(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、光学面である第１、第２および第３の面を有し、
原画から前記第３の面を透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くと共に、
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】
この表示光学系が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に記載の画像表示装置。
【請求項６】
この表示光学系が透明体を用いて構成されており、
前記透明体上に形成された光学面のいずれかで光線が全反射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７】
前記第２の面から最初に前記第１の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度θが、
｜θ｜＜３０°
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記第１の面から最初に前記第２の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度αが、
２５°＜｜α｜＜８５°
なる条件を満たす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９】
前記第１の面から２回目に前記第２の面に入射する主光線とその反射主光線とのなす角度βが、
２０°＜｜β｜＜７５°
なる条件を満たす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、光学面である第１、第２および第３の面を有し、
被写体から前記第１の面を透過して入射した光を、前記第３の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面を透過させて撮像面に導くと共に、
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１６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１７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、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１７に示す光学系のタイプは、図１６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１７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、および小型で撮影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、光学面である第１、第２および第３の面を設け、原画から第３の面を透過して入射した光を、第１の面で反射し、第２の面で反射し、第１の面で反射し、第２の面で反射し、第１の面で反射し、第３の面で反射し、第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くと共に、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】
すなわち、第１および第２の面の間での２回の往復を含めて第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（表示光学系を含む画像表示装置）を実現することが可能となる。
【００１６】
また、第１の面から光束が射出する射出範囲内における光束の反射を内部全反射とする事で，光利用効率を高めることが可能となる。
【００１７】
なお、第１および第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。
【００１８】
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るようにするとよい。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。
【００１９】
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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、光学面である第１、第２および第３の面を設け、被写体から第１の面を透過して入射した光を、第３の面で反射し、第１の面で反射し、第２の面で反射し、第１の面で反射し、第２の面で反射し、第１の面で反射し、第３の面を透過させて撮像面に導くと共に、撮像光学系内で被写体の中間像を形成するようにしている。
【００２２】
すなわち、第１および第２の面の間での２回の往復を含めて第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影広画角を達成することが可能となる。
【００２３】
また、第１の面を光束が入射する入射範囲内における光束の反射を内部全反射とすることで、光利用効率を高めることができる。
【００２４】
なお、第１および第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。
【００２５】
なお、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るようにするとよい。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（撮像光学系を含む撮像装置）を小型に構成することが可能である。
【００２６】
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、自由曲面を複数面使用すると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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、第１および第２の発明において、透明体上に光学面を形成し、いずれかの光学面で光線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損失を少なくすることが可能である。
【００２９】
また、表示光学系および撮像光学系のいずれにおいても、光線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。
【００３０】
ここで、折り返し反射面に、金属ミラーコーティングをして光量損失をできるだけ少なくすることが望ましい。
【００３１】
また、第１および第２の発明において、第２の面で反射した中心画角主光線が第１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に入射する中心画角主光線と反射光線とのなす角度θは、
｜θ｜＜３０°  …（１）
を満たすことが好ましい。この式（１）の条件を外れると、光学系が大型化する。
【００３２】
また、第１の発明において第１の面から最初に第２の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度βは、
２０°＜｜β｜＜７５°  …（３）
を満たすことが好ましく、さらに、第１の面から２回目に第２の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度αは、
２５°＜｜α｜＜８５°  …（２）
を満たすことが好ましい。これらの式（２），（３）の条件を外れると、光学系が大型化する。
【００３３】
同じく、第２の発明において第１の面から最初に第２の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度αは、
２５°＜｜α｜＜８５°  …（２）
を満たすことが好ましく、さらに，第１の面から第２の面に入射する中心画角主光線とその反射光線とのなす角度βは、
２０°＜｜β｜＜７５°  …（３）
を満たすことが好ましい。これらの式（２），（３）の条件を外れると、光学系が大型化する。
【００３４】
なお、上記光学系において、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するとよい。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。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（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。
【００３６】
面Ａの一部（上部）と面Ｃには反射膜が形成されており、面Ｂには半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００３７】
面Ａの上部は光束が面Ａを射出する面領域を含まない面Ａの一部のことであり、面Ａの下部とは折り返し反射作用を持つ面領域を含まない面の一部のことである。
【００３８】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏向方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００３９】
図２には、図１に示した第１の光学系１を画像表示装置に用いる際の表示光学系全体の構成を示している。
【００４０】
図中、１は屈折率が１より大きい透明媒質で満たされた透明体上に３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃが形成されてなる第１の光学系（以下、第１の光学素子１ともいう）である。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。
【００４１】
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に入射した光は、面Ａで反射した後、面Ｃで反射し、面Ａの上部に導かれる。そして、面Ａで折り返し反射した後、面Ｃで再び反射し、面Ａにおける最初の光の反射領域付近（最初の反射領域側）に戻されて反射し、次に面Ｂで反射して面Ａに向かい、面Ａを透過して第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、第１の光学系１において、光は、面Ｂ（透過）→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（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。
【００４５】
ここでは、面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａまでを往路と、面Ａ→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。また、往路と復路を分ける面Ａにおける反射を折り返し反射と呼び、この折り返し反射作用を持つ面Ａの一部の範囲を折り返し反射面と呼ぶ。
【００４６】
このように面Ａ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内で往路と復路をほぼ重複させることにより、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。なお、面Ａでの折り返し反射は反射膜によるものである。
【００４７】
また、画像表示素子３からの光線は最終反射面Ｂで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。
【００４８】
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面反射→Ａ面折り返し反射→Ｃ面再反射→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの中心に導かれる。
【００４９】
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面反射→Ａ面折り返し反射→Ｃ面再反射→Ａ面再反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの両端に導かれる。
【００５０】
この際、第１の光学素子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の曲率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。
【００５１】
なお、図４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、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。
【００５２】
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。
【００５３】
図４においては、最終反射面である面Ｂと面Ａでの再反射面および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。
【００５４】
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、射出面として作用するときの面Ａに対して非常に強い曲率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。
【００５５】
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，Ｃを曲面で構成することが好ましい。これにより、結像ないし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、結像ないし収差補正に寄与しない面を省くことができ、更なる製造コスト削減の効果が得られる。
【００５６】
また、第１の光学系１の面Ｂ，Ｃと面Ａの一部（下部）の領域は、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を構成する任意の光線に対して傾いた面として構成され、折り返し反射面である面Ａまでの往路、即ち面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａの光路と、この面Ａ以降の復路である面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂの光路とを、ともに折り畳んだ構成として第１の光学系１を薄型にしている。
【００５７】
即ち、面Ｂ，Ｃと面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。
【００５８】
特に面Ｂは面Ａに対して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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、面Ａでの折り返し反射以外の反射を第１の光学素子１内での全反射とすると、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、反射光束が全反射するようにすると、反射光束の全てを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。
【００６１】
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。
【００６２】
また、第１の光学系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の光学系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重複するよう折り畳んで第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。
【００６３】
（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。図中の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。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施形態において、第１の光学系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。
【００６６】
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、面Ｃで反射し、面Ａの一部（上部）である折り返し反射作用領域で折り返し反射して再び面Ｃに導かれる。そして、面Ｃで再び反射した後、面Ａにおける最初の光の反射領域付近（最初の反射領域側）に戻されて反射し、面Ｂを透過して第１の光学素子１を射出する。ここで、面Ｂ，Ｃおよび面Ａの一部（下部）はそれぞれの面での反射光束を構成する任意の光線に対して偏心している。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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内で往路と復路をほぼ重複させることにより、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。
【００７０】
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。
【００７１】
（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。
【００７２】
図６および図７ともに、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面反射→Ａ面折り返し反射→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。
【００７３】
但し、図６の第１の光学系１’では、面Ｃで反射した中心画角主光線が最初に面Ａ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。
【００７４】
また、図７の第１の光学系１”では、面Ｃで反射した中心画角主光線が最初に面Ａ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。
【００７５】
このように折り返し反射面Ａの前後で光が所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０°    …（１）
を満たすことが好ましい。
【００７６】
この式（１）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。
【００７７】
さらに、図６および図７において、面Ａで反射して最初に面Ｃに入射する中心画角主光線は面Ｃで角度αをなして反射され、折り返し反射面Ａで角度θをなして折り返し反射され、２回目に面Ｃに入射すると角度βをなして再反射される。このとき、角度αとβはそれぞれ、
２５°＜｜α｜＜８５°    …（２）
２０°＜｜β｜＜７５°  …（３）
を満たすことが好ましい。
【００７８】
上記式（２）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化することが難しくなる。また、式（３）の条件から外れた場合も同様に第１の光学系が大型化し、表示光学系全体を小型化することが難しくなる。
【００７９】
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。
【００８０】
次に、これまでの実施形態の数値実施例について説明する。まず、数値実施例の説明に入る前に、各数値実施例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。
【００８１】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系で表され，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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
各面における中心画角主光線のヒットポイント上近傍の曲率を計算し、各面の中心画角主光線に対するローカル母線断面の曲率半径ｒｙ，ローカル子線断面の曲率半径ｒｘを定義する。
【００８５】
さらに、該当する面の前後の屈折率をそれぞれｎｄ，ｎｄ’とし、
ｆｙ＝ｒｙ／（ｎｄ’−ｎｄ）
で与えられるｆｙをローカル母線断面焦点距離、
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。
【００８６】
また、該当する面の中心画角主光線とのヒットポイントと次の面に中心画角主光線のヒットポイント間の距離（中心画角主光線上の距離で空気換算なしの値）を面間隔ｄと定義する。
【００８７】
ここで、第１の光学系において、光が面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射出という光路をたどる場合の中心画角主光線の各面におけるヒットポイント上のうち中心画角主光線が面Ａ上で折り返し反射する際のｆｙをｆｙａとし、中心画角主光線が面Ｃ上で再反射する際のｆｙをｆｙｃとすると、
｜ｆｙｃ／ｆｙａ｜≦４    …（４）
なる条件を満たすことが望ましい。
【００８８】
この（４）式の上限を超えると、光が面Ａにおいて反射および再反射するとき（折り返し反射を除く）の全反射と、面Ａにおける折り返し反射ができなくなる。
【００８９】
［数値実施例１］
図８は、数値実施例１を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【００９０】
２は第２の光学系であり、ここではＳ１０，Ｓ１１の２つの面からなる凸レンズである。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。
ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【００９１】
本数値実施例において、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の光学面は平面であり、またＳ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９からＳ１１までの光学面は全て回転非対称面で形成されている。そして、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している。
【００９２】
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。
【００９３】
本数値実施例１の光学データを表１に、中心画角主光線に対するローカルデータを表９に示す。
【００９４】
ここで、表１の光学データの見方を説明する。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。
【００９５】
Ｒは曲率半径である。ＦＦＳの項は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、ＦＦＳ（数字）は以下の式に従う回転非対称面である。
【００９６】
【数１】
0003870072.tif 000002
【００９７】
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（ｉ＝２，３…）に対応する回転非対称形状であることを示している。ただし、記載されていないｃｉの値は０である．
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。
【００９８】
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、面Ｃ（Ｓ５）で中心画角主光線が反射する際の角度βの絶対値を｜β｜として、面Ｃ（Ｓ７）で中心画角主光線が反射する際の角度αの絶対値を｜α｜として記載している。
【００９９】
【表１】
0003870072.tif 000003
【０１００】
次に、表９のローカルデータの見方を説明する。左の項目から、ＳＵＲＦは面番号、ｒｙは中心画角光線が各面でヒットポイントする時のローカル母線断面焦の曲率半径、ｒｘはローカル子線断面の曲率半径、ｆｙはローカル母線断面焦点距離、ｆｘはローカル母線断面焦点距離、ｄは該当する面と次面の面間隔（中心画角主光線上の距離で空気換算なしの値）、ｎはそれぞれその面以降の媒質のｄ線波長での屈折率を表している。
【０１０１】
ここで、第１の光学系において、光が面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射出という光路をたどる場合の中心画角主光線の各面におけるヒットポイント上のうち、面Ａ（Ｓ６）上で折り返し反射する際のローカル母線断面焦点距離をｆｙａとし、中心画角主光線が面Ｃ（Ｓ５）上で再反射する際のローカル母線断面焦点距離をｆｙｃとした場合の比の絶対値を、
｜ｆｙｃ／ｆｙａ｜
として記載している。
【０１０２】
以上の光学データおよびローカルデータの表の項目は、以降の数値実施例においても同様である。
【０１０３】
表１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の光学素子１に向かう。第１の光学素子１に向かった光は、Ｓ９（面Ｂ）から第１の光学素子１に入射し、Ｓ８（面Ａ）で反射し、Ｓ７（面Ｃ）で反射し、その後Ｓ６（面Ａ−折り返し反射面）で反射し、Ｓ５（面Ｃ）で反射し、Ｓ４（面Ａ）で反射し、Ｓ３（面Ｂ）で反射して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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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、Ｓ３（面Ｂ）で反射し、Ｓ４（面Ａ）で反射し、Ｓ５（面Ｃ）で反射し、Ｓ６（面Ａ―折り返し反射面）で反射した後、Ｓ７（面Ｂ）で反射し、Ｓ８（面Ａ）で反射し、Ｓ９（Ｂ面）から第１の光学素子１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。
【０１０６】
ここで、Ｓ６（面Ａ−折り返し反射面）で反射する光束は全反射を起こさないため、少なくともＳ６で光束が反射する部分には反射膜を形成しておく。但し、第１の光学系１の面Ａから射出する光束の射出範囲（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から射出する光束の妨げにならない。
【０１０７】
また、Ｓ４，Ｓ８で反射する光束のうち面Ａから射出する光束の射出範囲で反射する光束は全反射するため、光量の損失は少ない。
【０１０８】
さらに、面Ｃ（この数値実施例ではＳ５，Ｓ７）で反射する光束も全反射を起こさないため、面Ｃには反射膜を形成しておく。Ｓ６面における反射膜の形成と面Ｃにおける反射膜の形成については以降の実施例でも同様である。
【０１０９】
［数値実施例２］
図９は、数値実施例２を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１１０】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を同一媒質で満たされた透明体（光学素子）から構成される。
【０１１１】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１２までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１１２】
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。
【０１１３】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１２から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１１で反射し、Ｓ１０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に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１１４】
本数値実施例２の光学データを表２に、中心画角主光線に対するローカルデータを表１０に示す。
【０１１５】
【表２】
0003870072.tif 000004
【０１１６】
この数値実施例２では、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。
【０１１７】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１１８】
［数値実施例３］
図１０は、数値実施例３を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１１９】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１を同一媒質で満たされた透明体から構成される。第１の光学系１の透明体と第２の光学系２の透明体はＳ９において接合されている。
【０１２０】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１１までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１２１】
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。
【０１２２】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１１から第２の光学系２の透明体に入射し、Ｓ１０で反射し、Ｓ９から第１の光学素子１に入射する。第１の光学素子１への光束の入射位置は、数値実施例２に比べて面Ｂの下側からになる。なお、第１の光学素子１に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１２３】
本数値実施例３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１１に示す。
【０１２４】
【表３】
0003870072.tif 000005
【０１２５】
本数値実施例３では、射出瞳径φ７ｍｍ，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。
【０１２６】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１２７】
［数値実施例４］
図１１は、数値実施例４を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１２８】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１（Ｓ１３と同一面），Ｓ１２を同一媒質で満たされた透明体（光学素子）から構成される。
【０１２９】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１２（Ｓ１３）までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１３０】
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。
【０１３１】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１３から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１２，Ｓ１１で反射し、Ｓ１０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に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１３２】
ここで、第２の光学系２の透明体の透過面および反射面の作用を有する光学面では、少なくとも透過光束領域内での反射は全反射である。また、この光学面の反射光束は全て全反射でも構わない。このように光を全反射させることにより、第２の光学系２での光量の損失がなくなる。
【０１３３】
本数値実施例では、数値実施例２と比べて、第１の光学系１の面Ａと面Ｃの肉厚（ｚ軸方向の透明体の長さ。以下同じ）が厚くなり、また、面Ａと面Ｂの肉厚も厚くなるため、全体的に第１の光学系１が大型化している。
【０１３４】
本数値実施例４の光学データを表４に、中心画角主光線に対するローカルデータを表１２に示す。
【０１３５】
【表４】
0003870072.tif 000006
【０１３６】
本数値実施例４では、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。
【０１３７】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１３８】
［数値実施例５］
図１２は、数値実施例５を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１３９】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を同一媒質で満たされた透明体（光学素子）から構成される。
【０１４０】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１２までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１４１】
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。
【０１４２】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１２から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１１で反射し、Ｓ１０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に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１４３】
この数値実施例５は、数値実施例２と比べて、第１の光学系１の面Ａと面Ｂとの肉厚が薄くなっており、全体的に第１の光学系１がｚ軸方向に薄型化している。
【０１４４】
本数値実施例５の光学データを表５に、中心画角主光線に対するローカルデータを表１３に示す。
【０１４５】
【表５】
0003870072.tif 000007
【０１４６】
本数値実施例５では、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。
【０１４７】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１４８】
［数値実施例６］
図１３は、数値実施例６を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１４９】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２を同一媒質で満たされた透明体（光学素子）から構成される。
【０１５０】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１２までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１５１】
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。
【０１５２】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１２から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１１で反射し、Ｓ１０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に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１５３】
この数値実施例６は、数値実施例２と比べて、第１の光学素子１の大きさは肉厚および高さ（ｙ軸方向におけるプリズムの長さ）共にほぼ同等であるが、面Ａと面Ｃの中心画角主光線上での各ヒットポイントの曲率は、数値実施例２の面Ａと面Ｃの中心画角主光線上での各ヒットポイントの曲率に比べてそれぞれ逆符号になっている。
【０１５４】
本数値実施例６の光学データを表６に、中心画角主光線に対するローカルデータを表１４に示す。
【０１５５】
【表６】
0003870072.tif 000008
【０１５６】
本数値実施例６では、射出瞳径φ１２ｍｍ，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。
【０１５７】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１５８】
［数値実施例７］
図１４は、数値実施例７を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１５９】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１（Ｓ１２と同一面）を同一媒質で満たされた透明体（光学素子）から構成される。第１の光学素子１と第２の光学系２の光学素子はＳ９において接合されている。
【０１６０】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１１までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１６１】
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。
【０１６２】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１２から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１１，Ｓ１０で２回反射し、Ｓ９を通過して第１の光学素子１に向かう。第１の光学素子１に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１６３】
この数値実施例７の第１の光学系１における面Ａと面Ｃの中心画角主光線上での各ヒットポイントの曲率は、数値実施例２の面Ａと面Ｃの中心画角主光線上での各ヒットポイントの曲率に比べてそれぞれ逆符号となっており、この点は数値実施例６と同じである。
【０１６４】
なお、第２の光学系２における透過および反射の両作用を有する光学面では、反射については全反射するため、光量の損失が無い。また、第１の光学系１の大きさは、数値実施例６のものよりも小さくなっており、数値実施例５と同等の大きさである。
【０１６５】
本数値実施例７の光学データを表７に、中心画角主光線に対するローカルデータを表１５に示す。
【０１６６】
【表７】
0003870072.tif 000009
【０１６７】
本数値実施例７では、射出瞳径φ４ｍｍ，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。
【０１６８】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１６９】
［数値実施例８］
図１５は、数値実施例８を示す光学断面図である。図中の１は第１の光学系であり、３つの光学面を有した透明体（以下、第１の光学素子１ともいう）から構成されている。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１〜第３実施形態にて説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１７０】
２は第２の光学系であり、ここでは３つの光学面Ｓ１０，Ｓ１１（Ｓ１３と同一面），Ｓ１２を同一媒質で満たされた透明体（光学素子）から構成される。
【０１７１】
本数値実施例においては、Ｓ２からＳ１３までの光学面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。また、Ｓ６と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１７２】
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。
【０１７３】
画像表示面ＳＩからの光は、Ｓ１３から第２の光学系２の光学素子に入射し、Ｓ１２，Ｓ１１で２回反射し、Ｓ１０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に入射してから射出するまでの光路は数値実施例１と同様である。
【０１７４】
この数値実施例８では、第１の光学系１の面Ａと面Ｃの中心画角主光線上での各ヒットポイントの曲率は、数値実施例２の面Ａと面Ｃの中心画角主光線上での各ヒットポイントの曲率に比べて両者とも強くなっている。
【０１７５】
なお、第２の光学系２における透過および反射の両作用を有する光学面では、反射については全反射するため、光量の損失が少ない。第１の光学系１の大きさは、数値実施例３のものと同等の大きさである。
【０１７６】
本数値実施例８の光学データを表８に、中心画角主光線に対するローカルデータを表１６に示す。
【０１７７】
【表８】
0003870072.tif 000010
【０１７８】
この数値実施例では、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。
【０１７９】
また、本数値実施例は、数値実施例１と同様に、撮像光学系としても利用できる。
【０１８０】
なお、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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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の光学系内の空間の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。
【０１８３】
また、以上説明した各実施形態では、第１の光学系が、３つの光学面Ａ，Ｂ，Ｃを有した透明体により構成される場合について説明したが、本発明は、上記３つの光学面のうちいずれか又は全てがミラー部材によって構成される場合にも適用できる。
【０１８４】
【表９】
0003870072.tif 000011
【０１８５】
【表１０】
0003870072.tif 000012
【０１８６】
【表１１】
0003870072.tif 000013
【０１８７】
【表１２】
0003870072.tif 000014
【０１８８】
【表１３】
0003870072.tif 000015
【０１８９】
【表１４】
0003870072.tif 000016
【０１９０】
【表１５】
0003870072.tif 000017
【０１９１】
【表１６】
0003870072.tif 000018
【０１９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１の発明によれば、第１および第２の面の間での２回の往復を含めて第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。
【０１９３】
また、第１および第３の面に透過作用と反射作用を持たせるようにすれば、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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
また、本願第２の発明によれば、第１および第２の面の間での２回の往復を含めて第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影広画角を達成することができる。
【０１９６】
また、第１の面および第３の面に透過作用と反射作用を持たるようにすれば、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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
また、第１および第２の発明において、（１）〜（３）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の光学断面図。
【図９】本発明の数値実施例２の光学断面図。
【図１０】本発明の数値実施例３の光学断面図。
【図１１】本発明の数値実施例４の光学断面図。
【図１２】本発明の数値実施例５の光学断面図。
【図１３】本発明の数値実施例６の光学断面図。
【図１４】本発明の数値実施例７の光学断面図。
【図１５】本発明の数値実施例８の光学断面図。
【図１６】従来の表示光学系の構成図。
【図１７】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
１，１’，１”  第１の光学系
２  第２の光学系
３  画像表示素子
４  撮像素子
【図１】
0003870072.tif 000019
【図２】
0003870072.tif 000020
【図３】
0003870072.tif 000021
【図４】
0003870072.tif 000022
【図５】
0003870072.tif 000023
【図６】
0003870072.tif 000024
【図７】
0003870072.tif 000025
【図８】
0003870072.tif 000026
【図９】
0003870072.tif 000027
【図１０】
0003870072.tif 000028
【図１１】
0003870072.tif 000029
【図１２】
0003870072.tif 000030
【図１３】
0003870072.tif 000031
【図１４】
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【図１５】
0003870072.tif 000033
【図１６】
0003870072.tif 000034
【図１７】
0003870072.tif 000035