JP2001066545A - 観察光学系及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏心プリズムからなる接眼光学系と反射型画
像表示素子とを用いた小型で明るく高性能の観察光学系
及びそれを用いた画像表示装置。 【解決手段】 反射型画像表示素子３と接眼光学系とを
備え、表示素子３が、光源４と、それからの光束を表示
面の前側から照射するように導く照明光導光プリズム６
とを有し、接眼光学系が、表示面から反射された光束を
照明光導光プリズム６を通過した後にプリズム内に入射
させる入射面１３と、反射面１２と、プリズム外に光束
を射出する射出面１１とを有するプリズム１０を備えて
おり、その少なくとも１つの反射面が、光軸に対して偏
心配置され、偏心収差を補正すると共にパワーを与える
回転非対称曲面形状に形成され、プリズム１０の入射面
１３と表示面の間の間隔が所定の条件を満足して画像を
瞳２位置に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察光学系及びそ
れを用いた画像表示装置に関し、特に、反射型液晶表示
素子等の反射光によって画像を表示するタイプの表示素
子の明るい画像を、小型で光量ロスを極力抑えた接眼光
学系を通して観察し得るように工夫された観察光学系及
びそれを用いたヘッドアップディスプレイ等の画像表示
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ヘッドアップディスプレイやメガ
ネ型ディスプレイの発展に伴ってコンパクトな接眼光学
系の開発が進み、特開平７−３３３５５１号や特開平８
−５０２５６号、特開平８−２３４１３７号等に記載さ
れている薄型コンパクトな偏心プリズムを用いた接眼光
学系が提案されている。これらは反射面がパワーを持
ち、光路が折り畳まれたコンパクトな接眼光学系であ
り、パワーを持った偏心反射面により発生してしまう回
転非対称な偏心収差を、アナモルフィック反射面や１つ
の対称面を持った回転非対称反射面を使用して補正して
いる。

【０００３】また、観察画像を表示する液晶表示素子に
関しても、より明るく観察しやすい画像形成のために、
反射型液晶表示素子が開発され、その照明形態をも含ん
だものとして、特開平１０−２６８３０６号のものが公
開されている。

【０００４】さらに、反射型液晶表示素子等の透過型よ
りも明るい反射型画像表示素子を用いた接眼光学系とし
て、米国特許第５，７７１，１２４号のものが知られて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、米国特許第
５，７７１，１２４号に開示された接眼光学系は、光学
部材を全てガラスで構成しなければならず重たくなり、
また、構成自体も部品点数が多く大きい構成になってい
る。また、反射型画像表示素子への照明光が像面の垂直
方向からかなり大きく傾いて入射しているため、明るさ
を犠牲にしてしまっている。

【０００６】そこで、特開平１０−２６８３０６号に基
づいて、観察光学系の反射型画像表示素子の表示面に略
垂直な方向から照明するようにすることが考えられる
が、米国特許第５，７７１，１２４号のものは接眼光学
系がコンパクト性等に欠けるため望ましくない。

【０００７】そのため、コンパクト性に優れた特開平７
−３３３５５１号、特開平８−５０２５６号、特開平８
−２３４１３７号等で提案された接眼光学系と特開平１
０−２６８３０６号に基づく表示面を略垂直に照明する
反射型画像表示素子とを組み合わせて明るくコンパクト
な観察光学系を構成することが考えられる。

【０００８】しかしながら、上記の従来の偏心プリズム
を用いた接眼光学系は透過型の画像表示素子を用いるこ
とを前提にしていたため、画像表示素子と偏心プリズム
の入射面との間の距離が短い。そのため、反射型画像表
示素子の表示面を照明する光学部材を画像表示素子と偏
心プリズムの間に配置するスペースがとれないので、反
射型画像表示素子は、米国特許第５，７７１，１２４号
のものと同様に、光軸に対して斜めに大きく傾けて配置
し、照明光を表示面に対して斜め方向から照射するよう
に光源を配置せざるを得ない。

【０００９】反射型画像表示素子を光軸に対して斜めに
大きく傾けて配置する場合には、反射型画像表示素子、
特に反射型液晶表示素子を用いる場合に、その視角依存
性により反射型画像表示素子の明るさが十分に発揮でき
ない。また、物体面が光軸に対して傾いているため、そ
の像を湾曲、歪みなく光軸に垂直に観察可能にするため
には接眼光学系の負担が多きすぎてしまう。

【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、偏心プリズムか
らなる接眼光学系と反射型画像表示素子とを用いて小型
で明るく高性能の観察光学系及びそれを用いた画像表示
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
明の観察光学系は、観察するための画像を形成する表示
面の前側から入射した照明光束を反射することによって
画像を表示する反射型画像表示手段と、前記画像を観察
者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備え
た観察光学系において、前記画像表示手段が、照明手段
と、前記照明手段から射出された光束を前記表示面の前
側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光学
手段とを有し、前記接眼光学系が、前記反射型画像表示
手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手段
を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、プリ
ズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面と、プ
リズム外に光束を射出する射出面とを有するプリズム部
材を備えており、前記プリズム部材の前記少なくとも１
つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その偏
心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に
対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成さ
れ、前記プリズム部材の入射面と前記反射型画像表示手
段の表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して前記
画像を前記瞳位置に導くように構成されていることを特
徴とするものである。

【００１２】０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１ ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わ
る画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わ
る位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高
（表示面が四角形の場合は対角長）である。

【００１３】以下、本発明において上記の構成をとる理
由と作用について説明する。

【００１４】本発明においては、観察するための画像を
形成する表示面の前側から入射した照明光束を反射する
ことによって画像を表示する反射型画像表示手段と、そ
の画像を観察者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光
学系とを備えた観察光学系において、その画像表示手段
が、照明手段と、その照明手段から射出された光束を表
示面の前側から照射できるように照明光束を導く照明光
導光光学手段とを有して構成される。

【００１５】このように、本発明の観察光学系において
は、照明手段から射出された光束を反射型画像表示手段
の表示面の前側から照射できるように照明光束を導く照
明光導光光学手段を備えており、それにより、表示面を
略垂直に前側から照明することができ、明るい観察光学
系を構成することが可能になる。

【００１６】また、接眼光学系が、画像表示手段から反
射された表示光束をプリズム内に入射させる入射面と、
プリズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面
と、プリズム外に光束を射出する射出面とを有するプリ
ズム部材から構成しているので、薄型で小型の観察光学
系を構成することが可能になる。

【００１７】また、そのプリズム部材の少なくとも１つ
の反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その偏心
によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束に対
してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成され
ているので、高い光学性能を有しながら小型・軽量で高
性能の観察光学系を構成することが可能になる。

【００１８】レンズのような屈折光学素子は、その境界
面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせるこ
とができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折す
る際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生
が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別
の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。

【００１９】一方、ミラーやプリズム等のような反射光
学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色
収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために
別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光
学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系
に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の
削減が可能である。

【００２０】同時に、反射光学素子を用いた反射光学系
は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比
べて光学系自身を小さくすることが可能である。

【００２１】また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感
度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。
しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの
面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム
単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て
精度、調整工数が不要である。

【００２２】さらに、プリズムは、屈折面である入射面
と射出面、それと反射面を有しており、反射面しかもた
ないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特
に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面
である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミ
ラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レ
ンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を
非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内
部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているた
めに、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中
に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型
化、小型化が可能である。

【００２３】また、接眼光学系は、中心性能はもちろん
のこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共
軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後
で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れ
ることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟
んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分
満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的であ
る。

【００２４】本発明では、上記のように、入射面と少な
くとも１つの反射面と射出面とを有するプリズム部材か
らなり、その少なくとも１つの反射面を、光軸に対して
偏心して配置され、その偏心によって発生する偏心収差
を補正すると共に、光束に対してパワーを与える回転非
対称な曲面形状にて形成することにより、中心ばかりで
なく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。

【００２５】このような本発明の基本構成をとること
で、屈折光学系あるいは回転対称な反射光学系を用いた
光学系に比べて光学素子の構成枚数が少なく、中心から
周辺まで性能の良好な、小型の接眼光学系を得ることが
可能である。

【００２６】ここで、逆光線追跡で、瞳中心を通過して
反射型画像表示素子の表示面の中心に到達する光線を軸
上主光線としたとき、本発明のプリズム部材の少なくと
も１つの反射面が軸上主光線に対して偏心していない
と、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路をと
ることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしま
う。その結果、中心部が遮光された光束のみで像を形成
することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像
を結ばなくなったりしてしまう。

【００２７】また、パワーを付けた反射面を軸上主光線
に対し偏心させることも当然可能である。

【００２８】また、パワーを付けた反射面を軸上主光線
に対して偏心させた場合、プリズム部材を構成する面の
中、少なくとも１つの反射面は回転非対称な面であるこ
とが望ましい。

【００２９】その理由を以下に詳述する。まず、用いる
座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線
が、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、
前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸
とする。なお、光線の追跡方向は、上記のように瞳から
反射型画像表示素子に向かう逆光線追跡で説明する。

【００３０】一般に、球面レンズでのみ構成された球面
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。

【００３１】一方、少ない面数で収差を良好に補正する
ためには、回転対称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。

【００３２】しかし、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。この偏心により発生する回
転非対称な収差は、歪曲収差、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。

【００３３】まず、回転非対称な像面湾曲について説明
する。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、像面までの後側焦点距離は、
像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の
半分になる。すると、図２３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。このように、回転非対
称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可
能である。

【００３４】この傾いた像面湾曲をその発生源である凹
面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面
で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く
（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く
（屈折力を弱く）すれば、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。

【００３５】また、回転非対称な面は、その面内及び面
外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とす
ることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。

【００３６】次に、回転非対称な非点収差について説明
する。上記説明と同様に、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２４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、上記説
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。

【００３７】さらに、回転非対称なコマ収差について説
明する。上記説明と同様に、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２５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。

【００３８】また、本発明の接眼光学系では、前述の反
射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し
偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可
能である。このような構成をとれば、その反射面にパワ
ーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補
正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを
緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることがで
きる。

【００３９】また、本発明で用いる上記の回転非対称面
は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であること
が好ましい。ここで、本発明で使用する自由曲面とは、
以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定
義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

【００４０】 ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面
項である。

【００４１】球面項中、 ｃ：頂点の曲率 ｋ：コーニック定数（円錐定数） ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ） である。

【００４２】自由曲面項は、 ただし、Ｃ_j （ｊは２以上の整数）は係数である。

【００４３】上記自由曲面は、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、Ｃ₂ 、Ｃ₅ 、Ｃ₇ 、
Ｃ₉ 、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ
₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０に
することによって可能である。

【００４４】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、上記定義式においては、Ｃ₃ 、
Ｃ₅、Ｃ₈ 、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ
₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、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る。

【００４５】また上記対称面の方向の何れか一方を対称
面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面
と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向
に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方
向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非
対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向
上させることが可能となる。

【００４６】また、上記定義式（ａ）は、前述のように
１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を
１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により
発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向
上させるということが特徴であり、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。

【００４７】ところで、本発明において、プリズム部材
の入射面と反射型画像表示素子の表示面との間の間隔が
以下の条件式を満足して表示画像を瞳位置に導くように
構成されていることが重要である。

【００４８】 ０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１ ・・・（１） ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わ
る画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わ
る位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高
（表示面が四角形の場合は対角長）である。

【００４９】この条件式（１）は、プリズム部材の入射
面と反射型画像表示手段の表示面との間に照明光導光光
学手段を配置するための条件式であり、上限の３．１を
越えると、その間隔が広くなりすぎ、前記のような接眼
光学系で達成することが困難になると共に、観察光学系
自体が大型化し、本発明の目的に反する結果となる。そ
の下限の０．６を越えると、その間隔が狭くなりすぎ、
照明光導光光学手段のビームスプリット面の光軸に対す
る傾きが小さくなりすぎ、反射型画像表示手段の表示面
に略垂直に照明光を入射しようとすると、ケラレにより
表示面全面を照明することが困難なる。

【００５０】さらに望ましくは、 ０．７＜Ｌ／Ｈ＜２．０ ・・・（１−１） なる条件を満足することが重要である。この条件の上限
の意味は上記と同様である。

【００５１】さらに望ましくは、 ０．８＜Ｌ／Ｈ＜１．５ ・・・（１−２） なる条件を満足することが重要である。この条件の上限
の意味は上記と同様である。

【００５２】また、本発明において、反射型画像表示手
段としては、限定的ではないが例えば反射型液晶表示素
子を用いることができる。

【００５３】ところで、本発明の観察光学系において、
上記のように、プリズム部材の入射面と反射型画像表示
素子の表示面との間に間隔を比較的大きくとってその間
に照明光導光光学手段を配置するので、比較的色収差が
発生しやすい。そこで、プリズム部材の入射面側に回折
光学素子を配置してこの色収差を補正するようにするこ
とが望ましい。

【００５４】また、本発明の観察光学系において、接眼
光学系として用いるプリズム部材は公知の種々の偏心プ
リズムを用いることができるが、光路を折り畳んで小型
化するために、屈折面と反射面を兼用した屈折反射兼用
面を少なくとも１面備えているタイプのものが望まし
い。

【００５５】その代表的なものとして、反射型画像表示
手段から反射された表示光束を照明光導光光学手段を通
過した後にプリズム内に入射させる入射面と、その入射
面から入射した光束を反射する第１反射面と、その第１
反射面で反射した光束を反射する第２反射面と、その第
２反射面で反射した光束をプリズム外に光束を射出する
射出面とを有し、第１反射面と射出面とが屈折反射兼用
面からなるものがある。

【００５６】さらに、反射型画像表示手段から反射され
た表示光束を照明光導光光学手段を通過した後にプリズ
ム内に入射させる入射面と、その入射面から入射した光
束を反射する第１反射面と、その第１反射面で反射した
光束を反射する第２反射面と、その第２反射面で反射し
た光束を反射する第３反射面と、その第３反射面で反射
した光束をプリズム外に光束を射出する射出面とを有
し、第２反射面と射出面とが屈折反射兼用面からなるも
のがある。

【００５７】また、本発明の観察光学系において、照明
光導光光学手段が、照明手段から射出された光束を入射
させる第１面と、第１面から入射した光束を全反射する
第２面と、第２面で全反射された光束を反射させる第３
面とを備えた透明部材からなり、第２面は、第３面で反
射された光束を透過させて反射型画像表示手段の表示面
を前方から照明するようにすると共に、反射型画像表示
手段の表示面から反射された表示光束を透過させ、第３
面は、第２面を透過した表示光束を透過させるビームス
プリット面を構成しているものとすることができる。

【００５８】この場合に、その透明部材の第３面側にそ
の透明部材による偏角を補償する偏角補償部材が配置さ
れていることが望ましい。

【００５９】もちろん、照明光導光光学手段以外に何ら
の偏角補償部材も配置しなくてもよい。この場合には、
次の条件を満足することが望ましい。

【００６０】まず、パラメータの定義をする。図１９は
照明光導光光学手段を通る軸上主光線を示した光路図で
あり、照明光導光光学手段の第２面（一般には、曲面あ
るいは平面）と軸上主光線の交点を通る接平面と、その
第３面（一般には、曲面あるいは平面）と軸上主光線の
交点を通る接平面とのなす角度αを頂角と定義する。そ
して、第２面に入射する軸上主光線と第３面から射出す
る軸上主光線とのなす角度θを偏角と定義する。

【００６１】一般に、頂角αを有する三角プリズム（そ
の屈折率をｎとする。）の最小偏角θ_min は次の式で求
まる。

【００６２】 θ_min ＝２ｓｉｎ^-1［ｎ・ｓｉｎ（α／２）］−α ・・・（２） ここで、照明光導光光学手段の第２面から第３面を通っ
た軸上主光線の偏角θと、その第２面と軸上主光線の交
点を通る接平面とその第３面と軸上主光線の交点を通る
接平面とのなす角度αの頂角を有する三角プリズムの最
小偏角θ_min との差であるθ−θ_min をΔθと定義する
とき、 Δθ＜２０° ・・・（３） 満たすことが重要である。この条件式の上限値の２０°
を越えてΔθが大きくなると、各画角の光束が照明光導
光光学手段で大きな角度で屈折されるため、偏心コマ収
差や色収差が発生しすぎ、これらの収差を接眼光学系の
プリズム部材で打ち消して補正することが困難となる。

【００６３】さらに好ましくは、 Δθ＜１０° ・・・（３−１） を満足することが望ましい。条件式の上限値の意味は上
記と同様である。

【００６４】さらに好ましくは、 Δθ＜３° ・・・（３−２） を満足することが望ましい。条件式の上限値の意味は上
記と同様である。

【００６５】本発明は、右眼用又は左眼用に以上の観察
光学系を備えて構成されている画像表示装置を含むもの
である。

【００６６】また、右眼用と左眼用に以上の観察光学系
を一対備えて構成されている画像表示装置を含むもので
ある。

【００６７】また、その画像表示装置が、観察者顔面前
方に位置するように、観察者頭部を支持する支持手段を
有して構成されている画像表示装置を含むものである。

【００６８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の観察光学系の実施
例１〜４について説明する。この実施例は逆光線追跡で
説明するが、像面に反射型画像表示素子を配置し、その
瞳位置に観察者の眼球の瞳を配置することにより観察光
学系として用いることができる。なお、この実施例の構
成パラメータは後に示す。

【００６９】各実施例において、図１に示すように、軸
上主光線１を物体中心を出て、瞳２の中心を通り、像面
３中心に到る光線で定義する。そして、軸上主光線１が
瞳２の面に入射する位置を観察光学系を構成する光学面
の原点として、瞳２の面に入射する軸上主光線１に沿う
方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面
をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙
面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ
軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
図１には、原点について定められた座標系を図示してあ
る。なお、実施例２については、軸上主光線１がプリズ
ム１０の第３面１３を射出した直後に軸上主光線１に垂
直な仮想面を想定し、その仮想面を射出する軸上主光線
１に沿う方向を新たなＺ軸方向とし、軸上主光線１の進
行方向に沿った方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面
中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平
面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸
正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸
をＹ軸とする。

【００７０】実施例１〜４では、瞳２の中心について定
められた座標系のＹ−Ｚ平面内でプリズム１０の各面の
偏心を行っており、また、その各回転非対称自由曲面の
唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。

【００７１】プリズム１０の偏心面については、瞳２の
中心について定められた座標系の原点から、その面の面
頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれ
ぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面につい
ては、前記（ａ）式のＺ軸、非球面にについては、後記
（ｂ）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
正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に
対して時計回りを意味する。

【００７２】また、実施例２において、偏角補償プリズ
ム７の照明光導光プリズム６側の面（第１１面）、照明
光導光プリズム６の偏角補償プリズム７側の面（第１２
面、第２０面）は、仮想面について定められた座標系に
対するその面の中心軸の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（°））が与えら
れている。また、照明光導光プリズム６のレンズ面（第
２２面）については、仮想面について定められた座標系
の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ
軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の
中心軸の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。

【００７３】また、実施例の光学系を構成する光学作用
面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成す
る場合には、面間隔が与えられており、その他、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。

【００７４】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が
自由曲面の軸となる。

【００７５】また、非球面は、以下の定義式で与えられ
る回転対称非球面である。

【００７６】 Ｚ＝（Ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］ ＋ＡＹ⁴ ＋ＢＹ⁶ ＋ＣＹ⁸ ＋ＤＹ¹⁰＋…… ・・・（ｂ） ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光
線）とし、Ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは
近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、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。
この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

【００７７】なお、データの記載されていない自由曲
面、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。

【００７８】また、自由曲面の他の定義式として、以下
の（ｃ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。
この面の形状は以下の式により定義する。その定義式の
Ｚ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面
の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定
義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回
りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。

【００７９】 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)・・・・・ ・・・（ｃ） なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ
₄ ，Ｄ₅ ，Ｄ₆ 、Ｄ₁₀０，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ
₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。

【００８０】その他の面の例として、次の定義式（ｄ）
があげられる。

【００８１】Ｚ＝ΣΣＣ_nmＸＹ 例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したと
き、以下の式で表せる。

【００８２】 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 ｜ ・・・（ｄ） なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由
曲面で面形状が表現されているが、上記（ｃ）式、
（ｄ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言う
までもない。

【００８３】なお、回折光学素子に関しては、例えば
「光学系デザイナーのための小型光学エレメント」第
６、７章（オプトロニクス社刊）や「ＳＰＩＥ」第１２
６巻、ｐ．４６〜５３（１９７７）等に記載されてお
り、可視域でのアッべ数ν＝−３．４５３、部分分散比
θ_g,F ＝０．０３であり、その回折格子の間隔を自由に
変えることが可能なため、任意の非球面レンズ面と等価
に扱える。以下では、「ＳＰＩＥ」第１２６巻、ｐ．４
６〜５３（１９７７）に記載されている「ｕｌｔｒａ−
ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ」を用いている。

【００８４】本発明の実施例１の光軸を含むＹ−Ｚ断面
図を図１に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２
２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであ
り、その対角長Ｈは１２ｍｍ、画像表示素子の表示面３
が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸
との交わる位置との間の間隔Ｌは１２．６３２ｍｍで、
Ｌ／Ｈ＝１．０５３（条件式（１）の値）であり、瞳径
は４ｍｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの
距離（アイレリーフ）は３０．０ｍｍである。

【００８５】この実施例は、逆光線追跡で、物体側から
光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、回折光学素子
８、偏角補償プリズム７、照明光導光プリズム６、像面
（反射型画像表示素子の表示面）３からなり、また、照
明光導光プリズム６の照明光入射側には、光源４、フレ
ネルレンズ５が配置されている。

【００８６】プリズム１０は第１面１１から第３面１３
で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリ
ズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された
光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１か
ら入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第
１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するよう
に構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を
併せ持つ同一の光学作用面となっている。

【００８７】また、回折光学素子８は、そのプリズム１
０側の面が回折面９となっており、回折光学素子８は反
対側の面で偏角補償プリズム７に接着されている。

【００８８】また、照明光導光プリズム６は、第１面１
６、第２面１７、第３面１８からなる三角プリズムであ
り、第１面１６がフレネルレンズ５で光源４からの発散
光が略平行にされた光束をプリズム内に導入する面であ
り、照明光軸に垂直に配置されている。その導入照明光
は、第３面１８で全反射され、照明光導光プリズム６と
偏角補償プリズム７の接着面で偏光ビームスプリット面
を構成する第２面１７に入射して反射され、今度は第３
面１８を透過して像面３に配置された例えば反射型液晶
表示素子の表示面を略垂直に照明するようになってい
る。

【００８９】像面３に配置された反射型液晶表示素子の
表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面
１８からプリズム内に入り、第２面１７の偏光ビームス
プリット面を今度は透過して偏角補償プリズム７内に入
り、その射出側の面に配置された回折光学素子８を通
り、その回折面９で回折され、プリズム１０の第３面１
３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射さ
れ、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折さ
れてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観
察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡
大像を形成する。

【００９０】後記の構成パラメータの第２面から第５面
までがプリズム１０であり、第６面が回折面９で、第７
面がその基板面である。第８面と第９面間が偏角補償プ
リズム７、第９面、第１３面は偏光ビームスプリット面
１７、第９面と第１０面間、第１２面と第１３面間、第
１３面から第１５面までが照明光導光プリズム６、第１
６面と第１７面間がフレネルレンズ５で第１６面がフレ
ネルレンズ面である。第１８面は光源４である。そし
て、第２面から第１８面の各面は第１面の射出瞳２の中
心を基準とした偏心量で表されている。

【００９１】本発明の実施例２の光軸を含むＹ−Ｚ断面
図を図２に、Ｘ−Ｚ方向光路図を図３に示す。この実施
例の観察光学系の水平画角２２°、画像表示素子の大き
さは９．６×７．２ｍｍであり、その対角長Ｈは１１．
８１ｍｍ、画像表示素子の表示面３が光軸と交わる位置
とプリズム１０の入射面１３が光軸との交わる位置との
間の間隔Ｌは１３．３５ｍｍで、Ｌ／Ｈ＝１．１３０８
４（条件式（１）の値）であり、瞳径は４ｍｍ、プリズ
ム１０の射出面１１から射出瞳までの距離（アイレリー
フ）は３２ｍｍである。

【００９２】この実施例は、逆光線追跡で、物体側から
光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、回折光学素子
８、偏角補償プリズム７、照明光導光プリズム６、像面
（反射型画像表示素子の表示面）３からなり、また、照
明光導光プリズム６の照明光入射側にはレンズ面１６’
が設けられ、その前方に光源４が配置されている。この
実施例の特徴は、図３から明らかなように、光源４が照
明光導光プリズム６に対してＸ方向に偏心して配置さ
れ、照明光導光プリズム６の偏光ビームスプリット面１
７’がＹ軸の周りで傾いて配置され（プリズム１０の面
１１〜１３はＸ軸の周りで傾いて配置されている。）、
かつ、その偏光ビームスプリット面１７’が平面でなく
パワーを有する自由曲面で形成されている点である。

【００９３】プリズム１０は、実施例１と同様に、第１
面１１から第３面１３で構成され、その第１面１１は物
体側からの光束をプリズム１０内に入射させると共に第
２面１２で反射された光束をプリズム内で反射し、第２
面１２は第１面１１から入射した光束をプリズム内で反
射し、第３面１３は第１面１１で反射された光束をプリ
ズム外へ射出するように構成されており、第１面１１は
透過作用と反射作用を併せ持つ同一の光学作用面となっ
ている。

【００９４】また、回折光学素子８は、そのプリズム１
０とは反対側（偏角補償プリズム７側）の面が回折面９
となっている。

【００９５】また、照明光導光プリズム６は、第１面１
６’、第２面１７’、第３面１８からなる三角形状のプ
リズムであるが、第１面１６’は凸状球面のレンズ面か
らなり、第２面１７’は非平面の自由曲面からなり、第
１面１６’のレンズ面は光源４からの発散光束を平行光
に近い発散光束に変換してプリズム内に導入する面であ
り、照明光軸に垂直に配置されている。その導入照明光
は、第３面１８の平面で全反射され、照明光導光プリズ
ム６と偏角補償プリズム７の接着面で偏光ビームスプリ
ット面を構成する自由曲面の第２面１７’に入射して偏
心収差をある程度補正しながら略平行光として反射さ
れ、今度は第３面１８を透過して像面３に配置された例
えば反射型液晶表示素子の表示面を略垂直に照明するよ
うになっている。

【００９６】像面３に配置された反射型液晶表示素子の
表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面
１８からプリズム内に入り、第２面１７’の偏光ビーム
スプリット面を今度は透過して偏角補償プリズム７内に
入り、その射出側に配置された回折光学素子８の回折面
９で回折され、プリズム１０の第３面１３からプリズム
１０内に入り、第１面１１で全反射され、第２面１２で
反射されて今度は第１面１１で屈折されてプリズム１０
外に射出し、射出瞳２の位置にある観察者眼球内に入
り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡大像を形成す
る。

【００９７】下記の構成パラメータの第２面から第５面
までがプリズム１０であり、第５面は仮想面、第８面は
回折面９の基板面、第９面が回折面９である。第１０面
と第１１面間が偏角補償プリズム７、第１２面、第２０
面は偏光ビームスプリット面１７’、第１２面と第１３
面間、第１９面と第２０面間、第２０面から第２２面ま
でが照明光導光プリズム６で、第２２面が集光レンズ面
である。また、第１４面と第１５面間、第１７面と第１
８面間はＬＣＤの偏光板、第１５面と第１６面（像面）
間、第１６面（像面）と第１７面間はＬＣＤの基板ガラ
スである。また、第２３面は光源４である。そして、第
２面から第６面（仮想面）の各面は第１面の射出瞳２の
中心を基準とした偏心量で表されており、第６面から第
２１面までの間は軸上主光線１に沿う軸上間隔で面の位
置が指定されており、その中、第１１面、第１２面、第
２０面（＝第１２面）については光軸に対するそれらの
面の中心軸の傾き角βのみが偏心量として与えられてい
る。第２２面のレンズ面については、第６面の仮想面に
ついて定められた座標系におけるその面の面頂位置の偏
心量が与えられており、光源４の位置は第２２面からの
軸上主光線１に沿う軸上間隔で与えられている。

【００９８】なお、実施例２の光学系はこのような構成
であるので、プリズム１０に対して照明光源４を反射型
画像表示素子の表示面３と別の方向（例えば、表示面３
をプリズム１０の上方に配置する場合には、照明光源４
をプリズム１０の右側あるいは左側）に配置することが
でき、ヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置を小
型に構成することができる。また、実施例１の場合に比
較して、フレネルレンズを必要としない分、光学系をコ
ンパクト化できる。さらに、光源４からの照明光を略平
行化させるパワーの一部を光源４から離れていて像面３
に近い偏光ビームスプリット面１７’に持たせることが
できるので、照明の均一化と共に、比較的大きな光源４
を用いることができるようになる。

【００９９】本発明の実施例３の光軸を含むＹ−Ｚ断面
図を図４に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２
２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであ
り、その対角長Ｈは１２ｍｍ、画像表示素子の表示面３
が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸
との交わる位置との間の間隔Ｌは１１．５２ｍｍで、Ｌ
／Ｈ＝０．９６（条件式（１）の値）であり、Δθ＝
０．５０°（条件式（３）の値）であり、瞳径は４ｍ
ｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの距離
（アイレリーフ）は２９．９ｍｍである。

【０１００】この実施例は、逆光線追跡で、物体側から
光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、照明光導光プ
リズム６、像面（反射型画像表示素子の表示面）３から
なり、また、照明光導光プリズム６の照明光入射側に
は、光源４、フレネルレンズ５が配置されている。

【０１０１】プリズム１０は第１面１１から第３面１３
で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリ
ズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された
光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１か
ら入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第
１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するよう
に構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を
併せ持つ同一の光学作用面となっている。

【０１０２】また、照明光導光プリズム６は、第１面１
６、第２面１７、第３面１８からなる三角プリズムであ
り、全て平面で構成され、第１面１６がフレネルレンズ
５で光源４からの発散光が略平行にされた光束をプリズ
ム内に導入する面であり、照明光軸に垂直に配置されて
いる。その導入照明光は、第３面１８で全反射され、照
明光導光プリズム６の偏光ビームスプリット面を構成す
る第２面１７に入射して反射され、今度は第３面１８を
透過して像面３に配置された例えば反射型液晶表示素子
の表示面を略垂直に照明するようになっている。

【０１０３】像面３に配置された反射型液晶表示素子の
表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面
１８からプリズム内に入り、第２面１７の偏光ビームス
プリット面を今度は透過して、プリズム１０の第３面１
３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射さ
れ、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折さ
れてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観
察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡
大像を形成する。

【０１０４】後記の構成パラメータの第２面から第５面
までがプリズム１０であり、第６面と第７面が間、第９
面と第１０面間、第１０面から第１２面までが照明光導
光プリズム６、第１３面と第１４間がフレネルレンズ５
でその両面がフレネルレンズ面である。第１５面は光源
４である。そして、第２面から第１５面の各面は第１面
の射出瞳２の中心を基準とした偏心量で表されている。

【０１０５】本発明の実施例４の光軸を含むＹ−Ｚ断面
図を図５に示す。この実施例の観察光学系の水平画角２
２°、画像表示素子の大きさは９．６×７．２ｍｍであ
り、その対角長Ｈは１２ｍｍ、画像表示素子の表示面３
が光軸と交わる位置とプリズム１０の入射面１３が光軸
との交わる位置との間の間隔Ｌは１１．７５ｍｍで、Ｌ
／Ｈ＝０．９８（条件式（１）の値）であり、Δθ＝
０．４１°（条件式（３）の値）であり、瞳径は４ｍ
ｍ、プリズム１０の射出面１１から射出瞳までの距離
（アイレリーフ）は２９．９ｍｍである。

【０１０６】この実施例は、逆光線追跡で、物体側から
光の通る順に、射出瞳２、プリズム１０、照明光導光プ
リズム６、像面（反射型画像表示素子の表示面）３から
なり、また、照明光導光プリズム６の照明光入射側に
は、光源４、フレネルレンズ５が配置されている。

【０１０７】プリズム１０は第１面１１から第３面１３
で構成され、その第１面１１は物体側からの光束をプリ
ズム１０内に入射させると共に第２面１２で反射された
光束をプリズム内で反射し、第２面１２は第１面１１か
ら入射した光束をプリズム内で反射し、第３面１３は第
１面１１で反射された光束をプリズム外へ射出するよう
に構成されており、第１面１１は透過作用と反射作用を
併せ持つ同一の光学作用面となっている。

【０１０８】また、照明光導光プリズム６は、第１面１
６、第２面１７、第３面１８からなる三角プリズムであ
り、第１面１６、第３面１８は平面、第２面１７は凸の
球面で構成され、第１面１６がフレネルレンズ５で光源
４からの発散光が略平行にされた光束をプリズム内に導
入する面であり、照明光軸に垂直に配置されている。そ
の導入照明光は、第３面１８で全反射され、照明光導光
プリズム６の偏光ビームスプリット面を構成する第２面
１７に入射して反射され、今度は第３面１８を透過して
像面３に配置された例えば反射型液晶表示素子の表示面
を略垂直に照明するようになっている。

【０１０９】像面３に配置された反射型液晶表示素子の
表示面からの表示光は、照明光導光プリズム６の第３面
１８からプリズム内に入り、第２面１７の偏光ビームス
プリット面を今度は透過して、プリズム１０の第３面１
３からプリズム１０内に入り、第１面１１で全反射さ
れ、第２面１２で反射されて今度は第１面１１で屈折さ
れてプリズム１０外に射出し、射出瞳２の位置にある観
察者眼球内に入り、反射型液晶表示素子の表示画像の拡
大像を形成する。

【０１１０】後記の構成パラメータの第２面から第５面
までがプリズム１０であり、第６面と第７面が間、第９
面と第１０面間、第１０面から第１２面までが照明光導
光プリズム６、第１３面と第１４間がフレネルレンズ５
でその両面がフレネルレンズ面である。第１５面は光源
４である。そして、第２面から第１５面の各面は第１面
の射出瞳２の中心を基準とした偏心量で表されている。

【０１１１】以下に上記各実施例の構成パラメータを示
す。以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は
非球面、“ＤＯＥ”は回折面、“ＰＢＳ”は偏光ビーム
スプリット面、“ＦＬＳ”はフレネルレンズ面、“ＬＣ
Ｄ”は反射型液晶表示素子の表示面、“ＨＲＰ”は仮想
面をそれぞれ示す。

【０１１２】 （実施例１） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 偏心(1) 2 ＡＳＳ 偏心(2) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ 偏心(3) 1.5254 56.2 4 ＡＳＳ 偏心(2) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ 偏心(4) 6 ＡＳＳ（ＤＯＥ） 偏心(5) 1001.0682 -3.5 7 ∞ 偏心(5) 1.4922 57.5 8 ∞ 偏心(6) 1.5163 64.1 9 ∞（ＰＢＳ） 偏心(7) 1.5163 64.1 10 ∞ 偏心(8) 像 面 ∞（ＬＣＤ） 偏心(9) 12 ∞ 偏心(8) 1.5163 64.1 13 ∞（ＰＢＳ） 偏心(7) 1.5163 64.1 14 ∞ 偏心(8) 1.5163 64.1 15 ∞ 偏心(10) 16 ＡＳＳ（ＦＬＳ） 偏心(11) 1.4922 57.5 17 ∞ 偏心(12) 光 源 ∞ 偏心(13) ＡＳＳ Ｒ -162.42 Ｋ -2.6327×10⁺² Ａ -4.6353×10^-6 Ｂ 5.3343×10^-9 Ｃ -1.4026e-012 ＡＳＳ Ｒ 459974.36 Ｋ -1.0000 Ａ 1.9948×10^-8 Ｂ -1.3816×10^-10 ＡＳＳ Ｒ -5.01 Ｋ -3.5319×10^-1 Ａ 4.0969×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ -7.2345×10^-3 Ｃ₆ -6.9125×10^-3 Ｃ₈ 4.4026×10^-5 Ｃ₁₀ 6.4432×10^-5 Ｃ₁₁ 1.4416×10^-6 Ｃ₁₃ 1.8224×10^-6 Ｃ₁₅ 4.1031×10^-6 Ｃ₁₇ -7.0792×10^-8 Ｃ₁₉ 9.9564×10^-8 Ｃ₂₁ 1.4815×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.9459×10^-2 Ｃ₆ -2.5266×10^-2 Ｃ₈ 3.3469×10^-4 Ｃ₁₀ 3.6981×10^-4 Ｃ₁₁ -1.3936×10^-5 Ｃ₁₃ 4.0624×10^-5 Ｃ₁₅ -4.6353×10^-6 Ｃ₁₇ 1.8299×10^-6 Ｃ₁₉ -6.3031×10^-7 Ｃ₂₁ 1.6919×10^-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -2.98 Ｚ 30.33 α 5.72 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 2.28 Ｚ 40.11 α -15.25 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 18.69 Ｚ 35.95 α 66.23 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 20.15 Ｚ 37.39 α 49.42 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 20.91 Ｚ 38.04 α 49.42 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 24.20 Ｚ 40.86 α 49.42 β -30.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 27.08 Ｚ 43.33 α 49.42 β 0.00 γ 0.00 偏心(9) Ｘ 0.00 Ｙ 28.22 Ｚ 44.31 α 49.42 β 0.00 γ 0.00 偏心(10) Ｘ 15.00 Ｙ 23.29 Ｚ 40.08 α 49.42 β 60.00 γ 0.00 偏心(11) Ｘ 15.87 Ｙ 22.91 Ｚ 39.75 α 49.42 β 60.00 γ 0.00 偏心(12) Ｘ 16.73 Ｙ 22.53 Ｚ 39.43 α 49.42 β 60.00 γ 0.00 偏心(13) Ｘ 21.06 Ｙ 20.63 Ｚ 37.80 α 49.42 β 60.00 γ 0.00 。

【０１１３】 （実施例２） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ＡＳＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 5 ＦＦＳ 偏心(3) 6 ∞（ＨＲＰ） 1.50 偏心(4) 7 ∞ 1.40 1.5254 56.2 8 ∞ 0.00 1001.0682 -3.5 9 -209750.722 （ＤＯＥ） 0.50 10 ∞ 3.50 1.5163 64.1 11 ＦＦＳ 0.13 偏心(5) 1.5163 64.1 12 ＦＦＳ（ＰＢＳ） 3.50 偏心(5) 1.5163 64.1 13 ∞ 1.56 14 ∞ 0.16 1.5860 34.5 15 ∞ 1.10 1.5230 59.4 像 面 ∞（ＬＣＤ） -1.10 1.5230 59.4 17 ∞ -0.16 1.5860 34.5 18 ∞ -1.56 19 ∞ -3.50 1.5163 64.1 20 ＦＦＳ（ＰＢＳ） 3.50 偏心(5) 1.5163 64.1 21 ∞ 1.5163 64.1 22 7.21 -3.00 偏心(6) 光 源 ∞ ＡＳＳ Ｒ -176.22 Ｋ -3.7387×10¹ Ａ -1.6692×10^-6 Ｂ 2.9814×10^-9 Ｃ -2.0018×10^-12 ＦＦＳ Ｃ₄ -6.8800×10^-3 Ｃ₆ -6.3619×10^-3 Ｃ₈ 4.1553×10^-5 Ｃ₁₀ 6.8837×10^-5 Ｃ₁₁ 1.2241×10^-6 Ｃ₁₃ 3.3302×10^-6 Ｃ₁₅ 2.5098×10^-6 Ｃ₁₇ 3.8987×10^-8 Ｃ₁₉ 1.2588×10^-7 Ｃ₂₁ 5.2527×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.3155×10^-2 Ｃ₆ -3.0035×10^-2 Ｃ₈ 4.7893×10^-4 Ｃ₁₀ 5.9168×10^-4 Ｃ₁₁ 7.4760×10^-6 Ｃ₁₃ 4.6108×10^-5 Ｃ₁₅ 1.6986×10^-5 Ｃ₁₇ -7.6840×10^-7 Ｃ₁₉ -3.8926×10^-6 Ｃ₂₁ -2.0872×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 5.4934×10^-3 Ｃ₆ 6.3953×10^-3 Ｃ₇ 1.0601×10^-5 Ｃ₉ 9.1337×10^-5 Ｃ₁₁ -9.3191×10^-5 Ｃ₁₃ -5.8444×10^-5 Ｃ₁₅ -6.3873×10^-5 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -2.61 Ｚ 32.27 α 5.50 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 3.08 Ｚ 42.45 α -14.95 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 18.35 Ｚ 39.28 α 60.78 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 18.86 Ｚ 38.29 α 49.61 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β -27.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 9.72 Ｙ 0.00 Ｚ -3.56 α 0.00 β 54.00 γ 0.00 。

【０１１４】 （実施例３） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ 偏心(1) 1.4922 57.5 3 ＦＦＳ 偏心(2) 1.4922 57.5 4 ＡＳＳ 偏心(1) 1.4922 57.5 5 ＦＦＳ 偏心(3) 6 ∞ 偏心(4) 1.5163 64.1 7 ∞ 偏心(5) 像 面 ∞（ＬＣＤ） 偏心(6) 9 ∞ 偏心(5) 1.5163 64.1 10 ∞ 偏心(4) 1.5163 64.1 11 ∞ 偏心(5) 1.5163 64.1 12 ∞ 偏心(7) 13 -30.06（ＦＬＳ） 偏心(8) 1.4922 57.5 14 12.35（ＦＬＳ） 偏心(9) 光 源 ∞ 偏心(10) ＡＳＳ Ｒ -123.45 Ｋ 2.4441×10¹ Ａ -2.7160×10^-6 Ｂ -1.6340×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -9.5216×10^-3 Ｃ₆ -9.5181×10^-3 Ｃ₈ -4.5578×10^-5 Ｃ₁₀ -3.7547×10^-5 Ｃ₁₁ 9.5818×10^-7 Ｃ₁₃ -8.0328×10^-6 Ｃ₁₅ -4.4319×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ -4.3543×10^-4 Ｃ₆ -8.9975×10^-3 Ｃ₈ -5.4549×10^-4 Ｃ₁₀ -2.5114×10^-3 Ｃ₁₁ -2.6896×10^-4 Ｃ₁₃ -3.1730×10^-5 Ｃ₁₅ -2.4193×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 1.13 Ｚ 29.92 α 4.34 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 1.88 Ｚ 38.79 α -17.70 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 16.33 Ｚ 35.91 α 36.94 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 18.19 Ｚ 35.83 α 52.78 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 22.31 Ｚ 37.69 α 82.86 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 24.94 Ｚ 40.37 α 53.05 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 16.21 Ｚ 45.33 α 125.46 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 15.40 Ｚ 45.91 α 125.46 β 0.00 γ 0.00 偏心(9) Ｘ 0.00 Ｙ 14.58 Ｚ 46.49 α 125.46 β 0.00 γ 0.00 偏心(10) Ｘ 0.00 Ｙ 6.47 Ｚ 52.27 α 125.46 β 0.00 γ 0.00 。

【０１１５】 （実施例４） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＡＳＳ 偏心(1) 1.4922 57.5 3 ＦＦＳ 偏心(2) 1.4922 57.5 4 ＡＳＳ 偏心(1) 1.4922 57.5 5 ＦＦＳ 偏心(3) 6 118.41 偏心(4) 1.5163 64.1 7 ∞ 偏心(5) 像 面 ∞（ＬＣＤ） 偏心(6) 9 ∞ 偏心(5) 1.5163 64.1 10 118.41 偏心(4) 1.5163 64.1 11 ∞ 偏心(5) 1.5163 64.1 12 ∞ 偏心(7) 13 -30.06（ＦＬＳ） 偏心(8) 1.4922 57.5 14 12.35（ＦＬＳ） 偏心(9) 光 源 ∞ 偏心(10) ＡＳＳ Ｒ -120.91 Ｋ 1.5416×10¹ Ａ -1.8088×10^-6 Ｂ -1.0868×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -9.5691×10^-3 Ｃ₆ -9.6261×10^-3 Ｃ₈ -2.0834×10^-5 Ｃ₁₀ -1.0268×10^-5 Ｃ₁₁ -1.4779×10^-6 Ｃ₁₃ -5.9133×10^-6 Ｃ₁₅ -2.3277×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ 1.3701×10^-3 Ｃ₆ -1.0273×10^-3 Ｃ₈ -1.6989×10^-4 Ｃ₁₀ -2.1410×10^-3 Ｃ₁₁ -1.0113×10^-4 Ｃ₁₃ -2.2842×10^-5 Ｃ₁₅ -2.5071×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 1.16 Ｚ 29.92 α 4.31 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 1.82 Ｚ 38.76 α -17.65 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 17.37 Ｚ 35.09 α 39.15 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 17.84 Ｚ 35.85 α 50.44 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 21.90 Ｚ 37.79 α 80.65 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) Ｘ 0.00 Ｙ 24.45 Ｚ 40.57 α 51.94 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) Ｘ 0.00 Ｙ 16.23 Ｚ 45.31 α 124.23 β 0.00 γ 0.00 偏心(8) Ｘ 0.00 Ｙ 15.41 Ｚ 45.87 α 124.23 β 0.00 γ 0.00 偏心(9) Ｘ 0.00 Ｙ 14.58 Ｚ 46.44 α 124.23 β 0.00 γ 0.00 偏心(10) Ｘ 0.00 Ｙ 8.33 Ｚ 50.69 α 124.23 β 0.00 γ 0.00 。

【０１１６】上記実施例１〜４の横収差をそれぞれ図６
〜図９に示す。これらの横収差図において、括弧内に示
された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角
における横収差を示す。

【０１１７】ところで、以上の実施例の本発明の観察光
学系を構成するプリズム１０としては、上記の実施例の
内部反射回数２回で第１面が屈折面と反射面を兼用する
タイプのプリズムを用いたが、本発明の観察光学系にお
いてプリズム１０として用いるプリズムはこれに限られ
るものではない。図１０〜図１８にその例を示す。な
お、逆光線追跡で説明する。

【０１１８】図１０の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って
入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射
し、第２面３３で内部反射し、第３面３４に入射して屈
折されて、像面３６に結像する。 図１１の場合は、プ
リズムＰは第１面３２、第２面３３、第３面３４、第４
面３５からなり、瞳３１を通って入射した光は、第１面
３２で屈折してプリズムＰに入射し、第２面３３で内部
反射し、第３面３４で内部反射し、第４面３５に入射し
て屈折されて、像面３６に結像する。

【０１１９】図１２の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳
３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリ
ズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、再び第１面
３２に入射して今度は全反射し、第３面３４で内部反射
し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に結像
する。

【０１２０】図１３の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳
３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリ
ズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４
に入射して全反射し、第４面３５に入射して内部反射
し、再び第３面３４に入射して今度は屈折されて、像面
３６に結像する。

【０１２１】図１４の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って
入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射
し、第２面３３で内部反射し、第３面３４で内部反射
し、再び第１面３２に入射して今度は全反射し、再び第
２面３３に入射して今度は屈折されて、像面３６に結像
する。

【０１２２】図１５の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳
３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリ
ズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４
に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部
反射し、第４面３５に入射して屈折されて、像面３６に
結像する。

【０１２３】図１６の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４、第４面３５からなり、瞳
３１を通って入射した光は、第１面３２で屈折してプリ
ズムＰに入射し、第２面３３で内部反射し、第３面３４
に入射して内部反射し、第２面３３に再度入射して内部
反射し、第４面３５に入射して内部反射し、第２面３３
に再度入射して今度は屈折されて、像面３６に結像す
る。

【０１２４】図１７の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って
入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射
し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射し
て今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第
１面３２に入射して全反射し、第３面３４に再度入射し
て今度は屈折されて、像面３６に結像する。

【０１２５】図１８の場合は、プリズムＰは第１面３
２、第２面３３、第３面３４からなり、瞳３１を通って
入射した光は、第１面３２で屈折してプリズムＰに入射
し、第２面３３で内部反射し、再び第１面３２に入射し
て今度は全反射し、第３面３４で内部反射し、三たび第
１面３２に入射して全反射し、再び第３面３４に入射し
て内部反射し、四たび第１面３２に入射して今度は屈折
されて、像面３６に結像する。

【０１２６】以上のような本発明による観察光学系は、
例えば頭部装着型画像表示装置の光学系として用いるこ
とができる。その例を以下に示す。

【０１２７】まず、図２０に頭部装着型で両眼装着用の
画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を、図２１に
その断面図を示す。この構成は、本発明による観察光学
系を図２１に示すように接眼光学系１００として用いて
おり、この接眼光学系１００と反射型画像表示素子１０
１からなる組みを左右一対用意し、それらを眼輻距離だ
け離して支持することにより、両眼で観察できる据え付
け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型
の画像表示装置１０２として構成されている。

【０１２８】すなわち、表示装置本体１０２には、前記
のような観察光学系が接眼光学系１００として用いら
れ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それら
に対応して像面に反射型液晶表示素子からなる反射型画
像表示素子１０１が配置されている。そして、表示装置
本体１０２には、図２０に示すように、左右に連続して
図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、表示装置
本体１０２を観察者の眼前に保持できるようになってい
る。なお、各画像表示装置１０２の接眼光学系１００の
プリズム１０の第１面１１（図１）を保護するために、
図２１に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と第１
面１１の間にカバー部材９１が配置されている。このカ
バー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは
負レンズの何れを用いてもよい。

【０１２９】また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１
０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞く
ことができるようになっている。このようにスピーカ１
０４を有する表示装置本体１０２には、映像音声伝達コ
ード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生
装置１０６が接続されているので、観察者はこの再生装
置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保
持して、映像音響を楽しむことができるようになってい
る。図２０の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、
ボリューム等の調節部である。なお、表示装置本体１０
２の内部に映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵
させてある。

【０１３０】なお、コード１０５は先端をジャックにし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
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よい。

【０１３１】さらに、本発明による観察光学系は、接眼
光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部
装着型画像表示装置に用いてもよい。図２２にその片眼
装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着（この場合
は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、接眼
光学系１００と反射型画像表示素子１０１からなる組み
１つからなる表示装置本体１０２が前フレーム１０８の
対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム
１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１
０３が設けられており、表示装置本体１０２を観察者の
片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は
図２０の場合と同様であり、説明は省く。

【０１３２】ところで、以上のような本発明による観察
光学系を用いた両眼あるいは片眼装着用の頭部装着型画
像表示装置において、外界像を表示像と同時にあるいは
表示像と外界像を選択的に観察可能にするには、図２１
に示すように、接眼光学系１００を構成する偏心プリズ
ム１０の射出瞳に面する反射面１２を半透過反射面と
し、その半透過反射面１２に接してあるいは若干離間し
て偏心プリズム１０による偏角あるいはパワーを補償す
る別の偏心プリズム２０を配置し、２つの偏心プリズム
１０、２０を透過して外界を観察可能に構成することが
望ましい。その場合には、破線で示した外界光を遮断し
たり透過させる液晶シャッターのようなシャッター２１
を別の偏心プリズム２０の入射側（観察者の眼とは反対
の側）に配置して、シャッター２１を開いて外界像を観
察（シースルー）可能にするか、外界像と表示像の重畳
像を観察可能にし、シャッター２１を閉じて表示素子１
０１の表示像を観察可能に構成することが望ましい。

【０１３３】以上の本発明の観察光学系及びそれを用い
た画像表示装置は次のように構成することができる。

【０１３４】〔１〕 観察するための画像を形成する表
示面の前側から入射した照明光束を反射することによっ
て画像を表示する反射型画像表示手段と、前記画像を観
察者の眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備
えた観察光学系において、前記画像表示手段が、照明手
段と、前記照明手段から射出された光束を前記表示面の
前側から照射できるように照明光束を導く照明光導光光
学手段とを有し、前記接眼光学系が、前記反射型画像表
示手段から反射された表示光束を前記照明光導光光学手
段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面と、プ
リズム内で光束を反射する少なくとも１つの反射面と、
プリズム外に光束を射出する射出面とを有するプリズム
部材を備えており、前記プリズム部材の前記少なくとも
１つの反射面が、光軸に対して偏心して配置され、その
偏心によって発生する偏心収差を補正すると共に、光束
に対してパワーを与える回転非対称な曲面形状にて形成
され、前記プリズム部材の入射面と前記反射型画像表示
手段の表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して前
記画像を前記瞳位置に導くように構成されていることを
特徴とする観察光学系。

【０１３５】０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１ ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わ
る画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わ
る位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高
（表示面が四角形の場合は対角長）である。

【０１３６】〔２〕 前記反射型画像表示手段が反射型
液晶表示素子からなることを特徴とする上記１記載の観
察光学系。

【０１３７】〔３〕 前記プリズム部材の入射面側に回
折光学素子を備えていることを特徴とする上記１又は２
記載の観察光学系。

【０１３８】〔４〕 前記プリズム部材が屈折面と反射
面を兼用した屈折反射兼用面を少なくとも１面備えてい
ることを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の観
察光学系。

【０１３９】〔５〕 前記プリズム部材が、前記反射型
画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光
光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面
と、前記入射面から入射した光束を反射する第１反射面
と、前記第１反射面で反射した光束を反射する第２反射
面と、前記第２反射面で反射した光束をプリズム外に光
束を射出する射出面とを有し、前記第１反射面と前記射
出面とが屈折反射兼用面からなることを特徴とする上記
４記載の観察光学系。

【０１４０】〔６〕 前記プリズム部材が、前記反射型
画像表示手段から反射された表示光束を前記照明光導光
光学手段を通過した後にプリズム内に入射させる入射面
と、前記入射面から入射した光束を反射する第１反射面
と、前記第１反射面で反射した光束を反射する第２反射
面と、前記第２反射面で反射した光束を反射する第３反
射面と、前記第３反射面で反射した光束をプリズム外に
光束を射出する射出面とを有し、前記第２反射面と前記
射出面とが屈折反射兼用面からなることを特徴とする上
記４記載の観察光学系。

【０１４１】〔７〕 前記照明光導光光学手段が、前記
照明手段から射出された光束を入射させる第１面と、前
記第１面から入射した光束を全反射する第２面と、前記
第２面で全反射された光束を反射させる第３面とを備え
た透明部材からなり、前記第２面は、前記第３面で反射
された光束を透過させて前記反射型画像表示手段の表示
面を前方から照明するようにすると共に、前記反射型画
像表示手段の表示面から反射された表示光束を透過さ
せ、前記第３面は、前記第２面を透過した表示光束を透
過させるビームスプリット面を構成していることを特徴
とする上記１から６の何れか項記載の観察光学系。

【０１４２】〔８〕 前記透明部材の前記第３面側に前
記透明部材による偏角を補償する偏角補償部材が配置さ
れていることを特徴とする上記７記載の観察光学系。

【０１４３】

〔９〕 前記透明部材の前記第３面側に前
記透明部材による偏角を補償する何らの偏角補償部材も
配置されていないことを特徴とする上記７記載の観察光
学系。

【０１４４】〔１０〕 前記照明光導光光学手段の第２
面に入射し第３面から射出した軸上主光線の偏角θと、
前記第２面と軸上主光線の交点を通る接平面と前記第３
面と軸上主光線の交点を通る接平面とのなす角度αの頂
角を有する三角プリズムの最小偏角θ_min との差である
θ−θ_min をΔθと定義するとき、 Δθ＜２０° ・・・（３） の条件式を満足するように構成されていることを特徴と
する上記９記載の観察光学系。

【０１４５】〔１１〕 前記透明部材の前記第３面が偏
光ビームスプリット面として構成されていることを特徴
とする上記７から１０の何れか１項記載の観察光学系。

【０１４６】〔１２〕 前記透明部材の前記第３面が光
軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生す
る偏心収差を補正する回転非対称な曲面形状にて形成さ
れていることを特徴とする上記７から１０の何れか１項
記載の観察光学系。

【０１４７】〔１３〕 前記照明手段が前記プリズム部
材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と異なる方
向に偏心して配置され、前記透明部材の前記第３面が前
記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方
向と異なる方向に偏心して配置されていることを特徴と
する上記７から１２の何れか１項記載の観察光学系。

【０１４８】〔１４〕 前記照明手段の偏心方向と前記
透明部材の前記第３面の偏心方向とが、前記プリズム部
材の前記少なくとも１つの反射面の偏心方向と略直交し
ていることを特徴とする上記１３記載の観察光学系。

【０１４９】〔１５〕 右眼用又は左眼用に上記１から
１４の何れか１項記載の前記観察光学系を備えて構成さ
れていることを特徴とする画像表示装置。

【０１５０】〔１６〕 右眼用と左眼用に上記１から１
４の何れか１項記載の前記観察光学系を一対備えて構成
されていることを特徴とする画像表示装置。

【０１５１】〔１７〕 前記画像表示装置が、観察者顔
面前方に位置するように、観察者頭部を支持する支持手
段を有して構成されていることを特徴とする上記１５又
は１６記載の画像表示装置。

【０１５２】

【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、偏心プリズムからなる接眼光学系と反射型画
像表示素子とを用いて小型で明るく高性能の観察光学系
及びそれを用いた画像表示装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の観察光学系の断面図であ
る。

【図２】本発明の実施例２の観察光学系のＹ−Ｚ断面図
である。

【図３】本発明の実施例２の観察光学系のＸ−Ｚ方向光
路図である。

【図４】本発明の実施例３の観察光学系の断面図であ
る。

【図５】本発明の実施例４の観察光学系の断面図であ
る。

【図６】本発明の実施例１の観察光学系の横収差図であ
る。

【図７】本発明の実施例２の観察光学系の横収差図であ
る。

【図８】本発明の実施例３の観察光学系の横収差図であ
る。

【図９】本発明の実施例３の観察光学系の横収差図であ
る。

【図１０】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの１例を示す図である。

【図１１】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１２】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１３】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１４】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１５】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１６】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１７】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１８】本発明の観察光学系のプリズムに適用可能な
偏心プリズムの別の例を示す図である。

【図１９】照明光導光光学手段を通る軸上主光線を示し
た光路図でる。

【図２０】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で両
眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を
示す図である。

【図２１】図２０の断面図である。

【図２２】本発明の観察光学系を用いる頭部装着型で片
眼装着用の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を
示す図である。

【図２３】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説
明するための概念図である。

【図２４】偏心した反射面により発生する非点収差を説
明するための概念図である。

【図２５】偏心した反射面により発生するコマ収差を説
明するための概念図である。

【符号の説明】

１…軸上主光線 ２…射出瞳 ３…像面（画像表示素子の表示面） ４…光源 ５…フレネルレンズ ６…照明光導光プリズム ７…偏角補償プリズム ８…回折光学素子 ９…回折面 １０…プリズム １１…第１面 １２…第２面 １３…第３面 １６…照明光導光プリズムの第１面 １６’…照明光導光プリズムの第１面（レンズ面） １７…照明光導光プリズムの第２面（偏光ビームスプリ
ット面） １７’…照明光導光プリズムの第２面（偏光ビームスプ
リット面） １８…照明光導光プリズムの第３面 ３１…瞳 ３２…第１面 ３３…第２面 ３４…第３面 ３５…第４面 ３６…像面 ９１…カバー部材 １００…接眼光学系 １０１…反射型画像表示素子 １０２…画像表示装置（表示装置本体） １０３…側頭フレーム １０４…スピーカ １０５…映像音声伝達コード １０６…再生装置 １０７…調節部 １０８…前フレーム Ｍ…凹面鏡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察するための画像を形成する表示面の
   前側から入射した照明光束を反射することによって画像
   を表示する反射型画像表示手段と、前記画像を観察者の
   眼球が位置すべき瞳位置に導く接眼光学系とを備えた観
   察光学系において、 前記画像表示手段が、照明手段と、前記照明手段から射
   出された光束を前記表示面の前側から照射できるように
   照明光束を導く照明光導光光学手段とを有し、 前記接眼光学系が、前記反射型画像表示手段から反射さ
   れた表示光束を前記照明光導光光学手段を通過した後に
   プリズム内に入射させる入射面と、プリズム内で光束を
   反射する少なくとも１つの反射面と、プリズム外に光束
   を射出する射出面とを有するプリズム部材を備えてお
   り、 前記プリズム部材の前記少なくとも１つの反射面が、光
   軸に対して偏心して配置され、その偏心によって発生す
   る偏心収差を補正すると共に、光束に対してパワーを与
   える回転非対称な曲面形状にて形成され、 前記プリズム部材の入射面と前記反射型画像表示手段の
   表示面との間の間隔が以下の条件式を満足して前記画像
   を前記瞳位置に導くように構成されていることを特徴と
   する観察光学系。 ０．６＜Ｌ／Ｈ＜３．１ ただし、Ｌは反射型画像表示手段の表示面が光軸と交わ
   る画像中心位置とプリズム部材の入射面が光軸との交わ
   る位置との間の間隔、Ｈは反射型画像表示手段の像高
   （表示面が四角形の場合は対角長）である。
2. 【請求項２】 前記プリズム部材の入射面側に回折光学
   素子を備えていることを特徴とする請求項１記載の観察
   光学系。
3. 【請求項３】 前記プリズム部材が屈折面と反射面を兼
   用した屈折反射兼用面を少なくとも１面備えていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の観察光学系。