JP2002107657A - Picture display device and head-mounted display using the same - Google Patents
Picture display device and head-mounted display using the sameInfo
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- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は画像表示装置に関
し、例えば観察用の画像情報を表示する表示素子として
反射型の液晶表示素子を用い、そこに表示された画像情
報を適切に設定した光学素子を介して拡大して観察する
ようにしたヘッドマウントディスプレイ(HMD)やメ
ガネ型ディスプレイ等に好適なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display apparatus, for example, an optical element using a reflective liquid crystal display element as a display element for displaying image information for observation, and appropriately setting the image information displayed thereon. It is suitable for a head-mounted display (HMD), a glasses-type display, and the like, which are magnified and observed through a camera.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、液晶等の画像表示素子に表示
した画像情報を拡大した虚像として観察するようにした
頭部装着型の画像観察装置(画像表示装置)、所謂ヘッ
ドマウントディスプレイ(HMD)が種々と提案されて
いる。2. Description of the Related Art Conventionally, a head mounted image observation apparatus (image display apparatus) for observing image information displayed on an image display element such as a liquid crystal as an enlarged virtual image, a so-called head mounted display (HMD). Are variously proposed.
【0003】このうち反射型の表示素子を用いたHMD
が、例えば、特開平07−128614号公報、特開平1
1−125791号公報、特開平11−337863号
公報、特開2000−10041号公報等で提案されて
いる。[0003] Of these, an HMD using a reflective display element
However, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-128614,
It is proposed in JP-A-1-127991, JP-A-11-337863, JP-A-2000-10041 and the like.
【0004】これらで提案されているHMDは照明光源
から発せられた光が反射型液晶で反射され、眼球に導か
れて液晶で表示された画像の拡大像を観察するものであ
る。このとき光束は照明光源、照明光学系、反射型の液
晶、表示光学系、眼球の順序で進む。特開平11−12
5791号公報で提案されているHMDで開示されてい
る実施例では照明光学系がなく、照明光源からの光がダ
イレクトに反射型液晶を照明している。この場合は照明
光学系と表示光学系の共有面は存在しない例もある。こ
の場合は照明光源からの光束がけられないようにしなけ
ればならないため、照明光源と反射型液晶の間に大きな
スペースが必要になり、大型化しやすい。他の提案され
ている公報の実施例では、ほとんど照明光学系と表示光
学系の間で共有面を持っている。共有面があれば、照明
光学系と表示光学系で光路がオーバーラップするため小
型化しやすい。しかしこの共有面が多ければ多いほど光
学系は複雑になり、光量ロスも多くなる。一方、HMD
のコンパクトな表示光学系を本発明者は特開平7−33
3551号公報で提案している。同公報では自由曲面プ
リズムを用いて装置全体の小型化を図っている。又本発
明者は、自由曲面プリズムと反射型の表示素子を組み合
わせたHMDを特開平11‐125791号公報、特開
平11‐337863号公報、特開2000‐1004
1号公報で提案している。In the HMD proposed in these, light emitted from an illumination light source is reflected by a reflective liquid crystal, guided to an eyeball, and an enlarged image of an image displayed on the liquid crystal is observed. At this time, the light beam travels in the order of the illumination light source, the illumination optical system, the reflective liquid crystal, the display optical system, and the eyeball. JP-A-11-12
In the embodiment disclosed in the HMD proposed in Japanese Patent No. 5791, there is no illumination optical system, and light from the illumination light source directly illuminates the reflective liquid crystal. In this case, there is an example in which there is no shared surface between the illumination optical system and the display optical system. In this case, since it is necessary to prevent the light flux from the illumination light source from being shaken, a large space is required between the illumination light source and the reflective liquid crystal, and the size is easily increased. The embodiments of the other proposed publications have a common plane between the illumination optical system and the display optical system. If there is a common surface, the optical paths of the illumination optical system and the display optical system overlap with each other, so that it is easy to reduce the size. However, the greater the number of shared surfaces, the more complicated the optical system and the greater the light loss. On the other hand, HMD
The present inventor has proposed a compact display optical system of
No. 3551 proposes this. In this publication, the size of the entire apparatus is reduced by using a free-form surface prism. The present inventor has disclosed an HMD combining a free-form surface prism and a reflective display element with Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 11-125791, 11-337863, and 2000-1004.
No. 1 proposes this.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】従来よりHMD等の画
像観察装置では、装置を観察者の頭部に装着するために
装置全体の小型化、及び軽量化を図ることが重要な課題
となっている。又、表示手段に表示した画像情報を良好
に観察できることが重要な課題となっている。Conventionally, in an image observation apparatus such as an HMD, it is important to reduce the size and weight of the apparatus in order to mount the apparatus on the observer's head. I have. Another important issue is that the image information displayed on the display means can be observed well.
【0006】画像表示装置として反射型の液晶表示素子
を用いた場合で装置全体の小型化を図るには、それを照
明するための照明装置を装置内に適切に組み込む必要が
ある。In order to reduce the size of the entire device when a reflection type liquid crystal display device is used as an image display device, it is necessary to appropriately incorporate a lighting device for illuminating the device in the device.
【0007】例えば照明光源からの光が反射型液晶を照
明する際、多くの反射面や透過面を介したり、光路長の
長いプリズム体の中を通過したりすると、反射型液晶に
到達する前にどうしても照明光源からの光量がロスされ
てしまう。従って光量ロス、が少なく、表示光学系、照
明光学系ともコンパクトなHMDが望まれている。For example, when the light from the illumination light source illuminates the reflective liquid crystal, if the light passes through many reflective or transmissive surfaces or passes through a prism having a long optical path length, the light does not reach the reflective liquid crystal. Inevitably, the amount of light from the illumination light source is lost. Therefore, there is a demand for an HMD in which the loss of light amount is small and the display optical system and the illumination optical system are compact.
【0008】本発明は、液晶ディスプレイ等の表示手段
に表示した画像情報を観察する際、光源手段から表示手
段に至る照明光学系及び表示手段からの光束を観察者の
眼球に導光するための表示光学系の構成を適切に設定す
ることによって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロ
スを減らし、該画像情報を良好なる画質で観察すること
ができる画像観察装置及びそれを用いたヘッドマウント
ディスプレイの提供を目的とする。According to the present invention, when observing image information displayed on display means such as a liquid crystal display, an illumination optical system from a light source means to a display means and a light beam from the display means for guiding the light beam to an eyeball of an observer. By appropriately setting the configuration of the display optical system, an image observation device capable of observing the image information with good image quality while reducing the loss of light amount while reducing the size of the entire device, and a head mount using the same The purpose is to provide a display.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明の画像表
示装置は反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照
明光源手段と、該照明光源手段からの光を該表示手段に
導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者の眼球
に導く表示光学系を有した画像表示装置において、該照
明光学系と該表示光学系で共有する透過兼反射の両作用
を有する光学面Aはローカル母線断面(該照明光源手段
から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心を通る基
準光線の入射光と射出光を含む面)上で曲率を有し、該
表示光学系のローカル母線断面焦点距離を local_fy、
該照明光学系中の該光学面Aのみのローカル母線断面焦
点距離を local_fyAとした時、 0.1 < local_fyA/ local_fy < 1.0 (1) を満たし、該照明光源手段から発せられた光線は、該光
学面Aで反射して該表示手段を照明し、該表示手段から
の反射光は、該光学面Aを今度は透過し、複数の反射面
で反射した後、眼球に導かれることを特徴としている。An image display apparatus according to the present invention has a reflection type display means, an illumination light source means for illuminating the display means, and guides light from the illumination light source means to the display means. In an image display apparatus having an illumination optical system and a display optical system for guiding light from the display unit to an eyeball of an observer, an optical system having both transmission and reflection functions shared by the illumination optical system and the display optical system. The plane A has a curvature on a local meridional section (a plane including the incident light and the emitted light of the reference light beam emitted from the illumination light source means and passing through the center of the image and the center of the eyeball of the display means), and has a local curvature of the display optical system. Local_fy,
When the local meridional section focal length of only the optical surface A in the illumination optical system is local_fyA, 0.1 <local_fyA / local_fy <1.0 (1) is satisfied, and the light beam emitted from the illumination light source means Illuminating the display means by being reflected by the optical surface A, the reflected light from the display means being transmitted through the optical surface A this time, being reflected by a plurality of reflective surfaces, and then guided to the eyeball. Features.
【0010】請求項2の発明は請求項1の発明において
該照明光学系と該表示光学系で共有する透過兼反射の両
作用を有する光学面Aが1面のみ存在することを特徴と
している。A second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect of the present invention, there is only one optical surface A having both transmission and reflection functions shared by the illumination optical system and the display optical system.
【0011】請求項3の発明は請求項1の発明において
該表示光学系中の該複数の反射面は、偏心曲率面である
ことを特徴としている。A third aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect of the present invention, the plurality of reflecting surfaces in the display optical system are eccentric curvature surfaces.
【0012】請求項4の発明は請求項1の発明において
該表示光学系は、該光学面Aを含む光学部材と、光学的
屈折力を有した別の光学部材が、空気間隔をあけて配置
されていることを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, in the display optical system according to the first aspect, the optical member including the optical surface A and another optical member having an optical refractive power are arranged with an air gap therebetween. It is characterized by being.
【0013】請求項5の発明は請求項1,2,3,又は
4の発明において該照明光源手段はRGB時分割光源で
あり、該表示手段はRGB時分割光源のRGB色光の発
光に合わせてRGBの画像を時分割表示することを特徴
としている。According to a fifth aspect of the present invention, in the first, second, third, or fourth aspect, the illumination light source means is an RGB time-division light source, and the display means is adapted to emit RGB color light of the RGB time-division light source. It is characterized in that RGB images are displayed in a time-division manner.
【0014】請求項6の発明は請求項3の発明において
該表示光学系はアジムス角度により屈折力が異なる面を
2面以上含み、表示光学系全体として正の屈折力を有す
ることを特徴としている。According to a sixth aspect of the present invention, in the third aspect, the display optical system includes two or more surfaces having different refractive powers depending on the azimuth angle, and the display optical system as a whole has a positive refractive power. .
【0015】請求項7の発明の画像表示装置は請求項1
から6のいずれか1項の画像表示装置を有していること
を特徴としている。[0015] The image display apparatus of the invention of claim 7 is claim 1.
6. The image display device according to any one of items 1 to 6, wherein:
【0016】[0016]
【発明の実施形態】図1〜図8は本発明の実施形態1〜
8の要部断面図である。図中1は瞳位置であり、観察者
の眼球が位置している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIGS.
It is principal part sectional drawing of FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a pupil position where the eyeball of the observer is located.
【0017】2は自由曲面プリズム(第2の光学部
材)、3は反射型液晶、4は照明光源、5はハーフミラ
ーより成る曲率を有した透過兼反射面(光学面)、7は
反射面5を含むブーメラン型レンズ(第1の光学部材)
8,9は偏光板、10は照明プリズム、(第1の光学部
材)11は照明系補正プリズム、12は照明系接合プリ
ズム(第1の光学部材)であり照明プリズム10と照明
系補正プリズム11とを接合した構成より成っている。2 is a free-form surface prism (second optical member), 3 is a reflection type liquid crystal, 4 is an illumination light source, 5 is a transmission / reflection surface (optical surface) having a curvature composed of a half mirror, and 7 is a reflection surface. Boomerang-type lens including a 5 (first optical member)
Reference numerals 8 and 9 denote polarizing plates, 10 denotes an illumination prism, (first optical member) 11 denotes an illumination system correction prism, and 12 denotes an illumination system junction prism (first optical member), and the illumination prism 10 and the illumination system correction prism 11 And the structure which joined.
【0018】17は第1の自由曲面ミラー、(第2の光
学部材)18は第2の自由曲面ミラー(第2の光学部
材)である。Reference numeral 17 denotes a first free-form surface mirror, and (second optical member) 18 denotes a second free-form surface mirror (second optical member).
【0019】符番4,5又は符番4,5,10で示され
るものは照明光学系の一要素を構成し、符番3,5,
7,2又は符番3,10,5,11,2,17,18又
は符番3,10,5,2又は符番3,5,7,18,1
7で示されるものは表示光学系の一要素を構成してい
る。Reference numerals 4, 5 or 4, 5, 10 constitute one element of the illumination optical system.
7, 2 or numbers 3, 10, 5, 11, 2, 17, 18 or numbers 3, 10, 5, 2 or numbers 3, 5, 7, 18, 1
Reference numeral 7 constitutes one element of the display optical system.
【0020】本実施形態では照明光源4からの光量のロ
スを少なくするために、照明光源4をできるだけ反射型
液晶3に近づけて、照明光学系の光路長を短くしてい
る。表示光学系に自由曲面プリズム2を使用した場合
は、自由曲面プリズム2と反射型液晶3の間に照明光学
系を構成する部材を設けている。また図8に示すように
表示光学系に2枚の自由曲面ミラー17,18を使用し
た場合は、自由曲面ミラー系(17,18)と反射型液
晶3の間に照明光学系を構成する部材を設けている。In this embodiment, in order to reduce the loss of the light amount from the illumination light source 4, the illumination light source 4 is brought as close as possible to the reflection type liquid crystal 3 to shorten the optical path length of the illumination optical system. When the free-form surface prism 2 is used for the display optical system, a member constituting an illumination optical system is provided between the free-form surface prism 2 and the reflective liquid crystal 3. In the case where two free-form mirrors 17 and 18 are used for the display optical system as shown in FIG. 8, a member constituting an illumination optical system between the free-form mirror system (17 and 18) and the reflective liquid crystal 3 is used. Is provided.
【0021】本発明の各実施例の説明の前に、本発明で
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。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。本発明は偏心系な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。表示手段
の画像中心(外界を観察する為のシースルーのときは外
界画像中心)と眼球中心を通る光線(以下、基準光線)
と各面とのヒットポイント(入射点)上で、基準光線の
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。なお、表示手段が反射型
の場合は、該基準光線を照明光学系、および照明光源ま
で延長して、各ヒットポイント上で、上記と同様にロー
カル母線断面、ローカル子線断面を定義する。ローカル
母線断面焦点距離とローカル子線断面焦点距離について
は後述の実施例の項目で説明する。以下に本発明の特徴
を記述する。Prior to the description of each embodiment of the present invention, definitions of a bus bar section, a sagittal section, a local bus section, and a local sagittal section used in the present invention will be described. In the definition of the conventional system that does not correspond to the eccentric system, if the z axis is the optical axis in each surface vertex coordinate system, the yz section is the conventional meridional section (meridional section), and the xz section is the sagittal section (sagittal section). Become. Since the present invention is an eccentric system, a local meridional section and a local sagittal section corresponding to the eccentric system are newly defined. Light passing through the image center of the display means (the center of the external image when see-through for observing the external world) and the center of the eyeball (hereinafter referred to as reference light)
On the hit point (incident point) between each and the planes, the plane including the incident light and the outgoing light of the reference ray is defined as the local meridional section, and the hit line is perpendicular to the local meridional section including the hit point and is a sagittal line of each surface vertex coordinate system. A plane parallel to the cross section (normal sagittal section) is defined as a local sagittal section. When the display means is a reflection type, the reference light beam is extended to the illumination optical system and the illumination light source, and the local meridional section and the local sagittal section are defined on each hit point in the same manner as described above. The local meridional cross-sectional focal length and the local sagittal cross-sectional focal length will be described later in the examples. The features of the present invention will be described below.
【0022】次に本発明の実施例について説明する。図
1〜図8は本発明の実施例1〜8の光路断面図(ローカ
ル母線断面図)である。実施例1〜5は反射型LCD
(反射型液晶)3がほぼ垂直入射の光束で照明されるタ
イプのものであり、本発明の実施例6〜8は反射型LC
D3が斜入射光束で照明されるタイプのものである。一
般的な液晶(TN液晶など)の特性として、液晶面とほ
ぼ垂直に射出する光は、十分なコントラストを持ってお
り画質は良いが、射出光が垂直から離れ傾いてくると、
コントラストは低くなり画質が悪くなることが知られて
いる。前者のタイプ(実施例1〜5)はこれを解決するた
めに、反射型LCD3への光を垂直入射の光束で照明さ
せている。また強誘電液晶(FLC)などは特性が異な
り、かなりの角度の斜め射出光でもコントラストが落ち
ることはないため、ほとんどどの角度からでも良質な画
質が観察される。そこで後者のタイプ(実施例6〜8)
はこの液晶(FLC)を想定し、反射型LCD3への光
を斜入射光束で照明させて光学系全体を薄型化し、かつ
コントラストの落ちのない良質な画質を得ている。なお
実施例1〜5に強誘電液晶(FLC)を採用しても構わ
ない。Next, an embodiment of the present invention will be described. 1 to 8 are optical path cross-sectional views (local bus cross-sectional views) of Examples 1 to 8 of the present invention. Examples 1 to 5 are reflective LCDs
(Reflection type liquid crystal) 3 is of a type in which the light is illuminated with a light beam of almost normal incidence.
D3 is of a type illuminated with obliquely incident light. As a characteristic of a general liquid crystal (TN liquid crystal or the like), light emitted almost perpendicular to the liquid crystal surface has sufficient contrast and good image quality, but when the emitted light is inclined away from vertical,
It is known that the contrast is reduced and the image quality is deteriorated. In order to solve this, the former type (Examples 1 to 5) illuminates the light to the reflective LCD 3 with a vertically incident light beam. Further, ferroelectric liquid crystal (FLC) and the like have different characteristics, and the contrast does not decrease even when the light is emitted obliquely at a considerable angle, so that good image quality can be observed from almost any angle. Therefore, the latter type (Examples 6 to 8)
Supposes this liquid crystal (FLC), illuminates the reflection type LCD 3 with light obliquely incident light, thins the entire optical system, and obtains a high-quality image without a drop in contrast. In Examples 1 to 5, a ferroelectric liquid crystal (FLC) may be used.
【0023】図1、図2(実施例1,2)は反射型LC
D3(裏面側が液晶面)と任意の曲面を含む自由曲面プ
リズム2との間に、ブーメラン型レンズ7を配置してい
る(以下、ローカル母線断面上で図1、図2の形状のレ
ンズ7をブーメラン型レンズと呼ぶ)。RGB(赤色
光、緑色光、青色光)のLEDをそれぞれ複数個持った
平面照明光源4から発せられた光は、偏光板8で直線偏
光化され、ブーメラン型レンズ7の液晶3側の光学面5
(ハーフミラー)で反射され、光束はその主光線が反射
型LCD3にほぼ垂直(±10°)で入射する。反射L
CD3で反射された光は、光学面5を今度は透過してブ
ーメラン型レンズ7を射出後、偏光板9に入射する。こ
の時偏光板8で直線偏光化された光の偏光方向が液晶内
部で回転するため(液晶駆動電圧OFFまたはON)、
偏光板9は偏光方向が回転した光を通す方向に設定する
必要がある。偏光板9の直線偏光方向が偏光板8の直線
偏光方向と約90度ずれている場合(液晶内部の偏光方
向の回転が90度)は、偏光板8で直線偏光化された光
が、光学面5(ハーフミラー)で反射せず透過していく
光(ゴースト光)があるが、偏光板9でこのゴースト光
をカットできるため、眼球Eにゴースト光が入るのを防
ぐ付加価値も生まれる。また反射型LCD3が表示面側
近傍に不図示の1枚の偏光板で表示させるタイプでは、
偏光板8と偏光板9は不要となる。偏光板9を射出後、
光は自由曲面プリズム2の入射面14に入射し、順に全
反射面(透過面B)6で全反射し、凹面鏡13で反射
し、今度は全反射面(透過面B)6を透過して観察者の
眼球が位置する瞳1に導かれる。これによって反射型L
CD3に基づく画像情報を拡大虚像として観察してい
る。実施例1,2では、ローカル母線断面上で2面とも
反射型LCD3と反対方向を向いた曲率面からなるブー
メラン型レンズ7を、反射型LCD3と対向して置き、
ブーメラン型レンズ7の反射型LCD3側の面を該光学
面(ハーフミラー)5とすることにより、反射型LCD
3のローカル母線断面上での、下側最周辺画像(F3)
側の反射型LCD3と自由曲面プリズム2との間隔をで
きるだけ短くして、表示系(部材3,7,2)がコンパ
クトでしかも照明系(部材4,5)もコンパクトなもの
にしている。図1の実施例1ではブーメラン型レンズ7
の両面5、5aを、母線断面のみパワーを持つシリンド
リカル面(自由曲面)にして、ローカル子線断面(紙面
と垂直断面)上での収差発生を極力少なくし、かつ子線
断面またはローカル子線断面方向のパワーがなくこの断
面方向に面形状が湾曲しないため、反射型LCD3と該
光学面5を近くすることができ、コンパクト化も可能と
している。また他方の面5aも光学面5に近い面形状に
して、ブーメラン型レンズ7での収差発生をキャンセル
させている。もちろんブーメラン型レンズ7の両面に、
ローカル子線断面方向のパワーが弱く、ローカル母線断
面方向にパワーが強い自由曲面を使用すれば、同等の効
果が得られ、さらに良好な光学性能が得られる。FIGS. 1 and 2 (Examples 1 and 2) show a reflection type LC.
A boomerang-type lens 7 is disposed between D3 (the back surface is a liquid crystal surface) and the free-form surface prism 2 including an arbitrary curved surface (hereinafter, the lens 7 having the shape of FIGS. This is called a boomerang type lens). Light emitted from a planar illumination light source 4 having a plurality of RGB (red light, green light, and blue light) LEDs is linearly polarized by a polarizing plate 8 and an optical surface of a boomerang type lens 7 on the liquid crystal 3 side. 5
The light beam is reflected by the (half mirror), and the principal ray of the light beam is incident on the reflection type LCD 3 almost perpendicularly (± 10 °). Reflection L
The light reflected by the CD 3 passes through the optical surface 5 this time, exits the boomerang-type lens 7, and then enters the polarizing plate 9. At this time, the polarization direction of the light linearly polarized by the polarizing plate 8 rotates inside the liquid crystal (liquid crystal driving voltage OFF or ON).
The polarizing plate 9 needs to be set in a direction in which the light whose polarization direction is rotated passes. When the linear polarization direction of the polarizing plate 9 is shifted from the linear polarization direction of the polarizing plate 8 by about 90 degrees (the rotation of the polarization direction inside the liquid crystal is 90 degrees), the light linearly polarized by the polarizing plate 8 Although there is light (ghost light) that is transmitted without being reflected by the surface 5 (half mirror), since the ghost light can be cut by the polarizing plate 9, an added value for preventing the ghost light from entering the eyeball E is also created. In a type in which the reflective LCD 3 displays a single polarizing plate (not shown) near the display surface side,
The polarizing plates 8 and 9 become unnecessary. After emitting the polarizing plate 9,
The light enters the entrance surface 14 of the free-form surface prism 2, is totally reflected by the total reflection surface (transmission surface B) 6, is reflected by the concave mirror 13, and is transmitted by the total reflection surface (transmission surface B) 6. It is guided to the pupil 1 where the eyeball of the observer is located. Thereby, the reflection type L
The image information based on CD3 is observed as an enlarged virtual image. In the first and second embodiments, the boomerang-type lens 7 having a curvature surface facing both sides of the reflective LCD 3 on the local meridional cross section is disposed opposite to the reflective LCD 3.
By making the surface of the boomerang type lens 7 on the reflection type LCD 3 side the optical surface (half mirror) 5, the reflection type LCD 3
Lowermost peripheral image (F3) on the cross section of the local bus 3
The distance between the reflective LCD 3 on the side and the free-form surface prism 2 is made as short as possible to make the display system (members 3, 7, 2) compact and the illumination system (members 4, 5) compact. In the first embodiment shown in FIG.
Surfaces 5 and 5a are cylindrical surfaces (free-form surfaces) having power only in the generatrix section, thereby minimizing the occurrence of aberrations on the local sagittal section (section perpendicular to the paper surface), and in the sagittal section or local sagittal section. Since there is no power in the direction and the surface shape does not curve in this cross-sectional direction, the reflection type LCD 3 and the optical surface 5 can be made close to each other, and the size can be reduced. Also, the other surface 5a has a surface shape close to the optical surface 5 to cancel the occurrence of aberration in the boomerang lens 7. Of course, on both sides of boomerang type lens 7,
If a free-form surface having a weak power in the local sagittal section direction and a strong power in the local meridional section direction is used, the same effect can be obtained, and further excellent optical performance can be obtained.
【0024】図2の実施例2ではブーメラン型レンズ7
の両面5、5aに回転対称非球面を使用している。これ
は光学面5のローカル子線断面上でも正のパワーを持た
せることにより、平面照明用の光源4のローカル子線断
面方向で大きさを小さくしている。また他方の面5aも
光学面5に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ7で
の収差発生をキャンセルさせている。なお両面回転対称
球面でも可能であるが、両面回転対称非球面のほうが光
学性能はよい。In the second embodiment shown in FIG.
Rotationally symmetric aspheric surfaces are used for both surfaces 5, 5a. This is to make the light source 4 for planar illumination smaller in the local sagittal section direction by giving a positive power even on the local sagittal section of the optical surface 5. Also, the other surface 5a has a surface shape close to the optical surface 5 to cancel the occurrence of aberration in the boomerang lens 7. Note that although a two-sided rotationally symmetric spherical surface is possible, a two-sided rotationally symmetric aspherical surface has better optical performance.
【0025】本発明の表示系に含まれる自由曲面プリズ
ムは(実施例1〜7共通)、自由曲面プリズムのメイン
パワー(正の屈折力)を持つ凹面鏡13に自由曲面を採
用して、メインパワー面での偏心収差の発生を少なくし
ている。メインパワー面で補正しきれなかった偏心収差
は、メインパワー面に近い全反射面(透過面B)6を自
由曲面化して収差がキヤンセルするような面形状にして
補正している。これだけでもある程度の収差補正は可能
であるが、更に全体収差をバランスさせる為に表示手段
(反射型LCD)3近傍の入射面14を自由曲面化して
全体収差のバランスを良好にとっている。全反射面(透
過面B)6においては、光が臨界角以上の角度で入射し
た時は全反射し、臨界角以下の角度で入射した時は射出
するように全反射面条件(臨界角条件)を設定している
ため、原理的に光量ロスが全くなく明るい表示光学系を
可能としている。The free-form surface prism included in the display system of the present invention (common to the first to seventh embodiments) employs a free-form surface for the concave mirror 13 having the main power (positive refracting power) of the free-form surface prism. The occurrence of eccentric aberration on the surface is reduced. The eccentric aberration that cannot be completely corrected by the main power surface is corrected by making the total reflection surface (transmission surface B) 6 close to the main power surface into a free-form surface so that the aberration is canceled. This alone can correct the aberration to some extent, but in order to further balance the overall aberration, the entrance surface 14 near the display means (reflection type LCD) 3 is formed into a free-form surface to achieve a good balance of the overall aberration. On the total reflection surface (transmission surface B) 6, the total reflection surface condition (critical angle condition) is such that light is totally reflected when the light is incident at an angle greater than the critical angle, and is emitted when the light is incident at an angle less than the critical angle. ) Enables a bright display optical system with no light amount loss in principle.
【0026】図3、図4は本発明の実施例3,4の光路
断面図である。反射型LCD3と自由曲面プリズム2の
間に、該光学面5を含む照明系プリズム10と照明系補
正プリズム11を接合し、配置している。照明プリズム
10と照明系補正プリズム11は表示光学系でのローカ
ル母線・ローカル子線断面上でのパワーがほとんどない
照明系接合プリズム12を構成している。こうすると表
示系(3,10,11,2)での照明系接合プリズム1
2による収差発生がほとんどないため表示系の光学性能
を良好にできる。光路としては、平面照明光源4からの
光が照明系プリズム10に入射し、光学面5(ハーフミ
ラー)で反射された主光線が、反射型LCD3にほぼ垂
直入射反射し、照明系プリズム10に再入射、光学面5
(ハーフミラー)を今度は透過し、照明系補正プリズム
11を通過、自由曲面プリズム2の入射面14に入射し
て、面6で全反射し、反射面13そして透過面6を介し
て眼球Eに導かれる。この実施例では不図示の1枚偏光
板タイプの反射型LCDを用いている。2枚の偏光板を
用いたときは実施例1,2と同じように、平面照明光源
4の直後と自由曲面プリズム2の入射面14の直前に前
述したような偏光方向の角度で配置する。なお実施例3
の照明系プリズム10の面15と照明系補正プリズム1
1の面16の両面は平面で、双方の接合した光学面5は
シリンドリカル面としている。シリンドリカル面にする
と子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがない
ため、照明系接合プリズム12の厚さを薄くできる。実
施例4では照明系プリズム10の面15と照明系補正プ
リズム11の面16の両面は曲面として、自由曲面プリ
ズム2で発生する収差をキャンセルさせている。双方の
接合した光学面5は回転対称非球面で、ローカル子線断
面上で正のパワーを持たせることにより、平面照明光源
4のローカル子線断面方向で大きさを小さくしている。FIGS. 3 and 4 are sectional views of the optical paths of the third and fourth embodiments of the present invention. An illumination system prism 10 including the optical surface 5 and an illumination system correction prism 11 are joined and arranged between the reflective LCD 3 and the free-form surface prism 2. The illumination prism 10 and the illumination system correction prism 11 constitute an illumination system cemented prism 12 having almost no power on the local meridional line / local sagittal section in the display optical system. In this way, the illumination system junction prism 1 in the display system (3, 10, 11, 2)
2, the optical performance of the display system can be improved. As the optical path, light from the planar illumination light source 4 enters the illumination system prism 10, and the principal ray reflected by the optical surface 5 (half mirror) is substantially perpendicularly incident on the reflection type LCD 3 and reflected, and is reflected by the illumination system prism 10. Re-incident, optical surface 5
(Half mirror), passes through the illumination system correction prism 11, enters the entrance surface 14 of the free-form surface prism 2, is totally reflected by the surface 6, and passes through the reflection surface 13 and the transmission surface 6 to form an eyeball E. It is led to. In this embodiment, a reflection type LCD of a single polarizing plate type (not shown) is used. When two polarizing plates are used, as in the first and second embodiments, they are arranged immediately after the plane illumination light source 4 and immediately before the incident surface 14 of the free-form surface prism 2 at the angle of the polarization direction as described above. Example 3
Surface 15 of illumination system prism 10 and illumination system correction prism 1
Both surfaces of the first surface 16 are flat surfaces, and the joined optical surfaces 5 are cylindrical surfaces. Since the cylindrical surface has no power in the sagittal section or local sagittal section direction, the thickness of the illumination system junction prism 12 can be reduced. In the fourth embodiment, both the surface 15 of the illumination system prism 10 and the surface 16 of the illumination system correction prism 11 are curved surfaces to cancel aberrations generated by the free-form surface prism 2. The two joined optical surfaces 5 are rotationally symmetric aspherical surfaces, and have a positive power on the local sagittal section, thereby reducing the size of the planar illumination light source 4 in the local sagittal section direction.
【0027】図5は本発明の実施例5の光路断面図であ
る。FIG. 5 is an optical path sectional view of Embodiment 5 of the present invention.
【0028】図5は、反射型LCD3と自由曲面プリズ
ム2の間に、該光学面5を含む照明系プリズム10だけ
を挿入したものである。光路は平面照明光源4からの光
が照明系プリズム10に入射し、光学面5(ハーフミラ
ー)で反射され、主光線が反射型LCD3にほぼ垂直入
射反射し、照明系プリズム10に再入射、光学面5(ハ
ーフミラー)を今度は透過し、自由曲面プリズム2の入
射面14に入射して、面6で全反射し、反射面13そし
て透過面6を介して眼球Eに導かれる。この実施例では
不図示の1枚の偏光板タイプの反射型LCD3を用いて
いる。2枚の偏光板を用いたときは実施例1,2と同じ
ように、平面照明光源4の直後と自由曲面プリズム2の
入射面14の直前に前述したような偏光方向の角度で配
置する。この実施例では、実施例3,4の照明系補正プ
リズム11を必要としないため、自由曲面プリズム2と
反射型液晶3との間隔を短くできコンパクト化ができ
る。光学面5には子線断面上でパワーを持たないシリン
ドリカル面を使って、ローカル子線断面上での収差発生
を抑制している 図6、図7(実施例6,7)は反射型LCD3と自由曲
面プリズム2との間に、ブーメラン型レンズ7を配置し
ている。実施例1,2と構成的に違うのは反射型LCD
3への照明光線の入射角度が垂直でなく、斜入射になっ
ていることである。RGBのLEDをそれぞれ複数個持
った平面照明用の光源4から発せられた光は、偏光板8
で直線偏光化され、ブーメラン型レンズ7の液晶側の光
学面5(ハーフミラー)で反射され、反射型LCD3に
斜入射する。反射型LCD3で斜め方向に反射された光
は、光学面5を今度は透過してブーメラン型レンズ7を
射出後、偏光板9に入射する。この時偏光板8で直線偏
光化された光の偏光方向が液晶内部で回転するため(液
晶駆動電圧OFFまたはON)、偏光板9は偏光方向が
回転した光を通す方向に設定する必要がある。偏光板9
の直線偏光方向が偏光板8の直線偏光方向と約90度ず
れている場合(液晶内部の偏光方向の回転が90度)
は、偏光板8で直線偏光化された光が、光学面5(ハー
フミラー)で反射せず透過していく光(ゴースト光)が
あるが、偏光板9でこのゴースト光をカットできるた
め、眼球Eにゴースト光が入るのを防ぐ付加価値も生ま
れる。また反射型LCD3が表示面側近傍に不図示の1
枚の偏光板で表示させるタイプでは、偏光板8と偏光板
9は不要となる。偏光板9を射出後、光は自由曲面プリ
ズム2の入射面14に入射、全反射面(透過面B)6で
全反射し、凹面鏡13で反射、今度は全反射面(透過面
B)6を透過して眼球1に導かれる。実施例6,7で
は、ローカル母線断面上で2面とも反射型LCD3と反
対方向を向いた曲率面からなるブーメラン型レンズ7
を、反射型LCD3と対向して置き、ブーメラン型レン
ズ7の反射型LCD側の面を該光学面5(ハーフミー)
とすることにより、反射型LCD3のローカル母線断面
上での、下側最周辺画像(F3)側の反射型LCD3と
自由曲面プリズム2との間隔をできるでけ短くして、表
示系(3,7,2)がコンパクトでしかも照明系(4,
5)もコンパクトなものにしている。また斜入射光束の
照明により、反射型LCD3のローカル母線断面上で
の、チルト偏心量(時計回転方向)を大きくできるた
め、反射型LCD3の出っ張りが少なくでき、光学系全
体を薄型化している。実施例6,7ではブーメラン型レ
ンズ7の両面5、5aを、母線断面のみパワーを持つシ
リンドリカル面にして、ローカル子線断面上での収差発
生を極力少なくし、かつ子線断面またはローカル子線断
面方向のパワーがなくこの断面方向に面形状が湾曲しな
いため、反射型LCD3と該光学面5を近くすることが
でき、コンパクト化も可能としている。また他方の面5
aも光学面5に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ
7での収差発生をキャンセルさせている。もちろんロー
カル子線断面方向のパワーが弱く、ローカル母線断面方
向にパワーが強い自由曲面を使用すれば、同等の効果が
得られ、さらに良好な光学系性能が得られる。また実施
例7では、ブーメラン型レンズ7の該光学面5(シリン
ドリカル面)のローカル母線断面上での曲率を、実施例
6よりもゆるめに設定して、反射型LCD3と平面照明
光源4が十分干渉しないようにしている。FIG. 5 shows that only the illumination system prism 10 including the optical surface 5 is inserted between the reflective LCD 3 and the free-form surface prism 2. In the optical path, light from the planar illumination light source 4 enters the illumination system prism 10, is reflected by the optical surface 5 (half mirror), and the principal ray is almost perpendicularly incident and reflected on the reflection type LCD 3, and re-enters the illumination system prism 10. This time, the light passes through the optical surface 5 (half mirror), enters the entrance surface 14 of the free-form surface prism 2, is totally reflected by the surface 6, and is guided to the eyeball E via the reflection surface 13 and the transmission surface 6. In this embodiment, one polarizing plate type reflection type LCD 3 (not shown) is used. When two polarizing plates are used, as in the first and second embodiments, they are arranged immediately after the plane illumination light source 4 and immediately before the incident surface 14 of the free-form surface prism 2 at the angle of the polarization direction as described above. In this embodiment, since the illumination system correction prisms 11 of the third and fourth embodiments are not required, the interval between the free-form surface prism 2 and the reflection type liquid crystal 3 can be shortened, and the size can be reduced. The optical surface 5 uses a cylindrical surface having no power on the sagittal section to suppress the occurrence of aberration on the local sagittal section. FIGS. 6 and 7 (Examples 6 and 7) show the reflective LCD 3. A boomerang lens 7 is arranged between the free-form surface prism 2 and the free-form surface prism 2. The configuration is different from Embodiments 1 and 2 in that it is a reflective LCD.
3 is that the angle of incidence of the illumination light beam is not perpendicular but obliquely incident. Light emitted from a light source 4 for planar illumination having a plurality of RGB LEDs is a polarizing plate 8.
Is reflected by the optical surface 5 (half mirror) of the boomerang type lens 7 on the liquid crystal side, and obliquely enters the reflective LCD 3. The light reflected in the oblique direction by the reflective LCD 3 is transmitted through the optical surface 5 this time, exits the boomerang lens 7, and then enters the polarizing plate 9. At this time, since the polarization direction of the light linearly polarized by the polarizing plate 8 rotates inside the liquid crystal (liquid crystal driving voltage OFF or ON), it is necessary to set the polarizing plate 9 to a direction in which the light having the rotated polarization direction passes. . Polarizing plate 9
Is different from the linear polarization direction of the polarizing plate 8 by about 90 degrees (the rotation of the polarization direction inside the liquid crystal is 90 degrees)
There is light (ghost light) in which light linearly polarized by the polarizing plate 8 is transmitted without being reflected by the optical surface 5 (half mirror), but since the ghost light can be cut by the polarizing plate 9, There is also added value for preventing ghost light from entering the eyeball E. A reflection type LCD 3 is provided near the display surface side (not shown).
In the type in which display is performed by using two polarizing plates, the polarizing plates 8 and 9 are not required. After exiting the polarizing plate 9, the light enters the entrance surface 14 of the free-form surface prism 2, is totally reflected by the total reflection surface (transmission surface B) 6, is reflected by the concave mirror 13, and is now total reflection surface (transmission surface B) 6. And is guided to the eyeball 1. In the sixth and seventh embodiments, the boomerang-type lens 7 having a curvature surface in which the two surfaces face in the opposite direction to the reflective LCD 3 on the local meridional section.
Is placed facing the reflective LCD 3 and the surface of the boomerang lens 7 on the reflective LCD side is the optical surface 5 (half-me).
As a result, the distance between the reflective LCD 3 on the lowermost peripheral image (F3) side and the free-form surface prism 2 on the local meridional section of the reflective LCD 3 is made as short as possible, and the display system (3, 7,2) is compact and the lighting system (4,4)
5) is also compact. In addition, by illuminating the obliquely incident light beam, the amount of tilt eccentricity (clockwise rotation) on the local meridional section of the reflective LCD 3 can be increased, so that the protrusion of the reflective LCD 3 can be reduced and the entire optical system is thinned. In Embodiments 6 and 7, both surfaces 5, 5a of the boomerang type lens 7 are cylindrical surfaces having power only in the meridional section, minimizing the occurrence of aberration on the local sagittal section and reducing the sagittal section or local sagittal section. Since there is no power in the direction and the surface shape does not curve in this cross-sectional direction, the reflection type LCD 3 and the optical surface 5 can be made close to each other, and the size can be reduced. And the other side 5
Also, a has a surface shape close to the optical surface 5 so as to cancel the occurrence of aberration in the boomerang type lens 7. Of course, if a free-form surface having low power in the local sagittal section direction and strong power in the local meridional section direction is used, the same effect can be obtained, and further excellent optical system performance can be obtained. In the seventh embodiment, the curvature of the optical surface 5 (cylindrical surface) of the boomerang-type lens 7 on the local meridional section is set to be smaller than that in the sixth embodiment, and the reflection type LCD 3 and the planar illumination light source 4 are sufficient. Try not to interfere.
【0029】図8(実施例8)は2つの自由曲面ミラー
17,18を用いている。本実施例では反射型LCD3
と自由曲面ミラー18との光路間に、ブーメラン型レン
ズ7を配置している。実施例6と同じように、反射型L
CD3への照明光線の入射角度は斜入射になっている。
RGBのLEDをそれぞれ複数個持った平面照明用の光
源4から発せられた光は、偏光板8で直線偏光化され、
ブーメラン型レンズ7の液晶側の光学面5(ハーフミラ
ー)で反射され、反射型LCD3に斜入射し、反射型L
CD3で斜め方向に反射された光は、光学面5を今度は
透過してブーメラン型レンズ7を射出後、偏光板9に入
射する。この時偏光板8で直線偏光化された光の偏光方
向が液晶内部で回転するため(液晶駆動電圧OFFまた
はON)、偏光板9は偏光方向が回転した光を通す方向
に設定する必要がある。偏光板9の直線偏光方向が偏光
板8の直線偏光方向と約90度ずれている場合(液晶内
部の偏光方向の回転が90度)は、偏光板8で直線偏光
化された光が、光学面5(ハーフミラー)で反射せず透
過していく光(ゴースト光)があるが、偏光板9でこの
ゴースト光をカットできるため、眼球にゴースト光が入
るのを防ぐ付加価値も生まれる。また反射型LCD3が
表示面側近傍に不図示の1枚の偏光板で表示させるタイ
プでは、偏光板8と偏光板9は不要となる。偏光板9を
射出後、光はハーフミラーである自由曲面ミラー18に
入射反射し、もう一枚の自由曲面ミラー17で反射、ハ
ーフミラーである自由曲面ミラー18を透過して眼球1
に導かれる。実施例8では、ローカル母線断面上で2面
とも反射型LCD3と反対方向を向いた曲率面からなる
ブーメラン型レンズ7を、反射型LCD3と対向して置
き、ブーメラン型レンズ7の反射型LCD3側の面を該
光学面5(ハーフミラー)とすることにより、反射型L
CD3のローカル母線断面上での、下側最周辺画像(F
3)側の反射型LCD3と自由曲面ミラー17,18と
の間隔をできるだけ短くして、表示系(3,7,17,
18)がコンパクトでしかも照明系(4,5)もコンパ
クトなものにしている。また斜入射光束の照明により、
反射型LCD3のローカル母線断面上での、チルト偏心
量(時計回転方向)を大きくできるため、反射型LCD
3の出っ張りが少なくでき、光学系全体を薄型化してい
る。実施例8ではブーメラン型レンズ7の両面(5,5
a)を、母線断面のみパワーを持つシリンドリカル面に
して、ローカル子線断面上での収差発生を極力少なく
し、かつ子線断面またはローカル子線断面方向のパワー
がなくこの断面方向に面形状が湾曲しないため、反射型
LCD3と該光学面5を近くすることができ、コンパク
ト化も可能としている。また他方の面5aも光学面5に
近い面形状にして、ブーメラン型レンズ7での収差発生
をキャンセルさせている。もちろんローカル子線断面方
向のパワーが弱く、ローカル母線断面方向にパワーが強
い自由曲面を使用すれば、同等の効果が得られ、さらに
良好な光学系性能が得られる。FIG. 8 (Embodiment 8) uses two free-form surface mirrors 17 and 18. In this embodiment, the reflection type LCD 3
The boomerang lens 7 is arranged between the optical path of the mirror and the free-form surface mirror 18. As in Embodiment 6, the reflection type L
The incident angle of the illumination light beam on the CD 3 is oblique incidence.
Light emitted from a light source 4 for planar illumination having a plurality of RGB LEDs is linearly polarized by a polarizing plate 8,
The light is reflected by the optical surface 5 (half mirror) of the boomerang type lens 7 on the liquid crystal side, obliquely enters the reflective LCD 3,
The light obliquely reflected by the CD 3 is transmitted through the optical surface 5 this time, exits the boomerang-type lens 7, and then enters the polarizing plate 9. At this time, since the polarization direction of the light linearly polarized by the polarizing plate 8 rotates inside the liquid crystal (liquid crystal driving voltage OFF or ON), it is necessary to set the polarizing plate 9 to a direction in which the light having the rotated polarization direction passes. . When the linear polarization direction of the polarizing plate 9 is shifted from the linear polarization direction of the polarizing plate 8 by about 90 degrees (the rotation of the polarization direction inside the liquid crystal is 90 degrees), the light linearly polarized by the polarizing plate 8 Although there is light (ghost light) that is transmitted without being reflected on the surface 5 (half mirror), the ghost light can be cut off by the polarizing plate 9, so that an added value for preventing ghost light from entering the eyeball is also created. In the type in which the reflective LCD 3 displays a single polarizing plate (not shown) near the display surface, the polarizing plates 8 and 9 are not required. After exiting the polarizing plate 9, the light is incident on and reflected by a free-form surface mirror 18 as a half mirror, reflected by another free-form surface mirror 17, transmitted through the free-form surface mirror 18 as a half mirror, and passes through the eyeball 1.
It is led to. In the eighth embodiment, a boomerang-type lens 7 having a curvature surface facing both sides of the reflective LCD 3 on the local meridional cross section is disposed facing the reflective LCD 3, and the boomerang lens 7 is located on the reflective LCD 3 side. Is used as the optical surface 5 (half mirror), the reflection type L
Lowermost peripheral image (F) on the local generatrix section of CD3
The distance between the reflective LCD 3 on the 3) side and the free-form surface mirrors 17 and 18 is made as short as possible, and the display system (3, 7, 17, 17
18) is compact and the illumination system (4, 5) is also compact. Also, the illumination of the obliquely incident light beam allows
Since the amount of tilt eccentricity (clockwise direction) on the local meridional section of the reflective LCD 3 can be increased, the reflective LCD 3
3 can be reduced and the entire optical system can be made thinner. In the eighth embodiment, both surfaces of the boomerang type lens 7 (5, 5
a) is a cylindrical surface having power only in the meridional section, minimizing the occurrence of aberrations in the local sagittal section, and has no power in the sagittal section or local sagittal section direction, and the surface shape is curved in this sectional direction. Therefore, the reflection type LCD 3 and the optical surface 5 can be close to each other, and the size can be reduced. Also, the other surface 5a has a surface shape close to the optical surface 5 to cancel the occurrence of aberration in the boomerang lens 7. Of course, if a free-form surface having a low power in the local sagittal section direction and a high power in the local meridional section direction is used, the same effect can be obtained, and further excellent optical system performance can be obtained.
【0030】本発明の画像表示装置では該照明光学系と
該表示光学系は互いに共有する透過兼反射の両作用を有
する光学面Aを有し、該光学面Aはローカル母線断面
(該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と瞳中
心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面)上で曲率
を有し、該表示光学系のローカル母線断面内の焦点距離
を local_fy、該照明光学系中の該光学面Aのみのロー
カル母線断面内の焦点距離を local_fyAとした時、 0.1<local_fyA/local_fy<1.0 を満たし、該照明手段から発せられた光線は、該光学面
Aを反射面として用いる照明光学系を介して該表示手段
を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Aを透
過して、複数の反射面で反射した後、眼球に導かれる。In the image display apparatus according to the present invention, the illumination optical system and the display optical system have an optical surface A having both transmission and reflection functions shared by both, and the optical surface A has a local meridional section (the illumination means). And a focal length in the local meridional section of the display optical system is local_fy, and the illumination has a curvature on a plane including the incident light and the emitted light of the reference light beam emitted from the display means and passing through the center of the image and the center of the pupil. When the focal length of only the optical surface A in the local meridional section in the optical system is defined as local_fyA, 0.1 <local_fyA / local_fy <1.0 is satisfied, and the light beam emitted from the illuminating means is transmitted through the optical surface. The display means is illuminated through an illumination optical system using A as a reflection surface, and the reflected light from the display means is transmitted to the optical surface A, reflected by a plurality of reflection surfaces, and then guided to the eyeball. .
【0031】ここで表示光学系とは、表示手段である反
射型液晶3から眼球E直前の面までである。また照明光
学系は、照明光源4から表示手段(反射型液晶)3直前
の面までである。なおローカル母線断面焦点距離の説明
は、実施例の項目に記している。Here, the display optical system is from the reflection type liquid crystal 3 as the display means to the surface immediately before the eyeball E. The illumination optical system extends from the illumination light source 4 to the surface immediately before the display means (reflection type liquid crystal) 3. The description of the focal length at the local meridional cross section is described in the section of Examples.
【0032】該光学面5(A)はハーフミラーであり、
条件式(1)について下限値を超えた時は、図1のよう
な照明光源からの光が反射型液晶3に対しほぼ垂直照明
している場合に、照明光学系中の光学面Aのパワーが強
くなり、凹面鏡の光学面Aの窪みが深くなる形状となる
ため、基準光線上での液晶面と光学面Aとの間隔を長く
取らなければならず、この方向に装置が大型化する。上
限値については、図6のような照明光源からの光が反射
型液晶に対し斜入射照明している場合に、光学面Aのパ
ワーが弱くなるため、大きな平面照明用の光源(平面照
明光源)が必要になるだけでなく、平面照明光源を該光
学面Aから離れて配置させるため大型化する。また平面
照明光源と該光学面Aとの距離をそのままにした時は、
平面照明光源と眼球の結像関係(ケイラー照明)が崩れ
て光利用効率が落ちる。上限値を超えるとこのどちらか
になる。また上限値についてはさらに下記の条件式を満
たすと、 0.1< local_fyA/ local_fy < 0.85 ・・・(1a) 平面照明光源が該光学面Aから離れず、平面照明光源と
眼球の結像関係(ケイラー照明)もあまり崩れないバラ
ンスのよいものとなる。該照明光学系中の該光学面A
は、ローカル母線断面上で正の屈折力を有した曲率反射
面である。これは照明光源を正の曲率反射面で拡大して
反射型液晶を照明できるため、小さな照明光源で対応で
き、照明光学系自体をコンパクト化できる。なおできる
だけ照明光源と眼球はほぼ結像関係(ケイラー照明)に
して光利用効率を高めるのが望ましい。The optical surface 5 (A) is a half mirror,
When the lower limit of conditional expression (1) is exceeded, when the light from the illumination light source illuminates the reflective liquid crystal 3 almost vertically as shown in FIG. Becomes stronger and the concave of the optical surface A of the concave mirror becomes deeper, so that the distance between the liquid crystal surface and the optical surface A on the reference light beam must be longer, and the device becomes larger in this direction. As for the upper limit, when the light from the illumination light source illuminates the reflective liquid crystal obliquely as shown in FIG. 6, the power of the optical surface A is weakened. ) Is not only required, but also the size is increased because the planar illumination light source is arranged away from the optical surface A. When the distance between the planar illumination light source and the optical surface A is left as it is,
The imaging relationship between the planar illumination light source and the eyeball (Keiler illumination) is broken, and the light use efficiency is reduced. If it exceeds the upper limit, it will be either one. Further, when the following conditional expression is further satisfied for the upper limit value, 0.1 <local_fyA / local_fy <0.85 (1a) The planar illumination light source does not separate from the optical surface A, and the connection between the planar illumination light source and the eyeball. The image relationship (Kayler illumination) is also well-balanced without breaking down. The optical surface A in the illumination optical system
Is a curvature reflecting surface having a positive refractive power on the local meridional section. Since the illumination light source can be illuminated with the reflective liquid crystal by enlarging the illumination light source with a positive curvature reflection surface, a small illumination light source can be used and the illumination optical system itself can be made compact. In addition, it is desirable that the illumination light source and the eyeball have an image-forming relationship (Keiler illumination) as much as possible to enhance the light use efficiency.
【0033】本発明はパワーを持った該光学面Aが複数
面あっても構わないが、1面のみとすることにより照明
光源から反射型液晶までの光路長が短くできるため、コ
ンパクト化が可能となる。In the present invention, the optical surface A having power may have a plurality of surfaces, but by using only one surface, the optical path length from the illumination light source to the reflection type liquid crystal can be shortened, so that compactness is possible. Becomes
【0034】表示光学系に関しては、反射型液晶からの
光はハーフミラーである光学面Aを透過して、複数の反
射面で光線を折り畳むことにより、表示光学系を薄くし
ている。また該複数の反射面を偏心曲率面とすると、該
複数の反射面自体がパワーを持つため、別体の屈折レン
ズ等を必要とせず、曲率反射面の偏心量を適切に設定す
れば、コンパクトな表示光学系が得られる。With respect to the display optical system, the light from the reflection type liquid crystal passes through the optical surface A which is a half mirror, and the display optical system is thinned by folding the light beam on the plurality of reflection surfaces. Further, when the plurality of reflecting surfaces are eccentric curvature surfaces, the plurality of reflecting surfaces themselves have power, so that a separate refractive lens or the like is not required, and if the amount of eccentricity of the curvature reflecting surface is appropriately set, compactness can be achieved. A simple display optical system can be obtained.
【0035】本発明では、該表示光学系中の光学面Aを
含む光学部材(第1の光学部材)と、光学的屈折力を有
した別の光学部材(第2の光学部材)の間を空気とし、
この間に偏光板を挿入可能とした。現在の反射型液晶の
使い方は、照明光学系中に1枚の偏光板、表示光学系中
に他の偏光板を入れて使用することが多い。ただし表示
光学系で、反射型液晶から表示光学系中の偏光板までの
間は、光学的に平行二コルの関係になるため、この間に
複屈折性の強い材料を入れると、材料の光弾性が目で観
察されてしまい好ましくない。また複屈折性の弱い材料
でも材料の光路長が長いとやはり材料の光弾性が目で観
察されてしまう。そこで上記のような位置に表示光学系
用の偏光板を置くと、光学面Aを含む光学部材だけの光
路長なので短いため、複屈折性のないガラスまたは複屈
折性の弱いモールド材料でも使用できる。また光学的屈
折力を有した別の光学部材のほうは、平行二コルに関与
したため、どんな材料でも使用可能となる。In the present invention, the distance between the optical member (first optical member) including the optical surface A in the display optical system and another optical member having optical refracting power (second optical member) is set. Air and
During this time, a polarizing plate can be inserted. The current usage of reflection type liquid crystal is often to use one polarizing plate in an illumination optical system and another polarizing plate in a display optical system. However, in the display optical system, the distance from the reflective liquid crystal to the polarizing plate in the display optical system has an optically parallel two-correlation relationship. Is undesirably observed with eyes. Further, even if the material has a weak birefringence, if the optical path length of the material is long, the photoelasticity of the material is still visually observed. Therefore, when a polarizing plate for a display optical system is placed at the position as described above, since the optical path length of only the optical member including the optical surface A is short, glass having no birefringence or a molding material having low birefringence can be used. . Another optical member having an optical refractive power can be used with any material because it has been involved in the parallel nicols.
【0036】尚、本発明の画像表示装置において、更に
装置全体の小型化を図りつつ、画像情報を良好に観察す
るには次の条件のうちの1以上を満足させるのが良い。In the image display device of the present invention, it is preferable to satisfy one or more of the following conditions in order to observe image information favorably while further reducing the size of the entire device.
【0037】(ア−1)照明光源は、赤色、緑色、青色
等の多色光を時分割で放射するRGB時分割光源であ
り、該表示手段はRGB時分割光源のRGB色光の発光
に合わせてRGBの画像を時分割表示することである。
一般的フィルター方式におけるカラー表示の際は、3色
RGBのカラーフィルターを液晶の前に付けるため、総
画素数の1/3画素分が実際のカラー表示画素数とな
る。しかし上記のような時分割表示の反射型液晶と3種
類色のLED(RGB)の組み合わせを使用すると、総
画素数がカラーフィルター方式液晶の1/3ですむた
め、同カラー表示画素数なら液晶のサイズが小さくな
り、それに合わせて照明光学系・表示光学系共に小さく
することできる。(A-1) The illumination light source is an RGB time-division light source that emits polychromatic light such as red, green and blue in a time-division manner, and the display means is adapted to emit light of RGB color light of the RGB time-division light source. This is to display an RGB image in a time-division manner.
At the time of color display in the general filter system, since a three-color RGB color filter is provided in front of the liquid crystal, one-third of the total number of pixels is the actual number of color display pixels. However, when a combination of the above-mentioned reflective liquid crystal of the time-division display and three kinds of LEDs (RGB) is used, the total number of pixels is only 1/3 of the color filter type liquid crystal. And the size of both the illumination optical system and the display optical system can be reduced accordingly.
【0038】(ア−2)偏心した曲率反射面を有する光
学系では、画面内で回転非対称な偏心収差が発生する。
そこで表示光学系はアジムス角度により屈折力が異なる
面を2面以上含み、表示光学系全体として正の屈折力を
有することである。このアジムス角度により屈折力が異
なる面(自由曲面)を採用することにより、回転非対称
な偏心収差の補正を可能とし、自由曲面を2面以上使う
ことにより、表示光学系のローカル母線断面上とローカ
ル子線断面上の正の全系の焦点距離をほぼ等しくするこ
とができ、液晶のアスペクト比と同じ比率で拡大投影が
可能となる。(A-2) In an optical system having an eccentric curvature reflecting surface, rotationally asymmetric eccentric aberration occurs in a screen.
Therefore, the display optical system includes two or more surfaces having different refractive powers depending on the azimuth angle, and the display optical system as a whole has a positive refractive power. By adopting a surface (free-form surface) having a different refractive power depending on the azimuth angle, it is possible to correct rotationally asymmetric eccentric aberration. By using two or more free-form surfaces, it is possible to correct the local optical axis of the display optical system. The focal length of the entire positive system on the sagittal section can be made substantially equal, and enlarged projection can be performed at the same ratio as the aspect ratio of the liquid crystal.
【0039】(ア−3)該光学面5は、子線断面または
ローカル子線断面方向のパワーがなく、母線断面のみパ
ワーを持つシリンドリカル面(自由曲面)とすることで
ある。なおシリンドリカル面はアジムス角度により屈折
力が異なるため、自由曲面の1つであるが、本発明では
子線断面か母線断面のどちらかが屈折力がない場合は、
以降シリンドリカル面とし、それ以外の面を以降自由曲
面とする。シリンドリカル面を使用すると、ローカル子
線断面上ではパワーがないため、この断面上での収差発
生を極力少なくでき、かつ子線断面またはローカル子線
断面方向に面形状が湾曲しないため、該反射型の表示手
段と該光学面5を近くすることができ、コンパクト化も
可能となる。もちろんローカル子線断面方向のパワーが
弱く、ローカル母線断面方向にパワーが強い自由曲面を
使用すれば、同等の効果が得られ、さらに良好な光学系
性能が得られる。(A-3) The optical surface 5 is a cylindrical surface (free-form surface) having no power in the sagittal section or local sagittal section direction and having power only in the generatrix section. Since the cylindrical surface has a different refractive power depending on the azimuth angle, it is one of free-form surfaces. In the present invention, when either the sagittal section or the generatrix section has no refractive power,
Hereinafter, the surface is referred to as a cylindrical surface, and the other surfaces are hereinafter referred to as free-form surfaces. When a cylindrical surface is used, there is no power on the local sagittal cross section, so that aberration generation on this cross section can be minimized and the surface shape does not curve in the sagittal cross section or local sagittal cross section direction. The display means and the optical surface 5 can be close to each other, and the size can be reduced. Of course, if a free-form surface having a low power in the local sagittal section direction and a high power in the local meridional section direction is used, the same effect can be obtained, and further excellent optical system performance can be obtained.
【0040】つぎに本発明の各実施例で使っているロー
カル近軸について説明する。図1〜図8は各々本発明の
後述する数値実施例1〜8の要部断面図(ローカル母線
断面図、添え字がy)であり、第1面(眼球1)の面頂
点座標系を図1に示した。本発明では各面の面頂点をy
軸方向でのシフト偏心、x軸回りのチルト偏心しかさせ
ていないため、従来の母線断面とローカル母線断面は同
一断面であるが、各面の従来子線断面とローカル子線断
面は異なる。なお前述した従来の母線断面、子線断面は
従来近軸(general-paraxial axis)の定義であり、ロー
カル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べるロー
カル近軸(local-paraxial axis)での定義である。さら
にローカル近軸では偏心系に対応したローカル曲率半径
・ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカル屈折力
の定義も以下に説明する。Next, the local paraxial axis used in each embodiment of the present invention will be described. 1 to 8 are cross-sectional views of main parts (local meridional cross-sectional view, suffix y) of Numerical Examples 1 to 8 to be described later of the present invention. As shown in FIG. In the present invention, the surface vertex of each surface is defined as y
Since only the shift eccentricity in the axial direction and the tilt eccentricity around the x-axis are performed, the conventional generatrix section and the local generatrix section are the same, but the conventional sagittal section and the local sagittal section of each surface are different. The conventional bus section and sagittal section described above are the definitions of the conventional paraxial (general-paraxial axis), and the local bus section and local sagittal section are the definitions of the local paraxial (local-paraxial axis) to be described later. is there. In the local paraxial direction, definitions of a local radius of curvature, a local surface distance, a local focal length, and a local refractive power corresponding to an eccentric system will be described below.
【0041】本発明では、照明光源手段4から発せられ
表示手段3の画像中心3aと眼球1の中心1aを通る光
線を基準光線Laとし、従来の各面の面頂点基準の曲率
半径・面間隔・焦点距離・屈折力でなく、基準光線の各
面でのヒットポイント点(入射点)を基準としたローカ
ル曲率半径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ロー
カル屈折力を用いている。In the present invention, a light ray emitted from the illumination light source means 4 and passing through the image center 3a of the display means 3 and the center 1a of the eyeball 1 is defined as a reference light ray La. Not the focal length and the refractive power, but the local curvature radius based on the hit point (incident point) on each surface of the reference light beam, the local surface distance, the local focal length, and the local refractive power are used.
【0042】ここでローカル曲率半径は光学面のヒット
ポイント点上でのローカルな曲率半径(ローカル母線断
面上の曲率半径、ローカル子線断面上の曲率半径)をい
う。又ローカル面間隔は現在の面と次の面との、2つの
ヒットポイント間の距離(基準光線上の距離、空気換算
なしの値)の値をいう。又ローカル焦点距離はローカル
曲率半径・面の前後の屈折率・ローカル面間隔より、従
来の焦点距離計算方法(近軸追跡)で計算した値であ
る。ローカル屈折力はローカル焦点距離の逆数の値であ
る。Here, the local radius of curvature refers to a local radius of curvature on the hit point point of the optical surface (a radius of curvature on a local meridional section, a radius of curvature on a local sagittal section). The local plane interval refers to the value of the distance between the two hit points between the current plane and the next plane (the distance on the reference ray, a value without air conversion). The local focal length is a value calculated by a conventional focal length calculation method (paraxial tracking) from the local radius of curvature, the refractive index before and after the surface, and the local surface interval. The local refractive power is a reciprocal value of the local focal length.
【0043】なお本発明の各実施例では従来の曲率半径
・面間隔・偏心量・屈折率・アッべ数と、ローカル曲率
半径・面の屈折率・ローカル面間隔・ローカル焦点距離
を示している。In each embodiment of the present invention, the radius of curvature, the surface interval, the eccentricity, the refractive index, and the Abbe number, and the local radius of curvature, the surface refractive index, the local surface interval, and the local focal length are shown. .
【0044】本発明では8つの実施例をあげた。実施例
1〜8の数値データを表1〜表8に示し、光路断面図を
図1〜8に示した。表1〜表8の従来近軸では(genera
l-paraxial axis)、母線断面曲率半径ry・子線断面
曲率半径rx・面間隔d(第1面の面頂点座標系と平
行)・偏心量(母線断面上において、第1面の面頂点座
標系に対する各面の面頂点の平行偏心量をshift、傾き
偏心量をtilt度)・d線の屈折率nd、アッべ数vd
を示し、FFSは自由曲面、YTOは母線断面のみ屈折
力をもつシリンドリカル面、ALは非球面を表してい
る。またMがついたものは反射面であり、 d線の屈折
率ndは逆符号とした。なお表1〜表8は眼球から液晶
および照明光源への逆トレースの数値データである。符
号は主光線が左方から右方へ進むときを正、その逆を負
としている。In the present invention, eight embodiments have been described. Numerical data of Examples 1 to 8 are shown in Tables 1 to 8, and optical path sectional views are shown in FIGS. In the conventional paraxial of Tables 1 to 8, (genera
l-paraxial axis), meridional section curvature radius ry, sagittal section curvature radius rx, surface spacing d (parallel to the surface vertex coordinate system of the first surface), eccentricity (surface vertex coordinates of the first surface on the meridional cross section) Shift parallel eccentricity of surface vertices of each surface with respect to the system, tilt eccentricity is tilt degrees) d-line refractive index nd, Abbe number vd
Where FFS is a free-form surface, YTO is a cylindrical surface having a refractive power only in the cross section of the generatrix, and AL is an aspherical surface. Also, the one with M is a reflection surface, and the refractive index nd of the d-line is the opposite sign. Tables 1 to 8 show numerical data of the reverse trace from the eyeball to the liquid crystal and the illumination light source. The sign is positive when the chief ray travels from left to right, and negative when the principal ray is opposite.
【0045】FFS(自由曲面)の定義式を以下に示
す。(各面の面頂点座標系で) z=1/2*(1/a+1/b)*(y2*cos(c)2+x2)/cos(c)/(1+1/2*(1/a
-1/b)*y*sin(c)+(1+(1/a- 1/b)*y*sin(c)-(1/a/b+1/4*tan(c)2*(1/a+1/b)2)*x2)
(1/2)) +c20*x2+c11*x*y+c02*y2 +c30*x3+c21* +c03*y3 +c40*x4+c31*x3*y+c22*x2*y2+c13*x*y3+c04*y4 +c50*x5+c41*x4*y+c32*x3*y2+c23*x2*y3+c14*x*y4+c05*
y5 +c60*x6+c51*x5*y+c42*x4*y2+c33*x3*y3+c24*x2*y4+c15
*x*y5+c06*y6 各a、b、c、c20、c11、c02…・は各々自由曲面係数で
ある。(注意:本自由曲面の場合、自由曲面係数の中に
近軸に関与する係数があるため、従来近軸の母線断面曲
率半径ry・子線断面曲率半径rxの値が面頂点上での
実際の母線断面曲率半径ry・子線断面曲率半径rxと
一致しない。そこでポイント(0,0)つまり面頂点上での
実際の母線断面曲率半径ry・子線断面曲率半径rxも
示した。)YTOの定義式は母線断面が下記の非球面式
で(各面の面頂点座標系で)The definition formula of FFS (free-form surface) is shown below. (In the surface vertex coordinate system of each surface) z = 1/2 * (1 / a + 1 / b) * (y 2 * cos (c) 2 + x 2 ) / cos (c) / (1 + 1 / 2 * (1 / a
-1 / b) * y * sin (c) + (1+ (1 / a-1 / b) * y * sin (c)-(1 / a / b + 1/4 * tan (c) 2 * (1 / a + 1 / b) 2 ) * x 2 )
(1/2) ) + c20 * x 2 + c11 * x * y + c02 * y 2 + c30 * x 3 + c21 * + c03 * y 3 + c40 * x 4 + c31 * x 3 * y + c22 * x 2 * y 2 + c13 * x * y 3 + c04 * y 4 + c50 * x 5 + c41 * x 4 * y + c32 * x 3 * y 2 + c23 * x 2 * y 3 + c14 * x * y 4 + c05 *
y 5 + c60 * x 6 + c51 * x 5 * y + c42 * x 4 * y 2 + c33 * x 3 * y 3 + c24 * x 2 * y 4 + c15
* x * y 5 + c06 * y 6 Each of a, b, c, c20, c11, c02... is a free-form surface coefficient. (Note: In the case of this free-form surface, the coefficients of the free-form surface are related to the paraxial axis. Does not coincide with the radius of curvature of the cross section of the main line ry and the radius of the cross section of the sagittal line rx. Is defined by the following aspherical formula with the generatrix section (in the surface vertex coordinate system of each surface)
【0046】[0046]
【数1】 (Equation 1)
【0047】子線断面は平面(rx=∞)である。The sagittal section is a plane (rx = ∞).
【0048】ALの定義式は回転対称非球面で(各面の面
頂点座標系で)The definition formula of AL is a rotationally symmetric aspherical surface (in the surface vertex coordinate system of each surface).
【0049】[0049]
【数2】 (Equation 2)
【0050】またローカル近軸(local-paraxial axis)
ではローカル曲率半径local-ry,local-rx・ローカル面
間隔local-d(反射面は逆符号)・ローカル焦点距離loc
al-fy,local-fx ・面の屈折率nd(反射面は逆符号)
を示している。また各面でのヒットポイント座標(面頂
点を0,0)と表示光学系全系ローカル焦点距離・画角と
照明光学系光学面Aのローカル焦点距離も示した。Also, a local-paraxial axis
Then, local radius of curvature local-ry, local-rx, local surface distance local-d (reflection surface has opposite sign), local focal length loc
al-fy, local-fx ・ Refractive index nd of surface (reflection surface has opposite sign)
Is shown. Also, the hit point coordinates (the surface vertex is 0,0) on each surface, the local focal length and angle of view of the entire display optical system, and the local focal length of the illumination optical system optical surface A are shown.
【0051】[0051]
【表1】 [Table 1]
【0052】[0052]
【表2】 [Table 2]
【0053】[0053]
【表3】 [Table 3]
【0054】[0054]
【表4】 [Table 4]
【0055】[0055]
【表5】 [Table 5]
【0056】[0056]
【表6】 [Table 6]
【0057】[0057]
【表7】 [Table 7]
【0058】[0058]
【表8】 [Table 8]
【0059】[0059]
【表9】 [Table 9]
【0060】[0060]
【表10】 [Table 10]
【0061】[0061]
【表11】 [Table 11]
【0062】[0062]
【表12】 [Table 12]
【0063】[0063]
【表13】 [Table 13]
【0064】[0064]
【表14】 [Table 14]
【0065】[0065]
【表15】 [Table 15]
【0066】[0066]
【表16】 [Table 16]
【0067】[0067]
【表17】 [Table 17]
【0068】[0068]
【表18】 [Table 18]
【0069】[0069]
【表19】 [Table 19]
【0070】[0070]
【表20】 [Table 20]
【0071】[0071]
【表21】 [Table 21]
【0072】[0072]
【表22】 [Table 22]
【0073】[0073]
【表23】 [Table 23]
【0074】[0074]
【表24】 [Table 24]
【0075】[0075]
【表25】 [Table 25]
【0076】図9は本発明の各実施形態の画像表示装置
Sを観察者SAの左右眼用に一対設けるように構成する
ことにより、両眼式のヘッドマウントディスプレイを構
成したときの説明図である。FIG. 9 is an explanatory view when a pair of image display devices S of the respective embodiments of the present invention are provided for the left and right eyes of the observer SA to form a binocular head mounted display. is there.
【0077】本発明において例えば表示素子に表示する
画像として両眼視差を用いれば立体視が可能な画像観察
システムを構築することができる。In the present invention, for example, if binocular parallax is used as an image displayed on the display device, an image observation system capable of stereoscopic viewing can be constructed.
【0078】尚、必ずしも両眼でなく、左右どちらかの
眼用に1ユニットのみ設けた単眼式HMDとしても良い
ことは勿論である。It is needless to say that a monocular HMD in which only one unit is provided for either the left or right eye, not necessarily for both eyes, may be used.
【0079】[0079]
【発明の効果】本発明によれば以上のように液晶ディス
プレイ等の表示手段に表示した画像情報を観察する際、
光源手段から表示手段に至る照明光学系及び表示手段か
らの光束を観察者の眼球に導光するための表示光学系の
構成を適切に設定することによって、装置全体の小型化
を図りつつ光量のロスを減らし、該画像情報を良好なる
画質で観察することができる画像観察装置及びそれを用
いたヘッドマウントディスプレイを達成することができ
る。According to the present invention, when observing image information displayed on display means such as a liquid crystal display as described above,
By appropriately setting the configuration of the illumination optical system from the light source means to the display means and the display optical system for guiding the luminous flux from the display means to the eyeball of the observer, the amount of light can be reduced while reducing the size of the entire apparatus. An image observation device capable of reducing loss and observing the image information with good image quality and a head-mounted display using the same can be achieved.
【0080】特に本発明によれば照明光源からの光量ロ
スが少なく、十分なコントラストを持った画質を提供
し、コンパクトな照明光学系と表示光学系が成り立つ反
射型LCDを使ったHMDを達成することができる。In particular, according to the present invention, an HMD using a reflection type LCD, which has a small light quantity loss from an illumination light source, provides an image with sufficient contrast, and has a compact illumination optical system and a display optical system, can be achieved. be able to.
【図1】本発明の実施形態1の要部断面図FIG. 1 is a sectional view of a main part according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施形態2の要部断面図FIG. 2 is a sectional view of a main part according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の実施形態3の要部断面図FIG. 3 is a sectional view of a main part of a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の実施形態4の要部断面図FIG. 4 is a sectional view of a main part of a fourth embodiment of the present invention.
【図5】本発明の実施形態5の要部断面図FIG. 5 is a sectional view of a main part according to a fifth embodiment of the present invention.
【図6】本発明の実施形態6の要部断面図FIG. 6 is a sectional view of a main part according to a sixth embodiment of the present invention.
【図7】本発明の実施形態7の要部断面図FIG. 7 is a sectional view of a main part of a seventh embodiment of the present invention.
【図8】本発明の実施形態8の要部断面図FIG. 8 is a sectional view of a main part according to an eighth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の画像表示装置をHMDに適用したとき
の要部概略図FIG. 9 is a schematic diagram of a main part when the image display device of the present invention is applied to an HMD.
1 眼球 2 自由曲面プリズム 3 反射型LCD(図はLCDの保護板を示しており、
液晶面はピント面に存在する。) 4 照明光源(平面光源) 5 光学面A 6 透過面B(自由曲面プリズムの全反射面) 7 ブーメラン型レンズ 8 偏光板1 9 偏光板2 10 照明系プリズム 11 照明系補正プリズム 12 照明系接合プリズム 13 自由曲面プリズムの凹面鏡 14 自由曲面プリズムの入射面 15 照明系接合プリズム面1 16 照明系接合プリズム面2 17 自由曲面ミラー1 18 自由曲面ミラー21 Eyeball 2 Free-form surface prism 3 Reflection type LCD (The figure shows the protection plate of the LCD,
The liquid crystal plane exists on the focus plane. 4) Illumination light source (plane light source) 5 Optical surface A 6 Transmission surface B (total reflection surface of free-form surface prism) 7 Boomerang type lens 8 Polarizing plate 1 9 Polarizing plate 2 10 Illumination prism 11 Illumination correction prism 12 Illumination system bonding Prism 13 Concave mirror of free-form surface prism 14 Incident surface of free-form surface prism 15 Illumination system junction prism surface 1 16 Illumination system junction prism surface 2 17 Free-form surface mirror 1 18 Free-form surface mirror 2
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 1/13357 H04N 5/64 511A H04N 5/64 511 G02F 1/1335 530 Fターム(参考) 2H042 CA01 CA12 CA17 DB14 DD10 DE00 2H087 KA24 RA41 RA45 TA01 TA03 TA04 2H088 EA10 HA21 HA22 HA23 HA24 HA28 MA02 MA06 2H091 FA14Z FA15X FA21X FA26X FA41X LA11 LA15 LA17 MA02 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 1/13357 H04N 5/64 511A H04N 5/64 511 G02F 1/1335 530 F term (reference) 2H042 CA01 CA12 CA17 DB14 DD10 DE00 2H087 KA24 RA41 RA45 TA01 TA03 TA04 2H088 EA10 HA21 HA22 HA23 HA24 HA28 MA02 MA06 2H091 FA14Z FA15X FA21X FA26X FA41X LA11 LA15 LA17 MA02
Claims (7)
する照明光源手段と、該照明光源手段からの光を該表示
手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者
の眼球に導く表示光学系を有した画像表示装置におい
て、該照明光学系と該表示光学系で共有する透過兼反射
の両作用を有する光学面Aはローカル母線断面(該照明
光源手段から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心
を通る基準光線の入射光と射出光を含む面)上で曲率を
有し、該表示光学系のローカル母線断面焦点距離を loc
al_fy、該照明光学系中の該光学面Aのみのローカル母
線断面焦点距離を local_fyAとした時、 0.1 < local_fyA/ local_fy < 1.0 (1) を満たし、該照明光源手段から発せられた光線は、該光
学面Aで反射して該表示手段を照明し、該表示手段から
の反射光は、該光学面Aを今度は透過し、複数の反射面
で反射した後、眼球に導かれることを特徴とする画像表
示装置。1. A reflection type display means, an illumination light source means for illuminating the display means, an illumination optical system for guiding light from the illumination light source means to the display means, and an observer transmitting light from the display means to an observer. In an image display device having a display optical system for guiding the eye to the eye, an optical surface A having both transmission and reflection functions shared by the illumination optical system and the display optical system has a local meridional section (emitted from the illumination light source means). The display means has a curvature on a plane including the incident light and the emitted light of the reference light beam passing through the center of the image and the center of the eyeball, and the focal length of the local meridional section of the display optical system is loc.
al_fy, when the local meridional section focal length of only the optical surface A in the illumination optical system is local_fyA, 0.1 <local_fyA / local_fy <1.0 (1) is satisfied, and the light is emitted from the illumination light source means. Light rays are reflected by the optical surface A to illuminate the display means, and the reflected light from the display means is transmitted to the optical surface A this time, is reflected by a plurality of reflective surfaces, and is then guided to the eyeball. An image display device characterized by the above-mentioned.
光学系で共有する透過兼反射の両作用を有する光学面A
が1面のみ存在することを特徴とする画像表示装置。2. An optical surface A according to claim 1, which has both transmission and reflection functions shared by said illumination optical system and said display optical system.
Wherein only one surface is present.
数の反射面は、偏心曲率面であることを特徴とする画像
表示装置。3. The image display device according to claim 1, wherein the plurality of reflection surfaces in the display optical system are eccentric curvature surfaces.
学面Aを含む光学部材と、光学的屈折力を有した別の光
学部材が、空気間隔をあけて配置されていることを特徴
とする画像表示装置。4. The display optical system according to claim 1, wherein the display optical system includes an optical member including the optical surface A and another optical member having optical refracting power, which are arranged with an air gap therebetween. Characteristic image display device.
光源手段はRGB時分割光源であり、該表示手段はRG
B時分割光源のRGB色光の発光に合わせてRGBの画
像を時分割表示することを特徴とする画像表示装置。5. The light source device according to claim 1, wherein said illumination light source means is an RGB time division light source, and said display means is an RGB light source.
An image display device for displaying an RGB image in a time-sharing manner in accordance with the emission of RGB color light from a B-time-sharing light source.
ス角度により屈折力が異なる面を2面以上含み、表示光
学系全体として正の屈折力を有することを特徴とする画
像表示装置。6. The image display device according to claim 3, wherein the display optical system includes two or more surfaces having different refractive powers depending on the azimuth angle, and the display optical system as a whole has a positive refractive power.
示装置を有したことを特徴とするヘッドマウントディス
プレイ。7. A head-mounted display comprising the image display device according to claim 1. Description:
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