JPH09258104A

JPH09258104A - 光学系

Info

Publication number: JPH09258104A
Application number: JP8068191A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Kenno; 研野孝吉
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1997-10-03
Anticipated expiration: 2016-03-25
Also published as: US5790312A; US5995291A; JP3636240B2

Abstract

(57)【要約】【課題】中間像を作らない映像表示装置において、コ
ンパクト・軽量で収差が良好に補正された結像光学系、
及び、頭部又は顔面装着式映像表示装置用の接眼光学系
に適した光学系。【解決手段】互いに偏心して配置された光学素子７及
び回折光学素子８で構成され、光学素子７は、少なくと
も３つの隣合って配置された光学面からなり、その中少
なくとも１つは曲面で構成され、かつ、光学面間で少な
くとも２回以上の反射をする。そして、光学面間の空間
は屈折率が１より大きい媒質で満たされており、映像表
示素子６を射出した光線が、それに対向して配置された
光学素子７の第１透過面５から入射して内部に入射し、
第１反射面３で反射され、第２反射面４で反射され、第
２透過面３を透過して観察者の眼球に導かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系に関し、特
に、画角が広く解像力の良い小型の結像及び接眼光学系
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティー用あるい
は個人的に大画面の映像を楽しむことを目的として、ヘ
ルメット型、ゴーグル型の頭部又は顔面装着式の映像表
示装置が開発されている。

【０００３】例えば、特開平２−２９７５１６号におい
ては、図２１に示すように、映像を表示する２次元表示
装置２１、対物視準レンズ２２、両端が軸外し放物面鏡
である平行透明プレート２３で構成され、２次元表示装
置２１の映像を対物視準レンズ２２で平行光にした後、
平行透明プレート２３の平行面での第１の透過、第１の
放物面鏡での反射、平行透明プレート内でのいくつかの
全反射、第２の放物面鏡での反射、平行面での第２の透
過（８回反射、２回透過）により、点Ｆに中間像を結像
しつつその中間像を観察者の眼球２４に投影している。

【０００４】また、米国特許第４，０２６，６４１号に
おいては、図２２に示すように、映像表示素子２５に表
示された物体像を伝達光学素子２６で湾曲した物体像に
変換し、その物体像をトーリック反射面２７で観察者の
眼球に投影している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図２１のように、映像
表示素子の映像をリレーするタイプの映像表示装置で
は、光学系の他にリレー光学系が必要になるので、光学
系が大型で重量が重く、顔面あるいは頭部からの突出量
も大きくなり、頭部又は顔面装着式の映像表示装置とし
て相応しくない。

【０００６】また、平行光を中間像として結像する光学
系も、中間像を眼球に投影する光学系も、パワーを有す
るのは放物面鏡のみであるので、光学系で発生する収差
が非常に大きい。

【０００７】また、図２２のように、接眼光学系として
凹面鏡のみを使用すると、例えば凹面鏡が図２２のよう
にトーリック面であったとしても、接眼光学系で発生す
る収差が非常に大きく、画質が落ちる。そこで、接眼光
学系で発生する像面湾曲を補正するためにファイバープ
レートのような伝達光学素子２６を使用する必要があ
る。しかし、伝達光学素子２６、トーリック反射面２７
を使用しても、コマ収差等は十分補正できない。

【０００８】本発明は以上のような従来技術の問題に鑑
みてなされたものであり、その目的は、中間像を作らな
い映像表示装置において、コンパクト・軽量で収差が良
好に補正された結像光学系、及び、頭部又は顔面装着式
映像表示装置用の接眼光学系に適した光学系を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光学系は、互いに偏心して配置された光学素子及び
回折光学素子で構成され、前記光学素子は、少なくとも
３つの隣合って配置された光学面からなり、前記の３つ
の光学面の中、少なくとも１つは曲面で構成され、か
つ、前記光学面間で少なくとも２回以上の反射をするこ
とを特徴とするものである。

【００１０】この場合、この少なくとも３つの面で構成
される空間が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされ
ていることが望ましい。

【００１１】また、映像を表示する表示面を有する映像
表示素子を有し、その映像表示素子を射出した光線が、
その表示面に対向して配置された光学素子の第１透過面
から入射して光学系の内部に入射し、第１反射面で反射
され、第２反射面で反射され、第２透過面を透過して観
察者の眼球に導かれるように配置されていることが望ま
しい。

【００１２】以下に、本発明の光学系を映像表示装置と
して使用した場合について、その作用の説明をする。結
像光学系に利用した場合も、同様の作用となる。

【００１３】本発明は、光学系をコンパクトに配置する
ために必要な光学系のレイアウトに関するものである。
光学系を薄くすることは、映像表示装置の厚さを薄くす
るために重要である。映像表示装置を薄くすると、重心
が観察者頭部中心に近くなるために、同じ重量でも慣性
モーメントを少なくすることができる。つまり、観察者
が頭を動かしたときの追従性が飛躍的に良くなる。

【００１４】そのために、本発明では、映像表示素子の
映像をリレー光学系を利用しないで直接観察者眼球に投
影する構成にした。次に、光学系を薄く構成するため
に、光学系の中を光線が往復するように構成して、光路
を折り畳むことによって光学系を薄くすることに成功し
たものである。

【００１５】さらに、単に光学系を折り畳むだけでは、
広い観察画角を確保することができないため、少なくと
も１つの反射面を光学系瞳位置側に凹面を向けた曲面で
構成し、その曲面で光線を反射すると共に光線を収斂さ
せると同時に、光学系内を繰り返し反射する構成にする
ことが重要である。

【００１６】本発明の要点は、上記構成の光学系の残存
する収差を更に良好に補正するために、回折光学素子を
利用する点にある。回折光学素子は、薄い基板に回折作
用を起こす回折面を形成することによって光線を屈折さ
せることができる。このことは、小型で軽量の光学系を
作る上で非常に重要になる。ガラスの屈折光学素子つま
り通常のガラスレンズでは、その重量が非常に重くなっ
てしまうが、回折光学素子は、薄く軽い基板に形成する
ことができる。また、高度な製作技術を必要とする非球
面作用も、回折面の回折格子の間隔を半径方向に変化さ
せることによって回折光学素子に簡単に持たせることが
できる。

【００１７】さらに、偏心して配置された光学素子で発
生するコマ収差、非点収差を補正するために、回折光学
素子もこの偏心して配置された光学素子の偏心面と同一
面内で偏心させることが重要になる。この回折光学素子
の偏心により、上記のコマ収差と非点収差を更に良好に
補正することが可能となる。

【００１８】さらに、好ましくは、少なくとも３つある
光学面の中、少なくとも２つが絞り（眼球）側に凹面を
向けて配置されていることが重要である。これは、絞り
から入射した光線（映像表示装置に用いる場合は、逆追
跡の光線）に対し、絞り側に凹面を向けた１つの凹面鏡
と絞り側に凹面を向けたもう１つの凸面鏡の２つの反射
面で光学系を構成することによって、凹面鏡が持つ像面
湾曲の収差を補正することが可能となるからである。な
お、この構成は、偏心して配置された光学系では、従来
の光軸に対して回転対称な光学系の範疇を越え、光学系
が偏心している偏心面内と、絞りと直交しかつ偏心面と
直交する面内との２つの方向において考慮する必要があ
る。この２つの方向において、残存収差の大きい方向、
又は、収差補正を重要視する方向に対して、上記の正と
負、つまり、凹面と凸面の配置にすることが重要とな
る。

【００１９】更に好ましくは、少なくとも３つの隣合っ
て配置される光学面としては、３つの異なるパワーを有
する反射面が３面以上あることが、パワーが分散でき、
同じパワーを得る場合にはより少ない収差で投影するこ
とが可能となる。なお、光学面とは、光軸を介する面と
する。

【００２０】また、上記の３面によって形成される空間
を屈折率が１より大きい媒質で満たすことによって、反
射面を裏面鏡で構成することが可能となり、コマ収差と
球面収差の発生を抑えることができる。このことは、瞳
からの逆追跡の光線が第２透過面を透過後、屈折収斂す
ることにより、同じ観察画角を確保する場合に、表面鏡
の光学系に比べて光学系内での光線の広がりを抑えるこ
とができ、反射面で発生する収差を少なくすることが可
能となると同時に、光線のケラレを生ずることがなく、
光学系を小型にすることが可能となるためである。

【００２１】また、映像表示素子を出た光線は、第１透
過面を透過し、少なくとも３つの面で構成され、屈折率
が１より大きい透明媒質内に入射し、第１反射面と第２
反射面の間で２回反射され、光路が折り畳まれ、絞りと
第２反射面の間にある第２透過面を透過し、透明媒質か
ら射出し、絞りを通過する。この構成により、第１反射
面と第２反射面を裏面鏡として構成することが可能とな
る。すると、凹面鏡と凸面鏡を適切な間隔で適切に配置
することが可能となり、凹面鏡と凸面鏡の反射面でそれ
ぞれ発生する像面湾曲、球面収差等の発生収差がお互い
に打ち消し合い、良好な収差状態を維持することが可能
となる。

【００２２】また、映像表示素子に表示された映像を途
中で結像することなく観察者の眼球に導くように構成す
ることが望ましい。像面に映像表示素子を配置し、絞り
位置に観察者瞳を配置し、光学系の各パラメータを適切
に選ぶことにより、小型で軽量の広画角な映像表示装置
を提供することが可能となる。

【００２３】少なくとも３つの光学面の中、１つは３つ
の面の偏心面内の曲率と、それと直交する面内の曲率と
が異なるようにすることにより、偏心した凹面鏡により
発生する非点収差を補正することが可能となる。

【００２４】また、縦と横の２方向の画角が異なる場合
には、収差の補正も画角の少ない方向と画角の広い方向
で異なってくる。また、偏心方向と偏心していない方向
では、偏心による収差の発生が異なり、それぞれの組合
せによって２つの面内の収差補正の目標が異なるため、
何れか任意の光学面において異なる曲率に構成すること
が重要となる。この任意の光学面はその光学系の使用状
況により異なり、変化するものである。

【００２５】さらに、偏心面内の曲率とそれと直交する
面内の曲率を変えることによって、回折光学素子の収差
補正の負担が減り、回折光学素子を回転対称に製作して
も、良好な収差補正が可能となる。

【００２６】また、第１反射面と第２透過面が同一位置
で同一形状で配置されていると、光学系を製作する上で
加工する面形状が少なくなり、製作が簡単になる。ま
た、第１反射面と第２透過面の有効領域が重なっていて
も、光線はそれぞれ反射と透過をすることができ、広い
画角を確保することが可能となる。

【００２７】また、第２反射面は、表示面の中心から射
出し眼球を通過する光線を主光線とすると、主光線に対
して偏心して配置されていることが望ましい。第２反射
面が主光線に対して傾いて配置されていると、像面（表
示面）を絞り（眼球の瞳位置）の側方に配置することが
可能となり、絞りから光軸方向への突出量を減らすこと
が可能となる。

【００２８】また、第２反射面が絞り側に凹面を向けて
配置され、更に好ましくは、裏面鏡で構成すると、第２
反射面は光学系の中でも比較的パワーを持つ反射面にな
り、また、コマ収差の発生が少なくてすみ、他の面で補
正する負担が少なくてすみ、良い結果を得ることができ
る。

【００２９】ところで、回折光学素子の特性について
は、本出願人による特開平４−２１４５１６号に説明さ
れているように、負の非常に強い分散を持つ（アッベ数
−３．４５）。このため、色収差補正を行うには、弱い
パワーの回折光学素子でも強力な色収差補正能力を持つ
ことが可能となる。上記の光学系の主な屈折力を持つ面
を反射鏡で構成すると、色収差については全く発生せず
に光線を屈折させることが可能となる。しかし、第１透
過面と第２透過面を透過するときに発生する色収差は、
反射面では補正できずに残ってしまう。この色収差を補
正するためには、回折光学素子で第１透過面と第２透過
面で発生する色収差を補正する色収差を発生させること
によって、光学系全体しとて色収差が良好に補正された
像を得ることが可能となる。

【００３０】また、同一場所の同一形状で配置された第
１反射面と第２透過面を反射面として作用させる場合
は、臨界角を越えて光線が入射するように面を配置し、
透過面として作用させる場合は、臨界角以下で光線が入
射するように面を配置する。これにより、光量の損失を
少なくすることが可能となり、明るい光学系を得ること
が可能となる。

【００３１】また、回折光学素子を光学系と絞り（観察
者眼球の瞳位置）の間に配置すると、回折光学素子の焦
点距離を長くすることが可能となり、回折格子の間隔が
広くて製作性の良い回折光学素子によって収差補正が可
能となる。

【００３２】また、回折光学素子を光学系と像面（表示
面）の間に配置すると、回折光学素子の有効面積が少な
くてすみ、小型の回折光学素子で収差補正が可能とな
る。

【００３３】また、回折光学素子の焦点距離をｆとする
とき、 −０．１＜１／ｆ＜０．１（ｍｍ^-1）・・・（１）なる条件を満足することが望ましい。この条件式は、回
折光学素子の焦点距離を規定したものであり、その下限
の−０．１を越えると、回折光学素子で発生する収差が
他の光学系で発生する収差に比べて補正不足になり、良
好な収差補正ができなくなる。また、上限の０．１を越
えると、回折光学素子で発生する収差が逆に大きくなり
すぎ、他の光学系で発生する収差に対して補正過剰にな
ってしまう。

【００３４】回折光学素子を光学素子と観察者眼球の間
に配置する場合、 −０．１＜１／ｆ＜０．１（ｍｍ^-1）・・・（２）なる条件を満足することが望ましい。これは、回折光学
素子を光学素子と絞りの間に配置する場合の条件式であ
る。この条件は、上記条件式と同様に回折光学素子の焦
点距離を規定したものである。この条件式を満足するこ
とにより、回折光学素子で発生する収差が他の光学系で
発生する収差と丁度打ち消し合い、良好な収差補正が可
能となる。上限と下限は、上記条件式（１）の説明と同
様である。更に好ましくは、 −０．０５＜１／ｆ＜０．０５（ｍｍ^-1）・・・（２）’ なる条件を満足すると、収差補正上より好ましい。

【００３５】また、回折光学素子を光学素子と表示面の
間に配置する場合、 −０．０５＜１／ｆ＜０．０５（ｍｍ^-1）・・・（３）なる条件を満足することが望ましい。これは、回折光学
素子を光学素子と像面の間に配置する場合の条件式であ
る。この条件式は、上記条件式と同様に回折光学素子の
焦点距離を規定したものである。この条件式を満足する
ことにより、回折光学素子で発生する収差が他の光学系
で発生する収差と丁度打ち消し合い、良好な収差補正が
可能となる。上限と下限は、上記条件式（１）の説明と
同様である。

【００３６】以上の光学系の像面に映像表示素子を配置
し、瞳位置に観察者眼球を配置するようにする位置決め
手段を設けると、小型の映像表示装置を構成することが
可能となる。

【００３７】さらに、その位置決め手段が光学系を観察
者頭部に装着できるようにする位置決め手段であると、
観察者は自由な観察姿勢や観察方向で映像を観察するこ
とが可能となる。つまり、楽な姿勢をとって映像を観察
することができる。例えば、ベッドに寝たままの病人で
も、頭部に映像表示装置を装着して寝たままの姿勢で映
像を観察することができる小型の頭部装着式映像表示装
置を構成することが可能となる。

【００３８】また、光学系の映像表示素子に代えて映像
記録手段を配置し、眼球の位置に眼球に代えて絞りを設
けると、小型の撮像光学系を提供することが可能とな
り、無限遠の物体を結像させるように構成することで、
図１９、図２０に示すようなカメラのファインダー光学
系等の結像光学系として利用することが可能である。

【００３９】さらに、第１反射面と第２反射面を瞳側に
凹面を向けた凸面鏡と凹面鏡にすることにより、コマ収
差、像面湾曲等の収差補正に更に良い結果を得ることが
できる。

【００４０】更に好ましくは、光学系を１つの光学素子
で構成し、回折光学素子と組み合わせることにより、光
学系全体を簡単な構成に製作することが可能となる。

【００４１】更に好ましくは、物点の中心を出て瞳中心
に到達する光線を主光線とするとき、第１反射面に入射
する主光線と射出する主光線とがなす角度をθ₁とする
とき、７０°＜θ₁＜１６０° ・・・（４）なる条件を満足することが重要である。

【００４２】この条件式は、光学系の縦方向の大きさを
決める条件式であり、下限の７０°を越えると、光学系
の第１透過面と第２反射面が干渉し、広い観察画角をと
ることができない。また、上限の１６０°を越えると、
光学系が縦に長くなり、小型化することが難しくなる。

【００４３】更に好ましくは、８０°＜θ₁＜１４０° ・・・（４）’ なる条件を満足することが好ましい。

【００４４】更に好ましくは、物点の中心を出て瞳中心
に到達する光線を主光線とするとき、第２反射面に入射
する主光線と射出する主光線とがなす角度をθ₂とする
とき、３０°＜θ₂＜１２０° ・・・（５）なる条件を満足することが重要である。

【００４５】この条件式は、光学系の縦方向の大きさを
決める条件式であり、下限の３０°を越えると、光学系
の第１透過面と第２反射面が干渉し、広い観察画角をと
ることができない。また、上限の１２０°を越えると、
光学系が縦に長くなり、小型化することが難しくなる。

【００４６】更に好ましくは、３５°＜θ₂＜７０° ・・・（５）’ なる条件を満足することが好ましい。

【００４７】また、回折光学素子を回転対称に製作する
場合には、回折光学素子を主光線に対して偏心して配置
することが好ましい。この場合の回折光学素子の偏心量
は、ディセンタリングをｄ、チィルトをαとすると、 −５０＜ｄ＜５０（ｍｍ）・・・（６） −５０＜α＜５０（°）・・・（７）なる条件を満足することが好ましい。

【００４８】これらの上限と下限を越えると、回折光学
素子の偏心量が大きくなり、光学系で発生する偏心によ
り発生するコマ収差と非点収差に対して、回折光学素子
で補正するバランスが崩れ、良好な収差補正を達成する
ことができなくなる。

【００４９】更に好ましくは、 −１０＜ｄ＜１０（ｍｍ）・・・（６）’ −１０＜α＜２０（°）・・・（７）’ なる条件を満足することにより、より良好な収差補正が
可能となる。

【００５０】また、絞りの中心を通過して像面の中心に
到達する主光線と、主光線の近傍ｈの高さで絞りを通過
した光線に注目する。主光線が像面と交差するときの角
度をｕ₁、主光線近傍ｈの高さで絞りを通過した光線が
像面と交差する角度をｕ₂とすると、ｆ＝ｈ／ｓｉｎ（ｔａｎ^-1ｕ₁−ｔａｎ^-1ｕ₂）によって、主光線近傍の光学系全体の焦点距離を求める
ことができる。

【００５１】（光学系全体の焦点距離ｆ）／（回折光学
素子の焦点距離ｆ）の値をＦとするとき、 −２＜Ｆ＜２・・・（８）なる条件を満足することが好ましい。

【００５２】この条件も、光学系全体と回折光学素子の
収差補正のバランスを決める条件であり、この上限と下
限を越えると、回折光学素子の収差補正量が大きくな
り、光学系で発生する像面湾曲と色収差に対し回折光学
素子で補正する収差のバランスが崩れ、良好な収差補正
を達成することができなくなる。

【００５３】更に好ましくは、 −１＜Ｆ＜１・・・（８）’ なる条件を満足することが好ましい。

【００５４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の光学系を映像表
示装置に構成した場合のいくつかの数値実施例につい
て、図面を参照して説明する。これら各数値実施例は、
瞳位置から映像表示素子に向けた逆追跡によるものであ
る。そして、物体位置は、瞳から−１ｍにある虚像位置
から行っている。

【００５５】実施例１〜７について、構成パラメータは
後記するが、以下の説明において、面番号は、光学系の
射出瞳位置（観察者瞳位置）１から映像表示素子６の表
示面へ向う逆追跡の面番号として示してある。そして、
座標の取り方は、図１に示すように、光学系の射出瞳１
の中心を原点とし、観察者の視軸２をＺ軸とする。な
お、Ｚ軸の符号は、瞳１の中心から遠ざかる方向を正と
している。また、図の平面内に、図の上方を正としてＺ
軸とは垂直にＹ軸をとり、さらに、Ｚ軸、Ｙ軸と直交す
るように、すなわち、図に垂直にＸ軸をとるものとす
る。なお、Ｘ軸の方向は図の表から裏への方向を正とす
る。

【００５６】そして、後記する構成パラメータ中におい
て、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面につい
ては、基準面である１面（瞳位置１）からのその面の面
頂のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量、及び、その面の中心
軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反
時計回りを意味する。また、回折光学素子基板面から回
折面に到る３面は同軸であるので、回折光学素子基板面
の１面（瞳位置１）からのその面の面頂のＹ軸方向、Ｚ
軸方向の偏心量、及び、その面の中心軸のＺ軸からの傾
き角のみが示され、他の面については、面間隔によって
各面の配置が示されている。

【００５７】なお、回折光学素子に関しては、例えば
「光学系デザイナーのための小型光学エレメント」第
６、７章（オプトロニクス社刊）や「ＳＰＩＥ」第１２
６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）等に記載されてお
り、可視域でのアッべ数ν＝−３．４５３、部分分散比
θ_g,F＝０．０３であり、その回折格子の間隔を自由に
変えることが可能なため、任意の非球面レンズ面と等価
に扱える。以下では、「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４
６〜５３（１９７７）に記載されている「ｕｌｔｒａ−
ｈｉｇｈｉｎｄｅｘｍｅｔｈｏｄ」を用いている。

【００５８】また、各面において、非回転対称な非球面
形状は、その面を規定する座標上で、Ｒ_y、Ｒ_xはそれ
ぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内で
の近軸曲率半径、Ｋ_x、Ｋ_yはそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−
Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲはそれぞれ
Ｚ軸に対して回転対称な４次、６次、８次、１０次の非
球面係数、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰはそれぞれＺ軸に対
して回転非対称な４次、６次、８次、１０次の非球面係
数とすると、非球面式は以下に示す通りである。

【００５９】Ｚ =［( Ｘ²/Ｒ_x)+ (Ｙ²/Ｒ_y) ］／［1+
｛ 1-(1+Ｋ_x) ( Ｘ²/Ｒ_x ²)-(1+Ｋ_y) ( Ｙ²/Ｒ_y ²)｝
^1/2］＋ＡＲ［ (1-ＡＰ) Ｘ²+( 1+ＡＰ) Ｙ²］²＋Ｂ
Ｒ［ (1-ＢＰ) Ｘ²+( 1+ＢＰ) Ｙ²］³＋ＣＲ［ (1-Ｃ
Ｐ) Ｘ²+( 1+ＣＰ) Ｙ²］⁴＋ＤＲ［ (1-ＤＰ) Ｘ²+( 1
+ＤＰ) Ｙ²］⁵ また、各面において、回転対称な非球面形状は、その面
を規定する座標上で、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係
数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ４次、６次、８次、１０
次の非球面係数、ｈはｈ²＝Ｘ²＋Ｙ²とすると、非球
面式は以下に示す通りである。Ｚ =（ｈ²/Ｒ）／［1+｛ 1-(1+Ｋ)(ｈ²/Ｒ²)｝^1/2］＋
Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸＋Ｄｈ¹⁰ なお、面形状を表す上記各式の座標系は、各面の面頂を
原点とし、各面の中心軸をＺ軸とした座標系である。

【００６０】また、後記する構成パラメータ中において
値の記載されていないパラメータの値はゼロである。面
と面の間の媒質の屈折率はｄ線（波長５８７．５６ｎ
ｍ）の屈折率で表す。なお、長さの単位はｍｍである。
なお、実際の装置においては、光学系によって反射する
方向は、観察者の上方でも横方向でもどちらでも構わな
いことは言うまでもない。また、本発明の光学系を遠方
にある部点を結像する結像光学系として利用できること
は、言うまでもない。

【００６１】図１〜７にそれぞれ実施例１〜７の単眼用
の映像表示装置の断面図を示す。

【００６２】それぞれの断面図において、図中、１は観
察者瞳位置（射出瞳位置）、２は観察者視軸、３は光学
素子の第１面、４は光学素子の第２面、５は光学素子の
第３面、６は映像表示素子、７は光学素子、８は回折光
学素子である。

【００６３】各実施例における実際の光線経路は、実施
例１、２、４、７においては、映像表示素子６から発し
た光線束は、回折光学素子８を経て、光学素子７の第３
面５で屈折して光学素子７に入射し、第１面３で内部反
射し、第２面４で反射されて、再び第１面３に入射して
屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心
を射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。これら
実施例において、第１透過面は第３面５、第１反射面は
第１面３、第２反射面は第２面４、第２透過面は第１面
３であり、第１反射面と第２透過面が同一場所、同一形
状である。

【００６４】実施例３、６においては、映像表示素子６
から発した光線束は、光学素子７の第３面５で屈折して
光学素子７に入射し、第１面３で内部反射し、第２面４
で反射されて、再び第１面３に入射して屈折されて光学
素子７から射出し、回折光学素子８を経て、観察者の瞳
の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者
の眼球内に投影される。これら実施例において、第１透
過面は第３面５、第１反射面は第１面３、第２反射面は
第２面４、第２透過面は第１面３であり、第１反射面と
第２透過面が同一場所、同一形状である。

【００６５】実施例５においては、映像表示素子６から
発した光線束は、回折光学素子８を経て、光学素子７の
第３面５で屈折して光学素子７に入射し、第１面３で内
部反射し、再び第３面５に入射して今度は内部反射し、
第１面３で内部反射し、第２面４で反射されて、三たび
第１面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置
又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に
投影される。この実施例において、第１透過面は第３面
５、第１反射面は第１面３、第２反射面は第３面５、第
３反射面は第１面３、第４反射面は第２面４、第２透過
面は第１面３であり、第１透過面と第２反射面が同一場
所、同一形状であり、第１反射面と第３反射面と第２透
過面が同一場所、同一形状である。

【００６６】各実施例の画角、瞳径は次の通りである。
実施例１は、水平画角４０度、垂直画角３０度、瞳径４
ｍｍである。実施例２は、水平画角４０度、垂直画角３
０度、瞳径４ｍｍである。実施例３は、水平画角４０
度、垂直画角３０度、瞳径４ｍｍである。実施例４は、
水平画角４０度、垂直画角３０度、瞳径４ｍｍである。
実施例５は、水平画角３０度、垂直画角２２．５度、瞳
径４ｍｍである。実施例６は、水平画角４０度、垂直画
角３０度、瞳径４ｍｍである。実施例７は、水平画角４
０度、垂直画角３０度、瞳径４ｍｍである。

【００６７】以下に、上記実施例１〜７の構成パラメー
タの値を示す。実施例１面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２Ｒ_y -71.17939 1.4922 57.50 Ｒ_x -64.5987 Ｙ 43.462 θ 21.63° Ｋ_y 0 Ｚ 24.298 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.189094 ×10^-5 ＢＲ 0.502157 ×10^-15 ＣＲ -0.279487 ×10^-13 ＤＲ -0.109879 ×10^-15 ＡＰ -0.164076 ＢＰ 53.350587 ＣＰ 0.031156 ＤＰ -0.572366 ３Ｒ_y -77.512310 1.4922 57.50 Ｒ_x -59.71490 Ｙ 14.711 θ -10.29° Ｋ_y 0 Ｚ 46.484 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.869330 ×10^-12 ＢＲ 0.233397 ×10^-10 ＣＲ -0.939132 ×10^-13 ＤＲ -0.269891 ×10^-15 ＡＰ-341.628501 ＢＰ 1.998719 ＣＰ 0.538375 ＤＰ -0.017896 ４Ｒ_y -71.17939 1.4922 57.50 Ｒ_x -64.5987 Ｙ 43.462 θ 21.63° Ｋ_y 0 Ｚ 24.298 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.189094 ×10^-5 ＢＲ 0.502157 ×10^-15 CR -0.279487 ×10^-13 ＤＲ -0.109879 ×10^-15 ＡＰ -0.164076 ＢＰ 53.350587 ＣＰ 0.031156 ＤＰ -0.572366 ５Ｒ_y -52.225998 Ｙ 29.105 θ 78.19° Ｒ_x -39.65538 Ｚ 21.624 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.290484 ×10^-4 ＢＲ -0.875623 ×10^-7 ＣＲ 0.144496 ×10^-9 ＤＲ -0.779302 ×10^-13 ＡＰ -0.787876 ＢＰ -0.424320 ＣＰ -0.261606 ＤＰ -0.191974 ６ ∞（回折格子基板面） . 1.5163 64.10 Ｙ 23.095 θ 49.79° Ｚ 39.274 ７ ∞ 0.000 1001 -3.45 ８ -244948.903275 （回折面）Ｋ 0 Ａ -0.590641 ×10^-8 Ｂ 0.524567 ×10^-10 Ｃ 0.914818 ×10^-13 Ｄ -0.907250 ×10^-15 ９ ∞（表示面）Ｙ 27.171 θ 39.16° Ｚ 43.254 。

【００６８】実施例２面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２Ｒ_y -79.38031 1.4922 57.50 Ｒ_x -80.18493 Ｙ 41.448 θ 21.53° Ｋ_y 0 Ｚ 23.485 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.146956 ×10^-5 ＢＲ 0.549579 ×10^-15 ＣＲ -0.258466 ×10^-13 ＤＲ -0.732260 ×10^-15 ＡＰ -0.147439 ＢＰ 55.826649 ＣＰ 0.012500 ＤＰ -0.775575 ３Ｒ_y -80.70890 1.4922 57.50 Ｒ_x -61.92076 Ｙ 10.566 θ -12.08° Ｋ_y 0 Ｚ 45.313 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.37995 ×10^-11 ＢＲ 0.587113 ×10^-10 ＣＲ -0.577526 ×10^-13 ＤＲ -0.107906 ×10^-14 ＡＰ-151.584065 ＢＰ 1.826841 ＣＰ 0.952204 DP -0.242091 ４Ｒ_y -79.38031 1.4922 57.50 Ｒ_x -80.18493 Ｙ 41.448 θ 21.53° Ｋ_y 0 Ｚ 23.485 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.146956 ×10^-5 ＢＲ 0.549579 ×10^-15 ＣＲ -0.258466 ×10^-13 ＤＲ -0.732260 ×10^-15 ＡＰ -0.147439 ＢＰ 55.826649 ＣＰ 0.012500 ＤＰ -0.775575 ５Ｒ_y -42.27641 Ｙ 27.378 θ 86.34° Ｒ_x -89.13397 Ｚ 21.361 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.362749 ×10^-7 ＢＲ -0.123433 ×10^-7 ＣＲ 0 ＤＲ 0 ＡＰ -14.544698 ＢＰ 0.088670 ＣＰ 0 ＤＰ 0 ６ ∞（回折格子基板面）0.250 1.5163 64.10 Ｙ 27.521 θ 44.04° Ｚ 35.248 ７ ∞ 0.000 1001 -3.45 ８ -259967.754835 （回折面）Ｋ 0 Ａ 0.295513 ×10^-7 Ｂ -0.270162 ×10^-10 Ｃ 0.223860 ×10^-12 Ｄ -0.328751 ×10^-15 ９ ∞（表示面）Ｙ 26.947 θ 38.98° Ｚ 42.638 。

【００６９】実施例３面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２ ∞（回折格子基板面）0.280 1.5163 64.10 Ｙ 4.361 θ 6.46° Ｚ 30.506 ３ ∞ 0.000 1001 -3.45 ４ -1210471.75072 （回折面）Ｋ 0 Ａ 0.681966 ×10^-9 Ｂ -0.294141 ×10^-11 Ｃ 0.635773 ×10^-14 Ｄ -0.316842 ×10^-17 ５Ｒ_y -91.85932 1.4922 57.50 Ｒ_x -85.77710 Ｙ 42.786 θ 25.01° Ｋ_y 0 Ｚ 21.186 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.150944 ×10^-5 ＢＲ 0.581341 ×10^-15 CR -0.309854 ×10^-13 ＤＲ -0.622017 ×10^-15 ＡＰ -0.238195 ＢＰ 55.180495 ＣＰ 0.096230 ＤＰ -0.784416 ６Ｒ_y -80.263766 1.4922 57.50 Ｒ_x -65.58356 Ｙ 12.859 θ -8.05° Ｋ_y 0 Ｚ 46.986 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.320509 ×10^-8 ＢＲ 0.441212 ×10^-10 ＣＲ -0.320183 ×10^-12 ＤＲ -0.790570 ×10^-15 ＡＰ -0.748250 ＢＰ 1.67572 ＣＰ 0.472263 ＤＰ -0.340182 ７Ｒ_y -91.85932 1.4922 57.50 Ｒ_x -85.77710 Ｙ 42.786 θ 25.01° Ｋ_y 0 Ｚ 21.186 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.150944 ×10^-5 ＢＲ 0.581341 ×10^-15 ＣＲ -0.309854 ×10^-13 ＤＲ -0.622017 ×10^-15 ＡＰ -0.238195 ＢＰ 55.180495 ＣＰ 0.096230 ＤＰ -0.784416 ８Ｒ_y -60.476554 Ｙ 28.128 θ 81.46° Ｒ_x -34.92352 Ｚ 20.175 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.445485 ×10^-4 ＢＲ -0.169231 ×10^-6 ＣＲ 0.331085 ×10^-9 ＤＲ -0.217700 ×10^-12 ＡＰ -0.785547 ＢＰ -0.518386 ＣＰ -0.402954 ＤＰ -0.355235 ９ ∞（表示面）Ｙ 27.946 θ 47.35° Ｚ 40.648 。

【００７０】実施例４面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２Ｒ_y -63.687638 1.4922 57.50 Ｒ_x -52.93087 Ｙ 42.650 θ 21.79° Ｋ_y 0 Ｚ 25.411 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.237756 ×10^-5 ＢＲ 0.497821 ×10^-15 ＣＲ -0.279870 ×10^-13 ＤＲ -0.880162 ×10^-16 ＡＰ -0.194847 ＢＰ 54.229862 ＣＰ -0.082177 ＤＰ -0.563852 ３Ｒ_y -74.468047 1.4922 57.50 Ｒ_x -56.85709 Ｙ 12.514 θ -12.67° Ｋ_y 0 Ｚ 46.582 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.175162 ×10^-12 ＢＲ 0.101402 ×10^-10 ＣＲ -0.133271 ×10^-12 ＤＲ -0.313264 ×10^-15 ＡＰ-102.638843 ＢＰ 2.769603 ＣＰ 0.488057 ＤＰ -0.048522 ４Ｒ_y -63.687638 1.4922 57.50 Ｒ_x -52.93087 Ｙ 42.650 θ 21.79° Ｋ_y 0 Ｚ 25.411 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.237756 ×10^-5 ＢＲ 0.497821 ×10^-15 ＣＲ -0.279870 ×10^-13 ＤＲ -0.880162 ×10^-16 ＡＰ -0.194847 ＢＰ 54.229862 ＣＰ -0.082177 ＤＰ -0.563852 ５Ｒ_y -32.35945 Ｙ 28.650 θ 71.97° Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.180717 ×10^-4 ＢＲ -0.215221 ×10^-7 ＣＲ 0.107474 ×10^-9 ＤＲ -0.117215 ×10^-12 ＡＰ -1.132480 ＢＰ -0.971905 ＣＰ 0.000688 ＤＰ 0.051621 ６ ∞（回折格子基板面）0.250 1.5163 64.10 Ｙ 23.040 θ 47.79° Ｚ 40.285 ７ ∞ 0.000 1001 -3.45 ８ -464779 （回折面）Ｋ 0 Ａ -0.796488 ×10^-8 Ｂ 0.233311 ×10^-10 ９ ∞（表示面）Ｙ 27.154 θ 37.36° Ｚ 43.842 。

【００７１】実施例５面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２Ｒ_y-292.331787 1.5163 64.10 Ｒ_x -64.47050 Ｙ 33.943 θ 7.70° Ｋ_y 0 Ｚ 27.360 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.401020 ×10^-6 ＡＰ -0.693944 ３Ｒ_y-1501.496515 1.5163 64.10 Ｒ_x-102.59918 Ｙ 94.211 θ -10.16° Ｋ_y 0 Ｚ 64.769 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.870453 ×10^-7 ＡＰ -0.042140 ４Ｒ_y-292.331787 1.5163 64.10 Ｒ_x -64.47050 Ｙ 33.943 θ 7.70° Ｋ_y 0 Ｚ 27.360 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.401020 ×10^-6 ＡＰ -0.693944 ５Ｒ_y-119.796883 1.5163 64.10 Ｒ_x -49.36833 Ｙ 63.187 θ 38.77° Ｋ_y 0 Ｚ 19.430 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.946153 ×10^-6 ＡＰ -0.548848 ６Ｒ_y-292.331787 1.5163 64.10 Ｒ_x -64.47050 Ｙ 33.943 θ 7.70° Ｋ_y 0 Ｚ 27.360 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.401020 ×10^-6 ＡＰ -0.693944 ７Ｒ_y-119.796883 Ｙ 63.187 θ 38.77° Ｒ_x -49.36833 Ｚ 19.430 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.946153 ×10^-6 ＡＰ -0.548848 ８ ∞（回折格子基板面）1.000 1.5163 64.10 Ｙ 40.627 θ 30.59° Ｚ 35.332 ９ ∞ 0.000 1001 -3.45 １０ -43047.588167 （回折面）Ｋ 0 Ａ 0.436299 ×10^-8 １１ ∞（表示面）Ｙ 47.9 θ 27.12° Ｚ 40 。

【００７２】実施例６面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２ ∞（回折格子基板面）0.300 1.5163 64.10 Ｙ 0.528 θ 3.52° Ｚ 30.968 ３ ∞ 0.000 1001 -3.45 ４ -1014751.75463 （回折面）Ｋ 0 Ａ 0.787268 ×10^-9 Ｂ 0.182929 ×10^-11 Ｃ -0.131126 ×10^-13 Ｄ 0.130609 ×10^-16 ５Ｒ_y -73.944129 1.4922 57.50 Ｒ_x -69.91809 Ｙ 46.027 θ 24.71° Ｋ_y 0 Ｚ 22.895 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.173092 ×10^-5 ＢＲ 0.394778 ×10^-15 ＣＲ -0.310330 ×10^-13 ＤＲ -0.421275 ×10^-16 ＡＰ -0.180837 ＢＰ 56.720372 ＣＰ -0.033823 ＤＰ -0.622396 ６Ｒ_y -80.26792 1.4922 57.50 Ｒ_x -62.52811 Ｙ 17.982 θ -6.91° Ｋ_y 0 Ｚ 47.566 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.406113 ×10^-12 ＢＲ 0.137027 ×10^-10 ＣＲ -0.478711 ×10^-13 ＤＲ -0.107178 ×10^-15 ＡＰ-640.994824 ＢＰ 2.330409 ＣＰ 0.475262 ＤＰ 0.169588 ７Ｒ_y -73.944129 1.4922 57.50 Ｒ_x -69.91809 Ｙ 46.027 θ 24.71° Ｋ_y 0 Ｚ 22.895 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.173092 ×10^-5 ＢＲ 0.394778 ×10^-15 ＣＲ -0.310330 ×10^-13 DR -0.421275 ×10^-16 ＡＰ -0.180837 ＢＰ 56.720372 ＣＰ -0.033823 ＤＰ -0.622396 ８Ｒ_y -53.640971 Ｙ 28.627 θ 83.27° Ｒ_x -36.56938 Ｚ 20.211 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.313093 ×10^-4 ＢＲ -0.981865 ×10^-7 ＣＲ 0.153577 ×10^-9 ＤＲ -0.710929 ×10^-13 ＡＰ -0.887541 ＢＰ -0.531847 ＣＰ -0.347911 ＤＰ -0.245694 ９ ∞（表示面）Ｙ 27.588 θ 43.23° Ｚ 43.381 。

【００７３】実施例７面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２ ∞ 1.4922 57.50 Ｙ 0 θ 1.79° Ｚ 31 ３Ｒ_y-141.407945 1.4922 57.50 Ｒ_x-126.83786 Ｙ -5.513 θ -22.10° Ｋ_y 0 Ｚ 43.891 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.514241 ×10^-6 ＢＲ 0.691483 ×10^-10 ＣＲ 0.237472 ×10^-12 ＤＲ -0.978814 ×10^-16 ＡＰ -0.079009 ＢＰ 0.169964 ＣＰ -0.300765 ＤＰ -0.242091 ４ ∞ 1.4922 57.50 Ｙ 0 θ 1.79° Ｚ 31 ５ -41.519166 Ｙ 23.703 θ 44.32° Ｚ 43.596 ６ ∞（回折格子基板面）1.000 1.5163 64.10 Ｙ 32.575 θ 28.99° Ｚ 51.228 ７ ∞ 0.000 1001 -3.45 ８ 91082.1383941（回折面）Ｋ 0 Ａ -0.201624 ×10^-6 Ｂ 0.177572 ×10^-8 Ｃ -0.722700 ×10^-11 Ｄ 0.108209 ×10^-13 ９ ∞（表示面）Ｙ 50.265 θ 24.87° Ｚ 47.812 。

【００７４】次に、上記７実施例中、実施例１の横収差
図を図８〜図１０に示す。これら横収差図において、括
弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、
その画角における横収差を示す。

【００７５】上記実施例１〜７の光学系全体の焦点距離
ｆ、回折光学素子の焦点距離ｆ、条件式（４）のθ₁、
条件式（５）のθ₂、条件式（６）のｄ、条件式（７）
のα、条件式（８）のＦの値は、それぞれ次の通りであ
る。

【００７６】以上の実施例では、光学素子を構成する面
としてアナモルフィック面を使用したが、トーリック面
でも、回転対称な非球面、球面、さらに、以下の式で表
現される自由曲面等で構成できることは言うまでもな
い。ここで、ｘ，ｙ，ｚは直交座標を表し、Ｃ_nmは任意の係
数、ｋ，ｋ’も任意とする。

【００７７】さらに、面の曲率、パワー等の条件につい
ては、視軸上を進み映像表示素子に到る軸上光線に沿っ
て、軸上光線と面とが当たる部分の面の形状から得られ
るある任意のある領域内の曲率により求めることもでき
る。さらに、各実施例の光学系を２組配置することによ
って、観察者両眼に映像を投影できるようにすることが
可能である。

【００７８】なお、上記実施例１〜４、６、７は何れも
図１１に示した光学素子７を基本に用いているが、図１
２〜図１７に示すような光学素子７を用い、これに回折
光学素子を組み合わせるようにしてもよい。図１２の場
合は、光学素子７は第１面３、第２面４、第３面５、第
４面９からなり、映像表示素子６から発した光線束は、
第３面５で屈折して光学素子７に入射し、第４面９で内
部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第１面３に
入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の
回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影され
る。

【００７９】図１３の場合は、光学素子７は第１面３、
第２面４、第３面５、第４面９からなり、映像表示素子
６から発した光線束は、第３面５で屈折して光学素子７
に入射し、第４面９で内部反射し、第３面５に入射して
今度は内部反射し、第２面４に入射して内部反射し、第
１面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又
は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投
影される。

【００８０】図１４の場合は、光学素子７は第１面３、
第２面４、第３面５、第４面９からなり、映像表示素子
６から発した光線束は、第３面５で屈折して光学素子７
に入射し、第２面４で内部反射し、第４面９に入射して
内部反射し、第２面４に再度入射して内部反射し、第１
面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は
眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影
される。

【００８１】図１５の場合は、光学素子７は第１面３、
第２面４、第３面５、第４面９からなり、映像表示素子
６から発した光線束は、第２面４で屈折して光学素子７
に入射し、第３面５で内部反射し、第２面４に入射して
内部反射し、第４面９で内部反射し、第２面４に再度入
射して内部反射し、第１面３に入射して屈折されて、観
察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１とし
て観察者の眼球内に投影される。

【００８２】図１６の場合は、実施例５の光学素子７と
同様であり、映像表示素子６から発した光線束は、第３
面５で屈折して光学素子７に入射し、第１面３で内部反
射し、再び第３面５に入射して今度は内部反射し、第１
面３で内部反射し、第２面４で反射されて、三たび第１
面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は
眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影
される。

【００８３】図１７の場合は、映像表示素子６から発し
た光線束は、第１面３で屈折して光学素子７に入射し、
第３面５で内部反射し、再び第１面３に入射して今度は
内部反射し、第３面５で再度内部反射し、三たび第１面
３に入射して内部反射し、第２面４で反射されて、四た
び第１面３に入射して屈折されて、観察者の瞳の虹彩位
置又は眼球の回旋中心を射出瞳１として観察者の眼球内
に投影される。

【００８４】さて、以上のような３面又は４面の光学面
で構成され、その間が屈折率が１より大きい媒質で満た
された偏心プリズム単体（光学素子）に残留する色収
差、像面湾曲等を回折光学素子を用いて補正した光学系
を接眼光学系として用いる場合、単眼に限らなくともよ
く、２組使用するようにしてもよい。両眼で観察できる
ようにすると、観察者にとって疲れない観察が可能とな
る。また、両眼に視差のある映像を提示することによっ
て、立体像としての観察も可能となる。また、本発明に
よる接眼光学系を２組使用し、観察者頭部に支持する支
持機構を付けることによって、楽な姿勢で観察像を観察
することが可能となる。

【００８５】上記のように、本発明による光学系を接眼
光学系として用い、この光学系と映像表示素子からなる
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、両眼で観察できる据え付け型又は頭部
装着式映像表示装置のようなポータブル型の映像表示装
置として構成することができる。このようなポータブル
型の映像表示装置の１例の全体の構成を図１８に示す。
表示装置本体５０には、上記のような接眼光学系が左右
１対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子か
らなる映像表示素子が配置されている。本体５０に左右
に連続して図示のような側頭フレーム５１が設けられ、
両側の側頭フレーム５１は頭頂フレーム５２でつながれ
ており、また、両側の側頭フレーム５１の中間には板バ
ネ５３を介してリアフレーム５４が設けてあり、リアフ
レーム５４を眼鏡のツルのように観察者の両耳の後部に
当て、また、頭頂フレーム５２を観察者の頭頂に載せる
ことにより、表示装置本体５０を観察者の眼前に保持で
きるようになっている。なお、頭頂フレーム５２の内側
には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッド５５が取
り付けてあり、同様にリアフレーム５４の内側にも同様
なパッドが取り付けられており、この表示装置を頭部に
装着したときに違和感を感じないようにしてある。

【００８６】また、リアフレーム５４にはスピーカ５６
が付設されており、映像観察と共に立体音響を聞くこと
ができるようになっている。このようにスピーカ５６を
有する表示装置本体５０には、映像音声伝達コード５７
を介してボータブルビデオカセット等の再生装置５８が
接続されているので、観察者はこの再生装置５８を図示
のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像、
音響を楽しむことができるようになっている。図示の５
９は再生装置５８のスイッチ、ボリューム等の調節部で
ある。なお、頭頂フレーム５２の内部に、映像処理・音
声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。

【００８７】なお、コード５７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
観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よい。

【００８８】さらに、本発明の光学系を結像光学系とし
て用いた場合、例えば、図１９に斜視図を示すように、
撮影光学系Ｏｂとファインダー光学系Ｆｉが別体に併設
されたコンパクトカメラＣａのファインダー光学系Ｆｉ
に用いることができる。このような結像光学系として用
いた場合の光学系の構成図を図２０に示す。前側レンズ
群ＧＦと、明るさ絞りＤとその後方に配備された本発明
による光学系ＤＳとで対物光学系Ｌｔを構成することが
できる。この対物光学系Ｌｔによって形成された像は、
この対物光学系Ｌｔの観察者側に設けられた４回反射の
ホロプリズムＰによって正立され、接眼レンズＯｃによ
って観察できる。

【００８９】以上、本発明の光学系を実施例に基づいて
説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず
種々の変形が可能である。以上の本発明の光学系は、例
えば次のように構成することができる。

【００９０】〔１〕互いに偏心して配置された光学素
子及び回折光学素子で構成され、前記光学素子は、少な
くとも３つの隣合って配置された光学面からなり、前記
の３つの光学面の中、少なくとも１つは曲面で構成さ
れ、かつ、前記光学面間で少なくとも２回以上の反射を
することを特徴とする光学系。

【００９１】〔２〕前記の少なくとも３つの面で構成
される空間が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされ
ていることを特徴とする上記〔１〕記載の光学系。

【００９２】〔３〕映像を表示する表示面を有する映
像表示素子を有し、前記映像表示素子を射出した光線
が、前記表示面に対向して配置された前記光学素子の第
１透過面から入射して光学系の内部に入射し、第１反射
面で反射され、第２反射面で反射され、第２透過面を透
過して観察者の眼球に導かれるように配置されているこ
とを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載の光学系。

【００９３】〔４〕前記映像表示素子に表示された映
像を途中で結像することなく観察者の眼球に導くように
構成されていることを特徴とする上記〔３〕記載の光学
系。

【００９４】〔５〕前記の少なくとも３つの光学面の
中、１つは前記の３つの面の偏心面内の曲率と、それと
直交する面内の曲率とが異なることを特徴とする上記
〔１〕から〔４〕の何れか１項記載の光学系。

【００９５】〔６〕前記第１反射面と第２透過面が同
一場所の同一形状で配置されていることを特徴とする上
記〔３〕から〔５〕の何れか１項記載の光学系。

【００９６】〔７〕前記第２反射面は、前記表示面の
中心から射出し前記眼球を通過する光線を主光線とする
と、主光線に対して偏心して配置されていることを特徴
とする上記〔３〕から〔６〕の何れか１項記載の光学
系。

【００９７】〔８〕前記第２反射面が眼球側に凹面を
向けた凹面鏡で構成されていることを特徴とする上記
〔３〕から〔７〕の何れか１項記載の光学系。

【００９８】

〔９〕前記光学素子の透過面で発生する
収差と前記回折光学素子で発生する収差の符号が反対で
あることを特徴とする上記〔３〕から〔８〕の何れか１
項記載の光学系。

【００９９】〔１０〕前記の同一場所の同一形状で配
置された第１反射面と第２透過面が、１つの光路では臨
界角を越えて入射して反射され、他の光路では臨界角以
下の入射角で入射して透過するように配置されているこ
とを特徴とする上記〔６〕記載の光学系。

【０１００】〔１１〕前記回折光学素子が前記光学素
子と観察者眼球の間に配置されていることを特徴とする
上記〔３〕から〔１０〕の何れか１項記載の光学系。

【０１０１】〔１２〕前記回折光学素子が前記光学素
子と表示面の間に配置されていることを特徴とする上記
〔３〕から〔１１〕の何れか１項記載の光学系。

【０１０２】〔１３〕前記回折光学素子の焦点距離を
ｆとするとき、 −０．１＜１／ｆ＜０．１（ｍｍ^-1）・・・（１）なる条件を満足することを特徴とする上記〔１１〕又は
〔１２〕記載の光学系。

【０１０３】〔１４〕前記回折光学素子を前記光学素
子と観察者眼球の間に配置する場合、前記回折光学素子
の焦点距離をｆとするとき、 −０．１＜１／ｆ＜０．１（ｍｍ^-1）・・・（２）なる条件を満足することを特徴とする上記〔１１〕記載
の光学系。

【０１０４】〔１５〕前記回折光学素子を前記光学素
子と表示面の間に配置する場合、前記回折光学系の焦点
距離をｆとするとき、 −０．０５＜１／ｆ＜０．０５（ｍｍ^-1）・・・（３）なる条件を満足することを特徴とする上記〔１２〕記載
の光学系。

【０１０５】〔１６〕上記〔１〕から〔１５〕の何れ
か１項記載の光学系の瞳位置に観察者眼球を配置するよ
うにする位置決め手段を有することを特徴とする映像表
示装置。

【０１０６】〔１７〕前記位置決め手段は、前記光学
系を観察者頭部に装着できるようにする位置決め手段で
あることを特徴とする上記〔１６〕記載の映像表示装
置。

【０１０７】〔１８〕上記〔３〕から〔１５〕の何れ
か１項記載の光学系の前記映像表示素子に代えて映像記
録手段を配置し、前記眼球の位置に眼球に代えて絞りを
設けたことを特徴とする撮像光学系。

【０１０８】

【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、コンパクト・軽量で収差が良好に補正された
結像光学系、及び、頭部又は顔面装着式映像表示装置用
の接眼光学系に適した光学系を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図２】本発明の実施例２の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図３】本発明の実施例３の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図４】本発明の実施例４の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図５】本発明の実施例５の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図６】本発明の実施例６の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図７】本発明の実施例７の光学系を用いた単眼用の映
像表示装置の断面図である。

【図８】本発明の実施例１の横収差図の一部である。

【図９】本発明の実施例１の横収差図の残りの一部であ
る。

【図１０】本発明の実施例１の横収差図の残りの部分で
ある。

【図１１】本発明が適用できる光学素子の１例を示す断
面図である。

【図１２】本発明が適用できる光学素子の別の例を示す
断面図である。

【図１３】本発明が適用できる光学素子の別の例を示す
断面図である。

【図１４】本発明が適用できる光学素子の別の例を示す
断面図である。

【図１５】本発明が適用できる光学素子の別の例を示す
断面図である。

【図１６】本発明が適用できる光学素子の別の例を示す
断面図である。

【図１７】本発明が適用できる光学素子の別の例を示す
断面図である。

【図１８】本発明による光学系を用いた頭部装着式映像
表示装置の１例の全体の構成を示す図である。

【図１９】本発明による光学系を結像光学系として利用
した場合の構成図である。

【図２０】本発明による光学系を結像光学系として利用
した場合の光学系の構成図である。

【図２１】従来の１つの映像表示装置の光学系を示す図
である。

【図２２】従来の別の映像表示装置の光学系を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…観察者瞳位置（射出瞳位置）２…観察者視軸３…光学素子の第１面４…光学素子の第２面５…光学素子の第３面６…映像表示素子７…光学素子８…回折光学素子９…光学素子の第４面５０…表示装置本体５１…側頭フレーム５２…頭頂フレーム５３…板バネ５４…リアフレーム５５…頭頂パッド５６…スピーカ５７…映像音声伝達コード５８…再生装置５９…スイッチ、ボリューム等の調節部Ｏｂ…撮影光学系Ｆｉ…ファインダー光学系Ｃａ…コンパクトカメラＧＦ…前側レンズ群Ｄ …明るさ絞りＤＳ…接眼光学系（本発明）Ｌｔ…対物光学系Ｐ …ホロプリズムＯｃ…接眼レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに偏心して配置された光学素子及び
回折光学素子で構成され、前記光学素子は、少なくとも
３つの隣合って配置された光学面からなり、前記の３つ
の光学面の中、少なくとも１つは曲面で構成され、か
つ、前記光学面間で少なくとも２回以上の反射をするこ
とを特徴とする光学系。
【請求項２】前記の少なくとも３つの面で構成される
空間が屈折率が１より大きい透明媒質で満たされている
ことを特徴とする請求項１記載の光学系。
【請求項３】映像を表示する表示面を有する映像表示
素子を有し、前記映像表示素子を射出した光線が、前記
表示面に対向して配置された前記光学素子の第１透過面
から入射して光学系の内部に入射し、第１反射面で反射
され、第２反射面で反射され、第２透過面を透過して観
察者の眼球に導かれるように配置されていることを特徴
とする請求項１又は２記載の光学系。