面と観察光学系３の関係が示されている。図１では観察者の鼻と干渉していた光束が、観察光学系３を外側に傾けたことで、鼻１１との干渉が解消されている。
【００１７】
図３は、画像表示装置の回転について説明する図である。本実施形態では、左右の各画像表示装置について、接眼光学系３０ａ、リレー光学系４０ａ、画像表示素子５ａを組として、その相対位置関係を変えることなく、観察者視軸に対して観察光学系３の光軸（軸上主光線）１０２を外側に回転させ、さらに、画像表示素子５に表示する原画像を上記回転した角度に相当する画像の分だけ水平にずらし、観察者視軸に対応する原画像の位置を画像中心にし、内側画像は融像領域とし、その外側画像を単眼観察領域としている。
【００１８】
本発明の光学装置によれば、観察者１の眼前に配備される接眼光学系３０と観察者の顔面の干渉、あるいは観察者１の顔面（の鼻)による光束の干渉を解消することができ、画
面周辺まで遮蔽のないクリアな画像を観察することができ、さらに、単眼の画角よりも広い画角の観察画面を両眼で観察することが可能となる。
【００１９】
さらに本発明に係る画像表示装置は、前記観察光学系を、眼球中心もしくは射出瞳中心、あるいは、その近傍を中心として回転させることで、前記軸上主光線を外側に傾けることを特徴とする。
【００２０】
図２の実施形態では、射出瞳２１ａ、２１ｂの中心位置を回転中心として、左右それぞれ外側に開くように回転させている。このような場合、観察者が正面を向いたときに観察しやすい画像を提供することが可能となる。なお、回転中心は、射出瞳２１のみならず、観察者１の眼球２ａ、２ｂの回旋中心を中心としてもよい。その場合、観察者が正面とは異なる方向を眼を向けたときにも、観察しやすい画像を提供することができる。さらに、観察者１の正面、あるいは、正面とは異なる方向に眼を向けたとき、どちらの場合にも観察しやすいよう折衷することも可能である。この場合、射出瞳２１と観察者眼球２の回旋中心の近傍が回転中心として設定されることとなる。
【００２１】
そして、両眼で観察される原画像の水平方向の中心位置を、各眼球に投影される表示画像の水平方向の中心位置に対し、軸上主光線の傾けた角度に応じて内側にずらすことが両眼観察における融像領域を確保する上で重要となる。観察光学系は、固定式であっても回転可能であってもよい。回転可能とした場合、回転量を検出する検出部を設け、検出された回転量に応じて、内側にずらす量が変更されることとなる。
【００２２】
さらに本発明に係る画像表示装置は、
以下の条件式（Ａ）を満足することを特徴とする。
０．９  ≦  ２Δｔａｎ（ω／２）／Ｈ  ｔａｎα  ≦  ３．０    ・・・（Ａ）
ただし、
Ｈ：前記画像表示素子の表示面の水平方向の長さ
ω：観察画角
α：前記観察者視軸に対して前記観察光学系の軸上主光線を外側に傾ける角度
Δ：前記画像表示素子に表示する原画像の水平方向の中心位置を画面の内側にずらす距離、である。
【００２３】
以下に、上記の条件をとる理由について説明する。
図４に左眼２ｂ、右眼２ａと、観察光学系３ａ、３ｂで左右の眼球投影される様子を模式的に示す。両眼の水平観察画角はそれぞれω度とする。表示画面の中心から観察者眼球中心へ至る光線を軸上主光線とする。この図の場合、観察者視軸と軸上主光線は一致した関係にある。
【００２４】
図５には、図４の左右眼用の観察光学系の軸上主光線をそれぞれ外側にα度傾け、それに合わせて表示素子を傾けて配備された場合の模式図が、図６には、図５の状態で両眼観察した場合に、両眼に投影される画角を説明するための模式図が示されている。どちらの
図において観察者視軸が一点鎖線で、軸上主光線が破線で示されている。
【００２５】
図６において、両眼で観察する場合の水平画角をη、融像領域の水平画角をξ、単眼観察領域の水平画角をそれぞれεとする。図５、図６を用いて上述したそれぞれの画角を考える。図５に示すように、単眼のみの場合、外側の画角はω／２＋α、内側の画角はω／２−αである。したがって、両眼で観察する水平画角η＝ω＋２α、両眼の融像領域の水平画角ξ＝ω−２α、画像の左右両端はそれぞれ左眼と右眼の単眼観察領域となり、単眼観察領域ε＝２αとなる。
【００２６】
つまり、単眼で呈示する画角に比べて、光学系が傾いた角度αの２倍、２αだけ画角が広がって観察されることになる。
【００２７】
このような観察画面を観察する場合には、単眼で表示する画面の中心を内側に、画像を水平にずらして表示することで、両眼の画面を安定して観察することが可能となる。
【００２８】
以下に、表示する画像をずらす方法について説明する。
図７は、図６の状態で両眼で観察する場合の両眼観察像を模式的に示している。原画像である左画像と右画像は左右の眼で同時に観察することで、両眼画像のように、中心部は両眼で同じ画像を観察する融像領域と、左単眼領域、右単眼領域に分かれて認識される。その場合の両眼観察している画面の様子を図８に示す。左右の表示画像がわかりやすいように、上下に若干ずらして図示しているが、実際には、上下のずれはない。両眼の観察画像の中心が観察画像全体の１/２になっており、単眼画像の中心軸とはずれている。
【００２９】
ここで、図８の右眼表示画像のみを抽出したものを図９に示す。表示画面の中心軸と、全体画面の中心軸のずれ量をΔとする。また、上述しているが、水平画角ω、軸上主光線の傾斜角α、表示素子の水平方向の長さＨとして計算する。観察光学系の焦点距離をｆとすると、観察光学系の幾何関係から、
Δ＝ｆ ｔａｎα    ・・・（１）
とあらわされる。また、同様に焦点距離ｆは
ｆ  ＝Ｈ／２ｔａｎ（ω／２）    ・・・（２）
であり、（２）式を（１）式に代入すると
Δ＝Ｈ ｔａｎα／２ｔａｎ（ω／２）    ・・・（３）
となる。Δを（３）式で定義される値にすることで、左右の軸上主光線を一致させることができるが、実際の装置においては必ずしも一致させなくともよい。
【００３０】
式（３）を変形して、
２Δ ｔａｎ（ω／２）／Ｈ ｔａｎα＝１    ・・・（４）
とすると、（４）式の左辺をパラメータとして、以下の条件式（Ａ）を満たすことで、両眼で観察する場合に安定した画像を提示することが可能となる。
【００３１】
左右の観察光学系３は、光学系とそれを支持し、観察者の眼球の瞳孔位置、または眼球回旋中心に対して、光学系の射出瞳位置を略一致させることで、原画像を観察者眼球に投影することが可能になるが、観察者の頭部形状、眼球位置、眼福距離、視軸などは個人差があるため、光学系との配置は一義的には決まらない。
【００３２】
また、両眼で観察する場合には、観察者の両眼の視軸のなす角度である輻輳角を設けることがあり、上式（４）の値を１より大きくすることにより実現することができる。特に左右眼に視差画像を呈示することで立体視を観察する場合には、観察画像の視差量に対応した輻輳角を持たせることで、自然な立体視が可能になる。
【００３３】
このような考察を（４）式にあてはめると、以下のような条件式を満足することが重要となる。
０．９  ≦  ２Δ ｔａｎ（ω／２）／Ｈ ｔａｎα  ≦  ３．０    ・・・（Ａ）
【００３４】
（Ａ）式の下限０．９を超えて小さくなると、両眼の視軸が開散するため、左右眼の画像を融像して観察することが困難になる。一方（Ａ）式の上限３．０を超えて大きくなると、左右眼の視軸のなす角度が大きくなるため、画像を融像して見るためには眼球を内側に寄せて緊張して観察するため、観察者に疲労感を与えることになる。
【００３５】
このように条件式（Ａ）を満足することで、両眼観察時に融像しやすい観察画面を提供することが可能となる。
【００３６】
さらに本発明に係る画像表示装置において、前記観察光学系３は、画像表示素子５の原画像の中間像を形成するとリレー光学系４０と、前記中間像を観察者眼球に投影する接眼光学系３０の組み合わせによって構成されていることを特徴とする。
【００３７】
原画像を表示する画像表示素子５の原画像を接眼光学系３０により虚像として観察者眼球に投影する場合、原画像を表示する画像表示素子を大きくせずに、広画角を達成するためには、画像表示素子５の画像を拡大した中間像（１次像）をリレー光学系４０で形成、その中間像を接眼光学系３０によって眼球に投影することにより広画角な観察光学系３となる。
【００３８】
このような構成を採用することで、小型でありながら広画角な観察光学系３を実現し、大きな観察画面を提供することが可能となる。
【００３９】
さらに本発明に係る画像表示装置において、前記観察光学系を構成する光学面の少なくとも１面は前記軸上主光線に対して偏心して配備されたことを特徴とする。
【００４０】
光学系を説明するにあたり、観察者眼球２から画像表示素子５に向かう逆光線追跡によって説明する。例えば、接眼光学系３０を凹面鏡で構成する場合には、観察者視軸と凹面鏡の中心軸をずらすことにより、ある画角を持って凹面鏡にて反射した光は１方向に反射されるようにでき、その後のリレー光学系４０をコンパクトに構成することが可能となる。よって、小型でありながら広画角な観察光学系３を実現し、大きな観察画面を提供することが可能となる。
【００４１】
さらに本発明に係る画像表示装置において、記観察光学系を構成する光学面の少なくとも１面は回転非対称面によって構成されていることを特徴とする。
【００４２】
偏心して配備された光学面は、軸上主光線からずれて配備されるため、偏心に伴う収差、所謂、偏心収差が発生する。その偏心収差を補正するためには、回転非対称な曲面を用いることによって良好に補正することが可能となる。このような構成を採用することで、広画角な観察光学系３を実現し、大きな観察画面を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、広画角でありながら観察者の顔面、鼻等に干渉すること無く、画像表示素子の画像を虚像として観察者眼球に投影することが可能な観察光学系であり、さらに両眼観察時において、左右の観察画像が融像しやすい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】
【００４４】
【図１】回転させる前の画像表示装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成を示す図
【図３】画像表示装置の回転について説明するための図
【図４】標準の観察光学系の状態を示す模式図
【図５】両眼の観察光学系をα度外側に傾斜させた状態を示す模式図
【図６】両眼に投影される画角を説明するための模式図
【図７】両眼による観察像を説明するための模式図
【図８】両眼で観察した観察象の状態を示す模式図
【図９】右眼画像の表示位置を説明するための模式図
【図１０】本発明の画像表示装置を装着したときの様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の画像表示装置について実施例を用いて説明する。後述する数値実施例においては、図２に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線１０２を、接眼光学系３０の射出瞳２１の中心を通り、像面（画像表示素子）５の中心に到る光線で定義している。
【００４６】
実施例においては、軸上主光線（観察者視軸）１０２の進行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００４７】
実施例では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、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。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、前記（ａ）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。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。
【００４８】
また、実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面（仮想面を含む）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００４９】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は次式（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
Ｚ＝ｃｒ2 ／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ2ｒ2 ｝］
65
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn                             ・・・（ａ）
j=2
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００５０】
球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００５１】
自由曲面項は、
66
Σ Ｃj Ｘm Ｙn
j=2
＝Ｃ1
＋Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ2 ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ2
＋Ｃ7 Ｘ3 ＋Ｃ8 Ｘ2 Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ2 ＋Ｃ10Ｙ3
＋Ｃ11Ｘ4 ＋Ｃ12Ｘ3 Ｙ＋Ｃ13Ｘ2 Ｙ2 ＋Ｃ14ＸＹ3 ＋Ｃ15Ｙ4
＋Ｃ16Ｘ5 ＋Ｃ17Ｘ4 Ｙ＋Ｃ18Ｘ3 Ｙ2 ＋Ｃ19Ｘ2 Ｙ3 ＋Ｃ20ＸＹ4
＋Ｃ21Ｙ5
＋Ｃ22Ｘ6 ＋Ｃ23Ｘ5 Ｙ＋Ｃ24Ｘ4 Ｙ2 ＋Ｃ25Ｘ3 Ｙ3 ＋Ｃ26Ｘ2 Ｙ4
＋Ｃ27ＸＹ5 ＋Ｃ28Ｙ6
＋Ｃ29Ｘ7 ＋Ｃ30Ｘ6 Ｙ＋Ｃ31Ｘ5 Ｙ2 ＋Ｃ32Ｘ4 Ｙ3 ＋Ｃ33Ｘ3 Ｙ4
＋Ｃ34Ｘ2 Ｙ5 ＋Ｃ35ＸＹ6 ＋Ｃ36Ｙ7
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００５２】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2、Ｃ5、Ｃ7、Ｃ9、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００５３】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3、Ｃ5、Ｃ8、Ｃ10、Ｃ12
、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００５４】
また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００５５】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、対称面を１面のみ有する回転非対称な面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることはいうまでもない。
【００５６】
また、非球面は、以下の定義式（ｂ）で与えられる回転対称非球面である。
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。
【００５７】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は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。
【００５８】
実施例の光軸を含むＹ−Ｚ断面図を図２に示す。この実施例は、光軸を含むＹ−Ｚ断面
図を観察者の頭部断面の両眼に対して視軸と軸上主光線を一致させて配備した場合を図１の構成において、左右それぞれのリレー光学系４０、接眼光学系３０からなる観察光学系と、画像表示素子３の組について、観察者視軸に対して軸上主光線が１０度外側に傾くように配備している。なお、本実施形態では、リレー光学系４０、接眼光学系３０からなる観察光学系と、画像表示素子３の組は、射出瞳２１の中心を回転中心として外側に回転させることとしているが、回転中心は、射出瞳２１の中心近傍、あるいは、観察者眼球２の回旋中心あるいは、その近傍に設定してもよい。
【００５９】
実施例の画像表示装置は、図２に示すように、リレー光学系４０と接眼光学系３０とからなり、リレー光学系４０は３つの光学面４１〜４３からなり、その３つの面４１〜４３で囲まれた空間を屈折率が１より大きい透明媒質で満たされている。また、接眼光学系３０は凹面透過面３１と凹面反射面３２とからなる裏面鏡である。
【００６０】
リレー光学系４０は、第１面４１と、第１面４１から入射した光束を反射させる第２面４２と、第２面４２から反射された光束を反射させる第１面４１と、第１面４１から反射された光束を射出する第３面４３を備え、第１面４１から第３面４３への光路中においてプリズム内で交差しないような光学面を有する自由曲面プリズムを用いており、これら第１面４１〜第３面４３に面対称自由曲面を用いられている。
【００６１】
観察者瞳位置である射出瞳から画像表示素子に至る逆光線追跡で光路を説明する。射出瞳１を通る軸上主光線２は、接眼光学系の裏面鏡５の入射面である凹面透過面２１から入射して、凹面反射面２２で反射され、再び凹面透過面２１にて透過され、次に自由曲面プリズム４の透過面である第３面２３に入射して自由曲面プリズム４内に入り、内部反射面として作用する第１面１３で反射され、次に反射面の第２面１２で反射され、その反射光線は透過作用を有する領域の第１面１１を透過して自由曲面プリズム４から射出して、像面の位置に配置された画像表示素子３の表示面に到達して結像する。ここで、第１面２１は、第３面２３から入射した光線に対しては、第１面２１に対する入射角が臨界角以上の場合、その領域では全反射を起こして反射する。第１面２１に対する入射角が臨界角より小さい場合には、その領域にはアルミニウムなどの反射膜をコーティングされる。また、この反射コーティングする領域は、画像表示素子３へ射出する領域と重ならないようにすることが肝要となる。
【００６２】
この実施例の場合は、自由曲面プリズム４中の第３面２３と裏面鏡５の射出面５２の間に湾曲した中間像面６が形成されている。実際には画像表示素子３から射出された表示光は上記の光路を逆に辿り、射出瞳１の位置に瞳が位置する観察者の眼球内に拡大投影される。この実施例の凹面鏡８は回転対称非球面形状が２面で構成された曲面鏡であり、水平画角７５度、垂直画角６０度、全光学系の焦点距離は１０ｍｍ、瞳径はφ１０．０ｍｍである。
【００６３】
図２の実施例の配置で両眼観察時の各画角を上述した方法で計算すると、両眼で観察する水平画角η＝７５＋２０＝９５度、両眼の融像領域の水平画角ξ＝７５−２０＝５５度、画像の左右両端はそれぞれ左眼と右眼の単眼観察領域となり、単眼観察領域ε＝２０度となる。
【００６４】
また、条件式（Ａ）を以下のように設定している。
Ｈ＝１５．４ｍｍ、α＝１０度とすると、条件式  ２Δｔａｎ（ω／２）／Ｈ  ｔａｎαはΔ＝１．６ｍｍから５．３ｍｍｍの範囲で移動させることで、条件式（Ａ）を満たしたものとなっており、両眼観察がしやすい画像表示装置となる。
【００６５】
以下に上記実施例についての数値実施例を示す。これら数値実施例において“ＦＦＳ”
は自由曲面を示す。なお、記号“ｅ”は、それに続く数値が１０を底にもつ、べき指数であることを示している。例えば「１．０ｅ-005」は「１．０×１０-5」であることを意味している。
【００６６】
（実施例）
面番号        曲率半径      面間隔      偏心      屈折率  アッベ数
物体面        ∞            -1000.00
1          ∞（ダミー面）
2          ∞（絞り面）
3          非球面[1]                 偏心(1)   1.5254    56.2
4          非球面[2]                 偏心(2)   1.5254    56.2
5          非球面[1]                 偏心(1)
6          FFS[1]                    偏心(3)   1.5254    56.2
7          FFS[2]                    偏心(4)   1.5254    56.2
8          FFS[3]                    偏心(5)   1.5254    56.2
9          FFS[2]                    偏心(4)
像  面        ∞                        偏心(6)
非球面[1]
曲率半径   1001.72
k  -8.9463
a  -2.8719e-007    b   1.1477e-011    c  -2.5182e-015
d   1.3967e-019
非球面[2]
曲率半径   -101.98
k  -1.0053
a  -7.6692e-008    b  -2.6006e-012    c   7.7137e-016
FFS[1]
Ｃ4   -8.1912e-004    Ｃ6   -2.4574e-002    Ｃ8   -1.0985e-003
Ｃ10   6.2016e-004    Ｃ11   1.8828e-005    Ｃ13   3.8065e-005
Ｃ15  -4.1559e-005    Ｃ17  -4.5723e-006    Ｃ19  -1.8374e-006
Ｃ21   1.8014e-006    Ｃ22  -5.2576e-009    Ｃ24   2.5927e-007
Ｃ26   6.4070e-008    Ｃ28  -3.1023e-008
FFS[2]
Ｃ4   -8.0395e-003    Ｃ6   -5.0653e-003    Ｃ8   -1.6821e-004
Ｃ10   1.0889e-004    Ｃ11  -5.5993e-006    Ｃ13  -9.2824e-007
Ｃ15  -5.8464e-006    Ｃ17  -3.4199e-007    Ｃ19  -1.8962e-007
Ｃ21   1.6875e-007    Ｃ22  -1.3475e-008    Ｃ24   2.8715e-008
Ｃ26   3.8422e-009    Ｃ28  -3.4084e-009
FFS[3]
Ｃ4   -1.1814e-002    Ｃ6   -1.1386e-002    Ｃ8   -7.9670e-005
Ｃ10  -8.3894e-005    Ｃ11  -1.2008e-006    Ｃ13  -3.2577e-006
Ｃ15  -2.8915e-006    Ｃ17  -3.9496e-009    Ｃ19  -4.7920e-008
Ｃ21  -4.2985e-008    Ｃ22  -5.0941e-010    Ｃ24  -4.3484e-010
Ｃ26  -1.1172e-009    Ｃ28  -5.9436e-010
偏心[1]
Ｘ    0.00  Ｙ   25.65  Ｚ   29.99
α   12.72  β    0.00  γ    0.00
偏心[2]
Ｘ    0.00  Ｙ  -35.64  Ｚ   61.97
α   -0.83  β    0.00  γ    0.00
偏心[3]
Ｘ    0.00  Ｙ  -69.40  Ｚ   -5.09
α   33.35  β    0.00  γ    0.00
偏心[4]
Ｘ    0.00  Ｙ  -81.36  Ｚ  -20.59
α   94.00  β    0.00  γ    0.00
偏心[5]
Ｘ    0.00  Ｙ  -74.64  Ｚ  -59.13
α  142.96  β    0.00  γ    0.00
偏心[6]
Ｘ    0.00  Ｙ  -98.88  Ｚ  -37.24
α  110.54  β    0.00  γ    0.00
【００６７】
以上、説明したような画像表示装置を観察者に装着することで、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型の画像表示装置として構成することができる。
【００６８】
図１０には、観察者が画像表示装置を装着した場合の様子が示されている。図中、６１Ｒ、６１Ｌは左右の表示装置本体部であって、各表示装置本体部には、前述の画像表示素子５と観察光学系が格納されている。
【００６９】
左右に配置される各表示装置本体部６１の支持部材としては、一端を表示装置本体部６１に接合し、観察者の側頭部を渡るように延在する前フレーム６２、後フレーム６３と、後フレーム６３の他端に挟まれるように自らの両端を一方ずつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム６４とから構成されている。両眼前方に保持される表示装置本体部６１Ｒ、６１Ｌをそれぞれ、前方フレーム６２、後フレーム６３を介して頭頂フレーム６４にて支持することで、観察者に対して固定配置している。
【００７０】
前フレーム６２における上記の後フレーム６３との接合近傍には、弾性体からなり例えば金属板バネ等で構成されたリヤプレート６５が接合されている。このリヤプレート６５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカバー６６が観察者の後頭部から首のつけねにかかる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように接合されている。リヤプレート６５又はリヤカバー６６内に観察者の耳に対応する位置にスピーカー６９が取り付けられている。
【００７１】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル７１が表示装置本体部６１から、頭頂フレーム６４、後フレーム６３、前フレーム６２、リヤプレート６５の内部を介してリヤプレート６５あるいはリヤカバー６６の後端部より外部に突出している。そして、このケーブル７１はビデオ再生装置７０に接続されている。なお、図中、７０ａはビデオ再生装置７０のスイッチやボリュウム調整部である。
【００７２】
なお、ケーブル７１は先端をジャックして、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構わない。このような２眼式画像表示装置にて、それぞれ右眼用、左眼用として作成された映像を表示させることで、観察者に立体映像を提供することが可能となる。
【００７３】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００７４】
１…観察者
２…観察者眼球
３…観察光学系
３０…接眼光学系
３１…凹面透過面
３２…凹面反射面
４０…リレー光学系（自由曲面プリズム）
４１…第１面
４２…第２面
４３…第３面
５…画像表示素子
５１…視野像
６１…本体
６２…前フレーム
６３…後フレーム
６４…頭頂フレーム
６５…リヤプレート
６６…リヤカバー
７０…ビデオ再生装置
７１…ケーブル
１０１…観察者視軸
１０２…軸上主光線
１０３…中間像面
【図１】
2013025101.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013025101.tif 000008
【図７】
2013025101.tif 000009
【図８】
2013025101.tif 000010
【図９】
2013025101.tif 000011
【図１０】
2013025101.tif 000012