JP3870071B2 - 画像表示装置および撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子等に表示された原画を拡大表示させるヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置に好適な表示光学系および撮像装置に好適な撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子を用い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が良く知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
図１２には、従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置を示している。同装置では、表示素子１０１に表示された画像からの光束をハーフミラー１０２で反射させ、凹面鏡１０３に入射させ、凹面鏡１０３で反射した光束をハーフミラー１０２を介して観察者の眼Ｅに導いている。表示素子１０１に表示した画像は、凹面鏡１０３によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子１０１に表示した画像の拡大虚像を観察することができる。
【０００５】
また、例えば特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−５０２５６号公報，特開平８−１６０３４０号公報および特開平８−１７９２３８号公報等においては、画像を表示する画像表示素子としてのＬＣＤ（液晶）と、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００６】
図１３には、特開平７−３３３５５１号公報で提案されている画像表示装置を示している。この装置において、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、プリズム１１２に形成した曲率を有した全反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これによって表示素子（ＬＣＤ）１１１に表示された画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００７】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００８】
図１３に示す光学系のタイプは、図１２に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、画像を表示する表示素子であるＬＣＤ等の高精細化が進み、従来と同程度の画素数を有しながらも従来より小型化されたＬＣＤ等が開発されている。このような小型化された画像表示素子を用いると、装置の小型化には有利になるものの、従来と同様の画角を達成するためには、光学系の倍率を上げる必要が生じる。
【００１０】
このような状況に鑑みて、特開平１０−１５３７４８号公報には、偏心プリズムとリレーレンズ系とを組み合わせ、リレーレンズ系により一旦中間像を形成してから表示素子に表示された画像を観察者に導く光学系が提案されている。これにより、図１３に示すタイプの薄型という特徴を有しつつ、更なる倍率向上を果たし、ＬＣＤサイズに対して広画角化を図っている。
【００１１】
また、この特開平１０−１５３７４８号公報にて提案の光学系に比べて、更なる光学性能向上を図ったものとして、偏心プリズムの内部反射面を増加させ、偏心プリズムのみで中間像を形成し、その像を観察者に導くタイプや、第１の偏心プリズム光学系に第２の偏心プリズムを設けたタイプ等が、特開２０００−０６６１０６号公報，特開２０００−１０５３３８号公報，特開２０００−１３１６１４号公報，特開２０００−１９９８５３号公報，特開２０００−２２７５５４号公報および特開２０００−２３１０６０号公報等に提案されている。
【００１２】
一般的に、一旦中間像を形成するタイプの光学系は光路長が長くなり、装置が大型化するという問題があるが、これらの各公報にて提案の光学系においても、透過作用と反射作用とを果たす兼用面を用いたり、光路を交差させたりする等の工夫により小型化を目指している。
【００１３】
本発明は、小型の表示素子を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも全体として小型の表示光学系、および小型で広撮影画角を達成できる撮像光学系を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明では、画像表示素子と、画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置において、表示光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した原画からの光を第１の面に戻すように反射する第２の面および原画から第１の面に向かう光を透過するとともに第２の面から第１の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の面を有する第１の光学素子と、原画からの光を上記第３の面に導く第２の光学素子とを設け、上記第３の面と第２の光学素子の射出面とを接合すると共に、第１の光学素子を、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成し、第１の光学素子内に原画の中間像を形成している。
【００１５】
すなわち、第１の光学素子において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学系の中に納めることができるようにしている。このため、第２の光学素子を含む表示光学系全体として小型化を図ることが可能となる。
【００１６】
そして、第１の光学素子の第３の面と第２の光学素子の射出面とを接合することにより、第１および第２の光学素子相互間の位置決めを容易にするとともに、第１の光学素子への光の入射時における収差の発生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することが可能となる。
【００１７】
なお、第１の光学素子は、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成されている。即ち、第１の面で反射された光を第２の面によって第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反射することによって効果的に光路を重複させ、長い光路長を小型の光学系の中に納めている。
【００１８】
また、表示光学系（例えば、第１の光学素子）内で原画の中間像を形成している。すなわち、小型の原画の実像を形成しそれを拡大して表示する中間結像タイプとすることにより、光学設計の自由度が増え、原画を大画面表示させることが可能となる。
【００１９】
また、第１の光学素子および第２の光学素子の光学面を当該面において反射する光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで表示光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面（自由曲面）を複数面採用することにより、原画のアスペクト比と表示画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な表示画像を得ることが可能となる。
【００２０】
なお、この表示光学系は、観察者が頭部に装着して画像を観察するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やスクリーン等の被投射面に画像を拡大投射する投射型画像表示装置（プロジェクタ）等の画像表示装置に好適である。
【００２１】
また、本願第２の発明では、撮像素子と、被写体からの光を撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置において、撮像光学系は、少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した被写体からの光を第１の面における最初の光の反射領域側（反射領域、反射領域付近あるいは反射領域寄りの領域）に戻すように反射する第２の面および被写体からの光を第１の面に向けて反射するとともに第２の面から第１の面に戻されて反射した光を撮像面側に透過させる第３の面を有する第１の光学素子と、第３の面から射出した光を撮像面に導く第２の光学素子とを設け、上記第３の面と第２の光学素子の入射面とを接合すると共に、第１の光学素子を、第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、第２の面で反射されて第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成し、第１の光学素子内に被写体の中間像を形成している。
【００２２】
すなわち、第１の光学素子において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学系内に納めることができるようにしている。このため、第２の光学素子を含む撮像光学系全体として小型化を達成することが可能となる。
【００２３】
そして、第１の光学素子の第３の面と第２の光学素子の射出面とを接合することにより、第１および第２の光学素子相互間の位置決めを容易にするとともに、第１の光学素子からの光の射出時における収差の発生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現することが可能となる。
【００２４】
また、撮像光学系（例えば、第１の光学素子）内で被写体の中間像を形成している。すなわち、被写体の中間結像面を縮小して撮像面に導く中間結像タイプとすることにより、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことが可能となるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することが可能である。
【００２５】
また、この撮像光学系を構成する光学面を当該面において反射する光線に対して偏心させることにより、さらなる薄型化を図ることが可能となり、光学面に曲率を持たせることで撮像光学系における不要な面を取り除き、小型化を図ることが可能となる。さらに、光学面を回転非対称面（自由曲面）とすることにより、諸収差を良好に補正でき、回転非対称面（自由曲面）を複数面採用すると、被写体のアスペクト比と撮影画像のアスペクト比とを近いものにすることが可能となり、高品位な撮影画像を得ることが可能となる。
【００２６】
なお、この撮像光学系は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に好適である。
【００２７】
また、第１および第２の発明において、光学素子上の光学面で光を全反射させるようにすることにより、光量ロスを少なくすることが可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本実施形態で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。
【００２９】
偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。
【００３０】
本実施形態の光学系は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００３１】
中心画角主光線（表示光学系においては表示素子の画像表示面の有効表示領域中心から表示光学系の射出瞳中心に至る光線であり、撮像光学系においては撮像光学系の入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面の有効撮像領域中心に至る光線である）と各面とのヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。
【００３２】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である表示光学系を示している。この表示光学系は、第１の光学素子１と、第２の光学素子２とを有して構成されている。
【００３３】
第１の光学素子１は、面Ａ，面Ｂ，面Ｃの３つの光学面が、ガラスやプラスチックなどの屈折率ｎ１の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなる。また、第２の光学素子２は、面Ｄ，面Ｅの２つの光学面が屈折率ｎ２の媒質上に形成されたレンズ状の透明体からなる。３は画像表示素子であり、透過型又は反射型のＬＣＤ等が用いられる。
【００３４】
第１の光学素子１において、面Ａ（第１の面），面Ｂ（第３の面）はともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面であり、面Ｃ（第２の面）は反射面である。
【００３５】
また、第２の光学素子２において、面Ｄおよび面Ｅはともに透過面である。本実施形態では、第１の光学素子１の面Ｂと第２の光学素子２の面Ｄとが接合されており、第１の光学素子１と第２の光学素子２とが一体化されている。
【００３６】
面Ｃには反射膜が形成されており、面Ｂおよび面Ｄのうち少なくとも一方には半透過反射膜（ハーフミラー）が形成されている。
【００３７】
なお、反射膜およびハーフミラーは金属膜によるものが好ましい。金属膜は分光反射率特性がフラットで色が目立ちにくく、偏向方向が異なる光に対する反射率の差がほとんどないためである。
【００３８】
また、面Ａの一部（上部）は、反射膜、半透過反射膜形成若しくは内部全反射を利用することにより、反射面として作用させる。
【００３９】
このように構成することで、面Ｂは第１の光学素子１の入射面および反射面として、面Ｃは反射面として、面Ａは反射面および第１の光学素子１の射出面として機能する。また、面Ｅが第２の光学素子２の入射面として、面Ｄが第２の光学素子２の射出面として機能する。
【００４０】
また、第１の光学素子１および第２の光学素子２の透明体はいずれも屈折力を有しており、それぞれ曲率を有した光学面を少なくとも１面ずつ有している。
【００４１】
画像表示素子３により変調され画像表示面から発した光は、第２の光学素子２の面Ｅから第２の光学素子２に入射し、第１の光学素子１の入射面である面Ｂと接合された面Ｄから第２の光学素子２を射出する。
【００４２】
光は面Ｂを透過して第１の光学素子１に入射し、面Ａで反射して面Ｃに導かれる。面Ａで反射した光は面Ｃで入射方向に対して略逆向きに戻るように反射される。これにより、光は面Ａにおける最初の光の反射領域付近に戻されて再度反射し、ハーフミラー接合面Ｂで反射した後、面Ａを透過して第１の光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに到達する。
【００４３】
本実施形態においては、射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことで、中心画角主光線の瞳への入射方向を視軸方向とする観察者により、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像が視認される。
【００４４】
なお、図１には、画像表示素子３から発した光として画像表示素子３の画像表示面中心を射出し、射出瞳Ｓの中心に至る中心画角主光線を示しており、中心画角主光線が形成する平面における光学断面図が示されている。
【００４５】
第１の光学素子１において、光は面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂ（→面Ａ）の順で各面を通過し、面Ｃでの反射を境にそれまでの光路を逆にたどる。
【００４６】
ここでは、面Ｂ→面Ａ→面Ｃまでを往路と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂの光路を復路と称し、往路と復路を合わせて往復光路と呼ぶ。このような往復光路を形成するために往路から復路へと光を略逆方向に反射することを折り返し反射と呼び、また、往路と復路との折り返し地点に相当し、折り返し反射作用を有する反射面（ここでは面Ｃ）を折り返し反射面と呼ぶ。
【００４７】
このように、面Ｃを折り返し反射面として、第１の光学素子１内に往復光路を形成して光路を重複させるように折り返し、第１の光学素子１内を有効に利用し、光路長に対して第１の光学素子１のサイズを小さくすることができる。そして、これにより、第２の光学素子２を含む表示光学系の全体を小型化している。
【００４８】
すなわち、本実施形態では、第１の光学素子１内で折り返し反射面Ｃに到るまでの光路である往路と、折り返し反射面Ｃで反射された後の光路である復路とが、面Ａ，Ｂの２つの面で共用され、２つの面を往路と復路とで逆の順序で使用して往復光路を形成している。
【００４９】
このように、面Ｃでの折り返し反射の前後に少なくとも２つの面を用いて往復光路を形成して光路の重複度を高めることで、長い光路長を持つ光学系であったとしても、光学系の全長を短く抑えたコンパクトな光学系を実現している。
【００５０】
図２および図３はそれぞれ、本実施形態における図１と同じ断面での最大画角主光線を示した図および中心画角のマージナル光線を示した図である。
【００５１】
図２に点線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の端を出て射出瞳Ｓの中心に到る光（最大画角主光線）は、中心画角主光線と同様に、第２の光学素子２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの中心に導かれる。
【００５２】
また、図３に鎖線で示したように、画像表示素子３の画像表示面の中心より射出して射出瞳Ｓの両端に到る光線（マージナル光線）も、中心画角主光線と同様に、第２の光学素子２を経て第１の光学素子１に導かれ、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の順に通過して射出瞳Ｓの両端に導かれる。
【００５３】
この際、第１の光学素子１内でマージナル光線が交わっており、画像表示素子３上に表示された画像の中間像が図中に示した中間結像面付近に形成される。
【００５４】
このように、第１の光学素子１内に中間像を形成することで、第２の光学素子２のパワーを極端に強くすることなくコンパクトな構成とすることができ、第２の光学素子２における余計な収差の発生を抑え、第２の光学素子２の複雑化を防止できる。
【００５５】
図３においては、Ａ面反射→Ｃ面での折り返し反射の間に中間像が形成されているが、中間像の位置は必ずしもこの位置にある必要はなく、第１の光学素子１内に形成されていればよい。
【００５６】
本実施形態においては、第２の光学素子２の面Ｅでの屈折、第２の光学素子２の面Ｄと第１の光学素子１の面Ｂとを接合した面での屈折および面Ａでの反射によりリレー光学系が形成されている。また、面Ｃでの折り返し反射、面Ａでの再反射、面Ｂでの反射および面Ａでの屈折により接眼光学系が形成されている。
【００５７】
接眼光学系の収差補正を容易にするために、中間結像面は接眼光学系での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて適宜湾曲したり非点隔差を有したりするようにしてもよい。
【００５８】
また、第１の光学素子１の面Ａ，Ｂは、最終的に射出瞳Ｓに導かれる有効光束がそれぞれの面で反射する際の反射光束に対して傾いた面とされており、折り返し反射面であるＣ面までの往路、すなわちＢ面入射→Ａ面反射→Ｃ面の光路と、Ｃ面以降の復路であるＣ面→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路とを、ともに折り畳んだ構成として第１の光学素子１を薄型にしている。
【００５９】
以上説明した構成においては、第１の光学素子１は、少なくとも面Ｂを含む２つの面を曲面で構成することが好ましい。これにより、結像ないし収差補正に寄与しない面を少なくすることができ、光学系全体に必要な光学面数を削減し、製造コスト削減の効果が期待できる。
【００６０】
更に望ましくは、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成することで、更なる製造コスト削減の効果が得られる。同様の理由で、第２の光学素子２の光学面Ｄ，Ｅもそれぞれ曲面とすることが好ましい。
【００６１】
また、本実施形態においては、面Ｂが第１光学素子の少なくとも１面の曲面であり、最終反射面として作用するときの面Ｂは非常に強い光学的パワーを有した凹面鏡となっている。更に、面Ｂは、面Ｃで折り返し反射された後の光線に対して非常に偏心度合いの高い反射面となっている。
【００６２】
即ち、凹面鏡面Ｂでは偏心収差が発生する。従って、第１の光学素子１の少なくとも１面に回転非対称な形状の面（いわゆる自由曲面）を用いて、偏心収差の発生を補正することが望ましい。
【００６３】
特に、面Ｂは面Ａに対して光学的パワーの強い曲面であるため、面Ｂを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。従って、面Ｂとの接合面である第２の光学素子２の面Ｄも回転非対称な形状となる。
【００６４】
更に好ましくは、第１の光学素子１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。
【００６５】
更に望ましくは、第２の光学素子２を構成する面Ｄ，Ｅも共に回転非対称面とするとよい。
【００６６】
このとき、各回転非対称面を、図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい。
【００６７】
また、面Ａでの反射を第１の光学素子１内での全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。また、少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域においては、反射光束が全反射するようにすると、反射光束の全てを全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる。
【００６８】
この際、面Ａでの反射光束が全反射しない領域には反射膜を形成するが、全反射部と反射膜による反射部との境界領域付近を全反射部に近づくに従って反射率が低下するようなグラデーション反射膜とすると、境界領域での散乱や全反射と反射膜による反射での反射率の違いに起因して境界領域が目立つという現象を抑えることができ、好ましい。
【００６９】
また、上述したように、面Ｂは中心画角主光線に対して偏心し、且つ強い集光作用を持った偏心曲面であるため、面Ｂを屈折面として用いる際にも偏心収差（回転非対称な収差）が発生する。
【００７０】
このため、屈折率ｎ１（＞１）の第１の光学素子１と屈折率ｎ２（＞１）の第２の光学素子２とを接合し、面Ｂでの屈折透過時（第１の光学素子１への入射時）の偏心収差発生を減少させる効果を持たせることが好ましい。
【００７１】
具体的には、ｎ１とｎ２との差の絶対値｜ｎ１−ｎ２｜をｎ１−１およびｎ２−１よりも小さく設定する必要がある。さらに好ましくは、ｎ１＝ｎ２とすることで透過時の偏心収差発生を防ぐことができる。
【００７２】
図１において、ｎＥおよびｎＢはそれぞれ、面Ｅの中心画角主光線のヒットポイントでの法線、面Ｂの中心画角主光線のヒットポイントでの法線である。中心画角主光線の第２の光学素子２の入射面Ｅへの入射角度θ２，出射角度θ２’が、第１の光学素子１の入射面Ｂへの入射角度θ１，出射角度θ１’よりも小さくなるように面Ｂ（面Ｄ）に対して面Ｅを傾けると、第２の光学素子２への入射時に発生する偏心収差を少なく抑えることができるため、好ましい。
【００７３】
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子３に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供することがてきる。
【００７４】
また、表示光学系内で１回結像を行うことで、設計の自由度を向上させ、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角の広画角化（高倍率表示）を可能にするとともに、それに伴い光路長が長くなるのを第１の光学素子１内に往復光路を形成することで光路を重複させて第１の光学素子１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな光学系を構成できる。
【００７５】
さらに、第１の光学素子１と第２の光学素子２とを接合することにより、両光学素子１，２の位置決めを容易とするとともに、第１の光学素子１への入射時の偏心収差発生を抑制するとともに、強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することができる。
【００７６】
（第２実施形態）
図４には、本発明の第２実施形態である撮像光学系の構成を示している。この撮像光学系は、第１実施形態のものと同様の第１の光学素子１と第２の光学素子２とから構成されている。４はＣＣＤ等の撮像素子である。Ｓは第１の光学素子１および第２の光学素子２からなる撮像光学系の入射瞳であり、この位置に絞りを置いて不要光の入射を防いでいる。
【００７７】
本実施形態では、面Ａ（第１の面）は第１の光学素子１の入射面および反射面として作用し、面Ｂ（第３の面）は第１の光学素子１の反射面および射出面として作用し、面Ｃ（第２の面）は第１の光学素子１の反射面としてのみ作用する。
【００７８】
また、面Ｄは第２の光学素子２の入射面として作用し、面Ｅは第２光学素子２の射出面として作用する。そして、第１の光学素子１の反射面兼射出面Ｂと第２の光学素子２の入射面Ｄとは、少なくとも一方に半透過反射膜（ハーフミラー）が形成された後、接合されている。
【００７９】
絞りＳを通過した被写体からの光は、第１の光学素子１に面Ａから入射し、面Ｂで反射し、面Ａで反射して面Ｃに導かれる。そして、面Ｃで折り返し反射して面Ａにおける最初の光の反射領域に戻され、面Ａで再反射して面Ｂを透過して第１の光学素子１を射出する。ここで、面Ａおよび面Ｂはそれぞれの面での反射光束を構成する光線に対して偏心している。
【００８０】
第１の光学素子１を射出した光は、第２の光学素子２を通過して撮像素子４に到達する。この際、所望の外界（被写体）からの光は撮像素子４の撮像面上に結像し、これにより、外界像の撮像を行うことができる。
【００８１】
以上のように撮像光学系を構成することにより、被写体を撮像素子４に良好な光学性能で結像させる撮像装置を提供することができる。
【００８２】
また、第１の光学素子１内で１回中間結像させることで、撮像素子４のサイズに対して撮影画角の広画角化を可能にし、これに伴い光路長が長くなるのを第１の光学系１内に往復光路を形成することで光路を重複させるよう折り畳み、第１の光学系１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな撮像光学系を実現している。
【００８３】
さらに、第１の光学素子１と第２の光学素子２とを接合することにより、両光学素子１，２の位置決めを容易とするとともに、第１の光学素子１からの光の射出時の偏心収差発生を抑制し、さらには強固な光学系構造として、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現している。
【００８４】
なお、以上説明した第１および第２実施形態においては、中心画角主光線（表示光学系においては画像表示素子の表示面中心から射出瞳Ｓ中心に至る光線であり、撮像光学系においては入射瞳中心を通り撮像素子の撮像面中心に至る光線である）の面Ｃにおける折り返し反射が略垂直反射であるように描かれているが、本発明の光学系はこの構成に限るものではない。
【００８５】
（第３実施形態）
図５および図６には、本発明の第３実施形態である表示光学系を示している。これらの表示光学系は、第１実施形態の第１の光学素子１とは異なる第１の光学素子１’，１”を用いた例である。
【００８６】
図６および図７ともに、Ｂ面入射→Ａ面反射→Ｃ面折り返し反射→Ａ面反射→Ｂ面反射→Ａ面射出の光路が形成されている点は第１実施形態の第１の光学素子１と同様である。
【００８７】
但し、図５の第１の光学素子１’では、面Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折り返し反射されて、面Ａでの最初の反射地点よりも高い位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射される点が第１実施形態と異なる。
【００８８】
また、図６の第１の光学素子１”では、面Ａで反射した中心画角主光線が面Ｃで角度θをなして折り返し反射されて、面Ａでの最初の反射地点よりも低い位置（但し、最初の光の反射領域寄りの領域）で再反射される点が第１実施形態と異なる。
【００８９】
このように折り返し反射面Ｃの前後で光が所定角度θをなして入射・反射されてもよい。但し、角度θは、
｜θ｜＜３０°
を満たすことが好ましい。
【００９０】
この条件を外れると、第１の光学系が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない。
【００９１】
なお、本実施形態では、第１の光学系を有する表示光学系について説明したが、第２実施形態に示したような撮像光学系にも本実施形態と同様の考え方を適用することができる。すなわち、折り返し反射面Ｃでの折り返し反射の前後で光線が所定の角度θ（｜θ｜＜３０°）をなして入射・反射されてもよい。
【００９２】
（第４実施形態）
図７には、本発明の第４実施形態である表示光学系の構成を示している。この表示光学系は、第１の光学素子１１と、第２光学素子１２とから構成されている。３は画像表示素子であり、透過型又は反射型のＬＣＤ等が用いられる。
【００９３】
第１の光学素子１１は、第１実施形態の第１の光学素子１と同様に、面Ａ，面Ｂ，面Ｃの３つの光学面が屈折率ｎ１の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなり、面Ａ，面Ｂはともに透過面および反射面として作用する透過反射兼用面であり、面Ｃは反射面である。但し、後で詳述するように、本実施形態においては、面Ａが第１の面と第２の面との両方の機能を有した面となっている。面Ｂは第１実施形態と同様に第３の面である。
【００９４】
また、面Ｃには反射膜が形成され、面Ｂには半透過反射膜が形成されている。本実施形態では、さらに面Ａの一部（上部）にも反射膜が形成されている。
【００９５】
一方、第２の光学素子１２は面Ｄ，面Ｅ，面Ｆの３つの光学面が屈折率ｎ２の媒質上に形成されたプリズム状の透明体からなり、面Ｄおよび面Ｅはともに透過面として作用する面であり、面Ｆは反射面として作用する面である。面Ｆには反射膜が形成されている。
【００９６】
本実施形態では、面Ｅは第２の光学素子１２の入射面として、面Ｆは第２の光学素子１２の反射面として、面Ｄは第２の光学素子１２の射出面として機能する。また、面Ｂは第１の光学素子１１の入射面および反射面として、面Ｃは反射面として、面Ａは反射面および第１の光学素子１１の射出面として機能する。
【００９７】
画像表示素子３により変調されて発した光は、第２の光学素子１２に面Ｅから入射し、面Ｆで反射した後、第１光学素子の面Ｂと接合された面Ｄから射出して第１の光学素子１１に導かれる。
【００９８】
光は面Ｂを透過して第１の光学素子１１に入射し、面Ａで反射した後、面Ｃで反射し、面Ａの上部に導かれる。面Ａに導かれた光は、これまで第１の光学素子１１内を辿ってきた順路を逆転させた順路で戻るように、面Ａで略垂直に反射（折り返し反射：２回目反射）し、面Ｃで再度反射し、面Ａにおける最初の光の反射領域に戻されて再反射（３回目反射）し、更に面Ｂで反射して面Ａを透過して第１の光学素子１１を射出し，射出瞳Ｓに到達する。
【００９９】
射出瞳Ｓの位置付近に観察者が眼を置くことにより、画像表示素子３上に表示された画像の拡大像を視認することが可能となる。
【０１００】
なお、図７には、画像表示素子３から発した光の例として、画像表示素子３の表示面中心を射出し、射出瞳Ｓの中心に到る中心画角主光線を示しており、中心画角主光線によって形成される光学断面図が示されている。
【０１０１】
また、面Ａにおける３回の反射のうち少なくとも１回目と３回目の反射と、面Ｂにおける反射と、面Ｃにおける反射とに際しては、これらの各面が画像表示素子３を発して射出瞳Ｓに到る有効光束を形成する任意の光線に対して偏心した偏心反射面として作用するようにしている。これにより、光路を第１の光学素子１１内で折り畳み、第１の光学素子１１を薄型構成としている。
【０１０２】
本実施形態においては、第１光学素子１１の内部を、光が面Ｂ（透過）→面Ａ（反射）→面Ｃ（反射）→面Ａ（折り返し反射）→面Ｃ（再反射）→面Ａ（再反射）→面Ｂ（反射）（→面Ａ（透過））の順で各面を通過し、面Ａでの折り返し反射を境に、最終反射面Ｂに至るまでそれまでの光路を逆にたどる。
【０１０３】
すなわち、本実施形態では、第１の光学素子１１内で折り返し反射面Ａに到るまでの光路と、折り返し反射面Ａで反射された後の光路とが、面Ａ，Ｂ，Ｃの３つの面で逆順に重複して往復光路を形成している。
【０１０４】
このように、折り返し反射面Ａでの反射の前後に３つの面を用いて往復光路を形成し、第１実施形態に比べて更に光路の重複度を高めることで、第１の光学素子の全長を更に短く抑えたコンパクトな光学系を実現することができる。
【０１０５】
また、本実施形態においては、第２の光学素子１２中に反射面Ｆを設けている。これにより、光路形成の自由度を向上させて、第１実施形態に対して更に光学系全体を薄型化するとともに、光学作用面を増加させて第２の光学素子１２における各面の分担する光学的パワーを弱め、収差発生を抑えている。
【０１０６】
また、本実施形態においても、第１の光学素子１１内に中間像を形成することで、余計な収差発生を抑えることができる。中間像は接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に応じて、適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように結像されてもよい。
【０１０７】
また、第１の光学素子１１の少なくとも面Ｂ，Ｃを曲面とすることで、結像ないし収差補正に寄与しない面を少なくし、光学系に必要な面数を削減している。
【０１０８】
さらに、面Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ曲面で構成することで、結像ないし収差補正に寄与しない面を更に省いた光学素子とすることができ、これによりコスト削減の効果も期待できる。同様の理由により、第２の光学素子１２の光学面Ｄ，Ｅ，Ｆもそれぞれ曲面とすることが好ましい。
【０１０９】
また、面Ｂを回転非対称な形状として偏心収差の発生を抑制することが好ましい。従って、面Ｂとの接合面である面Ｄも回転非対称形状となる。
【０１１０】
更に好ましくは、第１の光学素子１１を構成する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃの全てを回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能になる。
【０１１１】
更に望ましくは、第２の光学素子１２を構成する面Ｄ，Ｅ，Ｆも回転非対称形状にするとよい。このとき，各回転非対称面を図の紙面断面を唯一の対称面とする紙面垂直方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため、好ましい．
また、面Ａでの折り返し反射以外の反射に関して、面Ａでの反射を第１の光学素子１１内での全反射とすると、光量の損失が少なくなり好ましい。また、少なくとも面Ａでの反射光束と射出光束とが共用する領域（面Ａの下部）においては、反射光束が全反射するようにすると、面Ａでの折り返し反射以外の反射光束全てを全反射とする場合に比べて設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保できる．
また、上記第３実施形態のように、折り返し面Ａの前後で光線が所定の角度θをなして入射・反射されてもよい。但し，角度θは、
｜θ｜＜３０°
を満たすことが好ましい。この条件を外れると、第１の光学素子１１が大型化し、表示光学系全体を小型にすることが難しくなるため、好ましくない．
以上のように表示光学系を構成することにより、画像表示素子３に表示された画像を、良好な光学性能で拡大像として表示する画像表示装置を提供することができる。
【０１１２】
また、表示光学系内で１回結像を行うことで、画像表示素子３の表示サイズに対する表示画角の広画角化（高倍率提示）を可能にするとともに、長い光路長を第１の光学素子１１内に往復光路を形成することで光路を重複させることにより第１の光学素子１１の全長を短く抑え、非常にコンパクトな光学系を構成している。
【０１１３】
なお、本実施形態で説明した光学系は、光路を逆として画像表示素子に代えて撮像素子を配置することで、撮像光学系として用いることができる。
【０１１４】
また、以上説明した各実施形態で示した第１の光学素子や第２の光学素子の面数や形状および組み合わせは特にこれらに限定されるものではない。
【０１１５】
さらに、以上説明した全ての実施形態において、第１の光学系を通過する光束の任意の光線をトレースしたとき、その光線は、第１の面における最初の（１回目）の反射と２回目の反射とで、一方の反射角を基準として他方では逆符号の反射角で反射するような光路をとっている。
【０１１６】
具体的には、例えば図１の紙面内において、１回目の反射（Ａ面反射）における反射角が正符号（反射光が面法線に対して紙面内反時計周り方向に存在する場合）であれば、２回目の反射（Ａ面再反射）における反射角は負符号（反射光が面法線に対して紙面内時計周り方向に存在する場合）となるような光路になっている。
【０１１７】
このような光路をとることによって、第１の面と第２の面との間で光束は略往復することになるので、第１の光学系内の空間を有効に利用して光路長を稼ぐことができる。しかも、光路長が長くとも小型の光学系が実現できる。
【０１１８】
以下、上記各実施形態の数値実施例について説明する。
【０１１９】
［数値実施例１］
図８には、図１に示した第１実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断面図を示している。図中、１は表示光学系を構成する第１の光学素子であり、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は同一面、Ｓ３，Ｓ７は同一面であり、これら２面とＳ５はそれぞれ上記第１実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１２０】
２は第２の光学素子であり、ここでは第１の光学素子１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面Ｓ７および入射面Ｓ８を有したレンズ形状に形成されている。さらに、本数値実施例１においては、入射面Ｓ１０と射出面Ｓ９を有したレンズ（第３の光学素子）２１を有している。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１２１】
これらＳ１からＳ１０までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【０１２２】
なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標系定義である。
【０１２３】
本数値実施例１の光学データを表１に示す。表１の光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，ＺおよびＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）並びに図面上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度ａ（単位：度）である。
【０１２４】
Ｒは曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面であり、ＦＦＳは以下の式に従う回転非対称面である。
【０１２５】
【数１】

【０１２６】
ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃｉ（ｉ＝２，３，４…）に対応する回転非対称形状であることを示している。
【０１２７】
また、面形状は他の式で定義してもよく、ＴＹＰの項にＸＹＰとあるのは、以下の式に従う回転非対称面である。
【０１２８】
【数２】

【０１２９】
ＴＹＰの欄でＦＦＳ並びにＸＹＰの横に記された数値は、その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋおよびｃｉ（ｉ＝１，２，３…）に対応する回転非対称形状であることを示している。
【０１３０】
尚、いずれの場合も表中に示されていないｃｉの項については、その係数の値が０である。
【０１３１】
Ｎｄ，νｄ（但し、表ではｖｄと記す）はそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示し、アッベ数νｄは省略している。以上の表の項目説明は、以降の数値実施例においても同様である。
【０１３２】
【表１】

【０１３３】
表１から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、レンズ２１の面Ｓ１０，Ｓ９を通過して第２の光学素子２に向かう。第２の光学素子２に向かった光は、面Ｓ８から第２の光学素子２に入射し、第２の光学素子２と第１の光学素子１との接合面Ｓ７を透過して第１の光学素子１に入射し、Ｓ６で全反射し、反射膜を施したＳ５で裏面反射して折り返され、Ｓ４で全反射し、Ｓ３で裏面反射し、Ｓ２を透過して第１の光学素子１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１３４】
本数値実施例１の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１３５】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１に入射し、Ｓ３で反射し、Ｓ４で反射し、Ｓ５で折り返し反射し、Ｓ６で反射した後、Ｓ７から射出して第２の光学素子２に導かれる。
【０１３６】
第２の光学素子２に導かれた光は、Ｓ８から第２の光学素子２を射出し、レンズ２１に面Ｓ９から入射し、Ｓ１０から射出して撮像面ＳＩに結像する。
【０１３７】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を達成できる。特に、本数値実施例では、第２の光学素子２と画像表示面ＳＩとの間にレンズ２１を設けてリレー光学系部分の光学的パワーをより多くの光学面で分担し、収差の発生を抑えているため、第１実施形態で示した構成に対して光学性能を高めることができる。
【０１３８】
［数値実施例２］
図９には、図７に示した第４実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断面図を示している。図中、１１は第１の光学素子であり、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ上記第４実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１３９】
１２’は第２の光学素子であり、ここでは第１の光学素子１１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面Ｓ９および入射面Ｓ１０を有したレンズ形状に形成されている。さらに、本数値実施例２においては、入射面Ｓ１２と射出面Ｓ１１を有したレンズ２１を有している。面Ａにおいて、折り返し反射面Ｓ６として使用される部位には反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１４０】
これらＳ１からＳ１２までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【０１４１】
なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標系定義である。
【０１４２】
本数値実施例２の光学データを表２に示す。
【０１４３】
【表２】

【０１４４】
表２から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、レンズ２１の面Ｓ１２，Ｓ１１を通過して第２の光学素子１２’に向かう。第２の光学素子１２’に向かった光は、面Ｓ１０から第２の光学素子１２’に入射し、第２の光学素子１２’と第１の光学素子１１との接合面Ｓ９より第１の光学素子１１に入射し、Ｓ８で全反射し、反射膜を施したＳ７で裏面反射し、面Ａの反射膜形成部に相当する面Ｓ６にて略垂直反射して折り返され、反射膜を施したＳ５で裏面反射し、Ｓ４で全反射し、Ｓ３で裏面反射されてＳ２から第１の光学素子１１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１４５】
本数値実施例２の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１４６】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１１に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１１に入射して、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射して、Ｓ７，Ｓ８で反射した後、Ｓ９から射出して第２の光学素子１２’に導かれる。
【０１４７】
第２の光学素子１２’に導かれた光は、Ｓ１０から第２の光学素子１２’を射出し、レンズ２１に面Ｓ１１から入射し、Ｓ１２から射出して撮像面ＳＩに結像する。
【０１４８】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を実現することができる。また、本数値実施例でも、数値実施例１と同様に、第２の光学素子１２’と画像表示面ＳＩとの間にレンズ２１を設けてリレー光学系部分の光学的パワーをより多くの光学面で分担し、収差の発生を抑えているため、高い光学性能を得易い。
【０１４９】
また、数値実施例１に比べて、第１の光学素子１１内での往復光路を形成するための反射回数を増やしているため、より光路長を有効に重複させて、長い光路長に対して表示光学系をコンパクト化させることができる。
【０１５０】
［数値実施例３］
図１０には、図７に示した第４実施形態の数値実施例の光路断面図を示している。図中、１１は第１の光学素子であり、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ上記第４実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１５１】
１２は第２の光学素子であり、ここでは第１の光学素子１１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面Ｓ９、反射面Ｓ１０および入射面Ｓ１１を有したプリズム形状の透明体により形成されている。面Ａの上部と面Ｃには反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１５２】
これらＳ１からＳ１１までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【０１５３】
なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標系定義である。
【０１５４】
本数値実施例３の光学データを表３に示す。
【０１５５】
【表３】

【０１５６】
表３から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、面Ｓ１１から第２の光学素子１２に入射し、面Ｓ１０で反射して第２の光学素子１２と第１の光学素子１１との接合面Ｓ９より第１の光学素子１１に入射し、Ｓ８で全反射し、反射膜を施したＳ７で裏面反射し、面Ａの反射膜形成部に相当する面Ｓ６にて略垂直反射して折り返され、反射膜を施したＳ５で裏面反射し、Ｓ４で全反射し、Ｓ３で裏面反射されてＳ２から第１の光学素子１１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１５７】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ６ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１５８】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１１に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１１に入射して、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射して、Ｓ７，Ｓ８で反射した後、Ｓ９から射出して第２の光学素子１２に導かれる。
【０１５９】
第２の光学素子１２に導かれた光は、Ｓ１０で反射してＳ１１から第２の光学素子１２を射出し、撮像面ＳＩに結像する。
【０１６０】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を実現できる。また、本数値実施例では、第２光学素子１２としてプリズム状の光学素子を用い、裏面反射により光路を折り曲げているため、第２光学素子１２を数値実施例１，２に比べてより薄型化させることができる。
【０１６１】
［数値実施例４］
図１１には、図７に示した第４実施形態に類似の構成を有する数値実施例の光路断面図を示している。図中、１１は第１の光学素子であり、３つの光学面を有したプリズム形状の透明体により構成されている。Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は同一面、Ｓ３，Ｓ９は同一面、Ｓ５，Ｓ７は同一面であり、これら３面はそれぞれ上記第４実施形態において説明した面Ａ，Ｂ，Ｃに相当する。
【０１６２】
１２”は第２の光学素子であり、ここでは第１の光学素子１１の面Ｂ（Ｓ３）と接合された射出面Ｓ９、反射面Ｓ１１および反射面兼入射面Ｓ１０（Ｓ１２と同一面）を有したプリズム形状の透明体により形成されている。面Ａの上部と面Ｃと面Ｓ１１には反射膜が形成されている。ＳＩは画像表示面、Ｓ１は表示光学系の射出瞳Ｓである。
【０１６３】
これらＳ１からＳ１２までの光学面は全て回転非対称面であり、紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。
【０１６４】
なお、図中のｘ，ｙ，ｚは観察者の視軸方向をｚ軸，紙面内でｚ軸に垂直な方向をｙ軸，紙面に垂直な方向をｘ軸とした座標系定義である。
【０１６５】
本数値実施例４の光学データを表４に示す。
【０１６６】
【表４】

【０１６７】
表４から分かるように、画像表示面ＳＩからの光は、面Ｓ１２から第２の光学素子１２”に入射し、面Ｓ１１，Ｓ１０で反射して第１の光学素子１１との接合面Ｓ９に向かう。面Ｓ９から第１の光学素子１１に入射した光は、Ｓ８で全反射し、反射膜を施したＳ７で裏面反射し、面Ａの反射膜形成部に相当する面Ｓ６にて略垂直反射して折り返され、反射膜を施したＳ５で裏面反射し、Ｓ４で全反射し、Ｓ３で裏面反射されてＳ２から第１の光学素子１１を射出し、光学系の射出瞳Ｓ１に導かれる。
【０１６８】
本数値実施例の長さのディメンジョンを有する数値をｍｍとして考えると、射出瞳径φ４ｍｍ、画像表示サイズ１０ｍｍ×７．５ｍｍ程度で水平約５０°，垂直約３９°の画角で画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する表示光学系となる。
【０１６９】
なお、本数値実施例の光学系を撮像光学系に利用してもよい。この場合、ｚ軸負方向無限遠方の物点からの光は、絞りＳ１を通過して第１の光学素子１１に導かれ、Ｓ２から第１の光学素子１１に入射して、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５で反射し、Ｓ６で折り返し反射して、Ｓ７，Ｓ８で反射した後、Ｓ９から射出して第２の光学素子１２”に導かれる。
【０１７０】
第２の光学素子１２”に導かれた光は、Ｓ１０，Ｓ１１で反射してＳ１２から第２の光学素子１２”を射出し、撮像面ＳＩに結像する。
【０１７１】
本数値実施例の構成によれば、小型で広表示画角の表示光学系を実現することができる。また、本数値実施例では、第２の光学素子１２”としてプリズム状の光学素子を用い、２回の裏面反射により光路を折り曲げているため、第２の光学素子１２”を数値実施例１，２，３に比べてさらに薄型化させることができる。
【０１７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１の発明によれば、第１の光学素子において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を重複させるようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、小型の原画を用いつつ広表示画角を達成でき、しかも第２の光学素子を含む表示光学系全体として小型化を図ることができる。
【０１７３】
そして、第１の光学素子の第３の面と第２の光学素子の射出面とを接合しているので、第１および第２の光学素子相互間の位置決めを容易にすることができるとともに、第１の光学素子への光の入射時における収差の発生を抑制することができ、さらには強固な光学系構造とすることができる。したがって、光学性能が高く、耐久性に優れた表示光学系を実現することが可能となる。
【０１７４】
なお、表示光学系（例えば、第１の光学素子）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、原画を大画面表示させることができるとともに、光路長をかなり長くしても表示光学系を小型に構成することができる。
【０１７５】
また、本願第２の発明によれば、第１の光学素子において、第１、第２および第３の面の間で光を略往復させて光路を折り畳むようにしているので、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できる。このため、第２の光学素子を含む撮像光学系全体として小型でありながらも広撮影画角を達成することができる。
【０１７６】
そして、第１の光学素子の第３の面と第２の光学素子の射出面とを接合しているので、第１および第２の光学素子相互間の位置決めを容易にすることができるとともに、第１の光学素子からの光の射出時における収差の発生を抑制することができ、さらには強固な光学系構造とすることができる。したがって、光学性能が高く、耐久性に優れた撮像光学系を実現することができる。
【０１７７】
なお、撮像光学系（例えば、第１の光学素子）内で光を中間結像させるようにすれば、レイアウトの自由度が増え、広画角の被写体像を十分縮小して撮像面に導くことができるとともに、光路長をかなり長くしても撮像光学系を小型に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である表示光学系の構成図。
【図２】上記第１実施形態である表示光学系の構成図。
【図３】上記第１実施形態である表示光学系の構成図。
【図４】本発明の第２実施形態である撮像光学系の構成図。
【図５】本発明の第３実施形態である表示光学系（１）の構成図。
【図６】本発明の第３実施形態である表示光学系（２）の構成図。
【図７】上記第４実施形態である表示光学系の構成図。
【図８】本発明の数値実施例１の光学系断面図。
【図９】本発明の数値実施例２の光学系断面図。
【図１０】本発明の数値実施例３の光学系断面図。
【図１１】本発明の数値実施例４の光学系断面図。
【図１２】従来の表示光学系の構成図。
【図１３】従来の表示光学系の構成図。
【符号の説明】
１，１’，１”，１１ 第１の光学素子
２，１２，１２’，１２” 第２の光学素子
３ 画像表示素子
４ 撮像素子

Claims (10)

1. 画像表示素子と、その画像表示素子が形成する原画からの光を観察者の眼又は被投射面に導く表示光学系とを有する画像表示装置であって、
   前記表示光学系は、
   少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した前記原画からの光を前記第１の面に戻すように反射する第２の面および前記原画から前記第１の面に向かう光を透過するとともに前記第２の面から前記第１の面に戻されて反射した光を反射して観察者の眼又は被投射面に導く第３の面を有する第１の光学素子と、
   前記原画からの光を前記第３の面に導く第２の光学素子とを有し、
   前記第３の面と前記第２の光学素子の射出面とが接合されると共に、
   前記第１の光学素子は、前記第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、前記第２の面で反射されて前記第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成され、
   前記第１の光学素子内に前記原画の中間像を形成することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１の光学素子は、前記第３の面を透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の光学素子は、前記第３の面を透過して入射した光を、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第２の面で反射し、前記第１の面で反射し、前記第３の面で反射し、前記第１の面を透過させて観察者の眼又は被投射面に導くことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、当該面で反射する光線に対して偏心していることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、曲率を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
6. 前記第１から第３の面のうち少なくとも１つが、回転非対称面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記第１の光学素子に形成された光学面のいずれかで光が全反射することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
8. 前記第２の光学素子の光学面が回転非対称面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
9. 前記第１および第２の光学素子が互いに同じ屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
10. 撮像素子と、被写体からの光をその撮像素子の撮像面に導く撮像光学系とを有する撮像装置であって、
    前記撮像光学系は、
    少なくとも反射作用を有する第１の面、この第１の面で反射した前記被写体からの光を前記第１の面に戻すように反射する第２の面および前記被写体からの光を前記第１の面に向けて反射するとともに前記第２の面から前記第１の面に戻されて反射した光を撮像面側に透過させる第３の面を有する第１の光学素子と、
    前記第３の面から射出した光を撮像面に導く第２の光学素子とを有し、
    前記第３の面と前記第２の光学素子の入射面とが接合されると共に、
    前記第１の光学素子は、前記第１の面に最初に入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角と、前記第２の面で反射されて前記第１の面に再度入射した中心画角主光線のヒットポイントにおける法線に対する反射角とが逆符号となるように構成され、
    前記第１の光学素子内に前記被写体の中間像を形成することを特徴とする撮像装置。

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