(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する映像表示手段と、前記映像を所定の位置に投影する投影光学系とを有する映像表示装置において、
前記投影光学系は、前記映像を前記観察者の眼球内の網膜上に投影する接眼光学系と、周辺屈曲光学手段を備え、
前記周辺屈曲光学手段は周辺部を有すると共に、前記接眼光学系の光学面から前記所定の位置までの間に設けられ、
前記光学面は、前記接眼光学系の光学面のうち、前記所定の位置の最も近くに位置する光学面であり、
前記周辺部は、該周辺部の内側よりも大きな正の屈折力を有すると共に、該周辺部の内側よりも大きな収差を発生させることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記接眼光学系は、少なくとも３つの光学面で囲まれた媒質の屈折率が１より大きいプリズムを含み、
前記プリズムは、前記プリズム内に前記映像表示手段からの光束を導く透過面である第１面と、前記第１面からの光束を反射する第２面と、前記第２面からの光束を前記所定の位置に向けて反射する第３面を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記周辺屈曲光学手段は、前記接眼光学系とは別体の光学素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記周辺屈曲光学手段は、前記接眼光学系の前記光学面上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、画面が視野より狭くても人間の視界に近い状況の映像を表示することによって、臨場感を損なわず見やすい頭部装着型映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ヴァーチャルリアリティという分野において、観察者の眼前部に配された光学系によって、同じく観察者の眼前部に配置した小型のディスプレイの虚像を眼球の網膜上に投影することにより映像を知覚させる頭部装着型ディスプレイ装置（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌｙ）が提案されている。この種の装置は、使用者、利用者がかかるディスプレイ装置を頭部に装着し、例えばＶＴＲ等の大画面映像や画像、音声を一人で楽しむことができる等、種々の用途への利用が期待されている。
【０００３】
この頭部装着型映像表示装置中の接眼光学系によって、映像表示素子の像を眼へ導く際、映像画面の周辺が鮮明に表示されると、映像表示領域と非映像表示領域との境界、すなわち画面の枠が認識される。したがって、暗背景の中に映像表示画面がくっきり浮かび上がる。この枠は表示されている映像の世界と観察している側の現実の世界とをはっきり隔ててしまい、臨場感が大きく損なわれてしまう。また、境界の画面枠が鮮明に強いコントラストで表示されると、どうしても観察者の心理として視線が画面の外周部近くに行きやすく、枠が気になって臨場感が得られ難い。
【０００４】
さらに、暗い背景に明るい画面が浮かび上がる状態は、観察者の眼の疲労といった観点からは好ましいといえない。
この臨場感の低下と疲労の助長をもたらしている画面の枠は、主に映像表示素子のエッジや視野絞りの像等といったものである。
【０００５】
これを改善するため、画面を十分大きくして枠が視野に入らないように、あるいは視野に入っても気にならないようにするためには、１２０°から１６０°以上もの観察画角が必要である。これ程の広画角に対応するには、収差補正のため光学系が複雑かつ大型化し、さらに、２次元映像表示素子もそれに対応するものが要求されるが、頭部に装着するタイプの映像表示装置においてはサイズの制約があり、実現性に乏しい。
【０００６】
従来、これらの問題点を解決すべく特開平８−１４６３３９号では、映像表示部の照明とは別に周囲を独立して照明できる周囲光源を設け、さらにその周囲光源の調整機構も設けることにより、表示映像周辺に輝度を持たせる技術を開示している。また、特開平５−３２８２５８号では、光学系中に乳白色の拡散透過曲板等を設けて周辺を不鮮明にする技術を開示している。さらに、特開平７−３２５２６６号では、光学系中の映像周辺に相当する部位に遮光体等を設け、映像周辺が徐々に暗く不鮮明になるようにする技術を開示している。
【０００７】
これらの技術は何れも、元々ある映像表示素子からの光を周辺に導くのではなく、新たな光源の光を周辺に導光したり、また、周辺光を故意にケルことによって映像周辺を不鮮明にする技術であるので、映像表示領域より外側の不鮮明な所には映像の情報を持つ光は導かれていない。そのため、映像自体が明るいシーンに変化しても同じように周辺が暗かったり、逆に暗いシーンでも周辺が明るいといった映像に連動しない周辺部であることの不自然さも伴う。また、実効的に画角を広げる方向の技術ではない。
【０００８】
一方、頭部装着型映像表示装置における光学系でハーフミラーと凹面鏡を用いたものやプリズムタイプの光学系（特開平６−２６８９４４号）が提案されている。これらの光学系は、頭部装着型の映像表示装置の要求仕様である小型化を満足しながら、光学系サイズの割りに広画角が得られる構成である。
【０００９】
これらの光学系の上下方向について言及すると、図６４に示すように、光学系は、映像表示素子１からの光がハーフミラー３を通過して凹面鏡２に当たり、反射光は今度はハーフミラー３で反射して観察者の眼球Ｅに投影される構成であり、凹面鏡２とハーフミラー３はそれらの中心軸が相互に略４５°をなすように配置されているため、凹面鏡２の有効径ａと観察者の眼球Ｅ側に一番近い面である射出面４の面の長さｂとが略一致する略キューブ形状である。今、射出面４と称したのは、凹面鏡２とハーフミラー３だけなら、このような面は存在しないが、物理的に図６４のＳに示すスペースを眼球Ｅ側に要するということであり、実際には、製品として用いるとき、カバーガラスであったり、プリズム光学系ならばプリズムの射出側の面ということになる。上記の構成をハーフミラー３を用いない等価な光学系として表すと、図６５のような構成になる。図６５における屈折レンズ５は凹面鏡２のパワーと等価な正の屈折力を持っており、凹面鏡２に相当する。このとき、光線を観察者の眼球Ｅに導くために光束を屈曲させる作用を持つ主たる屈折面は凹面鏡２であり、等価な光学系ではまぎれもなくレンズ５である。図６４、図６５から分かるように、屈折面と射出面４とに距離の隔たりがあるため、開口数を制限する凹面鏡２すなわちレンズ５においてそれらの端部を通過する光束は、その構成上屈折面と略同じ大きさである射出面４の端部は通過せず、端部より光軸に近い部位を通過する。これは左右方向（図面に垂直な方向）についても同じことがいえる。すなわち、射出面４において、上記の光束が通過する部位から射出面端部までのスペースＳは使用されないデッドスペースでる。
【００１０】
したがって、これらのハーフミラー３と凹面鏡２を組み合わせた光学系は、コンパクトながら広い観察画角を実現するという長所を持つ反面、射出面４においてデッドスペースＳを有するという側面を合わせ持った光学系であるということがいえる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の従来技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、観察画角が広くなくても臨場感のある、また眼が疲れ難く見やすい頭部装着型映像表示装置を提供することにある。なお、本発明における映像表示素子は特に限定はなく、公知の適用可能な全てのデバイスを意味するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示手段と、前記映像を所定の位置に投影する投影光学系とを有する映像表示装置において、
前記投影光学系は、前記映像を前記観察者の眼球内の網膜上に投影する接眼光学系と、周辺屈曲光学手段を備え、
前記周辺屈曲光学手段は周辺部を有すると共に、前記接眼光学系の光学面から前記所定の位置までの間に設けられ、
前記光学面は、前記接眼光学系の光学面のうち、前記所定の位置の最も近くに位置する光学面であり、
前記周辺部は、該周辺部の内側よりも大きな正の屈折力を有すると共に、該周辺部の内側よりも大きな収差を発生させることを特徴とするものである。
【００１３】
この場合、前記接眼光学系は、少なくとも３つの光学面で囲まれた媒質の屈折率が１より大きいプリズムを含み、
前記プリズムは、前記プリズム内に前記映像表示手段からの光束を導く透過面である第１面と、前記第１面からの光束を反射する第２面と、前記第２面からの光束を前記所定の位置に向けて反射する第３面を有するものであってもよい。
【００１４】
また、前記周辺屈曲光学手段は、前記接眼光学系とは別体の光学素子であってもよい。
【００１５】
また、前記周辺屈曲光学手段は、前記接眼光学系の前記光学面上に形成されていてもよい。
【００１７】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用、さらには、その変形について説明する。
スクリーン等に投影して映像を観察する投影光学系において、臨場感を高めるため大画面にして観察画角を広げる工夫があるが、更に臨場感を増すために、投影光学系が、映像表示手段周辺からの光束の一部を映像画面の映像表示領域内側及び外側に分配する周辺屈曲光学手段を備えており、この周辺屈曲光学手段により周辺映像を徐々にぼかす。
【００１８】
また、スクリーン等に投影して映像を観察する投影光学系において、臨場感を高めるため大画面にして観察画角を広げる工夫があるが、更に臨場感を増すために、映像表示領域の周辺における屈折力（透過屈折力、反射屈折力、回折屈折力。焦点距離の逆数）が主表示領域の屈折力よりも正の方向に大きい屈折、反射又は回折作用を持つ端部を有するようにして、映像を投影する光学系における映像周辺の大きな屈折力により、周辺映像を徐々にぼかす。これにより、次のような効果が生まれる。
【００１９】
映像表示領域周辺まで映像が鮮鋭であると、スクリーンの端部で映像は急になくなり、この端部が映像の世界と現実世界との境界をはっきり示してしまい、あくまで現実の世界から映像の世界を見てるという感覚になり、臨場感を損なう原因になる。この端部を徐々にぼかすことにより、現実世界と映像の世界との隔たりをぼかし、よって臨場感の向上につながる。
【００２０】
なお、その作用は、周辺屈曲光学手段による光束の分配が連続的な分布であり、また、映像画面の映像表示領域の最大画角を越えた角度での分配を含むことがその効果を得る上でより望ましい。
【００２１】
次に、投影光学系を映像を観察者の眼球内の網膜上に投影する接眼光学系とする。そして、接眼光学系における屈折面あるいは反射面の周辺を工夫することによって、臨場感を損なう原因となる観察視野周辺における映像表示領域と非映像表示領域との境界、すなわち画面の枠を目立たなくし、注視している領域近傍は高い解像力を持つが周辺においては解像力が低い、言い換えれば、徐々にぼけて暗くなっていくという人間の自然な視野に近い状況を作り出し、さらに、元々の映像表示領域周辺にも光を導光することによって、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００２２】
具体的な工夫だが、接眼光学系の映像表示領域周辺に相当する部位の光の屈折力が主表示領域部における光の屈折力よりも正に大きくなっている。これによって、映像に非点隔差、ディストーション、コマ等の収差が生じる。また、屈折力が大きくなっているということは、映像表示素子周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子上における射出角が大きな光束も眼に導光することができ、それによって収差が生じており、従来、明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光が導け、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００２３】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系であることが望ましい。このような透過及び反射作用を有する面を含む接眼光学系は、光線を折り返して眼に導くことで、コンパクトな構成で映像を表示できる。この光学系における映像周辺に相当する部位の屈折力を大きくすることによって、映像の周辺領域に新たに光が導かれ、さらにその光は結像性が悪いため、周辺がぼけた映像を作り出す。これにより、コンパクトながら、その表示映像は映像世界と現実世界とを分け隔てる境界がぼかされた臨場感のある光学系を提供することができる。
【００２４】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、その凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過鏡とを具備しており、さらに、凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点より凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっているようにすることができる。
【００２５】
このような半透過鏡（ハーフミラー）と凹面鏡を具備した光学系は、従来技術の問題点に関して述べたように、コンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である。この光学系の凹面鏡が、周辺領域の接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点より凹面鏡側に近づいている形状を有している、すなわち、周辺領域が主領域に比べ急峻な形状を有していることによって、周辺領域の屈折力が大きくなり、映像に非点隔差、ディストーション、コマ収差が生じ、その領域に映像表示素子周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子における射出角の大きな光束も眼に導光することができ、境界部を徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００２６】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配された凹面鏡と、映像表示手段から発せられた光束を凹面鏡に導き、その凹面鏡で反射された光束を観察者の眼球に導くように、観察者の眼球と凹面鏡との間に配された半透過鏡とを具備しており、さらに、その凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点より凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっているようにすることができる。
【００２７】
この場合も上記の光学系と同様に、ハーフミラーと凹面鏡を具備したコンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系において、凹面鏡の周辺領域が主領域に比べ急峻な形状を有していることによって、周辺領域の屈折力が大きくなり、映像に非点隔差、ディストーション、コマ等の収差が生じ、その領域に映像表示素子周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子における射出角の大きな光束も眼に導光することができ、境界部を徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００２８】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配された凹面鏡と、映像表示手段から発せられた光束を凹面鏡に導き、その凹面鏡で反射された光束を観察者の眼球に導くように、観察者の眼球と凹面鏡との間に配された半透過部を有する接合プリズムとを具備しており、さらに、その凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点より凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっているようにすることができる。
【００２９】
この場合、凹面鏡と接合プリズムを具備したプリズム光学系は、前記の凹面鏡とハーフミラーを組み合わせた光学系より倍率が高いため、さらにコンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である。このプリズム光学系中の凹面鏡の周辺領域が主領域に比べ急峻な形状を有していることによって、周辺領域の屈折力が大きくなり、急峻でない場合に比べて映像周辺部に非点隔差、ディストーション、コマ等の収差を効果的に生じさせ、さらに、その屈折力により映像表示素子周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子における射出角の大きな光束も眼に導光することによって、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００３０】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、その凹面鏡で反射された光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムとを具備しており、さらに、その凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と凹面鏡の光軸とが交わる点より凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっているようにすることができる。
【００３１】
この場合、上記と同様に、凹面鏡と接合プリズムを具備したプリズム光学系は、コンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系であり、このプリズム光学系中の凹面鏡の周辺領域が主領域に比べ急峻な形状を有していることによって、周辺領域の屈折力が大きくなり、急峻でない場合に比べて映像周辺部に効果的に収差を生じさせ、さらに、その屈折力により映像表示素子周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子における射出角の大きな光束も眼に導光することによって、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００３２】
また、その接眼光学系は、観察者の眼球と主たる屈折力を有する光学手段との光路中に、映像表示周辺に対する光束の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備するものとすることができる。
【００３３】
このように、接眼光学系における主たる屈折力を有する光学手段より観察者の眼球側に映像表示領域周辺部に対応する屈折力が主表示領域部における屈折力よりも正に大きい特殊な光学手段を配設することによって、映像表示素子周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子における射出角が大きな光束を眼に導光することができる。また、周辺部の屈折力の影響を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最周辺を形成する光束よりもより大きな入射角をもって眼球に入射するようにすることによって、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光が導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００３４】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系を有するものとすることができる。
【００３５】
上記のような透過及び反射作用を有する接眼光学系は、光線を折り返して眼に導くことで、コンパクトな構成で映像を表示できる点で好適であるが、同時に、使用されない領域を持つ。すなわち、光線を眼に導く働きをする屈折力を持つ光学系よりも眼側に光学系が存在すると、その光学系における光線が通過する有効領域の屈折力を持つ光学系への射影は、屈折力を持つ光学系によって光線が絞られ、眼に向かって屈折するため、必ず屈折力を持つ光学系よりも小さい。透過あるいは反射作用を持つ光学系は屈折力を持つ光学系よりも眼側に配されることによりコンパクトになるため、必ず周辺において使用されない領域や空間が存在する。この使用されない領域や空間に光線を屈折（あるいは、回折、反射）させるパワーを持たせる、つまり、周辺屈曲光学手段を配すると、映像の周辺領域に新たに光が導かれ、さらにその光は結像性は悪いため、周辺がぼけた映像を作り出す。これにより、元々の表示画角が広くなくても、映像世界と現実世界とを分け隔てる境界がぼかされ、臨場感のある映像を提供することができる。
【００３６】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過鏡と、半透過鏡と観察者の眼球との光路中に配置された映像表示素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備するものとすることができる。
【００３７】
ハーフミラーと凹面鏡を具備した接眼光学系は、前記従来技術の問題点に関して述べたように、コンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である反面、射出側において必ずデッドスペースが存在する。周辺屈曲光学手段をこの射出側付近に設けて、上記デッドスペースに相当する部位近傍に新たに屈折力を持たせ、その屈折力を、その影響を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最周辺を形成する光束よりもより大きな入射角をもって眼球に入射するようなものにすることによって、従来は眼球に導かれることがなかった光束を眼に導光でき、また、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光を導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００３８】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配された凹面鏡と、映像表示手段から発せられた光束を凹面鏡に導き、凹面鏡で反射された光束を観察者の眼球に導くように、観察者の眼球と凹面鏡との間に配された半透過鏡と、その半透過鏡と観察者の眼球との光路中に配置された映像表素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備するものとすることができる。
【００３９】
上記の光学系と同様に、この場合も、ハーフミラーと凹面鏡を具備したコンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系の射出側付近に周辺屈曲光学手段を設けることによって、上記光学系のデッドスペースに相当する部位近傍に屈折力を持たせ、さらにその周辺屈曲光学手段の屈折力を、その影響を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最周辺を形成する光束よりもより大きな入射角をもって眼球に入射するようなものにすることによって、従来は眼球に導かれることがなかった光束を眼に導光できる。また、従来、明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光が導くことができ、結果的に光学系の大きさを大きくすることなく表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００４０】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、この接合プリズムと観察者の眼球との光路中に配置された映像表素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備するものとすることができる。
【００４１】
この場合も、凹面鏡と接合プリズムを具備したプリズム光学系は、コンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である反面、必ず射出側においてデッドスペースが存在する。周辺屈曲光学手段をプリズム射出面付近に設けて、上記デッドスペースに相当する部位近傍に新たに屈折力を持たせ、その屈折力を、その影響を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最周辺を形成する光束よりもより大きな入射角をもって眼球に入射するようなものにすることによって、従来は眼球に導かれることがなかった光束を眼に導光でき、また、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光が導くことができ、結果的に光学系の大きさを大きくすることなく、表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００４２】
また、その接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、その接合プリズムと観察者の眼球との光路中に配置された映像表素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備するものとすることができる。
【００４３】
この場合も、上記と同様に、凹面鏡と接合プリズムを具備したプリズム光学系は、コンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である反面、必ず射出側においてデッドスペースが存在する。周辺屈曲光学手段をプリズム射出面付近に設けて、上記デッドスペースに相当する部位近傍に新たに屈折力を持たせ、その屈折力を、その影響を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最周辺を形成する光束よりもより大きな入射角をもって眼球に入射するようなものにすることによって、従来は眼球に導かれることがなかった光束を眼に導光でき、また、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光が導くことができ、結果的に光学系の大きさを大きくすることなく、表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００４４】
また、上記の周辺屈曲光学手段は、周辺に向かうにつれて緩やかに屈折力が強くなる分布を有するものとすることができる。
【００４５】
周辺屈曲光学手段の部位に応じて屈折力が変化していることによって、これを通過する場所による光線の屈曲角をコントロールすることができ、例えば逆光線追跡にてこれを通過した光束が全て主たる屈折面や凹面鏡の端部に到達するようなものにすることができる。
【００４６】
このとき、周辺屈曲光学手段の屈曲作用は、元々眼には導かれなかった光線をその屈折力で眼に導光するものであるが、逆光線追跡にて眼からの射出角が大きい光線程屈折力が強くないと、光学系中においてケラレてしまい、映像表示素子に到達しない。
【００４７】
また、屈折力が強い所を通過した光線は、周辺屈曲光学手段がなければケラレていたのを、その屈折力により映像表示素子に到達させるようなものであるため、逆光線追跡では映像表示素子の周辺よりも中央側に到達する。すなわち、元々の周辺の外側の画像はまた周辺から中央に向かう画像になるが、このとき、余り中央からの画像であると、映像が不連続になり不自然である。したがって、屈折力は周辺に行くに従って緩やかに強くなっていくものであることが好適である。このとき、緩やかさは連続的でもよいし、段階的に強くなっていくのでもよい。この作用を有することによって、周辺からその外側にかけてなめらかに光が導け、光学系を大きくすることなく、従来では正規の映像との明暗のコントラストが強い暗部に光を導くことができ、映像が不連続になることなく自然な形で、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができる。さらに、その映像は映像周辺から自然に繋がる劣化した映像なので、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００４８】
また、上記の周辺屈曲光学手段の屈折力の大きい周辺における屈曲作用を受けた光束と、主表示領域における屈曲作用を受けた光束とが、射出瞳からの逆光線追跡にて到達する映像表示素子面上での２つの領域は、互いに一部が重なり合っているものとすることができる。
【００４９】
周辺屈曲光学手段の屈折力が、その周辺における大きな屈折力を受ける光束と、周辺程大きくない主領域における屈折力を受けた光束とが、逆光線追跡にて到達する映像表示素子面上での領域がオーバーラップするようなものであるということは、光学系中の主たる屈折面でそれぞれの光束が通過する領域がオーバーラップしていることになる。
【００５０】
観察者の眼からの光束は、逆追跡にて光学系中でケラレることなくオーバーラップしても、どの領域でもよいから主たる屈折面を通過することによって映像表示素子に到達できる。このことは、実際にその眼球への入射角をなした光線が存在することを意味し、裏を返せば、映像表示素子の中央寄りから発せられた光でも眼球への入射角を大きくできる。したがって、光学系を大きくすることなく、表示画角が大きくなったと感じさせることができ、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００５１】
また、上記の周辺屈曲光学手段は、射出瞳からの光線逆追跡にて、周辺屈曲光学手段の屈折力が大きい周辺部を通過した光線は、主たる屈折力を有する光学手段の端部近傍又は映像表示手段の表示領域端部近傍に到達する作用を有するものとすることができる。
【００５２】
頭部装着型の映像表示装置では、できるだけ装置を小型にしたいため、光学系も小型のものにしたいという要求がある。光学系をできるだけ小さくするため、映像の最周辺から発せられた光束が凹面鏡等の主たる屈折力を有するレンズや光学素子の周端を通過し、観察者瞳孔に導かれるように、主たる屈折力を有する光学素子のサイズを決定すれば、それらのサイズから略決定する光学系全体のサイズは、達成できる表示画角とのバランスがとれたものになる。すなわち、要求される表示画角を満足しながら、大きすぎない光学系である。
【００５３】
このとき、周辺屈曲光学手段の作用を以下のようなものにすると、光学系の大きさを大きくすることなく、臨場感のある映像を提供することができる。
周辺屈曲光学手段の屈曲作用は、図１５に示すように、眼球Ｅからの逆光線追跡によれば、周辺屈曲光学手段１４（この図の場合は、フレネルレンズで構成されている。）を通過した光線が凹面鏡２端部を通過するようなものにする。なお、図１５については後述する。
【００５４】
ここで、逆光線追跡にて映像表示素子１の最周辺に到る光線が観察者眼球Ｅから射出する角度ｕは表示映像の半画角に相当するが、この角度付近、更にこれより角度の大きい光線が周辺屈曲光学手段１４の作用を受ける。この作用を受けた光線は、凹面鏡２の端部を通過することによって映像表示素子１の最周辺より内側に到達する。周辺屈曲光学手段１４の屈曲作用が一様であれば、眼球Ｅに入射する角度が大きい光線程映像表示素子１の内側から発せられた光線となる。このとき、表示映像は、周辺屈曲光学手段１４の作用を受けない結像性の良い正規の映像の外側に、結像性の劣化した映像が存在し、その映像は外側に行く程映像表示素子の中央の絵になる。映像の自然さから考えると、逆光線追跡にて周辺屈曲光学手段１４を通過した光の凹面鏡２における通過点が中央に近づく程、映像表示素子１の中央に到達し、正規の表示映像の外側に不連続に中央の映像が表示されてしまうことになるので好ましくないが、逆光線追跡にて周辺屈曲光学手段１４を通過した光線が、凹面鏡２の端部に到達するようにすることによって、このことが軽減できる。
【００５５】
以上のことから明らかなように、周辺屈曲光学手段がそれを通過した光線が凹面鏡の端部を通過するような作用を有することによって、光学系を大きくすることなく、従来正規の映像の外側の正規の映像との明暗のコントラストが強い暗部に光が導け、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができ、さらに、その映像は映像周辺から自然に繋がる劣化した映像なので、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００５６】
また、映像表示素子の中央から垂直に射出し眼球に到る光線を光軸とし、主光線を射出瞳中心を通過する光線、あるいは、画面中心を注視したときの眼球の瞳孔中心を通過する光線とするとき、上記の周辺屈曲光学手段は、映像表示素子の最周辺を射出した主光線が周辺屈曲光学手段面上に到達する位置から光軸側に２．５ｍｍ、光軸と逆側に２．５ｍｍ以内の領域で屈折作用を持ち始め、その領域から光軸と逆方向側に屈折作用を有しているように配設されているものとすることができる。
【００５７】
人間の瞳孔径は個人差こそあれ、大体が３ｍｍから５ｍｍである。暗い環境であれば瞳孔径は大きくなる。ここで、光学系の射出瞳径が５ｍｍ程度以上であれば、映像周辺まで見ることができる。また、映像表示素子から発せられた光束が観察者眼球に入射するときの光束径が上記の値を持つ場合、この光束の中のどれだけの光線が周辺屈曲光学手段の作用を受けるかで、すなわちどれだけの光線が周辺屈曲光学手段を通過するかで、映像の見え方が変わってくる。これは、後で説明する図１７に示すように、周辺にのみ作用するように周辺屈曲光学手段１４を配するが、映像表示手段１から発せられる光束は周辺に近づくにつれて周辺屈曲光学手段１４の作用を受ける割合が増してくる。このとき、映像表示素子１最周辺から射出した光束の一部あるいは全部に（図６１、図６２、図６３）この周辺屈曲光学手段１４が作用するように（図６１の場合は、ＬＣＤ最周辺光束が周辺屈曲光学手段１４の内側エッジに接している。図６２の場合は、ＬＣＤ最周辺光束が周辺屈曲光学手段１４に半分がかかっている。図６３場合は、ＬＣＤ最周辺光束が周辺屈曲光学手段１４に全部がかかっている。）、周辺から垂直に射出する光の周辺屈曲光学手段１４での到達位置から光束分、すなわち５ｍｍ程度内に屈折作用を有する部分のエッジがくるような配置にすれば、映像としては周辺付近で徐々にぼけている映像になる。
【００５８】
さらに、そこから外側に周辺屈曲光学手段１４の作用域があれば、映像表示素子１の周辺から内側にかけて光を眼球Ｅに上記光線より外側から導光できることにより、正規像最周辺の外側も暗くなく、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができ、さらに、その映像は映像周辺から自然に繋がる劣化した映像なので、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００５９】
上記の場合、屈折作用を持ち始める領域は、光軸側に０．５ｍｍ、光軸と逆側に０．５ｍｍ以内の領域であるようにすることができる。
上記のように瞳を形成している光束の中、どれだけが周辺屈曲光学手段の作用を受けるか、すわなちどれだけが周辺屈曲光学手段を通過するかで、映像の見え方が変わってくる。このとき、図６２に示すように（図では、上方向の最周辺の光束）、周辺屈曲光学手段の光軸側最端部が、映像表示素子最周辺から発せられた光束が眼球に向かう際の主光線が当たる位置になるようにすれば、この主光線より上側（外側）の光束は周辺屈曲光学手段の作用を受け、下側（内側）の光束は作用を受けないことになる。
【００６０】
そのため、この主光線の到達位置から個人差や誤差を加味して±０．５ｍｍ以内の領域に作用域の始まりが位置するようにすれば、下記の作用を実現できる。
作用を受けない光束が解像の良い正規の映像を形成する光束で、作用を受けた光束が正規の映像の周辺に導かれ、表示画角を広げる効果を生み出す光束なので、丁度正規の最周辺の映像は映像表示素子最周辺から発せられた光束の５０％の光量で形成されることになる。この最周辺より内側の映像は、周辺屈曲光学手段にかかる光量が５０％より少なくなるので、内側に向かうにつれて正規映像の光量が増加する。逆に、後で説明する図２３に示すグラフから明らかなように、周辺屈曲光学手段の作用を受ける正規でない光量が減少する。一方、逆光線追跡によれば、映像表示素子最周辺の光束より大きな射出角で眼球より射出する光は、上記光学系サイズの考えに基づいて凹面鏡又は主たる屈折面の端部によってケラレてしまうので、最早正規映像はなくなってしまう。主たる屈折面や凹面鏡は実質開口絞りの役目をなしているといえる。正規でない光量は逆に増加して行く。
【００６１】
図２３のグラフで分かるように、周辺での正規映像と正規でない映像の繋がり具合は、周辺屈曲光学手段の作用をもっと内側の光線から作用を受けるように配すれば、正規の映像の画角が狭くなり、もっと外の光線から作用を受けるようにすると、映像表示素子最周辺から発せられた光線より大きい入射角を持って眼球に入る光線は作用を受けなければケラレてしまうので、正規映像の最周辺での落ち込みは変わらず、正規でない映像に関してその作用を受け始めるグラフの立ち上がりは遅くなり（入射角が大きくなり）、グラフ全体が右にシフトするだけだから、映像の繋がり具合が悪くなる。以上の正規映像の表示画角と映像の繋がり具合の２点を考慮したバランスから、映像表示素子最周辺から発せられる光束の主光線が周辺屈曲光学手段の作用を受け始めるようになるように周辺屈曲光学手段を配すれば、徐々に周辺屈曲光学手段の作用によって光を眼球に上記光線より外側から導光できることにより、正規像最周辺より外側も暗くなく、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができ、さらに、その映像は映像周辺から自然に繋がる劣化した映像なので、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００６２】
また、前記の場合、屈折作用を持ち始める領域は、光軸側に１．５ｍｍ、光軸と逆側に２．５ｍｍ以内の領域であるようにすることができる。
上記したように、瞳を形成している光束の中、どれだけが周辺屈曲光学手段を通過するかで映像の見え方が変わってくる。このとき、図６３に示すように（図では上方向の最周辺の光束）、周辺屈曲光学手段の作用の受け始め位置が、映像表示素子最周辺から発せられた瞳を形成する従属光線を含めた光束全てになるように、作用開始点の位置を映像表示素子最周辺から垂直に射出する光線の周辺屈曲手段上での到達位置から光束半分分中央側、すなわち、環境差、個人差も含めて射出瞳径の半分である２ｍｍ中央側から上下左右に±０．５ｍｍ以内にすれば、下記の作用効果が得られる。
【００６３】
上記の位置では、図２３のグラフは後で詳細に説明する図２６に示すように変わり、周辺屈曲光学手段の作用の受け始めの眼球への入射角が小さくなり、さらに最周辺で０％になるようになる。これを正規光量と正規でない光量を合わせた総光量でならすと、グラフはフラットになる（図２７）ので、明るさの変化が周辺付近で不連続にならず、自然な形で表示画角が大きくなったと感じさせることができ、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００６４】
また、上記の周辺屈曲光学手段はフレネル光学素子から構成することができる。すなわち、周辺屈曲光学手段は、光学系における主たる屈折面より眼球側に配されるため、光学系により定まるアイリリーフをその手段分だけ小さくすることになる。頭部装着型の装置においては、アイリリーフはメガネを使用することも考慮しできるだけ長くとりたいので、薄型の光学手段で光を効率的に屈折させたい。フレネル光学素子であれば薄型であるので、アイリリーフをそれほど短くすることなく、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００６５】
また、上記の周辺屈曲光学手段は回折光学素子から構成することができる。上記のように、周辺屈曲光学手段はできるだけ薄型でありながら、光を効率的に屈折させる手段が適している。回折光学素子であれば極めて薄型であるので、アイリリーフをそれほど短くすることなく、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００６６】
また、観察者の眼球に一番近い最終射出面が周辺屈曲光学手段を兼ねているものとすることができる。すなわち、接眼光学系を接合プリズムを含むものとするとき、前述の通り射出面においてデッドスペースが存在する。また、上記したように、周辺屈曲光学手段は、光学系における主たる屈折面より眼球側に配されるため、光学系により定まるアイリリーフをその手段分だけ小さくすることになる。以上の２点から、プリズム光学系のデッドスペース付近に本発明による周辺屈曲作用を持たせれば、光学系の光学素子点数を増やすことなく、また、アイリリーフを狭めることなく、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００６７】
また、前記の接眼光学系は、主たる屈折面は周辺において正の屈折力が弱くなる非球面を有し、その非球面周辺の作用を受けた光束を観察者の瞳孔に導く働きを有する正の方向に大きい屈折力を有する周辺屈曲光学手段を具備するものとすることができる。
【００６８】
接眼光学系における主たる屈折力を有する光学手段が、周辺部に行くに従って正の屈折力が徐々に弱まり、場合によっては負に転じるような非球面を有することにより、映像表示素子周辺から発せられた周辺の非球面を通過する光線が光軸側と逆方向に屈曲し、それらの光束を周辺部における屈折力が主表示領域における屈折力よりも正に大きい周辺屈曲光学手段により観察者眼球に導光することができる。これは、周辺から発せられた光線の中この作用を受けた光線が、この作用を受けない光線よりも大きな入射角で眼球に入射することを意味し、周辺において非点隔差、ディストーション、コマ等の収差が発生すると共に、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光を導くことができる。すなわち、映像としてはこの作用を持たせず周辺まで収差がとれた明確な映像と比較すると、周辺部位が外に流れて行き映像が広がったような像になり、しかも、従来像がなく暗部であった領域は十分明るくなり、結果的に表示画角が大きくなった像になる。また、周辺は収差のためぼけて行くので、人間の自然な視界に近い状況を作り出すことができ、これにより正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００６９】
また、この場合も、接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系を有するものとすることができる。
【００７０】
この場合、光線を折り返して眼に導くことでコンパクトさを実現している透過及び反射作用を有する接眼光学系中の主たる屈折力を有する光学系の周辺に負の非球面を持たせることにより、そこを通過する光線は広げられる。また、本光学系で必ず存在する使用されない領域や空間に上記広げられた光線を屈曲させるパワーを持たせれば、つまり、周辺屈曲光学手段を配すれば、映像の周辺領域に眼への入射角が大きくなった光が導かれ、さらにその光は結像性は悪いため、周辺がぼけた映像を作り出す。これにより、元々の表示画角が広くなくても映像世界と現実世界とを分け隔てる境界がぼかされ、臨場感のある映像を提供することができる。
【００７１】
また、その際、接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足し、映像の周辺領域に対する正の屈折力が映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過鏡と、その半透過鏡と観察者の眼球との光路中に配置された映像の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備するものとすることができる。
【００７２】
ハーフミラーと凹面鏡を具備した光学系において、凹面鏡の周辺部位に行くに従って屈折力が弱くなり、場合によっては負の屈折力になるような非球面領域を付加することによって、映像表示素子周辺から発せられた光束は凹面鏡の光軸方向に収束せず、場合によっては逆方向に広がる。さらに、この光学系はコンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である反面、必ず射出側においてデッドスペースが存在するので、周辺屈曲光学手段をこの射出側付近に設けて、上記デッドスペースに相当する部位近傍に新たに屈折力を持たせる。上記の屈折力が弱まる非球面により、主領域の光束群と比較すると光軸方向に収束する働きが弱まる。これら周辺の非球面の作用を受けた光束は、このデッドスペース近傍の正の大きな屈折力により観察者眼球に導かれる。このことは、この一連の作用を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最も周辺を形成する光束よりもより大きな入射角をもって眼球に入射することを意味する。すなわち、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも十分光が導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部より外側を非点隔差、ディストーション、コマ収差等により徐々にぼけて行く映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００７３】
また、その際、接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配置され、映像の周辺領域に対する正の屈折力が映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、映像表示手段から発せられた光束をその凹面鏡に導き、凹面鏡で反射された光束を観察者の眼球に導くように、観察者の眼球と凹面鏡との間に配された半透過鏡と、その半透過鏡と観察者の眼球との光路中に配置された映像の周辺領域に対する屈折力が映像の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備するものとすることができる。
【００７４】
前記の接眼光学系と同様に、ハーフミラーと凹面鏡を具備した接眼光学系において、凹面鏡の周辺部位に屈折力が弱まるような非球面領域を付加することによって、映像表示素子周辺から発せられた光束は凹面鏡の光軸方向に収束する働きが弱まり、場合によっては光軸とは逆方向に広がり、上記デッドスペースに相当する部位近傍に設けられた周辺屈曲光学手段の屈折力により、観察者眼球に導かれる。これにより、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも十分光を導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部より外側を非点隔差、ディストーション、コマ等の収差等により徐々にぼけていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００７５】
また、その際、接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足し、映像の周辺領域に対する正の屈折力が映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、その接合プリズムと観察者の眼球との光路中に配置された映像の周辺領域に対する屈折力が映像の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備するものとすることができる。
【００７６】
凹面鏡と接合プリズムを具備した接眼プリズム光学系において、凹面鏡の周辺部位の屈折力が主部位に比べて弱まる非球面領域を付加することによって、映像表示素子周辺から発せられた光束は凹面鏡の光軸方向に収束する働きが弱まり、場合によっては光軸と逆方向に広がる。また、本接眼光学系はコンパクトながら広い画角の映像を提供できる光学系である反面、射出側において必ずデッドスペースが存在するので、プリズム射出面の上記デッドスペースに相当する部位近傍に新たに周辺屈曲光学手段を設けて、この屈折力により上記非球面により光軸方向への収束作用が弱まった光が観察者眼球に導かれる。これにより、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも十分光を導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部より外側を非点隔差、ディストーション、コマ等の収差により徐々にぼけていく映像を作り出すことができる。以上により、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００７７】
また、その際、接眼光学系は、映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、光軸が映像表示手段の法線と交差するように配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足し、映像の周辺領域に対する正の屈折力が映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、その凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、凹面鏡と映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、その接合プリズムと観察者の眼球との光路中に配置された映像の周辺領域に対する屈折力が映像の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備するものとすることができる。
【００７８】
前記の接眼光学系と同様に、凹面鏡と接合プリズムを具備した接眼プリズム光学系において、凹面鏡の周辺部位に屈折力が弱まるような非球面領域を付加することによって、映像表示素子周辺から発せられた光束は凹面鏡の光軸方向へ収束する働きが弱まり、場合によっては光軸とは逆方向に広がり、プリズム射出面のデッドスペースに相当する部位近傍に設けられた周辺屈曲光学手段の屈折力により観察者眼球に導かれる。これらの作用を受けた光束が、影響を受けない解像の良い正規の映像の最周辺を形成する光束よりも、より大きな入射角をもって眼球に入射し、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも十分光を導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができる。また、境界部より外側を非点隔差、ディストーション、コマ等の収差等により徐々にぼけていく映像を作り出すことができる。以上により、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００７９】
以上において、周辺屈曲光学手段は、周辺に向かうにつれて緩やかに屈折力が強くなる分布を有するものとすることができる。
周辺屈曲光学手段の屈曲作用は、元々眼には導かれなかった光線をその屈折力で眼に導光するものであるが、逆光線追跡にて眼からの射出角が大きい光線程その屈折力が強ければ、主たる周辺屈曲光学手段周辺の非球面によって光軸方向への収束が弱まった光を眼に導くことができる。このとき、周辺の非球面による屈折力は周辺に行く程滑らかにそのパワーを減ずる方向に移行するので、正の屈曲作用もこれに準じて周辺に行く程徐々に強くすれば、これら一連の作用を受けずに眼に入射する入射角よりも大きな角度で眼に導光することができるため、映像周辺が伸びて画角が広がったような効果が出せる。例えば、逆光線追跡にて周辺屈曲光学手段を通過し、さらに屈折力が弱くなっている非球面を通過した光束が映像表示素子の周辺部付近に到達するような屈折力分布にすることにより、周辺からその外側にかけて滑らかに光が導け、映像が不連続になることなく自然な形で表示画角が大きくなったと感じさせることができ、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００８０】
また、以上において、周辺屈曲光学手段の屈折力の大きい周辺における屈曲作用を受けた光束と、主表示領域における屈曲作用を受けた光束とが、射出瞳からの逆光線追跡にて到達する映像表示素子面上での２つの領域は、互いに一部が重なり合っているものとすることができる。
【００８１】
周辺屈曲光学手段の周辺における大きな屈折力を受ける光束と、周辺程大きくない主領域における屈折力を受けた光束とが、逆光線追跡にて到達する映像表示素子面上での領域がオーバーラップするようなものであるということは、光学系中の主たる屈折面でそれぞれの光束が通過する領域がオーバーラップしていることになる。この主たる屈折面の周辺に屈折力が弱くなっている非球面が存在することによって、映像表示素子内に到達が可能になる。観察者の眼からの光束は、逆追跡にて光学系中でケラレることなくオーバーラップしても、どの領域でもよいから映像表示素子に到達できるような屈折力配分にすることによって、映像表示素子から発せられた光をその周辺において眼球への入射角を大きくすることができる。したがって、光学系を大きくすることなく、表示画角が大きくなったと感じさせることができ、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００８２】
また、この場合も、周辺屈曲光学手段はフレネル光学素子とすることができる。周辺屈曲光学手段は、光学系における主たる屈折面より眼球側に配されるため、光学系により定まるアイリリーフをその手段分だけ小さくすることになる。頭部装着型の映像表示装置においては、アイリリーフは長くとりたいので、できるだけ薄型の光学手段で光を効率的に屈曲させたい。フレネル光学素子であれば薄型であるので、アイリリーフをそれ程短くすることなく、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００８３】
また、周辺屈曲光学手段は回折光学素子とすることができる。上記と同様に、周辺屈曲光学手段はできるだけ薄型でありながら、光を効率的に屈曲させる手段が適している。回折光学素子であれば極めて薄型であるので、アイリリーフをそれ程短くすることなく、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００８４】
また、この場合も、観察者の眼球に一番近い最終射出面が周辺屈曲光学手段を兼ねるようにすることができる。上記の接眼プリズム光学系は、前述の通り射出面においてデッドスペースが存在する。また、上記で言及したように、光学素子を射出面と眼球との間に配することはアイリリーフを狭めてしまう。以上の２点から、プリズム光学系のデッドスペース付近に本発明による屈曲作用を持たせれば、光学系の光学素子点数を増やすことなく、また、アイリリーフを狭めることなく、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００８５】
また、本発明において、投影光学系の映像表示手段に最も近い光学面を、映像表示領域の周辺における屈折力が主表示領域の屈折力よりも正の方向に大きい屈折又は反射作用を持つ端部を有するようにすることもできる。このような構成によれば、映像周辺のぼけにパララックスが少なくなり、現実世界と映像の世界との隔たりがより少なくなり、臨場感がより向上する。
【００８６】
また、投影光学系が接眼光学系の場合、その接眼光学系として、少なくとも３つの光学面を有し、その少なくとも３つの光学面で囲まれた媒質の屈折率が１より大きいプリズムを含み、そのプリズムは、観察者の眼球に最も近く眼球に向けて映像表示手段からの光束を透過する第３面と、その第３面に向けて映像表示手段からの光束を反射すべく眼球の視軸に対して傾いて配置された反射面である第２面と、そのプリズム内に映像表示手段からの光束を導く透過面である第１面とを有するものとすることができる。
【００８７】
接眼光学系をこのようなプリズムを含むものとすることにより、各種収差が補正された小型で軽量の映像表示装置を構成することができ、臨場感を損なわず見やすい頭部装着型映像表示装置を構成することができる。
【００８８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の映像表示装置のいくつかの実施例について説明する。
〔実施例１〕
図１に従来例との比較で本実施例の映像表示装置の構成を模式的に示す。映像表示装置は、照明光用光源６と、光源６からの発散光をコリメートする照明レンズ７と、照明レンズ７により平行にされた照明光が背後から照射される映像表示素子としてのＬＣＤ（液晶表示素子）１と、ＬＣＤ１に表示された映像を投影する投影レンズ５’と、投影光を制限する絞り８と、投影レンズ５’によって投影されたＬＣＤ１の表示映像が拡大投影されるスクリーン９とからなる。図１（ａ）の従来例は、ＬＣＤ１の映像を周辺までシャープに投影する投影レンズ５’を有するものであり、図１（ｂ）には、本実施例によって表示映像の周辺をぼやけさせることにより臨場感の高い映像投影ができる投影光学系を示す。映像表示素子として寸法数インチ程度のＬＣＤ１等を用いる。投影レンズ５’の略焦点位置にＬＣＤ１を配置し、その反対側のやはり略焦点位置に、スクリーン９が十分遠い場合には絞り８を、そうでなければその位置に結像レンズを配することにより、ＬＣＤ１の映像が投影される。このとき、図１（ｂ）の投影レンズ５’の周辺部の屈折力が主領域（中心領域）に比べて大きくなっていれば、図１（ｂ）に示したように、周辺においてその結像性が劣化する。これにより、周辺がぼけた投影映像となり、臨場感の向上を阻害する映像エッジがはっきり示されない映像が投影されることになる。
【００８９】
〔実施例２〕
図２（ａ）に、従来例として、接眼光学系に球面単レンズ１０を用いた映像表示装置の概略の構成（図の右）と表示画面（図の左）を示す。また、図２（ｂ）に本実施例の接眼光学系１１を用いた例を示す。何れも水平画角３０°レベルを実現している光学系とする。映像表示素子１として用いられるのは０．７インチ程度の透過型ＬＣＤ等であり、アイリリーフは約２３ｍｍ、レンズ厚約７ｍｍ、ＬＣＤ１より眼球Ｅの瞳孔まではおよそ５５ｍｍ弱といった光学系であり、何れの図も水平方向を示している。レンズの有効径は、本光学系１１が瞳径４ｍｍ（以下の実施例３〜１３も同様に瞳径４ｍｍ程度を想定しいる。）とすると、１４．２ｍｍ（映像表示素子長径）＋２×２ｍｍ（瞳半径）＝１８．２ｍｍ程度であり、焦点距離は約２６．５ｍｍである。
【００９０】
本実施例のレンズ１枚の接眼光学系１１は、周辺部位の屈折力が主表示領域に相当する部位に比べ大きくなっている。図２（ｂ）では周辺の勾配がきつくなっている非球面であるが、周辺の曲率がきつくなっていたり、硝材の屈折率が高くなっていたりすることで実現してもよい。
【００９１】
この構成により、映像表示素子１周辺から発せられた光はこの屈折力のため、光軸方向に屈曲作用を受ける。レンズ１１の屈折力が高くなる領域は、例えば水平半画角が１５°の本光学系１１において、半画角１３°からこの周辺の屈折力作用をさせるとすると、レンズ中心からｆ×ｔａｎ１３°＝６．１２ｍｍのところから屈折力が強くなるような非球面形状にすればよい。ただし、主光線傾角がないという仮定の下、その主光線が非球面になる境界を通過する状態にするとしている。
【００９２】
この結果、図２（ｂ）の左に表示画面の様子を示すように、画面周辺においては、糸巻きのディストーション、及び、非点隔差、コマ等の収差が発生し、結像性は劣化する。実際は、球面単レンズ（図２（ａ）の１０）においてもディストーション等の収差が発生し、実際よりも大きな表示画角にはなるが、本発明は故意に収差を発生させる意味で、図２（ｂ）の左の表示画面は便宜的に誇張して描いてある。このとき、１３°程度から映像のぼけがはっきりしてきて、収差によってぼけてはいるが、表示画角は若干広がる。その映像が図２（ｂ）の左に示したようなものになり、映像表示領域と非映像表示領域との境界、すなわち、映像の周辺枠が強いコントラストと共に存在する映像（図２（ａ））よりも徐々にぼけて行く映像が、人間の視野が周辺に行くに従って解像度が落ちてぼけていくという状況に近いため、自然な見え方となり、臨場感の向上した映像になる。
【００９３】
上述の例では、レンズの大きさをほとんど変えることなく、周辺の屈折力を上げている例であるが、接眼レンズ１１の大きさを大きくして解像良く表示する領域は従来例と同じ大きさで表示する例を図２（ｃ）に示す。このレンズ１１周辺の屈折力が強い部位は、映像表示素子１周辺から発せられた光線の中、従来では眼に導かれなかった図中の光線ｉを眼に導く働きを有する。この光学系１１は、水平３０°以内はあまり解像度を落とさず、画角を広げる方向の効果を出すため、レンズ１１中心から表示素子１最端部に相当する±７．１ｍｍのところから非球面にすれば、表示素子１最端部から発せられた光束の主光線が丁度非球面の境界部を通過するので、この画角からぼけが始まり、この更に外の画角の映像は周辺の屈折力を受けた光線によって作られることになる。つまり、これら屈折力を受けた光線は、正規の結像性の良い光線群よりもより大きな入射角をもって眼球Ｅに入射するので、映像としては元々ある正規の映像の外側に収差によってぼけた領域が存在する映像となる。すわなち、ぼけているとはいえ、画角が広くなったような効果を生み出すことになる。
【００９４】
〔実施例３〕
図３に実施例３の光学系の構成を示す。この光学系は、ハーフミラー３と凹面鏡２を用いた光学系である。図３は垂直断面図である。この光学系においては、映像表示素子１からの光はハーフミラー３を通過して凹面鏡２に当たり、反射光は今度はハーフミラー３で反射して観察者の眼球Ｅに投影される構成である。
【００９５】
図３から明らかなように、凹面鏡３とハーフミラー３はそれらの中心軸が略４５°をなすように配置されているため、上下関係に関しては本光学系は空間も含めると略正方形の形状を有する。この光学系において主たる屈折面は凹面鏡２である。この凹面鏡２により映像表示素子１から発せられた光束は略平行光となる。
【００９６】
この光学系は、図３に示すように、この凹面鏡２の周辺部においてその勾配が中心領域に比べ急峻になっている形状をしている。映像表示素子１から発せられた周辺の光の中、この凹面鏡２の勾配が急峻な領域で反射したものは、その急峻な形状による屈折力（反射屈折力）を受ける。その結果、映像にディストーション、非点隔差、コマ等の収差が生じる。また、周辺部の屈折力が大きくなっているということが、映像表示素子１周辺から発せられる光束の中、従来は眼球に導かれることがなかった映像表示素子１における射出角の大きな光束も眼Ｅに導光することになり、それによって収差が生じている領域に光が導け、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができる。これにより、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【００９７】
本実施例は、ＬＣＤ１の光束を眼球Ｅに導光するのに、先にハーフミラー３を透過して凹面鏡２で反射した後、ハーフミラー３で反射する光学系であるが、図４に示すように、先にハーフミラー３で反射して、後にハーフミラー３を透過する配置の場合でも、上記と全く同様の説明が成り立つ。
なお、以上の説明は垂直方向についてであるが、水平方向についても同様な説明ができる。
【００９８】
〔実施例４〕
図５に実施例４の光学系の構成を示す。この光学系は、誘電体多層膜からなるハーフミラー３を有する接合プリズム１２と凹面鏡２を用いた光学系である。映像表示素子１として０．７インチ程度のＬＣＤを用い、水平画角は、ケラレない領域が約３５°でケラレる領域も含めると約４５°として実現する。図は垂直断面図である。
【００９９】
図５から明らかなように、この光学系は、図３の光学系と同様に、凹面鏡２とハーフミラー３はそれらの中心軸が略４５°をなすように配置されているため、上下関係に関する断面は略正方形の形状を有する。直方体のプリズム１２の硝材としては、大量生産に向いているプラスチックを用いる。アイリリーフは、およそ２０ｍｍである。光学系のサイズとしては、図の垂直方向は約２０ｍｍ四方である。この光学系において主たる屈折面は凹面鏡２である。この凹面鏡２により映像表示素子１から発せられた光束は略平行光となるように、プリズム１２下部の凹面鏡２の曲率半径が決められている。
【０１００】
この光学系は、図５に示すように、プリズム１２下部の凹面鏡２の周辺部においてその勾配が中心領域に比べ急峻になっている形状を有し、この凹面鏡２の勾配が急峻な領域で反射する光は、その急峻な形状による屈折力を受ける。その結果、映像周辺部及びその外側にディストーションや非点隔差、コマ等といった収差が顕著になる。
【０１０１】
光学系の大きさを略決定するのは、プリズム１２下部の凹面鏡２のサイズであるが、凹面鏡２の大きさが同じで周辺が急峻でない場合の光学系と比較をすると、本実施例の周辺が急峻である光学系は、上記収差のため良好な結像領域が狭くなっているが、結像性の悪い領域まで含めると映像領域は広くなっている。これは、周辺部の屈折力が増しているということで、映像表示素子１周辺から発せられる光束の中、従来は眼球Ｅに導かれることがなかった映像表示素子１における射出角の大きな光束も眼Ｅに導光することができ、それによって従来暗部であった映像領域外側も光が導かれ、境界部を徐々にぼけて暗くなって行く映像を作り出すことができる。
【０１０２】
凹面鏡２のどの位置より周辺の領域が急峻になっているかによって、この映像のぼけ具合が変わってくるが、前述したように、主光線傾角がないという仮定では、凹面鏡２の焦点距離をｆ、ぼかし始めの半画角をｕとすれば、中心からおよそｆ×ｔａｎ（ｕ）のところから急峻にすれば、その画角に対応した映像表示素子１上の点から発せられた主光線から屈曲作用を受けるため、ぼけがそこから目立ち始める。このとき、図５から、周辺の急峻な領域の作用による収差がない良好な結像領域の半画角ｖは、ｖ＝ａｒｃｔａｎ［｛ｆ×ｔａｎ（ｕ）−ｄ／２｝／ｆ］という式で表せる。ここで、ｄは光学系の射出瞳径である。例えば、上記の数値から、垂直方向においてぼけ始めの半画角を１９°とすれば、周辺の屈折力の影響を全く受けない良好な結像領域の半画角ｖは１３．６°である。
【０１０３】
以上により、従来正規の映像領域の周辺の枠の外と内が明確なコントラストで結像よく表示されている人間本来の視界状況とは異なる視界から、正規の表示画角が広くなくても周辺は徐々にぼけ暗くなるという自然に近い視界により、臨場感のある映像を提供することができる。
【０１０４】
本実施例は、ＬＣＤ１の光束を眼球に導光するのに、先にプリズム１２中のハーフミラー３を透過してプリズム１２下部の凹面鏡２で反射した後、ハーフミラー３で反射する光学系であるが、図６に示すように、先にハーフミラー３で反射して、後にハーフミラー３を透過する例でも、上記と全く同様の説明が成り立つ。
なお、以上の説明は垂直方向についてであるが、水平方向についても同様な説明ができる。
【０１０５】
〔実施例５〕
図７に実施例５の光学系の構成を示す。この光学系は、球面単レンズ１０と、周辺部位に屈折力を有するか、又は、主表示領域に相当する部位に比べて周辺部位の屈折力が大きくなっている光学素子１３とを組み合わせた光学系である。この周辺部の屈折力が大きい光学素子１３は、図８の斜視図に示すような形状を有する光学素子であり、基本的に、映像中のぼかす領域とそうでない正規の領域の境界の形状、すなわち、良好な映像領域のエッジの形状に略相似した形状を持たせて、屈折力が映像領域周辺において増す作用を有するものであるが、横方向から見ると台形形状であるので、ここでは台形型光学素子１３と称することにする。
【０１０６】
この光学系において、ＬＣＤ１から発せられた光束は、ＬＣＤ１から自身の略焦点距離隔てた位置に配置された球面レンズ１０によって屈折作用を受け略平行光束となる。この中、ＬＣＤ１の主表示領域から発せられた光束は、球面レンズ１０と球面レンズの略焦点距離隔てたところに存在する眼球Ｅの間の光路中に配置された台形型光学素子１３の屈折作用を受けずに眼球Ｅに導かれ、ＬＣＤ１の周辺部から発せられた光束は、球面レンズ１０で屈折作用を受けた後、台形型光学素子１３の周辺の屈折作用により光軸方向に屈曲作用を受ける。すなわち、ディストーション、非点隔差、コマ等の収差が発生し、球面単レンズ１０のみでは図７の点線で示される光路を辿り、眼球Ｅに導かれることがなかった光束を、図７中に一点鎖線で示すように眼球Ｅに導くことができる。
【０１０７】
映像としては、周辺部に行くに従って結像性が劣化した映像となるが、人間の視野が周辺に行くに従って解像度が落ちてぼけて行くという状況に近いため、自然な見え方となり臨場感の向上する。
さらに、台形型光学素子１３の屈折力を受けた光線が、受けない光線群よりもより大きな入射角を持って眼球Ｅに入射するように台形型光学素子１３を設計することにより、結像性の良い映像の外側にディストーションと非点隔差、コマ等の収差によってぼけた領域が存在する映像となる。すなわち、ぼけているとはいえ、画角が広くなったような効果を生み出すことになる。
【０１０８】
〔実施例６〕
図９に実施例６の光学系の垂直断面図を示す。この光学系は、ハーフミラー３と凹面鏡２とをそれぞれの中心軸が相互に４５°の角度をなして交わるように配置し、さらに、ハーフミラー３と観察者眼球Ｅとの光路中に実施例５に用いた台形型光学素子１３を配設した光学系である。
【０１０９】
ハーフミラー３と凹面鏡２を具備した光学系は、前記の従来技術の問題点に述べたように、射出側において必ずデッドスペースが存在する。観察者眼球Ｅからの逆光線追跡によれば、台形型光学素子１３が配されていなければ、図１０に一点鎖線で示されるように、図中Ａの領域のデッドスペースを通過した光束は全て凹面鏡２でケラレて、ＬＣＤ１には到達しない。なぜならば、図１０に示すように、光学系のサイズを決定付ける凹面鏡２はＬＣＤ１最周辺から発せられた光束の主光線までの光束を導き、残りは凹面鏡２において光線をケルような径になっている、あるいは、図１１に示すように、定められた瞳を形成するだけの従属光線を導き、残りはケルような径になっているからである。すなわち、凹面鏡２が光学系の開口絞りの役目を果たしている。本光学系は、頭部に装着する装置を前提としたものなので、少しでもサイズを小さくするため、光学系のサイズを決定付ける凹面鏡２を上記のようなサイズにするのが妥当である。
【０１１０】
観察者眼球Ｅとハーフミラー３との光路中、上記のその構造上必ず生まれるデッドスペースに相当する部位の射出側付近に、周辺屈曲光学手段である台形型光学素子１３を設けたのが本実施例の光学系である。
この光学系において、観察者眼球Ｅから略映像中央を見ているような状況における瞳孔程度の断面積を有する平行光束は、台形型光学素子１３の影響を受けず、ハーフミラー３で反射し凹面鏡２で反射屈折作用を受け、ＬＣＤ１に収束する。一方、映像周辺を見ているような状況の平行光束は、台形型光学素子１３の影響を受ける。ここで、台形型光学素子１３がなければ、ハーフミラー３で反射し、凹面鏡２の有効径外に行くのでＬＣＤに到達しない（図１０の一点鎖線）が、台形型光学素子１３があることにより、光軸方向に屈曲作用を受け、ハーフミラー３で反射し、凹面鏡２の有効径内に到達し、凹面鏡２で反射してＬＣＤ１に到達する（図１０の点線）。この台形型光学素子１３がなかったらＬＣＤ１に到達せず、台形型光学素子１３があって初めてＬＣＤ１に到達することができる光束群によって、以下のような映像周辺効果が得られる。
【０１１１】
これらの光束群は、デッドスペースから光が眼に入射する形になるので、台形型光学素子１３がなかった場合、ケラレることなく眼Ｅに最もきつい角度で入射する光束よりも大きな角度で眼Ｅに入射する。すなわち、表示画角を広げることになる。これらの光束は、図１０に示すように、ＬＣＤ１最周辺から発せられた光束ではなく、ＬＣＤ１の最周辺から中央寄りの光束である。台形型光学素子１３の屈曲作用を受けた光束は収差を持っているため、映像周辺に行くに従って結像性が劣化した映像になる。映像において台形型光学素子１３がなかった場合の映像最周辺に相当する部分がＬＣＤ１最周辺からの光であり、そこを境界として、更にその外側の映像はＬＣＤ１最周辺から徐々に中央寄りの部分からの光により出来上がる。
【０１１２】
こうして、従来は眼球Ｅに導かれることがなかった光束を眼Ｅに導光でき、また、従来明暗のコントラストが強い境界部の暗部にも光が導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなって行く映像を作り出すことができる。これにより、本光学系のデッドスペースを有効に使うことによって、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【０１１３】
本実施例は、ＬＣＤ１の光束を眼球Ｅに導光するのに、先にハーフミラー３を透過して凹面鏡２で反射した後、ハーフミラー３で反射する光学系であるが、図４に示すように、先にハーフミラー３で反射して後にハーフミラー３を透過する例でも、上記と全く同様の説明が成り立つ。
なお、以上の説明は垂直方向についてであるが、水平方向についても同様な説明ができる。
【０１１４】
〔実施例７〕
図１２に実施例７の光学系の構成を示す。この光学系は、ＬＣＤ１から自身の略焦点距離隔てたところに球面単レンズ１０と、そこからさらに略焦点距離隔てたところに観察者眼球Ｅがあり、球面単レンズ１０と観察者眼球Ｅとの光路中、レンズ１１の近傍眼側に実施例５、６で用いた台形型光学素子１３を配設した光学系である。この光学系において、開口数を制限するのは単レンズ１０の有効径であるが、単レンズ１０はＬＣＤ１最周辺から発せられた光束の主光線がレンズ端部を通過するような有効径を有するサイズである。また、台形型光学素子１３は周辺が非球面であり、この周辺領域にて屈折力を有する光学素子である。
【０１１５】
ここで、逆光線追跡にてＬＣＤ１の最周辺に到る光線が観察者眼球Ｅから射出する角度は表示映像の半画角ｕに相当するが、この角度付近、さらに、これより角度の大きい光線がこの台形型光学素子１３の屈曲作用を受ける。この屈曲作用は、図１２に示すように、眼球Ｅからの逆光線追跡をした場合、台形型光学素子１３の周辺の屈折力のある部位を通過した光線（図中、点線）が単レンズ１０の端部に到達するようなものである。
【０１１６】
屈曲作用を受けた光線は、単レンズ１０の端部にて屈折し、ＬＣＤ１の最周辺より内側に到達するが、図１２から分かるように、眼球Ｅに入射する角度が大きい光線程ＬＣＤ１の内側から発せられた光線となる。このように、逆光線追跡にて台形型光学素子１３を通過する光線は、ＬＣＤ１最周辺から発せられた光束よりも大きな入射角で眼球に入射することを意味し、このことにより映像は以下のようになる。
【０１１７】
すなわち、表示映像は、台形型光学素子１３の屈曲作用を受けない結像性の良い正規の映像の外側に、台形型光学素子１３の屈曲作用を受けた結像性の劣化した映像が存在し、その映像は外側に行く程映像表示素子１中央よりの絵になる。台形型光学素子１３の屈曲作用が、逆光線追跡にてそれを通過した光線が単レンズ１０の端部に到達するようなものであることにより、正規の映像の外側に表示される映像を作り上げる光束のＬＣＤ１における射出元が必要以上にＬＣＤ１の中央寄りの領域からのものでないようにすることができる。
【０１１８】
厳密にいえば、正規映像の周辺近傍においては、画面中央側から周辺に向かうに従って徐々に非点隔差、ディストーション、コマ等の収差が発生し、映像がぼけている。このぼけていくぼけ具合は、図１２に示すように、ＬＣＤ１から発せられた光束の中、台形型光学素子１３を通過する光束と通過しない光束がどのくらいの割合かで決まる。そして、このぼけ具合を決定するのは、台形型光学素子１３の周辺の屈折力がＬＣＤ１のどの領域の光束から作用し始めるかである。
【０１１９】
主光線傾角がほとんどないと仮定した場合、表示素子１のサイズをＬ、球面単レンズ１０の焦点距離をｆ、瞳径をＤとし、球面レンズ１０と台形型光学素子１３とのレンズ間隔をｄとすると、ＬＣＤ１最周辺まで結像よく表示したい場合は、模式的に表した図１３に示すように、台形型光学素子１３の周辺の屈折力が強くなる領域は、レンズ中央からＡの所から屈折力を強くすれば、所望の結果が得られる。このＡは、図の幾何的な関係から、Ａ＝（Ｌｆ−Ｌｄ＋Ｄｆ）／２ｆと表すことができる。
【０１２０】
これは、瞳径分の光束は台形型光学素子１３の周辺の屈折力を作用させないようにし、周辺屈折力は更なる外側の光線を取り込むことに寄与し、画角を広げるような効果を生む状態である。
【０１２１】
また、図１４に示すように、台形型光学素子１３の屈折力がＬＣＤ１の最周辺よりかなり内側から作用し始める、例えば、ＬＣＤ１最周辺で１００％ぼけている状態になるためには、Ａは図の幾何的な関係から、Ａ＝（Ｌｆ−Ｌｄ−Ｄｆ）／２ｆとなる。このとき、図１４の点線で示される画角までが良好な結像範囲であり、その画角は、図１４から、ｔａｎ-1｛（Ａ−Ｄ／２）／（ｆ−ｄ）｝である。これは、画像の最周辺からぼかすのではなく、もっと中央寄りからぼかし始め、徐々にその度合いが強まるようになるので、ぼけ方を滑らかにすることができる状態である。
【０１２２】
〔実施例８〕
図１５に実施例８の光学系の垂直断面を示す。この光学系は、ハーフミラー作用を有する誘電体多層膜３を介して接合したプリズム１２と凹面鏡２からなるプリズム光学系と、プリズム射出面４のデッドスペースが実施例５、６、７に用いた台形型光学素子１３と同様の働きを有したフレネルレンズ１４になっている光学系である。
【０１２３】
本光学系の開口絞りの役目を果たすプリズム１２下部の凹面鏡２は、ＬＣＤ１最周辺から出た光束の主光線が丁度凹面鏡２のエッジに到達するような有効径を有するサイズである。これは逆光線追跡にての主光線であり、主光線は収差のため少し傾斜した状態でＬＣＤ１に到達している。
【０１２４】
このように、プリズム光学系において、射出面４上必ず存在するデッドスペースをフレネルレンズ状にすることで、前記実施例における台形型光学素子１３の作用を持たせている。
【０１２５】
ここで、逆光線追跡にてＬＣＤ１の最周辺に到る光線が観察者眼球Ｅから射出する角度ｕは表示映像の半画角に相当するが、この角度付近、さらに、これより角度の大きい光線がこのフレネルレンズ１４の屈折作用を受ける。さらに、このフレネルレンズ１４は屈折力分布を有しており、図１５に示すように、眼球Ｅからの逆光線追跡をした場合、フレネルレンズ１４を通過した主光線が全て凹面鏡２端部に到達するように設計されている。
【０１２６】
以上によって得られる表示映像は、フレネルレンズ１４の屈折作用を受けない結像性の良い正規の映像の外側に、フレネルレンズ１４の屈折作用を受けた結像性の劣化した映像が存在し、その映像は外側に行く程ＬＣＤ１の中央寄りの絵になる。
【０１２７】
以上から明らかなように、従来のプリズム光学系のデッドスペースに屈折力を薄型のフレネルレンズ１４という形で持たせてあるため、光学系を大きくすることなく、従来正規の映像の外側の正規の映像との明暗のコントラストが強い暗部に光を導くことができ、結果的に表示画角が大きくなったと感じさせることができ、さらに、その映像は映像周辺から自然に繋がる劣化した映像なので、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【０１２８】
この実施例においては、周辺における屈折力をフレネルレンズ１４という形で実現したが、同じく薄型で光を回折現象により屈折できる回折光学素子によって達成してもよい。
【０１２９】
本実施例はＬＣＤ１の光束を眼球Ｅに導光するのに、先にハーフミラー３を透過して、凹面鏡２で反射した後、ハーフミラー３で反射する光学系であるが、図１６に示すように、先にハーフミラー３で反射して、後にハーフミラー３を透過する例でも、上記と全く同様の説明が成り立つ。
なお、以上の説明は垂直方向についてであるが、水平方向についても同様な説明ができる。
【０１３０】
〔実施例９〕
図１７に実施例９の光学系の部分的な垂直断面を示す。この光学系は基本的に実施例８の光学系に準じており、本実施例では、プリズム光学系のデッドスペース付近のフレネルレンズ面領域に関して具体的に説明する。フレネルレンズ１４がどの範囲の光束に作用するかは、そのフレネルレンズ１４の存在領域に依存し、それによって表示される映像が異なったものになる。
【０１３１】
図１７に示すように、眼Ｅに大きな角度をなしている光線がフレネルレンズ１４の作用を受けるが、周辺の光線は収差によってＬＣＤ１には若干角度を持った状態で到達する。図中、光線ｃはフレネルレンズ１４の作用を受けない光線の中、眼Ｅに最大角度で入射するＬＣＤ１の最端部から発せられる主光線である。この光線ｃが逆光線追跡にてフレネルレンズ１４のエッジ部を通過し、ハーフミラー３で反射した後、凹面鏡２の丁度端部に到達するように凹面鏡２の有効径が決められている。
【０１３２】
フレネルレンズ１４あるいは新たに光を屈折させる手段が存在しなければ、逆光線追跡にて眼Ｅからこの光線ｃより大きな角度で射出する光線は、全てハーフミラーで反射した後、射出面４を抜けて行き、凹面鏡２に到達することはない。すなわち、ＬＣＤ１に到達しないので、ＬＣＤ１から発せられた光線で光線ｃより大きな角度で眼Ｅに入射してくる光線は存在せず、図１７におけるフレネルレンズ１４の領域はまさにデッドスペースになる。
【０１３３】
フレネルレンズ１４あるいは新たに光を屈折させる手段が存在することよって、この光線ｃより大きな射出角（＞Ｃ）で眼Ｅから射出面４に向かう光線も、フレネルレンズ１４の屈折力を受けることによって、ハーフミラー３で反射した後、凹面鏡２に到達することができる。
【０１３４】
本実施例では、上記のように、フレネルレンズ１４はＬＣＤ１最端部から射出した主光線が丁度フレネルレンズ１４の内側エッジ部を通過するように位置している。ＬＣＤ１から射出した光束は、眼Ｅに到達するとき、ある径を持った略平行の状態になっている。逆光線追跡にて眼球Ｅからある角度で光線が射出するとき、同じ角度でも前述の径を有しているため、フレネルレンズ１４を通過しその作用を受ける光線と、通過せずにその作用を受けない光線とがある。このフレネルレンズ１４の作用を受ける光線量と受けない光線量との割合は眼球Ｅからの射出角によって異なる。
【０１３５】
図１７から明らかなように、眼球Ｅから角度Ｃで射出する光束は、丁度主光線である光線ｃがフレネルレンズ１４の内側エッジ部を通過するので、この光束の５０％がフレネルレンズ１４を通過せず（図中、眼球Ｅの瞳孔を通った光束のハッチを付していない領域）、５０％がフレネルレンズ１４を通過する（図中、眼球Ｅの瞳孔を通った光束のハッチを付した領域）ことになる。このことは、５０％がＬＣＤ１端部へ到達し、５０％は屈折力を受けその端部より中央側へ到達することになる。このとき、ＬＣＤ１のどこに到達するかはフレネルレンズ１４の屈折力による。
【０１３６】
図１８の点線で示される光線ｃの射出角Ｃより少し大きい角度で射出する光束は、ハッチを付した領域で示されるフレネルレンズ１４の作用を受ける光線量の割合が、角度Ｃで射出するの光束より大きくなる。逆に、図１９に示すように、射出角Ｃより少し小さい角度で射出する光束は、ハッチを付した領域で示されるフレネルレンズ１４の作用を受ける光線量の割合は、角度Ｃで射出するの光束より少なくなる。
【０１３７】
前述の通り、逆光線追跡にてフレネルレンズ１４を通過した光線はＬＣＤ１中央寄りに到達するが、ＬＣＤ１上どの位置に到達するかは分布を有するフレネルレンズ１４の屈折力よる。また、前述の通り、このフレネルレンズ１４の屈折力分布は映像を自然かつ滑らかなものにするため、逆光線追跡にして凹面鏡２エッジに到達するような屈折力分布が好ましく、このとき、眼球Ｅからの射出角が大きい光線程ＬＣＤ１中央寄りに到達する。また、フレネルレンズ１４の上側（外側）程屈折力が強いため、ＬＣＤ１の中央寄りに到達する。
【０１３８】
図２１にＬＣＤ１の画面とその周辺を示すように、ＬＣＤ１において端部から▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼と画面領域を５分割する。このとき、ＬＣＤ最周辺から発せられる光束が図２０中の▲１▼で示される。映像を観察したとき、この光線▲１▼の眼Ｅへの入射角Ｃが図２１の画面の画角Ｃに対応する。この画角Ｃより外側がフレネルレンズ１４の影響を受けて徐々にぼけてくる。入射角Ｃよりも少し大きい入射角ｓ（図２０中、▲２▼、▲３▼、▲４▼の光線は何れも眼Ｅへの入射角はｓである。）のある径を持った光束は、フレネルレンズ１４の通過する場所によってＬＣＤ１への到達位置が図２０のように異なる。ＬＣＤ１のそれぞれの場所の光線量の割合は、フレネルレンズ１４の屈折力と角度に依存する。角度が大きい程ＬＣＤ１中央寄りからの光量が大きくなる。また、図２２に示すように、更に大きい入射角ｔでは、▲３▼、▲４▼、▲５▼といった場所からの光ということになる。
【０１３９】
すなわち、上記光線ｃの角度Ｃでは、ＬＣＤ１最周端▲１▼の領域からだけしか光線が到達しないが、それ以上の画角では、外側の画角程中央域からの映像となる。光線ｃの角度Ｃより小さな角度でも、同様にＬＣＤ１の色々な領域からの光線によって構成される。そして、その割合はやはり射出角度とフレネルレンズ１４の屈折力に依存し、角度が小さい程ＬＣＤ１外側からの光量が大きくなる。
【０１４０】
画角Ｃに対応するのがＬＣＤ１最周辺の映像を表示しているが、その外側はまた中央域へ向かう映像になるので、画角が広がる効果はあるが、外側の映像が結像性が良いとかえってゴーストのようになるので、適当に結像性を落とすことが望ましい。フレネルレンズ１４の屈折力分布でそれを実現してもよいが、フレネルレンズ１４の一つ一つの溝をリップル状にしたり、あるいは、溝と垂直方向に解像度を落とすための溝を新たに設けてもよい。これにより、視野周辺には映像はあるが、結像性が悪いので、周辺は徐々にぼけているという人間の自然な視界に近づけることができる。
【０１４１】
図２３に、縦軸に光量、横軸に逆光線追跡における眼からの射出角をとったグラフを示す。図１７に示す主光線がフレネルレンズ１４のエッジを通過する光束（中心光線ｃ）はフレネルレンズ１４の作用を受ける割合が５０％の状態で、図２３のグラフ中射出角Ｃで示してある。眼からの射出角がそれより大きい光線はフレネルレンズ１４の作用を受ける光線の割合が多くなり（図１８の状態）、射出角がそれより小さい光線はフレネルレンズ１４の作用を受ける光線の割合が少なくなる（図１９の状態）。
【０１４２】
このグラフにおいて、正と描いてある曲線は、フレネルレンズ１４を通過しない光線のことで、これらは結像性の良い映像を作る。一方、不正と描いてある曲線は、フレネルレンズ１４を通過する光線のことで、逆光線追跡にてフレネルレンズ１４を通過しない光線のＬＣＤ１上での到達位置より中央側へ到達するものである。
【０１４３】
グラフ中、正の曲線は、射出角Ｃで５０％の値を取り、その後急に０に落ち込んでおり、それより大きな角度の光線はない。これは図１８から分かるように、光線ｃより大きな射出角で眼Ｅから射出するものは、フレネルレンズ１４を通過せずその作用を受けなければ、前述したように凹面鏡２に到達せず、射出面４から斜め下に抜けてしまうという光学系だからである。また、１００％のときの射出角度は、光束径内の全てがフレネルレンズ１４を通過していない角度である。フレネルレンズ１４のエッジの光軸からの距離をＢとし、射出瞳から射出面４までの距離をＲとし、射出瞳径をＤとすると、１００％になる角度θm は、θm ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｂ−Ｄ）／Ｒ｝という式で表現できる。
【０１４４】
一方、不正の曲線は、射出角Ｃで５０％の値を取り、更に徐々に射出角と共に増して行き、光束径中の全てがフレネルレンズ１４を通過する角度で１００％になる。光束の主光線がフレネルレンズ１４の中心を通過するときの射出角にてピーク中心を取る。射出角がフレネルレンズ１４の領域よりも大きくなると、光線量は再び小さくなって行く。
【０１４５】
図２３のグラフ中、正の光量と収差が大きい不正の光量とを合わせて総光量のグラフが図２４である。ＬＣＤ１最周辺から発せられる光束が眼に入射してくる角度を少しでも越えた角度での映像の光量は５０％になり、映像の中央等の１００％の領域に比べて半分の明るさである。すなわち、映像は周辺部において、前記の角度Ｃで一回暗くなり、その外側は再び明るくなって来る映像となる。
【０１４６】
以上、逆光線追跡にて説明を行ったが、視点を変え順光線追跡にて光線を考えると、ＬＣＤ１最周辺よりやや中央寄りから発せられる光束は凹面鏡２、ハーフミラー３で反射した後、フレネルレンズ１４を通過する光線と通過しない光線に分かれる。このとき、フレネルレンズ１４を通過する光線は、通過しない光線よりも光軸方向に屈曲し、眼Ｅに対してより大きな入射角を持って入射する。このことは、網膜上においてフレネルレンズ１４を通過した光束のスポット位置と、フレネルレンズ１４を通過しない光束のスポット位置とが異なることを意味し、具体的には非点隔差、ディストーション、コマ等の収差を持つことになる。不正と称していたのは、フレネルレンズ１４を通過しない光線が作る映像よりも外側に非点隔差、ディストーション、コマ等が発生している映像を作る光線群だからである。したがって、不正の光線は非点隔差、ディストーション、コマ等の収差を持った光線群であるから、ＬＣＤ１上の同じ点から発した光束は光束の一部が小さい収差量にて眼球Ｅに入り、一部は非点隔差、ディストーション、コマ等の収差を含んで眼球Ｅに入射し、映像上のこの画素は外側に放射状に伸びたぼけた点として認識される。この不正の光線群が本発明による効果を生み出す光線群である。
【０１４７】
そのぼけ量は、光量の割合、つまりフレネルレンズ１４の領域をどれだけ通過するかによる。ＬＣＤ１最端部から発した光束は良好な結像光線が５０％、収差の乗った結像作用が悪い光線が５０％ということになり、それより大きな画角、つまり映像面でそれより外側から結像作用が悪い光量が５０％を越えてくるので、はっきりぼけとして認識されてくる。
【０１４８】
〔実施例１０〕
図２５に実施例１０の光学系の構成を示す。この光学系は、実施例８、９に準じたものであるが、フレネルレンズ１４の位置が異なっている。実施例８においては、フレネルレンズ１４の位置はＬＣＤ１最周端から発せられた光束の主光線が丁度フレネルレンズ１４のエッジを通過するような位置であったが、本実施例では、ＬＣＤ１最周端から発せられた光束のローワー・レイが丁度フレネルレンズ１４のエッジを通過するような位置にある。さらに、凹面鏡２の有効径は、ＬＣＤ１最周端から発せられた光束の最外の従属光線が凹面鏡２最端部にて反射するような有効径になっている。これにより、ＬＣＤ１最周端から発せられた光束はその１００％がフレネルレンズ１４を通過し、その作用を受けることになる。図２５はＬＣＤ１最周端から発せられた光線の順追跡を示している。
【０１４９】
実施例８で説明したのと同様な説明が適用でき、光量は図２６のようになる。フレネルレンズ１４の作用を受け始める角度が小さくなり、フレネルレンズ１４がない場合のＬＣＤ１最周端からの光束を眼Ｅに入射する角度Ｃにおいては、フレネルレンズ１４の作用を受けない正の光量が０％になり、フレネルレンズ１４の作用を受ける不正の光量が１００％になる。図２５から、フレネルレンズ１４のエッジの光軸からの距離をＢとし、射出瞳から射出面４までの距離をＲとし、射出瞳径をＤとすると、正の光量と不正の光量が共に５０％になる角度θn は、θn ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｂ−Ｄ／２）／Ｒ｝という式で表現できる。
【０１５０】
正と不正の光量の和を取った総光量は、図２７のようなグラフになり、実施例８に見られた角度Ｃにて一度光量が落ち込み、映像が周辺で一旦暗くなる不自然さはなくなる。しかし、不正つまりフレネルレンズ１４の作用を受け始める角度が小さくなるということは、それだけぼけ始める領域の角度が小さくなることを意味し、したがって、良好な結像性の良い領域が狭くなることを意味する。
【０１５１】
要するに、この光量の点での自然さと、良好な結像領域の広さとはトレードオフの関係にあり、これはフレネルレンズ１４の位置に依存するので、映像の種類等により最適な位置にすることが重要である。すなわち、中心付近ばかり注視するような映像で、中心付近のみ結像性が必要とされる場合は、自然さを重要視し、フレネルレンズ１４を浅い角度から作用させ、周辺付近でもある程度の結像性が要されるならば、実施例８に示したようなフレネルレンズの位置にするのが良い。
【０１５２】
〔実施例１１〕
図２８に実施例１１の光学系の構成を示す。この光学系は、周辺部位が負の屈折力になる非球面を有する非球面レンズ１５と、このレンズ１５の周辺部の負の屈折力によって光軸と反対方向に屈折した光束を眼Ｅに導光する作用をする、周辺において正の屈折力が大きくなっている非球面を有するレンズ１３とを組み合わせた２枚のレンズからなる光学系である。
【０１５３】
上記の周辺部の屈折力が正に大きい光学素子は、実施例５、６等で用いられている台形型光学素子１３である。また、上記の周辺において負の屈折力を有するレンズ１５はこの光学系における主たる屈折手段であるが、周辺に行くに従って正の屈折力から負の屈折力に転じるような非球面形状を有する。
【０１５４】
周辺が負の屈折力を有する非球面レンズ１５の主領域での焦点距離だけ略離れた位置にＬＣＤ１が配置され、それと逆側にやはり略その焦点距離隔てた位置に観察者眼球Ｅが配される。主領域においては、従来の光学系と同様な結像性を示すが、周辺においては主たる屈折手段１５の負の屈折力を受けて光軸と反対方向に光が屈折され外側に広がる。これらの外側に屈折された光束は、台形型光学素子１３の周辺部の屈折力を受けて眼球Ｅに導光される。このとき、ＬＣＤ１周辺から発せられた光束は、負の屈折力を受けて一旦広げられた状態から眼Ｅに導光されるので、大きな角度をなして眼Ｅに入射してくる。このことは、映像の画角が広がったような効果を生むことを意味し、映像周辺において放射状に画像が伸びて徐々に暗くなって行く映像になり、人間の視野が周辺に行くに従って解像度が落ちてぼけて行くという状況に近いため、自然な見え方となり、臨場感が向上する。
【０１５５】
〔実施例１２〕
図２９に実施例１２の光学系の垂直断面を示す。この光学系は、ハーフミラー３と凹面鏡２とをそれぞれの中心軸が４５°の角度をなして交わるように配置し、さらに、ハーフミラー３と観察者眼球Ｅとの光路中に実施例５等に用いた台形型光学素子１３を配設した光学系である。この光学系中の凹面鏡２は、周辺において負の屈折力を有する非球面形状になっている。
【０１５６】
ハーフミラー３と凹面鏡２を具備した光学系は、前記の従来技術の問題点に述べたように、射出側において必ずデッドスペースが存在し、このデッドスペースに相当する部位に台形型光学素子１３が配されている。この台形型光学素子１３は、ＬＣＤ１周辺から発せられた光束の中、凹面鏡２周辺の負の屈折力を経て凹面鏡２の光軸から離れる方向に屈曲したものを眼Ｅに導光する作用を有するが、この屈折力は本光学系のサイズを決定する最大の要因である凹面鏡２の有効径と密接な関係がある。
【０１５７】
逆光線追跡によって眼Ｅから発せられた光束で、台形型光学素子１３の周辺の屈折力を受けた光束は、ハーフミラー３によって反射し、凹面鏡２に向かうが、凹面鏡２はこれらの光束がケラレることがないような有効径を持っている。図２９に示すように、逆光線追跡にてある瞳径を持った光束が眼球から発せられ、大きな射出角をもって射出していく光束については、台形型光学素子１３の作用を受けるが、このとき、光束はある大きさの径を持つので、ハーフミラー３で反射後の凹面鏡２での到達位置が異なる。ＬＣＤ１上の到達位置は、この周辺部の非球面形状の凹面鏡２のどの位置にて屈折力を受けたかによる。すなわち、非球面形状を帯びているため、場所によって屈折力が違う。当然ながら、眼球Ｅからの射出角が異なっても、ＬＣＤ１上で同一位置に到達し得ることを意味する。
【０１５８】
このことは、順光線追跡をすれば、図３０に示したように、ＬＣＤ１周辺から射出した光束は、凹面鏡２での到達位置により射出面での射出位置が異なり、台形型光学素子１３での通過位置が異なる。これにより、ＬＣＤ１上の同じ点から発しても異なる入射角にて眼球Ｅに導光されるため、映像の見え方としては、周辺において激しい非点隔差、ディストーション、コマ等の収差が発生し、放射状に伸びた感じになる。
【０１５９】
光量的には、元々同じ量の光量が、周辺部においては分散し様々な角度で眼に導光される形になるため、映像周辺に行くに従って徐々に暗くなる。
この映像の周辺での放射状にぼかすぼかし加減は、台形型光学素子１３の位置と、台形型光学素子１３自身の屈折力分布、凹面鏡２の周辺での屈折力配分に依存する。
【０１６０】
以上の結果、表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができ、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【０１６１】
本実施例は、ＬＣＤ１の光束を眼球Ｅに導光するのに、先にハーフミラー３を透過して、凹面鏡２で反射した後、ハーフミラー３で反射している光学系であるが、図３１に示すように、先にハーフミラー３で反射して、後にハーフミラー３を透過する配置の場合でも、上記と全く同様の説明が成り立つ。
なお、以上の説明は垂直方向についてであるが、水平方向についても同様な説明ができる。
【０１６２】
〔実施例１３〕
図３２に実施例１３の光学系の垂直断面を示す。この光学系は、ハーフミラー３を有する接合プリズム１２とその前部の凹面鏡２とを有し、ハーフミラー３と凹面鏡２がそれぞれの中心軸が４５°の角度をなして交わるように配置したプリズム光学系である。この光学系において、凹面鏡２の周辺が徐々に負の屈折力を帯びるような非球面形状になっており、さらに、プリズム射出面４周辺が凹面鏡２周辺の負の屈折力を受け、外側に広がった光束を眼Ｅに導光する作用を有する正の屈折力を有したフレネルレンズ（図１５等）がプリズム１２の射出面４に設けられるか、図示のように、台形型光学素子１３が配置されている。フレネルレンズの場合は、前記したように、プリズム１２が有するデッドスペースに施される。
【０１６３】
台形型光学素子１３あるいはフレネルレンズの屈折力は本光学系のサイズを決定する最大の要因である凹面鏡２の有効径と密接な関係がある。
【０１６４】
逆光線追跡によって眼Ｅから発せられた光束で、台形型光学素子１３あるいはフレネルレンズの屈折力を受けた光束は、ハーフミラー３によって反射し、ＬＣＤ１と反対側に配置した凹面鏡２に向かうが、凹面鏡２はこれらの光束がケラレることがないような有効径を持っている。
【０１６５】
実施例１２に述べた作用により、ＬＣＤ１上の同じ点から発しても、異なる入射角にて眼球Ｅに導光されるため、映像の見え方としては、周辺において激しい非点隔差、ディストーション、コマ等の収差が発生し、放射状に伸びた感じになる。
【０１６６】
光量的には、元々同じ量の光量が、周辺部においては分散し、様々な角度で眼Ｅに導光される形になるため、映像周辺に行くに従って徐々に暗くなる。この映像の周辺での放射状にぼかすぼかし加減は、台形型光学素子１３あるいはフレネルレンズの位置と、それら自身の屈折力の分布、凹面鏡２の周辺での屈折力配分に依存する。
【０１６７】
以上の結果、表示画角が大きくなったと感じさせることができると共に、境界部が徐々にぼけて暗くなっていく映像を作り出すことができ、正規の表示画角が広くなくても臨場感のある映像を提供することができる。
【０１６８】
本実施例は、ＬＣＤ１の光束を眼球Ｅに導光するのに、先にハーフミラー３を透過して、凹面鏡２で反射した後、ハーフミラー３で反射している光学系であるが、図３３に示すように、先にハーフミラー３で反射して、後にハーフミラー３を透過する配置の場合でも、上記と全く同様の説明が成り立つ。
なお、以上の説明は垂直方向についてであるが、水平方向についても同様な説明ができる。
【０１６９】
〔実施例１４〕
次に、投影光学系が自由曲面で構成された図３４に斜視図を示すような光学系２０の場合の実施例を説明する。この光学系２０は本出願人の特願平８−９２３００号によって提案されたもので、３つの光学面２１〜２３と両側の側面２４からなる偏心プリズム光学系である。この投影光学系２０は、比較的に表示画角が大きく、かつ画面周辺までシャープに投影できるコンパクトな光学系である。
【０１７０】
この光学系２０の光路図を図３５に示すが、偏心プリズム光学系２０は、光軸２６に対してそれぞれの面が偏心している３面２１〜２３で形成された空間を屈折率が１より大きい光学的に透明な媒質によって満たされており、映像表示素子１から発する光の入射面を第１面２１、射出瞳２５とは反対側の面である反射面を第２面２２、射出瞳２５に近接した面を第３面２３とすると、映像表示素子１から射出した光線の経路は、偏心プリズム光学系２０の第１面２１から屈折して入射し、第３面２３で第２面２２側へ内部反射し、第２面２２で第３面２３側へ内部反射して第３面２３から屈折して射出して、射出瞳２５に到達するものである。そして、反射面である第２面２２全面及び第３面２３の光透過領域以外の面には反射コーティング２７が施されている。
【０１７１】
ここで、映像表示素子１中心から射出して射出瞳２５中心に到る主光線を含む面をＹ−Ｚ面とし、その中、射出瞳２５に瞳孔を位置させた観察者が映像表示素子１の映像中心を注視したときの視軸（光軸２６に一致）方向、つまり、光学系を射出した主光線の方向をＺ軸方向、Ｙ−Ｚ面内にあり、Ｚ軸に垂直な方向をＹ軸方向、Ｚ軸及びＹ軸に共に垂直な方向をＸ軸方向と定義する。
【０１７２】
図３５において、この偏心プリズム光学系２０は、ＬＣＤ等の映像表示素子１から射出した光束が図中第１面２１を通過屈折して、第３面２３の反射コーティング２７領域で反射するか、又は、第３面２３の反射コーティング２７のない領域で全反射して、反射コーティング２７が施された第２面２２で反射し、再度第３面２３の反射コーティング２７のない領域で屈折して射出瞳２５位置の観察者の眼に導くという構成の光学系である。
【０１７３】
この投影光学系２０に、図３６に示すように、周辺屈曲光学手段１４を映像表示素子１に面した第１面２１付近に配置する。このとき、周辺屈曲光学系手段１４は、図３７（ａ）に斜視図、同図（ｂ）にＹ−Ｚ断面図を示すように、周辺に横方向リニアフレネルレンズ（１次元フレネルレンズ）１４1 と縦方向リニアフレネルレンズ１４2 が施された素子である。このリニアフレネルレンズ１４1 、１４2 によって、後記するように光線を屈曲させる。周辺屈曲光学手段１４の光線を屈曲する周辺部は、上記のようなフレネルレンズである必要はないが、このリニアフレネルレンズ１４1 、１４2 の領域で光線を比較的大きく屈曲させるため、中心領域に比べてパワー付加のために曲率半径の小さな面になり、かなりの厚みを持ってしまうので、このようなリニアフレネルレンズ１４1 、１４2 で構成することが望ましい。
また、リニアフレネルレンズ１４1 、１４2 でなく、レリーフパターンやグレーティングを施して回折作用によって光線を屈曲させるようにしてもよい。
【０１７４】
図３７では、周辺屈曲光学手段１４はフラットなプレート上にフレネルレンズ１４1 、１４2 が施されたものを示してあるが、画像の結像性を良くするためベースとなるプレートを非球面又は自由曲面等で構成されたものとしてもよい。また、フラットなプレート状のものの場合、偏心プリズム光学系２０の第１面２１の直前に近接して配置する場合は、元々の投影光学系である偏心プリズム光学系２０の第１面２１がフラットな面であると（図３６）、両者の密着性が良くなり、無駄な空間がなくなる。なお、このときは、第２面２２、第３面２３で偏心プリズム光学系２０の結像に関係した収差が補正されていなければならない。
【０１７５】
また、図３８に示すように、周辺屈曲光学手段１４の作用を偏心プリズム光学系２０の第１面２１自体に持たせてもよい。すなわち、投影光学系を偏心プリズム光学系２０と周辺屈曲光学手段１４という２部材に分けるのではなく、偏心プリズム光学系２０の第１面２１自体の周辺にリニアフレネルレンズ１４1 、１４2 を施して光線を屈曲させるようにするか、あるいは、レリーフパターンやグレーティングを施して回折作用によって光線を屈曲させるようにしてもよい。
【０１７６】
また、図３６では第１面２１がフラットな面である例を示したが、図３９に偏心プリズム光学系２０の第１面２１がフラットでない例を示す。この場合、偏心プリズム光学系２０の結像に関係した収差をより補正でき、周辺がぼけた領域での結像性を良くすることができる。また、第１面２１自体に周辺屈曲光学手段１４の作用を持たせた例を図４０に示す。
【０１７７】
次に、偏心プリズム光学系２０の第１面２１がフラットな面で構成され、映像表示素子１に面したその面２１に直接設けたフレネルレンズ１４1 、１４2 に周辺屈曲光学手段１４の作用を持たせた構成を代表にとり説明する。投影光学系２０に周辺の光束を屈曲させる作用を持たせた場合のＹ−Ｚ断面での周辺の光路図を図４１に示す。垂直方向のみに言及すると、射出瞳２５から見て図中光線ｕより上側の画角の光束と図中光線ｌより下側の画角の光束が、映像表示素子１に面した面２１に施されるか又はその面２１と映像表示素子１の間に配された周辺屈曲光学手段１４の光屈曲作用によって、ＬＣＤ１端部に導光されている。以後、映像表示素子１をＬＣＤ、周辺屈曲光学手段１４をフレネルレンズで代表させて説明する。図４１では、射出瞳２５の中心からの光線群のみを描いてある。
【０１７８】
これらの光線群は、フレネルレンズ１４がない場合、射出瞳２５からの逆光線追跡すれば、点線で示すようにＬＣＤ１の外側に到達する。すなわち、フレネルレンズ１４を配置しない場合は、順光線追跡で考えると光線ｕより上側と光線ｌより下側には光がこないため、その部分（正規の映像の外側）に映像は存在しない。
【０１７９】
フレネルレンズ１４を付加することにより、これらの光線群が射出瞳２５中心すなわち観察者眼球に導かれるため、それまで映像がなかった領域まで光線が存在することになる。図４１では射出瞳２５中心からの光線群のみしか描いていないが、この図を参照にして説明すると、これらの光線は全てＬＣＤ１のエッジすなわち映像最周辺の情報が正規の画角（図４１で示す画角θｕやθｌ）より外側に伸びて投影された映像となる。
【０１８０】
上下（垂直）方向について更に詳細に説明する。図４２に示すように、射出瞳２５中心からの光線で画角（観察者瞳孔への入射角）θの光線ａは、フレネルレンズ１４を付加しないときにＬＣＤ１表示部の最周端から出た光線である。このとき、フレネルレンズ１４を設けて新たにパワーを付加する領域を、この画角θの光束群の主光線（射出瞳２５中心を通過する光線）ａから上側の画角に相当する光線群が通過する領域とする。画角（θ＋Δθ）は画角θよりΔθ分だけ上側の画角であり、画角（θ−Δθ）は画角θよりΔθ分だけ下側の画角である。図４２では、画角θの主光線ａ、画角（θ＋Δθ）の主光線ａ’、画角（θ−Δθ）の主光線ａ”しか描いていないが、実際に観察者瞳孔に入射する分だけの光束径を有している（通常、直径４ｍｍ）。図４３、図４４、図４５にそれぞれ画角θ、（θ＋Δθ）、（θ−Δθ）の観察者瞳孔に入射する光束の経路の概略を示す。
【０１８１】
図４３は、観察者の眼に入射するときの入射角すなわち画角がθのときの光路図を示している。この図において、射出瞳２５から映像表示素子１への逆光線追跡で、ある光束径を有した画角θの光束の主光線ａがＬＣＤ１表示部端Ｘに到達するように、フレネルレンズ１４が存在する。ただし、ここでは主光線ａが射出瞳２５中心を通過する光線と定義する。
【０１８２】
上述した位置にフレネルレンズ１４が存在することによって、主光線ａから射出瞳上で上側の光線束Ｕがフレネルレンズ１４の作用を受け、下側の光線束Ｌがフレネルレンズ１４の作用を受けない。下側の光線束ＬがＬＣＤ端部Ｘへ結像集光し、上側の光線束ＵはＬＣＤ端部Ｘより中央側へ到達する。そのため、映像中の画角θに対応する部分は、約５０％がＬＣＤ端部Ｘからの情報で、残り５０％はＬＣＤ端部Ｘではない位置からの偽情報によって形成される。したがって、半分像を形成しない状態である。すなわち、観察したときに画角θに当たるこの位置の映像は半分ぼけている状態である。
【０１８３】
図４４に観察者の眼に入射するときの入射角すなわち画角（θ＋Δθ）のときの光路図を示している。図中、主光線ａ’を含む上側光線群Ｕ’がフレネルレンズ１４の作用を受け、下側光線群Ｌ’がフレネルレンズ１４の作用を受けない光線群である。このときの主光線ａ’はＬＣＤ端部Ｘに到達する。また、フレネルレンズ１４の作用を受けた主光線ａ’より上側の光線群はＬＣＤ端部Ｘより中央側へ到達し、主光線ａ’より上側の光線群はフレネルレンズ１４を通過してる光線もしていない光線もＬＣＤ表示部には到達しない。これはすなわち、元々フレネルレンズ１４がない場合、この画角の光線は、眼からの逆光線追跡によれば、ＬＣＤ１の表示部の外側、つまり、映像を見たとき映像が存在しない領域に到達するから、フレネルレンズ１４を通過しなければ、ＬＣＤ表示部には到達しない。また、フレネルレンズ１４を通過しても、フレネルレンズ１４のパワーはθより上側の各画角の主光線がＬＣＤ最周端に到達するようなパワー配分であるので、ここで述べている（θ＋Δθ）の画角では、主光線ａ’より下側の光線は、フレネルレンズ１４においてＬＣＤ表示部に到達するには小すぎるパワーの部分を通過するため、ＬＣＤ表示部には到達しない。したがって、図４４中、点線で示された光線は存在しない。これは、図２３と図２４を用いて説明した光線量の減少である。この（θ＋Δθ）の画角の映像は、そのほとんどがぼけている映像である。
【０１８４】
図４５に観察者の眼に入射するときの入射角すなわち画角（θ−Δθ）のときの光路図を示している。図中、上側光線群Ｕ”がフレネルレンズ１４の作用を受け、主光線ａ”を含む下側光線群Ｌ”がフレネルレンズ１４の作用を受けない光線群である。このとき、主光線ａ”はＬＣＤ端部Ｘより内側に到達する。なぜならば、画角θの主光線ａがＬＣＤ端部Ｘに到達するから、それより画角が小さい光線は何の作用も受けなければ、ＬＣＤ端部Ｘより内側に到達する。また、フレネルレンズ１４の作用を受けた上側光線群Ｕ”は主光線ａ”の到達位置より更に中央側に到達し、フレネルレンズ１４を通過してない下側光線群Ｌ”は主光線ａ”が到達したＬＣＤ位置に到達する。したがって、この眼に入ってくるとき画角（θ−Δθ）の映像は、大半が主光線ａ”が到達したＬＣＤ位置の情報で、少し異なる位置からの情報が含まれている。すなわち、その映像は少しぼけて見える。
このようにして、映像周辺に向かうに従って徐々にぼけて行く映像を作り出すことができる。
【０１８５】
また、フレネルレンズ１４がなければ、画角θまでしかなかった映像を、フレネルレンズ１４を付加することにより、それ以上の画角の光束まで眼に導くことが可能となる、つまり、映像が存在する、言い変えれば、画角が広がったような印象を与える。すなわち、表示画面の周辺に、ぼけていようが解像していようが、映像が存在する（光が観察者瞳孔に導かれている）のと、全く存在しないのでは、見え方の印象も異なる。観察者は、通常画面中心付近を注視することが多いため、周辺の解像度を問わなければ、そこまで映像があるような印象を受ける。さらに、周辺に向かって徐々にぼけて行けば、人間の視野は周辺に行く程解像度は落ちるという実際の見え方に近いものになり、より自然な映像鑑賞が楽しめる。
【０１８６】
なお、光線量の減少については、図２３と図２４を用いた議論がここにおいても適用できる。
また、ぼけ具合を決定するのは、このフレネルレンズ１４を設け始め位置と屈折力の配分である。すなわち、ＬＣＤ１のどの領域の光束からフレネルレンズ１４の作用が開始し、どのくらいの強度で作用させるかであるが、これについても、実施例１０で説明したことがそのまま適用できる。
【０１８７】
なお、以上の説明では、一般的に瞳孔中心が感度が高いため、瞳孔中心を通過する各画角の主光線をＬＣＤエッジに到達させるような屈折力配分としたが、目的とするぼかし方によってこの配分とは異なる屈折力配分としてもよい。
また、図２４と図２７を用いて説明しているように、周辺光量の落ち方の自然さと良好な結像状態の領域の広さとはトレードオフ関係にある。つまり、周辺光量の落ち方を自然にすると、良好な結像状態の領域は狭くなる。そのため、ケースに応じた最適なフレネルレンズ１４の設け始め位置と屈折力配分にすることが重要である。
【０１８８】
また、以上の説明ではＹ−Ｚ方向の上側だけを論じたが、Ｙ−Ｚ方向の下側でも、Ｘ−Ｙ方向でも同様の議論が可能である。
【０１８９】
また、注意点として、実施例１〜１３では、周辺の光線を屈曲させる位置は光学系の主たる屈折力の付近又は観察者眼球Ｅ側に近い部分であったが、実施例１４では、比較的物体面である映像表示素子１近傍で光線を屈曲させている。そのため、物体面に近い位置にフレネルレンズ面があるため、フレネルレンズ１４の縞（溝）が見えてしまうことが考えられる。そのため、フレネルレンズ１４のピッチを縞（溝）が認識されて不自然にならないような細かいピッチにすることが望ましい。このピッチを細かくすると、更に回折作用を帯びてきてよりぼけ方が自然になる。
【０１９０】
次に、実際の数値を用いた例を示す。図４６にＹ−Ｚ断面図を示すように、投影光学系として２０ｍｍ程度の焦点距離を有する偏心した自由曲面を有する偏心プリズム光学系２０あって、ＬＣＤ１に面した第１面２１をフラットにした光学系２０を用いる。アイリリーフを２８ｍｍとし、ＬＣＤ１に面したフラットな面２１からＬＣＤ１までの距離、つまりワーキングディスタンスを５ｍｍ程度とする。このとき、映像表示素子１として対角長０．７インチでアスペクト比４：３のＬＣＤ１を用いると、フレネルレンズがない場合、水平画角約３８°、垂直画角約２９°の映像が表示できる。
【０１９１】
ここで、図４７にＹ−Ｚ断面図を示すように、映像表示素子１として対角長０．５５インチのＬＣＤ１を用いることによって、第１面２１の光線が通過しないデッドスペース２８が生まれたところを利用して、本発明のフレネルレンズ１４を施すことによって、周辺がぼけた映像を表示できる光学系となる。
【０１９２】
フレネルレンズ１４を設けない場合、対角長０．５５インチのＬＣＤ１を用いると、水平画角約３０°、垂直画角約２２．７°の表示映像となる。フレネルレンズ１４を施すことによって、映像は周辺に向かうに従って徐々に暗くなるが、フレネルレンズ１４を施し始める位置を、水平画角で画角±１５°、垂直画角で±１１．３６°の主光線の通過する位置とすると、ぼけていても映像が存在する画角は、水平で約４６°、垂直で３８°となり、実効的に画角が広がったような表示映像にすることが可能になる。ここで、この表示映像中のぼけの少ない良好な結像領域は、水平で約２７．７°、垂直で２０．２°である。図４８にこの場合のＹ−Ｚ断面内の光路図を、図４９に表示画面の様子を示す。
【０１９３】
このように、同じ大きさの光学系で、本発明に基づいて視野周辺の処理を光学的に行うことで、実効的に画角が広く、しかも、周辺がぼけていることにより臨場感高い表示映像を実現することができる。
【０１９４】
以上の対角長０．７インチの場合、対角長０．５５インチの場合、対角長０．５５インチで視野周辺処理ありの場合の３種の場合の表示画角を次の表に示す。
0003943680.tif 000002
【０１９５】
さらに、前記のような３面２１〜２３からなり２回の内面反射を行う偏心プリズム光学系２０以外に、図５０に光路図を示すような４面５１〜５４からなり３回の内面反射を行う偏心プリズム光学系５０等、３回以上の内面反射を行う偏心プリズム光学系からなる投影光学系の場合にも以上の実施例と同様に、本発明による周辺屈曲光学手段１４を適用することができる。図５０の偏心プリズム光学系５０は、光軸２６に対してそれぞれの面が偏心している４つの面５１〜５４で形成された空間を屈折率が１より大きい光学的に透明な媒質によって満たされており、映像表示素子１から発する光の入射面を第１面５１、射出瞳２５とは反対側の面である反射面を第２面５２、射出瞳２５に近接した面を第３面５３、第１面５１と第２面５２の間に位置し第３面５３に面する反射面を第４面５４とすると、映像表示素子１から射出した光線の経路は、偏心プリズム光学系５０の第１面５１から屈折して入射し、第４面５４で第３面５３側へ内部反射し、第３面５３から第２面５２側へ内部反射し、第２面５２で第３面５３側へ内部反射して第３面５３から屈折して射出して、射出瞳２５に到達するものである。
【０１９６】
このように、本発明は以上の実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、図５１に示すように、偏心プリズム光学系２０の第２面２２の周辺部に反射型ＤＯＥ（回折型光学素子）２９を施した例や、図５２に示すように、偏心プリズム光学系２０の第３面２３と観察者眼球（射出瞳２５）との間に周辺屈曲光学手段１４を配する例があり、これらの例においても、以上に詳しく説明してきたような効果を得ることができる。
【０１９７】
さて、次に、図３８のように、光軸２６に対してそれぞれの面が偏心している３面２１〜２３で形成された空間を屈折率が１より大きい光学的に透明な媒質によって満たされた偏心プリズム光学系２０を接眼光学系として用い、映像表示素子１から射出した光線が第１面２１から屈折して偏心プリズム光学系２０へ入射し、第３面２３で第２面２２側へ内部反射し、第２面２２で第３面２３側へ内部反射して第３面２３から屈折して射出して射出瞳２５に到達し、射出瞳２５に位置する観察者瞳孔を経て観察者の眼球内の網膜上に映像表示素子１に表示された映像を投影する頭部装着型映像表示装置用の偏心プリズム光学系２０であって、第１面２１に周辺屈曲光学手段１４としてリニアフレネルレンズを設けた１つの数値例について説明する。
【０１９８】
以下の説明を明確にするために、第１面２１に設けられるリニアフレネルレンズを明確にしておく。第１面２１に関して座標系を図５３に示すようにとると、第１面２１の周辺であってＺ軸方向両端部にＸ軸に沿う溝を有するリニアフレネルレンズ１４12、１４13が設けられており、また、Ｘ軸方向両端部にＺ軸に沿う溝を有するリニアフレネルレンズ１４21、１４22が設けられるている。この中、Ｚ軸方向の第２面２２側端部に設けられるリニアフレネルレンズ１４12と第３面２３側に設けられるリニアフレネルレンズ１４13とでは構成が異なる。また、Ｘ軸方向両端部に設けられるリニアフレネルレンズ１４21、１４22は同一構成のものであるので、以後、リニアフレネルレンズ１４21で代表させる。なお、以下に示す数値例においては、これらリニアフレネルレンズ１４12、１４13、１４21、１４22はシリンドリカル面で表されている。
【０１９９】
次に、以下の数値例において用いる座標系について説明する。後述する数値例の構成パラメータにおいては、図５４に示すように、逆光線追跡で、偏心プリズム光学系２０の射出瞳２５の中心を光学系の原点として、光軸２６を射出瞳２５の中心（原点）を通る軸上主光線で定義し、射出瞳２５から光軸２６に沿って進む方向をＺ軸方向、このＺ軸に直交し射出瞳２５中心を通り、光線が偏心プリズム光学系２０によって折り曲げられる面内の方向をＹ軸方向、Ｙ軸、Ｚ軸に直交し、射出瞳２５中心を通る方向をＸ軸方向とし、射出瞳２５から偏心プリズム光学系２０に向かう方向をＺ軸の正方向、光軸２６から映像表示素子１の側をＹ軸の正方向、そしてこれらＹ軸、Ｚ軸と右手系を構成する方向をＸ軸の正方向とする。なお、光線追跡は偏心プリズム光学系２０の射出瞳２５側の物体側から偏心プリズム光学系２０に入射する方向としている。
【０２００】
そして、偏心が与えられている面については、その面の面頂位置の偏心プリズム光学系２０の原点である射出瞳２５の中心からのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量と、その面の中心軸（自由曲面、シリンドリカル面については、それぞれ以下の（ａ）式、（ｂ）式、（ｃ）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の反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対しての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、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【０２０１】
なお、回転非対称面である自由曲面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝Σn Σm ＣnmＸn Ｙn-m 
ただし、Σn はΣのｎが０〜ｋ、Σm はΣのｍが０〜ｎを表す。
【０２０２】
また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ有する自由曲面）を、この自由曲面を表す式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。
【０２０３】
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を展開した形で表すと、以下の式となる。
【０２０４】
0003943680.tif 000003
そして、Ｘ奇数次項の係数Ｃ4 ，Ｃ6 ，Ｃ9 ・・・を０とする（後記の数値例）。なお、後記する構成のパラメータ中において、記載のない非球面に関する係数は０である。
【０２０５】
また、Ｚ軸に沿う母線を有するシリンドリカル面（リニアフレネルレンズ）１４21の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がシリンドリカル面の軸となる。
0003943680.tif 000004
ただし、ＸはＺに垂直な方向であり、Ｒx は母線に垂直な断面内の近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ4 、Ａ6 、Ａ8 、Ａ10は非球面係数である。
【０２０６】
また、Ｘ軸に沿う母線を有するシリンドリカル面（リニアフレネルレンズ）１４12、１４13の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がシリンドリカル面の軸となる。
0003943680.tif 000005
ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒy は母線に垂直な断面内の近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ4 、Ａ6 、Ａ8 、Ａ10は非球面係数である。
【０２０７】
なお、後記する構成パラメータにおいて、データの記載されていない非球面に関する項は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。
【０２０８】
図５４は、上記数値例の偏心プリズム光学系２０のリニアフレネルレンズ１４21、１４12、１４13を設ける前の基本形態のＸ軸に沿う方向から見た側面図、図５５は、Ｙ軸と反対方向から見た平面図であり、光路を示している。その数値データは後記に基本数値データとして示すが、この偏心プリズム光学系２０は３つの面３、４、５からなっており、その３つの面３〜５の間が屈折率が１より大きい透明媒質で埋められていて、不図示の物体から発した光線束が光軸２５に沿って偏心プリズム光学系２０の射出瞳２５をまず通過し、透過作用と反射作用を有する第３面２３に入射して偏心プリズム光学系２０内に入り、その入射光線は射出瞳２５から遠い側の反射作用のみを有する反射面である第２面２２で射出瞳２５に近づく方向に反射され、今度は第３面２３で射出瞳２５から遠ざかる方向に再び反射され、その反射光線は、透過作用のみを有する第１面２１を透過して像面の位置に配置された映像表示素子１の表示面に到達する。なお、図中、Ｘは表示面の部端を示す。そして、第１面２１は平面、第２面２２、第３面２３は前記の（ａ）式で定義される自由曲面からなる。映像表示素子１としては、前記のように、対角長０．５５インチのＬＣＤ１を用いており、水平画角約３０°、垂直画角約２２．７°の表示映像となる。
【０２０９】
図５６は、上記数値例の偏心プリズム光学系２０の射出瞳２５中心を通り第１面２１に設けたリニアフレネルレンズ（シリンドリカル面）１４21を通る光束の光路を示すＹ軸と反対方向から見た平面図である。この光路に沿って進む光線の逆光線追跡数値データを左エッジ数値データとして後記する。ここでは、左方向（＋Ｘ方向）画角１５°以上の光線がＬＣＤ１の表示部端Ｘに到達している。
【０２１０】
図５７は、上記数値例の偏心プリズム光学系２０の射出瞳２５中心を通り第１面２１に設けたリニアフレネルレンズ（シリンドリカル面）１４12を通る光束の光路を示すＸ軸に沿う方向から見た側面図である。この光路に沿って進む光線の逆光線追跡数値データを下エッジ数値データとして後記する。ここでは、下方向（−Ｙ方向）画角１１．３６°以上の光線がＬＣＤ１の表示部端Ｘに到達している。
【０２１１】
図５８は、上記数値例の偏心プリズム光学系２０の射出瞳２５中心を通り第１面２１に設けたリニアフレネルレンズ（シリンドリカル面）１４13を通る光束の光路を示すＸ軸に沿う方向から見た側面図である。この光路に沿って進む光線の逆光線追跡数値データを上エッジ数値データとして後記する。ここでは、上方向（＋Ｙ方向）画角１１．３６°以上の光線がＬＣＤ１の表示部端Ｘに到達している。
【０２１２】
0003943680.tif 000006
0003943680.tif 000007
【０２１３】
0003943680.tif 000008
0003943680.tif 000009
【０２１４】
0003943680.tif 000010
0003943680.tif 000011
【０２１５】
0003943680.tif 000012
0003943680.tif 000013
【０２１６】
さて、本発明の映像表示装置を頭部装着型映像表示装置に適用する場合、以上に説明したような何れかの映像表示装置を１組用意し、片眼装着用に構成しても、また、そのような組を左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼装着用に構成してもよい。そのようにして、片眼あるいは両眼で観察できる据え付け型又はポータブル型の画像表示装置として構成することができる。
【０２１７】
片眼に装着する構成にした場合の様子を図５９に（この場合は、左眼に装着）、両眼に装着する構成にした場合の様子を図６０にそれぞれ示す。図５９、図６０中、３１は表示装置本体部を示し、図５９の場合は観察者の顔面の左眼の前方に、図６０の場合は観察者の顔面の両眼の前方に保持されるよう支持部材が頭部を介して固定している。その支持部材としては、一端を表示装置本体部３１に接合し、観察者のこめかみから耳の上部にかけて延在する左右の前フレーム３２と、前フレーム３２の他端に接合され、観察者の側頭部を渡るように延在する左右の後フレーム３３とから（図５９の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム３３の他端に挟まれるように自らの両端を一方づつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム３４とから（図６０の場合）構成されている。
【０２１８】
また、前フレーム３２における上記の後フレーム３３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３５が接合されている。このリヤプレート３５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカバー３６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（図６０の場合）。リヤプレート３５又はリヤカバー３６内の観察者の耳に対応する位置にスピーカー３９が取り付けられている。
【０２１９】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル４１が表示装置本体部３１から、頭頂フレーム３４（図６０の場合）、後フレーム３３、前フレーム３２、リヤプレート３５の内部を介してリヤプレート３５あるいはリヤカバー３６の後端部より外部に突出している。そして、このケーブル４１はビデオ再生装置４０に接続されている。なお、図中、４０ａはビデオ再生装置４０のスイッチやボリュウム調整部である。
【０２２０】
なお、ケーブル４１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構わない。
【０２２１】
なお、以上の実施例２〜１４において、観察者の射出瞳に代えて、実施例１のように絞り８を配置し、スクリーン９上に投影させるようにしても、周辺がぼけている人間の視界に近い自然な映像が表示できる。
【０２２２】
以上のように、本発明は、上述した実施例１〜１４ような光学系の構成によって、良好な結像状態の映像周辺にぼけた映像が存在した投影映像となり、臨場感を損なう原因となる映像のエッジがはっきり示されないことで、現実感、臨場感を向上させることができるものである。
【０２２３】
以上、本発明の映像表示装置のいくつかの実施例について説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【０２２４】
以上の本発明の映像表示装置は例えば次のように構成することができる。
〔１〕  映像を表示する映像表示手段と、前記映像を投影する投影光学系とを有する映像表示装置において、前記投影光学系は、前記映像表示手段周辺からの光束の一部を映像画面の映像表示領域内側及び外側に分配する周辺屈曲光学手段を備えていることを特徴とする映像表示装置。
【０２２５】
〔２〕  前記周辺屈曲光学手段による前記光束の一部の分配が連続的な分布を有することを特徴とする上記〔１〕記載の映像表示装置。
【０２２６】
〔３〕  前記周辺屈曲光学手段による前記光束の一部の分配が、映像画面の映像表示領域の最大画角を越えた角度での分配を含むことを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載の映像表示装置。
【０２２７】
〔４〕  映像を表示する映像表示手段と、前記映像を投影する投影光学系とを有する映像表示装置において、前記投影光学系は、映像表示領域の周辺における屈折力が主表示領域の屈折力よりも正の方向に大きい屈折又は反射作用を持つ端部を有することを特徴とする映像表示装置。
【０２２８】
〔５〕  前記投影光学系は、前記映像を観察者の眼球内の網膜上に投影する接眼光学系であることを特徴とする上記〔４〕記載の映像表示装置。
【０２２９】
〔６〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系であることを特徴とする上記〔５〕記載の映像表示装置。
【０２３０】
〔７〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過鏡とを具備しており、さらに、前記凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点より前記凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっていることを特徴とする上記〔６〕記載の映像表示装置。
【０２３１】
〔８〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が前記映像表示手段の法線と交差するように配された凹面鏡と、前記映像表示手段から発せられた光束を前記凹面鏡に導き、前記凹面鏡で反射された光束を前記観察者の眼球に導くように、前記観察者の眼球と前記凹面鏡との間に配された半透過鏡とを具備しており、さらに、前記凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点より前記凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっていることを特徴とする上記〔６〕記載の映像表示装置。
【０２３２】
〔９〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムとを具備しており、さらに、前記凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点より前記凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっていることを特徴とする上記〔６〕記載の映像表示装置。
【０２３３】
〔１０〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、光軸が前記映像表示手段の法線と交差するように配された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射された光束を前記観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムとを具備しており、さらに、前記凹面鏡は、周辺領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点が、主領域における接平面の法線と前記凹面鏡の光軸とが交わる点より前記凹面鏡側に近づいている形状を有することによって、周辺領域における光線の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きくなっていることを特徴とする上記〔６〕記載の映像表示装置。
【０２３４】
〔１１〕  前記接眼光学系は、観察者の眼球と主たる屈折力を有する光学手段との光路中に、前記映像表示周辺に対する光束の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備することを特徴とする上記〔５〕記載の映像表示装置。
【０２３５】
〔１２〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系を有することを特徴とする上記〔１１〕記載の映像表示装置。
【０２３６】
〔１３〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過鏡と、前記半透過鏡と前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像表示素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備することを特徴とする上記〔１１〕記載の映像表示装置。
【０２３７】
〔１４〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が前記映像表示手段の法線と交差するように配された凹面鏡と、前記映像表示手段から発せられた光束を前記凹面鏡に導き、前記凹面鏡で反射された光束を前記観察者の眼球に導くように、前記観察者の眼球と前記凹面鏡との間に配された半透過鏡と、前記半透過鏡と前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像表素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備することを特徴とする上記〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２３８】
〔１５〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、前記接合プリズムと前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像表素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備することを特徴とする上記〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２３９】
〔１６〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、光軸が前記映像表示手段の法線と交差するように配された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、前記接合プリズムと前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像表素子の周辺領域に対する屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を具備することを特徴とする上記〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２４０】
〔１７〕  前記周辺屈曲光学手段は、周辺に向かうにつれて緩やかに屈折力が強くなる分布を有することを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２４１】
〔１８〕  前記周辺屈曲光学手段の屈折力の大きい周辺における屈曲作用を受けた光束と、主表示領域における屈曲作用を受けた光束とが、射出瞳からの逆光線追跡にて到達する前記映像表示素子面上での２つの領域は、互いに一部が重なり合っていることを特徴とする上記〔１１〕記載の映像表示装置。
【０２４２】
〔１９〕  前記周辺屈曲光学手段は、射出瞳からの光線逆追跡にて、前記周辺屈曲光学手段の屈折力が大きい周辺部を通過した光線は、主たる屈折力を有する光学手段の端部近傍又は前記映像表示手段の表示領域端部近傍に到達する作用を有することを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２４３】
〔２０〕  前記映像表示素子の中央から垂直に射出し眼球に到る光線を光軸とし、主光線を射出瞳中心を通過する光線、あるいは、画面中心を注視したときの眼球の瞳孔中心を通過する光線とするとき、前記周辺屈曲光学手段は、前記映像表示素子の最周辺を射出した主光線が前記周辺屈曲光学手段面上に到達する位置から光軸側に２．５ｍｍ、光軸と逆側に２．５ｍｍ以内の領域で屈折作用を持ち始め、その領域から光軸と逆方向側に屈折作用を有しているように配設されていることを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２４４】
〔２１〕  前記屈折作用を持ち始める領域は、光軸側に０．５ｍｍ、光軸と逆側に０．５ｍｍ以内の領域であることを特徴とする上記〔２０〕記載の映像表示装置。
【０２４５】
〔２２〕  前記屈曲作用を持ち始める領域は、光軸側に１．５ｍｍ、光軸と逆側に２．５ｍｍ以内の領域であることを特徴とする上記〔２０〕記載の映像表示装置。
【０２４６】
〔２３〕  前記周辺屈曲光学手段はフレネル光学素子であることを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２４７】
〔２４〕  前記周辺屈曲光学手段は回折光学素子であることを特徴とする上記〔１１〕又は〔１２〕記載の映像表示装置。
【０２４８】
〔２５〕  前記観察者の眼球に一番近い最終射出面が前記周辺屈曲光学手段を兼ねていることを特徴とする上記〔１５〕又は〔１６〕記載の映像表示装置。
【０２４９】
〔２６〕  前記接眼光学系は、主たる屈折面は周辺において正の屈折力が弱くなる非球面を有し、該非球面周辺の作用を受けた光束を観察者の瞳孔に導く働きを有する正の方向に大きい屈折力を有する周辺屈曲光学手段を具備することを特徴とする上記〔５〕記載の映像表示装置。
【０２５０】
〔２７〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系を有することを特徴とする上記〔２６〕記載の映像表示装置。
【０２５１】
〔２８〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足し、前記映像の周辺領域に対する正の屈折力が前記映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過鏡と、前記半透過鏡と前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像の周辺領域に対する屈折力が前記の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備することを特徴とする上記〔２７〕記載の映像表示装置。
【０２５２】
〔２９〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影する働きを有し、焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足する観察者の眼球と対向し、光軸が前記映像表示手段の法線と交差するように配置され、前記映像の周辺領域に対する正の屈折力が前記映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、前記映像表示手段から発せられた光束を前記凹面鏡に導き、前記凹面鏡で反射された光束を前記観察者の眼球に導くように、前記観察者の眼球と前記凹面鏡との間に配された半透過鏡と、前記半透過鏡と前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像の周辺領域に対する屈折力が前記映像の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備することを特徴とする上記〔２７〕記載の映像表示装置。
【０２５３】
〔３０〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と対向して配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足し、前記映像の周辺領域に対する正の屈折力が前記映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、前記接合プリズムと前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像の周辺領域に対する屈折力が前記映像の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備することを特徴とする上記〔２７〕記載の映像表示装置。
【０２５４】
〔３１〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、光軸が前記映像表示手段の法線と交差するように配置された焦点距離ｆが１５ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍを満足し、前記映像の周辺領域に対する正の屈折力が前記映像の主表示領域における正の屈折力よりも弱くなる非球面を有する凹面鏡と、前記凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くように、前記凹面鏡と前記映像表示手段との間に配された半透過部を有する接合プリズムと、前記接合プリズムと前記観察者の眼球との光路中に配置された前記映像の周辺領域に対する屈折力が前記映像の主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段とを具備することを特徴とする上記〔２７〕記載の映像表示装置。
【０２５５】
〔３２〕  前記周辺屈曲光学手段は、周辺に向かうにつれて緩やかに屈折力が強くなる分布を有することを特徴とする上記〔２６〕記載の映像表示装置。
【０２５６】
〔３３〕  前記周辺屈曲光学手段の屈折力の大きい周辺における屈曲作用を受けた光束と、主表示領域における屈曲作用を受けた光束とが、射出瞳からの逆光線追跡にて到達する前記映像表示素子面上での２つの領域は、互いに一部が重なり合っていることを特徴とする上記〔２６〕記載の映像表示装置。
【０２５７】
〔３４〕  前記周辺屈曲光学手段はフレネル光学素子であることを特徴とする上記〔２６〕記載の映像表示装置。
【０２５８】
〔３５〕  前記周辺屈曲光学手段は回折光学素子であることを特徴とする上記〔２６〕記載の映像表示装置。
【０２５９】
〔３６〕  前記観察者の眼球に一番近い最終射出面が前記周辺屈曲光学手段を兼ねていることを特徴とする上記〔３４〕又は〔３５〕記載の映像表示装置。
【０２６０】
〔３７〕  前記投影光学系の前記映像表示手段に最も近い光学面に前記端部を形成したことを特徴とする上記〔４〕記載の映像表示装置。
【０２６１】
〔３８〕  前記投影光学系は、前記映像を観察者の眼球内の網膜上に投影する接眼光学系であることを特徴とする上記〔３７〕記載の映像表示装置。
【０２６２】
〔３９〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段に表示される映像を拡大投影するように、前記映像表示手段と視軸に対して斜めに配された透過及び反射作用を有する面を含む光学系であることを特徴とする上記〔３８〕記載の映像表示装置。
【０２６３】
〔４０〕  前記光学面の前記端部は、周辺に向かうにつれて穏やかに屈折力が強くなる分布を有することを特徴とする上記〔３７〕記載の映像表示装置。
【０２６４】
〔４１〕  前記光学面の前記端部は、射出瞳からの光線を逆追跡にて、前記端部を通過した光線が前記映像表示手段の表示領域端部近傍に到達する作用を有することを特徴とする上記〔３７〕記載の映像表示装置。
【０２６５】
〔４２〕  前記接眼光学系は、少なくとも３つの光学面を有し、その少なくとも３つの光学面で囲まれた媒質の屈折率が１より大きいプリズムを含み、前記プリズムは、観察者の眼球に最も近く前記眼球に向けて前記映像表示手段からの光束を透過する第３面と、前記第３面に向けて前記映像表示手段からの光束を反射すべく前記眼球の視軸に対して傾いて配置された反射面である第２面と、前記プリズム内に前記映像表示手段からの光束を導く透過面である第１面とを有することを特徴とする上記〔５〕記載の映像表示装置。
【０２６６】
〔４３〕  前記光学面の前記端部は、周辺に向かうにつれて穏やかに屈折力が強くなる分布を有することを特徴とする上記〔４２〕記載の映像表示装置。
【０２６７】
〔４４〕  前記光学面の前記端部は、射出瞳からの光線を逆追跡にて、前記端部を通過した光線が前記映像表示手段の表示領域端部近傍に到達する作用を有することを特徴とする上記〔４２〕記載の映像表示装置。
【０２６８】
〔４５〕  前記接眼光学系は、前記映像表示手段と前記第１面との光路中に、前記映像周辺に対する光束の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を備えていることを特徴とする上記〔４２〕記載の映像表示装置。
【０２６９】
〔４６〕  前記接眼光学系は、前記プリズムの前記第１面が、前記映像周辺に対する光束の屈折力が主表示領域における屈折力よりも正の方向に大きい周辺屈曲光学手段を兼ねていることを特徴とする上記〔４２〕記載の映像表示装置。
【０２７０】
〔４７〕  上記〔１〕から〔１６〕、〔２６〕から〔３５〕、〔３７〕から〔４６〕の何れか１項記載の映像表示装置を片眼用に１組、あるいは、両眼用に２組設けてなる映像表示装置本体と、前記映像表示装置本体を観察者の顔面に保持できるように、前記映像表示装置本体に接続され、観察者の頭部に指示する支持手段とを有することを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
【０２７１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、観察画角が広くなくても臨場感のある、また眼が疲れ難く見やすい頭部装着型等の映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の映像表示装置の構成を従来例との比較で模式的に示す図である。
【図２】実施例２の映像表示装置の構成と表示画面を従来例との比較で模式的に示す図である。
【図３】実施例３の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図４】図３の映像表示装置の変形例の垂直断面図である。
【図５】実施例４の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図６】図５の映像表示装置の変形例の垂直断面図である。
【図７】実施例５の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図８】台形型光学素子の構成を示す斜視図である。
【図９】実施例６の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図１０】実施例６における台形型光学素子の作用を説明するための図である。
【図１１】実施例６における凹面鏡の径の決め方の別の例を説明するための図である。
【図１２】実施例７の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図１３】実施例７の映像表示装置の作用を説明するための図である。
【図１４】実施例７の映像表示装置の作用を説明するための別の図である。
【図１５】実施例８の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図１６】図１５の映像表示装置の変形例の垂直断面図である。
【図１７】実施例９の映像表示装置の光学系の構成を示す部分的な垂直断面図である。
【図１８】実施例９の映像表示装置のフレネルレンズの作用を説明するための図である。
【図１９】実施例９の映像表示装置のフレネルレンズの作用を説明するための別の図である。
【図２０】実施例９の映像表示装置の光線の経路を示す図である。
【図２１】図２０と対応させたＬＣＤの画面とその周辺を示す図である。
【図２２】実施例９の映像表示装置の光線の経路を示す別の図である。
【図２３】実施例９の逆光線追跡における眼からの射出角と光量の関係を示す図である。
【図２４】図２３に関する総光量を示す図である。
【図２５】実施例１０の映像表示装置の光学系の構成を示す部分的な垂直断面図である。
【図２６】実施例１０の図２３に対応する図である。
【図２７】実施例１０の図２４に対応する図である。
【図２８】実施例１１の映像表示装置の光学系の構成を示す断面図である。
【図２９】実施例１２の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図３０】実施例１２の映像表示装置の作用を説明するための図である。
【図３１】図３０の映像表示装置の変形例の垂直断面図である。
【図３２】実施例１３の映像表示装置の光学系の構成を示す垂直断面図である。
【図３３】図３２の映像表示装置の変形例の垂直断面図である。
【図３４】実施例１４の映像表示装置に用いる偏心プリズム光学系の斜視図である。
【図３５】偏心プリズム光学系の光路図である。
【図３６】実施例１４の１形態の映像表示装置の光学系の構成を示す断面図である。
【図３７】実施例１４に用いる周辺屈曲光学系手段の斜視図と断面図である。
【図３８】実施例１４の別の形態の映像表示装置の光学系の斜視図である。
【図３９】偏心プリズム光学系の第１面がフラットでない場合の別の形態の映像表示装置の光学系の構成を示す断面図である。
【図４０】偏心プリズム光学系の第１面がフラットでない場合のもう１つの形態の映像表示装置の光学系の構成を示す断面図である。
【図４１】実施例１４の作用を説明するための周辺の光路図である。
【図４２】画角θ、（θ＋Δθ）、（θ−Δθ）の観察者瞳孔に入射する主光線の経路を示す図である。
【図４３】画角θの観察者瞳孔に入射する光束の経路の概略を示す図である。
【図４４】画角（θ＋Δθ）の観察者瞳孔に入射する光束の経路の概略を示す図である。
【図４５】画角（θ−Δθ）の観察者瞳孔に入射する光束の経路の概略を示す図である。
【図４６】対角長０．７インチでアスペクト比４：３のＬＣＤを用いた例を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図４７】図４６の例で対角長０．５５インチのＬＣＤを用いた場合のＹ−Ｚ断面図である。
【図４８】図４７でフレネルレンズを施した場合のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図４９】図４８の場合の表示画面の様子を示す図である。
【図５０】実施例１４において用いる偏心プリズム光学系の変形例を示す光路図である。
【図５１】実施例１４の映像表示装置の変形例を示す断面図である。
【図５２】実施例１４の映像表示装置の別の変形例を示す断面図である。
【図５３】実施例１４の数値例のリニアフレネルレンズを説明するため図である。
【図５４】実施例１４の数値例の偏心プリズム光学系の基本形態の側面図である。
【図５５】実施例１４の数値例の偏心プリズム光学系の基本形態の平面図である。
【図５６】実施例１４の数値例の偏心プリズム光学系の左エッジのリニアフレネルレンズを通る光束の光路を示す平面図である。
【図５７】実施例１４の数値例の偏心プリズム光学系の下エッジのリニアフレネルレンズを通る光束の光路を示す平面図である。
【図５８】実施例１４の数値例の偏心プリズム光学系の上エッジのリニアフレネルレンズを通る光束の光路を示す平面図である。
【図５９】本発明の映像表示装置を片眼装着の構成にした場合の様子を示す図である。
【図６０】本発明の映像表示装置を両眼装着の構成にした場合の様子を示す図である。
【図６１】ＬＣＤ最周辺光束が周辺屈曲光学手段の内側エッジに接している状態を示す図である。
【図６２】ＬＣＤ最周辺光束が周辺屈曲光学手段に半分がかかっている状態を示す図である。
【図６３】ＬＣＤ最周辺光束が周辺屈曲光学手段に全部がかかっている状態を示す図である。
【図６４】従来の一つの頭部装着型の映像表示装置の光学系の構成を示す図である。
【図６５】図６４のハーフミラーを用いない等価光学系を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ…観察者眼球
１…映像表示素子（ＬＣＤ）
２…凹面鏡
３…ハーフミラー
４…射出面
５…屈折レンズ
５’…投影レンズ
６…照明光用光源
７…照明レンズ
８…絞り
９…スクリーン
１０…球面単レンズ
１１…接眼光学系（接眼レンズ）
１２…接合プリズム
１３…台形型光学素子
１４…フレネルレンズ（周辺屈曲光学手段）
１４1 、１４2 、１４12、１４13、１４21、１４22…リニアフレネルレンズ（１次元フレネルレンズ）
１５…非球面レンズ
２０…偏心プリズム光学系（投影光学系）
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…側面
２５…射出瞳
２６…光軸
２７…反射コーティング
３１…表示装置本体部
３２…前フレーム
３３…後フレーム
３４…頭頂フレーム
３５…リヤプレート
３６…リヤカバー
３９…スピーカー
４１…ケーブル
４０…ビデオ再生装置
４０ａ…ボリュウム調整部
５０…偏心プリズム光学系
５１…第１面
５２…第２面
５３…第３面
５４…第４面
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003943680.tif 000016
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003943680.tif 000020
【図８】
0003943680.tif 000021
【図９】
0003943680.tif 000022
【図１０】
0003943680.tif 000023
【図１１】
0003943680.tif 000024
【図１２】
0003943680.tif 000025
【図１３】
0003943680.tif 000026
【図１４】
0003943680.tif 000027
【図１５】
0003943680.tif 000028
【図１６】
0003943680.tif 000029
【図１７】
0003943680.tif 000030
【図１８】
0003943680.tif 000031
【図１９】
0003943680.tif 000032
【図２０】
0003943680.tif 000033
【図２１】
0003943680.tif 000034
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0003943680.tif 000037
【図２５】
0003943680.tif 000038
【図２６】
0003943680.tif 000039
【図２７】
0003943680.tif 000040
【図２８】
0003943680.tif 000041
【図２９】
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【図３０】
0003943680.tif 000043
【図３１】
0003943680.tif 000044
【図３２】
0003943680.tif 000045
【図３３】
0003943680.tif 000046
【図３４】
0003943680.tif 000047
【図３５】
0003943680.tif 000048
【図３６】
0003943680.tif 000049
【図３７】
0003943680.tif 000050
【図３８】
0003943680.tif 000051
【図３９】
0003943680.tif 000052
【図４０】
0003943680.tif 000053
【図４１】
0003943680.tif 000054
【図４２】
0003943680.tif 000055
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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