JP4592884B2 - ３次元偏心光路を備えた画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元偏心光路を備えた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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、左右眼共通の単一の画像表示素子を用いた頭部装着式画像表示装置として、特開平６−１１００１３号においては、画像表示素子からの表示光を観察者の左右の眼へ導くために、二等辺三角柱のプリズムとミラーで分割し、折り曲げている。この配置においては、諸収差の補正は、観察者の眼の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。
【０００３】
また、特開平７−２８７１８５号においては、ミラーを複数枚使用し、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、左右の映像が逆に回転してしまう。
【０００４】
また、特開平９−６１７４８号のものにおいては、画像表示素子から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している。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、観察像強度が弱く暗くなる。
【０００５】
また、特開平９−１８１９９８号、特開平９−１８１９９９号のものは、左右別々あるいは共通の反射プリズム光学系を用いるものであるが、画角が狭いと言う問題がある。
【０００６】
さらに、特表平１０−５０４１１５号のものは、ハーフミラーを利用して表示光を分割するものであるが、部品点数が非常に多く、組み立てが非常に複雑である。
【０００７】
なお、本出願人は、特願２０００−４８７５０号等において、中央に光路振り分け光学系を配置し、その左右に接眼プリズムを配置した頭部装着式等の画像表示装置を提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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、１つの画像表示素子からの映像を、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、中央に配置する光路振り分け光学系にパワーを持たせることで、諸収差の補正を容易に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。
【０００９】
さらには、本出願人による特願２０００−４８７５０号等のような画像表示装置をさらに広画角化することを目的とするものである。
【００１０】
【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３次元偏心光路を備えた画像表示装置は、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、少なくとも、観察者の左眼に光束を導く左接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右接眼部と、前記画像表示素子から前記射出角度を持って放射された画像光束を前記左右の接眼部に導く３次元光路振り分け部とを含み、
前記左接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記右接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記左接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）と、前記右接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）とが、略同一平面（Ｙ−Ｚ面）に形成されるように、前記左右接眼部が構成され、
前記３次元光路振り分け部は、左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が配置され、かつ、前記光学面の中、少なくとも左右２組の反射面が、前記左右の接眼部によって形成される偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）に対して垂直な方向（Ｘ方向）の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
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。
【００１２】
通常、人間の瞳の間隔は平均約６４ｍｍ程度と言われ、個人差がある。そのため、両眼観察用の観察光学系において、眼幅の個人差を観察光学系で吸収するためには、予め光学系の瞳を横長に設定することが好ましい。つまり、観察光学系の瞳は観察者の水平方向に長い楕円（あるいは長方形等）を用いることが好ましい。
【００１３】
そのとき、瞳の長手方向と接眼部の偏心方向を同一方向にすると、各反射面の有効面は必然的に横に長い有効径を確保する必要がある。しかし、特願２０００−４８７５０号のように、観察者の水平方向にのみ偏心させた光学系の場合、人間の眼幅による制約があるため、光学系を横方向に大きくすることはできない。したがって、観察画角を広くすると、光路振り分け部の反射面を両眼の接眼部の間に配置することが困難になってくる。
【００１４】
そこで、本発明の画像表示装置の観察光学系では、光路振り分け部内全体の光路を３次元的な構成にすることで、光路振り分け部内の反射面を垂直方向に配置するようにして、画角を広くした場合でも、両眼の反射面の有効径を確保できるようにしたものである。
【００１５】
なお、観察光学系を構成する左右の接眼部、３次元光路振り分け部それぞれを反射鏡のみで構成しても、左右の接眼部、３次元光路振り分け部それぞれを偏心プリズムで構成しても、また、左右の接眼部と３次元光路振り分け部を一体の偏心プリズムで構成してもよい。
【００１６】
そして、３次元光路振り分け部は、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面を少なくとも１組備えていることが望ましい。
【００１７】
その場合、その少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中の１組に配置されていることが望ましい。
【００１８】
また、その少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、対称面を１面のみ有する自由曲面にて形成され、その少なくとも１組の自由曲面の各々の唯一の対称面が同一平面内に一致するように構成されていることが望ましい。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００２３】
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。
【００２４】
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、Ｚｅｒｎｉｋｅ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、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。
【００２５】
ただし、Ｄm （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，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、本発明においては、前記のように、観察光学系をプリズム部材にて形成し、反射面の何れもがプリズム部材の表面に形成された裏面反射面にて構成するようにしてもよい。
【００３１】
この場合、観察光学系は、３次元光路振り分け部を構成する３次元光路振り分けプリズムと、３次元光路振り分けプリズムと空気間隔を挟んで分離され、左接眼部を構成する左接眼プリズムと右接眼部を構成する右接眼プリズムとを含んで構成されているようにすることができる。
【００３２】
そして、光路振り分けプリズムが、少なくとも画像表示素子に対向し左眼用光路を形成する画像光束と右眼用光路を形成する画像光束の両方の光束をプリズム内に入射させる入射面と、左眼用光路の光束をプリズム外に射出する左側射出面と、入射面と左側射出面との間の光路上に配置されかつ左眼用光路の光束をプリズム内で反射する少なくとも３面以上の左側反射面と、右眼用光路の光束をプリズム外に射出する右側射出面と、入射面と右側射出面との間の光路上に配置されかつ右眼用光路の光束をプリズム内で反射する少なくとも３面以上の右側反射面とを含んで構成され、
その少なくとも３面以上の左側反射面の中の入射面に対して左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む左第１平面と、その少なくとも３面以上の右側反射面の中の入射面に対して右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む右第１平面とが、同一の第１平面内に一致するように構成されていることが望ましい。
【００３３】
この場合、その第１平面が、左接眼部の偏心光路面と右接眼部の偏心光路面とを含む略同一平面である第２平面に対して、異なる平面からなり、かつ、第１平面と第２平面とが平行な位置関係を形成するように、観察光学系が構成されていることが望ましい。
【００３４】
なお、ここで、左右の接眼部の偏心光路面が略同一平面にあるとは、製作誤差等による微小角度のずれを包含する意味であり、±１°とする。
【００３５】
また、少なくとも３面以上の左側反射面の中、２つの左側反射面が、第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、少なくとも３面以上の右側反射面の中、２つの右側反射面が、第１平面に対して垂直方向に隣接配置されるように光路振り分けプリズムが構成されていることが望ましい。
【００３６】
また、第２平面に対して垂直な方向の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中、１組の左側反射面と右側反射面について、左側反射面と左側射出面とが第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、右側反射面と右側射出面とが第１平面に対して垂直方向に隣接配置されているようにすることができる。
【００３７】
また、入射面に対して左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面と、入射面に対して右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面とが共に、画像表示素子と入射面の双方に対して対向するように隣接配置されていることが望ましい。
【００３８】
この場合に、光路振り分けプリズムが、入射面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。
【００３９】
また、画像表示素子と３次元光路振り分け部との間に、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。
【００４０】
また、光路振り分けプリズムは、少なくとも３面以上の左側反射面によって画像表示素子から放射された左眼用光路の軸上主光線をプリズム内で回転交差させると共に、少なくとも３面以上の右側反射面によって前記画像表示素子から放射された右眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させ、かつ、左側反射面による回転方向と右側反射面による回転方向とが逆回転となるように構成されていることが望ましい。
【００４１】
この場合に、光路振り分けプリズムが、左側反射面によって形成された左眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が左第１平面と同一平面内に形成され、かつ、右側反射面によって形成された右眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が右第１平面内に形成されるように構成されていることが望ましい。
【００４２】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第１反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４３】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第２反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４４】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第３反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４５】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第４反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４６】
これらの場合、３次元光路振り分け部の左眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と左眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の左第２平面内に含まれ、右眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と右眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の右第２平面内に含まれ、左第２平面と右第２平面は、第１平面に垂直に設定されていることが望ましい。
【００４７】
また、３次元光路振り分け部に含まれる回転非対称形状の曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた自由曲面形状にて構成されていることが望ましい。
【００４８】
また、左接眼プリズムと右接眼プリズムが共に、３次元光路振り分けプリズム側から順に、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面とからなり、第１反射面と射出面は同一面からなり、第１反射面はその面での全反射による反射面であるようなものとすることができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の３次元偏心光路を備えた画像表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００５０】
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。
【００５１】
後記する各実施例の数値データにおいては、右眼用の観察光学系について示してあり、右眼用の瞳１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。左眼用の観察光学系については、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。
【００５２】
以下に示す実施例１〜２において、接眼プリズム１０はＹ−Ｚ面内における２次元元偏心の偏心プリズムからなり、画像表示素子３側に配置される光路振り分けプリズム２０は３次元元偏心の偏心プリズムであり、光路振り分けプリズム２０内の軸上主光線は同一平面内に存在せずＹ−Ｚ面とそれに平行な２つの平面とそれに直交する１つの平面内に存在する。以下、図面を参照にして説明する。
【００５３】
実施例１
図１に実施例１の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の斜視図、図２に実施例１の光学系の軸上主光線２を示す透視斜視図、図３に異なる角度から見た実施例１の光学系の軸上主光線２を示す透視斜視図をそれぞれ示す。ただし、図１〜図３において面はメッシュで表現してある。また、図４に実施例１の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の光学面と光路を示す図を示す。ただし、（ａ）はＺ軸正方向から見た右眼用光路の正面図、（ｂ）はＸ軸負方向から見た右眼用光路の平面図、（ｃ）はＸ軸負方向から見た第１の水平面内での両眼の光路を示す図、（ｄ）はＸ軸負方向から見た第１の水平面と平行で第１の水平面より上（Ｘ軸の負側）の第２の水平面内での両眼の光路を示す図である。
【００５４】
この光学系は、両眼装着型の頭部装着式画像表示装置として構成する場合の右眼用の光学系であり、左眼用の光学系は、Ｘ−Ｚ面に平行で、両眼を結ぶ直線の中心を通る面に対して面対称に構成される。以下の実施例２も同様。なお、図１〜図４には、左眼用の接眼プリズム１０’も図示してある。
【００５５】
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１から出た逆光線追跡の軸上主光線（光軸）２は、保護ガラス４（図１〜図３においては図示略）を経て、接眼プリズム１０の第１１面１１で屈折されて接眼プリズム１０内に入り、第１２面１２で内部反射され、第１１面１１が兼ねる第１３面１３に臨界角を越える角度で入射して全反射され、第１４面１４で屈折されて接眼プリズム１０から出て、光路振り分けプリズム２０の第２１面２１で屈折されて光路振り分けプリズム２０内に入り、第２２面２２で内部反射され、第２３面２３で内部反射され、第２４面２４で内部反射され、第２５面２５で内部反射され、第２６面２６で屈折されて光路振り分けプリズム２０から出て、画像表示素子３に至る。
【００５６】
ここで、接眼プリズム１０の第１１面１１〜第１４面１４はＹ−Ｚ面に対して面対称に構成されており、各面はこのＹ−Ｚ面内で２次元的に偏心して構成されている。
【００５７】
接眼プリズム１０から出た軸上主光線は、第２１面２１から光路振り分けプリズム２０内に入射し、接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面：第１の水平面Ｈ１（図４（ｃ）の面））内を進み、その第２２面２２の反射面で接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面）と垂直な面Ｈ３（Ｘ軸と平行な面）内に反射され、その反射光は第２３面２３の反射面で反射され、その反射光は第１の水平面Ｈ１と平行でそれより上（Ｘ軸の負側）の第２の水平面Ｈ２（図４（ｄ）の面）内を進み、第２４面２４の反射面で反射されて第２の水平面Ｈ２内を進み、第２５面２５の反射面で反射されてその第２の水平面Ｈ２内で第２４面２４に入射する軸上主光線と交差した後、第２６面２６で屈折されて画像表示素子３の中心に、画像表示素子３の中心を通る法線に対して−１９．５７°（図６（ｂ））の角度をなして入射する。光路振り分けプリズム２０の第２１面２１の上方（Ｘ軸の負側）に第２３面２３が、第２２面２２の上方（Ｘ軸の負側）に第２４面２４が配置されており、画像表示素子３の表示面はＸ−Ｙ面に平行で、左右の瞳の間の中心を通る対称面にその中心が一致するように配置されている。
【００５８】
そして接眼プリズム１０、光路振り分けプリズム２０共に正のパワーを有するように、それぞれの少なくとも１つの反射面は正パワーを有するように構成され、画像表示素子３の中間像を光路振り分けプリズム２０の第２１面２１と第２２面２２の間に結像する。
【００５９】
このように、観察光学系を３次元的に偏心させることで、光学系を自由な方向に折り畳むことができ、画像表示装置全体を小型化することができ、他の部材を考慮してデットスペースの少ない画像表示装置を提供することができる。さらには、デザインの自由度が大きくなる。また、光路振り分けプリズム２０内の反射面を垂直方向に２段に配置するようにして、画角を広くした場合でも、両眼の反射面の有効径を確保できるようにしている。
【００６０】
この実施例においては、光路振り分けプリズム２０の第２２面２２の反射面を、接眼プリズム１０の偏心面と垂直方向（本実施例ではＸ方向）に偏心させることで、第２２面２２で反射した像はＸ軸方向に傾く。その後、第２３面２３の反射面でＸ軸方向の像の傾きを０にするように反射面を構成することで、像の傾きが発生しないようにしている。このような構成にすることで、両眼の画像がＹ軸方向の傾きのみとなり、融像して観察することが可能となる。像面３上にてＸ方向とＹ方向の両方に対して像の傾きが発生した場合、画像表示素子３上に射影される像は軸上主光線を軸として左右逆方向に回転した像となり、両眼の画像を融像することができなくなる。また、第２３面２３から第２５面２５までの反射面は、第２１面２１及び第２２面２２の上下方向（Ｘ軸方向）に配置することができるため、光路振り分けブリズム２０内の各反射面の干渉を防ぐことができる。さらに、上記Ｘ軸方向は、瞳の長手方向とは垂直方向になるため、大きく偏心させずに各面を構成することができ、Ｘ軸に非対称な偏心収差の発生量を小さく抑えることができる。
【００６１】
実施例１の構成における瞳座標に対する像の傾きを図示したものが図５、図６（ａ）〜（ｂ）である（図５は図４（ｃ）に対応、図６（ａ）は図４（ａ）に対応、図６（ｂ）は図４（ｄ）に対応）。これらの図中、Ｘ、Ｙは像の方向、Ｚは光の進行方向を示す。図５は、瞳１から第２２面２２までの両眼の光路図で、Ｙ−Ｚ平面内で偏心させている。図６（ａ）は、第２４面２４までの右眼用光路を示した図で、第２１面２１から第２４面２４までは、Ｙ−Ｚ面に垂直なＸ方向に偏心させている。図６（ｂ）は、第２３面２３から像面（画像表示素子）３までの両眼の光路図で、Ｙ−Ｚ平面内で偏心させている。ただし、これらの図は、簡単のため、各面を平面の反射鏡としたときの像の方向を図示したものであり、結像作用は考慮していない。実際には、この実施例では中間像を形成しているため、途中の中間像の位置でＸ方向、Ｙ方向が逆向きの像が形成されることとなる。
【００６２】
本実施例においては、接眼プリズム１０の偏心面を水平方向になるようにしているので、接眼プリズム１０の縦方向の寸法が非常に小さくでき、小型軽量化が達成できる。また、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させているため、より広い画角が達成できる。また、中間像を１回結像しているため、光路振り分けプリズム２０の高さは、接眼プリズム１０の高さよりも小さく、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させても、装置の小型化が達成できる。また、中間像から画像表示素子３までの物像間距離が長くとれ、光路振り分けプリズム２０の各面のパワーを弱く設定することができる。そのため、画像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することができる。また、この実施例においては、画像表示素子３を光路振り分けプリズム２０に対して観察者と反対側に配置できるため、画像表示素子３及びそのためのバックライトを配置するスペース上の問題は発生し難い。
【００６３】
さらに、この実施例においては、光路振り分けプリズム２０に４つの反射面２２〜２５があり、その中の２つの反射面２２、２３はＸ軸方向に偏心させ、２つの反射面２４、２５はＹ軸方向に偏心させているため、３次元的に光路をとっても良好な偏心収差補正が可能となる。
【００６４】
なお、接眼プリズム１０と瞳１の間にある平行平板４は保護ガラス用として挿入したものである。この保護ガラス４に正のパワーを付けることで、より広い画角がとれることは言うまでもない。
【００６５】
実施例２
図７に実施例２の図４と同様の図を示す。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１から出た逆光線追跡の軸上主光線（光軸）２は、保護ガラス４を経て、接眼プリズム１０の第１１面１１で屈折されて接眼プリズム１０内に入り、第１２面１２で内部反射され、第１１面１１が兼ねる第１３面１３に臨界角を越える角度で入射して全反射され、第１４面１４で屈折されて接眼プリズム１０から出て、光路振り分けプリズム２０の第２１面２１で屈折されて光路振り分けプリズム２０内に入り、第２２面２２で内部反射され、第２３面２３で内部反射され、第２４面２４で内部反射され、第２５面２５で屈折されて光路振り分けプリズム２０から出て、画像表示素子３に至る。
【００６６】
ここで、接眼プリズム１０の第１１面１１〜第１４面１４はＹ−Ｚ面に対して面対称に構成されており、各面はこのＹ−Ｚ面内で２次元的に偏心して構成されている。
【００６７】
接眼プリズム１０から出た軸上主光線は、第２１面２１から光路振り分けプリズム２０内に入射し、接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面：第１の水平面Ｈ１（図４（ｃ）の面））内を進み、その第２２面２２の反射面で接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面）と垂直な面Ｈ３（Ｘ軸と平行な面）内に反射され、その反射光は第２３面２３の反射面で反射され、その反射光は第１の水平面Ｈ１と平行でそれより上（Ｘ軸の負側）の第２の水平面Ｈ２（図４（ｄ）の面）内を進み、第２４面２４の反射面で反射されて第２の水平面Ｈ２内を進み、第２５面２５で屈折されて画像表示素子３の中心に、画像表示素子３の中心を通る法線に対して−３１．３２°の角度をなして入射する。光路振り分けプリズム２０の第２１面２１の上方（Ｘ軸の負側）に第２３面２３が、第２２面２２の上方（Ｘ軸の負側）に第２４面２４が配置されており、画像表示素子３の表示面はＸ−Ｙ面に平行で、左右の瞳の間の中心を通る対称面にその中心が一致するように配置されている。
【００６８】
そして接眼プリズム１０、光路振り分けプリズム２０共に正のパワーを有するように、それぞれの少なくとも１つの反射面は正パワーを有するように構成され、画像表示素子３の中間像を光路振り分けプリズム２０の第２１面２１と第２２面２２の間に結像する。
【００６９】
このように、観察光学系を３次元的に偏心させることで、光学系を自由な方向に折り畳むことができ、画像表示装置全体を小型化することができ、他の部材を考慮してデットスペースの少ない画像表示装置を提供することができる。さらには、デザインの自由度が大きくなる。また、光路振り分けプリズム２０内の反射面を垂直方向に２段に配置するようにして、画角を広くした場合でも、両眼の反射面の有効径を確保できるようにしている。
【００７０】
実施例２においても、実施例１と同様、光路振り分けプリズム２０の第２２面２２の反射面を、接眼プリズム１０の偏心面と垂直方向（本実施例ではＸ方向）に偏心させることで、第２２面２２で反射した像はＸ軸方向に傾く。その後、第２３面２３の反射面でＸ軸方向の像の傾きを０にするように反射面を構成することで、像の傾きが発生しないようにしている。このような構成にすることで、両眼の画像がＹ軸方向の傾きのみとなり、融像して観察することが可能となる。像面３上にてＸ方向とＹ方向の両方に対して像の傾きが発生した場合、画像表示素子３上に射影される像は軸上主光線を軸として左右逆方向に回転した像となり、両眼の画像を融像することができなくなる。また、第２３面２３から第２４面２４までの反射面は、第２１面２１及び第２２面２２の上下方向（Ｘ軸方向）に配置することができるため、光路振り分けブリズム２０内の各反射面の干渉を防ぐことができる。さらに、上記Ｘ軸方向は、瞳の長手方向とは垂直方向になるため、大きく偏心させずに各面を構成することができ、Ｘ軸に非対称な偏心収差の発生量を小さく抑えることができる。
【００７１】
本実施例においては、接眼プリズム１０の偏心面を水平方向になるようにしているので、接眼プリズム１０の縦方向の寸法が非常に小さくでき、小型軽量化が達成できる。また、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させているため、より広い画角が達成できる。また、中間像を１回結像しているため、光路振り分けプリズム２０の高さは、接眼プリズム１０の高さよりも小さく、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させても、装置の小型化が達成できる。また、中間像から画像表示素子３までの物像間距離が長くとれ、光路振り分けプリズム２０の各面のパワーを弱く設定することができる。そのため、画像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することができる。また、この実施例においては、画像表示素子３を光路振り分けプリズム２０の観察者側に配置しているが、画像表示素子３が眼の位置に対して少し上側に存在するため（光路振り分けプリズム２０が２段構成の３次元構成にしてあるため) 、画像表示素子３と観察者の鼻との干渉は起こり難い。
【００７２】
さらに、この実施例においては、光路振り分けプリズム２０に３つの反射面２２〜２４があり、その中の２つの反射面２２、２３はＸ軸方向に偏心させ、１つの反射面２４はＹ軸方向に偏心させているため、３次元的に光路をとっても良好な偏心収差補正が可能となる。
【００７３】
なお、接眼プリズム１０と瞳１の間にある平行平板４は保護ガラス用として挿入したものである。この保護ガラス４に正のパワーを付けることで、より広い画角がとれることは言うまでもない。
【００７４】
次に、上記実施例１〜２の構成パラメータを示す。各実施例の構成パラメータにおいては、逆光線追跡で、軸上主光線２を、光学系の射出瞳１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１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２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１から第１１面１１に向かう方向をＺ軸正方向とし、接眼プリズム１０内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。この座標系は、図４、図７に図示してある座標系と同じである。
【００７５】
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、非球面については、後記の（ｄ）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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
なお、実施例１〜２は、観察光学系とした場合に、観察画角は、水平半画角１２．５°、垂直半画角９．４°、画像表示素子３の大きさは１０．２×７．６ｍｍであり、瞳径４ｍｍある。
【００８２】
なお、以下の構成パラメータの表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面をそれぞれ示す。
【００８３】
【００８４】
【００８５】
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光路振り分けプリズム２０の入射面２６（実施例１）又は２５（実施例２）に入射させ、左右の接眼光学系１０、１０’を通して両眼で観察可能にするものであるが、図８（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φ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。
【００８６】
また、表示の射出角度が小さな画像表示素子３３を画像表示素子３として用いる場合には、図８（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。
【００８７】
ところで、光路振り分けプリズム２０の入射面２６（実施例１）又は２５（実施例１）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２５（実施例１）又は２４（実施例２）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８（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。
【００８８】
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。
【００８９】
その様子を図９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１３３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。
【００９０】
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。
【００９１】
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１３２、リヤプレート１３５の内部を介してリヤプレート１３５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。
【００９２】
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。
【００９３】
また、本発明の画像表示装置の観察光学系は、瞳１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１０に本発明の観察光学系の左右の片側のみの光学系を電子カメラ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、接眼プリズム１０と同様な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、本発明による片側の接眼プリズム１０と光路振り分けプリズム２０からなる３次元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）をプリズム１０の物体側あるいはプリズム２０の像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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１１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９５と本発明の光学系を構成するプリズム２０、１０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。
【００９７】
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。
【００９８】
以上の本発明の３次元偏心光路を備えた画像表示装置は、例えば次のように構成することができる。
【００９９】
〔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、少なくとも、観察者の左眼に光束を導く左接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右接眼部と、前記画像表示素子から前記射出角度を持って放射された画像光束を前記左右の接眼部に導く３次元光路振り分け部とを含み、
前記左接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記右接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記左接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）と、前記右接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）とが、同一平面（Ｙ−Ｚ面）に形成されるように、前記左右接眼部が構成され、
前記３次元光路振り分け部は、左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が配置され、かつ、前記光学面の中、少なくとも左右２組の反射面が、前記左右の接眼部によって形成される偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）に対して垂直な方向（Ｘ方向）の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１００】
〔２〕 上記１において、
前記３次元光路振り分け部が、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面を少なくとも１組備えていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０１】
〔３〕 上記２において、
前記の少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、前記の３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中の１組に配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０２】
〔４〕 上記２において、
前記の少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、対称面を１面のみ有する自由曲面にて形成され、
前記の少なくとも１組の自由曲面の各々の唯一の対称面が同一平面内に一致するように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０３】
〔５〕 上記１〜４の何れか１項において、
前記観察光学系が、プリズム部材にて形成され、前記反射面の何れもが前記プリズム部材の表面に形成された裏面反射面にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０４】
〔６〕 上記５において、
前記観察光学系は、前記３次元光路振り分け部を構成する３次元光路振り分けプリズムと、前記３次元光路振り分けプリズムと空気間隔を挟んで分離され、前記左接眼部を構成する左接眼プリズムと前記右接眼部を構成する右接眼プリズムとを含んで構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０５】
〔７〕 上記６において、
前記光路振り分けプリズムが、少なくとも前記画像表示素子に対向し左眼用光路を形成する画像光束と右眼用光路を形成する画像光束の両方の光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記左眼用光路の光束を前記プリズム外に射出する左側射出面と、前記入射面と前記左側射出面との間の光路上に配置されかつ前記左眼用光路の光束を前記プリズム内で反射する少なくとも３面以上の左側反射面と、前記右眼用光路の光束を前記プリズム外に射出する右側射出面と、前記入射面と前記右側射出面との間の光路上に配置されかつ前記右眼用光路の光束を前記プリズム内で反射する少なくとも３面以上の右側反射面とを含んで構成され、
前記少なくとも３面以上の左側反射面の中の前記入射面に対して前記左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む左第１平面と、前記少なくとも３面以上の右側反射面の中の前記入射面に対して前記右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む右第１平面とが、同一の第１平面内に一致するように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０６】
〔８〕 上記７において、
前記第１平面が、前記左接眼部の前記偏心光路面と前記右接眼部の前記偏心光路面とを含む同一平面である第２平面に対して、異なる平面からなり、かつ、前記第１平面と前記第２平面とが平行な位置関係を形成するように、前記観察光学系が構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０７】
〔９〕 上記８において、
前記少なくとも３面以上の左側反射面の中、２つの左側反射面が、前記第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、前記少なくとも３面以上の右側反射面の中、２つの右側反射面が、前記第１平面に対して垂直方向に隣接配置されるように前記光路振り分けプリズムが構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０８】
〔１０〕 上記９において、
前記第２平面に対して垂直な方向の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中、１組の左側反射面と右側反射面について、前記左側反射面と前記左側射出面とが第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、前記右側反射面と前記右側射出面とが前記第１平面に対して垂直方向に隣接配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０９】
〔１１〕 上記７〜１０の何れか１項において、
前記入射面に対して前記左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面と、前記入射面に対して前記右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面とが共に、前記画像表示素子と前記入射面の双方に対して対向するように隣接配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１０】
〔１２〕 上記１１において、
前記光路振り分けプリズムが、前記入射面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３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１１】
〔１３〕 上記１〜１２の何れか１項において、
前記画像表示素子と前記３次元光路振り分け部との間に、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３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１２】
〔１４〕 上記７〜１３の何れか１項において、
前記光路振り分けプリズムは、前記少なくとも３面以上の左側反射面によって前記画像表示素子から放射された前記左眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させると共に、前記少なくとも３面以上の右側反射面によって前記画像表示素子から放射された前記右眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させ、かつ、前記左側反射面による回転方向と前記右側反射面による回転方向とが逆回転となるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１３】
〔１５〕 上記１４において、
前記光路振り分けプリズムが、前記左側反射面によって形成された前記左眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が前記左第１平面と同一平面内に形成され、かつ、前記右側反射面によって形成された前記右眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が前記右第１平面内に形成されるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１４】
〔１６〕 上記１〜１５の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第１反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１５】
〔１７〕 上記１〜１６の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第２反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１６】
〔１８〕 上記１〜１７の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第３反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１７】
〔１９〕 上記１〜１８の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第４反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１８】
〔２０〕 上記１６〜１９の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部の左眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と左眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の左第２平面内に含まれ、右眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と右眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の右第２平面内に含まれ、前記左第２平面と前記右第２平面は、前記第１平面に垂直に設定されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１９】
〔２１〕 上記１〜２０の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる回転非対称形状の曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１２０】
〔２２〕 上記６〜２１の何れか１項において、
前記左接眼プリズムと前記右接眼プリズムが共に、前記３次元光路振り分けプリズム側から順に、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面とからなり、前記第１反射面と前記射出面は同一面からなり、前記第１反射面はその面での全反射による反射面であることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかに、本発明によると、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、両眼に画像を振り分ける光路振り分けプリズムに自由曲面を用いているため、良好に収差補正ができる。また、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。さらに、光路振り分けプリズムを３次元的に偏心させているため、画像表示素子が１枚で両眼視できる非常に広い画角の表示装置を提供することができる。さらに、接眼プリズムの偏心面を水平にしているため、幅の非常に小さい画像表示装置が提供でき、広いシーアラウンドが可能となる。
【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主として右眼用部分の斜視図である。
【図２】実施例１の光学系の軸上主光線を示す透視斜視図である。
【図３】異なる角度から見た実施例１の光学系の軸上主光線を示す透視斜視図である。
【図４】実施例１の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の光学面と光路を示す図である。
【図５】実施例１の構成における瞳座標に対する像の傾きを示した図である。
【図６】実施例１の構成における瞳座標に対する像の傾きを示した図である。
【図７】実施例２の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の光学面と光路を示す図である。
【図８】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９】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１０】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１１】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…観察者の眼
１…瞳
１’…絞り
２…軸上主光線（光軸）
３…画像表示素子
４…保護ガラス
１０、１０’…接眼プリズム
１１…第１１面
１２…第１２面
１３…第１３面
１４…第１４面
２０…光路振り分けプリズム
２１…第２１面
２２…第２２面
２３…第２３面
２４…第２４面
２５…第２５面
２６…第２６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
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元偏心光路を備えた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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、左右眼共通の単一の画像表示素子を用いた頭部装着式画像表示装置として、特開平６−１１００１３号においては、画像表示素子からの表示光を観察者の左右の眼へ導くために、二等辺三角柱のプリズムとミラーで分割し、折り曲げている。この配置においては、諸収差の補正は、観察者の眼の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。
【０００３】
また、特開平７−２８７１８５号においては、ミラーを複数枚使用し、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、左右の映像が逆に回転してしまう。
【０００４】
また、特開平９−６１７４８号のものにおいては、画像表示素子から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している。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、観察像強度が弱く暗くなる。
【０００５】
また、特開平９−１８１９９８号、特開平９−１８１９９９号のものは、左右別々あるいは共通の反射プリズム光学系を用いるものであるが、画角が狭いと言う問題がある。
【０００６】
さらに、特表平１０−５０４１１５号のものは、ハーフミラーを利用して表示光を分割するものであるが、部品点数が非常に多く、組み立てが非常に複雑である。
【０００７】
なお、本出願人は、特願２０００−４８７５０号等において、中央に光路振り分け光学系を配置し、その左右に接眼プリズムを配置した頭部装着式等の画像表示装置を提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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、１つの画像表示素子からの映像を、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、中央に配置する光路振り分け光学系にパワーを持たせることで、諸収差の補正を容易に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。
【０００９】
さらには、本出願人による特願２０００−４８７５０号等のような画像表示装置をさらに広画角化することを目的とするものである。
【００１０】
【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３次元偏心光路を備えた画像表示装置は、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、少なくとも、観察者の左眼に光束を導く左接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右接眼部と、前記画像表示素子から前記射出角度を持って放射された画像光束を前記左右の接眼部に導く３次元光路振り分け部とを含み、
前記左接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記右接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記左接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）と、前記右接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）とが、略同一平面（Ｙ−Ｚ面）に形成されるように、前記左右接眼部が構成され、
前記３次元光路振り分け部は、左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が配置され、かつ、前記光学面の中、少なくとも左右２組の反射面が、前記左右の接眼部によって形成される偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）に対して垂直な方向（Ｘ方向）の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
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。
【００１２】
通常、人間の瞳の間隔は平均約６４ｍｍ程度と言われ、個人差がある。そのため、両眼観察用の観察光学系において、眼幅の個人差を観察光学系で吸収するためには、予め光学系の瞳を横長に設定することが好ましい。つまり、観察光学系の瞳は観察者の水平方向に長い楕円（あるいは長方形等）を用いることが好ましい。
【００１３】
そのとき、瞳の長手方向と接眼部の偏心方向を同一方向にすると、各反射面の有効面は必然的に横に長い有効径を確保する必要がある。しかし、特願２０００−４８７５０号のように、観察者の水平方向にのみ偏心させた光学系の場合、人間の眼幅による制約があるため、光学系を横方向に大きくすることはできない。したがって、観察画角を広くすると、光路振り分け部の反射面を両眼の接眼部の間に配置することが困難になってくる。
【００１４】
そこで、本発明の画像表示装置の観察光学系では、光路振り分け部内全体の光路を３次元的な構成にすることで、光路振り分け部内の反射面を垂直方向に配置するようにして、画角を広くした場合でも、両眼の反射面の有効径を確保できるようにしたものである。
【００１５】
なお、観察光学系を構成する左右の接眼部、３次元光路振り分け部それぞれを反射鏡のみで構成しても、左右の接眼部、３次元光路振り分け部それぞれを偏心プリズムで構成しても、また、左右の接眼部と３次元光路振り分け部を一体の偏心プリズムで構成してもよい。
【００１６】
そして、３次元光路振り分け部は、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面を少なくとも１組備えていることが望ましい。
【００１７】
その場合、その少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中の１組に配置されていることが望ましい。
【００１８】
また、その少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、対称面を１面のみ有する自由曲面にて形成され、その少なくとも１組の自由曲面の各々の唯一の対称面が同一平面内に一致するように構成されていることが望ましい。
【００１９】
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。
【００２０】
【００２１】
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。
【００２２】
自由曲面項は、
【００２３】
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。
【００２４】
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、Ｚｅｒｎｉｋｅ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、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。
【００２５】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
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。
【００２９】
【００３０】
また、本発明においては、前記のように、観察光学系をプリズム部材にて形成し、反射面の何れもがプリズム部材の表面に形成された裏面反射面にて構成するようにしてもよい。
【００３１】
この場合、観察光学系は、３次元光路振り分け部を構成する３次元光路振り分けプリズムと、３次元光路振り分けプリズムと空気間隔を挟んで分離され、左接眼部を構成する左接眼プリズムと右接眼部を構成する右接眼プリズムとを含んで構成されているようにすることができる。
【００３２】
そして、光路振り分けプリズムが、少なくとも画像表示素子に対向し左眼用光路を形成する画像光束と右眼用光路を形成する画像光束の両方の光束をプリズム内に入射させる入射面と、左眼用光路の光束をプリズム外に射出する左側射出面と、入射面と左側射出面との間の光路上に配置されかつ左眼用光路の光束をプリズム内で反射する少なくとも３面以上の左側反射面と、右眼用光路の光束をプリズム外に射出する右側射出面と、入射面と右側射出面との間の光路上に配置されかつ右眼用光路の光束をプリズム内で反射する少なくとも３面以上の右側反射面とを含んで構成され、
その少なくとも３面以上の左側反射面の中の入射面に対して左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む左第１平面と、その少なくとも３面以上の右側反射面の中の入射面に対して右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む右第１平面とが、同一の第１平面内に一致するように構成されていることが望ましい。
【００３３】
この場合、その第１平面が、左接眼部の偏心光路面と右接眼部の偏心光路面とを含む略同一平面である第２平面に対して、異なる平面からなり、かつ、第１平面と第２平面とが平行な位置関係を形成するように、観察光学系が構成されていることが望ましい。
【００３４】
なお、ここで、左右の接眼部の偏心光路面が略同一平面にあるとは、製作誤差等による微小角度のずれを包含する意味であり、±１°とする。
【００３５】
また、少なくとも３面以上の左側反射面の中、２つの左側反射面が、第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、少なくとも３面以上の右側反射面の中、２つの右側反射面が、第１平面に対して垂直方向に隣接配置されるように光路振り分けプリズムが構成されていることが望ましい。
【００３６】
また、第２平面に対して垂直な方向の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中、１組の左側反射面と右側反射面について、左側反射面と左側射出面とが第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、右側反射面と右側射出面とが第１平面に対して垂直方向に隣接配置されているようにすることができる。
【００３７】
また、入射面に対して左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面と、入射面に対して右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面とが共に、画像表示素子と入射面の双方に対して対向するように隣接配置されていることが望ましい。
【００３８】
この場合に、光路振り分けプリズムが、入射面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。
【００３９】
また、画像表示素子と３次元光路振り分け部との間に、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。
【００４０】
また、光路振り分けプリズムは、少なくとも３面以上の左側反射面によって画像表示素子から放射された左眼用光路の軸上主光線をプリズム内で回転交差させると共に、少なくとも３面以上の右側反射面によって前記画像表示素子から放射された右眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させ、かつ、左側反射面による回転方向と右側反射面による回転方向とが逆回転となるように構成されていることが望ましい。
【００４１】
この場合に、光路振り分けプリズムが、左側反射面によって形成された左眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が左第１平面と同一平面内に形成され、かつ、右側反射面によって形成された右眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が右第１平面内に形成されるように構成されていることが望ましい。
【００４２】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第１反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４３】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第２反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４４】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第３反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４５】
また、３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも第４反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることが望ましい。
【００４６】
これらの場合、３次元光路振り分け部の左眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と左眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の左第２平面内に含まれ、右眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と右眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の右第２平面内に含まれ、左第２平面と右第２平面は、第１平面に垂直に設定されていることが望ましい。
【００４７】
また、３次元光路振り分け部に含まれる回転非対称形状の曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた自由曲面形状にて構成されていることが望ましい。
【００４８】
また、左接眼プリズムと右接眼プリズムが共に、３次元光路振り分けプリズム側から順に、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面とからなり、第１反射面と射出面は同一面からなり、第１反射面はその面での全反射による反射面であるようなものとすることができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の３次元偏心光路を備えた画像表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００５０】
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。
【００５１】
後記する各実施例の数値データにおいては、右眼用の観察光学系について示してあり、右眼用の瞳１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。左眼用の観察光学系については、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。
【００５２】
以下に示す実施例１〜２において、接眼プリズム１０はＹ−Ｚ面内における２次元元偏心の偏心プリズムからなり、画像表示素子３側に配置される光路振り分けプリズム２０は３次元元偏心の偏心プリズムであり、光路振り分けプリズム２０内の軸上主光線は同一平面内に存在せずＹ−Ｚ面とそれに平行な２つの平面とそれに直交する１つの平面内に存在する。以下、図面を参照にして説明する。
【００５３】
実施例１
図１に実施例１の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の斜視図、図２に実施例１の光学系の軸上主光線２を示す透視斜視図、図３に異なる角度から見た実施例１の光学系の軸上主光線２を示す透視斜視図をそれぞれ示す。ただし、図１〜図３において面はメッシュで表現してある。また、図４に実施例１の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の光学面と光路を示す図を示す。ただし、（ａ）はＺ軸正方向から見た右眼用光路の正面図、（ｂ）はＸ軸負方向から見た右眼用光路の平面図、（ｃ）はＸ軸負方向から見た第１の水平面内での両眼の光路を示す図、（ｄ）はＸ軸負方向から見た第１の水平面と平行で第１の水平面より上（Ｘ軸の負側）の第２の水平面内での両眼の光路を示す図である。
【００５４】
この光学系は、両眼装着型の頭部装着式画像表示装置として構成する場合の右眼用の光学系であり、左眼用の光学系は、Ｘ−Ｚ面に平行で、両眼を結ぶ直線の中心を通る面に対して面対称に構成される。以下の実施例２も同様。なお、図１〜図４には、左眼用の接眼プリズム１０’も図示してある。
【００５５】
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１から出た逆光線追跡の軸上主光線（光軸）２は、保護ガラス４（図１〜図３においては図示略）を経て、接眼プリズム１０の第１１面１１で屈折されて接眼プリズム１０内に入り、第１２面１２で内部反射され、第１１面１１が兼ねる第１３面１３に臨界角を越える角度で入射して全反射され、第１４面１４で屈折されて接眼プリズム１０から出て、光路振り分けプリズム２０の第２１面２１で屈折されて光路振り分けプリズム２０内に入り、第２２面２２で内部反射され、第２３面２３で内部反射され、第２４面２４で内部反射され、第２５面２５で内部反射され、第２６面２６で屈折されて光路振り分けプリズム２０から出て、画像表示素子３に至る。
【００５６】
ここで、接眼プリズム１０の第１１面１１〜第１４面１４はＹ−Ｚ面に対して面対称に構成されており、各面はこのＹ−Ｚ面内で２次元的に偏心して構成されている。
【００５７】
接眼プリズム１０から出た軸上主光線は、第２１面２１から光路振り分けプリズム２０内に入射し、接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面：第１の水平面Ｈ１（図４（ｃ）の面））内を進み、その第２２面２２の反射面で接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面）と垂直な面Ｈ３（Ｘ軸と平行な面）内に反射され、その反射光は第２３面２３の反射面で反射され、その反射光は第１の水平面Ｈ１と平行でそれより上（Ｘ軸の負側）の第２の水平面Ｈ２（図４（ｄ）の面）内を進み、第２４面２４の反射面で反射されて第２の水平面Ｈ２内を進み、第２５面２５の反射面で反射されてその第２の水平面Ｈ２内で第２４面２４に入射する軸上主光線と交差した後、第２６面２６で屈折されて画像表示素子３の中心に、画像表示素子３の中心を通る法線に対して−１９．５７°（図６（ｂ））の角度をなして入射する。光路振り分けプリズム２０の第２１面２１の上方（Ｘ軸の負側）に第２３面２３が、第２２面２２の上方（Ｘ軸の負側）に第２４面２４が配置されており、画像表示素子３の表示面はＸ−Ｙ面に平行で、左右の瞳の間の中心を通る対称面にその中心が一致するように配置されている。
【００５８】
そして接眼プリズム１０、光路振り分けプリズム２０共に正のパワーを有するように、それぞれの少なくとも１つの反射面は正パワーを有するように構成され、画像表示素子３の中間像を光路振り分けプリズム２０の第２１面２１と第２２面２２の間に結像する。
【００５９】
このように、観察光学系を３次元的に偏心させることで、光学系を自由な方向に折り畳むことができ、画像表示装置全体を小型化することができ、他の部材を考慮してデットスペースの少ない画像表示装置を提供することができる。さらには、デザインの自由度が大きくなる。また、光路振り分けプリズム２０内の反射面を垂直方向に２段に配置するようにして、画角を広くした場合でも、両眼の反射面の有効径を確保できるようにしている。
【００６０】
この実施例においては、光路振り分けプリズム２０の第２２面２２の反射面を、接眼プリズム１０の偏心面と垂直方向（本実施例ではＸ方向）に偏心させることで、第２２面２２で反射した像はＸ軸方向に傾く。その後、第２３面２３の反射面でＸ軸方向の像の傾きを０にするように反射面を構成することで、像の傾きが発生しないようにしている。このような構成にすることで、両眼の画像がＹ軸方向の傾きのみとなり、融像して観察することが可能となる。像面３上にてＸ方向とＹ方向の両方に対して像の傾きが発生した場合、画像表示素子３上に射影される像は軸上主光線を軸として左右逆方向に回転した像となり、両眼の画像を融像することができなくなる。また、第２３面２３から第２５面２５までの反射面は、第２１面２１及び第２２面２２の上下方向（Ｘ軸方向）に配置することができるため、光路振り分けブリズム２０内の各反射面の干渉を防ぐことができる。さらに、上記Ｘ軸方向は、瞳の長手方向とは垂直方向になるため、大きく偏心させずに各面を構成することができ、Ｘ軸に非対称な偏心収差の発生量を小さく抑えることができる。
【００６１】
実施例１の構成における瞳座標に対する像の傾きを図示したものが図５、図６（ａ）〜（ｂ）である（図５は図４（ｃ）に対応、図６（ａ）は図４（ａ）に対応、図６（ｂ）は図４（ｄ）に対応）。これらの図中、Ｘ、Ｙは像の方向、Ｚは光の進行方向を示す。図５は、瞳１から第２２面２２までの両眼の光路図で、Ｙ−Ｚ平面内で偏心させている。図６（ａ）は、第２４面２４までの右眼用光路を示した図で、第２１面２１から第２４面２４までは、Ｙ−Ｚ面に垂直なＸ方向に偏心させている。図６（ｂ）は、第２３面２３から像面（画像表示素子）３までの両眼の光路図で、Ｙ−Ｚ平面内で偏心させている。ただし、これらの図は、簡単のため、各面を平面の反射鏡としたときの像の方向を図示したものであり、結像作用は考慮していない。実際には、この実施例では中間像を形成しているため、途中の中間像の位置でＸ方向、Ｙ方向が逆向きの像が形成されることとなる。
【００６２】
本実施例においては、接眼プリズム１０の偏心面を水平方向になるようにしているので、接眼プリズム１０の縦方向の寸法が非常に小さくでき、小型軽量化が達成できる。また、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させているため、より広い画角が達成できる。また、中間像を１回結像しているため、光路振り分けプリズム２０の高さは、接眼プリズム１０の高さよりも小さく、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させても、装置の小型化が達成できる。また、中間像から画像表示素子３までの物像間距離が長くとれ、光路振り分けプリズム２０の各面のパワーを弱く設定することができる。そのため、画像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することができる。また、この実施例においては、画像表示素子３を光路振り分けプリズム２０に対して観察者と反対側に配置できるため、画像表示素子３及びそのためのバックライトを配置するスペース上の問題は発生し難い。
【００６３】
さらに、この実施例においては、光路振り分けプリズム２０に４つの反射面２２〜２５があり、その中の２つの反射面２２、２３はＸ軸方向に偏心させ、２つの反射面２４、２５はＹ軸方向に偏心させているため、３次元的に光路をとっても良好な偏心収差補正が可能となる。
【００６４】
なお、接眼プリズム１０と瞳１の間にある平行平板４は保護ガラス用として挿入したものである。この保護ガラス４に正のパワーを付けることで、より広い画角がとれることは言うまでもない。
【００６５】
実施例２
図７に実施例２の図４と同様の図を示す。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１から出た逆光線追跡の軸上主光線（光軸）２は、保護ガラス４を経て、接眼プリズム１０の第１１面１１で屈折されて接眼プリズム１０内に入り、第１２面１２で内部反射され、第１１面１１が兼ねる第１３面１３に臨界角を越える角度で入射して全反射され、第１４面１４で屈折されて接眼プリズム１０から出て、光路振り分けプリズム２０の第２１面２１で屈折されて光路振り分けプリズム２０内に入り、第２２面２２で内部反射され、第２３面２３で内部反射され、第２４面２４で内部反射され、第２５面２５で屈折されて光路振り分けプリズム２０から出て、画像表示素子３に至る。
【００６６】
ここで、接眼プリズム１０の第１１面１１〜第１４面１４はＹ−Ｚ面に対して面対称に構成されており、各面はこのＹ−Ｚ面内で２次元的に偏心して構成されている。
【００６７】
接眼プリズム１０から出た軸上主光線は、第２１面２１から光路振り分けプリズム２０内に入射し、接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面：第１の水平面Ｈ１（図４（ｃ）の面））内を進み、その第２２面２２の反射面で接眼プリズム１０の偏心面（Ｙ−Ｚ面）と垂直な面Ｈ３（Ｘ軸と平行な面）内に反射され、その反射光は第２３面２３の反射面で反射され、その反射光は第１の水平面Ｈ１と平行でそれより上（Ｘ軸の負側）の第２の水平面Ｈ２（図４（ｄ）の面）内を進み、第２４面２４の反射面で反射されて第２の水平面Ｈ２内を進み、第２５面２５で屈折されて画像表示素子３の中心に、画像表示素子３の中心を通る法線に対して−３１．３２°の角度をなして入射する。光路振り分けプリズム２０の第２１面２１の上方（Ｘ軸の負側）に第２３面２３が、第２２面２２の上方（Ｘ軸の負側）に第２４面２４が配置されており、画像表示素子３の表示面はＸ−Ｙ面に平行で、左右の瞳の間の中心を通る対称面にその中心が一致するように配置されている。
【００６８】
そして接眼プリズム１０、光路振り分けプリズム２０共に正のパワーを有するように、それぞれの少なくとも１つの反射面は正パワーを有するように構成され、画像表示素子３の中間像を光路振り分けプリズム２０の第２１面２１と第２２面２２の間に結像する。
【００６９】
このように、観察光学系を３次元的に偏心させることで、光学系を自由な方向に折り畳むことができ、画像表示装置全体を小型化することができ、他の部材を考慮してデットスペースの少ない画像表示装置を提供することができる。さらには、デザインの自由度が大きくなる。また、光路振り分けプリズム２０内の反射面を垂直方向に２段に配置するようにして、画角を広くした場合でも、両眼の反射面の有効径を確保できるようにしている。
【００７０】
実施例２においても、実施例１と同様、光路振り分けプリズム２０の第２２面２２の反射面を、接眼プリズム１０の偏心面と垂直方向（本実施例ではＸ方向）に偏心させることで、第２２面２２で反射した像はＸ軸方向に傾く。その後、第２３面２３の反射面でＸ軸方向の像の傾きを０にするように反射面を構成することで、像の傾きが発生しないようにしている。このような構成にすることで、両眼の画像がＹ軸方向の傾きのみとなり、融像して観察することが可能となる。像面３上にてＸ方向とＹ方向の両方に対して像の傾きが発生した場合、画像表示素子３上に射影される像は軸上主光線を軸として左右逆方向に回転した像となり、両眼の画像を融像することができなくなる。また、第２３面２３から第２４面２４までの反射面は、第２１面２１及び第２２面２２の上下方向（Ｘ軸方向）に配置することができるため、光路振り分けブリズム２０内の各反射面の干渉を防ぐことができる。さらに、上記Ｘ軸方向は、瞳の長手方向とは垂直方向になるため、大きく偏心させずに各面を構成することができ、Ｘ軸に非対称な偏心収差の発生量を小さく抑えることができる。
【００７１】
本実施例においては、接眼プリズム１０の偏心面を水平方向になるようにしているので、接眼プリズム１０の縦方向の寸法が非常に小さくでき、小型軽量化が達成できる。また、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させているため、より広い画角が達成できる。また、中間像を１回結像しているため、光路振り分けプリズム２０の高さは、接眼プリズム１０の高さよりも小さく、光路振り分けプリズム２０を３次元的に偏心させても、装置の小型化が達成できる。また、中間像から画像表示素子３までの物像間距離が長くとれ、光路振り分けプリズム２０の各面のパワーを弱く設定することができる。そのため、画像表示素子３の表示面上で良好な性能を確保することができる。また、この実施例においては、画像表示素子３を光路振り分けプリズム２０の観察者側に配置しているが、画像表示素子３が眼の位置に対して少し上側に存在するため（光路振り分けプリズム２０が２段構成の３次元構成にしてあるため) 、画像表示素子３と観察者の鼻との干渉は起こり難い。
【００７２】
さらに、この実施例においては、光路振り分けプリズム２０に３つの反射面２２〜２４があり、その中の２つの反射面２２、２３はＸ軸方向に偏心させ、１つの反射面２４はＹ軸方向に偏心させているため、３次元的に光路をとっても良好な偏心収差補正が可能となる。
【００７３】
なお、接眼プリズム１０と瞳１の間にある平行平板４は保護ガラス用として挿入したものである。この保護ガラス４に正のパワーを付けることで、より広い画角がとれることは言うまでもない。
【００７４】
次に、上記実施例１〜２の構成パラメータを示す。各実施例の構成パラメータにおいては、逆光線追跡で、軸上主光線２を、光学系の射出瞳１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１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２に沿う方向をＺ軸方向とし、瞳１から第１１面１１に向かう方向をＺ軸正方向とし、接眼プリズム１０内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。この座標系は、図４、図７に図示してある座標系と同じである。
【００７５】
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、非球面については、後記の（ｄ）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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
【００８０】
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。
【００８１】
なお、実施例１〜２は、観察光学系とした場合に、観察画角は、水平半画角１２．５°、垂直半画角９．４°、画像表示素子３の大きさは１０．２×７．６ｍｍであり、瞳径４ｍｍある。
【００８２】
なお、以下の構成パラメータの表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面をそれぞれ示す。
【００８３】
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光路振り分けプリズム２０の入射面２６（実施例１）又は２５（実施例２）に入射させ、左右の接眼光学系１０、１０’を通して両眼で観察可能にするものであるが、図８（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φ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。
【００８６】
また、表示の射出角度が小さな画像表示素子３３を画像表示素子３として用いる場合には、図８（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。
【００８７】
ところで、光路振り分けプリズム２０の入射面２６（実施例１）又は２５（実施例１）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２５（実施例１）又は２４（実施例２）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８（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。
【００８８】
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。
【００８９】
その様子を図９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１３３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。
【００９０】
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。
【００９１】
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１３２、リヤプレート１３５の内部を介してリヤプレート１３５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。
【００９２】
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。
【００９３】
また、本発明の画像表示装置の観察光学系は、瞳１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１０に本発明の観察光学系の左右の片側のみの光学系を電子カメラ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、接眼プリズム１０と同様な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、本発明による片側の接眼プリズム１０と光路振り分けプリズム２０からなる３次元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）をプリズム１０の物体側あるいはプリズム２０の像側にその構成要素として含んでいてもよい。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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１１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９５と本発明の光学系を構成するプリズム２０、１０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。
【００９７】
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。
【００９８】
以上の本発明の３次元偏心光路を備えた画像表示装置は、例えば次のように構成することができる。
【００９９】
〔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、少なくとも、観察者の左眼に光束を導く左接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右接眼部と、前記画像表示素子から前記射出角度を持って放射された画像光束を前記左右の接眼部に導く３次元光路振り分け部とを含み、
前記左接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記右接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記左接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）と、前記右接眼部の有する前記２面以上の反射面にて形成される軸上主光線の偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）とが、同一平面（Ｙ−Ｚ面）に形成されるように、前記左右接眼部が構成され、
前記３次元光路振り分け部は、左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が配置され、かつ、前記光学面の中、少なくとも左右２組の反射面が、前記左右の接眼部によって形成される偏心光路面（Ｙ−Ｚ面）に対して垂直な方向（Ｘ方向）の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１００】
〔２〕 上記１において、
前記３次元光路振り分け部が、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面を少なくとも１組備えていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０１】
〔３〕 上記２において、
前記の少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、前記の３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中の１組に配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０２】
〔４〕 上記２において、
前記の少なくとも１組の偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面形状の反射面は、対称面を１面のみ有する自由曲面にて形成され、
前記の少なくとも１組の自由曲面の各々の唯一の対称面が同一平面内に一致するように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０３】
〔５〕 上記１〜４の何れか１項において、
前記観察光学系が、プリズム部材にて形成され、前記反射面の何れもが前記プリズム部材の表面に形成された裏面反射面にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０４】
〔６〕 上記５において、
前記観察光学系は、前記３次元光路振り分け部を構成する３次元光路振り分けプリズムと、前記３次元光路振り分けプリズムと空気間隔を挟んで分離され、前記左接眼部を構成する左接眼プリズムと前記右接眼部を構成する右接眼プリズムとを含んで構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０５】
〔７〕 上記６において、
前記光路振り分けプリズムが、少なくとも前記画像表示素子に対向し左眼用光路を形成する画像光束と右眼用光路を形成する画像光束の両方の光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記左眼用光路の光束を前記プリズム外に射出する左側射出面と、前記入射面と前記左側射出面との間の光路上に配置されかつ前記左眼用光路の光束を前記プリズム内で反射する少なくとも３面以上の左側反射面と、前記右眼用光路の光束を前記プリズム外に射出する右側射出面と、前記入射面と前記右側射出面との間の光路上に配置されかつ前記右眼用光路の光束を前記プリズム内で反射する少なくとも３面以上の右側反射面とを含んで構成され、
前記少なくとも３面以上の左側反射面の中の前記入射面に対して前記左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む左第１平面と、前記少なくとも３面以上の右側反射面の中の前記入射面に対して前記右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線とを含む右第１平面とが、同一の第１平面内に一致するように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０６】
〔８〕 上記７において、
前記第１平面が、前記左接眼部の前記偏心光路面と前記右接眼部の前記偏心光路面とを含む同一平面である第２平面に対して、異なる平面からなり、かつ、前記第１平面と前記第２平面とが平行な位置関係を形成するように、前記観察光学系が構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０７】
〔９〕 上記８において、
前記少なくとも３面以上の左側反射面の中、２つの左側反射面が、前記第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、前記少なくとも３面以上の右側反射面の中、２つの右側反射面が、前記第１平面に対して垂直方向に隣接配置されるように前記光路振り分けプリズムが構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０８】
〔１０〕 上記９において、
前記第２平面に対して垂直な方向の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の光束の軸上主光線を反射させる少なくとも左右２組の反射面の中、１組の左側反射面と右側反射面について、前記左側反射面と前記左側射出面とが第１平面に対して垂直方向に隣接配置され、かつ、前記右側反射面と前記右側射出面とが前記第１平面に対して垂直方向に隣接配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１０９】
〔１１〕 上記７〜１０の何れか１項において、
前記入射面に対して前記左眼用光路上最も近い位置に配置された反射面と、前記入射面に対して前記右眼用光路上最も近い位置に配置された反射面とが共に、前記画像表示素子と前記入射面の双方に対して対向するように隣接配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１０】
〔１２〕 上記１１において、
前記光路振り分けプリズムが、前記入射面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３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１１】
〔１３〕 上記１〜１２の何れか１項において、
前記画像表示素子と前記３次元光路振り分け部との間に、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３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１２】
〔１４〕 上記７〜１３の何れか１項において、
前記光路振り分けプリズムは、前記少なくとも３面以上の左側反射面によって前記画像表示素子から放射された前記左眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させると共に、前記少なくとも３面以上の右側反射面によって前記画像表示素子から放射された前記右眼用光路の軸上主光線を前記プリズム内で回転交差させ、かつ、前記左側反射面による回転方向と前記右側反射面による回転方向とが逆回転となるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１３】
〔１５〕 上記１４において、
前記光路振り分けプリズムが、前記左側反射面によって形成された前記左眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が前記左第１平面と同一平面内に形成され、かつ、前記右側反射面によって形成された前記右眼用光路の軸上主光線の回転交差平面が前記右第１平面内に形成されるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１４】
〔１６〕 上記１〜１５の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第１反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１５】
〔１７〕 上記１〜１６の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第２反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１６】
〔１８〕 上記１〜１７の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第３反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１７】
〔１９〕 上記１〜１８の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる左右対称な複数組の反射面が、前記画像表示素子側から順に、左右１組の第１反射面と、左右１組の第２反射面と、左右１組の第３反射面と、左右１組の第４反射面とから構成され、
少なくとも前記第４反射面が、光束にパワーを与える曲面反射面形状にて構成され、かつ、偏心収差補正機能を有した回転非対称形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１８】
〔２０〕 上記１６〜１９の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部の左眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と左眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の左第２平面内に含まれ、右眼用光路の第３反射面に入射する軸上主光線とそこから反射する軸上主光線と右眼用光路の第４反射面で反射する軸上主光線とが同一の右第２平面内に含まれ、前記左第２平面と前記右第２平面は、前記第１平面に垂直に設定されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１１９】
〔２１〕 上記１〜２０の何れか１項において、
前記３次元光路振り分け部に含まれる回転非対称形状の曲面反射面が、対称面を１面のみ備えた自由曲面形状にて構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１２０】
〔２２〕 上記６〜２１の何れか１項において、
前記左接眼プリズムと前記右接眼プリズムが共に、前記３次元光路振り分けプリズム側から順に、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面とからなり、前記第１反射面と前記射出面は同一面からなり、前記第１反射面はその面での全反射による反射面であることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
【０１２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかに、本発明によると、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、両眼に画像を振り分ける光路振り分けプリズムに自由曲面を用いているため、良好に収差補正ができる。また、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。さらに、光路振り分けプリズムを３次元的に偏心させているため、画像表示素子が１枚で両眼視できる非常に広い画角の表示装置を提供することができる。さらに、接眼プリズムの偏心面を水平にしているため、幅の非常に小さい画像表示装置が提供でき、広いシーアラウンドが可能となる。
【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主として右眼用部分の斜視図である。
【図２】実施例１の光学系の軸上主光線を示す透視斜視図である。
【図３】異なる角度から見た実施例１の光学系の軸上主光線を示す透視斜視図である。
【図４】実施例１の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の光学面と光路を示す図である。
【図５】実施例１の構成における瞳座標に対する像の傾きを示した図である。
【図６】実施例１の構成における瞳座標に対する像の傾きを示した図である。
【図７】実施例２の画像表示装置の光学系の主として右眼用部分の光学面と光路を示す図である。
【図８】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９】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１０】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１１】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…観察者の眼
１…瞳
１’…絞り
２…軸上主光線（光軸）
３…画像表示素子
４…保護ガラス
１０、１０’…接眼プリズム
１１…第１１面
１２…第１２面
１３…第１３面
１４…第１４面
２０…光路振り分けプリズム
２１…第２１面
２２…第２２面
２３…第２３面
２４…第２４面
２５…第２５面
２６…第２６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 (5)
- 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み、
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、少なくとも、観察者の左眼に光束を導く左接眼部と、観察者の右眼に光束を導く右接眼部と、前記画像表示素子から前記射出角度を持って放射された画像光束を前記左右の接眼部に導く光路振り分け部とを含んだ画像表示装置において、
前記左接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
前記右接眼部が、少なくとも２面以上の反射面を有し、その中の少なくとも１つの反射面が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、
逆光線追跡で、軸上主光線を、前記瞳の中心を垂直に通り前記画像表示素子中心に至る光線とし、
前記左接眼部における前記軸上主光線を含む仮想面を左偏心光路面とし、前記右接眼部における前記軸上主光線を含む仮想面を右偏心光路面としたとき、前記左偏心光路面と前記右偏心光路面の各々が、第１平面と一致するように、前記左右接眼部が構成され、
前記光路振り分け部は、左右対称な光路を形成できるように、左右対称に光学面が配置され、かつ、前記光学面の中、少なくとも前記左右接眼部を通る光路各々に対応する１組の第１反射面が、前記左右の偏心光路面に対して垂直な方向の成分をも含めた３次元偏心方向に左右各々の前記軸上主光線を反射させるように構成されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。 - 請求項１において、
前記光路振り分け部は、前記画像表示素子と対向する位置に設けられた透過面と、前記左右１組の第１反射面とは別の前記左右接眼部を通る光路各々に対応する１組の第２反射面を有し、
前記透過面と前記左側第２反射面で形成される光路における前記軸上主光線を含む仮想面を左側第２平面、前記透過面と前記右側第２反射面で形成される光路における前記軸上主光線を含む仮想面を右側第２平面とし、前記左側第２平面と前記右側第２平面とが第２平面で一致し、
該第２平面が前記第１平面と平行、かつ、所定の間隔を有して位置するように、前記透過面及び前記左右１組の第２反射面が配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。 - 請求項２において、
前記左右１組の第１反射面で反射される前記軸上主光線は、前記第１平面と前記第２平面の間の空間に配置されていることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。 - 請求項２又は３において、
前記左右の接眼部における回転非対称な曲面反射面は対称面を１つのみ有すると共に、該対称面は前記第１平面と平行であり、
前記１組の第２反射面は、対称面を１つのみ有する回転非対称な曲面反射面であって、該対称面は前記第２平面と平行であり、
前記左右１組の第１反射面は、対称面を持たない回転非対称な曲面反射面であることを特徴とする３次元偏心光路を備えた画像表示装置。 - 請求項１〜３の何れか１項において、
前記画像表示素子と前記光路振り分け部との間に、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前記射出角度をもって放射される光束について垂直方向から左右の光路方向に射出角度を増やす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３次元偏心光路を備えた画像表示装置。
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