JP3957961B2 - 画像表示装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Description
【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。
【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。
【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１１−１２５７９１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。
【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の液晶で反射され、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１１‐１２５７９１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の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。しかし他の公知例では、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ところが当然存在し、この共有面が多ければ多いほど光学系は複雑になる。一方、ＨＭＤのコンパクトな表示光学系を本発明者は特開平７‐３３３５５１号公報で提案している。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２０００‐１００４１号公報で提案している。
【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。
【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。
【０００７】
例えば照明光源からの光が反射型の液晶を照明する際、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、反射型の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。また透過型の液晶、反射型の液晶に限らず、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。従って照明光源からの光は、液晶からの射出光ができるだけ垂直にでるように工夫することが望ましい。また当然のことながら、コンパクトな照明光学系と表示光学系が望まれている。
【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。
【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が、１面のみ存在し、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は、該照明光源手段より該光学面Ａに入射し、該光学面Ａで反射し、該表示手段にほぼ垂直入射して反射し、該光学面Ａを透過し、複数の偏心曲率反射面で反射した後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面Ａを含む光学部材と、該複数の偏心曲率反射面を含み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、該照明光学系中の該光学面Ａは、ローカル母線断面（該基準光線の入射光と射出光を含む面）上で正の屈折力を有した曲率反射面であり、該ローカル母線断面における該光学面Ａでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度をα（度）、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とするとき、
４０ ＜ α ＜ ７０
０．１ ＜ local_ｆｙＡ／local_ｆｙ ＜ ０．６
を満たすことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１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。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、請求項１の該照明光源手段から発せられた該基準光線の該反射型表示手段への入射角度β（度）は
−１０ ＜ β＜ １０
であることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３の発明において、請求項１の、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。
【００１３】
請求項５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が、１面のみ存在し、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は、該照明光源手段より該光学面Ａに入射し、該光学面Ａで反射し、該表示手段にほぼ垂直入射して反射し、該光学面Ａを透過し、２つの偏心曲率反射面で反射した後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面Ａを含む光学部材と、反射面として該２つの偏心曲率反射面のみを含み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、該光学面Ａでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度をα（度）、該表示手段のローカル母線断面（該基準光線の入射光と射出光を含む面）上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線とし、該Ｆ３眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル母線断面焦点距離をlocal_ｆｙ（Ｆ３）、該別の光学部材に含まれる眼球にもっとも近い屈折力を有した透過面Ｂにおいて、該Ｆ３眼球中心光線がヒットするポイント上でのローカル母線断面焦点距離をlocal_ｆｙＢ（Ｆ３）とするとき、
４０ ＜ α ＜ ７０
−０．６ ＜ local_ｆｙ（Ｆ３）／local_ｆｙＢ（Ｆ３） ＜ −０．１
を満たすことを特徴としている。
【００１４】
請求項６の発明のヘッドマウントディスプレイは、請求項１から５のいずれか１項の画像表示装置を有したことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜図５は本発明の実施形態１〜５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。
【００１８】
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。
【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、附番３，５，７，２又は附番３，１０，５，１１，２又は符番３，１０，５，２で示されるものは表示光学系の一要素を構成している。
【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、自由曲面プリズムと反射型液晶３の間に照明光学系を構成する部材を設けている。また液晶３からの射出光ができるだけ垂直にでるようにして画質のコントラストも上げている。
【００２１】
本発明の各実施形態の説明の前に、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（外界を観察するため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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に本発明の各実施例について説明する。図１〜図５は本発明の実施例１〜５の光路断面図（ローカル母線断面図）である。
【００２４】
図１、図２（実施例１，２）は反射型ＬＣＤ３（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（ハーフミラー）５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ＬＣＤ３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。また偏光板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ＬＣＤ３に基づく画像情報を拡大虚像として観察している。
【００２５】
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。なおブーメラン型レンズ７の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。もちろんブーメラン型レンズ７の両面５，５ａにもっと自由度の多い自由曲面を使用すれば、さらに良好な光学系性能が得られる。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５，５ａ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系能はよい。
【００２６】
本発明の表示系に含まれる自由曲面プリズムは（実施例１〜５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。
【００２７】
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１２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、５の光学面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１１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。
【００２８】
図５は本発明の実施例５の光路断面図である。
【００２９】
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。
【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１つの光学面Ａのみ存在し、該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と該瞳中心を通る基準光線が、該照明手段より該光学面Ａに入射するときの、入射基準光線と反射するときの反射基準光線とのなす角度をα（度）としたとき
２０°＜α＜８０° ・・・（１）
を満足するようにしている。
【００３１】
本発明では照明光学系と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（ハーフミラー）は１面のみとして、照明光源から反射型液晶への光量ロスを少なくし、条件式（１）により画質のコントラストを良くし、かつコンパクトな照明光学系を達成している。条件式（１）の下限値を下回ると、液晶からの射出光がほぼ垂直のため、液晶と照明光源がぶつかってしまい、光学系の構成が難しくなる。又、上限値を超えると、照明光学系が眼球側に出っ張り厚くなってしまう。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５を透過して、複数の偏心曲率反射面により光線を折り畳むことにより、表示光学系を薄くしている。尚、更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を
４０（度）＜α＜７０（度） ・・・（１ａ）
を満足させることが望ましい。下限値以内では液晶と照明光源がぶつからない十分なスペースが確保できるようになり、又上限値内では照明光学系の厚さをさらに薄くすることができる。
【００３２】
また該表示光学系中の光学面５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５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。
【００３３】
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つ以上を満足させるのが良い。
【００３４】
（ア−１）照明光学系中の該光学面５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とすることである。こうすることにより、照明光源を正の屈折力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。
【００３５】
（ア−２）照明光源と眼球（瞳位置）はほぼ結像関係（ケイラー照明）にすることが望ましい。こうすると光利用効率がもっとも良くなる。
【００３６】
（ア−３）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の画像を時分表示することである。一般的にカラー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）の組み合わせの方式では、総画素数がカラーフィルター方式での液晶の１／３ですむ。このため、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。
【００３７】
（ア−４）照明光源から発せられた該基準光線の該反射型の表示手段への入射角度β（度）は
−１０（度）＜β＜１０（度） ・・・（２）
とするのが良い。
【００３８】
この範囲外だと液晶画像のコントラストが落ち、良い画質が得られにくい。またさらに、好ましくは条件式（２）の数値範囲を下記の範囲内だと、
−５（度）＜β＜５（度） ・・・（２ａ）
とするのが良い。これによればほとんどコントラスト落ちのない、１ランク上の良質な画質が得られる。
【００３９】
（ア−５）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５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＜０．６ ・・・（３）
を満たすことである。ここで表示光学系とは、表示手段である反射型液晶から眼球直前の面までである。また照明光学系は、照明光源から表示手段（反射型液晶）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、実施例の項目に記す。この条件式（３）の下限値を超えた時は照明光学系中の光学面５のパワーが強くなり、凹面鏡の光学面５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。又上限値を超えた場合は光学面Ａのパワーが弱くなるため、比較的大きな照明光源が必要になり、やはり大型化する。また上限値については、下記の条件式を満たすと、
０．１ ＜local_fｙA／local_fｙ＜０．４５ ・・・（３ａ）
さらに小さな照明光源を使用でき、さらに小型化できる。
【００４０】
（ア−６）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。そこで本発明の表示光学系において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が良い。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屈折力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。
【００４１】
（ア−７）該表示手段のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線とし、該Ｆ３眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル母線断面内の焦点距離をlocal_fy（Ｆ３）、眼球にもっとも近い屈折力を有した透過面Bにおいて、該Ｆ３眼球中心光線がヒットするポイント上でのローカル母線断面内の焦点距離をlocal_fyB（Ｆ３）とした時、
−０．６＜local_fy（Ｆ３）／local_fyB（Ｆ３）＜−０．１ …（４）
を満足することである。下限値を超えると、Ｆ３眼球中心光線と透過面Bとのヒットポイント上での負のパワーが強くなり過ぎて、透過面Ｂの面形状が眼球側に大きく湾曲するため、表示光学系が厚くなる。上限値を超えるとは逆に、ヒットポイント上での負のパワーが弱くなる。Ｆ３眼球中心光線上の各面のパワー配置は、この透過面Ｂのこのヒットポイント上での負のパワーを強くして、レトロタイプのパワー配置にしている。このパワー配置により、Ｆ３眼球中心光線上で液晶をできるだけ遠くにして、照明光学系の光学面Ａを配置可能としている。従って上限値以上では、このポイントでの負パワーが足りず、照明光学系の光学面Ａを挿入するスペースがなくなる。また上限値については、下記の値を満足させると更に好ましい。
−０．６＜local_fy（Ｆ３）／local_fyB（Ｆ３）＜−０．２５…（４ａ）
これによれば照明光学系の光学面５を挿入するスペースが十分確保できるようになる。
【００４２】
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５は各々本発明の後述する数値実施例１〜５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７）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、各面の従来の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。
【００４３】
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と瞳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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
本発明では５つの実施例をあげた。実施例１〜５の数値データを表１〜表５に示し、光路断面図を図１〜５に示した。表１〜表５の従来近軸では（general-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５は瞳面１（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。符号は主光線が左から右方へ進むときを正、その逆を負としている。
【００４７】
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）
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）
【００４８】
【数１】
【００４９】
子線断面は平面（rx=∞）である。
【００５０】
ALの定義式は回転対称非球面で（各面の面頂点座標系で）
【００５１】
【数２】
【００５２】
h2 = x2 + y2 , r = rx = ry である。
【００５３】
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local-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。
【００５４】
さらに表１〜表５のローカル近軸(local-paraxial axis)の次に、基準光線と各面のヒットポイントでなく、ＬＣＤのローカル母線断面上での、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ３（下側、眼球より遠い方側、FOV：Wy=-10.59deg Wx=0deg）と眼球中心を通る光線と各面とのヒットポイント上での、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local-fy,local-fx ・面の屈折率ｎｄ（反射面は逆符号）・各面でのヒットポイント座標（面頂点を0,0）・表示光学系全系ローカル焦点距離も local paraxial ray <FOV：Wy=-10.59deg Wx=0deg> として最後に追加した。この時の数値データおよび計算値は、ローカル近軸の基準光線を、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ３（下側）と眼球中心を通る光線に置き換えて計算した。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
【表３】
【００５８】
【表４】
【００５９】
【表５】
【００６０】
【表６】
【００６１】
【表７】
【００６２】
【表８】
【００６３】
【表９】
【００６４】
【表１０】
【００６５】
【表１１】
【００６６】
【表１２】
【００６７】
【表１３】
【００６８】
【表１４】
【００６９】
【表１５】
【００７０】
【表１６】
【００７１】
【表１７】
【００７２】
【表１８】
【００７３】
図６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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
【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ヘッドマウントディスプレイを達成することができる。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部断面図
【図２】本発明の実施形態２の要部断面図
【図３】本発明の実施形態３の要部断面図
【図４】本発明の実施形態４の要部断面図
【図５】本発明の実施形態５の要部断面図
【図６】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
【符号の説明】
１ 眼球（瞳）
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
【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。
【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。
【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１１−１２５７９１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。
【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の液晶で反射され、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１１‐１２５７９１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の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。しかし他の公知例では、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ところが当然存在し、この共有面が多ければ多いほど光学系は複雑になる。一方、ＨＭＤのコンパクトな表示光学系を本発明者は特開平７‐３３３５５１号公報で提案している。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２０００‐１００４１号公報で提案している。
【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。
【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。
【０００７】
例えば照明光源からの光が反射型の液晶を照明する際、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、反射型の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。また透過型の液晶、反射型の液晶に限らず、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。従って照明光源からの光は、液晶からの射出光ができるだけ垂直にでるように工夫することが望ましい。また当然のことながら、コンパクトな照明光学系と表示光学系が望まれている。
【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。
【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が、１面のみ存在し、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は、該照明光源手段より該光学面Ａに入射し、該光学面Ａで反射し、該表示手段にほぼ垂直入射して反射し、該光学面Ａを透過し、複数の偏心曲率反射面で反射した後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面Ａを含む光学部材と、該複数の偏心曲率反射面を含み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、該照明光学系中の該光学面Ａは、ローカル母線断面（該基準光線の入射光と射出光を含む面）上で正の屈折力を有した曲率反射面であり、該ローカル母線断面における該光学面Ａでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度をα（度）、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とするとき、
４０ ＜ α ＜ ７０
０．１ ＜ local_ｆｙＡ／local_ｆｙ ＜ ０．６
を満たすことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１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。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、請求項１の該照明光源手段から発せられた該基準光線の該反射型表示手段への入射角度β（度）は
−１０ ＜ β＜ １０
であることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３の発明において、請求項１の、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。
【００１３】
請求項５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が、１面のみ存在し、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は、該照明光源手段より該光学面Ａに入射し、該光学面Ａで反射し、該表示手段にほぼ垂直入射して反射し、該光学面Ａを透過し、２つの偏心曲率反射面で反射した後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面Ａを含む光学部材と、反射面として該２つの偏心曲率反射面のみを含み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、該光学面Ａでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度をα（度）、該表示手段のローカル母線断面（該基準光線の入射光と射出光を含む面）上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線とし、該Ｆ３眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル母線断面焦点距離をlocal_ｆｙ（Ｆ３）、該別の光学部材に含まれる眼球にもっとも近い屈折力を有した透過面Ｂにおいて、該Ｆ３眼球中心光線がヒットするポイント上でのローカル母線断面焦点距離をlocal_ｆｙＢ（Ｆ３）とするとき、
４０ ＜ α ＜ ７０
−０．６ ＜ local_ｆｙ（Ｆ３）／local_ｆｙＢ（Ｆ３） ＜ −０．１
を満たすことを特徴としている。
【００１４】
請求項６の発明のヘッドマウントディスプレイは、請求項１から５のいずれか１項の画像表示装置を有したことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜図５は本発明の実施形態１〜５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。
【００１８】
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。
【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、附番３，５，７，２又は附番３，１０，５，１１，２又は符番３，１０，５，２で示されるものは表示光学系の一要素を構成している。
【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、自由曲面プリズムと反射型液晶３の間に照明光学系を構成する部材を設けている。また液晶３からの射出光ができるだけ垂直にでるようにして画質のコントラストも上げている。
【００２１】
本発明の各実施形態の説明の前に、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（外界を観察するため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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に本発明の各実施例について説明する。図１〜図５は本発明の実施例１〜５の光路断面図（ローカル母線断面図）である。
【００２４】
図１、図２（実施例１，２）は反射型ＬＣＤ３（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（ハーフミラー）５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ＬＣＤ３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。また偏光板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ＬＣＤ３に基づく画像情報を拡大虚像として観察している。
【００２５】
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。なおブーメラン型レンズ７の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。もちろんブーメラン型レンズ７の両面５，５ａにもっと自由度の多い自由曲面を使用すれば、さらに良好な光学系性能が得られる。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５，５ａ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系能はよい。
【００２６】
本発明の表示系に含まれる自由曲面プリズムは（実施例１〜５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。
【００２７】
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１２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、５の光学面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１１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。
【００２８】
図５は本発明の実施例５の光路断面図である。
【００２９】
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。
【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１つの光学面Ａのみ存在し、該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と該瞳中心を通る基準光線が、該照明手段より該光学面Ａに入射するときの、入射基準光線と反射するときの反射基準光線とのなす角度をα（度）としたとき
２０°＜α＜８０° ・・・（１）
を満足するようにしている。
【００３１】
本発明では照明光学系と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（ハーフミラー）は１面のみとして、照明光源から反射型液晶への光量ロスを少なくし、条件式（１）により画質のコントラストを良くし、かつコンパクトな照明光学系を達成している。条件式（１）の下限値を下回ると、液晶からの射出光がほぼ垂直のため、液晶と照明光源がぶつかってしまい、光学系の構成が難しくなる。又、上限値を超えると、照明光学系が眼球側に出っ張り厚くなってしまう。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５を透過して、複数の偏心曲率反射面により光線を折り畳むことにより、表示光学系を薄くしている。尚、更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を
４０（度）＜α＜７０（度） ・・・（１ａ）
を満足させることが望ましい。下限値以内では液晶と照明光源がぶつからない十分なスペースが確保できるようになり、又上限値内では照明光学系の厚さをさらに薄くすることができる。
【００３２】
また該表示光学系中の光学面５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５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。
【００３３】
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つ以上を満足させるのが良い。
【００３４】
（ア−１）照明光学系中の該光学面５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とすることである。こうすることにより、照明光源を正の屈折力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。
【００３５】
（ア−２）照明光源と眼球（瞳位置）はほぼ結像関係（ケイラー照明）にすることが望ましい。こうすると光利用効率がもっとも良くなる。
【００３６】
（ア−３）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の画像を時分表示することである。一般的にカラー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）の組み合わせの方式では、総画素数がカラーフィルター方式での液晶の１／３ですむ。このため、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。
【００３７】
（ア−４）照明光源から発せられた該基準光線の該反射型の表示手段への入射角度β（度）は
−１０（度）＜β＜１０（度） ・・・（２）
とするのが良い。
【００３８】
この範囲外だと液晶画像のコントラストが落ち、良い画質が得られにくい。またさらに、好ましくは条件式（２）の数値範囲を下記の範囲内だと、
−５（度）＜β＜５（度） ・・・（２ａ）
とするのが良い。これによればほとんどコントラスト落ちのない、１ランク上の良質な画質が得られる。
【００３９】
（ア−５）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５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＜０．６ ・・・（３）
を満たすことである。ここで表示光学系とは、表示手段である反射型液晶から眼球直前の面までである。また照明光学系は、照明光源から表示手段（反射型液晶）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、実施例の項目に記す。この条件式（３）の下限値を超えた時は照明光学系中の光学面５のパワーが強くなり、凹面鏡の光学面５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。又上限値を超えた場合は光学面Ａのパワーが弱くなるため、比較的大きな照明光源が必要になり、やはり大型化する。また上限値については、下記の条件式を満たすと、
０．１ ＜local_fｙA／local_fｙ＜０．４５ ・・・（３ａ）
さらに小さな照明光源を使用でき、さらに小型化できる。
【００４０】
（ア−６）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。そこで本発明の表示光学系において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が良い。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屈折力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。
【００４１】
（ア−７）該表示手段のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線とし、該Ｆ３眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル母線断面内の焦点距離をlocal_fy（Ｆ３）、眼球にもっとも近い屈折力を有した透過面Bにおいて、該Ｆ３眼球中心光線がヒットするポイント上でのローカル母線断面内の焦点距離をlocal_fyB（Ｆ３）とした時、
−０．６＜local_fy（Ｆ３）／local_fyB（Ｆ３）＜−０．１ …（４）
を満足することである。下限値を超えると、Ｆ３眼球中心光線と透過面Bとのヒットポイント上での負のパワーが強くなり過ぎて、透過面Ｂの面形状が眼球側に大きく湾曲するため、表示光学系が厚くなる。上限値を超えるとは逆に、ヒットポイント上での負のパワーが弱くなる。Ｆ３眼球中心光線上の各面のパワー配置は、この透過面Ｂのこのヒットポイント上での負のパワーを強くして、レトロタイプのパワー配置にしている。このパワー配置により、Ｆ３眼球中心光線上で液晶をできるだけ遠くにして、照明光学系の光学面Ａを配置可能としている。従って上限値以上では、このポイントでの負パワーが足りず、照明光学系の光学面Ａを挿入するスペースがなくなる。また上限値については、下記の値を満足させると更に好ましい。
−０．６＜local_fy（Ｆ３）／local_fyB（Ｆ３）＜−０．２５…（４ａ）
これによれば照明光学系の光学面５を挿入するスペースが十分確保できるようになる。
【００４２】
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５は各々本発明の後述する数値実施例１〜５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７）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、各面の従来の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。
【００４３】
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と瞳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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
本発明では５つの実施例をあげた。実施例１〜５の数値データを表１〜表５に示し、光路断面図を図１〜５に示した。表１〜表５の従来近軸では（general-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５は瞳面１（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。符号は主光線が左から右方へ進むときを正、その逆を負としている。
【００４７】
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）
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）
【００４８】
【数１】
子線断面は平面（rx=∞）である。
【００５０】
ALの定義式は回転対称非球面で（各面の面頂点座標系で）
【００５１】
【数２】
h2 = x2 + y2 , r = rx = ry である。
【００５３】
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local-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。
【００５４】
さらに表１〜表５のローカル近軸(local-paraxial axis)の次に、基準光線と各面のヒットポイントでなく、ＬＣＤのローカル母線断面上での、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ３（下側、眼球より遠い方側、FOV：Wy=-10.59deg Wx=0deg）と眼球中心を通る光線と各面とのヒットポイント上での、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local-fy,local-fx ・面の屈折率ｎｄ（反射面は逆符号）・各面でのヒットポイント座標（面頂点を0,0）・表示光学系全系ローカル焦点距離も local paraxial ray <FOV：Wy=-10.59deg Wx=0deg> として最後に追加した。この時の数値データおよび計算値は、ローカル近軸の基準光線を、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ３（下側）と眼球中心を通る光線に置き換えて計算した。
【００５５】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
【表１１】
【表１２】
【表１３】
【表１４】
【表１５】
【表１６】
【表１７】
【表１８】
図６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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
【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ヘッドマウントディスプレイを達成することができる。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部断面図
【図２】本発明の実施形態２の要部断面図
【図３】本発明の実施形態３の要部断面図
【図４】本発明の実施形態４の要部断面図
【図５】本発明の実施形態５の要部断面図
【図６】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
【符号の説明】
１ 眼球（瞳）
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
Claims (6)
- 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が、１面のみ存在し、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は、該照明光源手段より該光学面Ａに入射し、該光学面Ａで反射し、該表示手段にほぼ垂直入射して反射し、該光学面Ａを透過し、複数の偏心曲率反射面で反射した後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面Ａを含む光学部材と、該複数の偏心曲率反射面を含み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、該照明光学系中の該光学面Ａは、ローカル母線断面（該基準光線の入射光と射出光を含む面）上で正の屈折力を有した曲率反射面であり、該ローカル母線断面における該光学面Ａでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度をα（度）、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とするとき、
４０ ＜ α ＜ ７０
０．１ ＜ local_ｆｙＡ／local_ｆｙ ＜ ０．６
を満たすことを特徴とする画像表示装置。 - 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する請求項１の画像表示装置。
- 該照明光源手段から発せられた該基準光線の該反射型表示手段への入射角度β（度）は
−１０ ＜ β ＜ １０
であることを特徴とする請求項１の画像表示装置。 - 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する請求項１、２又は３の画像表示装置。
- 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が、１面のみ存在し、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は、該照明光源手段より該光学面Ａに入射し、該光学面Ａで反射し、該表示手段にほぼ垂直入射して反射し、該光学面Ａを透過し、２つの偏心曲率反射面で反射した後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面Ａを含む光学部材と、反射面として該２つの偏心曲率反射面のみを含み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、該光学面Ａでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度をα（度）、該表示手段のローカル母線断面（該基準光線の入射光と射出光を含む面）上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線とし、該Ｆ３眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル母線断面焦点距離をlocal_ｆｙ（Ｆ３）、該別の光学部材に含まれる眼球にもっとも近い屈折力を有した透過面Ｂにおいて、該Ｆ３眼球中心光線がヒットするポイント上でのローカル母線断面焦点距離をlocal_ｆｙＢ（Ｆ３）とするとき、
４０ ＜ α ＜ ７０
−０．６ ＜ local_ｆｙ（Ｆ３）／local_ｆｙＢ（Ｆ３） ＜ −０．１
を満たすことを特徴とする画像表示装置。 - 請求項１から５のいずれか１項の画像表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。
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