JP2011043599A - 視覚表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い観察画角を鮮明に且つ遠方の映像として観察することが可能な長いアイリリーフを有する小型の視覚表示装置を提供する。
【解決手段】 映像表示素子３と、映像表示素子３の映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方の虚像として観察させる接眼光学系５と、からなる視覚表示装置１において、接眼光学系５は、投影光学系４により投影された映像を拡散する拡散面１１と、拡散面１１により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子５１と、反射光学素子５１により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子５２と、を有し、任意の第１の断面と、前記第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、視覚表示装置に関し、広い観察画角を表示することが可能な視覚表示装置に関するものである。

従来、虚像を観察する光学系として特許文献１のようなものが知られている。

特開平１０−２０６７９０号公報

しかしながら、特許文献１において知られている技術は、虚像を観察するものであるが、観察画角が狭かった。

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、広い観察画角を鮮明に且つ遠方の映像として観察することが可能な長いアイリリーフを有する小型の視覚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、本発明の視覚表示装置は、映像表示素子と、前記映像表示素子の映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系により投影された映像を遠方の虚像として観察させる接眼光学系と、からなる視覚表示装置において、前記接眼光学系は、前記投影光学系により投影された映像を拡散する拡散面と、前記拡散面により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子と、前記反射光学素子により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子と、を有し、任意の第１の断面と、前記第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なることを特徴とする。

また、前記結像回数は、前記第１の断面が０回、前記第２の断面が１回であることを特徴とする。

また、前記反射光学素子及び前記透過光学素子は、それぞれ前記第２の断面の屈折率の方が前記第１の断面の屈折率よりも強いことを特徴とする。

また、前記反射光学素子は、回転対称軸に対して回転対称であることを特徴とする。

また、前記第２の断面は、前記回転対称軸を含むことを特徴とする。

また、前記接眼光学系は、前記第２の断面内で逆光線追跡における入射瞳の中心から前記透過光学素子を経て前記反射光学素子に向かう中心主光線を含む視軸を有し、前記反射光学素子は、前記第２の断面内で前記視軸に対して偏心していることを特徴とする。

また、前記視軸と前記回転対称軸は直交することを特徴とする。

また、前記拡散面は、前記回転対称軸に対して回転対称であることを特徴とする。

また、前記反射光学素子は、円筒状にしたリニアフレネルの反射面を有することを特徴とする。

また、前記反射光学素子は、前記第２の断面内で前記視軸に対して一方側と他方側とで形状が異なることを特徴とする。

また、前記透過光学素子は、前記第２の断面内で前記視軸に対して一方側と他方側とで形状が異なることを特徴とする。

また、前記透過光学素子は、前記反射光学素子の前記回転対称軸を含む面内に回転中心である第１面回転対称軸を有する第１のＹトロイダル面と、前記第１面回転対称軸とは別の第２面回転対称軸を有する第２のＹトロイダル面と、からなることを特徴とする。

また、前記透過光学素子は、自由曲面からなることを特徴とする。

以上の本発明の視覚表示装置においては、広い観察画角を鮮明に且つ遠方の映像として観察することが可能となる。

本発明の視覚表示装置の概念図である。 図１の平面図である。 視覚表示装置を座席と組み合わせて適用した図である。 実施形態の視覚表示装置の座標系を示す図である。 本発明の実施例１の視覚表示装置の回転対称軸に沿ってとった断面図である。 図５の平面図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例１の左目で観察している場合の逆光線追跡による拡散面（像面）上での像歪みを示す図である。 本発明の実施例２の視覚表示装置の回転対称軸に沿ってとった断面図である。 図１０の平面図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の左目で観察している場合の逆光線追跡による拡散面（像面）上での像歪みを示す図である。 本発明の実施例３の視覚表示装置の回転対称軸に沿ってとった断面図である。 図１５の平面図である。 実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例３の左目で観察している場合の逆光線追跡による拡散面（像面）上での像歪みを示す図である。 視覚表示装置の投影像近傍に瞳リレー光学素子を配置した図である。 図２０の平面図である。

以下、実施例に基づいて本発明にかかる視覚表示装置について説明する。図１は本発明にかかる視覚表示装置１の概念図、図２は図１の平面図、である。

本発明にかかる視覚表示装置１は、図１及び図２に示すように、映像表示素子３と、映像表示素子３の映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方の虚像として観察させる接眼光学系５と、からなる視覚表示装置１において、接眼光学系５は、投影光学系４により投影された映像を拡散する拡散面１１と、拡散面１１により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子５１と、反射光学素子５１により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子５２と、を有し、任意の第１の断面と、第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なる。

一般に、観察画角を広くとり、アイリリーフを長くすると、観察装置は複雑になる。そこで、光路を折り曲げることが行われるが、光路同士の干渉により観察画角を広く取ることは不可能であった。また、投影光学系の光束径を小さくして、投影光学系の負担を減らすために拡散面を用いると、拡散面と光束が干渉してしまい、観察画角を広く取ることができなかった。

本発明では、接眼光学系５内の結像回数を任意の第１の断面と、第１の断面に直交する第２の断面とで異ならせることにより、光路を収束させ、光路同士の干渉の問題を回避することに成功したものである。この構成により水平画角５０°以上の観察像を観察することも可能となり、一断面内でのみ像を１回リレーしているので、観察光路と拡散面１１又は観察者の頭部等と光束が干渉することが無くなり、広画角な映像が観察可能である。

また、透過光学素子５２が両眼の光路で発生する像歪みを補正する作用を有することにより、輻輳のために発生する平面や円筒状の観察像の盛り上がりや傾斜を補正することが可能となる。

また、結像回数は、第１の断面が０回、第２の断面が１回であることが好ましい。このような構成とすることにより、偏心光路を最小にすることが可能となり、小型の視覚表示装置を提供することが可能となる。

また、反射光学素子５１及び透過光学素子５２は、それぞれ第２の断面の屈折率の方が第１の断面の屈折率よりも強いことが好ましい。パワーの強い断面方向を一致させることにより反射光学素子５１と透過光学素子５２の中間に１断面方向のみで結像する中間像を形成することが可能となる。これにより、光束径を小さくすることが可能となる。

また、反射光学素子５１は、回転対称軸２に対して回転対称であることが好ましい。このような構成とすることにより、製作性が格段に向上し安価な接眼光学系５を提供することが可能となる。

また、第２の断面は、回転対称軸２を含むことが好ましい。回転対称軸２を有する第２の断面では接眼光学系５内で１回結像し、回転対称軸２と直交する第１の断面では結像しないことが重要である。回転対称軸２と直交する第１の断面内では光束の干渉は起こさないために、第１の断面内で結像回数を増やすことは収差補正上好ましくない。一方、回転対称軸２を有する第２の断面内では、画角を広げると光路が干渉するために１回結像をさせることが重要となる。第２の断面では比較的自由に面にパワーを与えることが可能となり、１回結像させても収差補正が容易であるからである。

また、接眼光学系５は、第２の断面内で逆光線追跡における入射瞳の中心から透過光学素子５２を経て反射光学素子５１に向かう中心主光線を含む視軸１０１を有し、反射光学素子５１は、第２の断面内で視軸１０１に対して偏心していることが好ましい。回転対称軸２を有する断面内では面の形状を自由に設定することが可能であり、第１の断面内で偏心配置させ任意の面で偏心により発生する偏心収差を補正することが可能となる。

また、視軸１０１と回転対称軸２は直交することが好ましい。観察者頭部に対して上下方向となる方向に回転対称軸２を配置することにより、左右方向に広い観察像を観察することが可能となる。反射光学素子５１は左右方向に回転対称な面が広がることになり、左右方向の画角を広げる場合に好ましい。人間の視覚は上下方向より左右方向に広いので、これとも一致する。

また、拡散面１１は、回転対称軸２に対して回転対称であることが好ましい。拡散面１１を回転対称とすることにより製作が容易になる。

また、反射光学素子５１は、円筒状にしたリニアフレネルの反射面を有することが好ましい。リニアフレネルレンズを反射面に加工したものを円筒状に湾曲させて反射面を構成することにより、安価に反射面を加工することが可能となる。

また、反射光学素子５１は、第２の断面内で視軸１０１に対して一方側と他方側とで形状が異なることが好ましい。反射面５１ｂは偏心している為に偏心収差が発生する。これを補正するために中心光線の上下方向で形状を変え、偏心収差を補正することが望ましい。

また、透過光学素子５２は、第２の断面内で視軸１０１に対して一方側と他方側とで形状が異なることが好ましい。第２の断面内での像面の傾きを補正することが可能となり、鮮明な観察像を観察することが可能となる。また、拡散面１１の形状を円筒にすることが可能となり、製作性が向上する。

また、透過光学素子５２は、反射光学素子５１の回転対称軸２を含む面内に回転中心である第１面回転対称軸２１を有する第１のＹトロイダル面と、第１面回転対称軸２１とは別の第２面回転対称軸２２を有する第２のＹトロイダル面と、からなることが好ましい。このように構成することにより、収差を小さくすることが可能となる。

また、透過光学素子５２は、自由曲面からなることが好ましい。このように構成することにより、収差を小さくすることが可能となる。

図３は、視覚表示装置１を座席Ｓと組み合わせて適用した図を示す。座席Ｓは、ソファや乗り物等の座席Ｓであり、視覚表示装置１は、この座席Ｓに一体的に接続される。従って、座席Ｓがリクライニング機構を有する場合は、傾斜された背面部Ｓ１の角度に応じて、視覚表示装置１もその角度を変えることになる。

以下に、本発明の視覚表示装置１の光学系の実施例を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記するが、例えば図４に示すように、観察者の観察する位置を接眼光学系５の逆光線追跡における入射瞳Ｅとし、入射瞳Ｅを通る光線が、接眼光学系５を経て映像表示素子３に向かう逆光線追跡の結果に基づくものである。

座標系は、図４に示すように、接眼光学系５の回転対称軸２と、入射瞳Ｅと反射光学素子５１とを結ぶ視軸１０１との交点Ｏを偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとし、接眼光学系５の回転対称軸２の原点Ｏから映像表示素子３側へ向かう方向をＹ軸正方向とし、原点Ｏから右方向（視軸１０１の方向）をＺ軸正方向とし、図４の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、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、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない係数項は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。観察者両眼の眼幅は絞り面のＸ偏心で表されている。水平断面での光路図では幅６０ｍｍで表されている。

なお、フレネル面は偶数次と奇数次を有する曲線をＹ軸と平行にＲＸだけはなれた回転対称軸周りに回転して得られる回転対称面からなり、以下の定義式で与えられる曲線を回転して得られる回転対称非球面である。
Ｚ＝（Ｙ² ／ＲＹ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］
＋ＡＹ³ ＋ＢＹ⁴ ＋ＣＹ⁵ ＋ＤＹ⁶＋・・・
・・・（ａ）
ただし、Ｙ軸と平行な回転対称軸を有し、ＲＸは回転対称方向の曲率半径とする。ここで、ＲＹは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ３次、４次、５次、６次の非球面係数である。

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（ｂ）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する。

Ｚ＝（ｒ² ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）² ｝］
∞
＋Σ Ｃ_j Ｘ^m Ｙⁿ ・・・（ｂ）
^j=1
ここで、（ｂ）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、本発明の自由曲面は、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。

実施例１の視覚表示装置１の接眼光学系５の回転対称軸２に沿ってとった断面図を図５に、平面図を図６に、光学系全体の横収差図を図７及び図８に、実施例１の左目で観察している場合の逆光線追跡による拡散面（像面）上での像歪みを図９に示す。

本実施例１の接眼光学系５は、図示しない投影光学系により投影された映像を拡散する拡散面１１と、拡散面１１により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子５１と、反射光学素子５１により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子５２と、を有し、任意の第１の断面と、第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なるものである。なお、図５及び図６では、映像表示素子及び投影光学系は省略している。

接眼光学系５は、両面が自由曲面の第１面５２ａ及び第２面５２ｂからなる回転非対称な透過光学素子５２と、シリンドリカル面の第１面５１ａ及びフレネル面の第２面５１ｂからなる反射光学素子５１と、両面がシリンドリカル面の第１面１１ａ及び第２面１１ｂからなる拡散面１１と、を有する。

反射光学素子５１及び拡散面１１は、回転対称軸２に対して回転対称に形成されている。また、反射光学素子５１の反射面５１ｂは、第２の断面内で視軸１０１に対して一方側と他方側とで形状が異なる。

逆光線追跡において、接眼光学系５の入射瞳Ｅから出射した光束は、透過光学素子５２の第１面５２ａ及び第２面５２ｂを経て、反射光学素子５１へ向かう。この透過光学素子５２と反射光学素子５１の間の第２の断面内で結像する。次に、光束は、反射光学素子５１の第１面５１ａを透過し、第２面５１ｂで反射され、再び第１面５１ａを透過し、拡散面１１へ向かう。次に、光束は、拡散面１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂを経て、第２面１１ｂを透過した付近で結像する。その後、図示しない投影光学系を経て、映像表示素子に結像する。

この実施例１の仕様は、
画角（収差表示） ５３° 上下３３°
入射瞳径（逆追跡） １５．００
像歪み率（Ｙ／Ｘ） −０．５８７８７
である。

実施例２の視覚表示装置１の接眼光学系５の回転対称軸２に沿ってとった断面図を図１０に、平面図を図１１に、光学系全体の横収差図を図１２及び図１３に、実施例２の左目で観察している場合の逆光線追跡による拡散面（像面）上での像歪みを図１４に示す。

本実施例２の接眼光学系５は、図示しない投影光学系により投影された映像を拡散する拡散面１１と、拡散面１１により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子５１と、反射光学素子５１により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子５２と、を有し、任意の第１の断面と、第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なるものである。なお、図１０及び図１１では、映像表示素子及び投影光学系は省略している。

接眼光学系５は、両面が自由曲面の第１面５２ａ及び第２面５２ｂからなる回転非対称な透過光学素子５２と、シリンドリカル面の第１面５１ａ及びフレネル面の第２面５１ｂからなる反射光学素子５１と、両面がシリンドリカル面の第１面１１ａ及び第２面１１ｂからなる拡散面１１と、を有する。

反射光学素子５１及び拡散面１１は、回転対称軸２に対して回転対称に形成されている。また、反射光学素子５１の反射面５１ｂは、第２の断面内で視軸１０１に対して一方側と他方側とで形状が異なる。

逆光線追跡において、接眼光学系５の入射瞳Ｅから出射した光束は、透過光学素子５２の第１面５２ａ及び第２面５２ｂを経て、反射光学素子５１へ向かう。この透過光学素子５２と反射光学素子５１の間の第２の断面内で結像する。次に、光束は、反射光学素子５１の第１面５１ａを透過し、第２面５１ｂで反射され、再び第１面５１ａを透過し、拡散面１１へ向かう。次に、光束は、拡散面１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂを経て、第２面１１ｂを透過した付近で結像する。その後、図示しない投影光学系を経て、映像表示素子に結像する。

この実施例２の仕様は、
画角（収差表示） ５３° 上下３３°
入射瞳径（逆追跡） １５．００
像歪み率（Ｙ／Ｘ） −０．８４４２７
である。

実施例３の視覚表示装置１の接眼光学系５の回転対称軸２に沿ってとった断面図を図１５に、平面図を図１６に、光学系全体の横収差図を図１７及び図１８に、実施例３の左目で観察している場合の逆光線追跡による拡散面（像面）上での像歪みを図１９に示す。

本実施例３の接眼光学系５は、図示しない投影光学系により投影された映像を拡散する拡散面１１と、拡散面１１により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子５１と、反射光学素子５１により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子５２と、を有し、任意の第１の断面と、第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なるものである。なお、図１５及び図１６では、映像表示素子及び投影光学系は省略している。

接眼光学系５は、両面がＹトロイダル面の第１面５２ａ及び第２面５２ｂからなる回転非対称な透過光学素子５２と、シリンドリカル面の第１面５１ａ及びフレネル面の第２面５１ｂからなる反射光学素子５１と、両面がシリンドリカル面の第１面１１ａ及び第２面１１ｂからなる拡散面１１と、を有する。

透過光学素子５２の第１面５２ａは、第１面回転対称軸２１に対して回転対称に形成され、透過光学素子５２の第２面５２ｂは、第２面回転対称軸２２に対して回転対称に形成されている。また、反射光学素子５１及び拡散面１１は、回転対称軸２に対して回転対称に形成されている。また、反射光学素子５１の反射面５１ｂは、第２の断面内で視軸１０１に対して一方側と他方側とで形状が異なる。

逆光線追跡において、接眼光学系５の入射瞳Ｅから出射した光束は、透過光学素子５２の第１面５２ａ及び第２面５２ｂを経て、反射光学素子５１へ向かう。この透過光学素子５２と反射光学素子５１の間の第２の断面内で結像する。次に、光束は、反射光学素子５１の第１面５１ａを透過し、第２面５１ｂで反射され、再び第１面５１ａを透過し、拡散面１１へ向かう。次に、光束は、拡散面１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂを経て、第２面１１ｂを透過した付近で結像する。その後、図示しない投影光学系を経て、映像表示素子に結像する。

この実施例３の仕様は、
画角（収差表示） ５３° 上下３３°
入射瞳径（逆追跡） １５．００
像歪み率（Ｙ／Ｘ） −０．５７６７１
である。

以下に、上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“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 ∞ -2000.00
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
3 FFS[2] 0.00 偏心(3)
4 シリンドリカル[1] 0.00 偏心(4) 1.4918 57.4
5 フレネル[1] 0.00 偏心(5) 1.4918 57.4
6 シリンドリカル[1] 0.00 偏心(4)
7 シリンドリカル[2] 0.00 偏心(6)
8 シリンドリカル[3] 0.00 偏心(7)
像 面 シリンドリカル[3] 偏心(7)

フレネル[1]
ＲＹ -392.56
ＲＸ -400.00
Ａ 3.3730E-006 Ｂ 2.2010E-008

シリンドリカル[1]
ＲＹ ∞
ＲＸ -395

シリンドリカル[2]
ＲＹ ∞
ＲＸ -165.53

シリンドリカル[3]
ＲＹ ∞
ＲＸ -160.53

FFS[1]
Ｃ4 -5.7250E-003 Ｃ6 1.6363E-003 Ｃ10 -3.1919E-005
Ｃ11 -2.1094E-007 Ｃ13 -3.8071E-007 Ｃ15 -3.4790E-008

FFS[2]
Ｃ4 -4.1105E-003 Ｃ6 -7.3143E-003 Ｃ10 -3.7233E-005
Ｃ11 -6.2007E-008 Ｃ13 -6.0594E-007 Ｃ15 3.8807E-007

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 115.51
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 145.51
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 395.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 41.24 Ｚ 400.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 86.70 Ｚ 165.53
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 86.70 Ｚ 160.53
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 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -2000.00
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 FFS[1] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
3 FFS[2] 0.00 偏心(3)
4 シリンドリカル[1] 0.00 偏心(4) 1.4918 57.4
5 フレネル[1] 0.00 偏心(5) 1.4918 57.4
6 シリンドリカル[1] 0.00 偏心(4)
7 シリンドリカル[2] 0.00 偏心(6)
8 シリンドリカル[3] 0.00 偏心(7)
像 面 シリンドリカル[3] 0.00 偏心(7)

フレネル[1]
ＲＹ -319.84
ＲＸ -300
Ａ 9.6031E-006 Ｂ 6.6694E-008

シリンドリカル[1]
ＲＹ ∞
ＲＸ -295

シリンドリカル[2]
ＲＹ ∞
ＲＸ -125.09

シリンドリカル[3]
ＲＹ ∞
ＲＸ -120.09

FFS[1]
Ｃ4 -6.6608E-003 Ｃ6 6.0470E-003 Ｃ10 -6.1168E-005
Ｃ11 -4.0967E-007 Ｃ13 -1.5489E-006 Ｃ15 -1.6580E-006

FFS[2]
Ｃ4 -4.6162E-003 Ｃ6 -4.5047E-003 Ｃ10 -5.9683E-005
Ｃ11 -1.0357E-007 Ｃ13 -1.5348E-006 Ｃ15 -9.6975E-007

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 96.86
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ -30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 126.86
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ -30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 295.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 41.24 Ｚ 300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 86.70 Ｚ 125.09
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 86.70 Ｚ 120.09
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 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -2000.00
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 Ｙトロイダル[1] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
3 Ｙトロイダル[2] 0.00 偏心(3)
4 シリンドリカル[1] 0.00 偏心(4)
5 フレネル[1] 0.00 偏心(5) 1.4918 57.4
6 シリンドリカル[1] 0.00 偏心(4) 1.4918 57.4
7 シリンドリカル[2] 0.00 偏心(6)
8 シリンドリカル[3] 0.00 偏心(7)
像 面 シリンドリカル[3]

フレネル[1]
ＲＹ -395.33
ＲＸ -400.00
Ａ 1.9197E-006 Ｂ 1.2391E-008

シリンドリカル[1]
ＲＹ ∞
ＲＸ -395

シリンドリカル[2]
ＲＹ ∞
ＲＸ -170.07

シリンドリカル[3]
ＲＹ ∞
ＲＸ -165.07

Ｙトロイダル[1]
ＲＹ 96.66
ＲＸ -99.43

Ｙトロイダル[2]
ＲＹ -152.33
ＲＸ -139.67

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 103.98
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 133.981
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 395.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 46.29 Ｚ 400.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 92.06 Ｚ 170.07
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 92.06 Ｚ 165.07
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

以上本実施形態を説明したが、さらに好ましくは、図２０及び図２１に示すように、投影光学系の射出瞳と接眼光学系の入射瞳Ｅをあわせるように、投影像近傍に瞳リレー光学素子６を配置することが好ましい。

さらに好ましくは、左右の眼球に対応した２つの投影光学系を配置し、２つの投影光学系の投影像を拡散面に投影すると同時に、２つの映像のクロストークが起きないように拡散面の拡散角をコントロールして立体像を観察することも可能である。拡散面をホログラフィックな拡散面にすることにより拡散面自体が観察されてしまう問題を回避することが可能となる。また、拡散面を回転又は振動させることにより上記問題を解決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。

観察される虚像面（追跡上は物体面）は２ｍ先を想定しているが、これは任意に設定できる。また、観察面が有限距離の場合、観察面も回転対称軸２に対して回転対称な円筒状の観察面となる。

１…視覚表示装置
２…回転対称軸
３…映像表示素子
４…投影光学系
５…接眼光学系
５１…透過光学素子
５２…反射光学素子
Ｅ…入射瞳（逆光線追跡）

Claims (13)

1. 映像表示素子と、
   前記映像表示素子の映像を投影する投影光学系と、
   前記投影光学系により投影された映像を遠方の虚像として観察させる接眼光学系と、
   からなる視覚表示装置において、
   前記接眼光学系は、
   前記投影光学系により投影された映像を拡散する拡散面と、
   前記拡散面により拡散された映像を反射する少なくとも一つの反射面を有する反射光学素子と、
   前記反射光学素子により反射された映像を透過する少なくとも一つの回転非対称な透過光学素子と、
   を有し、任意の第１の断面と、前記第１の断面に直交する第２の断面とで結像回数が異なることを特徴とする視覚表示装置。
2. 前記結像回数は、前記第１の断面が０回、前記第２の断面が１回であることを特徴とする請求項１に記載の視覚表示装置。
3. 前記反射光学素子及び前記透過光学素子は、それぞれ前記第２の断面の屈折率の方が前記第１の断面の屈折率よりも強いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の視覚表示装置。
4. 前記反射光学素子は、回転対称軸に対して回転対称であ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項に記載の視覚表示装置。
5. 前記第２の断面は、前記回転対称軸を含むことを特徴とする請求項４に記載の視覚表示装置。
6. 前記接眼光学系は、前記第２の断面内で逆光線追跡における入射瞳の中心から前記透過光学素子を経て前記反射光学素子に向かう中心主光線を含む視軸を有し、
   前記反射光学素子は、前記第２の断面内で前記視軸に対して偏心していることを特徴とする請求項５に記載の視覚表示装置。
7. 前記視軸と前記回転対称軸は直交することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の視覚表示装置。
8. 前記拡散面は、前記回転対称軸に対して回転対称であることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の視覚表示装置。
9. 前記反射光学素子は、円筒状にしたリニアフレネルの反射面を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の視覚表示装置。
10. 前記反射光学素子は、前記第２の断面内で前記視軸に対して一方側と他方側とで形状が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の視覚表示装置。
11. 前記透過光学素子は、前記第２の断面内で前記視軸に対して一方側と他方側とで形状が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の視覚表示装置。
12. 前記透過光学素子は、
    前記反射光学素子の前記回転対称軸を含む面内に回転中心である第１面回転対称軸を有する第１のＹトロイダル面と、
    前記第１面回転対称軸とは別の第２面回転対称軸を有する第２のＹトロイダル面と、
    からなることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の視覚表示装置。
13. 前記透過光学素子は、自由曲面からなることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の視覚表示装置。

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