Eyeglass-type image display device |
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| 申请号 | JP2009200921 | 申请日 | 2009-08-31 | 公开(公告)号 | JP5290092B2 | 公开(公告)日 | 2013-09-18 |
| 申请人 | オリンパス株式会社; | 发明人 | 良平 杉原; 陽一 井場; 成示 龍田; 浩一 高橋; | ||||
| 摘要 | A spectacles-type image display device having an image output unit that includes a display element that displays images and is disposed on a spectacle frame and a reflection unit that is disposed adjacent to at least one of spectacle lenses and reflects the image light that is output from the image output unit toward the eyeball so that the viewer can see a virtual image of the image is provided. The reflection unit is a reflection member having a positive refractive power and an effective luminous flux that is output from the image output unit and reaches the eyeball of the viewer is configured so that the width of the luminous flux perpendicular to an optical axis is minimum at the reflection unit with respect to the optical axis cross-section parallel to an incident surface of the optical axis relative to the reflection unit. | ||||||
| 权利要求 | ２次元画像を表示する表示素子を含み眼鏡のフレーム部に配置される画像射出部と、 少なくとも一方の眼鏡レンズ近傍に配置され、前記眼鏡を観察者の頭部に装着した状態で、前記画像射出部から射出した画像光を、該観察者の眼球へ向けて反射させ、前記２次元画像の虚像を該観察者が観察できるように構成した反射部とを備え、 前記反射部は正の屈折力を持つ反射部材であり、 前記画像射出部から射出して前記観察者の眼球へ至る有効光束は、 前記反射部に入射する前記画像光の入射面と平行な面であって、前記有効光束の光軸を含む断面 において、 前記反射部における 前記有効光束の 前記光軸 に垂直方向の幅が 、前記反射部以外における 前記有効光束の 前記光軸 に垂直方向の幅と比較して、最小になるように構成したことを特徴とする眼鏡型画像表示装置。 前記最小の光軸の垂直方向断面の幅は、人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部材の反射面は、 前記画像光の入射面と平行な方向の幅が 前記画像光の入射面と垂直な方向の幅よりも小さい形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部材の反射面は、前記画像光の入射面と垂直な方向の幅が前記画像光の入射面と平行な方向の幅よりも小さい形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部材の反射面は、前記画像光の入射面と垂直な方向の幅と前記画像光の入射面と平行な方向の幅とが等しい円形形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記表示素子は、縦横の長さが異なる矩形形状であり、該矩形形状の長手方向が前記反射部材の反射面の最小幅方向に対応するよう配置されていることを特徴とする請求項３に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部材の反射面は、入射面と垂直な方向の曲率半径をＲｙ、入射面と平行な方向の曲率半径をＲｘとすると、Ｒｘ＞Ｒｙとなることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部材の反射面は、自由曲面であることを特徴とする請求項１から請求項 ７の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記画像射出部から射出して前記観察者の眼球へ至る有効光束は、 前記反射部材 に入射する前記画像光の入射面と平行な 面であって、前記有効光束の光軸を含む断面における射出瞳位置である横方向瞳位置が 、該反射部材近傍であ ることを特徴とする請求項１から請求項 ８の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部材は、前記眼鏡レンズに埋め込まれていることを特徴とする請求項１から請項 ９の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記画像射出部は、前記反射部の反射面を中心として回動可能に保持されていることを特徴とする請求項１から請求項 １０の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部は、前記反射部材の反射面を通る回転軸で回動可能に保持されていることを特徴とする請求項１から請求項 ８の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記表示素子と前記反射部との間に偏角プリズムを有していることを特徴とする請求項１から請求項 １２の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記表示素子は、前記観察者からみて前方に向けて配置され、 前記表示素子から射出された光線は、前記偏角プリズムに入射され、５０°〜７０°偏角されて前記反射部方向に射出されることを特徴とする請求項 １３に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記偏角プリズムは、前記眼鏡のヨロイ部に保持され、 前記表示素子は、前記眼鏡のテンプル部に保持され、 前記表示素子を表示面に垂直な方向に移動調節可能としたことを特徴とする請求項 １３または請求項 １４に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記偏角プリズムは、前記眼鏡のヨロイ部に保持され、 前記表示素子は、前記眼鏡のテンプル部に保持され、 前記表示素子を表示面に平行な方向に移動調節可能としたことを特徴とする請求項 １３または請求項 １４に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記表示素子と前記反射部との間に、前記反射部の偏心により発生する縦収差を補正する縦収差補正レンズを配置することを特徴とする請求項 １３から請求項 １６の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記縦収差補正レンズの面形状は、自由曲面形状であることを特徴とする請求項 １７に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記縦収差補正レンズは、前記偏角プリズムと一体形成されていることを特徴とする請求項 １７または請求項 １８に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記表示素子は有機ＥＬであることを特徴とする請求項１から請求項 １９の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 前記反射部は、前記観察者の正面に関する投影断面が、該観察者の瞳孔を覆わない位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項 ２０の何れか１項に記載の眼鏡型画像表示装置。 |
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| 说明书全文 | 本発明は、眼鏡型画像表示装置に関するものである。 従来、眼鏡型画像表示装置として、例えば、眼鏡のテンプル側に保持された画像射出部と、眼鏡のレンズ近傍に保持された接眼光学部とを含む装置が提案されている。 このような眼鏡型画像表示装置では、画像射出部から射出された表示すべき電子映像の画像光を、接眼光学部を介して観察者の眼球に入射させて観察できるように構成している。 このような、眼鏡型画像表示装置は、通常、電子映像と眼鏡レンズを透過する背景画像とを重ね合わせて眼球内に表示（いわゆるシースルー表示）する。 このような技術として、視界前方を遮るような凹面鏡と複数枚の投影レンズとによるもの（例えば、特許文献１参照）、ホログラム素子を眼鏡レンズ部に配置したもの（例えば、特許文献２参照）などが知られている。 また、このような眼鏡型画像表示装置として、画像射出部を眼鏡のフレーム等に保持して眼鏡レンズの外側から画像光を入射する構成（例えば、特許文献３参照）、眼鏡レンズ内に画像光を入射するための光路を構成するもの（例えば、特許文献４参照）などが知られている。 しかしながら、特許文献１に記載の技術では、大きな凹面鏡を用いることによる収差補正をするために投影光学系が複雑であり、また凹面鏡の大きさによる干渉、シースルー機能を付加することの困難さがある。 また、特許文献２に記載の技術では、ホログラム素子の波長選択性が高いことにより、レーザー光線のような光源を用いる、あるいは高性能なフィルターによって一部の波長のみを用いるなど高コストの方法を必要とし、更に、ホログラム素子は装着者個別の視度（曲率）に応じて調節する機能を付加することが困難である。 上記問題に鑑みて、本発明の課題は、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察することを可能とすると共に、小型軽量・低コスト化が可能な眼鏡型画像表示装置を提供することにある。 上記の課題を解決するために、本発明は、２次元画像を表示する表示素子を含み眼鏡のフレーム部に配置される画像射出部と、少なくとも一方の眼鏡レンズ近傍に配置され、前記眼鏡を観察者の頭部に装着した状態で、前記画像射出部から射出した画像光を、該観察者の眼球へ向けて反射させ、前記２次元画像の虚像を該観察者が観察できるように構成した反射部とを備え、前記反射部は正の屈折力を持つ反射部材であり、前記画像射出部から射出して前記観察者の眼球へ至る有効光束は、前記反射部に対する光軸の入射面と平行な光軸断面で、該有効光束の光軸垂直方向の幅が前記反射部にて最小になるように構成する。 すなわち、本構成の眼鏡型画像表示装置の光学系では、入射面と平行な光軸断面に関して、反射部材が実質的に開口絞りとして機能している。 あるいは、このことを、入射面と平行な光軸断面に関する射出瞳位置が反射部材となるとも言い換えることができる。 このとき、前記最小の光軸垂直方向断面の幅は、人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍよりも小さいことが好ましい。 さらに、前記反射部材の反射面は、入射面と平行な方向の幅が入射面と垂直な方向の幅よりも小さい形状であることが好ましい。 また、前記表示素子は、矩形形状であり、該矩形形状の長手方向が前記反射部材の反射面の最小幅方向に対応するよう配置されていることが好ましい。 すなわち、反射部材は縦長なのにも拘らず、表示素子は横長である構成とする。 さらに、前記反射部材の反射面は、入射面と垂直な方向の曲率半径をＲｙ、入射面と平行な方向の曲率半径をＲｘとすると、Ｒｘ＞Ｒｙとなることが好ましい。 すなわち、反射部材は、いわゆるトロイダルミラーである。 また、前記反射部材の反射面は、自由曲面であることも好ましい。 すなわち、反射部材の反射面は、いわゆる自由曲面ミラーである。 さらに、前記画像射出部から射出して前記観察者の眼球へ至る有効光束は、前記反射部材の入射面と平行な光軸断面における射出瞳位置である横方向瞳位置が該反射部材近傍であり、前記反射部材の入射面と垂直な光軸断面における射出瞳位置である縦方向瞳位置が前記横方向瞳位置よりも前記観察者の眼球の瞳孔よりに位置することがこのましい。 すなわち、入射面と平行な光軸断面に関しては反射部材が開口絞りとして機能するが、入射面と垂直な光軸断面に関しては反射部材が開口絞りとして機能してはいない。 また、前記反射部材は、前記眼鏡レンズに埋め込まれていることが好ましい。 また、前記画像射出部は、前記反射部の反射面を中心として回動可能に保持されていることが好ましい。 また、前記反射部は、前記反射部材の反射面を通り入射面に垂直な軸で回動可能に保持されていることが好ましい。 また、前記表示素子と前記反射部との間に偏角プリズムを有していることが好ましい。 また、前記表示素子は、前記観察者からみて前方に向けて配置され、前記表示素子から射出された光線は、前記偏角プリズムに入射され、５０°〜７０°偏角されて前記反射部方向に射出されることが好ましい。 また、前記偏角プリズムは、前記眼鏡のヨロイ部に保持され、前記表示素子は、前記眼鏡のテンプル部に保持され、前記表示素子を表示面に垂直な方向に移動調節可能とすることが好ましい。 また、前記偏角プリズムは、前記眼鏡のヨロイ部に保持され、前記表示素子は、前記眼鏡のテンプル部に保持され、前記表示素子を表示面に平行な方向に移動調節可能とすることが好ましい。 また、前記表示素子と前記反射部との間に、前記反射部の偏心により発生する縦収差を補正する縦収差補正レンズを配置することが好ましい。 さらに、前記縦収差補正レンズの面形状は、自由曲面形状であることが好ましい。 さらに、前記縦収差補正レンズは、前記偏角プリズムと一体形成されていることが好ましい。 さらに、前記表示素子は有機ＥＬであることが好ましい。 また、前記反射部は、前記観察者の正面に関する投影断面が、該観察者の瞳孔を覆わない位置に配置することが好ましい。 本発明によれば、外界視界を遮ることなく外界と電子画像を同時に観察することを可能とすると共に、小型軽量・低コスト化が可能な眼鏡型画像表示装置を提供することができる。 以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 （第１実施形態） 画像射出部４は、２次元画像を表示する表示素子（図１には不図示）を内部に有し、画像光を射出する。 表示素子としては、例えば液晶表示素子や有機ＥＬ素子等、一般的な表示素子を用いることができる。 特に、表示素子として有機ＥＬ素子を用いた場合はバックライトが不要であるため、より小型軽量が達成され、かつ消費電力も少ない。 反射部５は、眼鏡レンズ近傍に配置された正の屈折力を持つ反射部材であり、眼鏡を観察者の頭部に装着した状態で、画像射出部４から射出した画像光を、観察者の眼球２へ向けて反射させ、２次元画像の虚像を観察者が観察できるように配置されている。 反射部５としては、図２に示されるように、（ａ）表面反射ミラー、（ｂ）裏面反射ミラー、（ｃ）眼鏡レンズへ埋め込まれたミラー、（ｄ）全反射プリズム、などを用いることができる。 表面反射ミラーおよび裏面反射ミラーは、それぞれ表面または裏面を金属蒸着や誘電体多層膜等の一般的なミラーコートを施したものを利用することができる。 眼鏡レンズへ埋め込まれたミラーを用いた場合は、眼鏡レンズと空気との屈折により、傾斜角を軽減することができる。 全反射プリズムを用いた場合は、ミラーコートなしに屈曲させることができる。 図１に戻り、眼鏡フレーム３は、眼鏡レンズ６（または眼鏡レンズ６の枠）に固定され、眼鏡前面の両端に位置するヨロイ部７と、ヨロイ部７およびヒンジ８を介して折り曲げ可能に結合されたテンプル部９とを含んで構成されている。 本実施形態の画像射出部４は、ヒンジ８を介して、テンプル部９によって保持され、眼鏡フレーム３の折りたたみ時に、テンプル部９と共に折り畳まれる。 上記の配置では、画像射出部４から射出し、反射部５によって反射され、観察者の眼球２へ至る画像光は、眼鏡レンズ６および眼鏡フレーム３（および観察者の顔面）によって囲まれた空間を伝播する構成となっている。 この構成により、観察者の視界を遮る障害物が可能な限り少なく、眼鏡フレーム３の折り畳み時に、（例えば画像射出部４が）干渉してしまう部品もない。 図３は、観察者が装着した状態における図１の眼鏡型画像表示装置の右眼側を示す正面図である。 図３に示されるように、本実施形態の眼鏡型画像表示装置では、観察者の方面方向に関する投影断面において、反射部５が観察者の瞳孔１０を覆わない位置に配置されている。 本実施形態では、反射部５をこの位置に配置することによって、通常時（観察者が眼鏡型画像表示装置からの情報よりも周囲からの情報に意識を向けている状態）に観察者の視界を十分確保し、本実施形態の眼鏡型画像表示装置を使用しているときでも観察者が安全に活動することができる。 また、図３に示されるように、本実施形態の眼鏡型画像表示装置では、反射部５が縦長の矩形形状をしている。 一方で、画像射出部４およびその内部の表示素子は横長の矩形形状をしている。 すなわち、表示素子１３の長手方向が、反射部５の最小幅方向に対応するように構成されている。 このように構成することにより、横長表示の画像であっても、眼鏡と顔と間の狭いスペースに画像光線を導くことができる。 また、本実施形態の眼鏡型画像表示装置では、反射部５が縦長の矩形形状をしていることから、眼鏡装着時の上下方向のズレに対しても許容度が高い。 なお、縦長の反射部による上下方向のズレ許容度を、画像表示領域として利用すれば、縦長の表示画面（すなわち縦長の表示素子）に対しても、本実施形態の構成を利用することができる。 さらに、本実施形態における反射部５が縦長の矩形形状であることは、光学性能の観点でもメリットを有する。 反射部５の反射部材は正の屈折力を有し、図１に示されるように、画像射出部４から射出された画像光は、反射部５に対して偏心して入射され、瞳孔１０方向に反射される。 すなわち、本実施形態における反射部５では、入射面と平行方向の偏心収差が発生する。 しかしながら、本実施形態における反射部５が縦長の（入射面と平行方向の幅が小さい）矩形形状であることにより、反射部５にて発生する偏心収差を低減することができる。 なお、この収差補正に関しては、後の第４実施形態において収差図を用いて詳説する。 図４は、本実施形態における反射部の矩形形状の短手方向の幅について説明する図である。 すでに説明してあるように、本実施形態では、画像射出部４から射出された画像光は反射部５によって反射され、眼球２の瞳孔１０に導かれる。 したがって、反射部５は眼球２の視線（あるいは画像射出部４から射出された画像光の光軸）に対して傾斜して配置（偏心配置）される。 すなわち、観察者の視界にとっての大きさは、実際の反射部５の大きさとは異なる。 本実施形態では、反射部５の光軸垂直断面（視線方向の投影断面）における幅が４ｍｍ以下となるように構成されている。 この４ｍｍという数値は、人間の平均的な瞳孔径に基づき、反射部５の光軸垂直断面が４ｍｍよりも小さい場合、反射部５に遮られない背景光が瞳孔１０を通り網膜に像を作る、いわゆる瞳分割シースルーが実現され、背景光と画像射出部４から射出された画像光とが重ね合わされる。 図５は、本実施形態の光学系をより詳説するために、本実施形態の光学要素を抜き出した基本構成図である。 本実施形態の光学系は、図５に示されるように、光源１１から放射された照明光を照明レンズ１２によって略平行光に変換して（例えば液晶表示素子などの）表示素子１３に照射する。 その後、表示素子１３からは画像情報を含んだ画像光が射出され、正の屈折力を有する反射部５によって眼球方向に屈曲させ、観察者が表示素子１３の虚像を観察する。 図５に示されるように、本実施形態の光学系における紙面方向の光軸断面では、反射部５の口径が最も細くなっている。 言い換えれば、反射部５の反射面の入射面と平行な方向の光軸断面に関して、反射部５が本実施形態の光学系の実質的開口絞りとして機能している。 あるいは、反射部５に射出瞳位置が存在していると表現してもよい。 このように、本実施形態の光学系は、反射部５が射出瞳位置になっていることから、画像の形状（すなわち表示素子の形状）によらずに反射部５の形状を決定することができる。 よって、本実施形態では、先述したように表示素子１３が横長の矩形形状であるにも拘らず、反射部５が縦長の矩形形状とすることができる。 また、光源１１像が反射部５の近傍に位置する構成が好ましい。 この構成によれば、光源１１像から放射された光線が集光した状態で反射部５によって反射されるので、照明効率がよい。 図６は、本実施形態の光学系の（ａ）横方向光軸断面（すなわち反射部での入射面と平行方向の光軸断面）と（ｂ）縦方向光軸断面（すなわち反射部での入射面と垂直方向の光軸断面）との違いを説明する図である。 なお、図６では紙面上に記載するために、反射部５での屈曲を直線と仮定して記載してある。 図６（ａ）および（ｂ）において、光軸上の主光線（すなわち光軸）は２点鎖線、光軸上のマージナル光線は実線、軸外の主光線は１点鎖線、軸外のマージナル光線は破線で表されている。 図６（ａ）に示されるように、本実施形態の光学系では、横方向の光束が反射部５によって規定されている（つまり反射部５が開口絞りとして機能している）ので、軸外のマージナル光線が光軸に交わっている。 一方で、図６（ｂ）に示されるように、反射部５は縦方向に関しては十分に大きな口径を有しているので、実質的な絞りとしての機能を持たず、瞳孔１０が開口絞りとして機能している。 なお、本実施形態で図示した眼鏡型画像表示装置１は、右眼に対して電子映像を表示する構成としたが、左眼に対して電子映像を表示するようにしても良い。 （第２実施形態） 画像射出部４は、２次元画像を表示する表示素子１３を内部に有し、画像光を射出する。 表示素子１３としては、第１実施形態と同様に、例えば液晶表示素子や有機ＥＬ素子等、一般的な表示素子を用いることができる。 次に、表示素子１３（すなわち画像射出部４）から射出された画像光は、偏角プリズム１５に入射され、５０°〜７０°偏角されて、反射部方向に射出される。 反射部５は正の屈折力を持つ反射部材であり、表示素子１３の画像を拡大し、観察者は表示素子１３の虚像を観察する。 図７に示された実施形態では、偏角プリズム１５と一体で成型された縦収差補正レンズ１４を有し、反射部５の偏心による収差を補正する。 また、偏角プリズム１５の例としては、頂角が３０°，６０°，９０°のプリズム（いわゆる３０°プリズム）を用いることができる。 ３０°プリズムを用いた場合、頂角９０°の角の対向面に画像光を垂直入射し、頂角６０°の角の対向面で反射し、頂角９０°の角の対向面で全反射し、頂角３０°の角の対向面から射出することによって、６０°の偏角が実現できる。 反射部５は、正の屈折力を持つ反射部材であり、眼鏡を観察者の頭部に装着した状態で、画像射出部４から射出した画像光を、観察者の眼球２へ向けて反射させ、２次元画像の虚像を観察者が観察できるように配置されている。 第１実施形態と同様に、反射部５としては、（ａ）表面反射ミラー、（ｂ）裏面反射ミラー、（ｃ）眼鏡レンズへ埋め込まれたミラー、（ｄ）全反射プリズム、などを用いることができる（図２を参照）。 なお、反射部５は、第１実施形態と同様に、観察者の方面方向に関する投影断面において、反射部５が観察者の瞳孔１０を覆わない位置に配置されている（図３を参照）。 本実施形態でも、反射部５をこの位置に配置することによって、通常時に観察者の視界を十分確保し、本実施形態の眼鏡型画像表示装置を使用しているときでも観察者が安全に活動することができる。 特に、本実施形態では、偏角プリズム１５によって、第１実施形態よりも、反射部５により鋭角に光線を入射することができるので、反射部５をより視界を遮らない位置に配置することができる。 図７に示される本実施形態において、偏角プリズム１５は眼鏡のヨロイ部７に保持されている。 さらに、画像射出部４は、眼鏡のテンプル部９に保持され、表示素子１３の表示面に垂直な方向に移動調節可能な構成となっている。 この構成により、表示素子１３と偏角プリズム１５との間の距離を変更することにより、視度調整を行うことができる。 また、表示素子１３を表示面に平行な方向に移動調節可能な構成とすれば、眼幅調節が可能な構成とすることができる。 図８は、本実施形態の光学系をより詳説するために、本実施形態の光学要素を抜き出した基本構成図である。 本実施形態の光学系は、図８に示されるように、表示素子１３から画像情報を含んだ画像光が射出され、偏角プリズム１５によって偏角され、画像光を反射部５に導く。 反射部５では入射された画像光を反射し、観察者の瞳孔１０の方向に画像光を屈曲させる。 この場合の反射部５における入射面は紙面方向と一致し、観察者からみると略水平方向となっている。 また、偏角プリズム１５と一体で成型された縦収差補正レンズ１４は、反射部５の偏心による収差を補正する。 本実施形態においても、第１実施形態と同様に、紙面方向の光軸断面の光束径は、反射部５にて最も細くなっていることが見てとれる。 すなわち、本実施形態においても、入射面方向の光軸断面に関して、反射部５は実質的に開口絞りとしての機能を有していることが解る。 よって、本実施形態でも、反射部５が瞳位置になっていることから、表示素子１３が横長の矩形形状であるにも拘らず、反射部５が縦長の矩形形状とすることができる。 図８に示される基本構成図から読み取れるように、本実施形態では、表示素子１３と偏角プリズム１５との間の距離を変更することにより、表示素子１３と反射部５との間の距離が変わり、その結果、視度調整を行うことができる。 また、表示素子１３を表示面に平行な方向に移動調節可能な構成とすれば、表示素子１３の瞳孔１０への投影位置が平行移動し、その結果、眼幅調節が可能な構成とすることができる。 図９は、本実施形態における眼幅調整の更なる例を示す図である。 図９（ａ）は光学要素のみを抜き出して図示したものであり、図９（ｂ）は眼幅調整の機構を例示したものである。 図９（ａ）は、図８に示される光学要素と同様に、表示素子１３から画像情報を含んだ画像光が射出され、偏角プリズム１５によって偏角され反射部５に導く。 その後、反射部５では入射された画像光を反射し、観察者の瞳孔１０の方向に画像光を屈曲させる。 このとき、画像射出部（同図においては表示素子１３、偏角プリズム１５、および縦収差補正レンズ１４）を、反射部５を中心として回転させる。 この結果、観察者の瞳孔１０における観察可能な位置が移動するので、眼幅調整が達成される。 図９（ｂ）は眼幅調整の機構例によれば、画像射出部４が反射部５を中心とした円弧状のガイド２１を有し、このガイド２１を介して画像射出部４を眼鏡フレーム３に保持される。 これにより、画像射出部４は、反射部５を中心として回動可能に保持される構成が達成され、眼幅調整が行える眼鏡型画像表示装置が実現できる。 図１０は、本実施形態における眼幅調整の異なる例を示す図である。 図１０（ａ）は光学要素のみを抜き出して図示したものであり、図１０（ｂ）は眼幅調整の機構を例示したものである。 図１０（ａ）は、図８に示される光学要素と同様に、表示素子１３から画像情報を含んだ画像光が射出され、偏角プリズム１５によって偏角され反射部５に導く。 その後、反射部５では入射された画像光を反射し、観察者の瞳孔１０の方向に画像光を屈曲させる。 このとき、反射部５を、その反射面を通る軸を中心として回転させる。 この結果、観察者の瞳孔１０における観察可能な位置が移動するので、眼幅調整が達成される。 図１０（ｂ）に示される眼幅調整の機構例によれば、眼鏡レンズに凹面１６の溝を形成し、さらに溝の一部に眼鏡レンズを貫く貫通穴１７を開ける。 反射部５は反射面１８の裏面を凸面１９とし、貫通穴１７に通すためのツマミ部２０を形成する。 凹面１６と凸面１９とを摺動可能に嵌め合わせ、貫通穴１７を通したツマミ部２０によって、反射面１８を偏角する。 このように構成することにより、凹面１６および凸面１９の曲率の中心が反射面１８の回転の中心となり、反射面を通る軸を中心とした回転が達成される。 すなわち、眼幅調整が行える眼鏡型画像表示装置が実現できる。 なお、図９および図１０を用いて説明した眼幅調整の例は、第２実施形態を用いて説明したが、第１実施形態においても適切に実施することが可能である。 （第３実施形態） 本実施形態の光学系は、図１１（ａ）に示されるように、表示素子１３から画像情報を含んだ画像光が射出され、偏角プリズム１５によって偏角され、画像光を反射部５に導く。 反射部５では入射された画像光を反射し、観察者の瞳孔１０の方向に画像光を屈曲させる。 本実施形態においても、第１実施形態と同様に、紙面方向の光軸断面の光束径は、反射部５にて最も細くなっていることが見てとれる。 すなわち、本実施形態においても、入射面方向の光軸断面に関して、反射部５は実質的に開口絞りとしての機能を有していることが解る。 よって、本実施形態でも、反射部５が瞳位置になっていることから、表示素子１３が横長の矩形形状であるにも拘らず、反射部５が縦長の矩形形状とすることができる。 なお、図１１（ａ）には、画像射出部４の内部の表示素子１３を保護するカバーガラス２２も記載されている。 図１１（ｂ）は、反射部５の反射面１８の形状を説明するための図である。 本実施例の反射面１８は、上述のように、縦長の矩形形状である。 ここで、縦長の矩形形状とは、画像光の入射面に平行方向の幅が、画像光の入射面の垂直方向の幅よりも狭いことを云う。 本実施形態における反射面１８はトロイダル面であり、入射面と垂直な方向の曲率半径をＲｙ、入射面と平行な方向の曲率半径をＲｘとしたとき、Ｒｘ＞Ｒｙとなる関係を有する。 すなわち、本実施形態の反射面１８は、幅の狭い方向の曲率半径が、幅が広い方向の曲率半径よりも大きい。 このように、反射面１８にトロイダルミラーを用いることにより、偏心により生じる非点隔差を補正する。 図１１（ｂ）に示される例では、入射面に平行方向の幅が２．５ｍｍであり、入射面に垂直方向の幅が６．０ｍｍである。 また、入射面と平行な方向の曲率半径が８６．７ｍｍであり、入射面と垂直な方向の曲率半径が５９．１ｍｍである。 （第４実施形態） 本実施形態では、反射部５の反射部材として自由曲面ミラーを用いている。 さらに、表示素子１３を光軸に対して傾けて配置することにより、反射部５の偏心による偏心収差を軽減する。 また、本実施形態の構成では、表示素子１３を傾けて配置することにより、表示素子１３が眼鏡フレーム３と略平行に配置することができ、よりコンパクトな構成が実現できる。 なお、図１２に示される本実施形態の構成では、表示素子１３をバックライトを必要としない有機ＥＬパネルとすることが好ましい。 以下、図１３および図１４を用いて、表示素子１３の傾斜配置による偏心収差の補正の効果を説明する。 図１３は、本実施形態の光学系の光線図であり、以下のレンズデータに基づく。 図１３は、不図示の虚像面Ｓ０からの逆追跡の光線図であり、瞳孔Ｓ１から表示素子の表示面Ｓ６までを順次描き表したものである。 （第４実施形態のレンズデータ：図１３に対応） 図１４は、第４実施形態の効果を説明するために、表示素子およびカバーガラスを傾けずに配置した場合の光線図であり、以下のレンズデータに基づく。 図１４は、不図示の虚像面Ｓ１からの逆追跡の光線図であり、瞳孔Ｓ１から表示素子の表示面Ｓ６までを順次描き表したものである。 図１３と図１４との違いは、第３面Ｓ３（カバーガラス上面）から第６面Ｓ６（表示素子の表示面）が傾斜配置されていないことである。 （表示素子を垂直配置したレンズデータ：図１４に対応） 図１３と図１４とを比較すると解るように、特に第６面Ｓ６の近傍において、図１４に示された光線図よりも図１３に示された光線図の方が光線の乱れが少ない。 すなわち、本発明の第４実施形態によれば、表示素子１３が傾斜配置されていることにより、反射部の偏心による偏心収差を低減することができていることが解る。 ここで、本実施形態による自由曲面の光学系を用いて、本発明の反射部材が縦長であることによる偏心収差の低減の効果を説明する。 ただし、本発明の反射部材が縦長であることによる偏心収差の低減の効果は、自由曲面ミラーの光学系に限らず、本発明の他の実施形態においても同様に効果を奏する。 図１５は、本実施形態の自由曲面ミラーによる光学系の光線図であり、以下のレンズデータに基づく。 図１５は、不図示の虚像面Ｓ１からの逆追跡の光線図であり、瞳孔Ｓ１から表示素子の表示面Ｓ４までを順次描き表したものである。 図１３に記載光線図との違いは、カバーガラス（図１３におけるＳ３，Ｓ４）が図１５ではないことである。 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 上記のレンズデータにおいて、第２面Ｓ２（自由曲面ミラー）の形状を円形、縦長、横長としたときの、最大像高の各点での横収差図を、それぞれ図１６、図１７、図１８に記載している。 図１６は、自由曲面ミラーの反射面形状を半径１．７４ｍｍの円形にしたときの収差図であり、図１７は、自由曲面ミラーの反射面形状をX:0.86×２mm、Y:1.74×２mmの矩形にしたときの収差図であり、図１８は、自由曲面ミラーの反射面形状をX：1.74×２mm、Y:0.86×２mmの矩形にしたときの収差図である。 ただし、Ｘ方向とは横方向（入射面に平行な方向）であり、Ｙ方向とは縦方向（入射面に垂直な方向）である。 図１６から読み取れるように、本光学系の収差は、Ｘ方向の収差の方がＹ方向の収差よりも大きい。 したがって、自由曲面ミラーの反射面形状をＸ方向に制限すれば、Ｘ方向の収差が低減される。 実際、自由曲面ミラーの反射面形状をＸ方向に制限した図１７の収差図と、自由曲面ミラーの反射面形状をＹ方向に制限した図１８の収差図とを比較すると、図１７の収差図の方がより良く収差が補正されていることがわかる。 （第５実施形態） 本実施形態でも、反射部５の反射部材として自由曲面ミラーを用いている。 さらに、表示素子１３を光軸に対して傾けて配置することにより、反射部５の偏心による偏心収差を軽減する。 また、反射部５の反射面は、入射面と平行な方向の幅が入射面と垂直な方向の幅よりも小さい形状（縦長形状）とすることで、偏心収差をより一層低減する。 本実施形態の表示素子１３は、透過型液晶表示素子である。 よって、表示素子１３の裏面から照明光を照射する必要がある。 本実施形態では、表示素子１３の裏面に偏角プリズム１５を配置し、偏角プリズム１５によって光源１１からの照明光を折りたたんで、表示素子１３の裏面に照明光を照射する。 また、光源１１からの照明光を入射する偏角プリズム１５の入射面に、照明レンズ１２を一体形成することが、構成上にも製造上にも好ましい。 （第６実施形態） 本実施形態でも、反射部５の反射部材として自由曲面ミラーを用いている。 さらに、表示素子１３を光軸に対して傾けて配置することにより、反射部５の偏心による偏心収差を軽減する。 また、反射部５の反射面は、入射面と平行な方向の幅が入射面と垂直な方向の幅よりも小さい形状（縦長形状）とすることで、偏心収差をより一層低減する。 本実施形態の表示素子１３は、例えばＬＣＯＳやＤＭＤなどの反射型表示素子である。 よって、表示素子１３の表面から照明光を照射する必要がある。 本実施形態では、表示素子１３の表面に偏角プリズム１５を配置し、偏角プリズム１５によって光源１１からの照明光を折りたたんで、表示素子１３の表面に照明光を照射する。 また、光源１１からの照明光を入射する偏角プリズム１５の入射面に、照明レンズ１２を一体形成することが、構成上にも製造上にも好ましい。 （第７実施形態） 図２１に示されるように、本実施形態では、右目および左目において、画像光の入射角度が同一となっている。 すなわち、本実施形態の眼鏡型画像表示装置を装着した観察者は、正面方向に１つの画像を観察する。 このとき、右目用画像と左目用画像とに視差を付けた画像を表示することによって、立体映像を表示することが可能である。 さらに、反射部５の短手方向の幅を人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍよりも小さくすることでシースルー表示が可能であるので、観察者の周囲の背景に立体像を重ね合わせて表示することができ、非常にリアルな立体表示が可能となる。 また、画像光の入射角度は眼球の輻輳の分だけ内向きに角度を付けてもよい。 なお、ここでは本実施形態の説明を第２実施形態の拡張として説明を行ったが、本実施形態の思想は、第２実施形態に限らず、他の実施形態を両眼用に拡張すること利用することができる。 （第８実施形態） 図１２に示されるように、本実施形態では、右目および左目において、画像光の入射角度が観察者から見て外向きとなっている。 すなわち、本実施形態の眼鏡型画像表示装置を装着した観察者は、どちらか一方の画像のみを観察する。 このとき、右目用画像と左目用画像とに異なる画像を表示することによって、観察者は選択的に必要な表示を見ることができる。 つまり、左右を併せると２画面分の情報表示が可能であり、本発明の眼鏡型画像表示装置を情報提供機器として用いる場合に好適である。 なお、ここでも本実施形態の説明を第２実施形態の拡張として説明を行ったが、本実施形態の思想は、第２実施形態に限らず、他の実施形態を両眼用に拡張すること利用することができる。 （レンズデータの記載に関する注釈） 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、後記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記（ｂ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。 その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。 なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。 また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系（平面反射プリズムを含む）を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。 また、本発明で用いる自由曲面とは、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。 球面項中、 自由曲面項は、 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（ａ）においては、Ｃ 2 、Ｃ 5 、Ｃ 7 、Ｃ 9 、Ｃ 12 、Ｃ 14 、Ｃ 16 、Ｃ 18 、Ｃ 20 、Ｃ 23 、Ｃ 25 、Ｃ 27 、Ｃ 29 、Ｃ 31 、Ｃ 33 、Ｃ 35・・・ 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、Ｃ 3 、Ｃ 5 、Ｃ 8 、Ｃ 10 、Ｃ 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（ａ）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面のみ有する面対称自由曲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。 なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。 屈折率については、ｄ線（波長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。 １ 眼鏡型画像表示装置 ２ 眼球 ３ 眼鏡フレーム ４ 画像射出部 ５ 反射部 ６ 眼鏡レンズ ７ ヨロイ部 ８ ヒンジ ９ テンプル部 １０ 瞳孔 １１ 光源 １２ 照明レンズ １３ 表示素子 １４ 縦収差補正レンズ １５ 偏角プリズム １６ 凹面 １７ 貫通穴 １８ 反射面 １９ 凸面 ２０ ツマミ部 ２１ ガイド ２２ カバーガラス |
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