(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、その画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置であって、
前記表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した前記原画からの光を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面と、原画から前記第１の面に向かう光を透過するとともに、前記第２の面から前記第１の面に戻されて再度反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の面とを有し、
前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、
この表示光学系内で前記原画の中間像を形成することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記表示光学系が、内部が光学媒質で満たされた透明体を用いて構成されており、
前記透明体内で前記原画の中間像を形成す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】
前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、入射する光線に対して偏心していることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、曲率を有することを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記第１から第３の面が、内部が光学媒質で満たされた透明体上に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第１および第３の面が、内部が光学媒質で満たされた透明体上に形成されており、前記第２の面が反射部材により構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記透明体上に形成された光学面のいずれかで光が内部全反射することを特徴とする請求項６又は７に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記第２の面に入射する中心画角主光線とその反射中心画角主光線とのなす角度θが、
｜θ｜＜３０°
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
撮像素子と、被写体からの光をその撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置であって、
前記撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した前記被写体からの光を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面と、前記被写体からの光を前記第１の面に向けて反射するとともに、前記第２の面から前記第１の面に戻されて再度反射した光を撮像面側に透過させる第３の面とを有し、
前記第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、
この撮像光学系内で前記被写体の中間像を形成することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子等に表示された原画を拡大表示させるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置に好適な表示光学系および撮像装置に好適な撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が良く知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
図１９には、従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置を示している。同装置では、表示素子１０１に表示された画像からの光束をハーフミラー１０２で反射させ、凹面鏡１０３に入射させ、凹面鏡１０３で反射した光束をハーフミラー１０２を介して観察者の眼Ｅに導びいている。表示素子１０１に表示した画像は、凹面鏡１０３によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子１０１に表示した画像の拡大虚像を観察することができる。
【０００５】
また、例えば特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−５０２５６号公報，特開平８−１６０３４０号公報および特開平８−１７９２３８号公報等においては、画像を表示する画像表示素子としてのＬＣＤ（液晶）と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００６】
図２０には、特開平７−３３３５５１号公報で提案されている画像表示装置を示している。この装置において、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、偏心プリズム１１２に形成した曲率を有した全反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これによって表示素子（ＬＣＤ）１１１に表示された画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００７】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００８】
図２０に示す光学系のタイプは、図１９に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、画像を表示する表示素子であるＬＣＤ等の高精細化が進み、従来と同程度の画素数を有しながらも従来より小型化されたＬＣＤ等が開発されている。このような小型化された画像表示素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、従来と同様の画角を達成するためには、光学系の倍率を上げる必要が生じる。
【００１０】
このような状況に鑑みて、特開平１０−１５３７４８号公報には、偏心プリズムとリレーレンズ系とを組み合わせ、リレーレンズ系により一旦中間像を形成してから表示素子に表示された画像を観察者に導く光学系が提案されている。これにより、図２０に示すタイプの薄型という特徴を有しつつ、更なる倍率向上を果たし、ＬＣＤサイズに対して広画角化を図っている。
【００１１】
また、この特開平１０−１５３７４８号公報にて提案の光学系に比べて、更なる光学性能向上を図ったものとして、偏心プリズムの内部反射面を増加させ、偏心プリズムのみで中間像を形成し、その像を観察者に導くタイプや、第１の偏心プリズム光学系に第２の偏心プリズムを設けたタイプ等が、特開２０００−０６６１０６号公報，特開２０００−１０５３３８号公報，特開２０００−１３１６１４号公報，特開２０００−１９９８５３号公報，特開２０００−２２７５５４号公報および特開２０００−２３１０６０号公報等に提案されている。
【００１２】
一般的に、一旦中間像を形成するタイプの光学系は光路長が長くなり、装置が大型化するという問題があるが、これらの各公報にて提案の光学系においても、透過作用と反射作用とを果たす兼用面を用いたり、光路を交差させたりする等の工夫により小型化を目指している。
【００１３】
本発明は、小型の表示素子を用いつつ表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で撮像広画角を達成できる撮像光学系を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明では、画像表示素子と、画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置において、表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した原画からの光を再度第１の面に向けて反射する第２の面と、原画から第１の面に向かう光を透過するとともに、第２の面から第１の面に戻されて再度反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の面とを有し、第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むと共に、表示光学系内で原画の中間像を形成するようにしている。
【００１５】
また、原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系において、少なくとも第１、第２および第３の面を持つ第１の光学系を有し、少なくとも第２および第３の面は曲面とし、光は第３の面を透過して第１の光学系に入射し、この第１光学系内で第１および第２の面で少なくとも１回ずつ反射し、第１および第２の面で計３回以上反射して第３面に戻り、第３の面で反射されて第１の面を透過し、第１の光学系から射出するようにしている。
【００１６】
これら発明では、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、小型の原画（画像表示素子に表示された画像等）を用いつつ表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することが可能となる。
【００１７】
さらに、第１の面で複数回反射した光を、最初に第１の面に入射する光と異なる方向に向ける第３の面を設けることで、この光が最初に第１の面に入射する光と干渉することを避けることが可能となる。
【００１８】
また、第３の面に透過作用と反射作用を持たせることで、光学面数を少なくすることができ、より小型化を図ることが可能となる。
【００１９】
また、表示光学系（例えば、透明体）内で原画の中間像を形成させている。すなわち、小型の原画の中間結像面を拡大して表示する中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することが可能である。
【００２０】
また、この表示光学系を構成する光学面を光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで表示光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、複数面の自由曲面採用により、原画のアスペクト比と表示画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な表示画像を得ることが可能となる。
【００２１】
なお、この表示光学系は、観察者が頭部に装着して画像を観察するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やスクリーン等の被投射面に画像を拡大投射する投射型画像表示装置（プロジェクタ）等の画像表示装置に好適である。
【００２２】
また、本願第２の発明では、撮像素子と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置において、撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面と、被写体からの光を第１の面に向けて反射するとともに、第２の面から第１の面に戻されて再度反射した光を撮像面側に透過する第３の面を有し、第１の面に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進むようにし、撮像光学系内で被写体の中間像を形成させている。
【００２３】
また、被写体からの光を撮像面に導く撮像光学系において、少なくとも第１、第２および第３の面を持つ第１の光学系を有し、少なくとも第２および第３の面は曲面であり、光は第１の面を透過して該第１の光学系に入射し、第１の光学系内で第１，第２および第３面で少なくとも１回ずつ反射し、第１および第２の面で計３回以上反射して，第３の面に戻り、第３の面を透過して第１の光学系から射出するようになっている。
【００２４】
これら発明では、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、小型でありながらも撮像広画角を達成することが可能となる。
【００２５】
また、第３の面に透過作用と反射作用を持たせることで、光学面数を少なくすることができ、より小型化を図ることが可能となる。
【００２６】
また、撮像光学系（例えば、透明体）内で被写体の中間像を形成させている。すなわち、被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することが可能である。
【００２７】
また、この撮像光学系を構成する光学面を光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで撮像光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、複数面の自由曲面採用により被写体のアスペクト比と撮影画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な撮影画像を得ることが可能となる。
【００２８】
なお、この撮像光学系は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に好適である。
【００２９】
また、第１の発明において、内部が光学媒質で満たされた透明体上に光学面を形成し、いずれかの光学面で光を内部全反射させるようにすることにより、長い光路長でも光量ロスを少なくすることが可能である。
【００３０】
また、表示光学系および撮像光学系のいずれにおいても、光を反射して折り返す面を曲面とするとよい。折り返し反射面が平面であると、反射時に周辺画像の光線の方向を個々に制御できないため、光学系が大型化してしまう。折り返し反射面が回転非対称面であると、周辺画像の光線方向を自由に制御できるため、曲面の場合よりも更に小型化可能となる。
【００３１】
ここで、折り返し反射面は反射作用のみの面であり、ほぼ１００％近く光を反射する金属ミラーコーティングをして光量ロスをできるだけ少なくすることが望ましい。
【００３２】
また、第１の発明において、第１の面で反射した中心画角主光線が第２の面で角度θをなして折り返し反射される場合、この折り返し反射面での入射中心画角主光線と反射中心画角主光線とのなす角度θは、
｜θ｜＜３０° …（１）
を満たすことが好ましい。この条件を外れると、光学系が大型化する。
【００３３】
本発明の表示光学系をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として使用する場合は、左右の目に対し、各々独立した原画（画像表示素子）と表示光学系とを設けるのがよい。
【００３４】
つまり、２つの原画（同一のもの）とそれに合わせた２つの表示光学系（同一のもの）とを有することにより、１つの原画で左右の表示光学系に光を分けるようなＨＭＤよりも明るい表示画像が得られる。
【００３５】
また、本発明の表示光学系は、左眼用も右眼用も偏心断面であるローカル母線断面を人間の顔の上下方向に配置する（上下に光線を折り畳む）のがよい。
【００３６】
通常、表示拡大像は人間の左右方向に画角が広く、上下方向に画角が狭い（左右４：上下３または１６：９ぐらいの比）ため、偏心断面であり偏心収差の発生が大きいローカル母線断面を画角の小さい上下に設定すれば、表示拡大像での偏心収差の発生を少なくでき、好ましい。
【００３７】
なお、上記光学系は、言い換えると、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成されている。即ち、第１の面で反射された光を第２の面によって第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反射することによって効果的に光路を重複させ、長い光路長を小型の光学系の中に納めることができるようにしている。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本実施形態で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。
【００３９】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。
【００４０】
本実施形態の光学系は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００４１】
中心画角主光線（表示光学系においては表示素子の画像中心から表示光学系の射出瞳中心に至る光線であり、撮像光学系においては撮像光学系の入射瞳中心を通り撮像素子の画像中心に至る光線である）と各面とのヒットポイント上で、中心画角主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。
【００４２】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である光学系（以下、第１の光学系と称す）を示している。この第１の光学系１は、３つの光学面を有して構成されており、面Ａ（第１の面），面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面であり、面Ｃ（第２の面）は反射面である。
【００４３】
面Ｃには金属蒸着などによる略１００％の反射率を持つ反射膜が形成されており、面Ａおよび面Ｂには金属蒸着または誘電体の蒸着などによる半透過反射膜が形成されている。
【００４４】
図２には、図１に示した第１の光学系１を、内部が光学媒質で満たされた透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）で構成し、画像表示装置に用いた場合の表示光学系全体の構成を示している。
【００４５】
図中、２は第２の光学系、３は画像を表示する画像表示素子（ＬＣＤ等）である。本実施形態においては、面Ｂは画像表示素子３からの光の入射面および反射面として作用し、面Ａは反射面および射出面として作用し、面Ｃは反射面として作用する。
【００４６】
画像表示素子３により変調された光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子１に導かれる。面Ｂから第１の光学素子１内に入射した光は、面Ａで反射した後、面Ｃで略逆向きに反射し、再び面Ａに導かれる。そして、面Ａで反射した後、面Ｂで反射して面Ａから第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００４７】
この図では、画像表示素子３から発した光の例として、画像表示素子３の表示面中心を射出し、射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示している。
【００４８】
本実施形態においては、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【００４９】
また、第１の光学素子１において、光は、面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（折り返し反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、面Ｃでの折り返し反射を境に最終反射面Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。
【００５０】
ここでは、面Ｂ→面Ａ→面Ｃまでを往路と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂの光路を復路と称し、往路と復路を合わせて往復光路と呼ぶ。
【００５１】
特に面Ａでの再反射は、中心画角主光線がそのヒットポイント上での面の法線に対し、面Ａでの最初に反射した時とは反対側に反射して進むようにして往復光路を形成している。
【００５２】
このように面Ｃに折り返し反射面としての作用を持たせ、第１の光学素子１内に往復光路を形成することで、光路をほぼ重複させ、長い光路を小型の第１の光学素子１内に収めることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化している。
【００５３】
また、画像表示素子３からの光線は最終反射面Ｂの反射によって往復光路を抜け、画像表示素子３側には行かず、眼球側に導かれる。
【００５４】
さらに、図３に点線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の端を出て射出瞳Ｓの中心に到る光（最大画角主光線）は、中心画角主光線と同様に、第２の光学系２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの中心に導かれる。
【００５５】
また、図４に鎖線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両端に到る光線も、中心画角主光線と同様に、第２の光学系２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの両端に導かれる。
【００５６】
この際、第１の光学系１内で両端からの光線が交わっており、画像表示素子３上に表示された画像の中間像が形成されている。第１の光学素子１内に中間像を形成することで、第２の光学系２のパワーを弱めてもコンパクトな構成とすることができ、第２の光学系２における余計な収差発生を抑え、第２の光学系２の複雑化を防止できる。
【００５７】
なお、図４においては、Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射の間に中間像が形成されているが、必ずしもこの位置に中間結像位置がある必要はなく、第１の光学素子１内に形成されていればよい。
【００５８】
また、中間像を略平行光として射出瞳Ｓに導くいわゆる接眼光学系部分の収差補正を容易にするために、中間結像面は接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように形成されていてもよい。
【００５９】
図４においては、最終反射面である面Ｂと面Ａでの射出面として作用している箇所とが接眼光学系部分にあたり、第１の光学系１でのそれ以外の部分と第２の光学系２とがリレー光学系に該当している。
【００６０】
本実施形態において、最終反射面として作用するときの面Ｂは、非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、接眼光学系部分の主パワーを担っている。従って、凹面鏡面Ｂでは偏心収差の発生が大きく、接眼光学系としての面Ａ，面Ｂのみでは収差を完全に補正することは困難であり、リレー光学系部分が接眼光学系での収差をキャンセルするような形の中間結像面ができるように中間像を形成することで、最終的な像観察における画質を向上させることが可能になる。
【００６１】
以上説明した構成においては、第１の光学系１は、少なくとも面Ｂを含む２つの面を曲面で構成することが好ましい。集光ないし発散または収差補正に寄与しない面を少なくすることで、光学系全体に必要な光学面数を削減でき、製造コスト削減の効果が期待できる。更に望ましくは、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成することで、更なる製造コスト削減の効果が得られる。
【００６２】
また、第１の光学系１の面Ａ，Ｂは、最終的に射出瞳Ｓに導かれる有効光束がそれぞれの面で反射する際の反射光束に対して傾いた面として、折り返し反射面であるＣ面までの往路、即ちＢ面入射→Ａ面反射→Ｃ面の光路と、Ｃ面以降の復路であるＣ面→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路とを、ほぼ重複させた構成として第１の光学系１を薄型にしている。
【００６３】
即ち、好ましくは面Ａおよび面Ｂはともに有効光束に対して偏心した曲面であり、偏心収差が発生する。従って、第１の光学系１の少なくとも１面に、回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いて、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【００６４】
特に面Ｂはパワーの強い曲面であるため、面Ｂを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。
【００６５】
更に好ましくは、第１の光学系１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。このとき、各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい。
【００６６】
また、面Ａでの反射を第１の光学素子１内での内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域においては、反射光束が内部全反射するようにすると、反射光束の全てを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００６７】
以上のように光学系を構成することにより、画像表示素子３に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置が提供可能となる。
【００６８】
また、第１の光学素子１内で１回中間結像を行うことで、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角設定の自由度を向上させて広画角化（高倍率表示）を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを第１の光学素子１内に往復光路を形成することで、長い光路長の往復光路をほぼ重複するようにして第１の光学系１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【００６９】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である撮像光学系を示している。図中１は図１に示したものと同様の第１の光学系（第１の光学素子）であり、２は第２の光学系、４は撮像素子である。
【００７０】
Ｓは第１の光学系１および第２の光学系２からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００７１】
本実施形態において、第１の光学素子１の面Ａ（第１の面）は被写体からの光の入射面および反射面として作用し、面Ｂ（第３の面）は反射面および射出面として作用し、面Ｃ（第２の面）は反射面としてのみ作用する。
【００７２】
絞りＳを通過した被写体からの光は、第１の光学素子１に面Ａから入射し、面Ｂで反射し、面Ａで反射して面Ｃに導かれる。そして、面Ｃで折り返し反射して面Ａに戻され、面Ａで再反射して面Ｂを透過して第１の光学素子１を射出する。ここで、面Ａおよび面Ｂはそれぞれの面での反射光束に対して偏心している。
【００７３】
第１の光学素子１を射出した光は、第２の光学系２を通過して撮像素子４に到達する。この際、所望の外界（被写体）からの光は撮像素子４の撮像面上に結像し、これにより、外界像の撮像を行うことができる。
【００７４】
以上のように撮像光学系を構成することにより、被写体を撮像素子４に良好な光学性能で結像させる撮像装置を提供することができる。
【００７５】
また、第１の光学素子１内で１回中間結像させることで、撮像素子４のサイズに対して撮影画角の自由度を向上させて広画角化を可能にし、これに伴い光路長が長くなるのを第１の光学素子１内に往復光路を形成することで光路をほぼ重複させ、第１の光学系１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を実現している。
【００７６】
以上説明した第１および第２実施形態においては、中心画角主光線（表示光学系においては画像表示素子の表示面中心から射出瞳Ｓ中心に至る光線であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面中心に至る光線である）の面Ｃにおける折り返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本発明の光学系はこの構成に限るものではない。
【００７７】
（第３実施形態）
図６および図７にはそれぞれ、第１実施形態とは異なる第１の光学系を用いた第３実施形態である表示光学系の構成を示している。これらの図に示した第１の光学系１’，１”では、中心画角主光線の光路が第１実施形態のものと異なっている。
【００７８】
図６および図７ともに、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路が形成されている点は第１実施形態の第１の光学系１と同様である。
【００７９】
但し、図６の第１の光学系１’では、面Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折り返し反射されて、面Ａでの先の反射地点よりも高い位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射される点が第１実施形態と異なる。また、図７の第１の光学系１”では、面Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折り返し反射されて、面Ａでの先の反射地点よりも低い位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射される点が第１実施形態と異なる。
【００８０】
このように折り返し反射面Ｃの前後で光が所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０°
を満たすことが好ましい。
【００８１】
この条件を外れると、第１の光学系が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない。
【００８２】
なお、本実施形態では、第１の光学系を有する表示光学系について説明したが、第２実施形態に示したような撮像光学系にも本実施形態と同様の考え方を適用することができる。
【００８３】
［数値実施例１］
図８には、図２に示した第１実施形態の数値実施例の光路断面図を示している。図中、１は表示光学系を構成する第１の光学系であり、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体（光学素子）により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面、Ｓ３，Ｓ７は同一面であり、これら２面とＳ５はそれぞれ第１実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【００８４】
２は第２の光学系であり、ここではＳ８，Ｓ９，Ｓ１０の３面を有した同一媒質からなる透明体により構成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【００８５】
本数値実施例において、Ｓ１からＳ１０の光学面は回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。
【００８６】
なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標系定義である。
【００８７】
本数値実施例１の光学データを表１に示す。表１の光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）並びに図面上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単位：度）である。
【００８８】
Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項（数値実施例２ではＦＦＳの項）は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、ＦＦＳ（数値実施例２では数字）は以下の式に従う回転非対称面である。
【００８９】
【数１】
0003870073.tif 000002
【００９０】
ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値（数値実施例２では、ＦＦＳの欄に記された数字）は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃｉに対応する回転非対称形状であることを示している。
【００９１】
Ｎｄ，νｄ（但し、表ではｖｄと記す）はそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示し、アッベ数νｄは省略している。
【００９２】
また、折り返し反射面での中心画角主光線の入射光線と反射光線とのなす角度θの絶対値を｜θ｜として記載している。以上の表の項目は、以降の数値実施例においても同様である。
【００９３】
【表１】
0003870073.tif 000003
【００９４】
表１から分かるように、画像表示面ＳＩからの光はＳ１０より第２の光学系２を構成する透明体である光学素子に入射し、Ｓ９で裏面反射し、Ｓ８から射出して第１の光学素子１に向かう。第１の光学素子１に向かった光は、Ｓ７（面Ｂ）から第１の光学素子１の透明体内に入射し、Ｓ６（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ５（面Ｃ）で裏面反射して折り返され、Ｓ４（面Ａ）で裏面反射し、Ｓ３（面Ｂ）で裏面反射してＳ２から第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【００９５】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で、水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【００９６】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１に導かれる。そして、Ｓ２（面Ａ）から第１の光学素子１に入射した光は、Ｓ３（面Ｂ）で反射してＳ４（面Ａ）で反射し、Ｓ５（面Ｃ）で折り返し反射してＳ６（面Ａ）で反射した後、Ｓ７（面Ｂ）から射出して第２の光学系２に導かれる。そして、第２の光学系２に導かれた光は、Ｓ８から透明体に入射し、Ｓ９で反射し、Ｓ１０を射出して撮像面ＳＩに結像する。
【００９７】
（第４実施形態）
図９には、本発明の第４実施形態である表示光学系の構成を示している。なお、本実施形態では、第１実施形態と異なる点を重点的に説明する。本実施形態では、第１の光学系２１を、３面の光学面を有した透明体と類似した光学素子とこれとは別に設けられた反射面Ｃの計４面の光学面を有して構成されている。
【００９８】
光学素子上の３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｄのうち面Ａ，面Ｂはともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｄは透過面、面Ｃは反射面である。
【００９９】
面Ｃには金属蒸着などにより略１００％の反射率を持つ反射膜が形成されており、面Ｂには金属または誘電体の蒸着による半透過反射膜が形成されている。
【０１００】
画像表示素子３により変調された光は、第２の光学系２を介して第１の光学系２１の光学素子に導かれる。光は面Ｂから第１の光学系２１の光学素子に入射し、面Ａで反射して面Ｄを透過する。面Ｄを透過した光は、面Ｃに入射し、入射方向に対して略逆向きに戻すように反射する。これにより、光は面Ｄを再び透過して面Ａに導かれ、面Ａで再反射して面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学系２１の光学素子を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１０１】
本実施形態においても、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【０１０２】
また、本実施形態では、第１の光学系２１において、光はＢ→Ａ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ａ→Ｂ（→Ａ）の順で各面を通過し、面Ｃでの反射を境に、それまでの光路を逆にたどる。
【０１０３】
面Ｃを挟んでそれまでの順路を逆にたどるＢ→Ａ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ａ→Ｂの光路で第１の光学系２１内に往復光路を形成することで、光路をほぼ重複させ、第１の光学系２１内を有効に利用して光路長に対して第１の光学系２１のサイズを小さくしている。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１０４】
本実施形態では、面Ｄを透過面として用い、第１の光学系２１を構成する光学面が４面と、第１実施形態よりも１面増えている。これにより、光学設計上の自由度が増し、収差補正を更に良好に行うことができる。
【０１０５】
特に、第１実施形態に比べて透明体と空気との間の透過面が増えており、色収差の補正を行うための自由度が増えている。
【０１０６】
［数値実施例２］
図１０は、上記第４実施形態の数値実施例を示す光学断面図である。図中、２０は表示光学系を示し、２１は３つの光学面を有する第１の光学系を構成する透明体（第１の光学素子）、２２は反射ミラー部材である。
【０１０７】
Ｓ２，Ｓ４，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、第５実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｄにそれぞれ相当する。また、Ｓ６は面Ｃに相当する。
【０１０８】
また、図中の３０は第２の光学系であり、Ｓ９からＳ１２の面で構成されている。本数値実施例では、透明体（第１の光学系２１）の１つの面と第２の光学系３０を構成する透明体（光学素子）の１つの面とを接合しており、接合面をＳ９としている。
【０１０９】
これら第１および第２の光学系２１，３０を構成する面は、本数値実施例においては全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。本実施例の光学データを表２に示す。
【０１１０】
【表２】
0003870073.tif 000004
【０１１１】
表２から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１２，Ｓ１１，Ｓ１０を介してＳ９（面Ｂ）より第１の光学系２１に入射し、Ｓ８（面Ａ）で反射し、Ｓ７（面Ｄ）で屈折しつつ第１の光学系２１の透明体を射出する。射出した光は、Ｓ６（面Ｃ）で反射し、Ｓ５（面Ｄ）から再び透明体に入射し、Ｓ４（面Ａ）で反射し、Ｓ３（面Ｂ）で反射してＳ２（面Ａ）から透明体を射出し、射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１１２】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１１３】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の被写体からの光は、絞りＳ１を通過してＳ２から第１の光学系２１の透明体に入射し、Ｓ３，Ｓ４で反射してＳ５から透明体を射出する。そして、Ｓ６で反射し、Ｓ７から再び透明体に入射してＳ８で反射し、Ｓ９から透明体を射出する。透明体を射出した光は、第２の光学系３０に導かれ、Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を介して撮像面ＳＩ上に外界（被写体）像を形成する。
【０１１４】
（第５実施形態）
図１１には、本発明の第５実施形態である表示光学系を示している。本実施形態では、第１の光学系３１内での反射回数が６回である点が第１の光学系での反射回数が４回である第１〜第４実施形態と異なる。
【０１１５】
第１の光学系３１において、透明体（以下、第１の光学素子３１ともいう）上に形成された３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃのうち面Ａ，面Ｂはともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃは反射面である。面Ｃには、金属蒸着などにより略１００％の反射率を持つ反射膜が形成されており、面Ｂには金属または誘電体の蒸着による半透過反射膜が形成されている。面Ａの一部（上部）には、金属蒸着などにより略１００％の反射率を持つ反射膜が形成されている。
【０１１６】
画像表示素子３により変調された光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子３１に導かれる。光は面Ｂから第１の光学素子３１に入射し、面Ａで１回目の反射をして面Ｃに導かれる。面Ｃで２回目の反射をした光は、面Ａの上部に導かれ、３回目の反射をする。この面Ａでの３回目の反射は、入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すような反射であり、光は再度面Ｃに戻されて面Ｃで４回目の反射をして再度面Ａに導かれ、５回目の反射をして面Ｂに導かれる。そして、面Ｂで６回目の反射をした後、面Ａを透過して第１の光学素子３１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１１７】
本実施形態においても、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【０１１８】
本実施形態では、第１の光学素子３１において、光は面Ｂ（透過）→面Ａ（１回目反射）→面Ｃ（２回目反射）→面Ａ（３回目反射（折り返し反射））→面Ｃ（４回目反射（再反射））→面Ａ（５回目反射（再反射））→面Ｂ（６回目反射（反射））（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、面Ａでの折り返し反射を境に最終反射面Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。
【０１１９】
面Ａを挟んでそれまでの順路を逆にたどる面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂという往復光路を第１の光学素子３１内に形成することで、光路をほぼ重複させ、第１の光学素子３１内のスペースを有効に利用して光路長に対して第１の光学系３１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化できる。
【０１２０】
本実施形態によれば、上記各実施形態に比べて更に光路長を長くとることができ、表示の拡大率を上げる場合に有利である。
【０１２１】
図１２に点線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の端を出て射出瞳Ｓの中心に到る光（最大画角主光線）は、第２の光学系２を経て第１の光学素子３１に対して面Ｂ入射→面Ａ反射→面Ｃ反射→面Ａ折り返し反射→面Ｃ再反射→面Ａ再反射→面Ｂ反射→面Ａ射出と中心画角主光線と同様の経路をたどって射出瞳Ｓの中心に導かれる。
【０１２２】
また、図１３に点線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両端に至る光線も、第２の光学系２を経て第１の光学系３１に対して面Ｂ入射→面Ａ反射→面Ｃ反射→面Ａ折り返し反射→面Ｃ再反射→面Ａ再反射→面Ｂ反射→面Ａ射出と中心画角主光線と同様の経路をたどる。
【０１２３】
この際、第１の光学素子３１内で画像表示面の両端からの光線が交わっており、画像表示素子３上に表示された画像の中間結像面が形成されている。このように第１の光学素子３１内に中間像を形成することで、第２の光学系２のパワーを弱めてもコンパクトな構成とすることができ、第２の光学系２における余計な収差発生を抑え、第２の光学系２の複雑化を防止できる。
【０１２４】
なお、本実施形態においては、Ｃ面再反射→Ａ面再反射の間に中間像が形成されているが、中間結像面は必ずしもこの位置にある必要はない。また、中間結像面を略平行光として射出瞳Ｓに導くいわゆる接眼光学系部分の収差補正を容易にするために、中間像は、接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように結像されていることが好ましい。
【０１２５】
また、本実施形態においては、最終反射面である面Ｂと面Ａでの再反射面と射出面として作用している箇所とが接眼光学系部分にあたり、第１の光学系３１でのそれ以外の部分と第２の光学系２とがリレー光学系に該当している。
【０１２６】
最終反射面として作用するときの面Ｂは、非常に強い光学的パワー（１／焦点距離）を有した凹面鏡となっており、接眼光学系部分の主パワーを担っている。従って、凹面鏡面Ｂでは偏心収差の発生が大きく、接眼光学系としての面Ａ，面Ｂのみでは収差を完全に補正することは困難であり、リレー光学系部分が接眼光学系での収差をキャンセルするような形の中間結像面を形成することで、最終的な像観察における画質を向上させることが可能になる。
【０１２７】
以上説明した実施形態において、第１の光学系３１の少なくとも面Ｂ，Ｃを曲面とすることで、集光ないし発散または収差補正に寄与しない面を少なくし、光学系に必要な面数を削減することができる。更に面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成することで、集光ないし発散または収差補正に寄与しない面を更に省いた光学素子とすることができ、コスト削減の効果が期待できる。
【０１２８】
また、第１の光学系３１の面Ｂ，Ｃと面Ａの一部（下部）の領域は、射出瞳Ｓに導かれる有効光束がそれぞれの面で反射する際の反射光束を構成する任意の光線に対して傾いた面で構成されており、上述したＢ面入射→Ａ面反射→Ｃ面反射→Ａ面反射折り返し反射→Ｃ面再反射→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路を形成している。
【０１２９】
即ち、面Ｂ，Ｃおよび面Ａの一部（下部）の領域は、反射光束を構成する任意の光線に対して偏心した偏心反射曲面であり、ここで偏心収差が発生する。従って、第１の光学素子３１の少なくとも１面に回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いることで、偏心収差の発生を極力抑えることが望ましい。
【０１３０】
特に、面Ｂはパワーの強い曲面であるため、面Ｂを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。
【０１３１】
更に好ましくは、第１の光学系３１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。このとき、各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい。
【０１３２】
なお、面Ａでの３回の反射のうち、第１の光学素子３１内での３回目の反射（折り返し反射）は、面Ａの上部の金属蒸着などで反射率１００％に近い反射膜が形成されている部分で行われ、それ以外の１回目の反射および５回目の反射は、面Ａの下部で行われ、入射光と面Ａの法線のなす角度が大きいため、内部全反射による反射となる。
【０１３３】
面Ａでの折り返し反射以外の反射に関し、面Ａでの反射を第１の光学素子３１内での内部全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域（面Ａの下部）において、反射光束が内部全反射するようにすると、面Ａでの折り返し反射以外の反射光束の全てを内部全反射とする場合に比べて設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【０１３４】
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子３に表示された画像を良好な光学性能で拡大像として表示する表示光学系を実現することができる。また、表示光学系内で１回結像を行うことで、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角の自由度を向上させて、より広画角化（高倍率提示）を可能にするとともに、長い光路長を第１の光学素子３１内に往復光路を形成することで重複させて第１の光学系３１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな表示光学系を構成できる。
【０１３５】
以上説明した実施形態においては、中心画角主光線（表示光学系においては表示素子の表示面中心から射出瞳Ｓ中心に至る光線であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面中心に至る光線である）の面Ａにおける折り返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本発明の光学系はこの構成に限るものではない。
【０１３６】
（第６実施形態）
図１４および図１５にはそれぞれ、第５実施形態とは異なる第１の光学系を用いた第６実施形態の表示光学系の構成を示している。これらの図に示した第１の光学系３１’，３１”では、中心画角主光線の光路が第６実施形態のものと異なっている。
【０１３７】
図１４および図１５ともに、面Ｂ入射→面Ａ反射→面Ｃ反射→面Ａ折り返し反射→面Ｃ再反射→面Ａ再反射→面Ｂ反射→面Ａ射出の光路が形成されている点は第５実施形態と同様である。
【０１３８】
但し、図１４に示す第１の光学系３１’においては、面Ｃで反射した中心画角主光線が面Ａで角度θをなして折り返し反射されて面Ｃの先の反射地点よりも高い位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射される点が第５実施形態と異なる。
【０１３９】
また、図１５に示す第１の光学系３１”においては、面Ｃで反射した中心画角主光線が面Ａで角度θをなして折り返し反射されて面Ｃのはじめの反射地点よりも低い位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射される点が第５実施形態と異なる。
【０１４０】
このように、折り返し反射面Ａの前後で光が所定角度θを成して入射・反射するようにしてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０°  …（１）
を満たすことが好ましい。
【０１４１】
この条件を外れると、第１の光学系３１’，３１”が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため好ましくない。
【０１４２】
［数値実施例３］
図１６には、図１３に示した第５実施形態の表示光学系の数値実施例の光学断面図を示している。
【０１４３】
図中、３１は表示光学系の第１の光学系を構成する透明体（第１の光学素子）である。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ第５実施形態の面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。２は第２の光学系であり、ここではＳ１０，Ｓ１１面からなる凸レンズとして構成されている。また、折り返し反射面Ａ（Ｓ６）と面Ｃには反射膜が形成されている。
【０１４４】
本数値実施例において、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の光学面は平面であり、Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９からＳ１１までの光学面は全て回転非対称面で構成されている。これら３面は、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有している。本数値実施例の光学データを表３に、中心画角主光線に対するローカルデータを表４に示す。
【０１４５】
【表３】
0003870073.tif 000005
【０１４６】
【表４】
0003870073.tif 000006
【０１４７】
表３から分かるように，画像表示面ＳＩからの光はＳ１１から第２の光学系２の凸レンズに入射し、Ｓ１０から射出して第１の光学系３１に向かう。第１の光学系（第１の光学素子）３１に向かった光は、Ｓ９（面Ｂ）から第１の光学素子３１に入射し、Ｓ８（面Ａ）で反射し、Ｓ７（面Ｃ）で反射した後、Ｓ６（面Ａ−折り返し反射面）で反射し、Ｓ５（面Ｃ）で反射してＳ４（面Ａ）で反射する。そして、Ｓ３（面Ｂ）で反射してＳ２から第１の光学素子３１を射出し、射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１４８】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ１０ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平画角５０°の画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１４９】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学系３１の透明体に導かれ、Ｓ２（面Ａ）から透明体に入射してＳ３（面Ｂ）で反射し、Ｓ４（面Ａ）で反射し、Ｓ５（面Ｃ）で反射してＳ６（面Ａ―折り返し反射面）で反射する。さらに、Ｓ７（面Ｂ）で反射し、Ｓ８（面Ａ）で反射してＳ９（Ｂ面）から透明体を射出して第２の光学系２の凸レンズに導かれる。凸レンズに導かれた光束は、Ｓ１０から凸レンズに入射し、Ｓ１１から射出して撮像面ＳＩに結像する。
【０１５０】
なお、Ｓ６（面Ａ−折り返し反射面）で反射する光は内部全反射を起こさないため、少なくともＳ６で光が反射する部分には反射膜を形成させておくとよい。但し、第１の光学系３１の透明体の面Ａから射出する光の射出範囲（この数値実施例ではＳ２の範囲）には反射膜を形成しておらず、Ｓ２から射出する光の妨げにならないようにするのがよい。
【０１５１】
また、Ｓ４，Ｓ８で反射する光のうち面Ａから射出する光の射出範囲で反射する光束は内部全反射するため、光量の損失は少ない。更に、面Ｃ（この数値実施例ではＳ５，Ｓ７）で反射する光も内部全反射を起こさないため、面Ｃには反射膜を形成させておくとよい。
【０１５２】
（第７実施形態）
図１７には、本発明の第７実施形態である表示光学系の構成を示している。なお、本実施形態では、上記第５実施形態と異なる点を重点的に説明する。
【０１５３】
本実施形態では、第１の光学系５１を構成する透明体（光学素子）の面Ａを透過面として用い、光学素子の外部の面Ａの後ろに配置された反射面Ｄを折り返し反射面として用いる点が第５実施形態と異なる。
【０１５４】
本実施形態において、光学素子上の光学面Ａ，Ｂ，Ｃのうち面Ａ，面Ｂはともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面、面Ｃは反射面、面Ｄは反射面である。
【０１５５】
面Ｃ，面Ｄには、金属蒸着などにより略１００％の反射率を持つ反射膜が形成されており、面Ｂには金属または誘電体の蒸着による半透過反射膜が形成されている。
【０１５６】
画像表示素子３により変調された光は、第２の光学系２を介して第１の光学素子５１に導かれる。光は面Ｂから第１の光学素子５１に入射し、面Ａで反射して面Ｃに導かれる。面Ｃで反射した光は、面Ａの上部に導かれてここを透過し、面Ｄに入射する。面Ｄでは入射した光を入射方向に対して略逆向きに戻すように反射する。この後、光は面Ａを透過して再び透明体に入射し、面Ｃで反射し、面Ａに戻される。そして、面Ａで再反射して面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子５１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【０１５７】
本実施形態においても、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【０１５８】
本実施形態においては、第１の光学素子５１において、光はＢ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｄ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｂ（→Ａ）の順で各面を通過し、面Ｄでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。面Ｄを挟んでそれまでの順路を逆にたどるＢ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｄ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｂという往復光路を第１の光学素子５１内に形成することで、光路をほぼ重複させ、第１の光学素子５１内を有効に利用して光路長に対して第１の光学系５１のサイズを小さくすることができる。これにより、表示光学系全体をも小型化することができる。
【０１５９】
本実施形態では、面Ａを透過面として用いることで、第１の光学系５１を構成する光学面が４面と、第６実施形態のものよりも１面増えており、これにより光学設計の自由度が増え、収差の補正が更に良好に行われる。
【０１６０】
特に、第６実施形態に比べて透明体と空気の間の透過面が増えており、色収差の補正を行うための自由度が増えている。
【０１６１】
［数値実施例４］
図１８には、上記第７実施形態の表示光学系の数値実施例の光学断面図を示している。図中、５０は表示光学系を示し、５１は少なくとも３つの面を有する透明体（光学素子）５１ａと反射ミラー部材５１ｂとからなる第１の光学系である。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０は同一面、Ｓ３，Ｓ１１は同一面、Ｓ５，Ｓ９は同一面であり、上記第７実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ相当する。図中、３０は第２の光学系であり、Ｓ１２，Ｓ１３で構成される。
【０１６２】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１３，Ｓ１２を介してＳ１１（面Ｂ）から第１の光学系５１の光学素子５１ａに入射し、Ｓ１０（面Ａ）で反射してＳ９（面Ｃ）で反射し、Ｓ８（面Ａ）で屈折しつつ光学素子５１ａを射出する。射出した光はＳ７（反射ミラー部材５１ｂの反射面）で反射し、Ｓ６（面Ａ）から再び光学素子５１ａに入射し、Ｓ５（面Ｃ）で反射してＳ４（面Ａ）で反射し、Ｓ３（面Ｂ）で反射してＳ２（面Ａ）から光学素子５１ａを射出し、射出瞳Ｓ１（Ｓ）に導かれる。
【０１６３】
本数値実施例において、長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、第１実施形態とほぼ同等の仕様の表示光学系となる。
【０１６４】
なお、第２実施形態以外の実施形態では表示光学系について説明したが、これ実施形態において画像表示素子３の位置にＣＣＤなどの撮像素子を配置し、射出瞳Ｓの位置から取り込んだ外部からの被写体光を各実施形態で説明した逆向きの光路を通って結像させ、撮像光学系として使うことができる。
【０１６５】
また、以上説明した全ての実施形態において、第１の光学系を通過する光束の任意の光線をトレースしたとき、その光線は、第１の面における最初の（１回目）の反射と２回目の反射とで、一方の反射角を基準として他方では逆符号の反射角で反射するような光路をとっている。
【０１６６】
具体的には、例えば図２の紙面内において、１回目の反射（Ａ面反射）における反射角が正符号（反射光が法線の紙面内反時計周り方向に存在する場合）であれば、２回目の反射（Ａ面再反射）における反射角は負符号（反射光が法線の紙面内時計周り方向に存在する場合）となるような光路になっている。
【０１６７】
このような光路をとることによって、第１の面と第２の面との間で光束は略往復することになるので、第１の光学系内の空間を有効に利用して光路長を稼ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学系が実現できる。
【０１６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１および第２の発明によれば、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させるようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型の原画を用いつつ表示広画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系を実現することができる。
【０１６９】
また、第３の面に透過作用と反射作用を持たせているので、光学面数を少なくすることができ、より表示光学系の小型化を図ることができる。
【０１７０】
なお、表示光学系内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることができるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することができる。
【０１７１】
また、本願第３および第４の明によれば、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させるようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型でありながらも撮像広画角を達成することができる。
【０１７２】
また、第３の面に透過作用と反射作用を持たせているので、光学面数を少なくすることができ、より撮像光学系の小型化を図ることができる。
【０１７３】
なお、撮像光学系内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することができる。
【０１７４】
また、第１および第２の発明において、（１）式を満足するようにすれば、光学系が大型化するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である表示光学系に用いられる第１の光学系の構成図。
【図２】上記表示光学系の構成図。
【図３】上記表示光学系の構成図。
【図４】上記表示光学系の構成図。
【図５】本発明の第２実施形態である撮像光学系の構成図。
【図６】本発明の第３実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図７】本発明の第３実施形態である表示光学系（２）の構成図。
【図８】本発明の数値実施例１（第１実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図９】本発明の第４実施形態である表示光学系の構成図。
【図１０】本発明の数値実施例２（第４実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１１】本発明の第５実施形態である表示光学系の構成図。
【図１２】上記第５実施形態の表示光学系の構成図。
【図１３】上記第５実施形態の表示光学系の構成図。
【図１４】本発明の第６実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図１５】本発明の第６実施形態である表示光学系（２）の構成図。
【図１６】本発明の数値実施例３（第６実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１７】本発明の第７実施形態である表示光学系の構成図。
【図１８】本発明の数値実施例４（第７実施形態の実施形）の光学系断面図。
【図１９】従来の表示光学系の構成図。
【図２０】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
１，１’，１”，１１，１１’，１１”，２１，３１，３１’，３１”，５１  第１の光学系
２  第２の光学系
３  画像像表示素子
４  撮像素子
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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