(57)【要約】【課題】従来よりもさらに広い画角が得られる小型の表示光学系を実現する。【解決手段】表示光学系は、それぞれ少なくとも反射作用を有する第１の面Ａ、第２の面Ｃ及び第３の面Ｂと、第１、第２及び第３の面により囲まれた領域Ｒの外に設けられ、反射作用を有する第４の面Ｄとを有する。該表示光学系は、原画１０からの光が、上記領域を通過した後、第４の面で反射して再度該領域に戻り、該領域に戻って第１の面で反射した光が、第２の面で再度第１の面に向かって反射し、第１の面に再度入射した光が該光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの該第１の面の法線に対して前回の反射とは反対側に進むように反射し、第１の面で再度反射した光が、第３の面で反射して射出瞳に向かうように構成されている。【選択図】図１
2009015007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画からの光を射出瞳に導く表示光学系であって、
それぞれ少なくとも反射作用を有する第１の面、第２の面及び第３の面と、
前記第１、第２及び第３の面により囲まれた領域の外に設けられ、反射作用を有する第４の面とを有し、
前記原画からの光が、前記領域を通過した後、前記第４の面で反射して再度、前記領域に戻り、
前記領域に戻って前記第１の面で反射した光が、前記第２の面で再度、前記第１の面に向かって反射し、
前記第１の面に再度入射した光が、該光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの該第１の面の法線に対して前回の反射とは反対側に進むように反射し、
該第１の面で再度反射した光が、前記第３の面で反射して前記射出瞳に向かうように構成されていることを特徴とする表示光学系。
【請求項２】
前記原画から前記領域に入射した光は、前記第４の面での反射後に形成される前記第１の面で反射してから前記第２の面で反射して前記第１の面に再度入射するまでの光路のうち少なくとも一部を通って前記領域を通過することを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
【請求項３】
前記原画から前記領域に入射した光は、その少なくとも一部が前記第３の面を透過して前記第４の面に向かうことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示光学系。
【請求項４】
原画を形成する画像形成素子と、
請求項１から３のいずれか１つに記載の表示光学系とを有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子等の画像形成素子に形成された原画の拡大像を観察者に提示する表示光学系に関し、特にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に好適な表示光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤには、広画角化による臨場感の向上と装置としての小型化とが要求される。また、観察者の頭部（眼前）に装着されるＨＭＤの重量バランスを考慮すると、特に薄型であることが望まれる。
【０００３】
広画角化の要望に応えるには、原画を形成する画像形成素子を大型化すればよいとも考えられるが、画像形成素子の大型化はコストの増大につながり、好ましくない。また、小型の画像形成素子を用いて広画角化を達成するには、原画の中間実像を形成せずに観察者に拡大虚像を提示する０回結像光学系よりも、原画の中間実像を形成して該中間像の虚像を拡大像として提示する１回結像光学系の方が適している。ただし、１回結像光学系では、光学系を構成する要素の数が多くなり、光路長も長くなるため、大型で重い装置になり易い。
【０００４】
広画角化と小型化との両立を目的としたＨＭＤとして、例えば特許文献１にて開示されたものがある。このＨＭＤでは、折り返し反射面とその前後に光が通る偏心反射面を用いて往復光路を形成し、１回結像させるのに必要な長い光路を小型の光学系内に収めている。
【特許文献１】特開２００３−１４９５９３号公報(段落００４７〜００６０、図１等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１にて開示されたＨＭＤに比べて、さらなる広画角化と小型化が求められている。
【０００６】
本発明は、従来よりもさらに広い画角が得られる小型の画像表示装置を実現できる表示光学系、若しくは従来と同等の画角で更に小型の画像表示装置を実現できる表示光学系を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての表示光学系は、それぞれ少なくとも反射作用を有する第１の面、第２の面及び第３の面と、第１、第２及び第３の面により囲まれた領域の外に設けられ、反射作用を有する第４の面とを有する。該表示光学系は、原画からの光が、上記領域を通過した後、第４の面で反射して再度該領域に戻り、該領域に戻って第１の面で反射した光が、第２の面で再度第１の面に向かって反射し、第１の面に再度入射した光が該光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの該第１の面の法線に対して前回の反射とは反対側に進むように反射し、第１の面で再度反射した光が、第３の面で反射して射出瞳に向かうように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、原画を形成する画像形成素子と、上記表示光学系とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１、第２及び第３の面により囲まれた領域の外に第４の面を設け、原画からの光を一旦該領域を通過させてから第４の面にて反射し、再度該領域に戻して第１及び第２の面間で往復光路を形成させる。これにより、表示光学系の大型化を抑えつつ又はより小型化しつつ、往復光路によって得られる長い光路長をさらに長くすることができる。したがって、従来よりもさらに広い画角が得られる小型の表示光学系及び画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１には、本発明の実施例１である表示光学系を用いた画像表示装置の構成を示している。本実施例の画像表示装置は、特にＨＭＤに好適な構成を有する。
【００１２】
図１において、１は第１の光学素子、２は第２の光学素子である。１０は原画を表示する画像形成素子であり、液晶表示素子や有機ＥＬ素子等が用いられる。また、Ｓは表示光学系の射出瞳である。
【００１３】
画像形成素子１０は、駆動回路２０に接続されている。駆動回路２０は、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置３０からの映像信号を受け、該映像信号に応じた原画が形成されるように画像形成素子１０を駆動する。画像表示装置と画像形成素子１０とにより、画像表示システムが構成される。このことは、図示はしないが、後述する他の実施例でも同じである。
【００１４】
第１の光学素子１は、第１の面である面Ｓ１（Ａ）、第３の面である面Ｓ２（Ｂ）及び第２の面である面Ｓ３（Ｃ）の３つの光学面によって囲まれた領域Ｒが、屈折率ｎ（＞１）の媒質で満たされたプリズム状の素子である。
【００１５】
第２の光学素子２は、面Ｂと第４の面である面Ｓ４（Ｄ）の２つの光学面を有し、内部が屈折率ｎ（＞１）の媒質で満たされたレンズ状の素子である。第２の光学素子２は、第１の光学素子１と面Ｂにおいて接合されている。
【００１６】
なお、以下の説明においては、面Ｓ１を面Ａと、面Ｓ２を面Ｂと、面Ｓ３を面Ｃと、面Ｓ４を面Ｄという。
【００１７】
面Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも、少なくとも反射作用を有する面であり、本実施例では、透過作用と反射作用とを有する。また、面Ｄは反射作用のみを有する面である。面Ｄは、面Ａ，Ｂ，Ｃによって囲まれた領域Ｒ外に配置された面である。
【００１８】
本実施例では、面Ｂ，Ｃに半透過反射膜を形成している。ただし、面Ａには反射膜を形成していない。
【００１９】
図２には、本実施例における中心画角主光線の光路を示している。中心画角主光線とは、原画の中心から発して、射出瞳Ｓの中心に至る主光線を意味する。中心画角主光線は、以下の説明における光及び光束を構成する光線である。
【００２０】
画像形成素子１０（面ＳＩ）を発した光は、面Ｃから第１の光学素子１（面Ａ〜Ｃにより囲まれた領域Ｒ）に入射し、面Ａに対してarcsin（１／ｎ）以上の角度で入射してここで内部全反射された後、面Ｂを透過して第１の光学素子１から射出する。第１の光学素子１から射出した光は、第２の光学素子２に入射する。つまり、画像形成素子１０を発した光は、まず第１の光学素子１（領域Ｒ）を通過して第２の光学素子２の面Ｄに向かう。
【００２１】
第２の光学素子２に入射して面Ｄで反射された光は、面Ｂを透過して再度第１の光学素子１（領域Ｒ）内に戻る。第１の光学素子１に戻った光は、面Ａに対してarcsin（1/ｎ）以上の角度で入射してここで内部全反射され、面Ｃに向かう。
【００２２】
面Ｃで反射された光は、面Ａに対してarcsin（1/ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂで反射された後、面Ａにarcsin（1/ｎ）より小さい角度で入射してここを透過し、射出瞳Ｓに導かれる。
【００２３】
図３には、画像表示に用いられない不要光の例を示している。該不要光は、画像形成素子１０から発して面Ｂに最初に入射する際に、面Ｂを透過せずに反射され、さらに面Ａを透過して、射出瞳Ｓとは異なる方向に進む。このように、本実施例では、不要光が射出瞳Ｓに向かわないように各面を構成している。
【００２４】
本実施例では、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはいずれも、中心画角主光線に対して偏心している。すなわち、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した中心画角主光線は、いずれも各面に対して垂直に入射して垂直に反射するのではなく、所定の角度で入射して反射される。特に、図２に示すように、中心画角主光線のうち面Ｃに向かう部分と面Ｃで反射した直後の部分とがなす角度θ１と、中心画角主光線のうち面Ｄに向かう部分と面Ｄで反射した直後の部分とがなす角度θ２は、以下の条件を満たすことが望ましい。
【００２５】
θ１＋θ２＞１０°  …（１）
この条件を満たすことにより、画像形成素子１０を発して面Ｂに最初に入射する光が、面Ｂにて反射された後、面Ａを通って射出瞳Ｓに向かわないようにすることができ、この不要光がゴースト光又はフレア光として観察者に観察されるのを防ぐことができる。
【００２６】
また、本実施例において、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはいずれも曲率を有した曲面である。これら曲面の作用によって、画像形成素子１０に形成された原画の拡大像が観察者に観察される。
【００２７】
以下、本実施例における結像の様子について、図１，２，４，５を用いて説明する。図４には主光線の光路を示し、図５には、中心画角主光線とそのマージナル光線の光路を示している。
【００２８】
画像形成素子１０を発した光束は、面Ｃでの凸レンズ作用によって発散度を弱められて第１の光学素子１に入射する。この後、光束は曲率の小さい面Ａでの内部全反射を経て、面Ｂを透過して第２の光学素子２に入射し、面Ｄに向かう。
【００２９】
凹面形状の反射面Ｄによって集光作用を受けつつ反射された光束は、面Ｂを通過して中間瞳像を形成した後、面Ａで内部全反射されて面Ｃでさらに反射される。
【００３０】
凹面形状の反射面Ｃによりさらに集光された光束は、中間像を形成する。本実施例において、上側（＋ｙ方向側）の画角を構成する光束の一部は、反射面Ｃでの反射以前に既に中間像を形成しており、厳密に言うと、中間結像面（各画角を構成する有効光束が集まる点を結んだ面）は反射面Ｃの前後にわたって形成される。
【００３１】
中間像を形成した光束は、面Ａで内部全反射され、凹面形状の反射面Ｂによって反射される。そして、該光束は、面Ａから射出して射出瞳Ｓを形成する。射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、主に曲率の強い凹面形状の反射面Ｂの作用によって、中間像の拡大虚像を観察することができる。
【００３２】
このとき、中間像を形成した後に反射面Ａ，Ｂによって折り畳まれる光束の一部が中間像の一部を横切るように光路が形成されることが好ましい。本実施例では、下側（−ｙ方向側）の画角の中間像を、上側の画角を構成する光束が横切る。このように構成することで、第１の光学素子１を小さくすることができ、表示光学系全体の小型化に有効である。
【００３３】
本実施例における第１の光学素子１は、中間像を形成した後の光束を射出瞳Ｓに導く接眼光学系として機能する部分（面Ａでの３回目の内部全反射から、面Ｂでの反射を経て面Ａを透過するまでの部分）と、リレー光学系として機能するその他の部分とを有する。第１の光学素子１は、少なくとも反射作用を有する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃによって囲まれ、接眼光学系として機能する部分でも面Ａでの３回目の内部全反射と面Ｂでの反射とによって有効光の光路を視軸方向（ｚ方向）にて折り畳む。これにより、表示光学系の薄型化を実現することができる。
【００３４】
また、第１の光学素子１では、中間像を形成した後の光（中心画角主光線）は、中間像を形成する前に辿ったＢ面（透過）→Ａ面（２回目の内部全反射）の光路を逆戻りしてＡ面（３回目の内部全反射）→Ｂ面（反射）と進む。つまり、上記のように光路を逆戻りさせるように光を折り返す折り返し反射面としての面Ｃを有する。
【００３５】
本実施例では、Ａ面（２回目の内部全反射）→Ｃ面（反射）→Ａ面（３回目の内部全反射）の光路が、第１及び第２の面間に形成される往復光路に相当する。
【００３６】
ここで、面Ｃでの折り返し反射作用とは、以下の作用である。すなわち、光が面Ａにて２回目の内部全反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第１の反射方向とする。また、面Ｃで反射された光が面Ａにて３回目の内部全反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向とを第２の反射方向とする。このとき、第１の反射方向と第２の反射方向とを互いに逆向きにするように光を反射させる作用が、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【００３７】
言い換えれば、面Ａに入射した光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの面Ａの法線に対して前回の面Ａでの反射（＋ｙ方向）とは反対側（−ｙ方向）に進むように反射するのが、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【００３８】
本実施例では、面Ｃでの折り返し反射作用により、リレー光学系、特に中間瞳結像位置（各画角を構成する主光線が集まる位置）から中間結像面までの光路と、接眼光学系の光路とを、第１の光学素子１の内部に収めている。これにより、表示光学系全体を小型に構成することができる。
【００３９】
また、本実施例では、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ外に、面Ｄを有しており、画像形成素子１０から発せられて第１の光学素子（領域Ｒ）１を一旦通過した光を再度第１の光学素子１に戻して中間瞳像が形成されるように表示光学系を構成している。さらに、本実施例では、面Ｄは、面Ａで１回目の内部全反射をした光を面Ａで２回目の内部全反射をするように戻す作用を有する。
【００４０】
ここで、光が面Ａで１回目の内部全反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第３の反射方向とする。また、面Ｄで反射された光が面Ａで２回目の内部全反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントにおける面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第４の反射方向とする。このとき、第３の反射方向と第４の反射方向とは、互いに逆向きになる。つまり、面Ａに入射した光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの面Ａの法線に対して前回の面Ａでの反射とは反対側に進むように面Ｄが設定されている。
【００４１】
このため、面Ｄも折り返し反射面としての機能を有している。これにより、上述したＢ面（透過）→Ａ面（２回目の内部全反射）→Ｃ面（反射）→Ａ面（３回目の内部全反射）→Ｂ面（反射）の往復光路と、Ｃ面（透過）→Ａ面（１回目の内部全反射）→Ｂ面（透過）の光路が、第１の光学素子１内に収まる。したがって、表示光学系の小型化を実現することができる。
【００４２】
さらに言えば、原画から中間結像位置までのリレー光学系の光路のうち、原画から中間瞳結像位置までの前半部分の一部と、中間瞳結像位置から中間結像位置までの後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で重複する。中心画角主光線の光路について言えば、リレー光学系の光路のうち前半部分の一部と、該光路での後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で交差する。言い換えれば、原画から領域Ｒに入射した光は、面Ｄでの反射後に形成される面Ａで反射してから面Ｃで反射して面Ａに再度入射するまでの往復光路のうち少なくとも一部を通って領域Ｒを通過する。
【００４３】
このような構成により、長い光路を小さな領域Ｒ内に形成することができ、この結果、表示光学系全体を小型に構成することができる。逆に言えば、表示光学系のサイズに対して光路長を長く確保することができる。このため、光学面の敏感度を低減し、公差の緩い表示光学系、すなわち製造が容易な表示光学系を実現することができる。
【００４４】
ところで、曲率を有した偏心反射面としての面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいては偏心収差が発生する。このため、これらの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを回転非対称形状に形成して偏心収差を補正することが好ましい。特に、曲率が強く、反射光に対する偏心度合いも大きい面Ｂでは大きな偏心収差が発生する。このため、面Ｂを回転非対称な形状に形成して偏心収差の補正を行うことは、表示光学系の光学性能を良好にするために重要である。面Ｂ以外の面も回転非対称な形状に形成して偏心収差の補正を行えば、収差補正の自由度が増え、光学性能の向上に有効である。
【００４５】
また、本実施例においては、半透過反射面としての面Ｂ，Ｃでの反射及び透過によって光量損失が生じる。しかし、第１の光学素子１をプリズム状素子とし、面Ａでの３回の反射を全て内部全反射とすることで、光量損失を少なくしている。
【００４６】
但し、面Ａでの反射は必ずしも内部全反射に限られない。すなわち、面Ａを半透過反射面として、画像表示に用いられる有効光を適宜反射又は透過させて、本実施例で説明した光路を形成するようにしてもよい。
【００４７】
また、本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをいずれも中心画角主光線に対して偏心した反射面として形成したが、面Ｃ，Ｄについては必ずしもこれに限られるものではない。例えば、面Ｃがθ１＝０となるように中心画角主光線を反射する非偏心反射面であっても、条件（１）を満たすことで、画像形成素子１０を発して面Ｂに最初に入射する中心画角主光線がゴースト光又はフレア光として観察者に観察されるのを防ぐことができる。
【００４８】
また、本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの全てを曲率を有した面としたが、いずれかの面が平面であってもよい。ただし、全ての面を曲率を有した面として結像及び収差補正に寄与する面とした方が、結像性能の高い表示光学系を構成することがより容易になるという点で好ましい。
【００４９】
また、本実施例においては、第１の光学素子１と第２の光学素子２とを同じ屈折率ｎを有する材料で構成したが、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を有する材料で構成してもよい。
【実施例２】
【００５０】
図６には、本発明の実施例２である表示光学系を備えた画像表示装置の構成を示している。
【００５１】
本実施例は、実施例１にて説明した光束を内面反射する第１及び第２の光学素子１，２に代えて、光束を表面反射する光学素子１１，１２，１３，１４を用いている。また、本実施例では、実施例１と異なり、反射面に偏光分離機能による反射作用を持たせるとともに、光束の偏光方向を変換する偏光変換素子（位相板）１５を用いている。さらに、本実施例では、不要光を遮るための偏光板（偏光子）１６を用いている。
【００５２】
該表示光学系は、光学素子１１，１２，１３に設けられ、領域（空間）Ｒを囲む３つの面Ｓ４（Ａ），Ｓ５（Ｂ），Ｓ７（Ｃ）と、該領域Ｒ外に設けられた面Ｓ１０（Ｄ）とを有する。以下の説明において、面Ｓ４を面Ａと、面Ｓ５を面Ｂと、面Ｓ７を面Ｃと、面Ｓ１０を面Ｄという。本実施例でも、面Ａが第１の面に、面Ｃが第２の面に、面Ｂが第３の面に、面Ｄが第４の面に相当する。
【００５３】
光学素子１１，１２の面Ａ，Ｂには半透過反射膜が形成されており、該面Ａ，Ｂはハーフミラーとして作用する。光学素子１３の面Ｃには偏光分離機能が付与されており、該面Ｃは偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）として作用する。偏光分離機能は、多層膜や、光の波長以下の周期を持つ微細周期構造等、公知の構成により実現可能である。
【００５４】
光学素子１４の面Ｄには、反射膜が形成されている。位相板１５は、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板である。
【００５５】
まず、表示光学系内での光路と偏光方向の変化について説明する。ここでは、図に示した断面方向に電界の振動方向を持つ偏光をＰ偏光とし、これに垂直な電界の振動方向を持つ偏光をＳ偏光とする。面Ｃは、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）として作用する。また、偏光板１６は、Ｓ偏光を透過し、Ｐ偏光を吸収する。
【００５６】
１０は原画を形成する画像形成素子である。また、Ｓは表示光学系の射出瞳である。
【００５７】
画像形成素子１０（面ＳＩ）から射出したＰ偏光は、光学素子１３を透過して面Ａ，Ｂ，Ｃによって囲まれた領域Ｒ内に入射する。該Ｐ偏光は、面Ａで反射され、面Ｂを透過して、領域Ｒ外に射出する。
【００５８】
このように領域Ｒを通過して該領域Ｒから射出したＰ偏光は、１／４波長板１５で円偏光に変換される。１／４波長板１５で円偏光に変換された光は、面Ｄで反射されてそれまでとは逆回りの円偏光になり、再度１／４波長板１５に入射することでＳ偏光に変換される。
【００５９】
１／４波長板１５から射出されたＳ偏光は、面Ｂを透過して領域Ｒ内に戻る。そして、面Ａで反射されて面Ｃに向かう。さらに、該Ｓ偏光は面Ｃで反射され、面Ａで反射され、面Ｂで反射された後、面Ａを透過して偏光板１６を透過して射出瞳Ｓに導かれる。
【００６０】
以上は、画像表示に用いられる有効光の光路であるが、画像表示に用いられない不要光の光路は以下の通りである。
【００６１】
画像形成素子１０から射出して、光学素子１３を透過し、面Ａを透過したＰ偏光は、偏光板１６により吸収される。
【００６２】
また、面Ａで反射され、面Ｂで反射された後、面Ａを透過したＰ偏光も、偏光板１６で吸収される。
【００６３】
また、面Ａで反射され、面Ｂで反射された後、再び面Ａで反射された光は、面Ｂで反射した場合は元の光路を辿って射出瞳Ｓとは別方向に向かう光となる。一方、面Ｂを透過した場合は、面Ｄで反射されて光路外に向かう光となる。したがって、これらの不要光は射出瞳Ｓには向わず、観察者には観察されない。
【００６４】
また、本実施例においても、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはいずれも曲率を有した曲面である。これらの曲面の作用により、画像形成素子１０に形成された原画の拡大像が観察者に視認される。
【００６５】
以下、本実施例における結像の様子について説明する。
【００６６】
画像形成素子１０を発した光束は、光学素子１３の凸レンズ作用により、発散度を弱められた状態で３つの面Ａ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域Ｒに入射する。この後、該光束は、曲率の小さい面Ａでの反射を経て、面Ｂを透過して３つの面Ａ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域Ｒから射出し、面Ｄに向かう。
【００６７】
凹面形状の反射面Ｄにより集光作用を受けながら反射された光束は、面Ｂを透過して３つの面Ａ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域Ｒ内に戻る。その後、該光束は、中間瞳像を形成した後、面Ａで反射され、面Ｃでも反射される。
【００６８】
凹面形状の反射面Ｃによりさらに集光された光束は、中間像を形成する。本実施例において、上側（＋ｙ方向側）の画角を構成する光束の一部は、反射面Ｃでの反射され、反射面Ａで再度反射された後に中間像を形成する。つまり、厳密に言うと、中間結像面（各画角を構成する有効光束が集まる点を結んだ面）は、反射面Ａの前後にわたって形成されている。
【００６９】
中間像を形成した光束は、面Ａで反射され、凹面形状の反射面Ｂによって反射される。さらに、反射面Ｂによって反射された光束は、面Ａを透過して３つの面Ａ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域Ｒから射出して射出瞳Ｓを形成する。射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、主に曲率の強い凹面形状の反射面Ｂの作用により、中間像の拡大虚像を観察することができる。
【００７０】
本実施例において、面Ａ，Ｂ，Ｃに囲まれた領域Ｒにおいては、中間像位置以降の接眼光学系として機能する部分（面Ａでの３回目の反射から、面Ｂでの反射を経て面Ａでの透過までの部分）と、リレー光学系として機能するその他の部分とが形成されている。
【００７１】
接眼光学系として機能する部分では、面Ａでの３回目の反射と面Ｂでの反射とにより、有効光の光路を視軸方向（ｚ方向）にて折り畳む。これにより、表示光学系の薄型化を実現することができる。
【００７２】
また、本実施例では、領域Ｒにおいて、中間像を形成した後の光（中心画角主光線）は、中間像を形成する前に辿ったＢ面（透過）→Ａ面（２回目の反射）の光路を逆戻りしてＡ面（３回目の反射）→Ｂ面（反射）と進む。つまり、上記のように光路を逆戻りさせるように光を折り返す折り返し反射面としての面Ｃを有する。
【００７３】
本実施例では、Ａ面（２回目の反射）→Ｃ面（反射）→Ａ面（３回目の反射）の光路が、第１及び第２の面間に形成される往復光路に相当する。
【００７４】
ここで、面Ｃでの折り返し反射作用とは、以下の作用である。すなわち、光が面Ａにて２回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第１の反射方向とする。また、面Ｃで反射された光が面Ａにて３回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向とを第２の反射方向とする。このとき、第１の反射方向と第２の反射方向とを互いに逆向きにするように光を反射させる作用が、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【００７５】
言い換えれば、面Ａに入射した光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの面Ａの法線に対して前回の面Ａでの反射（＋ｙ方向）とは反対側（−ｙ方向）に進むように反射するのが、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【００７６】
本実施例では、面Ｃでの折り返し反射作用により、リレー光学系、特に中間瞳結像位置（各画角を構成する主光線が集まる位置）から中間結像面までの光路と、接眼光学系の光路とを、領域Ｒ内に収めている。これにより、表示光学系全体を小型に構成することができる。
【００７７】
また、本実施例では、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ外に、面Ｄを有しており、画像形成素子１０から発せられて領域Ｒ１を一旦通過した光を再度領域Ｒに戻して中間瞳像が形成されるように表示光学系を構成している。さらに、本実施例では、面Ｄは、面Ａで１回目の反射をした光を面Ａで２回目の反射をするように戻す作用を有する。
【００７８】
ここで、光が面Ａで１回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第３の反射方向とする。また、面Ｄで反射された光が面Ａで２回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントにおける面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第４の反射方向とする。このとき、第３の反射方向と第４の反射方向とは、互いに逆向きになる。つまり、面Ａに入射した光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの面Ａの法線に対して前回の面Ａでの反射とは反対側に進むように面Ｄが設定されている。
【００７９】
このため、面Ｄも折り返し反射面としての機能を有している。これにより、上述したＢ面（透過）→Ａ面（２回目の反射）→Ｃ面（反射）→Ａ面（３回目の反射）→Ｂ面（反射）の往復光路と、Ｃ面（透過）→Ａ面（１回目の反射）→Ｂ面（透過）の光路が、領域Ｒ内に収まる。したがって、表示光学系の小型化を実現することができる。
【００８０】
さらに言えば、原画から中間結像位置までのリレー光学系の光路のうち、原画から中間瞳結像位置までの前半部分の一部と、中間瞳結像位置から中間結像位置までの後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で重複する。
【００８１】
中心画角主光線の光路について言えば、リレー光学系の光路のうち前半部分の一部と、該光路での後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で交差する。言い換えれば、原画から領域Ｒに入射した光は、面Ｄでの反射後に形成される面Ａで反射してから面Ｃで反射して面Ａに再度入射するまでの往復光路のうち少なくとも一部を通って領域Ｒを通過する。
【００８２】
このような構成により、長い光路を小さな領域Ｒ内に形成することができ、この結果、表示光学系全体を小型に構成することができる。逆に言えば、表示光学系のサイズに対して光路長を長く確保することができる。このため、光学面の敏感度を低減し、公差の緩い表示光学系、すなわち製造が容易な表示光学系を実現することができる。
【００８３】
ところで、曲率を有した偏心反射面としての面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいては偏心収差が発生する。このため、これらの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを回転非対称形状に形成して偏心収差を補正することが好ましい。特に、曲率が強く、反射光に対する偏心度合いも大きい面Ｂでは大きな偏心収差が発生する。このため、面Ｂを回転非対称な形状に形成して偏心収差の補正を行うことは、表示光学系の光学性能を良好にするために重要である。面Ｂ以外の面も回転非対称な形状に形成して偏心収差の補正を行えば、収差補正の自由度が増え、光学性能の向上に有効である。
【００８４】
本実施例においては、半透過反射面Ａ，Ｂでの反射及び透過によって光量損失が生じるが、面ＣをＰＢＳとし、Ｄ面での反射の前後で１／４波長板１５を用いて直線偏光の偏光方向を９０°回転させて光量損失を少なくしている。
【００８５】
本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはいずれも、中心画角主光線に対して偏心している。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。本実施例では、実施例１で説明した条件（１）を満足せずとも、偏光板１６を配置したことにより、不要光を瞳Ｓに到達しないようにして、ゴースト・フレア光として観察者に認識されるのを防ぐことが出来る。従って、実施例１の構成に対して、光学面配置の自由度が増える分、結像性能の高い光学系を構成することが容易になる等の利点を有する。
【００８６】
したがって、原画から領域Ｒに入射した光が、面Ｄでの反射後に形成される面Ａで反射してから面Ｃで反射の反射を経て面Ａに再度入射するまでの往復光路のうち少なくとも一部を通って領域Ｒを通過する場合の一例として以下のようにしてもよい。すなわち、原画から領域Ｒに入射した中心画角主光線が該往復光路と一致する光路を辿って領域Ｒから射出するようにしてもよい。
【００８７】
尚、実施例１で説明した条件（１）を満足して、偏光板１６の不要光吸収作用に関わらず、射出瞳Ｓへ向う光が少なくなるようにしてゴースト・フレア光を抑制しても良い。ただし、面Ｃ，Ｄの少なくとも一方は必ずしも偏心していなくても良い。面Ｃがθ１＝０となるように中心画角主光線を反射する非偏心反射面であっても、条件（１）を満たすことで、画像形成素子１０を発して面Ｂに最初に入射する中心画角主光線がゴースト光又はフレア光として観察者に観察されるのを防ぐことができる。
【００８８】
また、本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの全てを曲率を有した面としたが、いずれかの面が平面であってもよい。ただし、全ての面を曲率を有した面として結像及び収差補正に寄与する面とした方が、結像性能の高い表示光学系を少ない面数で構成することが容易になるという点で好ましい。
【００８９】
さらに、本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒと面Ｂと面Ｄとの間の領域とが空気により満たされるように薄型の光学素子１１，１２，１３，１４を用いて表示光学系を構成したため、実施例１に対して表示光学系を軽量化することができる。
【００９０】
また、実施例１と実施例２とを組み合わせた構成として、以下のような構成を採用することもできる。すなわち、実施例１における第２の光学素子２の中に実施例２における１／４波長板１５を配置し、また実施例１における第１の光学素子１のＣ面に偏光分離機能を持たせる。そして、面Ａと射出瞳Ｓとの間に、偏光板１６を配置する。このような構成によれば、光の利用効率をより高めることができる。
【実施例３】
【００９１】
図７には、本発明の実施例３である表示光学系を備えた画像表示装置の構成を示している。
【００９２】
図７において、１は第１の光学素子、２は第２の光学素子であり、これらは屈折率がｎの媒質で満たされたプリズム状の素子である。１０は原画を形成する画像形成素子である。また、Ｓは表示光学系の射出瞳である。
【００９３】
本実施例は、第１の光学素子１が面Ａ，Ｂ，Ｃの３つの面に加えて面Ｅを有する点、第１の光学素子１の面Ａの一部に反射膜を形成した点、及び面Ｃの反射膜が半透過反射膜ではなく単に反射膜とした点で実施例１と異なる。
【００９４】
画像形成素子１０（面ＳＩ）から発した光は、面Ｅ（Ｓ５）を透過して第１の光学素子１（領域Ｒ）に入射し、反射されることなく面Ｂ（Ｓ２）を透過して（第１の光学素子１を通過して）第２の光学素子２に入射する。第２の光学素子２に入射した光は、面Ｄ（Ｓ４）で反射される。面Ｄで反射された光は、面Ｂを透過して第１の光学素子１内に戻り、面Ａ（Ｓ１）のうち反射膜形成領域にて反射される。
【００９５】
面Ａの反射膜形成領域で反射された光は、面Ｃ（Ｓ３）で反射された後、再度面Ａに向かう。その後、該光の一部は、面Ａの反射膜形成領域で反射され、その他の光は面Ａの反射膜非形成領域にarcsin（1／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。その後、該光は面Ｂで反射され、面Ａにarcsin（１／ｎ）より小さい角度で入射してここを透過し、射出瞳Ｓに導かれる。
【００９６】
本実施例でも、面Ａが第１の面に、面Ｃが第２の面に、面Ｂが第３の面に、面Ｄが第４の面に相当する。
【００９７】
本実施例では、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはいずれも、中心画角主光線に対して偏心している。すなわち、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した中心画角主光線は、いずれも各面に対して垂直に入射して垂直に反射するのではなく、所定の角度で入射して反射される。本実施例でも、条件（１）を満たすように構成してもよい。
【００９８】
また、本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはいずれも曲率を有した曲面である。これら曲面の作用によって、画像形成素子１０に形成された原画の拡大像が観察者に観察される。
【００９９】
以下、本実施例における結像の様子について説明する。
【０１００】
画像形成素子１０を発した光束は、面Ｅでの凸レンズ作用により発散度を弱められた状態で第１の光学素子１に入射し、該第１の光学素子１を通過して面Ｂから第２の光学素子２に入射し、反射面Ｄに向かう。凹面形状の反射面Ｄにより集光作用を受けながら反射された光束は、面Ｂを透過して第１の光学素子１に戻り、中間瞳像を形成しつつ、面Ａに形成された反射膜形成領域付近に集まる。
【０１０１】
その後、曲率の小さい凸面形状の面Ａでの反射膜形成領域で反射された光は、凹面形状の面Ｃで反射された後、中間像を形成する。さらに、面Ａの反射膜形成領域に入射した光はここで反射され、また、面Ａの反射膜非形成領域に入射した光はarcsin（１／ｎ）以上の角度でここに入射して内部全反射される。
【０１０２】
その後、光は反射面Ｂの凹面形状の部分で反射され、面Ａにarcsin（１／ｎ）より小さい角度で入射してここを透過して第１の光学素子１から射出し、射出瞳Ｓを形成する。射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、主に曲率の強い凹面形状の反射面Ｂの作用によって、中間像の拡大虚像を観察することができる。
【０１０３】
このとき、中間像を形成した後に反射面Ａ，Ｂにより光路が折り畳まれる光束の一部が中間像の一部を横切るように構成されていることが好ましい。本実施例においては、下側（−ｙ方向側）の画角の中間像が、上側（＋ｙ方向側）の画角を構成する光束にかかる。このように構成することで、反射面Ｂの凹面形状部分の曲率を強くして第１の光学素子１を小さく構成することができるので、表示光学系の小型化を有効である。
【０１０４】
本実施例の第１の光学素子１は、中間像を形成した後の光束を射出瞳Ｓに導く接眼光学系として機能する部分（面Ａでの２回目の反射から、面Ｂでの反射を経て面Ａを透過するまでの部分）と、リレー光学系として機能するその他の部分とを有する。第１の光学素子１は、少なくとも反射作用を有する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃによって囲まれ、接眼光学系として機能する部分でも面Ａでの２回目の反射と面Ｂでの反射とによって有効光の光路を視軸方向（ｚ方向）にて折り畳む。これにより、表示光学系の薄型化を実現することができる。
【０１０５】
また、第１の光学素子１では、中間像を形成した後の光（中心画角主光線）は、中間像を形成する前に辿ったＢ面（透過）→Ａ面（１回目の反射）の光路を逆戻りしてＡ面（２回目の反射）→Ｂ面（反射）と進む。つまり、上記のように光路を逆戻りさせるように光を折り返す折り返し反射面としての面Ｃを有する。
【０１０６】
本実施例では、Ａ面（１回目の反射）→Ｃ面（反射）→Ａ面（２回目の反射）の光路が、第１及び第２の面間に形成される往復光路に相当する。
【０１０７】
ここで、面Ｃでの折り返し反射作用とは、以下の作用である。すなわち、光が面Ａにて１回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第１の反射方向とする。また、面Ｃで反射された光が面Ａにて２回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向とを第２の反射方向とする。このとき、第１の反射方向と第２の反射方向とを互いに逆向きにするように光を反射させる作用が、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【０１０８】
言い換えれば、面Ａに入射した光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの面Ａの法線に対して前回の面Ａでの反射（＋ｙ方向）とは反対側（−ｙ方向）に進むように反射するのが、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【０１０９】
本実施例では、面Ｃでの折り返し反射作用により、リレー光学系、特に中間瞳結像位置（各画角を構成する主光線が集まる位置）から中間結像面までの光路と、接眼光学系の光路とを、第１の光学素子１の内部に収めている。これにより、表示光学系全体を小型に構成することができる。
【０１１０】
また、本実施例では、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ外に、面Ｄを有しており、画像形成素子１０から発せられて第１の光学素子（領域Ｒ）１を一旦通過した光を再度第１の光学素子１に戻すように表示光学系を構成している。本実施例においては、面Ｅから第１の光学素子１に入射した光束が、面Ｂを透過して面Ｄで反射され、面Ｂを再度透過して面Ａの反射膜形成領域付近に集まるように表示光学系を構成している。
【０１１１】
そして、面Ｅから入射した光束が面Ｂを透過して面Ｄに至る光路と、前述した面Ａ（１回目の反射）→折り返し反射面Ｃ（反射）→面Ａ（２回目の反射）の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ、すなわち第１の光学素子１内で交差する。言い換えれば、原画から領域Ｒに入射した光は、面Ｄでの反射後に形成される面Ａで反射してから面Ｃで反射して面Ａに再度入射するまでの往復光路のうち少なくとも一部を通って領域Ｒを通過する。
【０１１２】
このように各面を配置することにより、大半の光路が第１の光学素子１内に収まり、この結果、表示光学系の小型化を実現することができる。
【０１１３】
なお、本実施例でも、原画から中間結像位置までのリレー光学系の光路のうち、原画から中間瞳結像位置までの前半部分の一部と、中間瞳結像位置から中間結像位置までの後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で重複する。中心画角主光線の光路について言えば、リレー光学系の光路のうち前半部分の一部と、該光路での後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で交差する。
【０１１４】
このような構成により、長い光路を小さな領域Ｒ内に形成することができ、この結果、表示光学系全体を小型に構成することができる。逆に言えば、表示光学系のサイズに対して光路長を長く確保することができる。このため、光学面の敏感度を低減し、公差の緩い表示光学系、すなわち製造が容易な表示光学系を実現することができる。
【０１１５】
また、本実施例でも、曲率を有した偏心反射面としての面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいては偏心収差が発生する。このため、これらの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを回転非対称形状に形成して偏心収差を補正することが好ましい。
【０１１６】
さらに、本実施例においては、半透過反射面Ｂでの反射及び透過により光量損失が生じるが、反射面Ｃでの反射を通常の反射としたため、実施例１に比べて光量損失を少なくすることができる。また、画像形成素子１０から直線偏光の光を射出させる場合には、面Ｃの近傍に１／４波長板を配置し、面ＢにＰＢＳのような反射特性を持たせれば、光量損失をより少なくすることができる。
【０１１７】
本実施例における面Ａでの２回目の反射は必ずしも内部全反射に限られない。すなわち、面Ａを半透過反射面として、画像表示に用いられる有効光を適宜反射又は透過させて、本実施例で説明した光路を形成するようにしてもよい。但し、面Ａでの反射を内部全反射とすれば、光量損失を少なくすることができるため、より好ましい。
【０１１８】
さらに、本実施例においても、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの全てを曲率を有した面としたが、いずれかの面が平面であってもよい。ただし、全ての面を曲率を有した面として結像及び収差補正に寄与する面とした方が、結像性能の高い表示光学系を少ない面数で構成することが容易になるという点で好ましい。
【０１１９】
また、本実施例においては、第１の光学素子１と第２の光学素子２とを同じ屈折率ｎを有する材料で構成したが、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を有する材料で構成してもよい。
【０１２０】
また、本実施例によれば、第２の光学素子２が視軸に対して上方に配置されているため、撮像光学系の光軸と表示光学系の視軸とを一致させた、光軸一致型ビデオシースルーＨＭＤを構成する際に、撮像光学系を小型にすることが容易である。
【実施例４】
【０１２１】
図８には、本発明の実施例４である表示光学系を備えた画像表示装置の構成を示している。
【０１２２】
図８おいて、１は第１の光学素子、２は第２の光学素子であり、これらは屈折率がｎの媒質で満たされたプリズム状の素子である。１０は原画を形成する画像形成素子である。また、Ｓは表示光学系の射出瞳である。
【０１２３】
本実施例は、第１の光学素子１が面Ａ，Ｂ，Ｃの３つの面に加えて反射面Ｅと透過面Ｆとを有する点、及び面Ｃの反射膜が半透過反射膜ではなく反射膜である点で、実施例１と異なる。
【０１２４】
画像形成素子１０（面ＳＩ）を発した光は、透過面Ｆ（Ｓ６）から第１の光学素子１に入射して反射面Ｅ（Ｓ５）で反射され、面Ｂ（Ｓ２）を透過して第１の光学素子１から射出し（第１の光学素子１を通過し）、第２の光学素子２に入射する。
【０１２５】
第２の光学素子２に入射した光は、面Ｄ（Ｓ４）で反射され、面Ｂを透過して第１の光学素子１に戻り、面Ａ（Ｓ１）にarcsin（１／ｎ）以上の角度で入射してここで内部全反射され、面Ｃ（Ｓ３）に向かう。
【０１２６】
面Ｃで反射された光は、再度面Ａに向かい、arcsin（１／ｎ）以上の角度で面Ａに入射してここで内部全反射され、面Ｂに向かう。その後、光は面Ｂで反射され、面Ａにarcsin（１／ｎ）より小さい角度で入射してここを透過し、射出瞳Ｓに導かれる。
【０１２７】
本実施例でも、面Ａが第１の面に、面Ｃが第２の面に、面Ｂが第３の面に、面Ｄが第４の面に相当する。
【０１２８】
本実施例において、反射作用を有する面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅはいずれも中心画角主光線に対して偏心している。すなわち、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに入射した中心画角主光線は、いずれも各面に対して垂直に入射して垂直に反射するのではなく、所定の角度で入射して反射される。本実施例でも、条件（１）を満たすように構成してもよい。
【０１２９】
また、本実施例において、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆはいずれも曲率を有した曲面である。これら曲面の作用により、画像形成素子１０に形成された原画の拡大像が観察者に観察される。
【０１３０】
以下、本実施例における結像の様子について説明する。
【０１３１】
画像形成素子１０を発した光束は、面Ｆでの凸レンズ作用により発散度を弱められた状態で第１の光学素子１に入射し、凹面形状の反射面Ｅで反射されてさらに集光され、中間瞳結像を形成して面Ｂに向かう。面Ｂから第２の光学素子２に入射した光束は、凹面形状の反射面Ｄにより集光作用を受けながら反射され、面Ｂを透過して第１の光学素子１に戻る。
【０１３２】
第１の光学素子１に戻った光束は、曲率の小さい面Ａで内部全反射され、曲率の小さい凹面形状の面Ｃで反射された後、中間像を形成する。その後、面Ａで内部全反射された光は、凹面形状の反射面Ｂで反射され、面Ａを透過して第１の光学素子１から射出し、射出瞳Ｓを形成する。射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、主に曲率の強い凹面形状の反射面Ｂの作用によって、中間像の拡大虚像を観察することができる。
【０１３３】
本実施例の第１の光学素子１は、中間像を形成した後の光束を射出瞳Ｓに導く接眼光学系として機能する部分（面Ａでの２回目の反射から、面Ｂでの反射を経て面Ａを透過するまでの部分）と、リレー光学系として機能するその他の部分とを有する。第１の光学素子１は、少なくとも反射作用を有する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃによって囲まれ、接眼光学系として機能する部分でも面Ａでの２回目の反射と面Ｂでの反射とによって有効光の光路を視軸方向（ｚ方向）にて折り畳む。これにより、表示光学系の薄型化を実現することができる。
【０１３４】
また、第１の光学素子１では、中間像を形成した後の光（中心画角主光線）は、中間像を形成する前に辿ったＢ面（透過）→Ａ面（１回目の反射）の光路を逆戻りしてＡ面（２回目の反射）→Ｂ面（反射）と進む。つまり、上記のように光路を逆戻りさせるように光を折り返す折り返し反射面としての面Ｃを有する。
【０１３５】
本実施例では、Ａ面（１回目の反射）→Ｃ面（反射）→Ａ面（２回目の反射）の光路が、第１及び第２の面間に形成される往復光路に相当する。
【０１３６】
ここで、面Ｃでの折り返し反射作用とは、以下の作用である。すなわち、光が面Ａにて１回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向を第１の反射方向とする。また、面Ｃで反射された光が面Ａにて２回目の反射をするときの中心画角主光線のヒットポイントでの面Ａの法線に対する該中心画角主光線の反射方向とを第２の反射方向とする。このとき、第１の反射方向と第２の反射方向とを互いに逆向きにするように光を反射させる作用が、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【０１３７】
言い換えれば、面Ａに入射した光の中心画角主光線がそのヒットポイントでの面Ａの法線に対して前回の面Ａでの反射（＋ｙ方向）とは反対側（−ｙ方向）に進むように反射するのが、面Ｃでの折り返し反射作用である。
【０１３８】
本実施例では、面Ｃでの折り返し反射作用により、リレー光学系、特に中間瞳結像位置（各画角を構成する主光線が集まる位置）から中間結像面までの光路と、接眼光学系の光路とを、第１の光学素子１の内部に収めている。これにより、表示光学系全体を小型に構成することができる。
【０１３９】
また、本実施例では、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ外に、面Ｄを有しており、画像形成素子１０から発せられて第１の光学素子（領域Ｒ）１を一旦通過した光を再度第１の光学素子１に戻すように表示光学系を構成している。
【０１４０】
本実施例においては、透過面Ｆから第１の光学素子１に入射した光束が面Ｅで反射された後、面Ｂを透過して反射面Ｄで反射され、面Ｂを再度透過して面Ａに向かうように表示光学系を構成している。
【０１４１】
そして、面Ｆから面Ｅに至る光路、及び面Ｅから面Ｂを透過して反射面Ｄに至る光路がそれぞれ、面Ａ（１回目の反射）→折り返し反射面Ｃ（反射）→面Ａ（２回目の反射）の光路と、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ（第１の光学素子１）内で交差する。言い換えれば、原画から領域Ｒに入射した光は、面Ｄでの反射後に形成される面Ａで反射してから面Ｃで反射して面Ａに再度入射するまでの往復光路のうち少なくとも一部を通って領域Ｒを通過する。
【０１４２】
このように各面を配置することにより、大半の光路が第１の光学素子１内に収まり、この結果、表示光学系の小型化を実現している。
【０１４３】
なお、本実施例でも、原画から中間結像位置までのリレー光学系の光路のうち、原画から中間瞳結像位置までの前半部分の一部と、中間瞳結像位置から中間結像位置までの後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で重複する。中心画角主光線の光路について言えば、リレー光学系の光路のうち前半部分の一部と、該光路での後半部分と、接眼光学系の光路とが、３つの面Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた領域Ｒ内で交差する。
【０１４４】
このような構成により、長い光路を小さな領域Ｒ内に形成することができ、この結果、表示光学系全体を小型に構成することができる。逆に言えば、表示光学系のサイズに対して光路長を長く確保することができる。このため、光学面の敏感度を低減し、公差の緩い表示光学系、すなわち製造が容易な表示光学系を実現することができる。
【０１４５】
また、本実施例でも、曲率を有した偏心反射面としての面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいては偏心収差が発生する。このため、これらの面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを回転非対称形状に形成して偏心収差を補正することが好ましい。
【０１４６】
さらに、本実施例においても、面Ｆから入射して面Ｅで反射され、面Ｂで反射された光束は、実施例１と同様に、射出瞳Ｓに向かわないように構成されており、フレアやゴーストの発生を抑制している。
【０１４７】
また、本実施例において、半透過反射面Ｂでの反射及び透過により光量損失が生じるが、反射面Ｃでの反射を通常の反射としたため、実施例１に比べて光量損失を少なくすることができる。また、本実施例においても、面Ｃの近傍に１／４波長板を配置し、面ＢにＰＢＳのような反射特性を持たせれば、光量損失をより少なくすることができる。
【０１４８】
本実施例における面Ａでの反射は必ずしも内部全反射に限られない。すなわち、面Ａを半透過反射面として、画像表示に用いられる有効光を適宜反射又は透過させて、本実施例で説明した光路を形成するようにしてもよい。但し、面Ａでの反射を内部全反射とすれば、光量損失を少なくすることができるため、より好ましい。
【０１４９】
さらに、本実施例においては、面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの全てを曲率を有した面としたが、いずれかの面が平面であってもよい。ただし、全ての面を曲率を有した面として結像及び収差補正に寄与する面とした方が、結像性能の高い表示光学系を構成することがより容易になるという点で好ましい。
【０１５０】
また、本実施例においては、第１の光学素子１と第２の光学素子２とを同じ屈折率ｎを有する材料で構成したが、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を有する材料で構成してもよい。
【０１５１】
また、本実施例においては、面Ｃでの反射は、中心画角主光線が垂直に入射して垂直に反射するような条件としてもよい。
【０１５２】
以上説明した各実施例によれば、面Ａ，Ｂ，Ｃにより囲まれた領域Ｒの外に面Ｄを設け、原画からの光を一旦該領域Ｒを通過させてから面Ｄにて反射し、再度該領域Ｒに戻して面Ａ及び面Ｃ間で往復光路を形成させる。これにより、表示光学系の大型化を抑えつつ又はより小型化しつつ、往復光路によって得られる長い光路長をさらに長くすることができる。したがって、従来よりもさらに広い画角が得られる小型の表示光学系及び画像表示装置を実現することができる。
【０１５３】
なお、各実施例では、原画から領域Ｒに入射した光は、その少なくとも一部が面Ｂを透過して面Ｄに向かうように表示光学系を構成しているので、広い画角を有するより小型の表示光学系及び画像表示装置を実現することができる
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の実施例１である表示光学系及び画像表示装置の断面図。
【図２】実施例１における中心画角主光線の光路を示す断面図。
【図３】実施例１における不要光を説明する図。
【図４】実施例１における主光線の光路を示す断面図。
【図５】実施例１における中心画角主光線とそのマージナル光線の光路を示す断面図。
【図６】本発明の実施例２である表示光学系及び画像表示装置の断面図。
【図７】本発明の実施例３である表示光学系及び画像表示装置の断面図。
【図８】本発明の実施例４である表示光学系及び画像表示装置の断面図。
【符号の説明】
【０１５５】
１  第１の光学素子
２  第２の光学素子
１１〜１４  光学素子
１０  画像形成素子
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ  面
Ｒ  領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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