JPH1138352A - Image display device - Google Patents

Image display device

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Publication number
JPH1138352A
JPH1138352A JP19263497A JP19263497A JPH1138352A JP H1138352 A JPH1138352 A JP H1138352A JP 19263497 A JP19263497 A JP 19263497A JP 19263497 A JP19263497 A JP 19263497A JP H1138352 A JPH1138352 A JP H1138352A
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JP
Japan
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optical system
axis
image display
image
plane
Prior art date
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Application number
JP19263497A
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Japanese (ja)
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JPH1138352A5 (en
Inventor
Kazuhito Hayakawa
早川和仁
Kokichi Kenno
研野孝吉
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1138352A publication Critical patent/JPH1138352A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized image display device which affords a clear observation image with less distortion also at a wide viewing angle and which is especially suitable to a head-mount type or face mask type image display device. SOLUTION: The device is constituted of an image display element 6 and an eyepiece optical system for guiding an image formed by the image display element 6 to an observer's eye ball position 1 without forming an intermediate image so that the image may be observed as a virtual image. In this case, the eyepiece optical system is constituted of an eccentric prism optical system constituted of three faces 3 to 5 including two eccentric reflection faces, and at least one of the reflection faces is constituted of a rotation asymmetrical free-curved face provided with one symmetrical face, and also, the eyepiece optical system is constituted so that a chief ray 8 emitted from each point of the image display screen of the image display element 6 may be diverged and made incident on the eccentric prism optical system 7, so that the small- sized, light-weight image display device whose viewing angle is wide and which is provided with a high optical performance is obtained by introducing the aberration correction by eccentricity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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
にする頭部又は顔面装着型画像表示装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display device, and more particularly to a head or face-mounted image display device capable of being held on the head or face of an observer.

【0002】[0002]

【従来の技術】頭部又は顔面装着型画像表示装置の従来
の周知なものとして、特開平3ー101709号のもの
がある。この画像表示装置は、画像表示素子の表示画像
を正レンズよりなるリレー光学系にて空中像として伝達
し、凹面反射鏡からなる接眼光学系でこの空中像を拡大
して観察者の眼球内に投影するものである。
2. Description of the Related Art Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-101709 discloses a conventional head or face-mounted image display apparatus. This image display device transmits a display image of an image display element as an aerial image by a relay optical system composed of a positive lens, and enlarges this aerial image by an eyepiece optical system composed of a concave reflecting mirror to enter an observer's eyeball. It is to project.

【0003】また、従来の他のタイプのものとして、米
国特許第4,669,810号のものがある。この装置
は、CRTの画像をリレー光学系を介して中間像を形成
し、反射ホログラフィック素子とホログラム面を有する
コンバイナによって観察者の眼に投影するものである。
Another conventional type is disclosed in US Pat. No. 4,669,810. This apparatus forms an intermediate image from a CRT image via a relay optical system, and projects the intermediate image on an observer's eye by a combiner having a reflective holographic element and a hologram surface.

【0004】また、従来の他のタイプの画像表示装置と
して、特開昭62ー214782号のものがある。この
装置は、画像表示素子を接眼レンズで拡大して直接観察
できるようにしたものである。
Another conventional image display device is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-214782. In this device, an image display element is magnified by an eyepiece so that it can be directly observed.

【0005】さらに、従来の他のタイプの画像表示装置
として、米国特許第4,026,641号のものがあ
る。この装置は、画像表示素子の像を伝達素子で湾曲し
た物体面に伝達し、その物体面をトーリック反射面で空
中に投影するようにしたものである。
Further, another conventional image display device is disclosed in US Pat. No. 4,026,641. In this device, an image of an image display device is transmitted to a curved object surface by a transmission device, and the object surface is projected onto the air by a toric reflection surface.

【0006】また、従来の他のタイプの画像表示素子と
して、米国再発行特許第27,356号のものがある。
この装置は、半透過凹面鏡と半透過平面鏡によって物体
面を射出瞳に投影する接眼光学系である。
Another conventional image display device is disclosed in US Pat. No. Re. 27,356.
This apparatus is an eyepiece optical system that projects an object plane onto an exit pupil by using a transflective concave mirror and a transflective plane mirror.

【0007】その他、米国特許第4,322,135
号、米国特許第4,969,724号、欧州特許第0,
583,116A2号、特開平7−333551号、特
開平8−313829号等のものも知られている。
In addition, US Pat. No. 4,322,135
No. 4,969,724; European Patent No. 0,724;
Nos. 583 and 116A2, JP-A-7-333551 and JP-A-8-313829 are also known.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来技術では、光学系を構成する反射面と透過面が球面
や回転対称非球面、トーリック面、アナモルフィック面
等で構成されていたために、広い画角において光線収差
とディストーションを同時に良好に補正することは困難
であった。
However, in these prior arts, since the reflecting surface and the transmitting surface constituting the optical system are composed of a spherical surface, a rotationally symmetric aspherical surface, a toric surface, an anamorphic surface and the like, a wide area is required. It has been difficult to satisfactorily correct ray aberration and distortion simultaneously at the angle of view.

【0009】観察画像の収差が良好に補正され、なおか
つ、ディストーションが良好に補正されていないと、観
察者に観察像が歪んで観察されてしまい、左右眼で対称
でない歪みが生じた場合には、融像できなくなったり、
図形等を表示する場合には、その図形等が歪んで観察さ
れ、正しい形状を認識することができなくなってしま
う。
If the aberration of the observed image is corrected well and the distortion is not corrected properly, the observed image is distorted and observed by the observer. , Can not be fused,
When a graphic or the like is displayed, the graphic or the like is distorted and observed, and a correct shape cannot be recognized.

【0010】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、広い画角におい
ても明瞭で、歪みの少ない観察像を与える小型な特に頭
部又は顔面型画像表示装置に適した画像表示装置を提供
することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to provide a small-sized head or face type, which can provide a clear and less distorted observation image even at a wide angle of view. An object of the present invention is to provide an image display device suitable for an image display device.

【0011】[0011]

【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
形成されていると共に、前記の少なくとも2つの反射作
用を有する面によって反射された光線が光学系内部で交
差しないような位置に前記の少なくとも2つの反射作用
を有する面が配置されており、前記反射面の少なくとも
1面の面形状が、その面内及び面外共に回転対称軸を有
せず、しかも、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面
からなり、かつ、 前記画像表示素子の画像表示面の各
点から射出し観察者眼球位置の射出瞳の中心に到る主光
線が発散しながら前記偏心プリズム光学系に入射するよ
うに構成されていることを特徴とするものである。
According to the present invention, there is provided an image display apparatus, comprising: an image display element; and an intermediate image at an observer's eyeball position so that an image formed by the image display element can be observed as a virtual image. And an eyepiece optical system including an eccentric prism optical system that guides without forming an image, wherein the eccentric prism optical system has at least one of reflection and transmission of light emitted from the image display element. At least three surfaces are arranged eccentrically to each other, the space between the at least three surfaces is filled with a transparent medium having a refractive index of 1.3 or more, and internal reflection is performed at least twice inside the optical system. At least two of the at least three surfaces are formed of reflective surfaces, and the at least two reflective surfaces are At least two reflecting surfaces are arranged at positions where the reflected light does not intersect inside the optical system, and at least one of the reflecting surfaces has an in-plane and out-of-plane shape. Neither of them has an axis of rotational symmetry, and it is a plane-symmetric free-form surface having only one plane of symmetry, and exits from each point of the image display surface of the image display element and is the center of the exit pupil at the eyeball position of the observer. , While being incident on the decentered prism optical system while diverging.

【0012】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10の光路図に示すよう
に、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の中心と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。
Hereinafter, the reason and operation of the above-described configuration in the present invention will be described. The basic configuration of the image display device of the present invention is, as shown in the optical path diagram of FIG. 10, an eccentric prism optical system 7 composed of a medium having a refractive index larger than 1 and surrounded by three optical surfaces 3, 4, and 5. Is used as an eyepiece optical system, the exit pupil 1 of the eccentric prism optical system 7 (which coincides with the pupil position of the observer's eyeball) faces the first surface 3 of the eccentric prism optical system 7, and the LCD ( The image display element 6 such as a liquid crystal display element is a third eccentric prism optical system 7.
It is arranged facing the surface 5. Then, in the reverse ray tracing, a ray reaching the center of the screen of the image display element 6 through the decentered prism optical system 7 through the center of the exit pupil 1 is defined as an axial principal ray of the decentered prism optical system 7, and the axial principal ray thereof Is the optical axis 2.

【0013】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。
In this image display device, the display light from the image display element 6 enters the eccentric prism optical system 7 through the third surface 5 of the transmission surface facing the image display element 6, and is incident on the exit pupil 1. Reflected by the total reflection inside the first surface 3,
Next, the light enters the second surface 4 located on the side opposite to the exit pupil 1 side with respect to the first surface 3 and is reflected inside the surface, and the reflected light is now smaller than the critical angle on the first surface 3 Incident at an angle, transmitted through the first surface 3, exits from the eccentric prism optical system 7, enters the observer's pupil at the exit pupil 1 without forming an intermediate image, and is incident on the observer's retina. A display image. Then, at least two reflecting surfaces are eccentric with respect to the optical axis 2.

【0014】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
ており、かつ、その反射面の少なくとも1面は対称面を
1つのみ有する面対称自由曲面形状を有していること
が、面の偏心に基づく収差を補正するために望ましい。
以下、この点を説明する。
Here, any or all of the reflecting surfaces 3 and 4 constituting the eccentric prism optical system 7 are mainly responsible for the positive power for performing the function of the eyepiece optical system of the eccentric prism optical system 7, and the reflection of the positive power is carried out. It is desirable that at least one of the surfaces has a plane-symmetric free-form surface shape having only one plane of symmetry in order to correct aberration based on eccentricity of the surface.
Hereinafter, this point will be described.

【0015】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10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。
First, a coordinate system used in the following description will be described. Note that ray tracing is considered as reverse tracing in which light from a distant object point passes through the exit pupil 1 and forms an image on the screen of the image display element 6 unless otherwise specified.
As shown in FIG. 10, a ray that passes through the center of the exit pupil 1 and reaches the center of the screen of the image display element 6 is defined as an axial principal ray, and is represented by a straight line that intersects the first surface 3 of the eccentric prism optical system 7. An optical axis to be defined is defined as a Z axis, an axis orthogonal to the Z axis and within an eccentric plane of each surface constituting the eyepiece optical system is defined as a Y axis, and an axis orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis. Is the X axis.

【0016】さて、一般に、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。一般に、球
面レンズ系では球面で発生する球面収差とコマ収差、像
面湾曲等の収差を他の面で補正する構成になっている。
そこで、この球面で発生する各種収差自体を少なくする
ために、非球面が用いられる。これは、1つの面で発生
する各種収差の発生を少なくし、収差補正を行う面を少
なくし、全体の構成面数を少なくするためである。
In general, an aspherical surface or the like is used to satisfactorily correct aberrations with a small number of surfaces. In general, a spherical lens system is configured to correct aberrations such as spherical aberration, coma, and field curvature occurring on a spherical surface on other surfaces.
Therefore, an aspherical surface is used to reduce various aberrations generated on the spherical surface. This is to reduce the occurrence of various aberrations generated on one surface, reduce the number of surfaces on which aberration correction is performed, and reduce the total number of constituent surfaces.

【0017】しかし、本発明の画像表示装置に用いる偏
心プリズム光学系7のように偏心して配置されている光
学系においては、従来の回転対称非球面では補正できな
い偏心による収差が発生する。偏心により発生する収差
は、コマ収差、非点収差、像歪み、像面湾曲等がある。
従来のものでは、これらの収差を補正するためにトーリ
ック面やアナモルフィック面等を使用した例はあるが、
偏心により発生する非点収差に重点が置かれ、広画角で
小型であり、かつ、像歪みまで十分な収差補正が行われ
たものはなかった。
However, in an eccentrically arranged optical system such as the eccentric prism optical system 7 used in the image display device of the present invention, an aberration occurs due to eccentricity which cannot be corrected by a conventional rotationally symmetric aspherical surface. Aberrations caused by eccentricity include coma, astigmatism, image distortion, field curvature, and the like.
In the prior art, there is an example in which a toric surface or an anamorphic surface is used to correct these aberrations.
The emphasis has been placed on astigmatism caused by eccentricity, and there has been no one that has a wide angle of view, a small size, and sufficient aberration correction up to image distortion.

【0018】本発明は上記収差を同時にしかも良好に補
正するために、面内及び面外共に回転対称軸を有せず、
しかも、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面を使用
したことを特徴としている。
In order to simultaneously and satisfactorily correct the above-mentioned aberration, the present invention does not have a rotationally symmetric axis both in-plane and out-of-plane.
Moreover, a feature is that a plane-symmetric free-form surface having only one symmetric surface is used.

【0019】ここで、本発明の自由曲面とは、以下の式
で定義されるものである。 Z=C2 +C3 y+C4 x +C5 2 +C6 yx+C7 2 +C8 3 +C9 2 x+C10yx2 +C113 +C124 +C133 x+C142 2 +C15yx3 +C164 +C175 +C184 x+C193 2 +C202 3 +C21yx4 +C225 +C236 +C245 x+C254 2 +C263 3 +C272 4 +C28yx5 +C296 +C307 +C316 x+C325 2 +C334 3 +C343 4 +C352 5 +C36yx6 +C377 ・・・・・ ・・・・(a) ただし、Zは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、Cm (mは2以上の整数)は係数である。
Here, the free-form surface of the present invention is defined by the following equation. Z = C 2 + C 3 y + C 4 x + C 5 y 2 + C 6 yx + C 7 x 2 + C 8 y 3 + C 9 y 2 x + C 10 yx 2 + C 11 x 3 + C 12 y 4 + C 13 y 3 x + C 14 y 2 x 2 + C 15 yx 3 + C 16 x 4 + C 17 y 5 + C 18 y 4 x + C 19 y 3 x 2 + C 20 y 2 x 3 + C 21 yx 4 + C 22 x 5 + C 23 y 6 + C 24 y 5 x + C 25 y 4 x 2 + C 26 y 3 x 3 + C 27 y 2 x 4 + C 28 yx 5 + C 29 x 6 + C 30 y 7 + C 31 y 6 x + C 32 y 5 x 2 + C 33 y 4 x 3 + C 34 y 3 x 4 + C 35 y 2 x 5 + C 36 yx 6 + C 37 x 7 ····· ···· (a) although, Z is the amount of deviation from a plane tangent to the origin of the surface shape, C m (m is an integer of 2 or more) is a factor is there.

【0020】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面に、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面を
使用して、より収差補正効果を向上させている。上記式
(a)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
10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
6 ,C9 ,C11,C13,C15,C18,C20,C22,C
24,C26,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。
In the decentered prism optical system of the present invention,
The aberration correction effect is further improved by using a plane-symmetric free-form surface having only one symmetric surface as at least one of the reflecting surfaces having an eccentric rotationally asymmetric surface shape. The free-form surface represented by the above formula (a) generally includes an XZ plane,
Although neither YZ plane has a plane of symmetry, in the present invention, x
By setting all the odd-order terms to 0, a free-form surface having only one symmetric plane parallel to the YZ plane (the plane in FIG. 10) is obtained. For example, in the above definition formula (a), C 4 ,
C 6, C 9, C 11 , C 13, C 15, C 18, C 20, C 22, C
24 , C 26 , C 28 , C 31 , C 33 , C 35 , C 37 ,...

【0021】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、
3,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。
By setting all odd-order terms of y to 0, a free-form surface having only one symmetry plane parallel to the XZ plane is obtained. For example, in the definition formula (a),
C 3 , C 6 , C 8 , C 10 , C 13 , C 15 , C 17 , C 19 , C
21, C 24, C 26, C 28, C 30, C 32, C 34, C 36, ··
It is possible by setting the coefficient of each term of 0 to 0, and it is possible to improve the manufacturability by having the above-mentioned plane of symmetry.

【0022】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。
By making one of the symmetry plane parallel to the YZ plane and the symmetry plane parallel to the XZ plane a symmetry plane,
It is possible to effectively correct rotationally asymmetric aberrations caused by eccentricity. The above definition formula is shown as one example, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other definition formula.

【0023】このような自由曲面を少なくとも1面の反
射作用を有する反射面として使うことにより、傾いた反
射面、例えば後記する実施例の第2面に、前記のよう
に、偏心方向をY軸、観察者眼球の視線方向をZ軸、Y
軸及びZ軸と直交する軸をX軸とすると、X軸上の任意
の位置のY方向の傾きを任意に与えることができる。こ
れは偏心して配置された凹面鏡で発生する像歪み、特
に、X軸方向の像高により変化し、Y軸方向に発生する
像歪みを補正することができる。つまり、結果として、
水平線が弓なりになって観察される像歪みを良好に補正
することが可能となる。
By using such a free-form surface as at least one reflecting surface having a reflecting action, an inclined eccentric surface, for example, a second surface of an embodiment to be described later, has an eccentric direction of the Y-axis as described above. The direction of the line of sight of the observer's eye is the Z axis,
Assuming that the axis orthogonal to the axis and the Z axis is the X axis, the inclination in the Y direction at any position on the X axis can be arbitrarily given. This can be corrected by the image distortion generated by the concave mirror arranged eccentrically, in particular, the image distortion generated by changing the image height in the X-axis direction and occurring in the Y-axis direction. That is, as a result,
It is possible to satisfactorily correct the image distortion observed when the horizontal line is bowed.

【0024】次に、偏心して配置された凹面鏡により発
生する台形の歪みについて説明する。この像歪みは、観
察者眼球からの逆追跡により説明すると、眼球から射出
したX軸方向に広がりを持った光線は、偏心して配置さ
れた第2面に当たって反射されるが、第2面のY軸正の
方向の光線とY軸負側の光線の光路長の違いによりX軸
方向の広がりが大きく異なってから第2面によって反射
される。このため、Y軸正方向の像の大きさとY軸負方
向の像の大きさが異なって結像され、結果として観察像
が台形の歪みを持ってしまうものである。
Next, the trapezoidal distortion generated by the concave mirror arranged eccentrically will be described. This image distortion will be described with reference to the reverse tracking from the observer's eyeball. Light rays having a spread in the X-axis direction emitted from the eyeball are reflected by the eccentrically arranged second surface, but are reflected by the Y surface of the second surface. Due to the difference in the optical path length between the light beam in the positive axis direction and the light beam in the negative Y axis direction, the light beam is reflected by the second surface after the spread in the X axis direction is greatly different. Therefore, the size of the image in the positive Y-axis direction and the size of the image in the negative Y-axis direction are differently formed, and as a result, the observed image has trapezoidal distortion.

【0025】この歪みに対しても、自由曲面を使うこと
によって補正することが可能となる。これは、自由曲面
が定義式(a)より明らかなように、Y軸の正負によっ
てX軸方向に曲率を任意に変えることが可能なYの奇数
次項とXの偶数次項を持っているためである。
This distortion can be corrected by using a free-form surface. This is because the free-form surface has an odd-order term of Y and an even-order term of X whose curvature can be arbitrarily changed in the X-axis direction depending on the sign of the Y-axis, as is clear from the definition equation (a). is there.

【0026】次に、回転対称な像歪みについて説明す
る。本発明の偏心プリズム光学系ように、例えば第2面
の凹面から離れた位置に光学系の瞳があり、かつ、画角
が広い光学系では、瞳面側からの逆光線追跡において糸
巻型の回転対称な像歪みが大きく発生する。これの像歪
みの発生を抑えるためには、反射面の周辺の面の傾きを
変化させることによって可能となる。
Next, rotationally symmetric image distortion will be described. As in the eccentric prism optical system of the present invention, for example, in an optical system having a pupil at a position away from the concave surface of the second surface and having a wide angle of view, a pincushion-type rotation is used in the reverse ray tracing from the pupil surface side. A large symmetric image distortion occurs. The occurrence of such image distortion can be suppressed by changing the inclination of the surface around the reflection surface.

【0027】さらに、非点収差に対しては、X軸方向の
2次微分とY軸方向の2次微分の差を適切に変えること
によって可能となる。
Further, astigmatism can be achieved by appropriately changing the difference between the second derivative in the X-axis direction and the second derivative in the Y-axis direction.

【0028】また、コマ収差に対しては、前記の弓なり
の像歪みと同じ考え方で、X軸上の任意の点のY方向の
傾きを任意に与えることで補正することができる。
In addition, coma can be corrected by arbitrarily giving the inclination of the arbitrary point on the X axis in the Y direction in the same way as the bow-shaped image distortion.

【0029】さらに好ましくは、光学部品製作性を考慮
すると、自由曲面は必要最低限にすることが望ましい。
そこで、少なくとも3つの面の中の1つの反射面、例え
ば第2面を上記自由曲面とし、他の面を平面若しくは球
面又は偏心した回転対称面にすることによって製作性を
上げることが可能となる。
More preferably, in consideration of the manufacturability of optical parts, it is desirable that the free-form surface be minimized.
Therefore, it is possible to increase the productivity by setting one reflecting surface of at least three surfaces, for example, the second surface as the above-mentioned free-form surface and the other surface as a flat surface, a spherical surface, or an eccentric rotationally symmetric surface. .

【0030】接眼光学系の射出瞳に面した反射面である
第2面は、他の面に比べて強い反射屈折力を持つため、
収差の発生を抑えたい場合に自由曲面が有効である。
Since the second surface, which is the reflecting surface facing the exit pupil of the eyepiece optical system, has a stronger reflective refracting power than the other surfaces,
A free-form surface is effective for suppressing the occurrence of aberration.

【0031】また、接眼光学系の射出瞳に面した屈折
面、反射面兼用の第1面を自由曲面で構成することによ
って、コマ収差の発生を抑えることができる。これは、
第1面が反射面として作用する場合に、軸上主光線に対
して大きく傾いて配置されているためである。
Also, coma aberration can be suppressed by forming the refracting surface and the reflecting surface facing the exit pupil of the eyepiece optical system as free-form surfaces. this is,
This is because, when the first surface acts as a reflection surface, the first surface is arranged to be largely inclined with respect to the axial principal ray.

【0032】さらに、第3面を自由曲面にすることによ
って、像歪みの発生を補正することができる。これは、
第3面が結像位置に近接して配置されているために、他
の収差を悪化させることなく像歪みを補正するのに良い
結果を与えるためである。
Further, by making the third surface a free-form surface, the occurrence of image distortion can be corrected. this is,
This is because the third surface is arranged close to the image forming position, so that a good result can be obtained for correcting image distortion without deteriorating other aberrations.

【0033】さらに、2つの面を自由曲面にすることに
よって、各収差はより一層補正できることは言うまでも
ない。例えば、第2面と第3面を自由曲面とすると、第
1面を平面とすることが可能となり、接眼光学系を構成
する光学素子の製作性を向上できる。また、第1面は球
面でも回転対称非球面でも構成することが可能である。
It is needless to say that each aberration can be further corrected by making the two surfaces free-form surfaces. For example, when the second surface and the third surface are free-form surfaces, the first surface can be a flat surface, and the manufacturability of the optical element constituting the eyepiece optical system can be improved. Further, the first surface can be configured as a spherical surface or a rotationally symmetric aspherical surface.

【0034】なお、本発明における反射作用を有する反
射面には、全反射面、ミラーコート面、半透過反射面等
の反射作用を有する全ての反射面が含まれる。
The reflecting surfaces having a reflecting action in the present invention include all reflecting faces having a reflecting action such as a total reflecting face, a mirror coat face, and a semi-transmissive reflecting face.

【0035】さて、図10に示すように、本発明の画像
表示装置においては、画像表示素子6の画像表示面の各
点から射出し射出瞳1の中心に到る主光線8が発散しな
がら偏心プリズム光学系7に入射するように構成されて
いる。すなわち、主光線8を反対側へ延長して交差する
点Pである偏心プリズム光学系7の入射瞳位置(偏心プ
リズム光学系7に関して射出瞳1と共役な位置)が画像
表示素子6の背後の有限距離の位置になるように偏心プ
リズム光学系7が構成されている。
As shown in FIG. 10, in the image display apparatus of the present invention, the principal ray 8 which exits from each point on the image display surface of the image display element 6 and reaches the center of the exit pupil 1 diverges. It is configured to enter the decentered prism optical system 7. That is, the entrance pupil position of the eccentric prism optical system 7 (the position conjugate with the exit pupil 1 with respect to the eccentric prism optical system 7), which is the point P where the principal ray 8 extends to the opposite side and intersects, is behind the image display element 6. The eccentric prism optical system 7 is configured to be located at a finite distance.

【0036】このように、画像表示素子6から出る主光
線8が発散しながら入射するように構成すると、画像表
示素子6自体を小型にすることができると共に、それに
伴って偏心プリズム光学系7もより小型に構成すること
ができ、画像表示装置全体を小型で広画角なものとする
ことが可能となる。
When the principal ray 8 emitted from the image display element 6 is made to enter while diverging, the size of the image display element 6 itself can be reduced, and accordingly, the eccentric prism optical system 7 is also provided. The image display device can be configured to be smaller, and the entire image display device can be made smaller and have a wider angle of view.

【0037】また、上記のような座標系において、偏心
プリズム光学系の反射面が以下の条件(1)、(2)式
の何れか一方を満足することが収差補正上望ましい。 1<|Py2/Py|<5 ・・・・(1) 0.2<|Py3/Py|<0.8 ・・・・(2) ただし、Py2、Py3はそれぞれ逆光線追跡で第1反
射面(第2面4)、第2反射面(第1面3)の軸上主光
線が反射される領域のY−Z面内の反射屈折力、Pyは
逆光線追跡での偏心プリズム光学系全系の軸上主光線に
対するY−Z面内の屈折力である。
In the above coordinate system, it is desirable from the viewpoint of aberration correction that the reflecting surface of the decentered prism optical system satisfies one of the following conditions (1) and (2). 1 <| Py2 / Py | <5 (1) 0.2 <| Py3 / Py | <0.8 (2) However, Py2 and Py3 are the first reflection surfaces in reverse ray tracing, respectively. (The second surface 4), the reflection refractive power in the YZ plane of the area where the axial principal ray of the second reflection surface (the first surface 3) is reflected, and Py is the entire system of the decentered prism optical system in reverse ray tracing Is the refracting power in the YZ plane for the on-axis principal ray.

【0038】(1)式の上限の5を越えると、像位置を
偏心プリズム光学系の外に出すことができずに、画像表
示素子を配置することがきなくなる。(2)式の上限の
0.8を越えると、第2反射面が負のパワーを強く持ち
すぎ、第1反射面で発生する瞳側に凸の像面湾曲が補正
過剰になり、逆に瞳側に凹の像面湾曲が発生してしま
う。また、(1)式の下限の1を越えると、第2反射面
が今度は正のパワーを強く持ちすぎ、第1反射面で発生
する瞳側に凸の像面湾曲を打ち消す面がなくなり、結果
的に瞳側に凸の像面湾曲が強く発生してしまう。(2)
式の下限の0.8を越えると、第2反射面で像面湾曲を
補正する能力が少なくなってしまい、第1反射面で発生
する像面湾曲が残ってしまう。さらに、(1)、(2)
式の両方共上限を越えると、第1反射面と第2反射面の
パワーが強くなりすぎるため、他の収差が補正し切れな
くなり、収差補正上好ましくない。また、両式の下限を
越えると、光学系が大きくなってしまう。なお、
(1)、(2)式の両方を同時に満足することが望まし
い。
When the value exceeds the upper limit of 5 in the expression (1), the image position cannot be moved out of the eccentric prism optical system, and the image display element cannot be arranged. When the value exceeds the upper limit of 0.8 in the expression (2), the second reflecting surface has too much negative power, and the curvature of field convex on the pupil side generated on the first reflecting surface is excessively corrected. A concave field curvature occurs on the pupil side. When the lower limit of 1 in the expression (1) is exceeded, the second reflecting surface has too strong a positive power this time, and there is no surface which cancels out the convex curvature of field on the pupil side generated by the first reflecting surface. As a result, a convex curvature of field is strongly generated on the pupil side. (2)
If the lower limit of 0.8 of the expression is exceeded, the ability of the second reflecting surface to correct the field curvature is reduced, and the field curvature generated on the first reflecting surface remains. Furthermore, (1), (2)
If both of the expressions exceed the upper limits, the powers of the first reflecting surface and the second reflecting surface become too strong, so that other aberrations cannot be completely corrected, which is not preferable for aberration correction. If the lower limits of both formulas are exceeded, the size of the optical system increases. In addition,
It is desirable that both of the expressions (1) and (2) be satisfied at the same time.

【0039】偏心プリズム光学系をさらに小型にするた
めには、 1.4<|Py2/Py|<3 ・・・・(1)’ 0.2<|Py3/Py|<0.5 ・・・・(2)’ なる条件を満たす方が好ましい。この場合、何れの式
も、上限を越えると、像面湾曲が過剰補正され、他の収
差が補正し切れなくなる。下限を越えると、光学系を小
型化できない。
In order to further reduce the size of the decentered prism optical system, 1.4 <| Py2 / Py | <3 (1) '0.2 <| Py3 / Py | <0.5. It is preferable to satisfy the condition (2) ′. In this case, in any case, when the upper limit is exceeded, the curvature of field is excessively corrected, and other aberrations cannot be completely corrected. If the lower limit is exceeded, the size of the optical system cannot be reduced.

【0040】また、偏心プリズム光学系の反射面はさら
に以下の条件(3)、(4)式の何れか一方を満足する
ことが望ましい。 1<|Px2/Px|<5 ・・・・(3) 0.2<|Px3/Px|<3 ・・・・(4) ただし、Px2、Px3はそれぞれ逆光線追跡で第1反
射面(第2面4)、第2反射面(第1面3)の軸上主光
線が反射される領域のY−Z面に垂直な面内の反射屈折
力、Pxは逆光線追跡での偏心プリズム光学系全系の軸
上主光線に対するY−Z面に垂直な面内の屈折力であ
る。
It is desirable that the reflecting surface of the decentered prism optical system further satisfies one of the following conditions (3) and (4). 1 <| Px2 / Px | <5 (3) 0.2 <| Px3 / Px | <3 (4) where Px2 and Px3 are the first reflecting surfaces (the The second surface 4), the reflection refractive power in the plane perpendicular to the YZ plane of the area where the axial principal ray of the second reflection surface (the first surface 3) is reflected, and Px is an eccentric prism optical system for reverse ray tracing It is the refracting power in the plane perpendicular to the YZ plane for the axial principal ray of the whole system.

【0041】(3)、(4)両式の上限を越えると、第
1反射面と第2反射面のパワーを強くなりすぎるため、
像面湾曲が過剰補正され、他の収差が補正し切れなくな
り、収差補正上好ましくない。また、両式の下限を越え
ると、光学系が大きくなってしまう。
If the upper limits of (3) and (4) are exceeded, the powers of the first reflecting surface and the second reflecting surface become too strong.
The field curvature is excessively corrected, and other aberrations cannot be completely corrected, which is not preferable for aberration correction. If the lower limits of both formulas are exceeded, the size of the optical system increases.

【0042】偏心プリズム光学系をさらに小型にするた
めには、 1<|Px2/Px|<2.5 ・・・・(3)’ 0.2<|Px3/Px|<1.5 ・・・・(4)’ なる条件を満たす方が好ましい。この場合、何れの式
も、上限を越えると、像面湾曲が過剰補正され、他の収
差が補正し切れなくなる。下限を越えると、光学系を小
型化できない。
To further reduce the size of the decentered prism optical system, 1 <| Px2 / Px | <2.5 (3) '0.2 <| Px3 / Px | <1.5 It is preferable to satisfy the condition (4) ′. In this case, in any case, when the upper limit is exceeded, the curvature of field is excessively corrected, and other aberrations cannot be completely corrected. If the lower limit is exceeded, the size of the optical system cannot be reduced.

【0043】[0043]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の画像表示装置の
1実施例について説明する。後述するこの実施例の構成
パラメータにおいては、図1(a)にY−Z断面を、同
図(b)にX−Z断面を示すように、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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the image display device according to the present invention will be described below. In the configuration parameters of this embodiment, which will be described later, the center of the pupil 1 of the decentered prism optical system 7 is optically adjusted as shown in the YZ section in FIG. 1A and the XZ section in FIG. As the origin of the system, the optical axis 2 is defined by a ray passing from the center of the distant object to the center (origin) of the pupil 1, the direction from the pupil 1 toward the first surface 3 of the optical system 7 is the Z-axis direction, and this Z-axis Are orthogonal to the pupil 1 and pass through the center of the pupil 1, and the light beam is
The direction in the plane bent by Y axis direction, Y axis,
The direction orthogonal to the Z axis and passing through the center of the pupil 1 is the X axis direction, the direction from the pupil 1 toward the optical system 7 is the positive direction of the Z axis, the direction from the optical axis 2 to the image plane 6 is the positive direction of the Y axis, The direction forming the right-handed system with these Y axis and Z axis is defined as the positive direction of the X axis. In addition,
The ray tracing is a reverse ray tracing that enters the optical system 7 from the object side of the optical system 7 on the pupil 1 side.

【0044】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。
Then, for a plane having eccentricity, the amount of eccentricity in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction from the center of the pupil 1 which is the origin of the optical system 7 at the top of the surface ( X, y, z), and the inclination angles (°) (°, respectively) of the center axis of the surface (for a free-form surface, the Z axis in equation (a)) around the X, Y, and Z axes, respectively. , Β, γ). In this case, the positive α and β mean counterclockwise in the positive direction of each axis, and the positive γ means clockwise in the positive direction of the Z axis. In addition, the radius of curvature of the spherical surface, the spacing between the surfaces, the refractive index of the medium, and the Abbe number are given according to conventional methods.

【0045】自由曲面の定義式は前記(a)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(b)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 +D3 Rcos(A)+D4 Rsin(A) +D5 2 cos(2A)+D6 (R2 −1)+D7 2 sin(2A) +D8 3 cos(3A) +D9 (3R3 −2R)cos(A) +D10(3R3 −2R)sin(A)+D113 sin(3A) +D124cos(4A)+D13(4R4 −3R2 )cos(2A) +D14(6R4 −6R2 +1)+D15(4R4 −3R2 )sin(2A) +D164 sin(4A) +D175 cos(5A) +D18(5R5 −4R3 )cos(3A) +D19(10R5 −12R3 +3R)cos(A) +D20(10R5 −12R3 +3R)sin(A) +D21(5R5 −4R3 )sin(3A) +D225 sin(5A) +D236cos(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) +D296sin(6A)・・・・・ ・・・(b) 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、Dm (mは2以上の整数)は係数である。
The formula for defining a free-form surface is given by the above equation (a).
There is an ike polynomial. The shape of this surface is defined by the following equation (b). The Z axis of the defining equation is the axis of the Zernike polynomial. X = R × cos (A) Y = R × sin (A) Z = D 2 + D 3 R cos (A) + D 4 R sin (A) + D 5 R 2 cos (2A) + D 6 (R 2 -1) + D 7 R 2 sin (2A) + D 8 R 3 cos (3A) + D 9 (3R 3 -2R) cos (A) + D 10 (3R 3 -2R) sin (A) + D 11 R 3 sin (3A) + D 12 R 4 cos (4A) + D 13 ( 4R 4 -3R 2) cos (2A) + D 14 (6R 4 -6R 2 +1) + D 15 (4R 4 -3R 2) sin (2A) + D 16 R 4 sin (4A) + D 17 R 5 cos (5A) + D 18 (5R 5 -4R 3) cos (3A) + D 19 (10R 5 -12R 3 + 3R) cos (A) + D 20 (10R 5 -12R 3 + 3R) sin (A) + D 21 ( 5R 5 -4R 3) sin (3A ) + D 22 R 5 sin (5A) + D 23 R 6 cos (6A) + D 24 (6R 6 -5R 4) cos (4A) + D 25 (15R 6 -20R 4 + 6R 2) cos (2A) + D 26 ( 20R 6 -30R 4 + 12R 2 -1) + D 27 (15R 6 -20R 4 + 6R 2) sin (2A) + D 28 (6R 6 - R 4) sin (4A) + D 29 R 6 sin (6A) ····· ··· (b) In addition, expressed in X direction symmetric surface above. Here, D m (m is an integer of 2 or more) is a coefficient.

【0046】本発明において使用可能なその他の面の表
現例として、(a)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(c)式のように展開
することもできる。
As another expression example of a surface that can be used in the present invention, as in the case of the expression (a), k is a surface symmetrical in the X direction.
In the case of expressing a surface where = 7, it can be expanded as in the following expression (c).

【0047】 Z=C2 +C3 Y+C4 |X| +C5 2 +C6 Y|X|+C7 2 +C8 3 +C9 2 |X|+C10YX2 +C11|X3 | +C124 +C133 |X|+C142 2 +C15Y|X3 |+C164 +C175 +C184 |X|+C193 2 +C202 |X3 | +C21YX4 +C22|X5 | +C236 +C245 |X|+C254 2 +C263 |X3 | +C272 4 +C28Y|X5 |+C296 +C307 +C316 |X|+C325 2 +C334 |X3 | +C343 4 +C352 |X5 |+C36YX6 +C37|X7 | ・・・(c) 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。
Z = C 2 + C 3 Y + C 4 | X | + C 5 Y 2 + C 6 Y | X | + C 7 X 2 + C 8 Y 3 + C 9 Y 2 | X | + C 10 YX 2 + C 11 | X 3 | + C 12 Y 4 + C 13 Y 3 | X | + C 14 Y 2 X 2 + C 15 Y | X 3 | + C 16 X 4 + C 17 Y 5 + C 18 Y 4 | X | + C 19 Y 3 X 2 + C 20 Y 2 | X 3 | + C 21 YX 4 + C 22 | X 5 | + C 23 Y 6 + C 24 Y 5 | X | + C 25 Y 4 X 2 + C 26 Y 3 | X 3 | + C 27 Y 2 X 4 + C 28 Y | X 5 | + C 29 X 6 + C 30 Y 7 + C 31 Y 6 | X | + C 32 Y 5 X 2 + C 33 Y 4 | X 3 | + C 34 Y 3 X 4 + C 35 Y 2 | X 5 | + C 36 YX 6 + C 37 | X 7 | (c) In the following configuration parameters, the term relating to the aspherical surface for which no data is described is zero. The refractive index for d-line (wavelength 587.56 nm) is shown. The unit of the length is mm.

【0048】図1に本発明の1実施例の画像表示装置の
光軸2を含むY−Z断面(a)とX−Z断面(b)を示
す。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。
FIG. 1 shows an YZ section (a) and an XZ section (b) including the optical axis 2 of the image display device according to one embodiment of the present invention. The decentered prism optical system 7 constituting the eyepiece optical system of the image display device includes three surfaces 3, 4, 5, and 3
The space between the three surfaces 3 to 5 is filled with a transparent medium having a refractive index larger than 1, and in backward ray tracing, a light beam emitted from an object (not shown) first passes through the pupil 1 of the optical system 7 along the optical axis 2. The light passes through, enters the first surface 3 having a transmission function and a reflection function, enters the optical system 7, and the incident light is reflected by the second surface 4 which is a reflection surface having a reflection function only on the side farther from the pupil 1. 1 is reflected in a direction approaching the pupil 1 this time, and is reflected again in a direction away from the pupil 1 on the first surface 3, and the reflected light passes through a third surface 5 having only a transmitting action and reaches an image plane 6, Form an image.
Actually, the image display element is arranged at the position of the image plane 6, and the light beam advances in the reverse order to the above, and the display image of the image display element 6 is displayed in the eyeball of the observer through the observer's pupil at the pupil 1 position. It is enlarged and projected.

【0049】この実施例においては、第1面3、第2面
4は瞳1側に凹面を向けて偏心した前記の(a)式で定
義される自由曲面からなり、第3面5も前記の(a)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11.2mm、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。以下に、上記実施例の構成パラ
メータを示す。
In this embodiment, the first surface 3 and the second surface 4 are composed of free-form surfaces defined by the above-mentioned equation (a), which are decentered with the concave surface facing the pupil 1 side. (A) defined by a free-form surface. Further, the image display element 6
Has a horizontal dimension of 11.2 mm and a vertical direction of 8.3 mm, a horizontal angle of view of 35 °, and a vertical angle of view of 26.6.
°, pupil diameter 4 mm. The configuration parameters of the above embodiment are shown below.

【0050】 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) 1.5254 56.2 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) 像 面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] C5 -2.1693×10-37 -8.1988×10-38 -1.7175×10-410 -5.5459×10-412 -8.8529×10-614 -1.7316×10-516 -1.5602×10-617 -1.0807×10-719 -3.2639×10-721 -4.4367×10-8 自由曲面[2] C5 -9.3708×10-37 -1.2274×10-28 -6.1321×10-510 -1.1820×10-412 -1.3873×10-614 8.1930×10-716 -1.0808×10-617 1.7748×10-719 -9.9319×10-821 -1.5314×10-7 自由曲面[3] C5 -2.2380×10-27 -2.6346×10-210 -8.2832×10-512 -1.8592×10-414 1.7372×10-416 3.9752×10-519 -2.6887×10-621 8.9660×10-7 偏心(1) x 0.00 y 9.83 z 27.87 α 2.70 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) x 0.00 y 0.07 z 36.33 α -24.29 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) x 0.00 y 17.36 z 33.25 α 56.53 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) x 0.00 y 19.53 z 34.86 α 47.90 β 0.00 γ 0.00 Py2/Py= 1.53059 Py3/Py=-0.35432 Px2/Px= 2.02894 Px3/Px=-1.35529 。Surface number Surface shape Radius of curvature Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ -1000.00 1 (pupil surface) ∞ 2 Free-form surface [1] Eccentricity (1) 1.5254 56.2 3 Free-form surface [2] Eccentricity (2) 1.5254 56.2 4 free-form surface [1] eccentricity (1) 1.5254 56.2 5 free curved [3] eccentricity (3) image surface ∞ eccentricity (4) the free-form surface [1] C 5 -2.1693 × 10 -3 C 7 -8.1988 × 10 - 3 C 8 -1.7175 × 10 -4 C 10 -5.5459 × 10 -4 C 12 -8.8529 × 10 -6 C 14 -1.7316 × 10 -5 C 16 -1.5602 × 10 -6 C 17 -1.0807 × 10 -7 C 19 -3.2639 × 10 -7 C 21 -4.4367 × 10 -8 Free-form surface [2] C 5 -9.3708 × 10 -3 C 7 -1.2274 × 10 -2 C 8 -6.1321 × 10 -5 C 10 -1.1820 × 10 -4 C 12 -1.3873 × 10 -6 C 14 8.1930 × 10 -7 C 16 -1.0808 × 10 -6 C 17 1.7748 × 10 -7 C 19 -9.9319 × 10 -8 C 21 -1.5314 × 10 -7 Free-form surface [3] C 5 -2.2380 × 10 -2 C 7 -2.6346 × 10 -2 C 10 -8.2832 × 10 -5 C 12 -1.8592 × 10 -4 C 14 1.7372 × 10 -4 C 16 3.9752 × 10 -5 C 19 -2.6887 × 10 -6 C 21 8.9660 × 10 -7 Eccentricity (1) x 0.00 y 9.83 z 27.87 α 2.70 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) x 0.00 y 0.07 z 36.33 α -24.29 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) x 0.00 y 17.36 z 33.25 α 56.53 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) x 0.00 y 19.53 z 34.86 α 47.90 β 0.00 γ 0.00 Py2 / Py = 1.53059 Py3 / Py = −0.35432 Px2 / Px = 2.02894 Px3 / Px = 1.35529.

【0051】上記実施例の各画角に対する横収差状況を
図2〜図4に、歪曲収差の状況を図5に示す。横収差を
表す図2〜図4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。
FIGS. 2 to 4 show lateral aberrations at various angles of view in the above embodiment, and FIG. 5 shows distortions. In FIGS. 2 to 4 showing the lateral aberration, the numbers shown in parentheses indicate (horizontal (X direction) angle of view, vertical (Y direction) angle of view), and show lateral aberration diagrams at the angle of view.

【0052】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6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
6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。
In the above description, as shown in FIG. 1, the decentered prism optical system 7 is composed of three optical working surfaces of a first surface 3, a second surface 4, and a third surface 5, and The light beam emitted from the display element 6 is refracted on the third surface 5 and enters the eccentric prism optical system 7, internally reflected on the first surface 3, reflected on the second surface 4, and again on the first surface 3. Has been presumed to be an optical system which is incident on the observer, is refracted, and is projected into the eyeball of the observer as the exit pupil 1 at the iris position of the observer's pupil or the center of rotation of the eyeball. The present invention is not limited to the prism optical system 7, but can be applied to an eccentric prism optical system 7 having four or more optically active surfaces as illustrated in FIG. In the case of FIG. 6, the decentered prism optical system 7 is composed of four optical working surfaces of a first surface 3, a second surface 4, a third surface 5, and a fourth surface 9,
The light beam emitted from the image display element 6 is refracted on the third surface 5 and is incident on the decentered prism optical system 7, is internally reflected on the fourth surface 9, is incident on the second surface 4 and is internally reflected. The light enters the one surface 3 and is refracted, and is projected into the eyeball of the observer as the exit pupil 1 at the iris position of the observer's pupil or the center of rotation of the eyeball.

【0053】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。
Now, even if one set of the image display device described above is prepared and configured to be mounted on one eye, such a pair is prepared as a pair of left and right, and they are separated from each other by an eye distance. By supporting, it may be configured for binocular wear. In this way, it can be configured as a stationary or portable image display device that can be observed with one eye or both eyes.

【0054】図7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8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9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7〜
図9中、31は表示装置本体部を示し、図8の場合は観
察者の顔面の左眼の前方に、図9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3
2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8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9の場合)構成さ
れている。
FIG. 7 shows the arrangement of the image display apparatus main body with respect to one eye of the observer, in which the image display apparatus is configured to be attached to one eye (in this case, attached to the left eye), and FIG. The state of the case where both eyes are used is shown. FIG.
In FIG. 9, reference numeral 31 denotes a display device main body. In FIG. 8, a supporting member is held in front of the left eye of the observer's face, and in FIG. 9, it is held in front of both eyes of the observer's face. Is fixed through the head. As the supporting members, left and right front frames 32 each having one end joined to the display device main body 31 and extending from the temple of the observer to the upper part of the ear, and a front frame 3
2 and the left and right rear frames 33 extending across the temporal region of the observer from the left and right rear frames 33 (in the case of FIG. 8), or further sandwiched between the other ends of the left and right rear frames 33. As shown in FIG. 9, the both ends are joined one by one, and the top frame 34 supports the top of the observer.

【0055】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。
In the vicinity of the joint of the front frame 32 with the rear frame 33, a rear plate 35 made of an elastic body and made of, for example, a metal plate spring is joined. The rear plate 35 is joined so that the rear cover 36, which carries one wing of the support member, is supported by being positioned behind the ear at a portion where the back of the observer is attached to the neck of the observer (see FIG. 9). Case). A speaker 39 is mounted in the rear plate 35 or the rear cover 36 at a position corresponding to the ear of the observer.

【0056】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。
A cable 41 for transmitting video / audio signals and the like from the outside is provided from the display device main body 31 to the top frame 34 (in the case of FIG. 9), the rear frame 33, and the front frame 3.
2. Rear plate 35 through the inside of rear plate 35
Alternatively, it protrudes outside from the rear end of the rear cover 36. The cable 41 is connected to the video playback device 40. In the figure, reference numeral 40a denotes a switch and a volume adjusting unit of the video reproducing device 40.

【0057】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。
The cable 41 may be jacked at the end so that it can be attached to an existing video deck or the like. Furthermore, it is connected to a tuner for TV radio wave reception,
It may be used for viewing, or may be connected to a computer to receive computer graphics images, message images from the computer, and the like. In addition, an antenna may be connected to receive an external signal by radio wave in order to reject an obstructive code.

【0058】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い
ると共に、前記の少なくとも2つの反射作用を有する面
によって反射された光線が光学系内部で交差しないよう
な位置に前記の少なくとも2つの反射作用を有する面が
配置されており、前記反射面の少なくとも1面の面形状
が、その面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しか
も、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面からなり、
かつ、前記画像表示素子の画像表示面の各点から射出し
観察者眼球位置の射出瞳の中心に到る主光線が発散しな
がら前記偏心プリズム光学系に入射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。
The above-described image display device of the present invention can be configured, for example, as follows. [1] An image display device, and an eyepiece optical system including an eccentric prism optical system that guides an image formed by the image display device at an observer's eyeball position without forming an intermediate image so that the image can be observed as a virtual image. In the image display device,
In the decentered prism optical system, at least three surfaces having at least one of a function of reflecting and transmitting light emitted from the image display element are arranged eccentrically, and a refractive index between the at least three surfaces is 1. At least two of the at least three surfaces are formed of surfaces having a reflective action so as to be filled with three or more transparent media and to perform internal reflection at least twice inside the optical system. The at least two reflecting surfaces are arranged at positions where the light beams reflected by the at least two reflecting surfaces do not intersect inside the optical system, and at least one of the reflecting surfaces is provided. The surface shape of the surface does not have an axis of rotational symmetry both inside and outside the surface, and is formed of a plane-symmetric free-form surface having only one symmetry surface,
The image display device is configured so that a chief ray exiting from each point of an image display surface of the image display element and reaching the center of an exit pupil at an observer's eyeball position enters the eccentric prism optical system while diverging. Characteristic image display device.

【0059】〔2〕 上記〔1〕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軸と定義したときに、以下の条件(2)
を満足することを特徴とする画像表示装置。 0.2<|Py3/Py|<0.8 ・・・・(2) ただし、Py3は逆光線追跡で前記偏心プリズム光学系
の第2反射面の軸上主光線が反射される領域のY−Z面
内の反射屈折力、Pyは逆光線追跡での前記偏心プリズ
ム光学系全系の軸上主光線に対するY−Z面内の屈折力
である。
[2] In the above item [1], a ray passing through the center of the exit pupil and reaching the center of the screen of the image display element is defined as an axial principal ray until the ray intersects the first surface of the eccentric prism optical system. The optical axis defined by the straight line of
When an axis orthogonal to the Z axis and within the eccentric plane of each surface constituting the eccentric prism optical system is defined as an Y axis, and an axis orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis is defined as an X axis, Condition (2)
An image display device characterized by satisfying the following. 0.2 <| Py3 / Py | <0.8 (2) where Py3 is Y− of the area where the on-axis principal ray of the second reflecting surface of the decentered prism optical system is reflected in the reverse ray tracing. The reflected refractive power in the Z plane, Py, is the refractive power in the YZ plane with respect to the axial principal ray of the entire decentered prism optical system in the reverse ray tracing.

【0060】〔3〕 上記〔2〕において、 0.2<|Py3/Py|<0.5 ・・・・(2)’ を満たすることを特徴とする画像表示装置。[3] An image display device according to [2], wherein 0.2 <| Py3 / Py | <0.5 (2) 'is satisfied.

【0061】〔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軸と定義したと
きに、以下の条件(1)を満足することを特徴とする画
像表示装置。 1<|Py2/Py|<5 ・・・・(1) ただし、Py2は逆光線追跡で前記偏心プリズム光学系
の第1反射面の軸上主光線が反射される領域のY−Z面
内の反射屈折力、Pyは逆光線追跡での前記偏心プリズ
ム光学系全系の軸上主光線に対するY−Z面内の屈折力
である。
[4] Any one of the above [1] to [3]
In the item, a ray passing through the center of the exit pupil and reaching the center of the screen of the image display element is defined as an axial principal ray, and an optical axis defined by a straight line that intersects the first surface of the decentered prism optical system is defined as Z axis, an axis in the eccentric plane of each surface constituting the eccentric prism optical system orthogonal to the Z axis and the Y axis,
An image display device characterized by satisfying the following condition (1) when an axis orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis is defined as an X axis. 1 <| Py2 / Py | <5 (1) where Py2 is in the YZ plane of the area where the axial principal ray of the first reflecting surface of the decentered prism optical system is reflected in the reverse ray tracing. The reflection refractive power Py is the refractive power in the YZ plane with respect to the axial principal ray of the entire decentered prism optical system in the reverse ray tracing.

【0062】〔5〕 上記〔4〕において、 1.4<|Py2/Py|<3 ・・・・(1)’ を満たすることを特徴とする画像表示装置。[5] An image display apparatus according to the above [4], wherein 1.4 <| Py2 / Py | <3 (1) 'is satisfied.

【0063】〔6〕 上記〔1〕から〔5〕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軸と定義したと
きに、以下の条件(3)、(4)を満足することを特徴
とする画像表示装置。 1<|Px2/Px|<5 ・・・・(3) 0.2<|Px3/Px|<3 ・・・・(4) ただし、Px2、Px3はそれぞれ逆光線追跡で第1反
射面、第2反射面の軸上主光線が反射される領域のY−
Z面に垂直な面内の反射屈折力、Pxは逆光線追跡での
偏心プリズム光学系全系の軸上主光線に対するY−Z面
に垂直な面内の屈折力である。
[6] Any one of the above [1] to [5]
In the item, a ray passing through the center of the exit pupil and reaching the center of the screen of the image display element is defined as an axial principal ray, and an optical axis defined by a straight line that intersects the first surface of the decentered prism optical system is defined as Z axis, an axis in the eccentric plane of each surface constituting the eccentric prism optical system orthogonal to the Z axis and the Y axis,
An image display device characterized by satisfying the following conditions (3) and (4) when an axis orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis is defined as an X axis. 1 <| Px2 / Px | <5 (3) 0.2 <| Px3 / Px | <3 (4) where Px2 and Px3 are the first reflecting surface and the 2 Y- of the area where the axial principal ray of the reflecting surface is reflected
Px is the refractive power in the plane perpendicular to the YZ plane with respect to the axial principal ray of the entire decentered prism optical system in the reverse ray tracing.

【0064】〔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が3つの光学作用
面からなり、逆光線追跡で第1面から光束が入射し、そ
の入射した光束が第2面で反射され、その第2面で反射
された光束が前記第1面で反射され、その第1面で反射
された光束が光学系内部を通過して第3面から射出する
ように、前記第1面と前記第2面と前記第3面とが配置
されていることを特徴とする画像表示装置。
[7] Any one of the above [1] to [6]
In the above paragraph, the decentered prism optical system comprises three optically active surfaces, a light beam enters from a first surface by back ray tracing, the incident light beam is reflected by a second surface, and a light beam reflected by the second surface Are reflected by the first surface, and the first surface, the second surface, and the third surface are arranged such that the light beam reflected by the first surface passes through the optical system and exits from the third surface. An image display device, wherein are arranged.

【0065】〔8〕 上記〔7〕において、前記第1面
が有効面内にてその透過作用と反射作用とが少なくとも
一部の領域で重なり合うように形成されていると共に、
少なくとも前記第1面の有効面内の透過作用と反射作用
との重なり合う領域での反射作用が全反射作用によるよ
うに構成されていることを特徴とする画像表示装置。
[8] In the above item [7], the first surface is formed such that the transmission function and the reflection function thereof overlap in at least a part of the area within the effective plane.
An image display device, wherein at least a reflection action in a region where the transmission action and the reflection action in the effective surface of the first surface overlap with each other is based on a total reflection action.

【0066】[0066]

【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、その反射面の少なくとも1面が対称面を1つのみ
有する回転非対称の自由曲面からなり、かつ、画像表示
素子の画像表示面の各点から射出する主光線が発散しな
がら偏心プリズム光学系に入射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、小型・軽量で広画角の画像表示装置を達成すること
ができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the eyepiece optical system is composed of an eccentric prism optical system composed of three or more surfaces including at least two decentered reflective surfaces, At least one surface is formed of a rotationally asymmetric free-form surface having only one symmetric surface, and a principal ray emitted from each point of the image display surface of the image display element is incident on the eccentric prism optical system while diverging. Therefore, it is possible to achieve a small and lightweight image display device having a wide angle of view while having high optical performance due to eccentric aberration correction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の1実施例の画像表示装置の断面図であ
る。
FIG. 1 is a sectional view of an image display device according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の1実施例の一部の横収差状況を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a partial lateral aberration state according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の1実施例の他の一部の横収差状況を示
す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a lateral aberration state of another part of one embodiment of the present invention.

【図4】本発明の1実施例の他の一部の横収差状況を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a lateral aberration situation of another part of the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の1実施例の歪曲収差状況を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a state of distortion aberration according to an example of the present invention.

【図6】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。
FIG. 6 is a diagram illustrating another decentered prism optical system to which the present invention can be applied.

【図7】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。
FIG. 7 is a diagram showing an arrangement of a head-mounted image display device according to the present invention with respect to one eye of an observer.

【図8】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。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the head-mounted image display device according to the present invention is configured to be mounted on one eye.

【図9】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。
FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which the head-mounted image display device according to the present invention is configured to be worn on both eyes.

【図10】本発明の画像表示装置の基本的な形態絵を示
す光路図である。
FIG. 10 is an optical path diagram showing a basic form picture of the image display device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exit pupil 2 ... Optical axis 3 ... 1st surface 4 ... 2nd surface 5 ... 3rd surface 6 ... Image display element 7 ... Eccentric prism optical system 8 ... Principal ray 9 ... 4th surface 31 ... Display device main body 32 ... front frame 33 ... rear frame 34 ... crown frame 35 ... rear plate 36 ... rear cover 39 ... speaker 41 ... cable 40 ... video playback device 40a ... volume adjustment unit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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い
ると共に、前記の少なくとも2つの反射作用を有する面
によって反射された光線が光学系内部で交差しないよう
な位置に前記の少なくとも2つの反射作用を有する面が
配置されており、 前記反射面の少なくとも1面の面形状が、その面内及び
面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を1つの
み有する面対称自由曲面からなり、かつ、 前記画像表示素子の画像表示面の各点から射出し観察者
眼球位置の射出瞳の中心に到る主光線が発散しながら前
記偏心プリズム光学系に入射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。
1. An eyepiece optical system including an image display element and an eccentric prism optical system for guiding an image formed by the image display element to an observer's eyeball position without forming an intermediate image so that the image can be observed as a virtual image. In the image display device having the above, the eccentric prism optical system is configured such that at least three surfaces having at least one action of reflection and transmission of light emitted from the image display element are arranged eccentrically to each other, and The space is filled with a transparent medium having a refractive index of 1.3 or more, and at least two of the at least three surfaces have a reflecting action so as to perform internal reflection at least twice inside the optical system. And at a position where the rays reflected by the at least two reflective surfaces do not intersect within the optical system. At least two surfaces having a reflecting action are arranged, and the surface shape of at least one of the reflecting surfaces does not have an axis of rotational symmetry both in-plane and out-of-plane, and has only one symmetric surface. A chief ray which is composed of a plane-symmetric free-form surface and has a principal ray reaching from the point on the image display surface of the image display element and reaching the center of the exit pupil at the position of the observer's eyeball diverges and enters the decentered prism optical system. An image display device characterized by being configured as described above.
【請求項2】 請求項1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軸と定義したときに、以下の条件(2)を満足す
ることを特徴とする画像表示装置。 0.2<|Py3/Py|<0.8 ・・・・(2) ただし、Py3は逆光線追跡で前記偏心プリズム光学系
の第2反射面の軸上主光線が反射される領域のY−Z面
内の反射屈折力、Pyは逆光線追跡での前記偏心プリズ
ム光学系全系の軸上主光線に対するY−Z面内の屈折力
である。
2. A straight line extending through the center of the exit pupil and reaching the center of the screen of the image display element as an axial principal ray and intersecting the first surface of the eccentric prism optical system according to claim 1. The optical axis defined by Z axis, the axis orthogonal to the Z axis and the axis in the eccentric plane of each surface constituting the eccentric prism optical system is the Y axis, the axis orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis. An image display device characterized by satisfying the following condition (2) when defined as an X axis. 0.2 <| Py3 / Py | <0.8 (2) where Py3 is Y− of the area where the on-axis principal ray of the second reflecting surface of the decentered prism optical system is reflected in the reverse ray tracing. The reflected refractive power in the Z plane, Py, is the refractive power in the YZ plane with respect to the axial principal ray of the entire decentered prism optical system in the reverse ray tracing.
【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軸と定義したときに、以下の条件(1)を
満足することを特徴とする画像表示装置。 1<|Py2/Py|<5 ・・・・(1) ただし、Py2は逆光線追跡で前記偏心プリズム光学系
の第1反射面の軸上主光線が反射される領域のY−Z面
内の反射屈折力、Pyは逆光線追跡での前記偏心プリズ
ム光学系全系の軸上主光線に対するY−Z面内の屈折力
である。
3. The eccentric prism optical system according to claim 1, wherein a ray passing through the center of the exit pupil and reaching the center of the screen of the image display element is defined as an axial principal ray and intersects the first surface of the eccentric prism optical system. The optical axis defined by the straight line is the Z axis, the axis in the eccentric plane of each surface constituting the eccentric prism optical system is orthogonal to the Z axis, and the axis in the eccentric plane is orthogonal to the Z axis and orthogonal to the Y axis. An image display device characterized by satisfying the following condition (1) when an axis is defined as an X axis. 1 <| Py2 / Py | <5 (1) where Py2 is in the YZ plane of the area where the axial principal ray of the first reflecting surface of the decentered prism optical system is reflected in the reverse ray tracing. The reflection refractive power Py is the refractive power in the YZ plane with respect to the axial principal ray of the entire decentered prism optical system in the reverse ray tracing.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100386725B1 (en) * 2000-07-31 2003-06-09 주식회사 대양이앤씨 Optical System for Head Mount Display
KR100388819B1 (en) * 2000-07-31 2003-06-25 주식회사 대양이앤씨 Optical System for Head Mount Display
KR20040005031A (en) * 2002-07-08 2004-01-16 (주)드리맥스 Optical system using single display device for head mounted display

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