JP2010020064A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】 画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、リレー光学系４は、少なくとも当該リレー光学系の中心軸に対して回転対称な第１反射面１２及び第２反射面１３を有し、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されるものである。
【選択図】図１０

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に、頭部装着に適し、小型で広い観察画角を表示することが可能な画像表示装置に関するものである。

従来、広い観察画角特に水平画角で６０度に相当する映像を観察する表示装置が特許文献１において知られている。
特開２００７−１１１６８号公報

しかしながら、特許文献１において知られている従来例の場合、さらに広い観察画角を得るためには非常に大きな表示素子と光学系を用いないと不可能であり、装置が大型となる。また、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーし、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには接眼光学系が複雑で大型になる問題があり、簡単な構造で鮮明な画像を観察することは不可能であった。

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で、小型でありながら、１８０度のような広い観察画角を鮮明に観察することが可能な画像表示装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された画像をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系と、からなる画像表示装置において、前記リレー光学系は、少なくとも当該リレー光学系の中心軸に対して回転対称な第１反射面及び第２反射面を有し、前記接眼光学系は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、前記リレー光学系でリレーされたリレー像は、前記リレー光学系の中心軸に直交する各断面内で前記リレー光学系の中心軸と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影されることを特徴とする。

前記画像表示素子に表示された画像は、前記リレー光学系の第１反射面及び第２反射面でそれぞれ反射された後に前記接眼光学系の接眼反射面に到達し、さらに前記接眼光学系射出瞳に至ることを特徴とする。

また、前記リレー光学系の中心軸は、前記接眼光学系の射出瞳より前記接眼光学系側に配置されることを特徴とする。

また、前記リレー光学系の中心軸と観察者の視軸は略直交することを特徴とする。

また、前記画像表示素子は、円環状の画像を表示することを特徴とする。

また、前記リレー像の近傍に拡散作用を有する手段を配置することを特徴とする。

また、前記拡散作用を有する手段は、光学素子表面を表面処理することにより形成され
ることを特徴とする。

また、前記拡散作用を有する手段を回転又は振動させる手段を有することを特徴とする。

また、前記拡散作用を有する手段は、ホログラフィック素子により構成されることを特徴とする。

また、前記画像表示素子に円環状に表示された画像は、前記リレー光学系と前記接眼光学系により、少なくとも１８０度又は略１８０度の視野角を有する画像として視認可能であることを特徴とする。

以上の本発明の画像表示装置においては、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能となる。

以下、実施例に基づいて本発明の画像表示装置について説明する。図１は本発明の画像表示装置１の概念図、図２は図１の平面図、である。

本発明の画像表示装置１は、図１及び図２に示すように、画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、リレー光学系４は、少なくとも２つの回転対称な第１反射面１２及び第２反射面１３を有し、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである。

従来、リレー光学系を使わずに接眼光学系のみで映像を投影する頭部装着型画像表示装置があるが、広い観察像を得るためには非常に大きな表示素子と光学系を用いないと、広い観察画角を観察することは不可能であった。

また、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーして、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには接眼光学系が複雑で大型になる問題があった。

そこで、本発明では接眼光学系５を１面の反射面５ａで構成することにより小型軽量化を達成しつつ、非常に広い観察像を提供することに成功したものである。

しかし、通常、１面の反射面では画角が広い場合非常に大きな像面湾曲が接眼光学系で発生してしまい。周辺まで鮮明な映像を観察することは不可能であった。

一方、接眼光学系５の像面湾曲にリレー光学系４のリレー像の像面湾曲を合わせることは従来行われていた。しかし、１８０度近い観察像を得るために、１面の凹面反射面で接眼光学系を構成すると半円に近い像面湾曲が発生する。リレー光学系４でこの半円に近い像面湾曲を発生させることは、従来の透過レンズの組み合わせの光学系では不可能に近く、たとえ実現しても非常に複雑で大きな光学系になってしまう。

本発明はリレー光学系４のリレーされる像を、中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面からなるリレー像面にすること
により、非常に大きな像面湾曲を発生させることに成功し、接眼光学系５の像面湾曲と合わせることにより、この問題を解決したものである。

さらに好ましくは、この様な構成を取り接眼光学系５の水平方向の観察画角を広く取るためには、リレー光学系４の中心軸２と観察者の視軸を略直交させることが重要である。なお、この両軸の位置方向関係は必ずしも９０度に直交することに限定されるものではなく、ほぼ直交する方向関係を有していれば良い。従って、その角度は９０度に満たない例えば８５度や８０度であっても良い。

また、リレー光学系４に、少なくとも２つの中心軸に対して回転対称な第１反射面１２及び第２反射面１３を有し、リレー光学系４のリレー像をリレー光学系４の中心軸２の周りに形成することが好ましい。反射面は色収差の発生が無く、他の収差発生も透過面より少ないので、収差補正上好ましいことと、光路を折りたたむことにより、光学系を小型に構成することが可能となるからである。さらに、観察光路をリレー光学系が遮ってしまい、観察画角の上の方が狭くなる欠点も最小にすることが可能である。

また、リレー光学系４の中心軸２は、接眼光学系５の射出瞳Ｅより接眼光学系５側に配置されることが好ましい。観察者瞳位置からなる射出瞳Ｅとリレー光学系４が干渉しないようにするために、リレー光学系４の中心軸２を含む垂直断面ではリレー光学系を接眼光学系の射出瞳Ｅの上方に逃げることで干渉を防いでいるが、中心軸２と直行する断面である水平断面では、接眼光学系５の射出瞳Ｅより中心軸２を接眼光学系５側に近づけることにより干渉を防いでいる。リレー光学系４は回転対称な光学系で構成されているため、リレー光学系４のサジタル断面の接眼光学系５の射出瞳Ｅは必ず中心軸２上に存在することになる。観察者の額とリレー光学系４の干渉を防ぐ為には、中心軸２を接眼光学系５に近い方に配置することにより初めて可能となる。

さらに好ましくは、観察者眼球位置に相当する接眼光学系５の射出瞳Ｅ位置の瞳収差を最小にする為に、接眼光学系５の水平断面の形状は、リレー光学系４の中心軸２と観察者瞳位置である射出瞳Ｅの２点を焦点とする楕円形状であることが望ましい。この形状により、両眼で１８０度以上の観察画角を観察することが可能となる。

また、図３に示すように、画像表示素子３は、円環状の画像を表示することが好ましい。リレー光学系４は回転対称な形状であり、リレー像が、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内で、リレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるためには、画像表示素子３には円環状の映像を表示することが重要である。通常の表示では像が視野周辺で回転してしまい、正しい映像を観察することができない。さらに好ましくは、図４に示すように、画像表示素子３の画素数を有効に使うために、円環状の表示映像の観察可能な部分のみ拡大して画像表示素子３に表示することが良い。

また、図５に示すように、リレー像の近傍に拡散作用を有する手段１０を配置することが好ましい。リレー光学系４のリレー像近傍に拡散面等を配置することにより、接眼光学系５の射出瞳Ｅが広がり、観察者が目を動かしても映像がケラレルことなく、視野周辺まで常に映像を観察することが可能となる。さらに、この拡散面によりリレー光学系４のＮＡを小さくすることが可能となり、リレー光学系４の構成を簡単にすることが可能となり、小型のリレー光学系４を構成することができる。

また、拡散作用を有する手段１０は、光学素子表面を表面処理することにより形成されることが好ましい。光学素子表面を表面処理することにより形成されるので、製作性が向上する。

また、拡散作用を有する手段１０を回転又は振動させる手段を有することが好ましい。拡散面自体が観察されてしまうおそれを回避することが可能となる。

また、拡散作用を有する手段１０は、ホログラフィック素子により構成されることが好ましい。拡散面自体が観察されてしまうおそれを回避することが可能となる。

さらに好ましくは、リレー光学系４の使用しない部分を（図中破線の部分）カットすることにより、観察者の額との干渉を防ぐことができるのは言うまでもない。

さらに、本実施例では少なくとも２つの第１反射面１２及び第２反射面１３を内部反射面で構成しているが、これを表面反射鏡で構成することも可能である。

さらに、接眼光学系５は半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重層表示する所謂コンバイナーとして構成することが可能である。この場合円環状の基盤にホログラフィック素子を貼り付けた、凹面鏡の作用を有するコンバイナーとすることが望ましい。

さらに好ましくは、接眼光学系５から観察者瞳位置としての射出瞳Ｅまでの距離をＤｅ、接眼光学系５からリレー光学系４の中心軸２までの距離をＤａとするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
１.１＜Ｄｅ／Ｄａ ・・・（１）

上記条件式（１）の下限の１．１を超えると、リレー光学系４が観察者の額と干渉するおそれがある。

図６及び図７は、他の実施形態を示す図である。この形態は、左右のリレー光学系４の視軸即ち正面方向の視線をずらして配置したものである。図６は平面図、図７は表示素子の表示例を示す図である。このように配置することにより、より広角な観察像を得ることが可能となる。

以下に、本発明の画像表示装置１の光学系の実施例１及び実施例２を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、例えば図８に示すように、観察者の観察する位置を接眼光学系の射出瞳Ｅとし、射出瞳Ｅを通り画像表示素子３に向かう光線が、接眼光学系５と、リレー光学系４とを順に経て画像表示素子３に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。

座標系は、逆光線追跡において、例えば図８に示すように、接眼光学系の射出瞳Ｅと接眼光学系５とを結ぶ主光線と中心軸との交点を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとし、中心軸１の画像表示素子３と反対側の方向をＺ軸正方向とし、図の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図８の原点Ｏから右方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（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、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系の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、面の曲率半径、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、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。

まず、図９に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ａ）が定められる。
Ｚ＝（Ｙ² ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ₁ ＋１）Ｙ² ／ＲＹ² ｝^{1 /2}］
＋Ｃ₂ Ｙ＋Ｃ₃ Ｙ² ＋Ｃ₄ Ｙ³ ＋Ｃ₅ Ｙ⁴ ＋Ｃ₆ Ｙ⁵ ＋Ｃ₇ Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1 Ｙⁿ ＋・・・・
・・・（ａ）

次いで、この曲線（ａ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。

その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面

その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。

この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。
ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ₁ は円錐定数、Ｃ₂ 、Ｃ₃ 、Ｃ₄ 、Ｃ₅ …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。

なお、Ｚ軸を中心軸Ｌに持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ₁ ，Ｃ₂ ，Ｃ₃ ，Ｃ₄ ，Ｃ₅ ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。

また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、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。

Ｚ＝（ｒ² ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）² ｝］
∞
＋Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙⁿ ・・・（ｂ）
j=1
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、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）
である。

自由曲面項は、
₆₆
Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙ^n
j=1
＝Ｃ₁
＋Ｃ₂ Ｘ＋Ｃ₃ Ｙ
＋Ｃ₄ Ｘ² ＋Ｃ₅ ＸＹ＋Ｃ₆ Ｙ²
＋Ｃ₇ Ｘ³ ＋Ｃ₈ Ｘ² Ｙ＋Ｃ₉ ＸＹ² ＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₂Ｘ³ Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ² Ｙ² ＋Ｃ₁₄ＸＹ³ ＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵ ＋Ｃ₁₇Ｘ⁴ Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³ Ｙ² ＋Ｃ₁₉Ｘ² Ｙ³ ＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶ ＋Ｃ₂₃Ｘ⁵ Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴ Ｙ² ＋Ｃ₂₅Ｘ³ Ｙ³ ＋Ｃ₂₆Ｘ² Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵ ＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷ ＋Ｃ₃₀Ｘ⁶ Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵ Ｙ² ＋Ｃ₃₂Ｘ⁴ Ｙ³ ＋Ｃ₃₃Ｘ³ Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ² Ｙ⁵ ＋Ｃ₃₅ＸＹ⁶ ＋Ｃ₃₆Ｙ⁷
・・・・・・
ただし、Ｃ_j （ｊは１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、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（ｂ）においては、Ｃ₂ 、Ｃ₅ 、Ｃ₇ 、Ｃ₉ 、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、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。

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、Ｃ₂₃、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。

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。

また、上記定義式（ｂ）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な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。

また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、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。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

実施例１の視覚表示装置のリレー光学系の中心軸２に沿ってとった断面図を図１０に、その光学系内の光路を示す中心軸１０１に沿う方向に見た平面図を図１１に示す。なお、図１１においては、一部のリレー光学系４しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１２及び図１３に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

本実施例１は、画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレ
ー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、リレー光学系４は、少なくとも２つの回転対称な第１反射面１２及び第２反射面１３を有し、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面５ａを有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである

接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面５ａを有する。なお、６は接眼光学系５の回転対称軸であり、中心軸２と平行である。接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。

そして、リレー光学系４は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと後群Ｇｂと、からなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３及び第４群Ｇ４からなる。

前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、接眼光学系５に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置された第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸２側に配置される第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して画像表示素子３と反対側に配置される第２反射面１３と、第２反射面１３より画像表示素子３側に配置され、球面からなる第２透過面１４をもつ。

第１群Ｇ１は、両凸正レンズＬ２と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より画像表示素子３側に配置される接合面２３と、接合面２３より画像表示素子３側に配置される第４透過面３１をもつ。

第２群Ｇ２は、両凸正レンズＬ４と画像表示素子３側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５の接合レンズからなり、第５透過面４１と、第５透過面４１より画像表示素子３側に配置される接合面４５と、接合面４５より画像表示素子３側に配置される第６透過面５１をもつ。

第３群Ｇ３は、両凸正レンズＬ６と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７の接合レンズからなり、第７透過面６１と、第７透過面６１より画像表示素子３側に配置される接合面６７と、接合面６７より画像表示素子３側に配置される第８透過面７１をもつ。

第４群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面８１と、第９透過面８１より画像表示素子３側に配置される第１０透過面８２をもつ。

光路Ａとして射出瞳Ｅから出射した光束は、逆光路追跡において、接眼光学系５の接眼反射面で反射され、リレー光学系４に入る。リレー光学系４では、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で画像表示素子３と反対側に反射され、第２反射面１３で画像表示素子３側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。

その後、後群Ｇｂの第１群の両凸正レンズＬ２と負メニスカスレンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内と正メニスカスレンズＬ５の接合レンズに第５透過面４１を経て入り、接合面４５を経て、第６透過面５１から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７の接合レンズ内に第７透過面６１を経て入り、接合
面６７を経て、第８透過面７１から外に出る。続いて、第４群のカバーガラスＣＧ内に第９透過面８１を経て入り、第１０透過面８２から外に出て、画像表示素子３の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。

この実施例１の仕様は、
画角 １８０°
射出瞳径 φ１．０００ｍｍ
像の大きさ φ９．５４８ｍｍ〜φ１９．０５７ｍｍ
である。

実施例２の視覚表示装置のリレー光学系の中心軸２に沿ってとった断面図を図１４に、その光学系内の光路を示す中心軸１０１に沿う方向に見た平面図を図１５に示す。なお、図１５においては、一部のリレー光学系４しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１６及び図１７に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

本実施例２は、画像表示素子３と、画像表示素子３に表示された画像をリレーするリレー光学系４と、リレー光学系４により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系５と、からなる画像表示装置１において、リレー光学系４は、少なくとも２つの回転対称な第１反射面１２及び第２反射面１３を有し、接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面５ａを有し、リレー光学系４でリレーされたリレー像は、リレー光学系４の中心軸２に直交する各断面内でリレー光学系４の中心軸２を中心とした円周の一部を構成する曲面上に投影されるものである

接眼光学系５は、正のパワーを有する接眼反射面５ａを有する。なお、６は接眼光学系５の回転対称軸である。接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。

そして、リレー光学系４は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと後群Ｇｂと、からなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３及び第４群Ｇ４からなる。

前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、接眼光学系５に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置された第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸２側に配置される第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して画像表示素子３と反対側に配置される第２反射面１３と、第２反射面１３より画像表示素子３側に配置され、球面からなる第２透過面１４をもつ。

第１群Ｇ１は、画像表示素子３と逆側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より画像表示素子３側に配置される接合面２３と、接合面２３より画像表示素子３側に配置される第４透過面３１をもつ。

第２群Ｇ２は、画像表示素子３側に凸面を向けた平凸正レンズＬ４と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５の接合レンズからなり、第５透過面４１と、第５透過面４１より画像表示素子３側に配置される接合面４５と、接合面４５より画像表示素子３側に配置される第６透過面５１をもつ。

第３群Ｇ３は、両凸正レンズＬ６と画像表示素子３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７の接合レンズからなり、第７透過面６１と、第７透過面６１より画像表示素子３側に配置される接合面６７と、接合面６７より画像表示素子３側に配置される第８透過面７１をもつ。

第４群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面８１と、第９透過面８１より画像表示素子３側に配置される第１０透過面８２をもつ。

光路Ａとして射出瞳Ｅから出射した光束は、逆光路追跡において、接眼光学系５の接眼反射面で反射され、リレー光学系４に入る。リレー光学系４では、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で画像表示素子３と反対側に反射され、第２反射面１３で画像表示素子３側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。

その後、後群Ｇｂの第１群の負メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の平凸正レンズＬ４内と負メニスカスレンズＬ５の接合レンズに第５透過面４１を経て入り、接合面４５を経て、第６透過面５１から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７の接合レンズ内に第７透過面６１を経て入り、接合面６７を経て、第８透過面７１から外に出る。続いて、第４群のカバーガラスＣＧ内に第９透過面８１を経て入り、第１０透過面８２から外に出て、画像表示素子３の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。

この実施例２の仕様は、
画角 １８０°
射出瞳径 φ１．０００ｍｍ
像の大きさ φ９．６００ｍｍ〜φ１９．２００ｍｍ
である。

また、実施例１及び実施例２における条件式（１）の値を以下に示す。

実施例１ 実施例２
条件式（１） 1.471 1.242

以下に、上記実施例１及び実施例２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。

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 ∞ ∞
1 ∞（射出瞳） 0.000 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.000 偏心(2)
3 ＥＲＦＳ[2] 0.000 偏心(3) 1.8348 42.7
4 ＥＲＦＳ[3]（ＲＥ） 0.000 偏心(4) 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[4]（ＲＥ） 0.000 偏心(5) 1.8348 42.7
6 -6.198 -2.697 偏心(6)
7 -31.253 -2.250 1.4890 69.5
8 24.125 -6.750 1.6227 59.8
9 13.624 -3.000
10 -128.061 -6.000 1.6304 58.4
11 5.284 -2.250 1.6239 36.0
12 18.155 -0.100
13 -17.588 -18.000 1.4905 69.9
14 10.310 -2.250 1.6199 36.4
15 21.847 -0.100
16 ∞ -2.250 1.5163 64.1
17 ∞ -0.100
像 面 ∞

ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -69.277
θ 65.000
Ｒ 54.858
Ｃ4 4.0252E-006
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -72.033
θ 83.577
Ｒ 22.891
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ-700.040
θ 29.738
Ｒ 13.013
Ｃ4 4.4156E-006
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ-309.461
θ 15.920
Ｒ 12.355
Ｃ4 4.8794E-005

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ -20.591 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 43.766 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -24.878
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -30.227
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -12.216
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[6]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -23.419
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

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 ∞ ∞
1 ∞（射出瞳） 0.000 偏心(1)
2 ＦＦＳ[1] （ＲＥ） 0.000 偏心(2)
3 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(3) 1.8348 42.7
4 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 0.000 偏心(4) 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[3] （ＲＥ） 0.000 偏心(5) 1.8348 42.7
6 -7.27 -8.870 偏心(6)
7 -622.52 -2.250 1.4875 70.4
8 -6.11 -6.750 1.6270 49.0
9 18.26 -3.000
10 -∞ -6.000 1.6165 60.5
11 3.95 -2.250 1.6387 34.6
12 11.86 -0.100
13 -61.72 -18.000 1.5054 60.9
14 8.36 -2.250 1.7440 44.8
15 11.87 -0.100
16 ∞ -2.250 1.5163 64.1
17 ∞ -0.100
像 面 ∞

ＦＦＳ[1]
ＲＹ -64.964
Ｃ4 -6.9675E-004 Ｃ6 7.9467E-004 Ｃ8 2.4013E-006

ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -46.920
θ 80.411
Ｒ 27.409
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ-126.117
θ 26.364
Ｒ 17.585
Ｃ4 2.0217E-005
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -85.177
θ 14.979
Ｒ 15.274
Ｃ4 4.1063E-005

偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ -11.729 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 48.521 Ｚ 0.000
α 65.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -25.160
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -30.883
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -12.191
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[6]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -21.820
α 0.000 β 0.000 γ 0.000

なお、実施例１及び２では、画角が１８０度としたが、１８０度を超える仕様とすることも出来るし、１８０度よりは小さい略１８０度にする等、その仕様を自在に選択できるのはもちろんである。

本発明の画像表示装置の概念図である。 図１の平面図である。 画像表示素子の表示例を示す図である。 画像表示素子の他の表示例を示す図である。 拡散作用を有する手段を配置した画像表示装置を示す図である。 他の実施形態を示す図である。 図６の画像表示素子の表示例を示す図である。 実施形態の画像表示装置の座標系を示す図である。 拡張回転自由曲面の定義を示す図である。 本発明の実施例１の画像表示装置の中心軸に沿ってとった断面図である。 図１０の光学系内の光路を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。 実施例１の光学系全体の横収差図である。 実施例１の光学系全体の横収差図である。 変形例２の画像表示装置の光学系の主要部の中心軸に沿ってとった断面図である。 図１４の光学系内の光路を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。 実施例２の光学系全体の横収差図である。 実施例２の光学系全体の横収差図である。

符号の説明

１…画像表示装置
２…リレー光学系中心軸
３…画像表示素子
４…リレー光学系
５…接眼光学系
Ｅ…射出瞳

Claims (10)

1. 画像表示素子と、
   前記画像表示素子に表示された画像をリレーするリレー光学系と、
   前記リレー光学系により投影されたリレー像を遠方からの画像として反射する接眼光学系と、
   からなる画像表示装置において、
   前記リレー光学系は、少なくとも当該リレー光学系の中心軸に対して回転対称な第１反射面及び第２反射面を有し、
   前記接眼光学系は、正のパワーを有する接眼反射面を有し、
   前記リレー光学系でリレーされたリレー像は、前記リレー光学系の中心軸に直交する各断面内で前記リレー光学系の中心軸と平行な中心軸を中心とした円周の一部を構成する曲面である前記接眼反射面上に投影される
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記画像表示素子に表示された画像は、前記リレー光学系の第１反射面及び第２反射面でそれぞれ反射された後に前記接眼光学系の接眼反射面に到達し、さらに前記接眼光学系射出瞳に至る
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記リレー光学系の中心軸は、前記接眼光学系の射出瞳より前記接眼光学系側に配置される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記リレー光学系の中心軸と観察者の視軸は略直交する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
5. 前記画像表示素子は、円環状の画像を表示する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
6. 前記リレー像の近傍に拡散作用を有する手段を配置する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
7. 前記拡散作用を有する手段は、光学素子表面を表面処理することにより形成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
8. 前記拡散作用を有する手段を回転又は振動させる手段を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記拡散作用を有する手段は、ホログラフィック素子により構成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
10. 前記画像表示素子に円環状に表示された画像は、前記リレー光学系と前記接眼光学系により、少なくとも１８０度又は略１８０度の視野角を有する画像として視認可能である
    ことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。

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