JP4395802B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置等によって形成された２次元画像を観察者に観察させるために使用される画像表示装置に関する。

画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるための虚像表示装置（画像表示装置）が、例えば、特表２００５−５２１０９９や特開２００６−１６２７６７から周知である。

この画像表示装置４１０は、概念図を図１１に示すように、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置４１１、画像形成装置４１１の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系４１２、及び、コリメート光学系４１２にて進行方位の異なる複数の平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置２０を備えている。光学装置２０は、入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板２１、導光板２１に入射された光が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１に入射された光を反射させる第１光学部材３０（例えば、１層の光反射膜から成る）、及び、導光板２１の内部を全反射により伝播した光を導光板２１から出射させる第２光学部材４０（例えば、多層積層構造を有する光反射多層膜から成る）から構成されている。そして、このような画像表示装置４１０によって、例えば、ＨＭＤ（Head Mounted Display）を構成すれば、装置の軽量化、小型化を図ることができる。

特表２００５−５２１０９９ 特開２００６−１６２７６７

ところで、従来の画像表示装置４１０にあっては、画像形成装置４１１の中心から出射され、コリメート光学系４１２の画像形成装置側節点（以下、『前側節点』と呼ぶ場合がある）を通過した中心光ＣＬは導光板２１に垂直に衝突する設計、即ち、画像形成装置４１１の中心から出射され、コリメート光学系４１２の前側節点を通過した中心光ＣＬの導光板２１への入射角は０度に設計されている。導光板２１の光入射面には反射防止膜（図示せず）が形成されているが、図１２に概念図を示すように、導光板２１への入射光（図１２には、例えば、「Ａ」で示す）の一部は導光板２１の光入射面において反射され（図１２には、「Ｂ」で示す）、コリメート光学系４１２、更には、画像形成装置４１１に戻されてしまう。

図１２に図示する画像形成装置４１１の右側の領域において、「白」の画像を表示し、左側の領域において、「黒」の画像を表示しているときを想定する。このような場合、「白」の画像の一部が、導光板２１の光入射面において反射され、「黒」の画像を表示している画像形成装置４１１の左側の領域に入射する。このような現象が生じると、最終的には、画像のコントラストの低下を招いてしまう。即ち、画像形成装置４１１の右側の領域において、例えば、光量「１００」の画像を表示しており、左側の領域において、例えば、光量「４」の画像を表示している場合を考える。ここで、画像形成装置４１１の右側の領域における係る画像が導光板２１の光入射面において反射され、「０．４」の光量の像が画像形成装置４１１に戻されるとした場合、画像形成装置４１１の左側の領域にあっては、光量「０．４」の一種のゴースト像が生じるが、係るゴースト像の明るさは、本来表示すべき画像の光量「４」の１０％に相当する。

従って、本発明の目的は、画像形成装置から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板へ入射する光の一部が画像形成装置に戻されることの無い構造、構成を有する画像表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る画像表示装置は、
（Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置、
（Ｂ）画像形成装置の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系、及び、
（Ｃ）コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置、
を備えた画像表示装置であって、
光学装置は、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
（ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を反射又は回折させる第１光学部材、及び、
（ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させる第２光学部材、
を備えている。

そして、本発明の第１の態様に係る画像表示装置にあっては、画像形成装置の中心から最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系の画像形成装置側節点（前側節点）を通過する光のコリメート光学系への入射角度をθ₁とし、画像形成装置の中心に位置する画素から出射され、コリメート光学系の画像形成装置側節点（前側節点）を通過する光の導光板への入射角をθ₂としたとき、θ₂＞θ₁を満足することを特徴とする。

あるいは又、画像形成装置の中心とコリメート光学系の前側節点とを光学的に結ぶ光学基軸は、該光学基軸が導光板と交わる地点における導光板の法線と平行ではなく、以て、画像形成装置の中心から最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板に衝突し、導光板によって反射された光は画像形成装置に入射しないことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係る画像表示装置にあっては、画像形成装置の如何なる画素から出射され、コリメート光学系を通過する平行光であっても、該平行光が入射する導光板の光入射面の法線と平行でないことを特徴とする。

そして、本発明の第２の態様に係る画像表示装置にあっては、画像形成装置の如何なる画素から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板の光入射面によって一部が反射された平行光であっても、画像形成装置に入射しない構成とすることが好ましい。

説明の関係上、本発明の第１の態様、あるいは、上述した好ましい構成を含む本発明の第２の態様に係る画像表示装置（以下、これらを総称して、単に、『本発明の画像表示装置』と呼ぶ場合がある）において、第１光学部材の中心を原点とし、第１光学部材の中心（原点）を通過する導光板の光入射面における法線であって、コリメート光学系側に向かう方向を正方向とする法線をＸ_i軸、原点を通り、Ｘ_i軸と直交し、第２光学部材側に向かう方向を正方向とする導光板の軸線をＹ_i軸とする。また、画像形成装置の中心から最も離れた所に位置する画素であって、第２光学部材に近い側に位置する画素から出射され、コリメート光学系の前側節点を通過する光を、便宜上、『近端部画素光線』と呼び、画像形成装置の中心から最も離れた所に位置する画素であって、第２光学部材から遠い側に位置する画素から出射され、コリメート光学系の前側節点を通過する光を、便宜上、『遠端部画素光線』と呼ぶ。更には、画像形成装置の中心の画素から出射され、コリメート光学系の前側節点を通過する光を『中心光』と呼ぶ。

ここで、本発明の第１の態様に係る画像表示装置においては、云い換えれば、近端部画素光線及び遠端部画素光線がＹ_i軸あるいはＹ_i軸と平行な軸と交わる角度は鋭角である。あるいは又、遠端部画素光線及び近端部画素光線がＹ_i軸あるいはＹ_i軸と平行な軸と交わる角度は鈍角である。一方、本発明の第２の態様に係る画像表示装置においては、云い換えれば、中心光は、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、あるいは又、光学的に非平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて、あるいは、鈍角にて交わっている。即ち、中心光は、第２光学部材に近い側から（鋭角の）角度をもって導光板に入射し、あるいは又、遠い側から（鈍角の）角度をもって導光板に入射する。

本発明の第１の態様に係る画像表示装置にあっては、場合によっては、画像形成装置の中心からＹ_i軸に相当する軸上において最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系の前側節点を通過する光のコリメート光学系への入射角度をθ₁としてもよい。

本発明の画像表示装置において、コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心を通過する形態とすることができる。即ち、この場合にあっては、コリメート光学系の光軸は光学基軸と一致している。尚、コリメート光学系の光軸の延長線上に、画像形成装置の中心が位置する場合もあるし、コリメート光学系の光軸の延長線上に、画像形成装置の中心が位置しない場合もあるが、後者の場合にあっても、種々の光学系を介して、コリメート光学系の光軸は、画像形成装置の中心を通過する形態とすることができる。従って、「光学的に」、画像形成装置の中心を通過すると表現した。以下においても同様である。あるいは又、本発明の画像表示装置にあっては、コリメート光学系の光軸は、第１光学部材の中心を通過する導光板の光入射面における法線と平行であり、コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心から外れた位置を通過する形態とすることができる。

上記の好ましい形態を含む本発明の画像表示装置にあっては、画像形成装置として、例えば、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置；透過型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置；有機ＥＬ（Electro Luminescence）、無機ＥＬ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子から構成された画像形成装置を挙げることができるが、中でも、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置とすることが好ましい。ここで、空間光変調装置として、ライト・バルブ、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を挙げることができ、光源として発光素子を挙げることができる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。また、発光素子として、例えば、半導体レーザ素子やＬＥＤを例示することができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０を例示することができる。

本発明の画像表示装置においては、コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光とされた光を導光板に入射させるが、このような、平行光であることの要請は、これらの光が導光板へ入射したときの光波面情報が、第１光学部材と第２光学部材を介して導光板から出射された後も保存される必要があることに基づく。尚、具体的には、進行方位の異なる複数の平行光を生成させるためには、コリメート光学系における焦点距離の所（位置）に、画像形成装置を位置させればよい。ここで、コリメート光学系は、画像形成装置から出射された平行光の画像形成装置における画素の位置情報を、光学装置の光学系における角度情報に変換する機能を有する。また、コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光とされるので、導光板においては、進行方位の異なる複数の平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、出射される。第１光学部材においては、導光板に入射された平行光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された平行光が反射又は回折される。更には、第２光学部材においては、導光板の内部を全反射により伝播した平行光が反射又は回折され、導光板から平行光の状態で出射される。

本発明の画像表示装置において、導光板は、例えば、導光板の軸線（Ｙ_i軸方向）と平行に延びる２つの平行面（第１面及び第２面）を有している。ここで、光が出射する導光板の面を光出射面と呼ぶとき、第１面によって光入射面及び光出射面が構成されていてもよいし、第１面によって光入射面が構成され、第２面によって光出射面が構成されていてもよい。

第１光学部材は、例えば、合金を含む金属から構成され、導光板に入射された光を反射させる光反射膜（一種のミラー）や、導光板に入射された光を回折させる回折格子（例えば、ホログラム回折格子膜）から構成することができる。また、第２光学部材は、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体や、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター、ホログラム回折格子膜から構成することができる。第１光学部材や第２光学部材は、導光板の内部に組み込まれている（導光板の内部に形成されている）ことが好ましいが、導光板の第１面や第２面に固定されていてもよい。

導光板を構成する材料として、石英ガラスやＢＫ７等の光学ガラスを含むガラスや、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂）を挙げることができる。導光板の形状は、平板に限定するものではなく、湾曲した形状を有していてもよい。

本発明の画像表示装置を構成するコリメート光学系として、凸レンズ、凹レンズ、自由曲面プリズム、ホログラムレンズを、単独、若しくは、組み合わせた、全体として正の光学的パワーを持つ光学系を例示することができる。

本発明の画像表示装置によって、例えば、ＨＭＤを構成することができ、装置の軽量化、小型化を図ることができ、装置装着時の不快感を大幅に軽減させることが可能となるし、更には、製造コストダウンを図ることも可能となる。

例えば、発光素子とライト・バルブとから構成された画像形成装置あるいは光源として、全体として白色光を発光するバックライトと、赤色発光画素、緑色発光画素、及び、青色発光画素を有する液晶表示装置との組合せ以外にも、以下の構成を例示することができる。

［画像形成装置−Ａ］
画像形成装置−Ａは、
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光パネルから成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光パネルから成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光パネルから成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置から出射された光を１本の光路に纏めるための手段（例えば、ダイクロイック・プリズムであり、以下の説明においても同様である）、
を備えており、
第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御する。

［画像形成装置−Ｂ］
画像形成装置−Ｂは、
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光パネル、及び、第１発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御するための青色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光パネル、及び、第２発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御するための緑色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第２画像形成装置、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光パネル、及び、第３発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御するための赤色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）青色光通過制御装置、緑色光通過制御装置及び赤色光通過制御装置を通過した光を１本の光路に纏めるための手段を備えており、
光通過制御装置（ライト・バルブ）によってこれらの第１発光パネル、第２発光パネル及び第３発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する。

［画像形成装置−Ｃ］
画像形成装置−Ｃも、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置であり、
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光パネルから成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光パネルから成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光パネルから成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置のそれぞれから出射された光を１本の光路に纏めるための手段、更には、
（ε）１本の光路に纏めるための手段から出射された光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する。

［画像形成装置−Ｄ］
画像形成装置−Ｄは、２次元マトリクス状に配列された発光素子ユニットからの出射光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）を備えており、発光素子ユニットにおける第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を時分割制御し、更に、光通過制御装置によって第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置である。

本発明の第１の態様に係る画像表示装置にあっては、θ₂＞θ₁を満足し、また、光学基軸は、光学基軸が導光板と交わる地点における導光板の法線と平行ではないし、本発明の第２の態様に係る画像表示装置にあっては、画像形成装置の如何なる画素から出射され、コリメート光学系を通過する平行光であっても、この平行光が入射する導光板の光入射面の法線と平行でない。従って、画像形成装置から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板に衝突し、導光板によって反射された光が画像形成装置に入射することがない。それ故、画像形成装置においてゴースト像が生じることが無く、画像のコントラストを向上させることができ、高品質の画像を表示することが可能となる。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。

実施例１は、本発明の第１の態様及び第２の態様に係る画像表示装置に関する。実施例１の画像表示装置１０は、概念図を図１に示すように、
（Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置１１、
（Ｂ）画像形成装置１１の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系１２、及び、
（Ｃ）コリメート光学系１２にて進行方位の異なる複数の平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置２０、
を備えている。そして、光学装置２０は、
（ａ）入射された光（より具体的には、進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群）が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板２１、
（ｂ）導光板２１に入射された光（平行光束群）が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１に入射された光（平行光束群）を反射又は回折させる（実施例１にあっては、具体的には反射させる）第１光学部材３０、及び、
（ｃ）導光板２１の内部を全反射により伝播した光（平行光束群）を導光板２１から出射させる（より具体的には、平行光束群のまま出射させる）第２光学部材４０、
を備えている。尚、導光板２１から出射された光は、観察者（画像観察者）の瞳１３の位置（瞳位置）に入射する。

ここで、実施例１あるいは後述する実施例２、実施例３にあっては、第１光学部材３０を、導光板２１の内部に設けられた金属（具体的には、アルミニウム）から構成された光反射膜（一種の鏡）とした。また、第２光学部材４０を、導光板２１の内部に設けられ、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体から構成した。誘電体積層膜は、例えば、高誘電率材料としてのＴｉＯ₂膜及び低誘電率材料としてのＳｉＯ₂膜から構成されている。誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体に関しては、特表２００５−５２１０９９に開示されている。図面においては６層の誘電体積層膜を図示しているが、これに限定するものではない。誘電体積層膜と誘電体積層膜との間には、導光板２１を構成する材料と同じ材料から成る薄片が挟まれている。

第１光学部材３０は、導光板２１の第１光学部材３０を設ける部分２４を切り出すことで、導光板２１に第１光学部材３０を形成すべき斜面を設け、係る斜面に光反射膜を真空蒸着した後、導光板２１の切り出した部分２４を第１光学部材３０に接着すればよい。また、第２光学部材４０は、導光板２１を構成する材料と同じ材料（例えば、ガラス）と誘電体積層膜（例えば、真空蒸着法にて成膜することができる）とが多数積層された多層積層構造体を作製し、導光板２１の第２光学部材４０を設ける部分２５を切り出して斜面を形成し、係る斜面に多層積層構造体を接着し、研磨等を行って、外形を整えればよい。こうして、導光板２１の内部に第１光学部材３０及び第２光学部材４０が設けられた光学装置２０を得ることができる。

実施例１あるいは後述する実施例２において、画像形成装置１１は、反射型空間光変調装置５０、及び、白色光を出射する発光ダイオードから成る光源５３から構成されている。より具体的には、反射型空間光変調装置５０は、ライト・バルブとしてのＬＣＯＳから成る液晶表示装置（ＬＣＤ）５１、及び、光源５３からの光の一部を反射して液晶表示装置５１へと導き、且つ、液晶表示装置５１によって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系１２へと導く偏光ビームスプリッター５２から構成されている。偏光ビームスプリッター５２は、周知の構成、構造を有する。光源５３から出射された無偏光の光は、偏光ビームスプリッター５２に衝突する。偏光ビームスプリッター５２において、Ｐ偏光成分は通過し、系外に出射される。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッター５２において反射され、液晶表示装置５１に入射し、液晶表示装置５１の内部で反射され、液晶表示装置５１から出射される。ここで、液晶表示装置５１から出射した光の内、「白」を表示する画素から出射した光にはＰ偏光成分が多く含まれ、「黒」を表示する画素から出射した光にはＳ偏光成分が多く含まれる。従って、液晶表示装置５１から出射され、偏光ビームスプリッター５２に衝突する光の内、Ｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッター５２を通過し、コリメート光学系１２へと導かれる。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッター５２において反射され、光源５３に戻される。液晶表示装置５１は、例えば、２次元マトリクス状に配列された複数（例えば、Ｙ_i軸方向に沿ってＪ個、Ｚ_i軸方向に沿ってＫ個、即ち、Ｊ×Ｋ＝３２０×２４０個）の画素（液晶セルの数は画素数の３倍）を備えている。コリメート光学系１２は、例えば、凸レンズから構成され、進行方位の異なる複数の平行光を生成させるために、コリメート光学系１２における焦点距離の所（位置）に画像形成装置１１（より具体的には、液晶表示装置５１）が配置されている。また、１画素は、赤色を出射する赤色発光副画素、緑色を出射する緑色発光副画素、及び、青色を出射する青色発光副画素から構成されている。

ここで、実施例１あるいは後述する実施例２、実施例３において、導光板２１は、導光板２１の軸線と平行に延びる２つの平行面（第１面２２及び第２面２３）を有している。尚、Ｘ_i軸は、第１光学部材３０の中心を原点Ｏ_iとし、第１光学部材３０の中心（原点Ｏ_i）を通過する導光板２１の光入射面における法線であって、コリメート光学系側に向かう方向を正方向とする法線である。ここで、第１面２２と第２面２３とは対向している。そして、光入射面に相当する第１面２２から平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、光出射面に相当する第１面２２から出射される。但し、これに限定するものではなく、第２面２３によって光入射面が構成され、第１面２２によって光出射面が構成されていてもよい。

そして、実施例１の画像表示装置１０にあっては、画像形成装置１１から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１に衝突する光を模式的に図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、画像形成装置１１の中心から最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２の前側節点を通過する光のコリメート光学系への入射角度をθ₁とし、画像形成装置１１の中心に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２の前側節点を通過する光（中心光ＣＬ）の導光板への入射角をθ₂としたとき、θ₂＞θ₁を満足する。尚、実施例１あるいは後述する実施例２、実施例３にあっては、画像形成装置１１の中心からＹ_i軸に相当する軸上において最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２の前側節点を通過する光のコリメート光学系への入射角度をθ₁とし、画像形成装置１１の中心に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２の前側節点を通過する中心光ＣＬの導光板への入射角をθ₂としているが、θ₁，θ₂はこのような定義（設定）に限定するものではない。あるいは又、実施例１の画像表示装置１０にあっては、画像形成装置１１の中心とコリメート光学系１２の前側節点とを光学的に結ぶ光学基軸ＯＢＬは、この光学基軸ＯＢＬが導光板２１と交わる地点における導光板２１の法線（二点鎖線ＮＬで示す）と平行ではなく、光学基軸ＯＢＬとこの法線とは所定の角度を成し、以て、画像形成装置１１の中心から最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１に衝突し、導光板２１によって反射された光は画像形成装置１１に入射しない。云い換えれば、光学基軸ＯＢＬとこの法線との成す所定の角度は、画像形成装置１１の中心から最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１に衝突し、導光板２１によって反射された光が画像形成装置１１に入射しないような角度に設定されている。尚、図２の（Ａ）に、参考のために、θ₂＝θ₁の場合を示し、図２の（Ｂ）に、θ₂＞θ₁の場合を示す。あるいは又、実施例１の画像表示装置１０にあっては、画像形成装置１１の如何なる画素から出射され、コリメート光学系１２を通過する平行光であっても、この平行光が入射する導光板２１の光入射面（第１面２２）の法線とは平行でない。そして、更には、画像形成装置１１の如何なる画素から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１の光入射面（第１面２２）によって一部が反射された平行光であっても、画像形成装置１１に入射しない。

具体的には、実施例１にあっては、
θ₁＝８度
θ₂＝１０度
とした。ここで、実施例１の画像表示装置１０にあっては、近端部画素光線Ｌｔ_PXがＹ_i軸と交わる角度は鋭角である。ここで、近端部画素光線Ｌｔ_PXとは、画像形成装置１１の中心（具体的には、実施例１にあっては、液晶表示装置５１の中心）から最も離れた所に位置する画素（より具体的には、実施例１にあっては、画像形成装置１１の中心からＹ_i軸に相当する軸上において最も離れた所に位置する画素）であって、第２光学部材４０に近い側に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２の前側節点を通過する光である。具体的には、この角度は、［９０−（θ₂＋θ₁）］度である。また、中心光ＣＬは、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して角度θ₂にて交わっている。即ち、中心光ＣＬは、第２光学部材４０に近い側から鋭角の角度をもって導光板２１に入射する。尚、実施例１あるいは後述する実施例２、実施例３にあっては、近端部画素光線Ｌｔ_PX、中心光ＣＬ、及び、後述する遠端部画素光線Ｌｔ_FHは、Ｘ_iＹ_i平面に含まれるとしているが、これに限定するものではない。即ち、近端部画素光線Ｌｔ_PX、中心光ＣＬ、及び、遠端部画素光線Ｌｔ_FTは、Ｘ_iＹ_i平面に含まれていない場合もある。そして、この場合には、角度θ₁，θ₂を立体角として取り扱えばよい。

また、実施例１あるいは後述する実施例２において、コリメート光学系１２の光軸は、光学的に、画像形成装置１１の中心を通過する。実施例１にあっては、コリメート光学系１２の光軸の延長線上に、画像形成装置１１の中心（より具体的には、液晶表示装置５１の中心）が位置するが、これに限定するものではなく、種々の光学系を介して、コリメート光学系１２の光軸が、光学的に、画像形成装置１１の中心（より具体的には、液晶表示装置５１の中心）を通過する形態としてもよい。また、コリメート光学系１２の光軸上を伝播する光を、コリメート光学系１２から導光板２１に直接入射させてもよいし、コリメート光学系１２から各種の光学系を介して導光板２１に入射させてもよい。

観察者は、２組の画像表示装置を装着してもよいし（即ち、一方の画像表示装置を右目用とし、他方の画像表示装置を左目用とする）、１つの画像表示装置を片側の目にのみ装着してもよい。２組の画像表示装置を装着する場合、右目用の画像表示装置と左目用の画像表示装置とは、同じ画像を表示してもよいし、異なる画像（例えば、立体像を表示し得る画像）を表示してもよい。ここで、画像表示装置はＨＭＤとして機能する。

導光板２１に入射し、第１光学部材３０に衝突した平行光は、第１光学部材３０によって反射され、導光板２１の内部を全反射しながら伝播していく。導光板２１の内部における平行光の伝播状態は、画像形成装置１１のどの位置から光が出射されたかによって異なる。例えば、図２に示すように、近端部画素光線Ｌｔ_PXの導光板２１への入射角（θ_PX）の値は、遠端部画素光線Ｌｔ_FHの導光板２１への入射角（θ_FH）の値よりも大きい。ここで、遠端部画素光線Ｌｔ_FHとは、画像形成装置１１の中心（具体的には、実施例１にあっては、液晶表示装置５１の中心）から最も離れた所に位置する画素（より具体的には、実施例１にあっては、画像形成装置１１の中心からＹ_i軸に相当する軸上において最も離れた所に位置する画素）であって、第２光学部材４０から遠い側に位置する画素から出射され、コリメート光学系１２の前側節点を通過する光である。従って、近端部画素光線Ｌｔ_PXの導光板２１における全反射角の値は、遠端部画素光線Ｌｔ_FHの導光板２１における全反射角の値よりも小さい。中心光ＣＬの導光板２１における全反射角の値は、これらの値の間にある。

第２光学部材４０は、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体から構成されており、導光板２１の内部を伝播してきた光が各誘電体積層膜と衝突したとき、衝突角に依存して、誘電体積層膜において反射されて導光板２１から出射されるか、誘電体積層膜を通過するかが決定される構造、構成となっている。こうして、第２光学部材４０から出射された光が観察者の瞳１３に到達することで、画像として認識することができる。しかも、導光板２１の厚さを薄くすることができる。

そして、実施例１の画像表示装置１０にあっては、θ₂＞θ₁を満足し、あるいは又、光学基軸ＯＢＬは、光学基軸ＯＢＬが導光板２１と交わる地点における導光板２１の法線と平行ではない。具体的には、光学基軸ＯＢＬとこの法線の成す角度はθ₂である。あるいは又、画像形成装置１１の如何なる画素から出射され、コリメート光学系１２を通過する平行光であっても、この平行光が入射する導光板２１の光入射面（第１面２２）の法線とは平行でない。従って、画像形成装置１１から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１に衝突し、導光板２１の光入射面（第１面２２）によって反射された光（例えば、遠端部画素光線Ｌｔ_FH）が画像形成装置１１に入射することがない。それ故、画像形成装置１１においてゴースト像が生じることが無く、画像のコントラストを高めることができ、高品質の画像を表示することが可能となる。

実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の画像表示装置１１０の概念図を図３に示し、画像形成装置１１から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１に衝突する光を模式的に図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。実施例２の画像表示装置１１０にあっても、θ₂＞θ₁を満足する。尚、図４の（Ａ）に、参考のために、θ₂＝θ₁の場合を示し、図４の（Ｂ）に、θ₂＞θ₁の場合を示す。具体的には、実施例２にあっても、θ₁，θ₂の値を実施例１と同じとした。但し、実施例２の画像表示装置１１０にあっては、遠端部画素光線Ｌｔ_FHがＹ_i軸と交わる角度は鈍角である。具体的には、この角度は、［９０＋（θ₂−θ₁）］度である。また、中心光ＣＬは、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して角度θ₂にて交わっている。即ち、中心光ＣＬは、第２光学部材４０から遠い側から鈍角の角度をもって導光板２１に入射する。

このような画像形成装置の配置状態が異なる点を除き、実施例２の画像表示装置１１０の構成、構造は、実施例１の画像表示装置１０の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例２の画像表示装置１１０にあっても、θ₂＞θ₁を満足し、あるいは又、光学基軸ＯＢＬは、光学基軸ＯＢＬが導光板２１と交わる地点における導光板２１の法線と平行ではない。具体的には、光学基軸ＯＢＬとこの法線の成す角度はθ₂である。あるいは又、画像形成装置１１の如何なる画素から出射され、コリメート光学系１２を通過する平行光であっても、この平行光が入射する導光板２１の光入射面（第１面２２）の法線と平行でない。従って、画像形成装置１１から出射され、コリメート光学系１２を通過し、導光板２１に衝突し、導光板２１の光入射面（第１面２２）によって反射された光（例えば、近端部画素光線Ｌｔ_PX）が画像形成装置１１に入射することがない。それ故、画像形成装置１１においてゴースト像が生じることが無く、画像のコントラストを高めることができ、高品質の画像を表示することが可能となる。

実施例３も、実施例１あるいは実施例２の変形である。但し、実施例３の画像表示装置２１０にあっては、概念図を図５（実施例１の変形例）あるいは図６（実施例２の変形例）に示すように、コリメート光学系２１２の光軸はＸ_i軸と平行である。そして、コリメート光学系２１２の光軸は、光学的に、画像形成装置２１１の中心（より具体的には、液晶表示装置２５１の中心）から外れた位置を通過する。このような構成とすることで、中心光ＣＬは、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して、鋭角にて、あるいは又、鋭角にて交わるようになる。具体的には、実施例３にあっても、θ₁，θ₂の値は、実施例１あるいは実施例２と同じ値を有する。尚、実施例３にあっては、液晶表示装置２５１は透過型の液晶表示装置から構成されている。

以上の点を除き、実施例３の画像表示装置の構成、構造は、実施例１あるいは実施例２の画像表示装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した画像表示装置の構成、構造は例示であり、適宜変更することができる。

実施例での使用に適した画像形成装置の変形例として、例えば、図７に概念図を示したような、半導体発光素子から成る発光素子３０１が２次元マトリクス状に配列された発光パネルから成り、発光素子３０１のそれぞれの発光／非発光状態を制御することで、発光素子３０１の発光状態を直接的に視認させることで画像を表示する、アクティブマトリックスタイプの画像形成装置とすることもできる。この画像形成装置から出射された光は、コリメート光学系１２，２１２を介して導光板２１に入射される。

あるいは又、図８に概念図を示すように、
（α）赤色を発光する赤色発光素子３０１Ｒが２次元マトリクス状に配列された赤色発光パネル３１１Ｒ、
（β）緑色を発光する緑色発光素子３０１Ｇが２次元マトリクス状に配列された緑色発光パネル３１１Ｇ、及び、
（γ）青色を発光する青色発光素子３０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された青色発光パネル３１１Ｂ、並びに、
（δ）赤色発光パネル３１１Ｒ、緑色発光パネル３１１Ｇ及び青色発光パネル３１１Ｂから出射された光を１本の光路に纏めるための手段（例えば、ダイクロイック・プリズム３０３）、
を備えており、
赤色発光素子３０１Ｒ、緑色発光素子３０１Ｇ及び青色発光素子３０１Ｂのそれぞれの発光／非発光状態を制御するカラー表示の画像形成装置とすることもできる。この画像形成装置から出射された光も、コリメート光学系１２，２１２を介して導光板２１に入射される。尚、参照番号３１２は、発光素子から出射された光を集光するためのマイクロレンズである。

あるいは又、発光素子３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂ等から成る画像形成装置の概念図を図９に示すが、発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂから出射された光は、光通過制御装置３０４Ｒ，３０４Ｇ，３０４Ｂによって通過／非通過が制御され、ダイクロイック・プリズム３０３に入射し、これらの光の光路は１本の光路に纏められ、コリメート光学系１２，２１２を介して導光板２１に入射される。

あるいは又、発光素子３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂ等から成る画像形成装置の概念図を図１０に示すが、発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂから出射された光は、ダイクロイック・プリズム３０３に入射し、これらの光の光路は１本の光路に纏められ、ダイクロイック・プリズム３０３から出射したこれらの光は光通過制御装置３０４によって通過／非通過が制御され、コリメート光学系１２，２１２を介して導光板２１に入射される。

図１は、実施例１の画像表示装置の概念図である。 図２は、実施例１の画像表示装置において、画像形成装置から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板に衝突する光を模式的に示す図である。 図３は、実施例２の画像表示装置の概念図である。 図４は、実施例２の画像表示装置において、画像形成装置から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板に衝突する光を模式的に示す図である。 図５は、実施例３の画像表示装置の概念図である。 図６は、実施例３の画像表示装置の変形例の概念図である。 図７は、実施例での使用に適した画像形成装置の変形例の概念図である。 図８は、画像形成装置の別の変形例を示す概念図である。 図９は、画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図１０は、画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図１１は、従来の画像表示装置の概念図である。 図１２は、従来の画像表示装置において、画像形成装置から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板に衝突する光を模式的に示す図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０・・・画像表示装置、１１，２１１・・・画像形成装置、１２，２１２・・・コリメート光学系、１３・・・瞳、２０・・・光学装置、２１・・・導光板、２２・・・導光板の第１面、２３・・・導光板の第２面、３０・・・第１光学部材、４０・・・第２光学部材、５０・・・反射型空間光変調装置、５１，２５１・・・液晶表示装置、５２・・・偏光ビームスプリッター、５３・・・光源、２５０・・・透過型空間光変調装置、３００・・・光源、３０１，３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂ・・・発光素子、３０２・・・光案内部材、３０３・・・ダイクロイック・プリズム、３０４，３０４Ｒ，３０４Ｇ，３０４Ｂ・・・光通過制御装置、３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂ・・・発光パネル、３１２・・・マイクロレンズ

Claims (11)

1. （Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置、
   （Ｂ）画像形成装置の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系、及び、
   （Ｃ）コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えた画像表示装置であって、
   光学装置は、
   （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
   （ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を反射又は回折させる第１光学部材、及び、
   （ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させる第２光学部材、
   を備えており、
   画像形成装置の中心から最も離れた所に位置する画素から出射され、コリメート光学系の画像形成装置側節点を通過する光のコリメート光学系への入射角度をθ₁とし、画像形成装置の中心に位置する画素から出射され、コリメート光学系の画像形成装置側節点を通過する光の導光板への入射角をθ₂としたとき、θ₂＞θ₁を満足することを特徴とする画像表示装置。
2. コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心を通過することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. コリメート光学系の光軸は、第１光学部材の中心を通過する導光板の光入射面における法線と平行であり、
   コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心から外れた位置を通過することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 画像形成装置は、反射型空間光変調装置、及び、光源から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成ることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. （Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置、
   （Ｂ）画像形成装置の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系、及び、
   （Ｃ）コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えた画像表示装置であって、
   光学装置は、
   （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
   （ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を反射又は回折させる第１光学部材、及び、
   （ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させる第２光学部材、
   を備えており、
   画像形成装置の如何なる画素から出射され、コリメート光学系を通過する平行光であっても、該平行光が入射する導光板の光入射面の法線と平行でないことを特徴とする画像表示装置。
7. 画像形成装置の如何なる画素から出射され、コリメート光学系を通過し、導光板の光入射面によって一部が反射された平行光であっても、画像形成装置に入射しないことを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
8. コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心を通過することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の画像表示装置。
9. コリメート光学系の光軸は、第１光学部材の中心を通過する導光板の光入射面における法線と平行であり、
   コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心から外れた位置を通過することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の画像表示装置。
10. 画像形成装置は、反射型空間光変調装置、及び、光源から成ることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の画像表示装置。
11. 反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成ることを特徴とする請求項１０に記載の画像表示装置。

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