JP2002116405A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １つの画像表示素子からの画像をハーフミラ
ーを利用せずに両眼に導き明るく観察でき、部品点数が
少なく、小型・軽量化した画像表示装置。 【解決手段】 １枚の画像表示素子３と観察光学系から
なり、観察光学系は左右の接眼光学系で構成され、各接
眼光学系は２枚の反射ミラー１１Ｒ（Ｌ）、１２Ｒ
（Ｌ）を有し、それら反射ミラーは偏心収差補正機能を
有した回転非対称な曲面反射面にて構成され、観察者の
両眼の中心を通る面を対称面とした左右対称な光路を形
成できるように、反射面が左右対称に配置されている画
像表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【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式画像表示装置に関する。

【従来の技術】従来、１つの画像表示素子の画像を両眼
で観察する画像表示装置としては、特開平６−１１００
１３号、特開平７−２８７１８５号、特開平９−６１７
４８号、特開平９−１８１９９８号、特開平９−１８１
９９９号、特表平１０−５０４１１５号等が知られてい
る。

【発明が解決しようとする課題】この中、特開平６−１
１００１３号のものでは、ミラー2 枚構成であるが、諸
収差の補正は、瞳の前に配置するレンズで行うことにな
り、補正が難しくなると同時に、装置の大型化を招く。
また、特開平７−２８７１８５号のものでは、ミラーを
複数使用し、凸レンズ１枚で結像作用を行っている。そ
のため、組み立て調整が非常に難しく、また、適切な性
能を達成できない。また、画像表示素子が３次元的に配
置してあるが、左右対称の光学系であるため、左右の映
像が逆に回転してしまう。また、特開平９−６１７４８
号のものでは、ＬＣＤ（液晶表示素子）の表示光をハー
フミラーを利用して分割して両眼で観察する。そのため
に、左右それぞれの眼球へ表示光が分かれるので、観察
像が弱く暗くなる。また、特開平９−１８１９９８号、
特開平９−１８１９９９号のものは、観察光学系が大き
なプリズムで構成されているため重量が重くなる。ま
た、特表平１０−５０４１１５号のものでは、部品点数
が非常に多く、組み立てが非常に複雑である。また、こ
の場合、ハーフミラーを使用しているので、観察像が弱
く暗くなる。また、特開平８−２４０７７３号のもので
は、１つの画像表示素子の画像を両眼で観察する単板両
眼視のものではないが、ミラー２枚構成のものである。
この画像表示装置は、画像表示素子が２枚ないと両眼視
できないため、非常に安価な両眼の画像表示装置は提供
できない。さらに、近年の画像表示装置は非常に小型・
軽量化が望まれているため、数ｇでも軽い観察光学系が
望まれている。本発明は従来技術のこのような問題点を
鑑みてなされたものであり、その目的は、１つの画像表
示素子からの画像をハーフミラーを利用せずに両眼に導
き明るく観察でき、さらに、光学系にプリズムを使用せ
ず、回転非対称の自由曲面形状のミラーを使用すること
で、部品点数が少なく、小型・軽量化した頭部装着式画
像表示装置等の画像表示装置を提供することである。

【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、観察画像を画像表示部に形成する
画像表示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観
察者眼球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ
画像表示装置において、前記画像表示素子が、複数の画
素を単板上に並設させた１枚の画像表示素子を有して構
成され、前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分
に位置する各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導け
るような射出角度で画像光束を放射するように構成さ
れ、前記観察光学系が、観察者の左眼に光束を導く左側
接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右側接眼部とで構
成され、前記左側接眼部が、前記画像表示素子側から順
に、左側第１反射面と、左側第２反射面を有し、前記２
つの反射面が、反射ミラーでかつ偏心収差補正機能を有
した回転非対称な曲面反射面にて構成され、前記右側接
眼部が、前記画像表示素子側から順に、右側第１反射面
と、右側第２反射面を有し、前記２つの反射面が、反射
ミラーでかつ偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲
面反射面にて構成され、前記観察光学系は、観察者の両
眼の中心を通る面を対称面とした左右対称な光路を形成
できるように、前記反射面が左右対称に配置され、前記
左側第１反射面のＸ方向のパワーをＰ１ｘ、Ｙ方向のパ
ワーをＰ１ｙ、前記左側第２反射面のＸ方向のパワーを
Ｐ２ｘ、Ｙ方向のパワーをＰ２ｙと定義したとき、以下
の条件式を満足することを特徴とするものである。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、
Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、である。本発明のもう
１つの画像表示装置は、観察画像を画像表示部に形成す
る画像表示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を
観察者眼球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含ん
だ画像表示装置において、前記画像表示素子が、複数の
画素を単板上に並設させた１枚の画像表示素子を有して
構成され、前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部
分に位置する各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導
けるような射出角度で画像光束を放射するように構成さ
れ、前記観察光学系が、観察者の左眼に光束を導く左側
接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右側接眼部とで構
成され、前記左側接眼部が、前記画像表示素子側から順
に、左側第１反射面と、左側第２反射面と、パワーの弱
いレンズとを有し、前記２つの反射面が、反射ミラーで
かつ偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面
にて構成され、前記右側接眼部が、前記画像表示素子側
から順に、右側第１反射面と、右側第２反射面と、パワ
ーの弱いレンズとを有し、前記２つの反射面が、反射ミ
ラーでかつ偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面
反射面にて構成され、前記観察光学系は、観察者の両眼
の中心を通る面を対称面とした左右対称な光路を形成で
きるように、前記反射面が左右対称に配置され、前記左
側第１反射面のＸ方向のパワーをＰ１ｘ、Ｙ方向のパワ
ーをＰ１ｙ、前記左側第２反射面のＸ方向のパワーをＰ
２ｘ、Ｙ方向のパワーをＰ２ｙと定義したとき、以下の
条件式を満足することを特徴とするものである。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、
Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、である。以下、本発明
において、上記構成をとる理由と作用を説明する。本発
明の画像表示装置は、１枚の画像表示素子と、左右の接
眼部をそれぞれ２枚の反射ミラーとで構成するか、左右
の接眼部にパワーの弱いレンズが加わった構成である。
したがって、画像表示素子が１枚で両眼視できるため、
コストが非常に安くなる。また、部品点数が非常に少な
いため、組み立てが簡単である。さらに、大きなプリズ
ムを使用していないため、非常に軽量化できる。さら
に、ハーフミラーを使用していないため、明るい画像が
観察できる。ここで、左右の接眼部はそれぞれ２枚の反
射ミラーから構成されており、２枚の反射ミラーで接眼
光学系を構成するためには偏心配置が必要になる。そこ
で、２枚の反射ミラーは偏心収差補正機能を有した回転
非対称な曲面反射面にて構成されており、良好な収差補
正ができる。ここで、回転非対称な曲面形状の面とし
て、本発明では代表的に自由曲面を使用するが、自由曲
面とは以下の式で定義されるものである。この定義式の
Ｚ軸が自由曲面の軸となる。 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。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。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。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、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。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。また、上記の回転非対称な曲面形
状の面である自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉ
ｋｅ多項式により定義できる。この面の形状は以下の式
（ｂ）により定義する。その定義式（ｂ）のＺ軸がＺｅ
ｒｎｉｋｅ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、Ｒ
はＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角
で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。 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） ただし、Ｄ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。な
お、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、
Ｄ₄ ，Ｄ₅ ，Ｄ₆ 、Ｄ₁₀，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ
₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。上記定義式は、回転非対
称な曲面形状の面の例示のために示したものであり、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。なお、自由曲面の他の定義式の例とし
て、次の定義式（ｃ）があげられる。 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。 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、回転非対称な曲面形状の面としては、アナモフィ
ック面、トーリック面を用いることもできる。また、本
発明においては、下記の条件式（１）、（２）を満足す
るものである。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、
Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、上記条件式（１）、
（２）は、軸上主光線の偏心方向と垂直方向の焦点距離
を規定したもので、画像表示素子に入射する軸上主光線
のＸ方向の光線が略垂直入射するための条件式である。
画像表示素子、特に液晶表示素子（ＬＣＤ）は斜め方向
から見ると、解像力、コントラストの低下が起きる。近
年、視野角拡大フィルムを用いてコントラスト低下をあ
る程度まで抑える技術が開発されている。しかし、単板
両眼視の光学系の場合、左右の眼に画像を振り分けなけ
ればならず、軸上主光線の偏心方向に対しては入射角度
が大きくなってしまう。これによるコントラストの低下
を極力抑えるためには、少なくとも偏心方向と垂直なＸ
方向に対して略垂直に入射させたほうが好ましい。この
ような課題を達成するための主光線の模式図を図８に示
す。この図は偏心方向と垂直な方向の図であるため共軸
光学系として表現し、第２反射面（反射ミラー）を凸レ
ンズＬ１、第１反射面（反射ミラー）を凹レンズＬ２で
表したものである。瞳Ｅから逆光線追跡すると、図８か
らも明らかなように、軸外主光線は最初の凸レンズＬ１
で発散光から収束光になり、凹レンズＬ２によって収束
光が画像表示素子Ｄに対して略平行光として射出するよ
うになる。したがって、上記条件式（１）と（２）を満
足することで、偏心方向と垂直な方向では画像表示素子
に略垂直入射にすることが可能となる。また、上記構成
にすることで、焦点距離が長くても光学系を短くするこ
とができ、実際にはレンズＬ１、Ｌ２の代わりにミラー
を用いて折り畳んでいるため、非常に薄い光学系が可能
となる。なお、ここで、偏心光学系及び偏心光学面のパ
ワーの定義について説明する。図９に示すように、偏心
光学系の偏心方向をＹ軸方向に取った場合に、偏心光学
系の軸上主光線と平行なＹ−Ｚ面内の微小な高さｄ（例
えば１ｍｍ又は０．１ｍｍ）の光線を物体側から入射
し、偏心光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ
−Ｚ面に投影したときのなす角をＮＡ’ｙｉとし、Ｎ
Ａ’ｙｉ／ｄをＹ方向の偏心光学系の全体のパワーＰ
ｙ、偏心光学系の軸上主光線と平行でＹ−Ｚ面と直交す
るＸ方向の微小な高さｄの光線を物体側から入射し、結
像光学系から射出したその光線と軸上主光線のＹ−Ｚ面
に直交する面であって軸上主光線を含む面に投影したと
きのなす角をＮＡ’ｘｉとし、ＮＡ’ｘｉ／ｄをＸ方向
の結像光学系全体のパワーＰｘとする。同様に、光学面
ｎのＹ方向のパワーＰｎｙ、Ｘ方向のパワーＰｎｘが定
まる。ところで、本発明の観察光学系においては、観察
者の両眼の中心を通る面を対称面とした左右対称な光路
を形成できるように、左右の２組の反射面は左右対称に
面形状が決められ、配置される。その場合、左右の接眼
部の偏心方向は同じ方向である必要は必ずしもないが、
後記の実施例のように、左右の接眼部の偏心方向を同じ
水平方向（Ｙ軸方向）にすることが望ましい。以上のよ
うな構成において、全ての反射面を対称面を１面のみ備
えた自由曲面形状に構成することができる。また、パワ
ーの弱いレンズの少なくとも１面が、偏心収差補正機能
を有した回転非対称な曲面形状にて構成され、対称面を
１面のみ備えた自由曲面形状であるようにすることがで
きる。さらに、そのパワーの弱いレンズの両面が回転非
対称な曲面形状でかつ対称面を１面のみ備えた自由曲面
にすることで、偏心収差が良好に補正できる（実施例4
、5 ) 。さらに、条件式（１）、（２）は以下の条件
式を満足することが望ましい。 −３．０＜Ｐ１ｘ／Ｐｘ＜−０．２ ・・・（３） ３．０＞Ｐ２ｘ／Ｐｘ＞０．３ ・・・（４） ただし、Ｐｘ、Ｐｙは前記接眼部全系のＸ方向、Ｙ方向
のパワーである。上記条件式を満足すれば、Ｘ方向のテ
レセントリック性がさらに確保でき、表示画像のコント
ラスト低下等を抑えることが可能となる。さらに、以下
の条件式を満たすことが望ましい。 −２．０＜Ｐ１ｘ／Ｐｘ＜−０．４ ・・・（５） ２．０＞Ｐ２ｘ／Ｐｘ＞０．５ ・・・（６） また、条件式（７）、（８）を満足することが望まし
い。 −０．５＜Ｐ１ｙ／Ｐｙ＜１．０ ・・・（７） ２．０＞Ｐ２ｙ／Ｐｙ＞０．３ ・・・（８） 上記条件式は軸上主光線の偏心方向（Ｙ方向）のパワー
を規定した条件式で、第１反射面と第２反射面のミラー
のパワー配分を適切に配分することでＹ方向の偏心収差
を良好に補正する条件である。条件式（７）の上限の
１．０を越えると、第１反射面で発生する偏心収差が大
きくなるため好ましくない。条件式（７）の下限の−
０．５を越えると、逆光線追跡で発散した軸外主光線が
さらに角度が増し、第２反射面の有効径を大きくしなけ
ればならなくなるため装置の大型化を招く。条件式
（８）の上限の２．０を越えると、第２反射面のパワー
が大きくなりすぎ、結果として第１反射面のパワーを弱
くしなければならなくなる。それによりＸ方向とＹ方向
の結像位置が大きく異なってしまうため、好ましくな
い。条件式（８）の下限の０．３を越えると、第１反射
面のパワーを強くしなければならなくなり、偏心収差の
補正ができなくなる。よって、条件式（７）及び（８）
の範囲内であれば、Ｙ方向の偏心収差を良好に補正しつ
つ、Ｘ方向との較差を小さくすることが可能となる。さ
らに，以下の条件式であることが望ましい。 −０．３＜Ｐ１ｙ／Ｐｙ＜０．８ ・・・（９） １．３＞Ｐ２ｙ／Ｐｙ＞０．５ ・・・（１０） また、左側第１反射面と右側第１反射面との境界部分を
含む領域に対して、画像表示素子の中心領域から垂直に
放射された光線がゴースト光として反射しないように反
射防止部材を設けることが望ましい。また、画像表示素
子と左側第１反射面及び右側第１反射面との間に、その
１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置する各
画素から放射される所定の射出角度を持った画像光束の
光強度を各画素面の垂直方向に放射される光束強度より
強くするような振り分け光増強部材を配置することが望
ましい。また、画像表示素子の少なくとも中央部分に位
置する各画素から観察者の眼球に導かれる左右の光束の
軸上主光線間のなす角度をθとしたときに、以下の条件
式を満足することが望ましい。 ２０°＜θ＜１５０° ・・・（１１） この条件式は、両眼に適切に画像光束を分離するための
条件式であり、下限の２０°を越えると、左右の光学
面、特に、画像表示素子に最も近い位置に配置された左
右の第１反射面の有効径が重なってしまい、その有効径
を確保するためには光学系を大きくしなければならなく
なり、頭部又は顔面装着式画像表示装置の光学系に適さ
ないものとなってしまう。逆に、上限の１５０°を越え
ると、非常に視野角特性の広い画像表示素子が必要にな
ると同時に、画像光束の立体角が小さくなり、結果とし
て明るい画像を観察することができなくなる。この角度
θはさらに下記の条件式を満足するとさらに好ましい。 ３０°＜θ＜１２０° ・・・（１２） また、上記のような画像表示装置は、その画像表示素子
に代えて撮像素子を配置し、瞳を被写体からの光束の通
過する入射瞳として構成し、被写体の像を撮像素子上に
形成する撮像装置として用いることもできる。さらに
は、画像表示素子に代えて投影物体を配置し、瞳の前方
にスクリーンが配置して、投影物体の投影像をスクリー
ン上に形成する投影装置として用いることもできる。

【発明の実施の形態】以下、本発明の画像表示装置を実
施例に基づいて説明する。以下の実施例の座標の取り方
は、観察者の視軸方向（正面方向）をＺ軸、水平方向を
Ｙ軸、垂直方向をＸ軸としている。後記する各実施例の
数値データにおいては、右眼用の接眼光学系について示
してあり、右眼用の瞳１Ｒからの画像表示素子（像面）
３に至る逆光線追跡のデータで示してある。左眼用の接
眼光学系については、数値データは省いてあるが、両眼
を結ぶ直線の中心を垂直に通る対称面に対して面対称の
関係である。なお、以下の構成の説明もその逆光線追跡
の順で説明する。図１に実施例１の画像表示装置の光学
系の光学面と光路を示す水平（Ｙ−Ｚ面）断面図を示
す。図中、（ａ）は両眼用光路を、（ｂ）は右眼用光路
を示す図である。左右の光路中の光学面と軸上主光線と
瞳を区別するために、符号の後に“Ｌ”と“Ｒ”を付与
する。また、後記の数値データの説明との整合性をとる
ために、符号をとる順は逆光線追跡に基づいている。他
の実施例においても同じ。この実施例の観察光学系は、
頭部装着式画像表示装置として構成する場合に、観察者
の右眼の瞳が位置すべき瞳１Ｒから出た逆光線追跡の軸
上主光線（光軸）２Ｒは、偏心配置の右側第１ミラー
（右側第２反射面）１１Ｒで反射され、次いで偏心配置
の右側第２ミラー（右側第１反射面）１２Ｒで反射され
て画像表示素子３に至る。左眼用の接眼光学系について
は、左右の瞳１Ｌ、１Ｒを結ぶ直線の中心を垂直に通る
対称面に対して面対称の関係にあるので、上記と同様に
なる。ただし、符号の後の“Ｒ”の代わりに“Ｌ”が付
く。以下の説明においては、特に必要がない限り符号の
後の“Ｒ”と“Ｌ”は省く。この実施例において、ミラ
ー２枚１１Ｒ（Ｌ）、１２Ｒ（Ｌ）のみで構成している
ため、低コスト化、軽量化ができる。観察光学系にプリ
ズムを使用すると少なからず入射面と射出面で色収差が
発生するが、ミラー２枚１１Ｒ（Ｌ）、１２Ｒ（Ｌ）の
みなので全く色収差が発生しない。図２、図３にそれぞ
れ実施例２と３の画像表示装置の図１と同様の断面図を
示す。実施例２、３も図１の実施例１と同様であるので
説明は省く。図４に実施例４の画像表示装置の図１と同
様の断面図を示す。この実施例の観察光学系は、頭部装
着式画像表示装置として構成する場合に、観察者の右眼
の瞳が位置すべき瞳１Ｒから出た逆光線追跡の軸上主光
線（光軸）２Ｒは、第１面２１Ｒと第２面２２Ｒからな
るパワーの弱いレンズ２０Ｒを透過して、偏心配置の右
側第１ミラー（右側第２反射面）１１Ｒで反射され、次
いで偏心配置の右側第２ミラー（右側第１反射面）１２
Ｒで反射されて画像表示素子３に至る。左眼用の接眼光
学系については、左右の瞳１Ｌ、１Ｒを結ぶ直線の中心
を垂直に通る対称面に対して面対称の関係にあるので、
上記と同様になる。ただし、符号の後の“Ｒ”の代わり
に“Ｌ”が付く。この実施例において、ミラー２枚１１
Ｒ（Ｌ）、１２Ｒ（Ｌ）と補正レンズ２０Ｒ（Ｌ）を組
み合わせることで、偏心収差が非常に良好に補正可能で
ある。また、補正レンズはカバーガラス兼用であるた
め、部品点数の増加にならない。(実施例１〜３におい
てもごみ等が入らないようにするため、カバーガラスが
必要になる。) 。図５に実施例５の画像表示装置の図１
と同様の断面図を示す。実施例５は図４の実施例４と同
様であるので説明は省く。次に、上記実施例１〜５の構
成パラメータを示す。これらの構成パラメータは右眼用
の光学系のみ記したものであり、左眼用の光学系につい
ては、左右の瞳１Ｌと１Ｒの中心を結んだ直線の中心を
垂直に通る面を対称面として面対称の関係にある。各実
施例の構成パラメータにおいては、例えば図１（ｂ）に
示すように、逆光線追跡で、軸上主光線２Ｒを、光学系
の射出瞳１Ｒの中心を垂直に通り、画像表示素子３中心
に至る光線で定義する。そして、逆光線追跡において、
瞳１Ｒの中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、
軸上主光線２Ｒに沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１Ｒから
第１ミラー１１Ｒに向かう方向をＺ軸正方向とし、ミラ
ー１１Ｒと１２Ｒで光軸が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ
平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、垂直方向の
上から下へ向かう方向を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。したがっ
て、水平方向の右から左へ向かう方向がＹ軸正方向とな
る。偏心面については、光学系の原点の中心からその面
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）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。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。なお、面の
中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそ
のＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りに
α回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座
標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１
度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転さ
せ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標
系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させ
るものである。また、各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。
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。なお、データの記載されていない自由曲面に
関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５
８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの
単位はｍｍである。以下の実施例は、観察光学系とした
場合に、実施例１〜５の観察画角は水平半画角７．５
°、垂直半画角５．６°である。また、実施例１、４に
おいては、画像表示素子の大きさは１４．２×１０．７
ｍｍ、実施例２、５においては、画像表示素子の大きさ
は１１．２×８．４ｍｍ、実施例３においては、画像表
示素子の大きさは８．９×６．７ｍｍであり、全ての実
施例において、瞳径４ｍｍである。なお、以下の構成パ
ラメータの表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＥ”は反
射面をそれぞれ示す。 （実施例１） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(1) 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(3) ＦＦＳ Ｃ₄ -6.3798×10^-3 Ｃ₆ -4.3456×10^-3 Ｃ₈ 2.9527×10^-5 Ｃ₁₀ 4.8150×10^-6 Ｃ₁₁ 1.6792×10^-6 Ｃ₁₃ -6.4352×10^-7 Ｃ₁₅ 3.1388×10^-7 Ｃ₁₇ -7.0859×10^-8 Ｃ₁₉ -1.8070×10^-9 Ｃ₂₁ -3.8278×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -5.6257×10^-3 Ｃ₆ 1.7989×10^-3 Ｃ₈ 7.8290×10^-5 Ｃ₁₀ -1.0507×10^-5 Ｃ₁₁ 2.6279×10^-5 Ｃ₁₃ 2.1711×10^-7 Ｃ₁₅ 8.1542×10^-7 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -0.00 Ｚ 53.07 α -24.37 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 20.61 Ｚ 34.99 α -4.95 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 49.15 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。 （実施例２） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(1) 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(3) ＦＦＳ Ｃ₄ -8.3764×10^-3 Ｃ₆ -3.8884×10^-3 Ｃ₈ 5.4643×10^-5 Ｃ₁₀ -4.6141×10^-5 Ｃ₁₁ 1.9372×10^-5 Ｃ₁₃ 2.3370×10^-6 Ｃ₁₅ -1.9522×10^-6 Ｃ₁₇ -1.9434×10^-6 Ｃ₁₉ -1.2002×10^-7 Ｃ₂₁ 1.2098×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -8.4496×10^-3 Ｃ₆ 3.8695×10^-3 Ｃ₈ 1.2247×10^-6 Ｃ₁₀ -3.3012×10^-5 Ｃ₁₁ 1.8373×10^-4 Ｃ₁₃ 2.5139×10^-6 Ｃ₁₅ -3.2023×10^-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -0.00 Ｚ 41.52 α -32.69 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 20.78 Ｚ 32.00 α -11.67 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 44.46 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。 （実施例３） 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞（瞳） 2 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(1) 3 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(3) ＦＦＳ Ｃ₄ -7.5050×10^-3 Ｃ₆ -4.2247×10^-3 Ｃ₈ 2.3813×10^-4 Ｃ₁₀ -5.4861×10^-5 Ｃ₁₁ 2.0447×10^-5 Ｃ₁₃ 8.5610×10^-6 Ｃ₁₅ 2.1834×10^-6 Ｃ₁₇ -4.2335×10^-6 Ｃ₁₉ -6.8669×10^-7 Ｃ₂₁ -1.7766×10^-7 ＦＦＳ Ｃ₄ -3.5795×10^-3 Ｃ₆ 5.5987×10^-3 Ｃ₈ 1.5206×10^-4 Ｃ₁₀ -3.8156×10^-5 Ｃ₁₁ 2.2366×10^-4 Ｃ₁₃ 7.8860×10^-6 Ｃ₁₅ -1.6759×10^-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 45.10 α -28.48 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 21.89 Ｚ 30.87 α -8.15 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 42.64 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。 （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 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ 偏心(2) 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3) 5 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(4) 像 面 ∞ 偏心(5) ＦＦＳ Ｃ₄ -1.3020×10^-2 Ｃ₆ -2.4412×10^-2 Ｃ₈ 1.6998×10^-4 Ｃ₁₀ 6.6812×10^-4 Ｃ₁₁ -1.6137×10^-5 Ｃ₁₃ -2.2737×10^-4 Ｃ₁₅ 6.8895×10^-6 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.4102×10^-2 Ｃ₆ -2.0395×10^-2 Ｃ₈ -4.8768×10^-4 Ｃ₁₀ -6.3581×10^-5 Ｃ₁₁ -2.5519×10^-5 Ｃ₁₃ -1.6022×10^-4 Ｃ₁₅ 1.8305×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ -6.2668×10^-3 Ｃ₆ -5.5923×10^-3 Ｃ₈ 1.6650×10^-4 Ｃ₁₀ 1.0218×10^-4 Ｃ₁₁ 5.4244×10^-6 Ｃ₁₃ 2.1110×10^-6 Ｃ₁₅ 3.4529×10^-7 Ｃ₁₇ 4.3901×10^-8 Ｃ₁₉ -6.8526×10^-8 Ｃ₂₁ -7.1399×10^-9 ＦＦＳ Ｃ₄ -5.9574×10^-3 Ｃ₆ -1.5074×10^-3 Ｃ₈ 3.1584×10^-4 Ｃ₁₀ 1.0129×10^-4 Ｃ₁₁ 3.0835×10^-5 Ｃ₁₃ -3.4605×10^-6 Ｃ₁₅ 3.8030×10^-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.97 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 36.06 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 55.77 α -27.13 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 20.18 Ｚ 41.24 α -9.01 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 57.38 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。 （実施例５） 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 ＦＦＳ 偏心(1) 1.5254 56.2 3 ＦＦＳ 偏心(2) 4 ＦＦＳ（ＲＥ） 偏心(3)
像 面 ∞ 偏心(5) ＦＦＳ Ｃ₄ -1.8040×10^-2 Ｃ₆ -3.3846×10^-2 Ｃ₈ 1.3446×10^-3 Ｃ₁₀ 9.7391×10^-4 Ｃ₁₁ 1.4055×10^-4 Ｃ₁₃ -2.5013×10^-4 Ｃ₁₅ -1.7081×10^-4 ＦＦＳ Ｃ₄ -2.0685×10^-3 Ｃ₆ -2.0676×10^-2 Ｃ₈ -3.7436×10^-4 Ｃ₁₀ -5.5521×10^-4 Ｃ₁₁ 1.1643×10^-4 Ｃ₁₃ -8.9532×10^-5 Ｃ₁₅ -8.2869×10^-5 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.0220×10^-2 Ｃ₆ -6.7475×10^-3 Ｃ₈ 1.6820×10^-4 Ｃ₁₀ 1.4601×10^-4 Ｃ₁₁ 2.8090×10^-6 Ｃ₁₃ -9.3513×10^-7 Ｃ₁₅ 1.9025×10^-6 Ｃ₁₇ 1.0975×10^-7 Ｃ₁₉ -5.3287×10^-9 Ｃ₂₁ -2.9493×10^-8 ＦＦＳ Ｃ₄ -1.1227×10^-2 Ｃ₆ 3.4945×10^-4 Ｃ₈ 3.6294×10^-4 Ｃ₁₀ 1.3980×10^-4 Ｃ₁₁ 1.1919×10^-4 Ｃ₁₃ -5.6658×10^-6 Ｃ₁₅ 3.1070×10^-6 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 31.58 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 36.18 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 56.18 α -24.55 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 21.07 Ｚ 37.93 α -5.85 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) Ｘ 0.00 Ｙ 32.00 Ｚ 52.23 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。 次に、上記実施例１、４の横収差図をそれぞれ図６、図
７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（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を示す。上記実施例１
〜５の条件式（１）〜（１１）に関する値を次の表に示
す。 ところで、本発明の画像表示装置においては、単一の画
像表示素子３から射出されたある程度広がりのある射出
角度の表示光束を左右の光路に分離して観察光学系に入
射させ、両眼用光路を通して両眼で観察可能にするもの
であるが、図１０（ａ）に示すように、そのための左右
共通の画像表示素子３としては、白色バックライト３２
で均一に照明され、左右の光路の光軸間のなす角度θ
（条件（１１））より大きな射出角度で表示光束を射出
させる液晶表示素子３１からなる画像表示素子３が用い
られる。また、表示の射出角度が大きなＥＬ素子のよう
な自己発光型素子を画像表示素子３として用いることも
できる。また、表示の射出角度が小さな画像表示素子３
３を画像表示素子３として用いる場合には、図１０
（ｂ）に示すように、各画素３４から放射される表示の
射出角度を垂直方向でなく左右の光路方向に射出角度を
増やす振り分け光増強部材として、例えば図示のような
断面の光束振り分けマイクロプリズム３５を各画素３４
に対応して配置することが望ましい。その代わりに、０
次透過光の強度を弱め、±１次回折光を強める構成の透
過型回折格子を画像表示素子３の表示面に近接して配置
してもよい。ところで、画像表示素子３に対して光路上
最も近い位置に配置された左右の反射面１２Ｌ、１２Ｒ
の境界部分２９に画像表示素子３から射出された表示光
束が当たると、そこで反射されてゴースト光となる恐れ
がある。そこで、図１０（ｃ）に示すように、その境界
部分２９近傍にこのような反射を防止する反射防止部材
３６として黒色塗料を塗布するか拡散処理等をして、画
像表示素子３から射出された表示光束３７中の境界部分
２９に入射する破線で示した光束部分を吸収等させるこ
とが望ましい。なお、表示光束３７中の実線で示した光
束部分が左右の光路に導かれ、有効に表示に使用される
光束を表す。さて、以上に説明したような観察光学系を
支持することにより、両眼装着用の画像表示装置に構成
することができ、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。
その様子を図１１に示す。図中、１３１は表示装置本体
部を示し、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１３１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１３２と、前フレーム１３２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１
３３と、左右の後フレーム１３３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１３４とから構成されている。また、
前フレーム１３２における上記の後フレーム１３３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１３５が接合されている。このリ
ヤプレート１３５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカ
バー１３６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。リヤプレート１３５又はリヤカバー１３６内に
の観察者の耳に対応する位置にスピーカー１３９が取り
付けられている。映像・音声信号等を外部から送信する
ためのケーブル１４１が表示装置本体部１３１から、頭
頂フレーム１３４、後フレーム１３３、前フレーム１３
２、リヤプレート１３５の内部を介してリヤプレート１
３５あるいはリヤカバー１３６の後端部より外部に突出
している。そして、このケーブル１４１はビデオ再生装
置１４０に接続されている。なお、図中、１４０ａはビ
デオ再生装置１４０のスイッチやボリュウム調整部であ
る。なお、ケーブル１４１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。ま
た、本発明の画像表示装置の観察光学系は、瞳１Ｒ、１
Ｌ側から被写体からの光を導入し、画像表示素子３の位
置に撮像素子を配することにより結像光学系として用い
ることも可能である。図１２に本発明の観察光学系の左
右の片側の光学系１１と１２（１１Ｒと１２Ｒ又は１２
Ｌと１２Ｌ）のみを電子カメラ４０の撮影部の撮影用対
物光学系４２に組み込んだ構成の概念図を示す。もちろ
ん、本発明の観察光学系の左右の両方の光学系を用いて
もよい（入射瞳が２個の光学系になる。）。この例の場
合は、撮影用光路４１上に配置された撮影用対物光学系
４２は、実施例１と同様の光学系を光路を逆にして用い
ており、瞳１（１Ｒ又は１Ｌ）の位置に絞り１’を配置
している。この撮影用対物光学系４２により形成された
物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター
等のフィルター４４を介してＣＣＤ４５の撮像面４６上
に形成される。このＣＣＤ４５で受光された物体像は、
処理手段５１を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）５２上に
電子像として表示される。また、この処理手段５１は、
ＣＣＤ４５で撮影された物体像を電子情報として記録す
る記録手段５４の制御も行う。ＬＣＤ５２に表示された
画像は、偏心プリズムからなる接眼光学系５３を介して
観察者眼球Ｅに導かれる。この接眼光学系５３として
は、他の偏心光学系を用いてもよい。なお、この撮影用
対物光学系４２は他のレンズ（正レンズ、負レンズ）を
ミラー１１、１２の物体側あるいは像側にその構成要素
として含んでいてもよい。このように構成されたカメラ
４０は、撮影用対物光学系４２を少ない光学部材で構成
でき、装置全体を小型化することができ、低価格で、他
の部材を考慮してデットスペースの少ないカメラとする
ことができると共に、デザインの自由度が大きなものと
なる。なお、本例では、撮影用対物光学系４２のカバー
部材４３はとして、平行平面板を配置しているが、パワ
ーを持ったレンズを用いてもよい。また、本発明の観察
光学系の左右の片側のみの光学系は、画像表示素子３の
位置に投影用の像面を配置し、瞳１の前方にスクリーン
を配置することにより投影光学系としても用いることが
できる。もちろん、この場合も、本発明の観察光学系の
左右の両方の光学系を用いてもよい（射出瞳が２個の光
学系になる。）。図１３に、パソコン９０と液晶プロジ
ェクタ９１とを組み合わせたプレゼンテーションシステ
ムの投影光学系９６に本発明による偏心プリズム光学系
を用いた構成の概念図を示す。この例の場合は、投影光
学系９６に実施例１と同様の光学系を用いている。同図
において、パソコン９０上で作成された画像・原稿デー
タは、モニタ出力から分岐して液晶プロジェクタ９１の
処理制御部９８に出力される。液晶プロジェクタ９１の
処理制御部９８では、この入力されたデータが処理さ
れ、液晶パネル（ＬＣＰ）９３に出力される。液晶パネ
ル９３では、この入力画像データに応じた画像が表示さ
れる。そして、光源９２からの光は、液晶パネル９３に
表示した画像の階調によってその透過量が決定された
後、液晶パネル９３直前に配置したフィールドレンズ９
５と本発明の光学系の２枚のミラー１１、１２と正レン
ズのカバーレンズ９４とからなる投影光学系９６を介し
てスクリーン９７に投影される。このように構成された
プロジェクタは、少ない光学部材で構成でき、低コスト
化が実現できると共に、小型化が可能である。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〕 観察画像を画像表示部に形成する画像表示素子
と、前記画像表示素子が形成した画像を観察者眼球位置
に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ画像表示装置
において、前記画像表示素子が、複数の画素を単板上に
並設させた１枚の画像表示素子を有して構成され、前記
１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置する各
画素が、観察者の左右の眼球に光束を導けるような射出
角度で画像光束を放射するように構成され、前記観察光
学系が、観察者の左眼に光束を導く左側接眼部と、観察
者の右眼に光束を導く右側接眼部とで構成され、前記左
側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、左側第１反
射面と、左側第２反射面を有し、前記２つの反射面が、
反射ミラーでかつ偏心収差補正機能を有した回転非対称
な曲面反射面にて構成され、前記右側接眼部が、前記画
像表示素子側から順に、右側第１反射面と、右側第２反
射面を有し、前記２つの反射面が、反射ミラーでかつ偏
心収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構
成され、前記観察光学系は、観察者の両眼の中心を通る
面を対称面とした左右対称な光路を形成できるように、
前記反射面が左右対称に配置され、前記左側第１反射面
のＸ方向のパワーをＰ１ｘ、Ｙ方向のパワーをＰ１ｙ、
前記左側第２反射面のＸ方向のパワーをＰ２ｘ、Ｙ方向
のパワーをＰ２ｙと定義したとき、以下の条件式を満足
することを特徴とする画像表示装置。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、
Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、である。 〔２〕 観察画像を画像表示部に形成する画像表示素子
と、前記画像表示素子が形成した画像を観察者眼球位置
に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ画像表示装置
において、前記画像表示素子が、複数の画素を単板上に
並設させた１枚の画像表示素子を有して構成され、前記
１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置する各
画素が、観察者の左右の眼球に光束を導けるような射出
角度で画像光束を放射するように構成され、前記観察光
学系が、観察者の左眼に光束を導く左側接眼部と、観察
者の右眼に光束を導く右側接眼部とで構成され、前記左
側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、左側第１反
射面と、左側第２反射面と、パワーの弱いレンズとを有
し、前記２つの反射面が、反射ミラーでかつ偏心収差補
正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成され、
前記右側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、右側
第１反射面と、右側第２反射面と、パワーの弱いレンズ
とを有し、前記２つの反射面が、反射ミラーでかつ偏心
収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成
され、前記観察光学系は、観察者の両眼の中心を通る面
を対称面とした左右対称な光路を形成できるように、前
記反射面が左右対称に配置され、前記左側第１反射面の
Ｘ方向のパワーをＰ１ｘ、Ｙ方向のパワーをＰ１ｙ、前
記左側第２反射面のＸ方向のパワーをＰ２ｘ、Ｙ方向の
パワーをＰ２ｙと定義したとき、以下の条件式を満足す
ることを特徴とする画像表示装置。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、
Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、である。 〔３〕 上記１又は２において、全ての前記反射面が対
称面を１面のみ備えた自由曲面形状であることを特徴と
する画像表示装置。 〔４〕 上記２又は３において、前記パワーの弱いレン
ズの少なくとも１面が、偏心収差補正機能を有した回転
非対称な曲面形状にて構成され、対称面を１面のみ備え
た自由曲面形状であることを特徴とする画像表示装置。 〔５〕 上記１から４の何れか１項において、以下の条
件式を満足することを特徴とする画像表示装置。 −３．０＜Ｐ１ｘ／Ｐｘ＜−０．２ ・・・（３） ３．０＞Ｐ２ｘ／Ｐｘ＞０．３ ・・・（４） ただし、Ｐｘ、Ｐｙは前記接眼部全系のＸ方向、Ｙ方向
のパワーである。 〔６〕 上記５において、 −２．０＜Ｐ１ｘ／Ｐｘ＜−０．４ ・・・（５） ２．０＞Ｐ２ｘ／Ｐｘ＞０．５ ・・・（６） 〔７〕 上記１から６の何れか１項において、 −０．５＜Ｐ１ｙ／Ｐｙ＜１．０ ・・・（７） ２．０＞Ｐ２ｙ／Ｐｙ＞０．３ ・・・（８） 〔８〕 上記７において、 −０．３＜Ｐ１ｙ／Ｐｙ＜０．８ ・・・（９） １．３＞Ｐ２ｙ／Ｐｙ＞０．５ ・・・（１０）

〔９〕 上記１から８の何れか１項において、前記左側
第１反射面と前記右側第１反射面との境界部分を含む領
域に対して、前記画像表示素子の中心領域から垂直に放
射された光線がゴースト光として反射しないように反射
防止部材を設けたことを特徴とする画像表示装置。 〔１０〕 上記１から９の何れか１項において、前記画
像表示素子と前記左側第１反射面及び前記右側第１反射
面との間に、前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央
部分に位置する各画素から放射される所定の射出角度を
持った画像光束の光強度を前記各画素面の垂直方向に放
射される光束強度より強くするような振り分け光増強部
材を配置したことを特徴とする画像表示装置。 〔１１〕 上記１から１０の何れか１項において、前記
画像表示素子の少なくとも中央部分に位置する各画素か
ら観察者の眼球に導かれる左右の光束の軸上主光線間の
なす角度をθとしたときに、以下の条件式を満足するこ
とを特徴とする画像表示装置。 ２０°＜θ＜１５０° ・・・（１１） 〔１２〕 上記１から１１の何れか１項に記載の画像表
示装置の前記画像表示素子に代えて撮像素子を配置し、
前記瞳を被写体からの光束の通過する入射瞳として構成
し、被写体の像を前記撮像素子上に形成することを特徴
とする撮像装置。 〔１３〕 上記１から１１の何れか１項に記載の画像表
示装置の前記画像表示素子に代えて投影物体を配置し、
前記瞳の前方にスクリーンが配置して、前記投影物体の
投影像を前記スクリーン上に形成することを特徴とする
投影装置。

【発明の効果】以上の説明から明らかに、本発明の画像
表示装置においては、１枚の画像表示素子と、左右の接
眼部をそれぞれ２枚の反射ミラーとで構成するか、左右
の接眼部にパワーの弱いレンズが加わった構成であるの
で、画像表示素子が１枚で両眼視できるため、コストが
非常に安くなる。また、部品点数が非常に少ないため、
組み立てが簡単である。さらに、大きなプリズムを使用
していないため、非常に軽量化できる。さらに、ハーフ
ミラーを使用していないため、明るい画像が観察でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の画像表示装置の光学系の光
学面と光路を示す水平断面図である。

【図２】本発明の実施例２の画像表示装置の図１と同様
の水平断面図である。

【図３】本発明の実施例３の画像表示装置の図１と同様
の水平断面図である。

【図４】本発明の実施例４の画像表示装置の図１と同様
の水平断面図である。

【図５】本発明の実施例５の画像表示装置の図１と同様
の水平断面図である。

【図６】実施例１の横収差図である。

【図７】実施例４の横収差図である。

【図８】本発明による接眼光学系の偏心方向と垂直な方
向の主光線を示す模式図である。

【図９】偏心光学系及び偏心光学面のパワーの定義を説
明するための図である。

【図１０】本発明において使用可能な画像表示素子、そ
のための振り分け光増強部材、反射防止部材を説明する
ための図である。

【図１１】本発明の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１２】本発明の光学系を電子カメラの撮影部の撮影
用対物光学系に組み込んだ構成の概念図である。

【図１３】本発明による光学系をプレゼンテーションシ
ステムの投影光学系に用いた構成の概念図である。

【符号の説明】

Ｅ…観察者眼球 Ｌ１…第１反射面（凸レンズ） Ｌ２…第２反射面（凹レンズ） １、１Ｌ、１Ｒ…射出瞳 ２Ｌ、２Ｒ…軸上主光線（光軸） ３…画像表示素子（像面） １１、１１Ｌ、１１Ｒ…第１ミラー １２、１２Ｌ、１２Ｒ…第２ミラー ２０Ｌ、２０Ｒ…補正レンズ ２１Ｌ、２１Ｒ…補正レンズの第１面 ２２Ｌ、２２Ｒ…補正レンズの第２面 ２９…境界部分 ３１…液晶表示素子 ３２…白色バックライト ３３…画像表示素子 ３４…画素 ３５…光束振り分けマイクロプリズム ３６…反射防止部材 ３７…表示光束 ４０…電子カメラ ４１…撮影用光路 ４２…撮影用対物光学系 ４３…カバー部材 ４４…フィルター ４５…ＣＣＤ ４６…撮像面 ５１…処理手段 ５２…液晶表示素子（ＬＣＤ） ５３…接眼光学系 ５４…記録手段 ９０…パソコン ９１…液晶プロジェクタ ９２…光源 ９３…液晶パネル（ＬＣＰ） ９４…カバーレンズ ９５…フィールドレンズ ９６…投影光学系 ９７…スクリーン ９８…処理制御部 １３１…表示装置本体部 １３２…前フレーム １３３…後フレーム １３４…頭頂フレーム １３５…リヤプレート １３６…リヤカバー １３９…スピーカー １４０…ビデオ再生装置 １４０ａ…ボリュウム調整部 １４１…ケーブル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察画像を画像表示部に形成する画像表
   示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観察者眼
   球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ画像表
   示装置において、 前記画像表示素子が、複数の画素を単板上に並設させた
   １枚の画像表示素子を有して構成され、 前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置す
   る各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導けるような
   射出角度で画像光束を放射するように構成され、 前記観察光学系が、観察者の左眼に光束を導く左側接眼
   部と、観察者の右眼に光束を導く右側接眼部とで構成さ
   れ、 前記左側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、左側
   第１反射面と、左側第２反射面を有し、前記２つの反射
   面が、反射ミラーでかつ偏心収差補正機能を有した回転
   非対称な曲面反射面にて構成され、 前記右側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、右側
   第１反射面と、右側第２反射面を有し、前記２つの反射
   面が、反射ミラーでかつ偏心収差補正機能を有した回転
   非対称な曲面反射面にて構成され、 前記観察光学系は、観察者の両眼の中心を通る面を対称
   面とした左右対称な光路を形成できるように、前記反射
   面が左右対称に配置され、 前記左側第１反射面のＸ方向のパワーをＰ１ｘ、Ｙ方向
   のパワーをＰ１ｙ、前記左側第２反射面のＸ方向のパワ
   ーをＰ２ｘ、Ｙ方向のパワーをＰ２ｙと定義したとき、
   以下の条件式を満足することを特徴とする画像表示装
   置。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、 Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、である。
2. 【請求項２】 観察画像を画像表示部に形成する画像表
   示素子と、前記画像表示素子が形成した画像を観察者眼
   球位置に相当する瞳に導く観察光学系とを含んだ画像表
   示装置において、 前記画像表示素子が、複数の画素を単板上に並設させた
   １枚の画像表示素子を有して構成され、 前記１枚の画像表示素子の少なくとも中央部分に位置す
   る各画素が、観察者の左右の眼球に光束を導けるような
   射出角度で画像光束を放射するように構成され、 前記観察光学系が、観察者の左眼に光束を導く左側接眼
   部と、観察者の右眼に光束を導く右側接眼部とで構成さ
   れ、 前記左側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、左側
   第１反射面と、左側第２反射面と、パワーの弱いレンズ
   とを有し、前記２つの反射面が、反射ミラーでかつ偏心
   収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成
   され、 前記右側接眼部が、前記画像表示素子側から順に、右側
   第１反射面と、右側第２反射面と、パワーの弱いレンズ
   とを有し、前記２つの反射面が、反射ミラーでかつ偏心
   収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成
   され、 前記観察光学系は、観察者の両眼の中心を通る面を対称
   面とした左右対称な光路を形成できるように、前記反射
   面が左右対称に配置され、 前記左側第１反射面のＸ方向のパワーをＰ１ｘ、Ｙ方向
   のパワーをＰ１ｙ、前記左側第２反射面のＸ方向のパワ
   ーをＰ２ｘ、Ｙ方向のパワーをＰ２ｙと定義したとき、
   以下の条件式を満足することを特徴とする画像表示装
   置。 Ｐ１ｘ＜０ ・・・（１） Ｐ２ｘ＞０ ・・・（２） ただし、Ｘ方向は前記接眼部の偏心方向と垂直な方向、 Ｙ方向は前記接眼部の偏心方向、である。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 全ての前記反射面が対称面を１面のみ備えた自由曲面形
   状であることを特徴とする画像表示装置。