JPH1138352A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【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６の画像表示面の各点から射出する主光線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。

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
にする頭部又は顔面装着型画像表示装置に関する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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 ｙ² ＋Ｃ₆ ｙｘ＋Ｃ₇ ｘ² ＋Ｃ₈ ｙ³ ＋Ｃ₉ ｙ² ｘ＋Ｃ₁₀ｙｘ² ＋Ｃ₁₁ｘ³ ＋Ｃ₁₂ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃ｙ³ ｘ＋Ｃ₁₄ｙ² ｘ² ＋Ｃ₁₅ｙｘ³ ＋Ｃ₁₆ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈ｙ⁴ ｘ＋Ｃ₁₉ｙ³ ｘ² ＋Ｃ₂₀ｙ² ｘ³ ＋Ｃ₂₁ｙｘ⁴ ＋Ｃ₂₂ｘ⁵ ＋Ｃ₂₃ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄ｙ⁵ ｘ＋Ｃ₂₅ｙ⁴ ｘ² ＋Ｃ₂₆ｙ³ ｘ³ ＋Ｃ₂₇ｙ² ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈ｙｘ⁵ ＋Ｃ₂₉ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁ｙ⁶ ｘ＋Ｃ₃₂ｙ⁵ ｘ² ＋Ｃ₃₃ｙ⁴ ｘ³ ＋Ｃ₃₄ｙ³ ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅ｙ² ｘ⁵ ＋Ｃ₃₆ｙｘ⁶ ＋Ｃ₃₇ｘ⁷ ・・・・・ ・・・・（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、Ｃ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。

【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 ，
Ｃ₆ ，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。

【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、
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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 Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆ （Ｒ² −１）＋Ｄ₇ Ｒ² sin(2A) ＋Ｄ₈ Ｒ³ cos(3A) ＋Ｄ₉ （３Ｒ³ −２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³ −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ sin(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴ −６Ｒ² ＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ cos(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)・・・・・ ・・・（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、Ｄ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。

【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。

【００４７】 Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ Ｙ＋Ｃ₄ ｜Ｘ｜ ＋Ｃ₅ Ｙ² ＋Ｃ₆ Ｙ｜Ｘ｜＋Ｃ₇ Ｘ² ＋Ｃ₈ Ｙ³ ＋Ｃ₉ Ｙ² ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₀ＹＸ² ＋Ｃ₁₁｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₁₂Ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃Ｙ³ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₄Ｙ² Ｘ² ＋Ｃ₁₅Ｙ｜Ｘ³ ｜＋Ｃ₁₆Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇Ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈Ｙ⁴ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₉Ｙ³ Ｘ² ＋Ｃ₂₀Ｙ² ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₁ＹＸ⁴ ＋Ｃ₂₂｜Ｘ⁵ ｜ ＋Ｃ₂₃Ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄Ｙ⁵ ｜Ｘ｜＋Ｃ₂₅Ｙ⁴ Ｘ² ＋Ｃ₂₆Ｙ³ ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₇Ｙ² Ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈Ｙ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₂₉Ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀Ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁Ｙ⁶ ｜Ｘ｜＋Ｃ₃₂Ｙ⁵ Ｘ² ＋Ｃ₃₃Ｙ⁴ ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₃₄Ｙ³ Ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅Ｙ² ｜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。

【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。

【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。

【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^-3 Ｃ₇ -8.1988×10^-3 Ｃ₈ -1.7175×10^-4 Ｃ₁₀ -5.5459×10^-4 Ｃ₁₂ -8.8529×10^-6 Ｃ₁₄ -1.7316×10^-5 Ｃ₁₆ -1.5602×10^-6 Ｃ₁₇ -1.0807×10^-7 Ｃ₁₉ -3.2639×10^-7 Ｃ₂₁ -4.4367×10^-8 自由曲面[2] Ｃ₅ -9.3708×10^-3 Ｃ₇ -1.2274×10^-2 Ｃ₈ -6.1321×10^-5 Ｃ₁₀ -1.1820×10^-4 Ｃ₁₂ -1.3873×10^-6 Ｃ₁₄ 8.1930×10^-7 Ｃ₁₆ -1.0808×10^-6 Ｃ₁₇ 1.7748×10^-7 Ｃ₁₉ -9.9319×10^-8 Ｃ₂₁ -1.5314×10^-7 自由曲面[3] Ｃ₅ -2.2380×10^-2 Ｃ₇ -2.6346×10^-2 Ｃ₁₀ -8.2832×10^-5 Ｃ₁₂ -1.8592×10^-4 Ｃ₁₄ 1.7372×10^-4 Ｃ₁₆ 3.9752×10^-5 Ｃ₁₉ -2.6887×10^-6 Ｃ₂₁ 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 。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の画像表示装置の断面図であ
る。

【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。

【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。

【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。

【図５】本発明の１実施例の歪曲収差状況を示す図であ
る。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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 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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。