JP6065631B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（特許文献１〜４参照）。

ＨＭＤ等の虚像表示装置については、映像光を広画角化することと、装置重量を低減することとが望まれている。特に、観察者の視軸方向の厚みを薄くし、重心を観察者に近づけることが、装着感を向上させるために重要である。

また、観察者の視界を全て覆ってしまい、映像光のみが見える状態にしてしまうと、観察者に外界の状態が判らず、不安を与えてしまう。さらに、外界と映像を重ねて見せることによって、仮想現実の様な新しい用途が生み出される。このため、外界の視界を妨げず、映像光を重ねて表示するディスプレイが望まれている。

さらに、観察者の装着感を向上させ、見た目のフォルムを良くするためには、一般には眼鏡の形態に近づくことが望ましく、映像表示装置を眼の上方に置かないで顔の横に配置することが望ましくなる。

光学系を小型化し、なおかつ視界を妨げないように、映像表示装置を観察者の眼の位置から離すためには、表示画像光を一度光学系の中で結像させて中間像を形成するリレー光学系を用い、この中間像を拡大して見せることがよい。

例えば特許文献１では、リレー光学系として、端面が放物面鏡になっている平行平面状の導光板と、投射レンズとを用い、導光板の内部に中間像を形成するものが提案されている。しかし、特許文献１の光学系の場合、投射レンズが大きく、小型軽量化を妨げている。

特許文献２では、リレー光学系として、曲面の射出反射面を有する導光プリズムと、投射レンズとを備えるものが提案されている。しかし、特許文献２の光学系は、観察者に外界を見せることを配慮していない。この光学系を応用して外界を見せるためには、プリズム全体に広がる反射面に補償プリズムを貼り付け接合面にハーフミラーを設ける必要があり、このハーフミラー面で映像光が２回反射されることになるので、大変暗くなってしまう。

特許文献３では、リレー光学系として、投射レンズと凹面鏡と導光板とを備えるものが提案されている。この光学系では、波長板と偏光ハーフミラーとを組み合わせることによって、反射効率を上げている。しかし、特許文献３の光学系を応用して外界を見せるためには、凹面鏡に補償レンズを貼り合わせる必要があり、全体的に厚くなる。

特許文献４では、リレー光学系として、光路を折り曲げることによって、全長を短く、コンパクトにまとめたものが提案されている。しかし、特許文献４の光学系の場合、プリズム中央の凸部や、投射レンズが視界の妨げになる。また、映像光は、ハーフミラーを透過した後、折り返され、ハーフミラーで反射されて眼に入射するので、観察される映像が暗くなる。

なお、導光プリズムを用いて虚像を形成する方法において、例えば導光プリズムを複数のプリズム部分をつないで構成したり、導光プリズムを複数のプリズム部分に分割して構成したりすることで、複数の異なる曲面で光路の折り曲げを行うことが考えられる。この場合、各曲面での自由度が増し、結像性能の向上が期待される。ただし、光学設計や使用環境等によって曲面と曲面とのつなぎ目や切れ目において外界光が意図しない方向に反射されてゴースト光を生じる可能性がある。

特許２７４６６９７号公報 特許３７８７３９９号公報 特許４２１８５５３号公報 特許４８１９５３２号公報

本発明は、外界光と映像光とを重ねて表示させるシースルー機能を持ち、広画角かつ高性能でありながら、小型軽量な虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る虚像表示装置は、映像光と外界光とを同時に視認させる虚像表示装置であって、映像光を生じさせる映像素子と、３面以上の非軸対称な曲面を含むとともに光学系の一部として内部に中間像が形成される１つのプリズムとを備え、プリズムを構成する複数面のうち第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、第１面と第３面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、映像素子からの映像光は、第１面で全反射され、第３面で全反射され、第１面で再度全反射され、第２面で反射された後、第１面を透過して、観察側に到達する。ここで、映像光とは、映像素子等によって形成され眼にとって虚像として認識可能な光であり、上記のようにプリズムの内部において中間像が形成されるものとなっている。

上記虚像表示装置では、光学系によってプリズムの内部に中間像が形成されるとともに、第１面、第３面、第１面、及び第２面の順に反射された映像光が、第１面を透過して観察者に到達するので、プリズムを薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光については、第１面と第３面とを通過させて観察することができ、その際の視度を略０とするので、シースルーで外界光を観察する際の外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。また、プリズムの形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近くでき、デザイン的にも優れたものとできる。また、第１面において複数回の全反射がなされる構成とすることで、プリズムの面において不連続な部分が生じることを低減できる。これにより、プリズムの不連続な部分での意図しない光の反射によってゴーストが発生するといった事態を回避できる。

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標ｘ及びｙに関して多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡｋ_ｍ，ｎとして、下記（１）から（３）までの条件を満足する。
−５×１０^−２＜Ａ１_２，０＋Ａ１_０，２＜−１×１０^−３ 及び
−５×１０^−２＜Ａ３_２，０＋Ａ３_０，２＜−１×１０^−３ … （１）
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜５×１０^−２ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜２×１０^−２ 及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜２×１０^−２ … （３）

なお、以上において、各面の直交座標ｘ及びｙを含むローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、曲面上のある１点を原点としており、面の法線方向にｚ軸、面の接線方向にｘ軸とｙ軸とをとっている。曲面の原点は、例えば光束中心が通る位置とし、全ての原点は、同一の平面（基準面）上にあるものとする。

本願発明では、第１面と第３面との両面を観察者側に向けて凹面状にする映像光と外界光との双方を観察可能にするだけでなく、これら第１面と第３面とを自由曲面とすることによって、これらの曲面形状の自由度を有効に使用し、高画質の光学系を得ることに成功した。第１面及び第３面の働き、すなわち曲面の働きを特徴付けるのは、曲面の曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ_２，０とＡｋ_０，２（ｋ＝１，３）の値によって決まるので、係数Ａｋ_２，０とＡｋ_０，２の値を適切に設定することが重要である。

条件（１）は、原点近傍における第１面の曲率と第３面の曲率との大きさを規定している。これらの値Ａ１_２，０，Ａ１_０，２，Ａ３_２，０，Ａ３_０，２がマイナスであることは、第１面又は第３面が、観察者に対して凹面状になっていることを表している。条件（１）の上限を超えると、形状が平面に近くなり、外界光の観察に問題がなくても映像光の収差補正に有効に働かなくなる。また、条件（１）の下限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、収差補正が難しくなるとともに、プリズムの位置が顔に近くなってしまい、装用感を損なう。

条件（２）は、第３面のｘ軸方向の曲率とｙ軸方向の曲率との差を規定している。条件（２）の上限を超えると、第３面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、収差補正が困難になる。

条件（３）は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に関する、第１面の曲率と第３面の曲率との差を規定しており、外光に対するプリズムの視度に影響を与える。プリズムの光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙは、プリズムの厚さをＴ、屈折率をＮとすると、
Ｄｘ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_２，０−Ａ３_２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_２，０×Ａ３_２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_０，２−Ａ３_０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_０，２×Ａ３_０，２）
で与えられる。
一般に、遠方視度の誤差は、±１Ｄを超えると不愉快に感じるため、プリズムの視度は、±１Ｄに抑えることが望ましい。ただし、外周部の視度や収差とのバランスにより、設計上光軸上の視度を±２Ｄの範囲に設定する場合もある。光軸上の視度は、上記の式の通り、プリズムの厚さや、屈折率も関係するため、非球面係数の値のみでは、決まらないのであるが、係数が、条件（３）を満たす範囲にあれば、光軸上の視度を、±２Ｄの範囲に抑えることが可能である。

第１面及び第３面を以上の条件（１）〜（３）を満たす形状とすることによって、外界光と映像光との双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。

本発明のさらに別の側面では、第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する。この場合、第２面越しに観察する外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。

本発明のさらに別の側面では、光透過部材が、観察者側に第１透過面と第２透過面とを有するとともに外界側に第３透過面を有し、プリズムの第２面と光透過部材の第２透過面とが、略同じ曲面形状を有し、第２面と第２透過面とが、一体化されている。この場合、面同士を接合して一体化することができ、第１面及び第３面側に連続的な表面をそれぞれ形成することができる。

本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が映像素子からの映像光をプリズムに入射させる投射レンズをさらに備え、少なくともプリズムの一部と投射レンズとが、リレー光学系を構成する。この場合、投射レンズ等によって構成されるリレー光学系がプリズムの内部に中間像を形成する。

本発明のさらに別の側面では、投射レンズが、軸対称なレンズによって構成されており、少なくとも１面以上の非球面を含んでいる。

本発明のさらに別の側面では、プリズムが、投射レンズから内部に入射した映像光を第１面へ導く第４面を有する。

本発明のさらに別の側面では、プリズムが、投射レンズに対向して配置され投射レンズから射出された映像光を入射させて第４面へ導く第５面を有する。

本発明のさらに別の側面では、プリズムが、第１面と第２面と第３面とを有し光射出側の第１プリズム部分と、光入射側の第２プリズム部分とを有し、第１プリズム部分と第２プリズム部分とは、一体形成されている。この場合、第１プリズム部分と第２プリズム部分とを一体形成したプリズム内部において中間像を形成することができ、この際、第１プリズム部分の第１面及び第３面において複数回の全反射を行うことで、映像光の導光に関する面の不連続部の発生を低減することができる。

本発明のさらに別の側面では、第２プリズム部分が、少なくとも１つ以上の光学面を有し、映像素子と投射レンズとプリズムのうち少なくとも第２プリズム部分を含む部分とによって中間像が形成される。この場合、少なくとも第２プリズム部分の光学面がリレー光学系の一部として中間像の形成に寄与する。

本発明のさらに別の側面では、映像素子が、表示位置から映像光を射出する映像表示素子であり、投射レンズとプリズムのうち少なくとも第２プリズム部分を含む部分とが、リレー光学系として、映像表示素子の表示位置から射出された映像光をプリズムの内部において結像させ中間像を形成させる。この場合、投射レンズ等がリレー光学系として機能することで、映像表示素子の表示位置上の各点から射出された映像光をプリズム内に再結像させ中間像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、第２プリズム部分が、第１プリズム部分の第３面のうち光入射側に配置され、投射レンズから内部に入射した映像光を第１面へ導く第４面を有し、第１プリズム部分が、第１面において、第２プリズム部分の第４面を経た映像光に対して１回目の全反射をする第１領域と、２回目の全反射をする第２領域とを有し、投射レンズと第２プリズム部分と第１プリズム部分のうち第１領域を含む部分とによって中間像が形成される。この場合、投射レンズと第２プリズム部分とに加え、第１プリズム部分の一部が、リレー光学系の一部として中間像の形成に寄与する。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２プリズム部分が、第１面の第１領域の前若しくは後において、または、第１領域の前後にかけて中間像を形成させる。この場合、装置全体をコンパクトにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、第２プリズム部分が、投射レンズに対向して配置され投射レンズから射出された映像光を入射させて第４面へ導く第５面と、第４面と第５面とに挟まれて形成される第６面とを有する。この場合、プリズムの寸法を小さくし延いては装置全体をコンパクトにすることができ、また、端面の強度を強くして欠け等を抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、第１面と第３面との間隔が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。この場合、５ｍｍ以上であることで、眼前を覆う第１プリズムのサイズを十分大きくすることができ、１５ｍｍ以下であることで、重量が増加することを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、第１面に対する第２面の傾斜角が２０°以上４０°以下である。この場合、傾斜角が上記範囲にあることで、映像光を適切な反射回数及び反射角度で眼に導くことが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、プリズムを含む光学系が、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子が、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する。

実施形態の虚像表示装置の外観を説明する斜視図である。 虚像表示装置の本体構造を説明する斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面視の断面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 第１表示装置中のプリズムにおける光学面や光路を説明する断面図である。 実施例１の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。 実施例２の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。 実施例３の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。 実施例４の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。 実施例５の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例５の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例５の光学系の収差を説明する図である。 実施例６の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例６の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例６の光学系の収差を説明する図である。 変形例の虚像表示装置を説明する図である。 （Ａ）は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の別の一例について説明する斜視図であり、（Ｂ）は、正面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の虚像表示装置について詳細に説明する。

〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者に対して虚像に対応する画像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を覆う透視部材１０１と、透視部材１０１を支持するフレーム１０２と、フレーム１０２の左右両端のカバー部から後方のつる部分（テンプル）にかけての部分に付加された第１及び第２内蔵装置部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、透視部材１０１は、観察者の眼前を覆う肉厚で湾曲した光学部材（透過アイカバー）であり、第１光学部分１０３ａと第２光学部分１０３ｂとに分かれている。図面上で左側の第１光学部分１０３ａと第１内蔵装置部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２光学部分１０３ｂと第２内蔵装置部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２、図３（Ａ）、３（Ｂ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、投射透視装置７０と、画像表示装置８０とを備える。このうち、投射透視装置７０は、導光部材であるプリズム１０と、光透過部材５０と、結像用の投射レンズ３０とを備える。プリズム１０と光透過部材５０とは接合によって一体化され、例えばプリズム１０の上面１０ｅとフレーム６１の下面６１ｅとが接するようにフレーム６１の下側にしっかりと固定されている。投射レンズ３０は、これを収納する鏡筒６２を介してプリズム１０の端部に固定されている。投射透視装置７０のうちプリズム１０と光透過部材５０とは、図１における第１光学部分１０３ａに相当し、投射透視装置７０の投射レンズ３０と、画像表示装置８０とは、図１における第１内蔵装置部１０５ａに相当する。なお、図１に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

投射透視装置７０のうち、プリズム１０は、平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の部材であり、鼻に近い中央側の第１プリズム部分１１と、鼻から離れた周辺側の第２プリズム部分１２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分１１は、光射出側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、第２プリズム部分１２は、光入射側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第４面Ｓ１４と、第５面Ｓ１５とを有する。このうち、第２面Ｓ１２は、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に配置されている。第４面Ｓ１４は、第１面Ｓ１１のうち光入射側の一部に対向して配置されている。また、プリズム１０は、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５に隣接するとともに互いに対向する第１の側面１０ｅと第２の側面１０ｆとを有する。ここで、図示の場合では、第３面Ｓ１３の光入射側と第４面Ｓ１４の光射出側とが交差して繋がり境界部ＢＤ１をなし、境界部ＢＤ１において折れ曲がった状態となっている。なお、第３面Ｓ１３の端と第４面Ｓ１４との端とが交差せず不連続になる場合には、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４とを繋ぐための追加の面が必要になる。ただし、上記のような境界部ＢＤ１或いは追加の面といった滑らかでない部分は、プリズム１０中に１か所存在するのみであり、境界部ＢＤ１付近の傾斜角度を調整したり追加の面を十分小さくしたりすることで、ゴースト発生の大きな要因とならないようにできる。第５面Ｓ１５は、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４との間に投射レンズ３０に対向するように配置されている。第５面Ｓ１５は、光学的な機能を有しない第６面Ｓ１６を介して離隔した状態で第４面Ｓ１４と繋がっている一方、第１面Ｓ１１とは交差して境界部ＢＤ２をなし、境界部ＢＤ２において折れ曲がった状態で直接繋がっている。

プリズム１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯを中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、射出側光軸ＡＸＯを中心軸又は基準軸とする自由曲面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第５面Ｓ１５は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸である入射側光軸ＡＸＩを中心軸又は基準軸とする自由曲面である。なお、以上の第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ５等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して対称な形状を有している。

プリズム１０は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより、成形する。プリズム１０の本体部分１０ｓは、一体形成品とされているが、第１プリズム部分１１と第２プリズム部分１２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分１１は、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。第２プリズム部分１２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。

第１プリズム部分１１において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１プリズム部分１１外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第１面Ｓ１１は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、観察者に対し凹面形状を成している。なお、第１面Ｓ１１は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。このハードコート層は、本体部分１０ｓの下地面上に樹脂等からなるコート剤をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。なお、第１面Ｓ１１での映像光ＧＬの全反射については、第４面Ｓ１４を経た映像光ＧＬを全反射（１回目の全反射）させる第１領域Ｒ１と、第３面Ｓ１３を経た映像光ＧＬを全反射（２回目の全反射）させる第２領域Ｒ２とに分けて考えることができる。

第２面Ｓ１２は、ハーフミラー層１５を有している。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）である。ハーフミラー層（半透過反射膜）１５は、第２面Ｓ１２の全体ではなく、その部分領域ＰＡ上に形成されている。つまり、ハーフミラー層１５は、第２面Ｓ１２が広がる全体領域ＱＡを主に鉛直方向に関して狭めた部分領域ＰＡ上に形成されている。より詳細には、この部分領域ＰＡは、鉛直のＹ軸方向に関する中央側に配置されており、水平の基準面ＳＲに沿った方向に関して略全体に配置されている。ハーフミラー層１５は、本体部分１０ｓの下地面のうち部分領域ＰＡ上に、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＨＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。なお、第３面Ｓ１３は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が略０になっている。

第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能し、或いはミラー層１７で被覆されて反射面として機能する。なお、第４面Ｓ１４を全反射面として機能させる場合、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。

第５面Ｓ１５は、映像光ＧＬを第２プリズム部分１２内に入射させる屈折面として機能する。なお、第５面Ｓ１５は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできるが、ハードコート層に代えて、或いは、ハードコート層の上からさらに反射防止膜１７で被覆することもできる。

第６面Ｓ１６は、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とを繋ぐ面である、言い換えると、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とに挟まれて形成される面であるが、既述のように、光学的な機能を有しない面である。このため、他の面Ｓ１１〜Ｓ１５と比較して面精度が粗くてもよく、例えば乱反射を防止するように適度に粗い面としておくものとしてもよい。また、図示の場合では、第６面Ｓ１６によって第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とが滑らかな状態になることなく繋がれているが、光学的に影響を及ぼさなければ第６面Ｓ１６の部分は種々の形状にできる。さらに、例えば第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とを延長させ直接つなげることにより境界部を形成させ、第６面Ｓ１６を有しないものとしてもよい。

光透過部材５０は、プリズム１０と一体的に固定されている。光透過部材５０は、プリズム１０の透視機能を補助する部材（補助プリズム）であり、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。第１透過面Ｓ５１は、プリズム１０の第１面Ｓ１１を延長した曲面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、当該第２面Ｓ１２に対して接着層ＣＣによって接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、プリズム１０の第３面Ｓ１３を延長した曲面上にある。このうち第２透過面Ｓ５２とプリズム１０の第２面Ｓ１２とは、接合によって一体化するため、略同じ曲率の形状を有する。

光透過部材（補助プリズム）５０は、可視域で高い光透過性を示し、プリズム１０の本体部分１０ｓと略同一の屈折率を有する樹脂材料で形成されている。光透過部材５０は、例えば熱可塑性樹脂の成形によって形成される。

投射レンズ３０は、鏡筒６２内に保持され、画像表示装置８０は、鏡筒６２の一端に固定されている。プリズム１０の第２プリズム部分１２は、投射レンズ３０を保持する鏡筒６２に連結され、投射レンズ３０及び画像表示装置８０を間接的に支持している。プリズム１０の光入射側は、投射レンズ３０等とともに、遮光部材６３に覆われている。プリズム１０上端部又は下端部も遮光部材６３に覆われている。プリズム１０の周辺には、プリズム１０に外光が入射することを防止する追加の遮光部を設けることができる。遮光部は、例えば遮光性の塗装や光散乱層で構成することができる。

投射レンズ３０は、入射側光軸ＡＸＩに沿って例えば３つのレンズ３１，３２，３３を有している。各レンズ３１，３２，３３は、軸対称なレンズであり、少なくとも１つ以上が非球面を有するものとなっている。投射レンズ３０は、画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬを再結像させるためにプリズム１０の第５面Ｓ１５を介してプリズム１０内に入射させる。つまり、投射レンズ３０は、映像表示素子８２の像面（表示位置）ＯＩ上の各点から射出された映像光又は画像光をプリズム１０内に再結像させるためのリレー光学系である。なお、プリズム１０の各面のうち一部の光入射側の面は、投射レンズ３０と協働することでリレー光学系の一部として機能する。

画像表示装置８０は、２次元的な照明光ＳＬを射出する照明装置８１と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子８２と、照明装置８１及び映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。

画像表示装置８０の照明装置８１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、光源８１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部８１ｂとを有する。映像表示素子８２は、例えば液晶表示デバイスで形成される映像素子であり、照明装置８１からの照明光ＳＬを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部８４は、光源駆動回路８４ａと、液晶駆動回路８４ｂとを備える。光源駆動回路８４ａは、照明装置８１の光源８１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを射出させる。液晶駆動回路８４ｂは、映像表示素子（映像素子）８２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路８４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。

〔Ｃ．映像光等の光路〕
以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等の光路について説明する。

映像表示素子（映像素子）８２から射出された映像光ＧＬは、投射レンズ３０によって収束されつつ、プリズム１０の第２プリズム部分１２に設けた比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５に入射する。

プリズム１０の第５面Ｓ１５を通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第１プリズム部分１１を通過する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４で全反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１（より詳しくは第１領域Ｒ１）で全反射される（１回目の第１面Ｓ１１での全反射）。

第１面Ｓ１１で反射された映像光ＧＬは、第１プリズム部分１１において、第３面Ｓ１３に入射して全反射され、第１面Ｓ１１（より詳しくは第２領域Ｒ２）に再び入射して全反射される（２回目の第１面Ｓ１１での全反射）。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３を通過する前において、プリズム１０中に中間像を湾曲した状態で形成する。この中間像の像面ＩＩは、映像表示素子８２の像面（表示位置）ＯＩに対応するものである。

第１面Ｓ１１で２回目の全反射がなされた映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再々度入射して通過する。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して負の屈折力を有するものとして作用する。

第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより、映像表示素子８２上に形成された画像を観察することになる。

一方、外界光ＨＬのうち、プリズム１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第１プリズム部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、プリズム１０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、プリズム１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、つまり、光透過部材５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、プリズム１０及び光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、プリズム１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、プリズム１０の第２面Ｓ１２と光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層ＣＣで充填されている。つまり、プリズム１０の第２面Ｓ１２や光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。

ただし、ハーフミラー層１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層１５の透過率に対応して弱められる。その一方で、ハーフミラー層１５に対応する方向からは、映像光ＧＬが入射するので、観察者は、ハーフミラー層１５の方向に映像表示素子８２上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。

プリズム１０内で伝搬されて第２面Ｓ１２に入射した映像光ＧＬのうち、ハーフミラー層１５で反射されなかったものは、光透過部材５０内に入射するが、光透過部材５０に設けた不図示の反射防止部によってプリズム１０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ１２を通過した映像光ＧＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材５０側から入射してハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬは、光透過部材５０に戻されるが、光透過部材５０に設けた上述の不図示の反射防止部によってプリズム１０に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。

〔Ｄ．光学面や光路の規定方法〕
図４は、プリズム１０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ５やローカル座標を説明する図である。以下の説明では、光学系の評価や表現の便宜を考慮して、観察者の眼ＥＹから画像表示装置８０の映像表示素子８２に向けて逆進方向に関して、光学面や光路を規定する。実際の光学系では、映像表示素子８２から発した光は、投射レンズ３０とプリズム１０と順次通り、眼ＥＹに至るのであるが、その状態では光学系の評価がやり難い。そのため、眼ＥＹの位置にある絞りを通して無限遠の光源からの光が、プリズム１０に入り、投射レンズ３０を通って映像表示素子８２に結像するものとして、評価・設計を行なっており、以下に詳述する光学系のデータもその順で表示している。なお、プリズム１０に接合されて一体として使用される光透過部材５０については、プリズム１０の形状を延長したものであり、説明を省略している。

図示のプリズム１０において、第１面Ｓ１１の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、全体座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と並進関係にあって、第１面Ｓ１１上に原点を有する。つまり、ローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯ上にあって進行方向（光線の逆進方向）となっており、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。以後の各面においても、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。

第２面Ｓ１２の光軸は、射出側光軸ＡＸＯに対して適宜傾けられたものとなっており、第２面Ｓ１２のローカル座標は、全体座標に対してＹ軸の周りに適宜回転するとともに並進したものとなっており、第２面Ｓ１２上に原点を有する。第２面Ｓ１２のローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯと、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。

第３面Ｓ１３の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第３面Ｓ１３のローカル座標は、全体座標と並進関係にあって、第３面Ｓ１３の延長面すなわち第３透過面Ｓ５３上に原点を有する。

以上により、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ１１上の光束中心（光軸ＡＸ１，ＡＸ２の交点）における第１面Ｓ１１の法線方向と一致している。また、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ１３上の光束中心（光軸ＡＸ２，ＡＸ３の交点）における第３面Ｓ１３の法線方向と一致している。

第３面Ｓ１３から再び第１面Ｓ１１に向かう光路において、そのローカル座標は、進行方向（光線の逆進方向）に対応するものとなっている。つまり、第３面Ｓ１３から第１面Ｓ１１にかけてのローカル座標のｚ方向は、光束中心の光軸ＡＸ３と一致しており、このローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。なお、光束中心の光軸ＡＸ３を第１面Ｓ１１でさらに折り返すことで光束中心の光軸ＡＸ４が延び、光束中心の光軸ＡＸ４を第３面Ｓ１３でさらに折り返すことで光束中心の光軸ＡＸ５が延びている。

第４面Ｓ１４のローカル座標の原点は、この第４面Ｓ１４上にある。また、第４面Ｓ１４のローカル座標のｚ方向、すなわち第４面Ｓ１４の光軸は、第１面Ｓ１１から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ４と、第４面Ｓ１４から第５面Ｓ１５に向けての光束中心の光軸ＡＸ５との２等分線となっている。

第５面Ｓ１５の光軸は、光軸ＡＸ５と一致しており、画像表示装置８０から延びる入射側光軸ＡＸＩと一致している。第５面Ｓ１５の光軸は、第５面Ｓ１５のローカル座標は、全体座標と並進関係にあって、第５面Ｓ１５上に原点を有する。

以上のように光線の逆進方向について辿った結果として、光線の進行方向について、像面ＯＩ上の中心から射出された映像光の光束中心である入射側光軸ＡＸＩから以上の各光軸ＡＸ１〜ＡＸ５を逆の順に辿って射出側光軸ＡＸＯへとつながって観察者の眼ＥＹに到達するものとなっている。

〔Ｅ．光学面の望ましい特徴〕
プリズム１０の第１面Ｓ１１の形状は、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ１_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （４）
ここで、Ａ１_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
ｍ，ｎは、０以上の整数
で表される。

プリズム１０の第２面Ｓ１２の形状は、第２面Ｓ１２のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ２_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （５）
ここで、Ａ２_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

プリズム１０の第３面Ｓ１３の形状は、第３面Ｓ１３のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ３_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （６）
ここで、Ａ３_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

本実施形態において、プリズム１０の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、
−５×１０^−２＜Ａ１_２，０＋Ａ１_０，２＜−１×１０^−３ 及び
−５×１０^−２＜Ａ３_２，０＋Ａ３_０，２＜−１×１０^−３ … （１）
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜５×１０^−２ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜２×１０^−２ 及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜２×１０^−２ … （３）
の３条件を満足している。これらの３条件を満たすように第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３の形状を設定することによって、外界光ＨＬと映像光ＧＬとの双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。

プリズム１０の第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔は５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。また、第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角が２０°以上４０°以下となっている。

本実施形態の虚像表示装置１００では、投射レンズ３０等によってプリズム１０の内部に中間像が形成されるとともに、１回目の第１面Ｓ１１、第３面Ｓ１３、２回目の第１面Ｓ１１、及び第２面Ｓ１２の順に３面以上で全反射された映像光ＧＬが、第１面Ｓ１１を透過して観察者の眼ＥＹに到達するので、プリズム１０を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光ＨＬについては、例えば第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて観察することができ、その際の視度を略０とするので、シースルーで外界光ＨＬを観察する際の外界光ＨＬのデフォーカスや歪みを低減できる。また、プリズム１０の形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。また、上記実施形態では、第１面Ｓ１１において複数回の全反射がなされる構成となっていることで、プリズム１０のうち導光に関与する面におい不連続な部分が生じることを低減している。これにより、プリズムの不連続な部分での意図しない光の反射等によってゴーストが発生するといった事態を回避できる。なお、本実施形態の場合、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４との間に境界部ＢＤ１のような折れ曲がった部分が生じるが、このような部分はプリズム１０において１か所のみであり、必要に応じて適宜調整することで、ゴースト発生の要因となるほどのものにはならないようにできる。本実施形態では、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４とを別個の自由曲面とすることで、より自由度の高い調整が可能となり、結像性能の向上を比較的簡易に図ることができる。

〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる投射透視装置の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
ＳＰＨ ：瞳
ＦＦＳｋ ：自由曲面（プリズム中のｋ＝面番号）
ＡＳＰｋ ：軸対称非球面（投射光学系中のｋ＝面番号）
ＳＰＨ ：球面又は平面（保護ガラス表面）
Ｒ ：曲率半径
Ｔ ：軸上面間隔
Ｎｄ ：光学材料のｄ線に対する屈折率
Ｖｄ ：光学材料のｄ線に関するアッベ数
ＴＬＹ ：特定面の横断面（ＸＺ断面）における光軸の傾斜角度（°）
（ＴＬＹについては、特定面の前後で変化する場合がある）
ＤＣＸ ：特定面の横断面（ＸＺ断面）におけるＸ軸方向の光軸のズレ量

（実施例１）
実施例１の投射透視装置のうちプリズム及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表１に示す。なお、例えばＦＦＳ１は、第１面Ｓ１１を意味し、ＦＦＳ２は、第２面Ｓ１２を意味し、ＦＦＳ３は、第３面Ｓ１３を意味する、また、ＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの射出面を意味し、ＡＳＰ２は、第１レンズの入射面を意味する。
〔表１〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 22.00
2 FFS1 -98.434 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -42.793 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -98.434 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -107.434 -9.00 1.525 55.95
6 FFS1 -98.434 6.00 1.525 55.95
7 FFS4 -104.477 -6.00 1.525 55.95
8 FFS5 30.142 -2.00
9 ASP1 -11.550 -2.59 1.525 55.95
10 ASP2 7.019 -0.50
11 ASP3 5.809 -1.00 1.585 29.90
12 ASP4 24.036 -12.59
13 ASP5 -15.474 -4.00 1.525 55.95
14 ASP6 150.859 -4.51
15 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
16 像面

実施例１を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表２に示す。
〔表２〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -24.5 0 24.5
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 0 0
6 FFS1 0 32.88 60.5
7 FFS4 -40.0 0 -40.0
8 FFS5 0 0 0

実施例１を構成するプリズム中の各光学面について、自由曲面の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎを以下の表３に示す。なお、表３において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。なお、係数Ａｋ_ｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数を意味する。
〔表３〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
2 0 -5.080E-03 -1.168E-02 -4.654E-03 -4.786E-03 1.659E-02
0 2 -1.008E-02 -1.174E-02 -9.651E-03 -1.151E-02 3.156E-02
3 0 -5.293E-06 2.375E-05 -5.293E-06 2.565E-04 6.473E-04
1 2 -2.594E-04 -7.109E-05 -2.594E-04 -1.182E-03 -5.831E-03
4 0 3.630E-07 -2.269E-06 3.630E-07 4.329E-05 1.875E-04
2 2 2.517E-06 -4.461E-06 2.517E-06 -5.058E-06 -6.792E-04
0 4 -1.188E-05 -8.874E-07 -1.188E-05 2.414E-05 -2.801E-04
5 0 1.459E-08 4.220E-08 1.459E-08 4.706E-06 4.432E-05
3 2 -8.582E-07 3.910E-08 -8.582E-07 -1.137E-05 -6.305E-05
1 4 4.292E-06 1.276E-06 4.292E-06 1.013E-06 -2.122E-05
6 0 3.386E-10 -1.816E-08 3.386E-10 1.201E-07 -8.627E-06
4 2 1.536E-08 -1.241E-07 1.536E-08 -1.988E-06 -3.496E-05
2 4 -2.114E-07 -2.366E-07 -2.114E-07 -1.717E-06 -2.473E-05
0 6 -4.688E-07 -1.656E-07 -4.688E-07 -1.361E-06 -8.507E-06
以上の表３及び以下の表において、数値のＥ以後は１０進数の指数部を意味し、例えば「−５．０８０Ｅ−０３」とは、−５．０８０×１０^−０３を意味する。

実施例１の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表４に示す。
〔表４〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4
K 0 0 0 0
B4 -3.443E-04 5.227E-06 -8.350E-04 -9.652E-04
B6 4.806E-06 -2.924E-05 -6.766E-05 3.562E-06
B8 8.512E-07 6.652E-07 -7.330E-07 -5.339E-06

ASP5 ASP6
K 0 0
B4 6.890E-04 8.285E-04
B6 1.597E-05 1.905E-05
B8 1.150E-06 7.055E-10
以上の表４において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定するための係数を示している。非球面は、以下の多項式（非球面式）によって特定される。

ここで、Ｒは各面の曲率半径であり、ｈは光軸からの高さであり、Ｋは対象レンズ面の円錐係数であり、Ｂｉ（ｉ＝４，６，８，…）は対象レンズ面の高次非球面係数である。

図５は、実施例１の投射透視装置７０の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上だけでなく、基準面ＳＲからＹ方向に外れたものも示している。投射透視装置７０のうちプリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有しており、既述のように、全ての面が非球面となっている。実施例１の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図６（Ａ）〜６（Ｆ）及び図７（Ａ）〜７（Ｆ）は、実施例１の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図６（Ｃ）及び６（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図６（Ｅ）及び６（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図７（Ｃ）及び７（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図７（Ｅ）及び７（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。

（実施例２）
実施例２の投射透視装置のうちプリズム及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表５に示す。
〔表５〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 22.00
2 FFS1 -40.889 5.00 1.525 55.95
3 FFS2 -31.073 -5.00 1.525 55.95
4 FFS1 -40.889 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -42.593 -9.00 1.525 55.95
6 FFS1 -40.889 6.00 1.525 55.95
7 FFS4 -122.593 -6.00 1.525 55.95
8 FFS5 -26.417 -2.00
9 ASP1 -5.981 -4.50 1.525 55.95
10 ASP2 7.011 -0.80
11 ASP3 5.091 -1.00 1.585 29.90
12 ASP4 36.142 -13.32
13 ASP5 -9.304 -4.00 1.525 55.95
14 ASP6 -23.176 -13.89
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面

実施例２を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表６に示す。
〔表６〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -24.5 0 24.5
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 0 0
6 FFS1 0 32.50 81.0
7 FFS4 -42.0 0 -42.0
8 FFS5 0 0 0

実施例２を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表７に示す。なお、表７において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。
〔表７〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
2 0 -1.223E-02 -1.609E-02 -1.174E-02 -4.079E-03 -1.893E-02
0 2 -1.580E-02 -1.540E-02 -1.494E-02 -6.770E-03 -1.293E-02
3 0 2.898E-05 7.594E-05 1.965E-05 1.165E-04 2.675E-05
1 2 -2.121E-04 -7.108E-05 -1.439E-04 5.222E-05 -3.084E-04
4 0 3.392E-06 -1.034E-05 1.743E-06 1.563E-05 7.584E-04
2 2 1.698E-05 -6.471E-06 8.724E-06 1.302E-05 1.294E-03
0 4 4.491E-06 -6.671E-06 2.308E-06 -1.965E-05 5.742E-04
5 0 -5.885E-07 4.064E-07 -2.291E-07 1.497E-06 2.194E-05
3 2 -2.140E-06 -3.746E-07 -8.331E-07 1.446E-06 1.139E-05
1 4 -2.523E-06 -3.992E-07 -9.823E-07 -1.583E-06 -9.350E-06
6 0 1.369E-08 -2.083E-08 4.038E-09 1.182E-07 -2.557E-06
4 2 6.501E-08 7.839E-08 1.917E-08 4.945E-08 -1.242E-05
2 4 8.792E-08 1.356E-07 2.593E-08 -3.495E-07 -1.558E-05
0 6 -3.192E-07 2.885E-08 -9.413E-08 3.173E-07 -3.556E-06

実施例２の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表８に示す。
〔表８〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4
K 0 0 0 0
B4 9.006E-05 -1.468E-03 -3.049E-03 -1.869E-03
B6 -4.997E-06 3.028E-05 6.791E-05 4.634E-06
B8 1.630E-07 -3.201E-07 -8.107E-07 6.582E-07

ASP5 ASP6
K 0 0
B4 5.505E-05 -1.503E-04
B6 -3.477E-06 1.335E-06
B8 -3.635E-08 -1.774E-07
以上の表８において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定する係数を示している。

図８は、実施例２の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうちプリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い負の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、負の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。実施例２の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図９（Ａ）〜９（Ｆ）及び図１０（Ａ）〜１０（Ｆ）は、実施例２の収差を示す。具体的には、図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図９（Ｃ）及び９（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図９（Ｅ）及び９（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１０（Ｃ）及び１０（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１０（Ｅ）及び１０（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。

（実施例３）
実施例３の投射透視装置のうちプリズム及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表９に示す。
〔表９〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -3684.299 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -60.588 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -3684.299 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -3837.811 -9.00 1.525 55.95
6 FFS1 -3684.299 6.00 1.525 55.95
7 FFS4 -111.550 -7.00 1.525 55.95
8 FFS5 29.681 -5.00
9 ASP1 -4.930 -5.50 1.525 55.95
10 ASP2 8.630 -0.50
11 ASP3 5.129 -1.00 1.585 29.90
12 ASP4 -12.054 -7.67
13 ASP5 -8.828 -5.00 1.525 55.95
14 ASP6 16.954 -4.99
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面

実施例３を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表１０に示す。
〔表１０〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 0 0
6 FFS1 0 42.00 82.1
7 FFS4 -47.0 0 -47.0
8 FFS5 0 0 0

実施例３を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１１に示す。なお、表１１において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。
〔表１１〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
2 0 -1.357E-04 -8.252E-03 -1.303E-04 -4.482E-03 1.685E-02
0 2 -1.360E-02 -1.210E-02 -1.218E-02 -4.125E-03 3.332E-02
3 0 -3.981E-04 -1.898E-04 -2.700E-04 -8.873E-06 -4.641E-04
1 2 -4.796E-04 -9.733E-05 -3.253E-04 9.499E-05 6.704E-05
4 0 1.109E-05 1.133E-05 5.697E-06 -3.078E-06 1.409E-04
2 2 3.812E-05 9.549E-06 1.959E-05 -1.213E-05 3.412E-04
0 4 8.358E-06 -1.249E-06 4.295E-06 -2.418E-05 1.609E-04
5 0 -2.341E-07 -1.050E-06 -9.111E-08 3.937E-07 7.259E-06
3 2 -1.243E-06 -1.201E-06 -4.838E-07 5.702E-07 3.582E-06
1 4 -2.348E-06 -7.264E-07 -9.141E-07 -1.660E-06 -8.970E-06
6 0 2.585E-09 8.195E-08 7.623E-10 2.325E-08 2.105E-07
4 2 1.848E-08 1.005E-07 5.451E-09 1.607E-07 -8.473E-07
2 4 3.976E-08 6.587E-08 1.172E-08 2.288E-07 -2.161E-06
0 6 2.020E-07 1.803E-08 5.958E-08 1.507E-07 -4.170E-07

実施例３の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表１２に示す。
〔表１２〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4
K 0 0 0 0
B4 -5.710E-04 -2.658E-03 -1.008E-02 -9.016E-03
B6 -2.820E-06 5.774E-05 6.397E-04 -6.197E-05
B8 -2.345E-07 2.972E-07 -1.774E-05 5.231E-05

ASP5 ASP6
K 0 0
B4 -2.635E-05 -1.471E-04
B6 1.193E-06 1.970E-06
B8 -4.499E-08 -6.498E-08
以上の表１２において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定するための係数を示している。

図１１は、実施例３の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうちプリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。実施例３の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図１２（Ａ）〜１２（Ｆ）及び図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）は、実施例３の収差を示す。具体的には、図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１２（Ｃ）及び１２（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１２（Ｅ）及び１２（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１３（Ｃ）及び１３（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１３（Ｅ）及び１３（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。

（実施例４）
実施例４の投射透視装置のうちプリズム及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表１３に示す。
〔表１３〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 22.00
2 FFS1 -32.954 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -29.700 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -32.954 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -34.327 -9.00 1.525 55.95
6 FFS1 -32.954 5.70 1.525 55.95
7 FFS4 -35.584 6.00
8 SPH ∞ -10.00
9 ASP1 -11.550 -7.50 1.525 55.95
10 ASP2 7.019 -0.52
11 ASP3 5.809 -1.50 1.585 29.90
12 ASP4 24.036 -19.81
13 ASP5 -15.474 -5.00 1.525 55.95
14 ASP6 150.859 -10.57
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面

実施例４を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表１４に示す。
〔表１４〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -24.5 0 24.5
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 0 0
6 FFS1 0 32.88 60.5
7 FFS4 0 0 0
8 SPH -40.0 0 -40.0

実施例４を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１５に示す。なお、表１５において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜４）は、自由曲面である第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち第ｋ面を意味する。
〔表１５〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -1.517E-02 -1.683E-02 -1.457E-02 -1.405E-02
0 2 -1.755E-02 -1.476E-02 -1.669E-02 -2.581E-02
3 0 3.604E-05 1.262E-04 2.444E-05 1.522E-03
1 2 3.632E-04 1.318E-04 2.463E-04 2.222E-03
4 0 2.963E-06 -9.589E-06 1.523E-06 -8.319E-05
2 2 5.382E-08 -5.527E-06 2.765E-08 -1.572E-04
0 4 -6.623E-05 -1.237E-05 -3.403E-05 -3.003E-04
5 0 -5.813E-07 4.830E-07 -2.263E-07 2.342E-05
3 2 9.087E-08 3.401E-08 3.538E-08 4.998E-05
1 4 5.827E-06 1.234E-06 2.268E-06 -2.976E-05
6 0 1.569E-08 -4.329E-08 4.626E-09 3.039E-06
4 2 2.522E-08 -7.425E-08 7.438E-09 5.602E-06
2 4 -3.708E-07 -2.749E-07 -1.093E-07 -2.362E-06
0 6 4.509E-07 -6.470E-08 1.330E-07 -7.030E-06

実施例４の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表１６に示す。
〔表１６〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4
K 0 0 0 0
B4 -2.404E-04 -4.055E-04 -1.768E-03 -1.863E-03
B6 2.816E-08 -2.656E-05 -1.811E-05 -1.888E-05
B8 9.329E-09 5.829E-07 8.203E-07 -8.214E-07

ASP5 ASP6
K 0 0
B4 5.109E-05 2.894E-05
B6 2.193E-06 1.642E-06
B8 9.147E-09 5.793E-09
以上の表１６において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定するための係数を示している。

図１４は、実施例４の投射透視装置７０の断面図である。ここでは、特に、投射透視装置７０は、プリズム１０に加え、反射ミラー４１２を有し、プリズム１０と反射ミラー４１２とが協働して映像光ＧＬの導波を行っている。投射透視装置７０のうちプリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的強い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。投射透視装置７０のうち反射ミラー４１２は、平坦な反射面である第５面Ｓ１５を有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。投射透視装置７０において、反射ミラー４１２は、映像光ＧＬを第５面Ｓ１５で反射して、プリズム１０の第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち光入射面である第４面Ｓ１４に導波させる。プリズム１０は、第４面Ｓ１４から入射した映像光ＧＬを、第１面Ｓ１１、第３面Ｓ１３、第１面Ｓ１１及び第２面Ｓ１２の順で反射させて、第１面Ｓ１１から射出する。実施例４の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図１５（Ａ）〜１５（Ｆ）及び図１６（Ａ）〜１６（Ｆ）は、実施例４の収差を示す。具体的には、図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１５（Ｃ）及び１５（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１５（Ｅ）及び１５（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１６（Ａ）及び１６（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１６（Ｃ）及び１６（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１６（Ｅ）及び１６（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。

（実施例５）
実施例５の投射透視装置のうちプリズム及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表１７に示す。
〔表１７〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -98.704 6.00 1.525 55.95
3 FFS2 -58.956 -6.00 1.525 55.95
4 FFS1 -98.704 9.50 1.525 55.95
5 FFS3 -108.204 -9.50 1.525 55.95
6 FFS1 -98.704 -0.50 1.525 55.95
7 FFS4 -47.100 -7.00 1.525 55.95
8 FFS5 -11.579 -2.00
9 ASP1 -5.685 -4.50 1.525 55.95
10 ASP2 13.633 -6.32
11 ASP3 -6.442 -4.50 1.525 55.95
12 ASP4 21.141 -3.93
13 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
14 像面

実施例５を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表１８に示す。
〔表１８〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -24.5 0 24.5
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 0 0
6 FFS1 0 40.24 71.3
7 FFS4 -40.0 0 -40.0
8 FFS5 0 0 0

実施例５を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１９に示す。なお、表１９において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。
〔表１９〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
2 0 -5.066E-03 -8.481E-03 -4.621E-03 -1.062E-02 -4.318E-02
0 2 -2.813E-02 -1.024E-02 -2.768E-02 -7.659E-03 6.692E-02
3 0 -1.328E-05 -3.271E-05 -1.328E-05 -2.193E-05 -1.553E-03
1 2 3.075E-04 -3.653E-05 3.075E-04 -7.032E-04 -6.202E-05
4 0 -1.763E-06 -2.691E-06 -1.763E-06 2.618E-05 9.362E-04
2 2 -1.325E-05 -2.995E-06 -1.325E-05 2.887E-05 1.044E-03
0 4 -2.352E-05 2.820E-06 -2.352E-05 -2.858E-04 6.670E-04
5 0 6.707E-09 3.006E-07 6.707E-09 2.635E-07 2.769E-05
3 2 9.765E-08 -3.825E-08 9.765E-08 3.725E-06 5.488E-05
1 4 6.956E-07 2.477E-07 6.956E-07 4.291E-05 2.746E-05
6 0 7.557E-10 8.033E-10 7.557E-10 5.259E-08 1.495E-06
4 2 -1.250E-09 5.397E-08 -1.250E-09 2.206E-07 1.519E-05
2 4 -3.144E-08 1.711E-08 -3.144E-08 2.547E-06 1.148E-05
0 6 -4.169E-08 1.566E-07 -4.169E-08 3.293E-05 5.661E-05

実施例５の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表２０に示す。
〔表２０〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4
K 0 0 0 0
B4 -3.443E-04 5.227E-06 -8.350E-04 -9.652E-04
B6 4.806E-06 -2.924E-05 -6.766E-05 3.562E-06
B8 8.512E-07 6.652E-07 -7.330E-07 -5.339E-06
以上の表２０において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する２つのレンズ３１，３２のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ４の非球面を特定するための係数を示している。

図１７は、実施例４の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうちプリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、正の屈折力を有する第２レンズ３２とを有している。実施例５の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図１８（Ａ）〜１８（Ｆ）及び図１９（Ａ）〜１９（Ｆ）は、実施例４の収差を示す。具体的には、図１８（Ａ）及び１８（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｃ）及び１８（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｅ）及び１８（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１９（Ａ）及び１９（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１９（Ｃ）及び１９（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１９（Ｅ）及び１９（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。

（実施例６）
実施例６の投射透視装置のうちプリズム及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表２１に示す。
〔表２１〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -66.840 6.00 1.525 55.95
3 FFS2 -53.325 -6.00 1.525 55.95
4 FFS1 -66.840 10.00 1.525 55.95
5 FFS3 -76.840 -10.00 1.525 55.95
6 FFS1 -66.840 1.00 1.525 55.95
7 FFS4 -112.131 -10.00 1.525 55.95
8 FFS5 11.740 -12.00
9 ASP5 -10.798 -4.00 1.525 55.95
10 ASP6 7.754 -9.36
11 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
12 像面

実施例６を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表２２に示す。
〔表２２〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -24.5 0 24.5
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 0 0
6 FFS1 0 46.10 69.8
7 FFS4 -45.0 0 -45.0
8 FFS5 0 0 0

実施例６を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表２３に示す。なお、表２３において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。
〔表２３〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
2 0 -7.481E-03 -9.377E-03 -6.507E-03 -4.459E-03 4.259E-02
0 2 -2.545E-02 -1.165E-02 -2.448E-02 -6.046E-03 8.015E-02
3 0 1.398E-04 6.007E-05 1.398E-04 7.912E-05 -1.401E-04
1 2 5.177E-04 1.271E-04 5.177E-04 -2.231E-04 -6.066E-04
4 0 -6.372E-06 -5.729E-06 -6.372E-06 1.169E-05 -1.076E-04
2 2 -2.569E-05 -9.491E-06 -2.569E-05 1.085E-05 -4.617E-04
0 4 -2.828E-05 8.801E-07 -2.828E-05 -5.499E-05 -4.393E-04
5 0 1.606E-07 4.131E-07 1.606E-07 4.131E-08 2.632E-06
3 2 5.796E-07 4.177E-07 5.796E-07 1.050E-06 2.188E-05
1 4 1.513E-06 -1.464E-07 1.513E-06 1.375E-06 -2.168E-05
6 0 -1.245E-09 -2.795E-08 -1.245E-09 -8.903E-09 -4.654E-08
4 2 -7.303E-09 1.513E-08 -7.303E-09 2.144E-07 4.435E-06
2 4 -4.664E-08 1.183E-07 -4.664E-08 -7.960E-07 5.500E-07
0 6 6.966E-09 6.115E-08 6.966E-09 1.735E-06 1.313E-05

実施例６の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表２４に示す。
〔表２４〕
ASP1 ASP2
K 0 0
B4 5.366E-04 -7.685E-04
B6 -5.608E-06 5.491E-05
B8 -7.644E-07 -1.925E-06
以上の表２４において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する１つのレンズ３１のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ２の非球面を特定するための係数を示している。

図２０は、実施例４の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうちプリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１を有している。実施例４の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図２１（Ａ）〜２１（Ｆ）及び図２２（Ａ）〜２２（Ｆ）は、実施例６の収差を示す。具体的には、図２１（Ａ）及び２１（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２１（Ｃ）及び２１（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２１（Ｅ）及び２１（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図２２（Ａ）及び２２（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２２（Ｃ）及び２２（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２２（Ｅ）及び２２（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。

以下の表２５に、各実施例１〜６について、条件式（１）〜（３）に関する数値データ等をまとめた。この場合、下記の係数は、いずれも条件式（１）〜（３）の要件を満たしている。
〔表２５〕

また、以下の表２６に、各実施例１〜６について、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔及び第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角に関する数値データをまとめた。
〔表２６〕

また、条件式（３）は、外光に対するプリズムの視度に影響を与えており、プリズムの光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙは、プリズムの厚さをＴ、屈折率をＮ（＝Ｎｄ（各実施例））とすると、
Ｄｘ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_２，０−Ａ３_２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_２，０×Ａ３_２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_０，２−Ａ３_０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_０，２×Ａ３_０，２）
で与えられる。上式に基づいて、以下の表２７に、各実施例１〜６についての視度に関する数値データをまとめた。
〔表２７〕

〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記の説明では、ハーフミラー層（半透過反射膜）１５が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層１５の輪郭は用途その他の使用に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層１５の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。

上記の説明では、映像表示素子８２における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。

上記の説明では、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２を用いているが、画像表示装置８０としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置８０として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。

上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置８０を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。

具体的には図２３に示すように、虚像表示装置としての第１表示装置１００Ａは、導光部２０と画像表示装置３８０とを備える。導光部２０は、上記実施形態の図１における第１光学部分１０３ａに相当する、すなわちプリズム１０と光透過部材５０とを接合したものに相当するため、ここでは説明を省略する。画像表示装置３８０は、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光ＴＬとして射出する装置であり、信号光形成部３８１と走査光学系３８２とを有する。

信号光形成部３８１は、光源を備えており、不図示の制御回路からの制御信号に基づいて変調して形成した信号光ＬＬを射出する。走査光学系３８２は、信号光形成部３８１を経た信号光ＬＬを走査しつつ射出させる。ここで、走査光学系３８２は、ＭＥＭＳミラー等で構成され、信号光形成部３８１による信号光ＬＬの変調に同期させて姿勢を変化させて信号光ＬＬの光路を調整することで光線（走査光ＴＬ）の射出角度を縦横に変化させる２次元走査を行う。以上により、画像表示装置３８０は、映像光ＧＬとなるべき走査光ＴＬを導光部２０に入射させるとともに第２面Ｓ１２のうちハーフミラー層１５が形成される部分領域の全体に対してスキャンさせる。

図示の第１表示装置１００Ａの動作について説明すると、画像表示装置３８０は、上述のようにして、信号光ＬＬを走査光ＴＬとして導光部２０の第５面Ｓ１５に向けて射出する。導光部２０は、第５面Ｓ１５を通過した走査光ＴＬを全反射等により内部で導光させ、ハーフミラー層１５に到達させる。この際、ハーフミラー層１５の面上において走査光ＴＬが走査されることで、走査光ＴＬの軌跡としての画像光ＧＬによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼ＥＹで捉えることで、画像が認識される。なお、図示の場合では、導光部２０のうち光入射面である第５面Ｓ１５は、走査光ＴＬの光軸に対して垂直な平面となっている。また、第４面Ｓ１４も平面となっている。

また、上記実施形態では、導光部材であるプリズム１０と補助プリズムである光透過部材５０とが装着者の眼ＥＹの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図１２４（Ａ）及び２４（Ｂ）に示すように、ハーフミラー層１５を有する曲面形状である第２面Ｓ１２を含んだ部分が眼ＥＹの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。また、この場合、プリズム１０及び光透過部材５０を十分小さくすることで、シースルーとせず、ハーフミラー層１５に代えて全反射をするミラーを配置させた構成としても、装着者がプリズム１０及び光透過部材５０の周囲から外界を観察できる。なお、図示の場合、第２面Ｓ１２の全体又は略全体にハーフミラー層１５が形成されているが、第２面Ｓ１２の一部にのみハーフミラー層１５が形成されていてもよい。また、図２４（Ｂ）の例では、眼ＥＹの略正面にハーフミラー層１５が配置されるものとなっているが、ハーフミラー層１５を正面よりずらして配置し、視線を動かすことで映像を視認可能にするものとしてもよい。例えば、眼ＥＹの位置をやや下げる（プリズム１０及び光透過部材５０の位置をやや上げる）ものとしてもよい。この場合、例えば眼ＥＹの下半分がプリズム１０及び光透過部材５０の下から見える状態となる。

上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを備える虚像表示装置１００について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設け、画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔について説明していないが、両表示装置１００Ａ，１００Ｂの間隔は固定に限らず、機械機構等によって間隔の調整が可能である。つまり、両表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔は、着用者の眼幅等に応じて調整することができる。

上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（例えば金属反射膜や誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。

上記の説明では、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、プリズム１０の第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３において、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置１００における全反射については、第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、上記第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部がコートされていてもよい。

上記の説明では、プリズム１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、プリズム１０を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、光学部材１１０は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。

ＡＸ１−ＡＸ５…光軸、 ＡＸＩ…入射側光軸、 ＡＸＯ…射出側光軸、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＨＬ…外界光、 ＩＩ…中間像の像面、 ＰＡ…部分領域、 Ｓ１１−Ｓ１６…第１−第６面、 Ｓ５１−Ｓ５３…第１−第３透過面、 ＳＬ…照明光、 ＳＲ…基準面、 １０…プリズム、 １０ｅ…第１の側面（上面）、 １０ｆ…第２の側面、 １０ｓ…本体部分、 １１，１２…プリズム部分、 １５…ハーフミラー層、 ３０…投射レンズ、 ３１，３２，３３…レンズ、 ５０…光透過部材、 ７０…投射透視装置、 ８０…画像表示装置、 ８１…照明装置、 ８２…映像表示素子（映像素子）、 ８４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １０３ａ，１０３ｂ…光学部分、 １０１…透視部材、 １０２…フレーム、 １５…ミラー面、 ＣＣ…接着層、 Ｒ１…第１領域、 Ｒ２…第２領域

Claims (18)

1. 映像光と外界光とを同時に視認させる虚像表示装置であって、
   映像光を生じさせる映像素子と、
   ３面以上の非軸対称な曲面を含むとともに光学系の一部として内部に中間像が形成される１つのプリズムとを備え、
   前記プリズムを構成する複数面のうち第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、
   前記第１面と前記第３面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、
   前記映像素子からの映像光は、前記第１面で全反射され、前記第３面で全反射され、前記第１面で再度全反射され、第２面で反射された後、前記第１面を透過して、観察側に到達し、
   前記第２面は、透過性を有する反射部を有し、
   前記反射部は、映像光を反射するとともに外界光を透過させ、
   前記光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標ｘ及びｙに関して多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘ ^ｍ ・ｙ ^ｎ の係数をＡｋ _ｍ，ｎ として、下記（１）から（３）までの条件を満足する、虚像表示装置。
   −５×１０ ^−２ ＜Ａ１ _２，０ ＋Ａ１ _０，２ ＜−１×１０ ^−３ 及び
   −５×１０ ^−２ ＜Ａ３ _２，０ ＋Ａ３ _０，２ ＜−１×１０ ^−３ … （１）
   ｜Ａ３ _２，０ −Ａ３ _０，２ ｜＜５×１０ ^−２ … （２）
   ｜Ａ１ _２，０ −Ａ３ _２，０ ｜＜２×１０ ^−２ 及び
   ｜Ａ１ _０，２ −Ａ３ _０，２ ｜＜２×１０ ^−２ … （３）
2. 前記反射部は、半透過反射膜またはホログラム素子である、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記光透過部材は、観察者側に第１透過面と第２透過面とを有するとともに外界側に第３透過面を有し、前記プリズムの第２面と前記光透過部材の第２透過面とは、略同じ曲面形状を有し、前記第２面と前記第２透過面とは、一体化されている、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記映像素子からの映像光を前記プリズムに入射させる投射レンズをさらに備え、
   少なくとも前記プリズムの一部と前記投射レンズとは、中間像を形成するリレー光学系を構成する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記投射レンズは、軸対称なレンズによって構成されており、少なくとも１面以上の非球面を含んでいる、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記プリズムは、前記投射レンズから内部に入射した映像光を前記第１面へ導く第４面を有する、請求項５及び６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記プリズムは、前記投射レンズに対向して配置され前記投射レンズから射出された映像光を入射させて前記第４面へ導く第５面を有する、請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 前記プリズムは、前記第１面と前記第２面と前記第３面とを有し光射出側の第１プリズム部分と、光入射側の第２プリズム部分とを有し、前記第１プリズム部分と前記第２プリズム部分とは、一体形成されている、請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記第２プリズム部分は、少なくとも１つ以上の光学面を有し、前記映像素子と前記投射レンズと前記プリズムのうち少なくとも前記第２プリズム部分を含む部分とによって中間像が形成される、請求項９に記載の虚像表示装置。
11. 前記映像素子は、表示位置から映像光を射出する映像表示素子であり、
    前記投射レンズと前記プリズムのうち少なくとも前記第２プリズム部分を含む部分とは、前記リレー光学系として、前記映像表示素子の表示位置から射出された映像光を前記プリズムの内部において結像させ中間像を形成させる、請求項１０に記載の虚像表示装置。
12. 前記第２プリズム部分は、前記第１プリズム部分の前記第３面のうち光入射側に配置され、前記投射レンズから内部に入射した映像光を前記第１面へ導く第４面を有し、
    前記第１プリズム部分は、前記第１面において、前記第２プリズム部分の前記第４面を経た映像光に対して１回目の全反射をする第１領域と、２回目の全反射をする第２領域とを有し、
    前記投射レンズと前記第２プリズム部分と前記第１プリズム部分のうち前記第１領域を含む部分とによって中間像が形成される、請求項１１に記載の虚像表示装置。
13. 前記第１及び第２プリズム部分は、前記第１面の前記第１領域の前若しくは後において、または、前記第１領域の前後にかけて中間像を形成させる、請求項１２に記載の虚像表示装置。
14. 前記第２プリズム部分は、前記投射レンズに対向して配置され前記投射レンズから射出された映像光を入射させて前記第４面へ導く第５面と、前記第４面と前記第５面とに挟まれて形成される第６面とを有する、請求項１２及び１３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 前記第１面と前記第３面との間隔は、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
16. 前記第１面に対する前記第２面の傾斜角は、２０°以上４０°以下である、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
17. 前記プリズムを含む前記光学系は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
18. 前記映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、前記信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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