JPH1138351A

JPH1138351A - 画像表示装置

Info

Publication number: JPH1138351A
Application number: JP19263397A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Hayakawa; 早川和仁; Kokichi Kenno; 研野孝吉
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】偏心プリズム光学系を接眼光学系として用い
る画像表示装置において偏心プリズム光学系を歪像光学
系とすることにより、より小型・軽量でしかも高い光学
性能を有する明るい画像表示装置。【解決手段】画像表示素子６と、それにより形成され
た画像を虚像として観察できるように観察者眼球位置１
に中間像を形成することなしに導く接眼光学系とを有す
る画像表示装置であり、接眼光学系が偏心した２つの反
射面を含む３つの面３〜５からなる偏心プリズム光学系
７を含み、画像表示素子６は２次元表示画面の縦方向に
表示される画像を横方向に表示される画像に比べて圧縮
した形で表示するように構成され、偏心プリズム光学系
７は２次元画像表示画面の縦方向に対応する方向を横方
向に対応する方向に比べて伸長するように構成されてい
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、画像表示装置に関
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能
にする小型の頭部又は顔面装着式画像表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、個人が大画面の画像を楽しむこと
を目的として、頭部又は顔面装着式画像表示装置が開発
されている。

【０００３】このような中、特開平７−３３３５５１号
等において、２次元画像表示素子の表示画像を観察者眼
球に導く接眼光学系として、３つの光学面で囲まれた屈
折率が１より大きい媒質からなる偏心プリズム光学系で
構成し、液晶表示素子からの光束を第３面からその偏心
光学系内に入射させ、次に、その内部で第１面で全反射
させ、次いで、凹面鏡の第２面で内部反射させ、今度は
第１面を経て偏心光学系外に射出させ、画像表示素子の
表示像を中間像を形成することなく観察者眼球に導くよ
うにしたものが提案されている。

【０００４】この場合は、偏心プリズム光学系を構成す
る光学面は３面であり、偏心プリズム光学系内部の反射
回数は２回ある。この他に、２面あるいは４面以上から
なり、光学系内部で１回以上反射する種々の形態の偏心
光学系が本出願人等によって提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】頭部又は顔面装着式画
像表示装置の光学系として偏心プリズム光学系を用いる
と、高い光学性能（画角、解像力等）を維持したまま装
置全体を小型・軽量に構成でき、明るい画像表示装置が
可能なる利点がある。しかしながら、従来の偏心プリズ
ム光学系を接眼光学系として用いる画像表示装置におい
ては、液晶表示素子（以下、ＬＣＤと称す。）等の２次
元画像表示素子の画面の縦横何れか一方に圧縮した画像
を表示して接眼光学系側でその圧縮を伸長して縦横同じ
倍率で表示するものは提案されていない。すなわち、従
来の偏心プリズム光学系を画像表示装置の接眼光学系と
して用いる場合に、偏心プリズム光学系を歪像光学系と
するものは提案されていなかった。

【０００６】本発明は従来技術のこのような状況に鑑み
てなされたものであり、その目的は、偏心プリズム光学
系を接眼光学系として用いる画像表示装置において偏心
プリズム光学系を歪像光学系とすることにより、より小
型・軽量でしかも高い光学性能を有する明るい画像表示
装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素
子により形成された画像を虚像として観察できるように
観察者眼球位置に中間像を形成することなしに導く偏心
プリズム光学系を含む接眼光学系とを有する画像表示装
置において、前記偏心プリズム光学系は、前記画像表示
素子から射出した光を反射及び透過の少なくとも一方の
作用を有する少なくとも３つの面が互いに偏心して配置
され、その少なくとも３つの面の間が屈折率が１．３以
上の透明媒質で埋められてなり、光学系内部で少なくと
も２回の内部反射を行うように、前記の少なくとも３つ
の面の中の少なくとも２つの面が反射作用を有する面で
形成されており、前記の少なくとも３つの面の中の１つ
の面は前記画像表示素子からの光を光学系内に入射させ
る入射面であり、もう１つの面は前記画像表示素子から
の光を光学系から射出させ射出瞳位置の観察者眼球内に
投影する射出面であり、前記画像表示素子は、２次元的
に配置された複数の画素を有する２次元画像表示画面を
備えると共に、前記２次元画像表示画面の縦方向に表示
される画像を横方向に表示される画像に比べて圧縮した
形で表示するように構成され、前記偏心プリズム光学系
は、前記２次元画像表示画面の縦方向に対応する方向を
横方向に対応する方向に比べて伸長するように構成され
ていることを特徴とするものである。

【０００８】以下に、本発明において、上記のような構
成をとる理由と作用について説明する。本発明の画像表
示装置の基本的な形態は、図１（ａ）に垂直断面を、同
図（ｂ）に水平断面を示すような構成になっている。す
なわち、３つの光学面３、４、５で囲まれた屈折率が１
より大きい媒質からなる偏心プリズム光学系７を接眼光
学系として用い、偏心プリズム光学系７の射出瞳１（観
察者眼球の瞳位置と一致する。）は偏心プリズム光学系
７の第１面３に面して位置しており、ＬＣＤ（液晶表示
素子）等の画像表示素子６は偏心プリズム光学系７の第
３面５に面して配置される。そして、逆光線追跡で、射
出瞳１の中心を通り偏心プリズム光学系７を介して画像
表示素子６の画面の中心に達する光線を偏心プリズム光
学系７の軸上主光線とし、その軸上主光線を光軸２とす
る。

【０００９】この画像表示装置において、画像表示素子
６からの表示光は、画像表示素子６に対向した透過面の
第３面５を経て偏心プリズム光学系７内に入射し、射出
瞳１に面した第１面３の内側で全反射により反射され、
次いで、第１面３に対して射出瞳１側と反対側に位置す
る第２面４に入射してその面の内側で反射され、その反
射光は今度は第１面３に臨界角より小さい角度で入射し
て第１面３を透過して偏心プリズム光学系７から射出し
て、中間像を形成することなく射出瞳１の位置にある観
察者の瞳に入射し、観察者の網膜上に表示像を結像す
る。そして、少なくとも２つの反射面は光軸２に対して
偏心している。

【００１０】ここで、偏心プリズム光学系７の接眼光学
系の作用を行う正パワーを主として偏心プリズム光学系
７を構成する反射面３、４の何れかあるいは全てが担っ
ている。

【００１１】まず、以下の説明において用いる座標系に
ついて説明する。なお、光線追跡は、特別に説明のない
限り、遠方の物点からの光が射出瞳１を通過し、画像表
示素子６の画面を像面として結像する逆追跡で考える。
図１に示すように、射出瞳１中心を通過し、画像表示素
子６の画面の中心に達する光線を軸上主光線とし、偏心
プリズム光学系７の第１面３に交差するまでの直線によ
って定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交しかつ
接眼光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義
し、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸とする。
そして、ここではとりあえず、観察者が一方の眼の前方
にこの画像表示装置を装着して画像表示素子６の２次元
画像表示画面の表示像を拡大して観察するときの左右の
水平方向がＸ軸方向と一致するものとする。なお、実際
の使用に当たっては、偏心プリズム光学系７のＸ軸方向
と左右の水平方向が一致する必要はない。

【００１２】ここで、本発明の画像表示装置において
は、その小型化のために、画像表示素子６の画面のＸ方
向の寸法に対してそれと直交するＹ方向の寸法を小さく
することを考える。従来の特開平７−３３３５５１号等
の接眼光学系においては、接眼光学系のＸ方向、Ｙ方向
の拡大倍率が略等しいので、ＬＣＤ等の画面のＹ方向だ
けの寸法を小さくすると、観察時の画像もＹ方向の観察
画角が小さい画像しか観察できない。そこで、本発明に
おいては、接眼光学系として小型の偏心プリズム光学系
７を用いながら、ＬＣＤ等の画像表示素子６のＹ方向の
寸法を小さくし、偏心プリズム光学系７のＹ方向の拡大
倍率をＸ方向の拡大倍率より大きくすると同時に、画像
表示素子６の表示画像を、偏心プリズム光学系７のＸ方
向に対するＹ方向の倍率比の逆数になるように、Ｙ方向
の画像をＸ方向に対して圧縮表示するようにするもので
ある。

【００１３】そこで、偏心プリズム光学系７全系の軸上
主光線２に対するＹ−Ｚ面内での合成焦点距離をｆｙ、
Ｙ−Ｚ面に直交する面内での合成焦点距離をｆｘとする
とき、０．１＜ｆｙ／ｆｘ＜０．８・・・（１）を満たすことが望ましい。

【００１４】上記（１）式の上限の０．８を越えると、
画像表示素子６のＹ方向寸法を小さくするとの本発明の
目的を達成することが不可能になり、それに伴って偏心
プリズム光学系７を小さくし、薄型の頭部装着式画像表
示装置を提供することができなくなる。まが、（１）式
の下限の０．１を越えると、全系のＸ方向とＹ方向のパ
ワーの差が大きくなりすぎ、非点収差が補正し切れなく
なり、解像力の高い観察像を提示することができなくな
る。

【００１５】ここで、偏心プリズム光学系７の面形状に
ついて検討する。一般に、球面レンズのみで構成された
球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コ
マ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補
正しあい、全体として収差を少なくする構成になってい
る。一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには
非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収
差自体を少なくするためである。しかし、偏心プリズム
光学系のような偏心した光学系においては、偏心により
発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正する
ことは不可能である。

【００１６】回転対称な光学系が偏心した場合、回転非
対称な収差が発生し、これを回転対称な光学系でのみ補
正することは不可能である。この偏心により発生する回
転非対称な収差は、像歪、像面湾曲、さらに、軸上でも
発生する非点収差、コマ収差がある。図１６は偏心して
配置された凹面鏡Ｍにより発生する像面湾曲、図１７は
偏心して配置された凹面鏡Ｍにより発生する非点収差、
図１８は偏心して配置された凹面鏡Ｍにより発生する軸
上コマ収差を示す図である。本発明の偏心プリズム光学
系は、上記のような偏心により発生する回転非対称な収
差の補正のために、回転非対称な面を光学系中に配置し
て、その回転非対称な収差を補正している。

【００１７】偏心して配置された凹面鏡により発生する
回転非対称な収差に、回転非対称な像面湾曲がある。例
えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線
は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡
に当たって以降、像面（反射型ＬＣＤ８）までの後側焦
点距離は、光線が当たった部分の曲率の半分になる。す
ると、図１６に示すように、軸上主光線に対して傾いた
像面を形成する。このような回転非対称な像面湾曲を補
正することは、回転対称な光学系では不可能であった。
この傾いた像面湾曲を補正するには、凹面鏡Ｍを回転非
対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向（図の上方
向）に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の
方向（（図の下方向）に対して曲率を弱く（屈折力を弱
く）することにより補正することができる。また、上記
構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を凹面鏡Ｍとは
別に光学系中に配置することにより、少ない構成枚数で
フラットの像面を得ることが可能となる。

【００１８】次に、回転非対称な非点収差について説明
する。前記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍ
では軸上光線に対しても、図１７に示すような非点収差
が発生する。この非点収差を補正するためには、前記説
明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向
の曲率を適切に変えることによって可能となる。

【００１９】さらに、回転非対称なコマ収差について説
明する。前記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡
Ｍでは、軸上光線に対しても図１８に示すようなコマ収
差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転
非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変
えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変え
ることによって可能となる。

【００２０】さらに、偏心プリズム光学系を折り曲げ光
路を有するように構成すると、反射面にパワーを持たせ
ることが可能となり、透過型レンズを省略することが可
能となる。さらに、光路を折り曲げたことにより偏心プ
リズム光学系を小型に構成することが可能となる。

【００２１】また、その反射面は、臨界角を越えて光線
が入射するように、光線に対して傾いて配置された全反
射面で構成することにより、高い反射率にすることが可
能となり、また、反射作用と透過作用とを併せ持たすこ
とが可能となる。また、反射面を構成する面にアルミニ
ウム又は銀等の金属薄膜を表面に形成した反射面、又
は、誘電体多層膜で形成された反射面又は半透過反射面
で構成することが好ましい。金属薄膜で反射作用を有す
る場合は、手軽に高反射率を得ることが可能となる。ま
た、誘電体反射膜の場合は、波長選択性や吸収の少ない
反射膜を形成する場合に有利となる。

【００２２】さらに好ましくは、反射面に回転非対称面
を用いると、透過面に用いる場合と比べて、色収差は全
く発生しない。また、面の傾きが少なくても光線を屈曲
させることができるために、他の収差発生も少ない。つ
まり、同じ屈折力を得る場合に、反射面の方が屈折面に
比べて収差の発生が少なくてすむ。

【００２３】ここで、回転非対称面には、アナモルフィ
ック面、トリーック面、自由曲面がある。アナモルフィ
ック面の面形状は以下の式（ａ）で表される。ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＣＸはＸ軸方向曲率、ＣＹはＹ軸方向曲率、Ｋ_xは
Ｘ軸方向円錐係数、Ｋ_yはＹ軸方向円錐係数、Ｒ_nは非
球面項回転対称成分、Ｐ_nは非球面項回転非対称成分で
ある。

【００２４】トリーック面の面形状は以下の式（ｂ）で
表される。Ｚ＝−Ｓｉｇｎ（Ｒｘ）・｛（Ｒｘ−Ｇ（ｙ））²−ｘ²｝^1/2＋Ｒｘ・・・（ｂ）ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＲｘはＸ軸方向曲率半径、Ｓｉｇｎ（Ｒｘ）はＸ軸
方向曲率半径の符号、Ｇ（ｙ）は、であり、ここで、ＣＹはＹ軸方向曲率、ａｋは円錐係
数、ａｃ（ｎ）は非球面係数である。

【００２５】自由曲面の面形状は以下の式（ｃ）で表さ
れる。Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ｙ＋Ｃ₄ｘ＋Ｃ₅ｙ²＋Ｃ₆ｙｘ＋Ｃ₇ｘ² ＋Ｃ₈ｙ³＋Ｃ₉ｙ²ｘ＋Ｃ₁₀ｙｘ²＋Ｃ₁₁ｘ³ ＋Ｃ₁₂ｙ⁴＋Ｃ₁₃ｙ³ｘ＋Ｃ₁₄ｙ²ｘ²＋Ｃ₁₅ｙｘ³＋Ｃ₁₆ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇ｙ⁵＋Ｃ₁₈ｙ⁴ｘ＋Ｃ₁₉ｙ³ｘ²＋Ｃ₂₀ｙ²ｘ³＋Ｃ₂₁ｙｘ⁴ ＋Ｃ₂₂ｘ⁵ ＋Ｃ₂₃ｙ⁶＋Ｃ₂₄ｙ⁵ｘ＋Ｃ₂₅ｙ⁴ｘ²＋Ｃ₂₆ｙ³ｘ³＋Ｃ₂₇ｙ²ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈ｙｘ⁵＋Ｃ₂₉ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀ｙ⁷＋Ｃ₃₁ｙ⁶ｘ＋Ｃ₃₂ｙ⁵ｘ²＋Ｃ₃₃ｙ⁴ｘ³＋Ｃ₃₄ｙ³ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅ｙ²ｘ⁵＋Ｃ₃₆ｙｘ⁶＋Ｃ₃₇ｘ⁷ ・・・・・・・・（ｃ）ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、Ｃ_m（ｍは２以上の整数）は係数である。

【００２６】また、本発明の偏心プリズム光学系におい
ては、偏心した回転非対称面形状を有する反射作用面の
少なくとも１面は、対称面を１つのみ有する面対称自由
曲面を使用することが望ましい。上記式（ｃ）で表され
る自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対
称面を持つことはないが、本発明ではｘの奇数次項を全
て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面（図１（ａ）の面）
と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例
えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ₄，Ｃ₆，
Ｃ₉，Ｃ₁₁，Ｃ₁₃，Ｃ₁₅，Ｃ₁₈，Ｃ₂₀，Ｃ₂₂，Ｃ₂₄，Ｃ
₂₆，Ｃ₂₈，Ｃ₃₁，Ｃ₃₃，Ｃ₃₅，Ｃ₃₇，・・・の各項の係
数を０にすることによって可能である。

【００２７】また、ｙの奇数次項を全て０にすることに
よって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自
由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、
Ｃ₃，Ｃ₆，Ｃ₈，Ｃ₁₀，Ｃ₁₃，Ｃ₁₅，Ｃ₁₇，Ｃ₁₉，Ｃ
₂₁，Ｃ₂₄，Ｃ₂₆，Ｃ₂₈，Ｃ₃₀，Ｃ₃₂，Ｃ₃₄，Ｃ₃₆，・・
・の各項の係数を０にすることによって可能であり、ま
た、以上のような対称面を持つことにより製作性を向上
することが可能となる。

【００２８】上記Ｙ−Ｚ面と平行な対称面、Ｘ−Ｚ面と
平行な対称面の何れか一方を対称面とすることにより、
偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正す
ることが可能となる。上記定義式は、１つの例として示
したものであり、他のいかなる定義式に対しても同じ効
果が得られることは言うまでもない。

【００２９】また、一般に、偏心した回転非対称反射面
を有する偏心プリズム光学系は研磨により製作すること
は難しく、研削により１面ずつ形成するか、プラスチッ
クの射出成形又はガラスモールド成形により作製するこ
とになる。このとき、偏心プリズム光学系の面が所定の
形状に作製されているかどうかを確認する必要がある。
このような３次元の回転非対称な形状の測定には、一般
的に３次元座標測定器が使用されるが、測定時間がかか
りすぎてしまう。

【００３０】そこで、偏心プリズム光学系を構成する面
の中、少なくとも１面を球面又は回転対称非球面からな
る回転対称面で構成することがより望ましい。後記の実
施例１においは、第１面３を回転対称非球面形状に構成
している。

【００３１】さて、図１のように反射面を２面以上有す
る偏心プリズム光学系において、瞳側から数えた逆光線
追跡で、１番目の反射面（第２面４）を第１反射面、２
番目の反射面（第１面３）を第２反射面とするとき、第
２反射面に回転対称面を用いた場合、第１反射面のＸ方
向のパワーＰｘ２とＹ方向のパワーＰｙ２の比の絶対値
｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜が次の条件（２）を満たすことが望
ましい。

【００３２】０．１＜｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜＜４・・・（２）上記（２）式の上限の４を越えると、Ｙ方向のパワーが
強くなりすぎ、この面で発生するＹ方向の光線の焦点位
置が偏心プリズム光学系に近くなる非点収差が大きく発
生し、これを他の面で補正することは不可能になる。そ
の下限の０．１を越えると、Ｙ方向のパワーが弱くなり
すぎるため、この面で発生するＹ方向の光線の焦点位置
が偏心プリズム光学系から遠くなる非点収差が大きくな
り、これを他の面で補正することが困難になる。

【００３３】さらに好ましくは、０．５＜｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜＜１．５・・・（２）’ なる条件を満たすことが望ましい。

【００３４】また、第２反射面に回転非対称面を用いた
場合、第１反射面のＸ方向のパワーＰｘ２とＹ方向のパ
ワーＰｙ２の比の絶対値｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜と、第２反
射面のＸ方向のパワーＰｘ３とＹ方向のパワーＰｙ３の
比の絶対値｜Ｐｙ３／Ｐｘ３｜が次の条件を満たすこと
が望ましい。

【００３５】０．１＜｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜＜４・・・（３）０．１＜｜Ｐｙ３／Ｐｘ３｜＜４・・・（４）上記（３）、（４）式の上限の４を越えると、Ｙ方向の
パワーが強くなりすぎ、これらの面で発生するＹ方向の
光線の焦点位置が偏心プリズム光学系に近くなる非点収
差が大きく発生し、これを他の面で補正することは不可
能になる。上記（３）、（４）式の下限の０．１を越え
ると、Ｙ方向のパワーが弱くなりすぎるため、これらの
面で発生するＹ方向の光線の焦点位置が偏心プリズム光
学系から遠くなる非点収差が大きくなり、これを他の面
で補正することが困難になる。

【００３６】さらに好ましくは、０．１＜｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜＜１・・・（３）’ ０．１＜｜Ｐｙ３／Ｐｘ３｜＜１・・・（４）’ なる条件を満たすことが望ましい。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の画像表示装置の
実施例１、２について説明する。実施例１、２の断面図
をそれぞれ図１、図２に示す。各図において、（ａ）は
光軸を含むＹ−Ｚ断面を、（ｂ）はＸ−Ｚ断面を示す。
後述するこれらの実施例の構成パラメータにおいては、
これらの図に示すように、偏心プリズム光学系７の瞳１
の中心を光学系の原点として、光軸２を遠方の物体中心
から瞳１の中心（原点）を通る光線で定義し、瞳１から
光学系７の第１面３に向かう方向をＺ軸方向、このＺ軸
に直交し瞳１中心を通り、光線が光学系７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、瞳１中心を通る方向をＸ軸方向とし、瞳１から光学
系７に向かう方向をＺ軸の正方向、光軸２から像面６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、光学系７の瞳１側の物体側から光学系７に入射する
逆光線追跡としている。

【００３８】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光学系７の原点である瞳１の中
心からのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量（それ
ぞれｘ、ｙ、ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面につい
ては、（ａ）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。

【００３９】自由曲面の定義式は前記（ｃ）式で与えら
れるが、面対称自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎ
ｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式（ｄ）に
より定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項
式の軸となる。Ｘ＝Ｒ×cos(A) Ｙ＝Ｒ×sin(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃Ｒcos(A)＋Ｄ₄Ｒsin(A) ＋Ｄ₅Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆（Ｒ²−１）＋Ｄ₇Ｒ² sin(2A) ＋Ｄ₈Ｒ³cos(3A) ＋Ｄ₉（３Ｒ³−２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³−２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³sin(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴−３Ｒ²）cos(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴−６Ｒ²＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴−３Ｒ²）sin(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵cos(5A) ＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵ −４Ｒ³）cos(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³ ＋３Ｒ）sin(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵ −４Ｒ³）sin(3A) ＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ sin(5A) ＋Ｄ₂₃Ｒ⁶cos(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶−５Ｒ⁴）cos(4A) ＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶−２０Ｒ⁴＋６Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶−３０Ｒ⁴＋１２Ｒ²−１）＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶−２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ²）sin(2A) ＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶−５Ｒ⁴）sin(4A) ＋Ｄ₂₉Ｒ⁶sin(6A)・・・・・・・・（ｄ）なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。た
だし、Ｄ_m（ｍは２以上の整数）は係数である。

【００４０】本発明において使用可能なその他の面の表
現例として、（ｃ）式と同様、Ｘ方向に対称な面で、ｋ
＝７とした面を表す場合、以下の（ｅ）式のように展開
することもできる。

【００４１】Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃Ｙ＋Ｃ₄｜Ｘ｜＋Ｃ₅Ｙ²＋Ｃ₆Ｙ｜Ｘ｜＋Ｃ₇Ｘ² ＋Ｃ₈Ｙ³＋Ｃ₉Ｙ²｜Ｘ｜＋Ｃ₁₀ＹＸ²＋Ｃ₁₁｜Ｘ³｜＋Ｃ₁₂Ｙ⁴＋Ｃ₁₃Ｙ³｜Ｘ｜＋Ｃ₁₄Ｙ²Ｘ²＋Ｃ₁₅Ｙ｜Ｘ³｜＋Ｃ₁₆Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇Ｙ⁵＋Ｃ₁₈Ｙ⁴｜Ｘ｜＋Ｃ₁₉Ｙ³Ｘ²＋Ｃ₂₀Ｙ²｜Ｘ³｜＋Ｃ₂₁ＹＸ⁴＋Ｃ₂₂｜Ｘ⁵｜＋Ｃ₂₃Ｙ⁶＋Ｃ₂₄Ｙ⁵｜Ｘ｜＋Ｃ₂₅Ｙ⁴Ｘ²＋Ｃ₂₆Ｙ³｜Ｘ³｜＋Ｃ₂₇Ｙ²Ｘ⁴＋Ｃ₂₈Ｙ｜Ｘ⁵｜＋Ｃ₂₉Ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀Ｙ⁷＋Ｃ₃₁Ｙ⁶｜Ｘ｜＋Ｃ₃₂Ｙ⁵Ｘ²＋Ｃ₃₃Ｙ⁴｜Ｘ³｜＋Ｃ₃₄Ｙ³Ｘ⁴＋Ｃ₃₅Ｙ²｜Ｘ⁵｜＋Ｃ₃₆ＹＸ⁶＋Ｃ₃₇｜Ｘ⁷｜・・・（ｅ）また、回転対称非球面の定義式は次の（ｆ）式で与えら
れる。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。Ｚ＝（ｙ²／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｙ²／Ｒ²｝^1/2］ａｙ⁴＋ｂｙ⁶＋ｃｙ⁸＋ｄｙ¹⁰＋・・・・・・（ｆ）ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ｙはＺに垂直な方向の距離、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次の非球面係数である。

【００４２】なお、以下に示す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。

【００４３】本発明の実施例１、２の画像表示装置は、
それぞれ図１、図２に示すように、画像表示装置の接眼
光学系を構成する偏心プリズム光学系７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、逆光線追
跡において、不図示の物体から発した光線束が光軸２に
沿って光学系７の瞳１をまず通過し、透過作用と反射作
用を有する第１面３に入射して光学系７内に入り、その
入射光線は瞳１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４で瞳１に近づく方向に反射され、今度
は第１面３で瞳１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３面５を透過し
て像面６に到達し、結像する。実際には、像面６の位置
に画像表示素子が配置され、上記と反対の順に光線が進
み、瞳１位置にある観察者の瞳を通して観察者の眼球内
に画像表示素子６の表示像が拡大投影される。

【００４４】実施例１においては、第１面３は瞳１側に
凹面を向けて偏心した前記の（ｆ）式で定義される回転
対称非球面、第２面４は瞳１側に凹面を向けて偏心した
前記の（ｃ）式で定義される自由曲面からなり、第３面
５も前記の（ｃ）式で定義される自由曲面からなる。ま
た、画像表示素子６の画面寸法は、水平方向が１４．４
ｍｍ、垂直方向が８．３ｍｍであり、水平画角３５°、
垂直画角２６．６°、瞳径４ｍｍである。

【００４５】実施例２においては、第１面３は偏心した
前記の（ｃ）式で定義される自由球面、第２面４は瞳１
側に凹面を向けて偏心した前記の（ｃ）式で定義される
自由曲面からなり、第３面５も前記の（ｃ）式で定義さ
れる自由曲面からなる。また、画像表示素子６の画面寸
法は、水平方向が１４．４ｍｍ、垂直方向が８．３ｍｍ
であり、水平画角３５°、垂直画角２６．６°、瞳径４
ｍｍである。以下に、上記実施例１、２の構成パラメー
タを示す。

【００４６】実施例１面番号面形状曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 （瞳面） ∞ 2 回転対称非球面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面[1] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 回転対称非球面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 5 自由曲面[2] 偏心(3) 像面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] Ｃ₅ -1.0057×10^-2 Ｃ₇ -9.7298×10^-3 Ｃ₈ 4.9125×10^-5 Ｃ₁₀ 1.9565×10^-5 Ｃ₁₂ 1.6240×10^-6 Ｃ₁₄ -2.7913×10^-6 Ｃ₁₆ -1.6326×10^-6 Ｃ₁₇ 1.0651×10^-7 Ｃ₁₉ 1.1768×10^-7 Ｃ₂₁ 2.5207×10^-8 自由曲面[2] Ｃ₅ -4.1118×10^-2 Ｃ₇ 7.1840×10^-3 回転対称非球面[1] R -131.28 k 0. a -7.5909×10^-7 b -9.8672×10^-10 c 6.5038×10^-12 d -7.6508×10^-15 偏心(1) ｘ 0.00 ｙ 6.83 ｚ 27.93 α 19.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) ｘ 0.00 ｙ 0.82 ｚ 38.51 α -12.06 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) ｘ 0.00 ｙ 17.57 ｚ 32.34 α 68.89 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) ｘ 0.00 ｙ 21.81 ｚ 34.14 α 63.01 β 0.00 γ 0.00 ｆｙ／ｆｘ＝ 0.768531 Ｐｙ２／Ｐｘ２＝ 1.03352 。

【００４７】実施例２面番号面形状曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.00 1 （瞳面） ∞ 2 自由曲面[1] 偏心(1) 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 5 自由曲面[3] 偏心(3) 1.5254 56.2 像面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] Ｃ₅ 2.1880×10^-3 Ｃ₇ -4.9617×10^-3 Ｃ₈ -7.5862×10^-5 Ｃ₁₀ -6.5631×10^-5 Ｃ₁₂ -1.4470×10^-6 Ｃ₁₄ 3.4252×10^-6 Ｃ₁₆ 1.6254×10^-6 Ｃ₁₇ -4.2434×10^-8 Ｃ₁₉ 7.2914×10^-8 Ｃ₂₁ 6.6403×10^-8 自由曲面[2] Ｃ₅ -5.1650×10^-3 Ｃ₇ -1.0005×10^-2 Ｃ₈ -7.6376×10^-5 Ｃ₁₀ -8.9825×10^-6 Ｃ₁₂ 5.9080×10^-6 Ｃ₁₄ 2.1434×10^-6 Ｃ₁₆ -9.3569×10^-7 Ｃ₁₇ -7.2994×10^-8 Ｃ₁₉ -8.4614×10^-8 Ｃ₂₁ -9.4008×10^-9 自由曲面[3] Ｃ₅ -2.8569×10^-2 Ｃ₇ 3.6733×10^-3 Ｃ₁₀ -1.2982×10^-4 Ｃ₁₂ 4.8821×10^-5 Ｃ₁₄ 6.4196×10^-6 Ｃ₁₆ -2.2278×10^-6 Ｃ₁₉ 1.2218×10^-6 Ｃ₂₁ 5.7026×10^-7 偏心(1) ｘ 0.00 ｙ 8.90 ｚ 27.54 α 11.20 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) ｘ 0.00 ｙ 0.78 ｚ３８．４３ α −１５．８４ β 0.00 γ 0.00 偏心(3) ｘ 0.00 ｙ 20.05 ｚ 34.21 α 66.45 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) ｘ 0.00 ｙ 22.95 ｚ 36.23 α 48.09 β 0.00 γ 0.00 ｆｙ／ｆｘ＝ 0.768535 Ｐｙ２／Ｐｘ２＝ 0.51613 Ｐｙ３／Ｐｘ３＝-0.44103 。

【００４８】上記実施例１の各画角に対する横収差状況
を図３〜図５に、歪曲収差の状況を図９に示す。また、
実施例２の同様の横収差状況を図６〜図８に、歪曲収差
の状況を図１０に示す。横収差を表す図において、括弧
内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角，垂直（Ｙ方
向）画角）を表し、その画角における横収差図を示す。

【００４９】なお、以上の説明においては、偏心プリズ
ム光学系７としては、図１に示すように、第１面３、第
２面４、第３面５の３つの光学作用面からなり、画像表
示素子６から発した光線束は、第３面５で屈折して偏心
プリズム光学系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光学系を前提にし
てきたが、本発明はこのような偏心プリズム光学系７に
限定されず、図１１に例示するように、４つ以上の光学
作用面からなる偏心プリズム光学系７にも適用できる。
図１１の場合は、偏心プリズム光学系７は第１面３、第
２面４、第３面５、第４面９の４つの光学作用面からな
り、画像表示素子６から発した光線束は、第３面５で屈
折して偏心プリズム光学系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。

【００５０】また、本発明の画像表示装置においては、
接眼光学系として偏心プリズム光学系７以外の光学素子
を含むものであってもよい。図１２にその例を示す。図
１２（ａ）は、偏心プリズム光学系７の第１面３と観察
者眼球との間に視野角（画角）拡大レンズ１１が配置さ
れている例を示す図であり、観察画像の画角を拡大する
作用に加えて、偏心プリズム光学系７の第１面３のカバ
ーガラスとしての作用を有している。また、図１２
（ｂ）は、偏心プリズム光学系７の第３面５と画像表示
素子であるＬＣＤ６との間にフィールドレンズ１２を配
置してＬＣＤ６の明るい画像を観察できるようにした例
を示している。図１２においては、画像表示素子として
ＬＣＤ６を用いており、その照明のためにバックライト
１０が設けられている。なお、ＬＣＤ６として反射型の
ものを用いる場合は、照明光源はＬＣＤ６の前側に配置
される。

【００５１】さて、以上に説明したような画像表示装置
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。

【００５２】図１３に観察者の一方の眼に対する画像表
示装置本体の配置を、図１４に片眼に装着する構成にし
た場合の様子を（この場合は、左眼に装着）、図１５に
両眼に装着する構成にした場合の様子をそれぞれ示す。
図１３〜図１５中、３１は表示装置本体部を示し、図１
４の場合は観察者の顔面の左眼の前方に、図１５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
１４の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム３
３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１５の場合）構成されている。

【００５３】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９の場合）。リヤプレート３５又は
リヤカバー３６内に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。

【００５４】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９の場合）、後フレーム３３、前フレーム３
２、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。

【００５５】なお、ケーブル４１は先端をジャックし
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。

【００５６】以上の本発明の画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〕画像表示素子と、前記画像表示素子により形成
された画像を虚像として観察できるように観察者眼球位
置に中間像を形成することなしに導く偏心プリズム光学
系を含む接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記偏心プリズム光学系は、前記画像表示素子から射出
した光を反射及び透過の少なくとも一方の作用を有する
少なくとも３つの面が互いに偏心して配置され、その少
なくとも３つの面の間が屈折率が１．３以上の透明媒質
で埋められてなり、光学系内部で少なくとも２回の内部
反射を行うように、前記の少なくとも３つの面の中の少
なくとも２つの面が反射作用を有する面で形成されてお
り、前記の少なくとも３つの面の中の１つの面は前記画
像表示素子からの光を光学系内に入射させる入射面であ
り、もう１つの面は前記画像表示素子からの光を光学系
から射出させ射出瞳位置の観察者眼球内に投影する射出
面であり、前記画像表示素子は、２次元的に配置された
複数の画素を有する２次元画像表示画面を備えると共
に、前記２次元画像表示画面の縦方向に表示される画像
を横方向に表示される画像に比べて圧縮した形で表示す
るように構成され、前記偏心プリズム光学系は、前記２
次元画像表示画面の縦方向に対応する方向を横方向に対
応する方向に比べて伸長するように構成されていること
を特徴とする画像表示装置。

【００５７】〔２〕上記〔１〕において、前記画像表
示素子の２次元画像表示画面が前記偏心プリズム光学系
の入射面に対向して配置されていることを特徴とする画
像表示装置。

【００５８】〔３〕上記〔１〕又は〔２〕において、
前記偏心プリズム光学系の前記２次元画像表示画面の横
方向に対応する方向に対する縦方向に対応する方向の伸
長率が、前記２次元画像表示画面の画像の横方向に対す
る縦方向の圧縮率の逆数と略等しくなるように構成され
ていることを特徴とする画像表示装置。

【００５９】〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか１
項において、前記射出瞳中心を通過し前記画像表示素子
の画面の中心に達する光線を軸上主光線とし、前記偏心
プリズム光学系の第１面に交差するまでの直線によって
定義される光軸をＺ軸、そのＺ軸と直交しかつ前記偏心
プリズム光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸、
Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、前
記偏心プリズム光学系全系の軸上主光線に対するＹ−Ｚ
面内での合成焦点距離をｆｙ、Ｙ−Ｚ面に直交する面内
での合成焦点距離をｆｘとするとき、０．１＜ｆｙ／ｆｘ＜０．８・・・（１）を満たすことを特徴とする画像表示装置。

【００６０】〔５〕上記〔１〕から〔４〕の何れか１
項において、前記射出瞳側から数えた逆光線追跡で、１
番目の反射面を第１反射面、２番目の反射面を第２反射
面とするとき、前記第２反射面は回転対称面形状を有
し、前記射出瞳中心を通過し前記画像表示素子の画面の
中心に達する光線を軸上主光線とし、前記偏心プリズム
光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義され
る光軸をＺ軸、そのＺ軸と直交しかつ前記偏心プリズム
光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸、Ｚ軸と直
交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、前記第１反
射面の軸上主光線に対するＹ−Ｚ面内でのパワーＰｙ２
とし、Ｙ−Ｚ面に直交する面内でのパワーＰｘ２とする
とき、０．１＜｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜＜４・・・（２）を満たすことを特徴とする画像表示装置。

【００６１】〔６〕上記〔１〕から〔４〕の何れか１
項において、前記射出瞳側から数えた逆光線追跡で、１
番目の反射面を第１反射面、２番目の反射面を第２反射
面とするとき、前記第２反射面は回転非対称面形状を有
し、前記射出瞳中心を通過し前記画像表示素子の画面の
中心に達する光線を軸上主光線とし、前記偏心プリズム
光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義され
る光軸をＺ軸、そのＺ軸と直交しかつ前記偏心プリズム
光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸、Ｚ軸と直
交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義し、前記第１反
射面の軸上主光線に対するＹ−Ｚ面内でのパワーＰｙ２
とし、Ｙ−Ｚ面に直交する面内でのパワーＰｘ２とし、
前記第２反射面の軸上主光線に対するＹ−Ｚ面内でのパ
ワーＰｙ３とし、Ｙ−Ｚ面に直交する面内でのパワーＰ
ｘ３とするとき、０．１＜｜Ｐｙ２／Ｐｘ２｜＜４・・・（３）０．１＜｜Ｐｙ３／Ｐｘ３｜＜４・・・（４）を満たすことを特徴とする画像表示装置。

【００６２】〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか１
項において、前記偏心プリズム光学系は、第１面、第２
面、第３面の３つの光学作用面を有し、前記２次元画像
表示画面からの光束を前記第３面から入射させ、入射し
た光束を前記偏心プリズム光学系内部を通過させて前記
第１面で反射させ、反射した光束を前記第２面で反射さ
せ、反射した光束を前記第１面から射出させるように構
成されていることを特徴とする画像表示装置。

【００６３】〔８〕上記〔７〕において、前記偏心プ
リズム光学系は、前記第３面から入射した光束が前記偏
心プリズム光学系内部を通過して前記第１面に到る光路
中に、反射作用を有する第４面を備えていることを特徴
とする画像表示装置。

【００６４】

〔９〕上記〔８〕において、前記偏心プ
リズム光学系は、前記第２面は前記第１面に対して前記
射出瞳と反対側に配置されていると共に、前記第４面
が、前記第２面に対して観察者視軸からより遠い位置
で、前記第３面に対して媒質を挟む位置に配置されてい
ることを特徴とする画像表示装置。

【００６５】〔１０〕上記〔７〕において、前記偏心
プリズム光学系は、前記第３面が、前記２次元画像表示
画面からの光束を前記第１面に向けて入射させるように
媒質を挟んで前記第１面と対向するように配置され、か
つ、前記第２面が、前記第１面で反射された光束を再び
前記第１面に向けて折り返すように反射させるように媒
質を挟んで前記第１面と対向する位置に配置されている
ことを特徴とする画像表示装置。

【００６６】〔１１〕上記〔７〕から〔１０〕の何れ
か１項において、前記偏心プリズム光学系の前記第１面
が回転対称面形状を有することを特徴とする画像表示装
置。

【００６７】〔１２〕上記〔７〕から〔１０〕の何れ
か１項において、前記偏心プリズム光学系の前記第１面
が偏心収差補正作用を持った回転非対称面形状を有する
ことを特徴とする画像表示装置。

【００６８】〔１３〕上記〔７〕から〔１２〕の何れ
か１項において、前記射出瞳中心を通過し前記画像表示
素子の画面の中心に達する光線を軸上主光線とし、前記
偏心プリズム光学系の第１面に交差するまでの直線によ
って定義される光軸をＺ軸、そのＺ軸と直交しかつ前記
偏心プリズム光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ
軸、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直交する軸をＸ軸と定義
し、前記第２面が、Ｙ−Ｚ面内でのパワーとＹ−Ｚ面に
直交する面内でのパワーとが異なる回転非対称面形状を
有することを特徴とする画像表示装置。

【００６９】〔１４〕上記〔１３〕において、前記第
２面の回転非対称面形状が、対称面を１つのみ有する面
対称自由曲面からなることを特徴とする画像表示装置。

【００７０】〔１５〕上記〔７〕から〔１４〕の何れ
か１項において、前記接眼光学系は、前記偏心プリズム
光学系の前記第１面よりも前記射出瞳側に瞳側光学部材
を備えていることを特徴とする画像表示装置。

【００７１】〔１６〕上記〔１５〕において、前記瞳
側光学部材は画角拡大作用を有するレンズを含むことを
特徴とする画像表示装置。

【００７２】〔１７〕上記〔７〕から〔１４〕の何れ
か１項において、前記接眼光学系は、前記偏心プリズム
光学系の前記第３面よりも前記画像表示素子側に表示側
光学部材を備えていることを特徴とする画像表示装置。

【００７３】〔１８〕上記〔１５〕において、前記表
示側光学部材はフィールドレンズからなることを特徴と
する画像表示装置。

【００７４】〔１９〕上記〔１〕から〔１８〕の何れ
か１項において、前記画像表示素子と前記接眼光学系と
を含む本体部と、前記本体部を観察者顔面に装着する支
持部材とを備えたことを特徴とする頭部装着式画像表示
装置。

【００７５】

【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、接眼光学系が偏心した少なくとも２つの反射
面を含む３つ以上の面からなる偏心プリズム光学系から
なり、画像表示素子は一方向に圧縮した画像を表示し、
偏心プリズム光学系は画面をその方向に伸長するように
構成されているので、偏心収差補正により高い光学性能
を有しながらより小型・軽量でしかも高い光学性能を有
する明るい画像表示装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の画像表示装置の断面図であ
る。

【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の断面図であ
る。

【図３】本発明の実施例１の一部の横収差状況を示す図
である。

【図４】本発明の実施例１の他の一部の横収差状況を示
す図である。

【図５】本発明の実施例１の他の一部の横収差状況を示
す図である。

【図６】本発明の実施例２の一部の横収差状況を示す図
である。

【図７】本発明の実施例２の他の一部の横収差状況を示
す図である。

【図８】本発明の実施例２の他の一部の横収差状況を示
す図である。

【図９】本発明の実施例１の歪曲収差状況を示す図であ
る。

【図１０】本発明の実施例２の歪曲収差状況を示す図で
ある。

【図１１】本発明が適用可能な他の偏心プリズム光学系
を例示する図である。

【図１２】本発明の接眼光学系として偏心プリズム光学
系以外の光学素子を含む例を示す図ある。

【図１３】本発明による頭部装着型画像表示装置の観察
者の一方の眼に対する配置を示す図である。

【図１４】本発明による頭部装着型画像表示装置を片眼
に装着する構成にした場合の様子を示す図である。

【図１５】本発明による頭部装着型画像表示装置を両眼
に装着する構成にした場合の様子を示す図である。

【図１６】偏心配置の凹面鏡により発生する像面湾曲を
説明するための図である。

【図１７】偏心配置の凹面鏡により発生する非点収差を
説明するための図である。

【図１８】偏心配置の凹面鏡により発生する軸上コマ収
差を説明するための図である。

【符号の説明】

１…射出瞳２…光軸３…第１面４…第２面５…第３面６…画像表示素子７…偏心プリズム光学系８…主光線９…第４面１０…バックライト１１…視野角拡大レンズ１２…フィールドレンズ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Ｍ…凹面鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像表示素子と、前記画像表示素子によ
り形成された画像を虚像として観察できるように観察者
眼球位置に中間像を形成することなしに導く偏心プリズ
ム光学系を含む接眼光学系とを有する画像表示装置にお
いて、前記偏心プリズム光学系は、前記画像表示素子から射出
した光を反射及び透過の少なくとも一方の作用を有する
少なくとも３つの面が互いに偏心して配置され、その少
なくとも３つの面の間が屈折率が１．３以上の透明媒質
で埋められてなり、光学系内部で少なくとも２回の内部
反射を行うように、前記の少なくとも３つの面の中の少
なくとも２つの面が反射作用を有する面で形成されてお
り、前記の少なくとも３つの面の中の１つの面は前記画像表
示素子からの光を光学系内に入射させる入射面であり、
もう１つの面は前記画像表示素子からの光を光学系から
射出させ射出瞳位置の観察者眼球内に投影する射出面で
あり、前記画像表示素子は、２次元的に配置された複数の画素
を有する２次元画像表示画面を備えると共に、前記２次
元画像表示画面の縦方向に表示される画像を横方向に表
示される画像に比べて圧縮した形で表示するように構成
され、前記偏心プリズム光学系は、前記２次元画像表示画面の
縦方向に対応する方向を横方向に対応する方向に比べて
伸長するように構成されていることを特徴とする画像表
示装置。
【請求項２】請求項１において、前記偏心プリズム光
学系の前記２次元画像表示画面の横方向に対応する方向
に対する縦方向に対応する方向の伸長率が、前記２次元
画像表示画面の画像の横方向に対する縦方向の圧縮率の
逆数と略等しくなるように構成されていることを特徴と
する画像表示装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記射出瞳中
心を通過し前記画像表示素子の画面の中心に達する光線
を軸上主光線とし、前記偏心プリズム光学系の第１面に
交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸、そ
のＺ軸と直交しかつ前記偏心プリズム光学系を構成する
各面の偏心面内の軸をＹ軸、Ｚ軸と直交しかつＹ軸と直
交する軸をＸ軸と定義し、前記偏心プリズム光学系全系
の軸上主光線に対するＹ−Ｚ面内での合成焦点距離をｆ
ｙ、Ｙ−Ｚ面に直交する面内での合成焦点距離をｆｘと
するとき、０．１＜ｆｙ／ｆｘ＜０．８・・・（１）を満たすことを特徴とする画像表示装置。