(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示手段に表示する原画像からの光束を、光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳に導光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて該観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系において、
該観察光学系は、屈折面として作用する第１の面、反射面として作用する第２の面、全反射面及び屈折面として作用する第３の面の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子と、前記表示手段と前記光学素子の間に配置された集光レンズを有し、
前記原画像からの光束は、前記集光レンズを介して前記第１の面より前記光学素子に入射し、前記第２の面での反射と前記第３の面での全反射とを経た後、前記第３の面より前記光学素子を射出すると共に、前記光学素子内に前記原画像の中間像が実像として形成され、
前記表示手段の表示面の中心から射出して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線とした場合に、前記光学素子は、該基準光線が２回反射する面を有し、この面は、この面での１回目の前記原画像からの光束の反射部位と２回目の前記原画像からの光束の反射部位との少なくとも一部分が重なっており、且つ該基準光線に対して偏心した曲面であることを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
前記集光レンズは、前記基準光線に対して偏心して配置される曲面を有していることを特徴とする請求項１の観察光学系。
【請求項３】
前記集光レンズで前記基準光線に対して偏心して配置される曲面は透過面であることを特徴とする請求項２に記載の観察光学系。
【請求項４】
前記集光レンズは、前記原画像からの光束を集光して前記光学素子に入射させることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の観察光学系。
【請求項５】
前記中間像は、前記光学素子を構成する光学面間で反射される光束上に形成され、且つ該中間像を形成した光束が前記光学素子を構成する光学面間で再度反射された後に該中間像を横切ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項６】
前記原画像からの光束は前記第１の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の面により反射して前記第３の面へ向かい、該第３の面により全反射して該第２の面へ向かい、該第２の面により再度反射して該第３の面へ向かい、該第３の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、
αを前記基準光線が前記第３の面で屈折する際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角、βを該基準光線が前記第２の面において２回目の反射をする際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角とした場合、
以下の条件式：
３０゜≦２β＋α≦９０゜
−１０゜≦α≦３０゜
を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項の観察光学系。
【請求項７】
前記原画像からの光束は前記第１の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の面により反射して前記第３の面へ向かい、該第３の面により全反射して該第２の面へ向かい、該第２の面により再度反射して該第３の面へ向かい、該第３の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、
ｒｃを前記基準光線が前記第２の面において１回目の反射をする際の入射点における前記第２の面の垂直断面の曲率半径、ｒａを前記基準光線が前記第２の面において２回目の反射をする際の入射点における前記第２の面の垂直断面の曲率半径として、以下の条件式：
０＜｜ｒａ／ｒｃ｜＜１．５
を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の観察光学系。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の観察光学系と、該観察光学系を観察者の頭部に装着するための支持部を有する画像表示装置であって、該観察光学系のリレー光学系が該支持部の上方であって、該観察光学系の光学素子が該支持部の下方になるように観察者の頭部に装着されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項１乃至７に記載の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配置したことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は観察光学系に関し、特にメガネ型ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等の名称で呼ばれる頭部装着型の画像表示装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、CRT や液晶表示装置（LCD)等の表示手段を観察者の頭部近傍に配置し、CRT 及びLCD が表示する像を観察できるようにした画像表示装置が提案されている。
【０００３】
例えば米国特許4,081,209 号明細書、米国特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開平2-297516号公報、特開平3-101709号公報等にかかる表示装置が開示されている。
【０００４】
特開平3-101709号公報では、表示手段に表示した原画像を一旦中間像として再結像させ、観察者は光学系によってこの中間像を観察する所謂実像タイプの比較的見易い画像表示装置を開示している。
【０００５】
一方、米国特許4,081,209 号明細書、米国特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開平2-297516号公報では、見易さの点では若干劣るが、小型化を図る上では有利な、光学系の途中で中間像を形成しない虚像観察タイプの画像表示装置を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平3-101709号公報に開示されている画像表示装置では、再結像させるための光学レンズを用いているために装置が大型化する問題がある。
【０００７】
また、米国特許4,081,209 号明細書、米国特許4,969,724 号明細書、特開昭58-78116号公報、特開平2-297516号公報に開示されている画像表示装置では、確かに実像タイプに比べ小型化を図れるとはいえ、まだまだ十分小型とは言えなかった。
【０００８】
これらの中で、特開昭58-78116号公報に開示されているものは比較的小型であるが、観察者の眼の光軸方向の厚みはまだ厚い。又、観察される像に光学的歪み、非点収差、コマ収差等の発生することが記載されている。
【０００９】
本発明は、実像タイプでありながら、前後方向に極めて薄型で、小型・広視野角の観察光学系の提供を目的とする。
【００１０】
更に、表示手段及びリレー光学系を画像表示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部より下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置を構成できる観察光学系の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の観察光学系は、表示手段に表示する原画像からの光束を、光学系を介して該光学系に対して予め決められた射出瞳に導光し、該射出瞳の位置に観察者の瞳を略位置させて該観察者に該原画像の拡大虚像を視認せしめる観察光学系において、該観察光学系は、屈折面として作用する第１の面、反射面として作用する第２の面、全反射面及び屈折面として作用する第３の面の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子と、前記表示手段と前記光学素子の間に配置された集光レンズを有し、前記原画像からの光束は、前記集光レンズを介して前記第１の面より前記光学素子に入射し、前記第２の面での反射と前記第３の面での全反射とを経た後、前記第３の面より前記光学素子を射出すると共に、前記光学素子内に前記原画像の中間像が実像として形成され、前記表示手段の表示面の中心から射出して前記射出瞳の中心を通る光線を基準光線とした場合に、前記光学素子は、該基準光線が２回反射する面を有し、この面は、この面での１回目の前記原画像からの光束の反射部位と２回目の前記原画像からの光束の反射部位との少なくとも一部分が重なっており、且つ該基準光線に対して偏心した曲面であることを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記集光レンズは、前記基準光線に対して偏心して配置される曲面を有していることを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記集光レンズで前記基準光線に対して偏心して配置される曲面は透過面であることを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項１、２又は３の発明において、前記集光レンズは、前記原画像からの光束を集光して前記光学素子に入射させることを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記中間像は、前記光学素子を構成する光学面間で反射される光束上に形成され、且つ該中間像を形成した光束が前記光学素子を構成する光学面間で再度反射された後に該中間像を横切ることを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記原画像からの光束は前記第１の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の面により反射して前記第３の面へ向かい、該第３の面により全反射して該第２の面へ向かい、該第２の面により再度反射して該第３の面へ向かい、該第３の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、αを前記基準光線が前記第３の面で屈折する際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角、βを該基準光線が前記第２の面において２回目の反射をする際の入射点における面法線に対する該基準光線の傾き角とした場合、
以下の条件式：
３０゜≦２β＋α≦９０゜
−１０゜≦α≦３０゜
を満足することを特徴としている。
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項の発明において、前記原画像からの光束は前記第１の面を透過して前記光学素子へ入射し、次いで前記第２の面により反射して前記第３の面へ向かい、該第３の面により全反射して該第２の面へ向かい、該第２の面により再度反射して該第３の面へ向かい、該第３の面を透過して該光学素子を出射して前記射出瞳に導光され、ｒｃを前記基準光線が前記第２の面において１回目の反射をする際の入射点における前記第２の面の垂直断面の曲率半径、ｒａを前記基準光線が前記第２の面において２回目の反射をする際の入射点における前記第２の面の垂直断面の曲率半径として、以下の条件式：
０＜｜ｒａ／ｒｃ｜＜１．５
を満足することを特徴としている。
請求項８の発明の画像表示装置は、請求項１乃至７に記載の観察光学系と、該観察光学系を観察者の頭部に装着するための支持部を有する画像表示装置であって、該観察光学系のリレー光学系が該支持部の上方であって、該観察光学系の光学素子が該支持部の下方になるように観察者の頭部に装着されることを特徴としている。
請求項９の発明の画像表示装置は、請求項１乃至７に記載の観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配置したことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の基本構成図である。図は垂直断面図である。図中１は原画像を表示する表示手段で，例えば公知の液晶表示素子(LCD) やCRT 等で構成する。２は光学素子であり、第１の面A 、第２の面B 、第３の面C の３つの光学作用面を有している。このうち、第１の面A は屈折面である。第２の面B は表面に反射膜を付けており、反射面として作用する。第３の面C は全反射面及び屈折面として作用する。３は集光レンズ（リレー光学系）である。４は観察光学系の射出瞳である。９は観察光学系を収納している筐体の壁であり、画像からの表示光束が射出する略長方形の覗窓ｗを設けている。w0は覗窓ｗの中心である。観察者は射出瞳４の位置に瞳を位置させて覗窓ｗを通して原画像の虚像を観察する。なお、光学素子２、集光レンズ３及び覗窓ｗ等は観察光学系の一要素を構成している。
【００１３】
本実施形態の作用を説明する。表示手段１に表示する画像からの光束はまず集光レンズ３で屈折作用を受けて集光した後、光学素子３の第１の面A に向かい、この面を屈折して光学素子２の中にはいり、第２の面B へ向かう。光束は第２の面B により反射されて第３の面C に向かい、第３の面C により全反射されて再び第２の面B に向かう。光束は第２の面B により再び反射されて再び第３の面C に向かい、今度は第３の面C を屈折・透過して覗窓ｗを通過して射出瞳４に向かう。表示手段１の表示面上の各点からの光束は射出瞳４に集まる。そして、各光束はこの射出瞳４の位置にある観察者の瞳へ入射する。この時、射出光束は遠方に原画像の虚像を形成しているので観察者はこの射出瞳４の位置に瞳をおけばこの虚像を観察することができる。
【００１４】
このとき、表示手段１からの光束が、光学素子２の第２の面B による１回目の反射から第３の面C に向かう際に一旦中間像を結像しており、光束が第３の面C で全反射して第２の面B に向かう際に上記の中間結像面８を横切るよう構成している。
【００１５】
本実施形態では、屈折面として作用する第１の面A 、光束を２回反射する面として作用する第２の面B 、全反射面及び屈折面として作用する第３の面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を観察光学系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束が、第１の面A から入射して、第２の面B での１回目の反射から第３の面C へ向かう光束群を横切る様に実像を形成することにより、第３の面C における全反射の条件を満足しつつ、第２の面B のパワーを従来よりも強くすることが可能となるため、観察光学系の薄型化を可能にするものである。
【００１６】
又、本実施形態は前記光学素子以外に集光レンズ（リレー光学系）を有し、原画像からの光束を該集光レンズにより集光させて該光学素子へ入射するよう構成することにより、該光学素子の入射面の有効径を小さくしている。
【００１７】
又、本実施形態は特に前記光学素子中の第２の面Ｂにおける１回目の反射部位と２回目の反射部位とを少なくとも一部分共通にすることにより即ち一部分が重なるようにして全長を制限し、更に軽量な観察光学系としている。
【００１８】
以下，垂直断面方向における構成をもとに本実施形態をより詳しく説明する。本発明の観察光学系は通常の光学系にある光軸が無い。そこで本発明の観察光学系では”基準光線”を設定して構成を明確にする。本発明で言う基準光線とは、表示手段１の表示面の中心から射出して射出瞳４の中心を通る光線である。なお、本実施形態の場合この基準光線は視窓ｗの中心w0 も通っている。
【００１９】
図２は本発明の観察光学系の基準光線と各面との関係の説明図である。この基準光線が光学素子２で反射・全反射・屈折を行う際の各面の入射点をそれぞれ図のようにa,b,c,d とし、基準光線が第３の面C を屈折する際の入射点d における面法線dd1 に対する屈折基準光線の傾き角をαとする。又、基準光線が第２の面B において２回目の反射をする際の入射点a における面法線に対する反射基準光線の傾き角をβとする。又、基準光線が第２の面B において１回目の反射をする際の入射点c における面法線に対する反射基準光線の傾き角をγとする。
【００２０】
本実施形態においては、上記αとβとが以下の条件式
30゜≦ 2β＋α≦90゜           (条件式1)
を満たすように設定している。（条件式1)の下限値は第３の面C での全反射の条件に関するものであり，下限を越えると第３の面C で全反射させることが非常に困難となる。また，上限を越えると基準光線に対して下側の視野画角の光束で光量不足を生じ易くなり、性能が低下する。
【００２１】
更に，このとき上記αを
−10゜≦α≦30゜                 (条件式2)
と設定することが好ましい。 (条件式2)の下限を越えると光学素子２の第３の面C に垂直な方向の厚みが増し重量が増加するので好ましくない。また，上限を越えると第３の面C で全反射させることが難しくなる。
【００２２】
また，基準光線が第２の面B において１回目の反射をする際の入射点c における垂直断面（紙面内）の曲率半径をrc、基準光線が第２の面B において２回目の反射をする際の入射点a における垂直断面（紙面内）の曲率半径をraとするとき，これらを
0 ＜｜ra/rc|＜1.5                  (条件式3)
を満足するように設定することが望ましい。 (条件式3)の条件を越えると光学素子２の第３の面C に平行な方向の長さが増し，全体の重量増を招くため好ましくない。特に（条件式3）の下限を越えると光学素子２をコンパクトに保ちつつ、十分な瞳径を確保するのが困難になる。また、（条件式3）の上限を越えると光学素子２をコンパクトに保ちつつ、広画角を確保するのが困難になる。
【００２３】
尚、本実施形態では上記の様に基準光線に対して光学素子２の第３の面C 、第２の面B を偏心配置させているため、これらにより生じる偏心収差を補正するために、光学素子２の第１の面A 及び集光レンズ３を偏心配置させることが望ましい。
【００２４】
図３は本発明の観察光学系を用いた画像表示装置の概略配置図である。図中31は本発明の観察光学系を観察者の頭部に装着するための支持部で、例えばベルトと光学系保持部を支持するための支持部材により構成されている。32は光学系２を保持する保持部（筐体）、34は表示手段１の表示部の駆動を行う回路部、33は集光レンズ３並びに表示手段１、回路部34を保持する保持部である。図３に示す様に、本発明の観察光学系を支持部31を介して観察者の頭部に装着する際、観察光学系の光学素子２の保持部32を支持部31より下方に、集光レンズ３及び表示手段等の保持部33を上方に配置することにより、重量バランスの良い画像表示装置を構成することが可能である。即ち、観察光学系が該光学素子２以外に集光レンズ（リレー光学系）３を有し、該集光レンズ３と該光学素子２とを支持部に対して上下に配置することにより重量バランスの良い観察光学系が得られる。
【００２５】
以下に本発明にかかる３つの数値実施例の構成データを示す。
【００２６】
尚、構成データ中、R は面の曲率半径、D は面間隔、N は媒質の屈折率、νは媒質のアッベ数であり、θは前面の光軸に対する面の光軸の傾き、YDは光軸に対する垂直方向の面の移動量、ZDは光軸方向の面の移動量を示す。
【００２７】
また、ASP と示された面は以下の式で表される非球面であり、記載のない係数は 0である。
【００２８】
0003787399.tif 000002
として：
【００２９】
【数１】
0003787399.tif 000003
なお、各数値実施例の厚さを示す為に、図２の点a において法線dd1 に平行に測ったプリズムの厚みをDa、点c において法線dd1 に平行に測ったプリズムの厚みをDcとしてその数値を示す。
［数値実施例１］
図４は数値実施例１の垂直方向の断面図である。その構成データを以下に示す。
【００３０】
0003787399.tif 000004
垂直方向視野画角±23.4゜
α:-5.40゜、β:25.46゜
2β＋α＝45.52 ゜
ra  86.011mm
rc 173.836mm
｜ra/rc| = 0.495
Da=11.77mm、Dc=21.28mm
［数値実施例２］
図５は数値実施例２の垂直方向の断面図である。その構成データを以下に示す。
【００３１】
0003787399.tif 000005
垂直方向視野画角±23.4゜
α:20.00゜、β:20.84゜
2β＋α＝61.68 ゜
ra= 86.619mm
rc=166.355mm
｜ra/rc|= 0.521
Da=13.68mm、Dc=19.84mm
［数値実施例３］
図６は数値実施例３の垂直方向の断面図である。その構成データを以下に示す。
【００３２】
0003787399.tif 000006
0003787399.tif 000007
垂直方向視野画角±23.4゜
α:27.07゜、β:22.15゜
2β＋α＝71.37 ゜
ra= 90.584mm
rc= 68.158mm
｜ra/rc|= 1.329
Da=10.56mm、Dc=15.02mm
以上のように、本発明の各数値実施例は原画像からの光束を光学素子を介して観察者の眼球の位置する射出瞳に導く観察光学系において，屈折面として作用する第１の面A 、光束を２回反射する面として作用する第２の面B 、全反射面及び屈折面として作用する第３の面C の少なくとも３つの光学作用面を有する光学素子を観察光学系中に設けることにより、原画像上の各点からの光束が、第１の面A から入射して、第２の面B での１回目の反射から第３の面C へ向かう光束群を横切る様に中間結像面を形成することにより、垂直方向画角±20゜程度の広視野画角で、薄型で軽量な観察光学系となっている。
【００３３】
更に、該観察光学系は前記光学素子以外に集光レンズ（リレー光学系）を有し、該集光レンズと該光学素子とを支持部に対して上下に配置することにより重量バランスの良い画像表示装置を構成できる。
【００３４】
更に、上記の各数値実施例のいずれか１つの観察光学系を観察者の左右の眼に対応して夫々一つずつ配置して画像表示装置を構成すれば、軽量で使用感の良い画像表示装置が得られ、更に左右の表示手段に表示する原画像を左右の視差画像とすれば軽量な立体画像表示装置が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、実像タイプでありながら、前後方向に極めて薄型で、小型・広視野角の観察光学系を達成する。
【００３６】
更に、表示手段及びリレー光学系を画像表示装置の支持部より上に配置し、光学素子を該支持部より下に配置することで重量バランスの良い画像表示装置を構成できる観察光学系を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の観察光学系の実施形態１の基本構成図
【図２】  本発明の観察光学系の基準光線と各面との関係の説明図
【図３】  本発明の観察光学系を用いた画像表示装置の概略配置図
【図４】  本発明の数値実施例１の垂直方向断面図
【図５】  本発明の数値実施例２の垂直方向断面図
【図６】  本発明の数値実施例３の垂直方向断面図
【符号の説明】
１・・・表示手段
２・・・光学素子
３・・・集光レンズ（リレー光学系）
４・・・射出瞳（観察者の瞳が位置する）
Ａ・・・第１の面
Ｂ・・・第２の面
Ｃ・・・第３の面
８・・・中間結像面
９・・・筐体の壁
ｗ・・・覗窓
ｗ0 ・・覗窓の中心
31・・・支持部
32・・・保持部
33・・・保持部
34・・・回路部
【図１】
0003787399.tif 000008
【図２】
0003787399.tif 000009
【図３】
0003787399.tif 000010
【図４】
0003787399.tif 000011
【図５】
0003787399.tif 000012
【図６】
0003787399.tif 000013