JP5781165B2 - 頭部装着型映像表示装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１２年４月５日に日本国に特許出願された特願２０１２−０８６２５４の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。

本発明は、照明光を高効率で用いる映像表示装置に関する。

頭部に装着して、小型な表示素子の映像を接眼光学系により拡大した虚像を観察させる映像表示装置が知られている。頭部に装着されるので、映像表示装置は小型化されることが望まれている。

このような映像表示装置では、光源から照射される照明光を表示素子を用いて変調することにより映像が形成される。したがって、映像表示装置には、光源、表示素子、および光源の照明光を表示素子に伝達する照明光学系と表示素子に形成される映像を観察者の眼球に伝達する接眼光学系が設けられる。映像表示装置に求められる様々な特性を最適化しながら、これらの部位の形状、配置、および組合わせが定められ、映像表示装置の大きさが定まる。

映像表示装置では、光源から発せられる照明光を高い効率で用いることが求められる。そこで、ミラーを組合わせることにより照明光学系を構成し、光源と光学瞳とが共役になるように照明ミラーを配置することにより（特許文献１参照）、映像表示装置の小型化を図りながら、照明光を効率的に用いることが提案されている。

特開２０１０−７２１５１号公報

しかし、特許文献１における光源と光学瞳との共役化は、接眼光学系の構成によっては照明光の効率化を図ることができないことがあった。特に、接眼光学系を小型化する場合には、特許文献１の構成では照明光の効率化を図ることが難しかった。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、小型で高効率な照明を可能とした映像表示装置を提供することを目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、本発明による第１の映像表示装置は、
照明光を射出する光源と、
照明光を変調して映像光として射出する表示素子と、
光源から射出される照明光を前記表示素子に向けて射出し、正のパワーを有し光軸に対して非回転対称である光学面を有する偏心照明光学系と、
表示素子から射出される映像光を伝達し、伝達された映像光を射出する接眼面を有する接眼光学系とを備え、
偏心照明光学系は、表示素子が射出する映像光の中心光線を含む任意の第１の平面において光源の像を接眼面または接眼面近傍に結像させる
ことを特徴とするものである。

上述した諸課題を解決すべく、本発明による第２の映像表示装置は、
照明光を射出する光源と、
照明光を変調して映像光として射出する表示素子と、
光源から射出される照明光を表示素子に向けて射出する正のパワーを有した偏心照明光学系と、
表示素子から射出される映像光を伝達し、伝達された映像光を射出する接眼面を有する接眼光学系とを備え、
偏心照明光学系は、表示素子が射出する映像光の中心光線を含む任意の第１の平面において光源の像を接眼面から射出された外部に結像させ、中心光線を含み第１の平面と異なる第２の平面において光源の像を接眼面より前記表示素子側に結像させる
ことを特徴とするものである。

上述した諸課題を解決すべく、本発明による第３の映像表示装置は、
照明光を射出する光源と、
照明光を変調して映像光として射出する表示素子と、
光源から射出される前記照明光を前記表示素子に向けて射出し、正のパワーを有し光軸に対して非回転対称である光学面を有する偏心照明光学系と、
表示素子から射出される前記映像光を伝達し、伝達された映像光を射出する接眼面を有する接眼光学系とを備え、
光源を物点としたときの偏心照明光学系によるサジタル面における結像位置であるサジタル結像位置がメリジオナル面における結像位置であるメリジオナル結像位置よりも前記表示素子側に位置する、
ことを特徴とするものである。

上記のように構成された本発明に係る映像表示装置によれば、偏心照明光学系により光源の像の結像位置を調整することにより小型な接眼光学系においても照明光の損失を低減化させることが可能である。それゆえ、高効率の照明光の利用を達成しながら接眼光学系を小型化させた映像表示装置を提供することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る映像表示装置を取付けたメガネを頭部に装着した観察者の外観斜視図である。 第１の実施形態の映像表示装置の断面図である。 マスクの正面図である。 照明プリズムの拡大図である。 第２面側から見た接眼プリズムの外観図である。 第１の実施形態の映像表示装置において、第１の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第１の実施形態の映像表示装置において、第２の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第２の実施形態の映像表示装置において、第２の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第３の実施形態の映像表示装置において、第１の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第３の実施形態の映像表示装置において、第２の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 本発明の第４の実施形態に係る映像表示装置を取付けたメガネを頭部に装着した観察者の外観斜視図である。 第４の実施形態の映像表示装置の断面図である。 マスクの正面図である。 照明プリズムの拡大図である。 第２面側から見た接眼プリズムの外観図である。 第４の実施形態の映像表示装置において、第１の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第４の実施形態の映像表示装置において、第２の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第５の実施形態の映像表示装置において、第１の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第６の実施形態の映像表示装置において、第２の平面における光源像の結像位置を説明するための、光路図である。 第１の実施形態から第３の実施形態に反射型ＬＣＤ表示素子を用いた場合の映像表示装置の断面図である。 第４の実施形態から第６の実施形態に反射型ＬＣＤ表示素子を用いた場合の映像表示装置の断面図である。

以下、本発明を適用した映像表示装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る映像表示装置を取付けたメガネを頭部に装着した観察者の外観斜視図である。

映像表示装置１００は、本体１０１と接眼光学系１０２などを含んで構成される。本体１０１はフックなどの係合部材１０３を用いて、メガネ１０４のテンプル１０５に取付け可能である。接眼光学系１０２は、メガネ１０４を観察者が装着した状態で、本体１０１から観察者の眼球の前方まで延びるように形成される。本体１０１は観察させる画像を形成し、映像光として射出する。接眼光学系１０２は、本体１０１を取付けたメガネ１０４を観察者が装着している状態で、映像光を本体１０１から観察者の眼球に導光する。

図２に示すように、本体１０１には、光源１０６、照明プリズム１０７、表示素子１０８などが設けられる。光源１０６は、例えばＬＥＤであり、照明光を発する。照明プリズム１０７は、入射面１０９、射出面１１０、および反射面１１１を有する。光源１０６が発する照明光が入射面１０９に入射するように、照明プリズム１０７は配置される。

照明プリズム１０７の入射面１０９は、好ましくは図３に示すように、矩形の開口１１２が形成されたマスク１１３によって覆われる。開口１１２を通過する照明光の光束が入射面１０９に入射する。

照明プリズム１０７に入射した照明光を射出面１１０が反射面１１１に向けて全反射し、全反射された照明光を射出面１１０に略垂直に入射するように反射面１１１が照明光を反射し、略垂直に入射する照明光が射出面１１０を透過するように、照明プリズム１０７は形成され、配置される。なお、照明プリズムの反射面１１１の形状については、後に詳細に説明する。

このように光源１０６から射出面１１０までの光軸に対して、光学的なパワーを有する反射面１１１を、後述するように、回転非対称な偏心照明光学系として用いることにより、光路をコンパクトに折り畳んで小型な照明プリズムを用いることが可能である。

図４に示すように、入射面１０９には、例えば砂目処理のような、光を拡散するように微細な凹凸を形成する面処理が施される。このような面処理を施すことにより、ＬＥＤのように小さ過ぎる光源サイズを擬似的に拡大し２次光源を形成することが可能である。

射出面１１０を透過した照明光が入射する位置に表示素子１０８が配置される。表示素子１０８は、例えば透過型ＬＣＤ表示素子である。表示素子１０８は、透過する照明光の光束を、２次元状に配置された画素毎に変調することにより、観察者に観察させる画像に相当する映像光を形成し、射出する。

表示素子１０８からの映像光の射出方向に接眼光学系１０２が設けられる。なお、本体１０１の筐体１１４において表示素子１０８と接眼光学系１０２の間には孔部が形成され、映像光を伝達可能である。

接眼光学系１０２は、接眼プリズム１１５と接眼窓１１６（接眼面）とによって構成される（図２参照）。接眼プリズム１１５は、第１〜第６面を有するプリズムである。接眼プリズム１１５は、以下に説明する外形となるように形成される。

第１面１１７および第２面１１８は等脚台形状であり（図５参照）、互いに平行である。映像入射面となる第３面１１９は、第１面１１７および第２面１１８の下底側の面であり、第１面１１７および第２面１１８に垂直である（図２、図５参照）。第４面１２０は、第３面１１９に対向する面であって、第１面１１７および第３面１１９に４５°傾斜している。また、第１面１１７の第４面１２０側の端部近傍であって観察者の装着時に眼球の正面に位置する部位、および第４面１２０は高さｈが第３面１１９の高さよりも低く４ｍｍ以下である（図５参照）。

接眼窓１１６は片凸レンズであって、平面が接眼プリズム１１５の第１面１１７上における第４面１２０寄りの端部近傍に接着される（図２参照）。接眼窓１１６は、第１面１１７における高さ方向ｈｄ（第１の方向）の長さが４ｍｍ以下であって、第１面１１７の長手方向ｗｄ（第２の方向）の長さより短くなるように形成される。接眼窓１１６の高さ方向ｈｄの長さは、第３面１１９の高さ方向の長さよりも短く、接眼窓１１６の面積は第３面１１９の面積より小さい。

表示素子１０８からの映像光の射出方向が第３面１１９と垂直となるように、またメガネ１０４を介した映像表示装置１００の観察者による装着時に接眼窓１１６が観察者の眼球に対向するように、接眼プリズム１１５は本体１０１に固定される。

上述のように接眼光学系１０２を本体１０１に固定することにより、接眼光学系１０２に入射する映像光は第４面１２０において接眼窓１１６の方向に反射される。さらに映像光は接眼窓１１６から射出されることにより、観察者の眼球に入射し、観察者は映像光を観察可能である。

また、接眼プリズム１１５および接眼窓１１６の高さ方向ｈｄの長さが４ｍｍ以下なので、観察者の眼球の正面に接眼光学系１０２を配置させながらも、外界を遮蔽せずに映像光を観察可能である。人間の瞳孔径は明るさに応じて２〜８ｍｍの間で変化し、平均的な明るさの環境において４ｍｍ程度である。それゆえ、人間の眼球正面に配置された遮蔽物となる接眼光学系１０２が瞳孔径よりも小さいので、遠方の景色を遮蔽物によって遮られること無く、観察可能である。

次に、偏心照明プリズム１０７の構成について詳細に説明する。偏心照明プリズム１０７の構成について説明するために、表示素子１０８から射出された映像光の中心光線ＣＲを含み、接眼プリズム１１５の高さ方向ｈｄに平行な平面を第１の平面とする（図２参照）。また、表示素子１０８から射出された映像光の中心光線ＣＲを含み、第１の平面に垂直な平面を第２の平面とする。光源を物点としたとき、偏心照明プリズム１０７のサジタル面が第１の平面と一致し、メリジオナル面が第２の平面と一致する。

なお、メリジオナル面とは、光源を軸外の物点とした場合に、光学系の光軸と物点または主光線を含む面であり、サジタル面とは、主光線を含みメリジオナル面に垂直な面である。光学系が偏心している場合には、その偏心を考慮して上記の定義が適応される。

第１の平面における反射面１１１の曲率半径を調整することにより、入射面１０９に形成される２次光源の第１の平面における結像位置を調整可能である。また、第２の平面における反射面１１１の曲率半径を調整することにより、入射面１０９に形成される２次光源の第２の平面における結像位置を調整可能である。

図６に示すように、入射面１０９に形成される２次光源が、第１の平面（図６紙面）において実質的に接眼窓１１６上に結像するように、反射面１１１は形成される。また、図７に示すように、入射面１０９に形成される２次光源が、第２の平面（図７紙面）において接眼窓１１６の外部に結像するように、反射面１１１は形成される。なお、接眼窓１１６の外部とは、接眼光学系１０２の光軸に沿って表示素子１０８の反対側に進行した空間である。

また、反射面１１１は、（Ｆｓ＋Ｅ）が実質的にＦｍに等しくなるように、形成される（図６、７参照）。なお、Ｅはアイリリーフであり、映像表示装置１００を取付けたメガネ１０４の装着時における、接眼窓１１６から眼球表面までの距離として想定される値である。また、Ｆｓは、第１の平面において、入射面１０９を物点としたときの反射面１１１による（サジタル）結像距離である。また、Ｆｍは、第２の平面において、入射面１０９を物点としたときの反射面１１１による（メリジオナル）結像距離である。

上述のような入射面１０９に形成される２次光源の結像位置は、Ｒｓ＜Ｒｍとなるように反射面１１１を形成することにより調整可能である。なお、Ｒｓは第１の平面における反射面１１１の曲率半径である。Ｒｍは第２の平面における反射面１１１の曲率半径である。さらに、接眼窓１１６の曲率半径をＲとすると、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たすように接眼窓１１６は形成される。

なお、第１の平面において光源の像を結像する位置を、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たすように接眼窓１１６近傍にしてもよい。ただし、Ｌは反射面１１１から接眼窓１１６までの光軸光路長であり、Ａｍが接眼窓１１６の長手方向の開口幅である。

以上のような構成の第１の実施形態の映像表示装置によれば、高い効率で照明光を用いながら、接眼光学系１０２の小型化を図ることが可能である。このような効果について、以下に簡単に説明する。

前述のように、従来の映像表示装置では、ミラーの組合せにより照明光学系の小型化を図りながら、光源と光学瞳とを共役化することにより、瞳孔に入射できない映像光の光束を減じることが可能である。このとき通常、光学瞳は瞳孔などの眼球近傍に配置される。それゆえ、映像光を形成するための照明光が高い効率で使用される。しかし、このような照明光の高効率化を達成するためには、接眼光学系１０２において照明光のケラレが生じないことが前提となる。

第１の実施形態のように、接眼プリズム１１５および接眼窓１１６の大きさに制約がある場合には、接眼光学系１０２によるケラレが生じないように光源の結像位置（光源像）を配置することが重要である。具体的には、第１の実施形態においては、接眼プリズム１１５および接眼窓１１６の高さ方向ｈｄ（図２参照）の長さを短くすることが制約となる。このように、高さ方向ｈｄの短い接眼光学系１０２を用いて光源像を瞳孔などの眼球近傍位置と共役になるように配置する構成では、接眼光学系１０２のケラレによる伝達損失が大きくなり、照明光の使用効率は低下することがある。

そこで、第１の実施形態では、第１の平面においては、入射面１０９に形成される２次光源を接眼窓１１６に結像させている（図６参照）。なお、第１の平面は、接眼光学系１０２を構成する部材の長さに制約が設けられる高さ方向ｈｄに平行な関係を有する。このような構成により、伝達損失を低減化することが可能である。伝達損失を低減化させることにより、全体としての照明光の使用効率を向上させることが可能である。

さらに、２次光源を接眼窓１１６に結像させることにより、接眼光学系１０２の接眼窓１１６から射出される光束の高さ方向の幅を、第３面１１９に入射する光束の高さ方向の幅よりも小さく出来る。そのため、伝達損失を低減化させながら、接眼窓１１６の小型化を図ることが可能である。例えば、通常、第３面１１９は表示素子１０８の近傍に設けられるので、第３面１１９の開口幅は表示素子１０８からの映像光を取込むため表示素子１０８の有効領域の幅より大きくする必要がある。一方で、接眼窓１１６は表示素子１０８の有効領域の幅よりも小さくすることが可能であり、より小型な映像表示装置を提供することが可能である。

また、第１の実施形態においては、第２の平面において、接眼窓１１６の第２の平面と平行な方向の開口幅は十分な幅を有するため、入射面１０９に形成される２次光源を実質的に瞳孔または眼球近傍位置に結像させることが可能である（図７参照）。なお、第２の平面は接眼光学系１０２を構成する部材の長さに制約が設けられない長手方向ｗｄと接眼窓１１６の光軸を通る関係を有する。このような構成により、伝達損失を増加させること無く、瞳孔に入射できない映像光の光束を減じることが可能である。

また、第１の実施形態においては、接眼窓１１６はＲｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たしているので、第１の平面においては接眼窓１１６の近傍または接眼窓１１６よりも表示素子１０８側に光源像を形成することが可能である。また、第２の平面においては、接眼窓１１６の表示素子１０８よりも遠い側の外部または瞳孔や眼球近傍位置に光源像を近付けることが可能である。両平面においてそれぞれ異なる最適な位置に光源像を近付けることができるので、照明光の使用効率をさらに向上させることが可能である。

また、第１の平面において、光源の像を、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たすように接眼窓１１６近傍に結像させてもよい。すなわち、接眼窓１１６と第４面１２０とによって囲まれる領域は高さ方向ｈｄが特に小さいため、その部分を通る光束を細くすることにより高い使用効率を得ることが可能である。

また、第１の実施形態においては、光を拡散させる面処理が表示素子１０８から照明プリズム１０７の中の光路上で最も離れた位置に施される。このような構成により照明光の効率を向上させなら、映像光の画質を向上させることが可能である。このような効果について以下に説明する。

光を拡散する処理を施すことにより光源サイズを擬似的に拡大した２次光源を形成することができ、射出瞳が光源像で満たされる。射出瞳を光源像で満たすことにより、瞳孔の観察位置からの僅かの移動に対して発生し得る照明ムラを軽減化させることができる。しかし、砂目処理のように光を拡散する面処理を施すと、当該拡散面の凹凸形状の像を含む照明光が映像光の形成に用いられるため、映像光の画質が低下することがある。

そこで、第１の実施形態においては、面処理が施される位置が、照明プリズム１０７内部で表示素子１０８から最も離れた位置に形成される。このような構成により、照明光の凹凸形状の映像光への影響を低減化される。さらに、面処理を照明プリズム１０７の面上に施すことにより、別途拡散板などを配置する必要がなく低コスト化を図ることが可能である。

また、第１の実施形態では、光源像を擬似的に拡大する入射面１０９は、正の光学的パワーを有する反射面１１１よりも光源１０６側にあるので、拡散処理が施された入射面１０９から拡散される光を拡大させた２次光源として用いることが可能である。そのような２次光源を反射面１１１によって結像させることにより拡大された光源像が得られる。

また、第１の実施形態では、入射面１０９がマスク１１３で覆われるので、不要光や迷光を軽減することが可能である。不要光や迷光を軽減することにより、接眼光学系１０２において観察する映像光内のフレアおよびゴーストを軽減することが可能である。

次に、本発明の第２の実施形態に係る映像表示装置について説明する。第２の実施形態は照明プリズムにおける反射面の構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。

第２の実施形態では、照明プリズム以外の部位の構成および機能は第１の実施形態と同じである。第１の実施形態と同じく、入射面１０９に形成される２次光源が、第１の平面において実質的に接眼窓１１６上に結像するように、反射面１１１０は形成される（図６参照）。また、第１の実施形態と異なり、入射面１０９に形成される２次光源が、第２の平面においても実質的に接眼窓１１６上に結像するように、反射面１１１０は形成される（図８参照）。

また、反射面１１１０は、接眼プリズム１１５の物側結像距離Ｆが、（Ｆｍ−ｄ）および（Ｆｓ−ｄ）に等しくなるように、形成される。なお、ｄは表示素子１０８から反射面１１１０までの光路長である。

第１の実施形態と同様に、上述のような入射面１０９に形成される２次光源の結像位置は、Ｒｓ＜Ｒｍとなるように反射面１１１０を形成することにより調整可能である。また、第１の実施形態と同様に、接眼窓１１６は、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たすように形成される。

以上のような構成の第２の実施形態の映像表示装置によっても、第１の実施形態と同様に、入射面１０９における２次光源を接眼窓１１６に結像させるので、接眼光学系１０２の小型化を図りながら、高い効率で照明光を用いることが可能である。

特に、第１の実施形態と異なり、第２の平面においても入射面１０９における光源像を接眼窓１１６に結像させているので、接眼窓１１６の第２平面と平行な方向の開口幅に制約が設けられている場合、例えば接眼窓１１６の第２平面と平行な方向の開口幅の長さが４ｍｍ以下に定められる場合に第２の平面における伝達損失を低減化可能である。したがって、全体としての照明光の使用効率を向上させることが可能である。

また、第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、照明プリズム１０７内で拡散面処理を施す位置を表示素子１０８から離しているので、凹凸形状の映像光への影響を低減化することが可能である。

また、第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たしているので、照明光の使用効率をさらに向上させることが可能である。

また、第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、正の光学的パワーを有する反射面１１１０よりも拡散面処理を施した入射面１０９を光源１０６側に配置するので、拡散面処理が施された入射面１０９から拡散される光を２次光源として用いることができる。その２次光源を反射面１１１０によって結像させることにより拡大された光源像を得ることが可能である。

また、第２の実施形態によっても、入射面１０９がマスク１１３で覆われるので、映像光内のフレアおよびゴーストを軽減することが可能である。

次に、本発明の第３の実施形態に係る映像表示装置について説明する。第３の実施形態は照明プリズムにおける反射面の構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。

第３の実施形態では、照明プリズム以外の部位の構成および機能は第１の実施形態と同じである。

第３の実施形態では、反射面１１１１が球面上に形成される（図９、１０参照）。つまり、Ｒｓ＝Ｒｍとなるが、照明プリズム１０７は光軸に対して回転対称でなく、偏心している。それゆえ、反射面１１１１の第１の平面における結像距離（図９参照）と、第２の平面における結像距離（図１０参照）とが大きくずれることにより、非点収差が発生する。

第１の平面および第２の平面の中で、結像距離が短くなる平面における光源像が接眼プリズム１１５内部で結像するように、反射面１１１１は形成される。また、第１の平面および第２の平面の中で、結像距離が長くなる平面における光源像が接眼窓１１６の外部で結像するように、反射面１１１１は形成される。

なお、本実施形態においては、第１の平面における結像距離（図９参照）は第２の平面における結像距離（図１０参照）より長い。それゆえ、入射面１０９における２次光源が、第１の平面においては接眼窓１１６の外部で、第２の平面においては接眼プリズム１１５の内部で結像するように、反射面１１１１は形成される。さらに、反射面１１１１は、（Ｆｍ−ｄ）＜Ｆ＜（Ｆｓ−ｄ）を満たすように形成される。

以上のような構成の第３の実施形態の映像表示装置によれば、接眼光学系１０２の小型化を図りながら、高い効率で照明光を用いることが可能である。

前述のように、第３の実施形態の接眼プリズム１１５には大きさの制約があり、光源像を瞳孔上に結像させる構成、および光源像と接眼光学系１０２の射出瞳とを共役にする構成では伝達損失が大きくなる。特に、第１の平面および第２の平面における光源像のいずれもが、接眼プリズム１１５の内部、または接眼プリズム１１５の外部に結像する場合には、第１の平面および第２の平面のいずれかにおいて伝達損失が大きくなる。

そこで、第３の実施形態のように、第１の平面および第２の平面の一方においては接眼プリズム１１５の内部で結像し、他方において接眼プリズム１１５の外部で結像させることにより、照明光の伝達損失を低減化させることが可能である。伝達損失を低減化することにより、全体としての照明光の使用効率を向上させることが可能である。

また、第３の実施形態では、反射面１１１１を球面状に形成するので、非球面状に形成することに比べ容易である。容易に形成することが可能なので、製造コストを低減化させることが可能である。

さらに、第３の実施形態では、反射面１１１１は、（Ｆｍ−ｄ）＜Ｆ＜（Ｆｓ−ｄ）を満たすように形成されるので、第１の平面および第２の平面における光源像の結像位置を接眼窓１１６を基準にして適切に設定することが可能である。第１の平面および第２の平面における光源像の結像位置を最適化することにより、照明光の使用効率をさらに向上させることが可能である。

また、第３の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、照明プリズム１０７内で拡散面処理を施す位置を表示素子１０８から離しているので、凹凸形状の映像光への影響を低減化することが可能である。

また、第３の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、正の光学的パワーを有する反射面１１１１よりも拡散面処理を施した入射面１０９を光源１０６側に配置するので、拡散面処理が施された入射面１０９から拡散される光を２次光源として用いることができる。その２次光源を反射面１１１１によって結像させることにより拡大された光源像を得ることが可能である。

また、第３の実施形態によっても、入射面１０９がマスク１１３で覆われるので、映像光内のフレアおよびゴーストを軽減することが可能である。

次に、本発明の第４の実施形態に係る映像表示装置について説明する。図１１に示すように、映像表示装置２１００は、本体２１０１と接眼光学系２１０２などを含んで構成される。本体２１０１はフックなどの係合部材２１０３を用いて、メガネ２１０４のテンプル２１０５に取付け可能である。接眼光学系２１０２は、観察者がメガネ２１０４を装着した状態で、本体２１０１から観察者の眼球の前方まで延びるように形成される。本体２１０１は観察させる画像を形成し、映像光として射出する。接眼光学系２１０２は、本体２１０１を取付けたメガネ２１０４を観察者が装着している状態で、映像光を本体２１０１から観察者の眼球に導光する。

図１２に示すように、本体２１０１には、光源２１０６、照明プリズム２１０７、表示素子２１０８などが設けられる。光源２１０６は、例えばＬＥＤであり、照明光を発する。照明プリズム２１０７は、入射面２１０９、射出面２１１０、および反射面２１１１を有する。光源２１０６が発する照明光が入射面２１０９に入射するように、照明プリズム２１０７は配置される。

照明プリズム２１０７の入射面２１０９は、好ましくは図１３に示すように、矩形の開口２１１２が形成されたマスク２１１３によって覆われる。開口２１１２の２辺は、後述する高さ方向ｈｄに平行である。また、高さ方向ｈｄに垂直な２辺は、平行な２辺より長くなるように形成される。開口２１１２を通過する照明光の光束が入射面２１０９に入射する。

照明プリズム２１０７に入射した照明光を射出面２１１０が反射面２１１１に向けて全反射し、全反射された照明光を射出面２１１０に略垂直に入射するように反射面２１１１が照明光を反射し、略垂直に入射する照明光が射出面２１１０を透過するように、照明プリズム２１０７は形成され、配置される。なお、照明プリズム２１０７の反射面２１１１の形状については、後に詳細に説明する。

このように光源２１０６から射出面２１１０までの光軸に対して、光学的なパワーを有する反射面２１１１を、後述するように、回転非対称な偏心照明光学系として用いることにより、光路をコンパクトに折り畳んで小型な照明プリズムを用いることが可能である。

図１４に示すように、入射面２１０９には、例えば砂目処理のような、光を拡散するように微細な凹凸を形成する面処理が施される。このような面処理を施すことにより、ＬＥＤのように小さ過ぎる光源サイズを擬似的に拡大し２次光源を形成することが可能である。

射出面２１１０を透過した照明光が入射する位置に表示素子２１０８が配置される。表示素子２１０８は、例えば透過型ＬＣＤ表示素子である。表示素子２１０８は、透過する照明光の光束を、２次元状に配置された画素毎に変調することにより、観察者に観察させる画像に相当する映像光を形成し、射出する。

表示素子２１０８からの映像光の射出方向に接眼光学系２１０２が設けられる。なお、本体２１０１の筐体２１１４において表示素子２１０８と接眼光学系２１０２の間には孔部が形成され、映像光を伝達可能である。

接眼光学系２１０２は、接眼プリズム２１１５と接眼窓２１１６（接眼面）とによって構成される（図１２参照）。接眼プリズム２１１５は、第１〜第６面を有するプリズムである。接眼プリズム２１１５は、以下に説明する外形となるように形成される。

第１面２１１７および第２面２１１８は等脚台形状であり（図１５参照）、互いに平行である。映像入射面となる第３面２１１９は、第１面２１１７および第２面２１１８の下底側の面であり、第１面２１１７および第２面２１１８に垂直である（図１２、図１５参照）。第４面２１２０は、第３面２１１９に対向する面であって、第１面２１１７および第３面２１１９に４５°傾斜している。また、第１面２１１７の第４面２１２０側の端部近傍であって観察者の装着時に眼球の正面に位置する部位、および第４面２１２０は高さｈが第３面２１１９の高さよりも低く４ｍｍ以下である（図１５参照）。

接眼窓２１１６は片凸レンズであって、平面が接眼プリズム２１１５の第１面２１１７上における第４面２１２０寄りの端部近傍に接着される（図１２参照）。接眼窓２１１６は、第１面２１１７における高さ方向ｈｄ（第１の方向）の長さが４ｍｍ以下であって、第１面２１１７の長手方向ｗｄ（第２の方向）の長さより短くなるように形成される。接眼窓２１１６の高さ方向ｈｄの長さは、第３面２１１９の高さ方向の長さよりも短く、接眼窓２１１６の面積は第３面２１１９の面積より小さい。

表示素子２１０８からの映像光の射出方向が第３面２１１９と垂直となるように、またメガネ２１０４を介した映像表示装置２１００の観察者による装着時に接眼窓２１１６が観察者の眼球に対向するように、接眼プリズム２１１５は本体２１０１に固定される。

上述のように接眼光学系２１０２を本体２１０１に固定することにより、接眼光学系２１０２に入射する映像光は第４面２１２０において接眼窓２１１６の方向に反射される。さらに映像光は接眼窓２１１６から射出されることにより、観察者の眼球に入射し、観察者は映像光を観察可能である。

また、接眼プリズム２１１５および接眼窓２１１６の高さ方向ｈｄの長さが４ｍｍ以下なので、観察者の眼球の正面に接眼光学系２１０２を配置させながらも、外界を遮蔽せずに映像光を観察可能である。人間の瞳孔径は明るさに応じて２〜８ｍｍの間で変化し、平均的な明るさの環境において４ｍｍ程度である。それゆえ、人間の眼球正面に配置された遮蔽物となる接眼光学系２１０２が瞳孔径よりも小さいので、遠方の景色を遮蔽物によって遮られること無く、観察可能である。

次に、偏心照明プリズム２１０７の構成について詳細に説明する。光源２１０６を物点としたとき、偏心照明プリズム２１０７のサジタル面およびメリジオナル面をそれぞれ第１の平面および第２の平面とする。メリジオナル面とは、光源を軸外の物点とした場合に、光学系の光軸と物点または主光線を含む面であり、サジタル面とは、主光線を含みメリジオナル面に垂直な面である。光学系が偏心している場合には、その偏心を考慮して上記の定義が適応される。

接眼プリズム２１１５は、第１面２１１７および第２面２１１８と第１の平面（サジタル面）とが平行になるように、かつ第１面２１１７および第３面２１１９に垂直な平面が第２の平面（メリジオナル面）に平行となるように、本体２１０１に取付けられる。

したがって、第１の平面（サジタル面）は、表示素子２１０８から射出された映像光の中心光線ＣＲを含み、接眼プリズム２１１５の高さ方向ｈｄに平行な平面である。また、第２の平面（メリジオナル面）は、表示素子２１０８から射出された映像光の中心光線ＣＲを含み、第１の平面に垂直な平面である。

第１の平面（サジタル面）における反射面２１１１の曲率半径を調整することにより、入射面２１０９に形成される２次光源の第１の平面における結像位置を調整可能である。また、第２の平面（メリジオナル面）における反射面２１１１の曲率半径を調整することにより、入射面２１０９に形成される２次光源の第２の平面における結像位置を調整可能である。

図１６に示すように、入射面２１０９に形成される２次光源の像が、第１の平面（サジタル面）において実質的に接眼窓２１１６上に結像するように、反射面２１１１は形成される。また、図１７に示すように、入射面２１０９に形成される２次光源の像が、第２の平面（メリジオナル面）において接眼窓２１１６の外部に結像するように、反射面２１１１は形成される。なお、接眼窓２１１６の外部とは、接眼光学系２１０２の光軸に沿って表示素子２１０８の反対側に進行した空間である。

また、反射面２１１１は、（Ｌ＋Ｅ）が実質的にＦｍに等しくなるように、形成される（図１７参照）。なお、Ｅはアイリリーフであり、映像表示装置２１００を取付けたメガネ２１０４の装着時における、接眼窓２１１６から眼球表面までの距離として想定される値である。また、Ｌは反射面２１１１から接眼窓２１１６までの光軸光路長である。また、Ｆｍは、第２の平面（メリジオナル面）において、入射面２１０９を物点としたときの反射面２１１１による結像距離である。

上述のような入射面２１０９に形成される２次光源の結像位置は、Ｒｓ＜Ｒｍとなるように反射面２１１１を形成することにより調整可能である。なお、Ｒｓは第１の平面（サジタル面）における反射面２１１１の曲率半径である。Ｒｍは第２の平面（メリジオナル面）における反射面２１１１の曲率半径である。さらに、接眼窓２１１６の曲率半径をＲとすると、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たすように接眼窓２１１６は形成される。

なお、第１の平面において光源の像を結像する位置を、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たすように接眼窓２１１６近傍にしてもよい。ただし、Ｆｓは、第１の平面において、入射面２１０９を物点としたときの反射面２１１１による結像距離であり、Ａｍが接眼窓２１１６の長手方向の開口幅である（図１７参照）。

以上のような構成の第４の実施形態の映像表示装置によれば、高い効率で照明光を用いながら、接眼光学系２１０２の小型化を図ることが可能である。このような効果について、以下に簡単に説明する。

前述のように、従来の映像表示装置では、ミラーの組合せにより照明光学系の小型化を図りながら、光源と光学瞳とを共役化することにより、瞳孔に入射できない映像光の光束を減じることが可能である。このとき通常、光学瞳は瞳孔などの眼球近傍に配置される。それゆえ、映像光を形成するための照明光が高い効率で使用される。しかし、このような照明光の高効率化を達成するためには、接眼光学系２１０２において照明光のケラレが生じないことが前提となる。

第４の実施形態のように、接眼プリズム２１１５および接眼窓２１１６の大きさに制約がある場合には、接眼光学系２１０２によるケラレが生じないように光源の結像位置（光源像）を配置することが重要である。具体的には、第４の実施形態においては、接眼プリズム２１１５および接眼窓２１１６の高さ方向ｈｄ（図１２参照）の長さを短くすることが制約となる。このように、高さ方向ｈｄの短い接眼光学系２１０２を用いて光源像を瞳孔などの眼球近傍位置と共役になるように配置する構成では、接眼光学系２１０２のケラレによる伝達損失が大きくなり、照明光の使用効率は低下することがある。

そこで、第４の実施形態では、第１の平面（サジタル面）においては、入射面２１０９に形成される２次光源を接眼窓２１１６に結像させている（図１６参照）。なお、第１の平面（サジタル面）は、接眼光学系２１０２を構成する部材の長さに制約が設けられる高さ方向ｈｄに平行な関係を有する。このような構成により、伝達損失を低減化することが可能である。伝達損失を低減化させることにより、全体としての照明光の使用効率を向上させることが可能である。

さらに、２次光源を接眼窓２１１６に結像させることにより、接眼光学系２１０２の接眼窓２１１６から射出される光束の高さ方向の幅を、第３面２１１９に入射する光束の高さ方向ｈｄの幅よりも小さく出来る。そのため、伝達損失を低減化させながら、接眼窓２１１６の小型化を図ることが可能である。例えば、通常、第３面２１１９は表示素子２１０８の近傍に設けられるので、第３面２１１９の開口幅は表示素子２１０８からの映像光を取込むため表示素子２１０８の有効領域の幅より大きくする必要がある。一方で、接眼窓２１１６は表示素子２１０８の有効領域の幅よりも小さくすることが可能であり、より小型な映像表示装置を提供することが可能である。

また、第４の実施形態においては、第２の平面（メリジオナル面）において、接眼窓２１１６の第２の平面と平行な方向の開口幅は十分な幅を有するため、入射面２１０９に形成される２次光源を実質的に瞳孔または眼球近傍位置に結像させることが可能である（図１７参照）。なお、第２の平面は接眼光学系２１０２を構成する部材の長さに制約が設けられない長手方向ｗｄと接眼窓２１１６の光軸を通る関係を有する。このような構成により、伝達損失を増加させること無く、瞳孔に入射できない映像光の光束を減じることが可能である。

また、第４の実施形態においては、接眼窓２１１６はＲｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たしているので、第１の平面においては接眼窓２１１６の近傍または接眼窓２１１６よりも表示素子２１０８側に光源像を形成することが可能である。また、第２の平面（メリジオナル面）においては、接眼窓２１１６の表示素子２１０８よりも遠い側の外部または瞳孔や眼球近傍位置に光源像を近付けることが可能である。両平面においてそれぞれ異なる最適な位置に光源像を近付けることができるので、照明光の使用効率をさらに向上させることが可能である。

また、第１の平面（サジタル面）において、光源の像を、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たすように接眼窓２１１６近傍に結像させているの。接眼窓２１１６と第４面２１２０とによって囲まれる領域は高さ方向ｈｄが特に小さいため、その部分を通る光束を細くすることにより高い使用効率を得ることが可能である。

また、第４の実施形態においては、光を拡散させる面処理が表示素子２１０８から照明プリズム２１０７の中の光路上で最も離れた位置に施される。このような構成により照明光の効率を向上させなら、映像光の画質を向上させることが可能である。このような効果について以下に説明する。

光を拡散する処理を施すことにより光源サイズを擬似的に拡大した２次光源を形成することができ、射出瞳が光源像で満たされる。射出瞳を光源像で満たすことにより、瞳孔の観察位置からの僅かの移動に対して発生し得る照明ムラを軽減化させることができる。しかし、砂目処理のように光を拡散する面処理を施すと、当該拡散面の凹凸形状の像を含む照明光が映像光の形成に用いられるため、映像光の画質が低下することがある。

そこで、第４の実施形態においては、面処理が施される位置が、照明プリズム２１０７内部で表示素子２１０８から最も離れた位置に形成される。このような構成により、照明光の凹凸形状の映像光への影響を低減化される。さらに、面処理を照明プリズム２１０７の面上に施すことにより、別途拡散板などを配置する必要がなく低コスト化を図ることが可能である。

また、第４の実施形態では、光源像を擬似的に拡大する入射面２１０９は、正の光学的パワーを有する反射面２１１１よりも光源２１０６側にあるので、拡散処理が施された入射面２１０９から拡散される光を拡大させた２次光源として用いることが可能である。そのような２次光源を反射面２１１１によって結像させることにより拡大された光源像が得られる。

また、第４の実施形態では、入射面２１０９がマスク２１１３で覆われるので、不要光や迷光を軽減することが可能である。不要光や迷光を軽減することにより、接眼光学系２１０２において観察する映像光内のフレアおよびゴーストを軽減することが可能である。

次に、本発明の第５の実施形態に係る映像表示装置について説明する。第５の実施形態は照明プリズムにおける反射面の構成が第４の実施形態と異なっている。以下に、第４の実施形態と異なる点を中心に第５の実施形態について説明する。なお、第４の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。

第５の実施形態では、照明プリズム以外の部位の構成および機能は第４の実施形態と同じである。

第４の実施形態と異なり、入射面２１０９に形成される２次光源の像は第１の平面（サジタル面）において接眼プリズム２１１５内部で結像し（図１８参照）、第２の平面（メリジオナル面）において接眼窓２１１６の外部で結像するように（図１７参照）、反射面２１１１０は形成される。すなわち、Ｆｓ＜Ｌ＜Ｆｍを満たすように、反射面２１１１０は形成される。

第４の実施形態と同様に、上述のような入射面２１０９に形成される２次光源の結像位置は、Ｒｓ＜Ｒｍとなるように反射面２１１１０を形成することにより調整可能である。また、第４の実施形態と同様に、接眼窓２１１６は、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たすように形成される。

以上のような構成の第５の実施形態の映像表示装置によれば、接眼光学系２１０２の小型化を図りながら、高い効率で照明光を用いることが可能である。

前述のように、第５の実施形態の接眼プリズム２１１５には大きさの制約があり、光源像を瞳孔上に結像させる構成、および光源像と接眼光学系２１０２の射出瞳とを共役にする構成では伝達損失が大きくなる。特に、第１の平面（サジタル面）および第２の平面（メリジオナル面）における光源像のいずれもが、接眼プリズム２１１５から離間した内部、または接眼プリズム２１１５から離間した外部に結像する場合には、第１の平面および第２の平面のいずれかにおいて伝達損失が大きくなる。

そこで、第５の実施形態のように、光源像を第１の平面（サジタル面）においては接眼プリズム２１１５の内部で結像し、第２の平面（メリジオナル面）において接眼プリズム２１１５の外部で結像させることにより、照明光の伝達損失を低減化させることが可能である。伝達損失を低減化することにより、全体としての照明光の使用効率を向上させることが可能である。

また、第５の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、第２の平面（メリジオナル面）において接眼窓２１１６の第２の平面と平行な方向の開口幅は十分な幅を有するため、伝達損失を増加させること無く、瞳孔に入射できない映像光の光束を減じることが可能である。

また、第５の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、接眼窓２１１６はＲｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たしているので、照明光の使用効率をさらに向上させることが可能である。

また、第５の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、照明プリズム２１０７０内で拡散面処理を施す位置を表示素子２１０８から離しているので、凹凸形状の映像光への影響を低減化することが可能である。

また、第５の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、正の光学的パワーを有する反射面２１１１０よりも拡散面処理を施した入射面２１０９を光源２１０６側に配置するので、拡散面処理が施された入射面２１０９から拡散される光を２次光源として用いることができる。その２次光源を反射面２１１１０によって結像させることにより拡大された光源像を得ることが可能である。

また、第５の実施形態によっても、入射面２１０９がマスク２１１３で覆われるので、映像光内のフレアおよびゴーストを軽減することが可能である。

次に、本発明の第６の実施形態に係る映像表示装置について説明する。第６の実施形態は照明プリズムにおける反射面の構成が第４の実施形態と異なっている。以下に、第４の実施形態と異なる点を中心に第６の実施形態について説明する。なお、第４の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。

第６の実施形態では、照明プリズム以外の部位の構成および機能は第４の実施形態と同じである。

第６の実施形態では、入射面に形成される２次光源の像が、第１の平面（サジタル面）において接眼プリズム２１１５の内部で結像するように（図１８参照）、反射面２１１１１が形成される。また、第５の実施形態と異なり、入射面に形成される２次光源の像が、第２の平面（メリジオナル面）において実質的に接眼窓２１１６上に結像するよう（図１９参照）に、反射面２１１１１は形成される。なお、第１の平面において光源の像を結像する位置を、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｍ＜Ｌ＋Ａｍを満たすように接眼窓２１１６近傍にしてもよい。

以上のような構成の第６の実施形態の映像表示装置によれば、接眼光学系２１０２の小型化を図りながら、高い効率で照明光を用いることが可能である。

接眼窓２１１６の第２の平面（メリジオナル面）に平行な方向の寸法は、眼球と接眼窓２１１６との位置合わせの観点では長くすることが好ましい。しかし、眼球に入射しない光が増え、照明光の利用効率が低下することがある。装着者の眼球位置に最適化するように表示装置が固定されれば第２の平面に平行な方向の接眼窓２１１６の寸法を短くしても位置合わせの問題が生じない。そこで、位置合わせの問題が生じないのであれば、眼球に入射しない無駄な光を低減化することにより、照明光の利用効率を向上させることが可能である。そこで、本実施形態のようにメリジオナル面における結像位置が接眼窓２１１６近傍となるように反射面２１１１１を形成することにより、高い効率で照明光を用いることが可能である。

また、第６の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、照明プリズム２１０７１内で拡散面処理を施す位置を表示素子２１０８から離しているので、凹凸形状の映像光への影響を低減化することが可能である。

また、第６の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たしているので、照明光の使用効率をさらに向上させることが可能である。

また、第６の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、正の光学的パワーを有する反射面２１１１１よりも拡散面処理を施した入射面２１０９を光源２１０６側に配置するので、拡散面処理が施された入射面２１０９から拡散される光を２次光源として用いることができる。その２次光源を反射面２１１１１によって結像させることにより拡大された光源像を得ることが可能である。

また、第６の実施形態によっても、入射面２１０９がマスク２１１３で覆われるので、映像光内のフレアおよびゴーストを軽減することが可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、上記の第１〜第３の実施形態において、接眼光学系１０２には接眼プリズム１１５が用いられるが、接眼プリズム１１５に限定されない、例えば、接眼プリズム１１５の第４面１２０と同じ位置に配置されるミラーによって接眼光学系を形成することも可能である。

また、第１〜第３の実施形態において、照明プリズム１０７の入射面１０９には光を拡散する面処理が施される構成であるが、そのような処理が施されずに平坦面であってもよい。ただし、平坦面である場合には、入射面１０９に形成される２次光源の代わりに、光源１０６の像そのものを上述の位置に結像させることにより、第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

また、第１〜第３の実施形態において、接眼光学系１０２はメガネ１０４のテンプル側から眼球正面まで延びるように形成されるが、例えば、レンズの上部から眼球正面まで延びるように形成される構成であってもよい。

また、第１〜第３の実施形態において、表示素子１０８は透過型ＬＣＤ表示素子であるが、反射型ＬＣＤ表示素子であってもよい（図２０参照）。反射型表示素子を用いる場合には、ハーフミラーまたは偏光ビームスプリッタを用いて、２次光源を反射型ＬＣＤ表示素子１０８に導光する。さらに、接眼窓には光学的なパワーを設けずに、接眼プリズム１１５０の第４面１２００を正の光学的なパワーを有する反射面として形成しても同様の効果を得ることが可能である。

また、第１、第２の実施形態において、入射面１０９に形成される２次光源の第１の平面における結像位置は接眼窓１１６上に合わせられる構成であるが、接眼窓１１６近傍に結像させる構成であってもよい。

また、第１の実施形態において、（Ｆｓ＋Ｅ）が実質的にＦｍに等しい構成であるが、このような構成に限定されない。Ｆｓ＜Ｆｍであれば、第２の平面における入射面１０９に形成される２次光源を眼球付近に接近させることが可能である。

例えば、上記の第４の実施形態から第６の実施形態それぞれにおいて、接眼窓２１１６が、光源像の第１の平面（サジタル面）における結像位置近傍、光源像の第１の平面および第２の平面（メリジオナル面）における結像位置の間、および光源像の第２の平面における結像位置近傍に位置するように、反射面２１１１、２１１１０、２１１１１が形成される構成である。

すなわち、第１の平面（サジタル面）における結像位置が第２の平面（メリジオナル面）における結像位置よりも表示素子２１０８側である偏心照明プリズム２１０７に対して、接眼窓２１１６の位置が、第１の平面における結像位置近傍から第２の平面における結像位置近傍の間にあれば、第１から３の実施形態と同様に、接眼プリズム１１５内部におけるケラレを低減化することが可能である。すなわち、Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍ且つＬ−Ａｍ＜Ｆｍを満たせばよい。

また、上記の第４の実施形態から第６の実施形態において、接眼光学系２１０２には接眼プリズム２１１５が用いられるが、接眼プリズム２１１５に限定されない、例えば、接眼プリズム２１１５の第４面２１２０と同じ位置に配置されるミラーによって接眼光学系を形成することも可能である。

また、第４の実施形態から第６の実施形態において、照明プリズム２１０７、２１０７０、２１０７１の入射面２１０９には光を拡散する面処理が施される構成であるが、そのような処理が施されずに平坦面であってもよい。ただし、平坦面である場合には、入射面２１０９に形成される２次光源の代わりに、光源２１０６の像そのものを上述の位置に結像させることにより、第４の実施形態から第６の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

また、第４の実施形態から第６の実施形態において、接眼光学系２１０２はメガネ２１０４のテンプル側から眼球正面まで延びるように形成されるが、例えば、レンズの上部から眼球正面まで延びるように形成される構成であってもよい。

また、第４の実施形態から第６の実施形態において、表示素子２１０８は透過型ＬＣＤ表示素子であるが、反射型ＬＣＤ表示素子であってもよい（図２１参照）。反射型表示素子を用いる場合には、ハーフミラーまたは偏光ビームスプリッタを用いて、２次光源を反射型ＬＣＤ表示素子２１０８に導光する。さらに、接眼窓には光学的なパワーを設けずに、接眼プリズム２１１５０の第４面２１２００を正の光学的なパワーを有する反射面として形成しても同様の効果を得ることが可能である。

１００、２１００ 映像表示装置
１０２、２１０２ 接眼光学系
１０６、２１０６ 光源
１０７、２１０７、２１０７０、２１０７１ 照明プリズム
１０８、２１０８ 表示素子
１０９、２１０９ 入射面
１１１、１１１０、１１１１、２１１１、２１１１０、２１１１１ 反射面
１１５、１１５０、２１１５、２１１５０ 接眼プリズム
１１６、２１１６ 接眼窓
１２０、１２００、２１２０、２１２００、 第４面
ＣＲ 中心光線

Claims (39)

1. 照明光を射出する光源と、
   前記照明光を変調して映像光として射出する表示素子と、
   前記光源から射出される前記照明光を前記表示素子に向けて射出し、正のパワーを有する照明光学系と、
   前記表示素子から射出される前記映像光を伝達し、前記伝達された映像光を観察者の眼球に向けて射出する接眼面を有する接眼光学系とを備え、
   前記接眼光学系は、前記観察者の眼球に入射する外界光の少なくとも一部を遮蔽しない大きさを有し、
   前記光源を物点としたときの前記照明光学系のサジタル結像距離をＦｓ、前記照明光学系の前記凹面反射面から前記接眼面までの光軸光路長をＬ、前記接眼面における前記光源を物点とする照明光学系のメリジオナル面と平行な方向の開口サイズをＡｍとすると、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たす
   ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の頭部装着型映像表示装置において、
   前記照明光学系は、前記光源から射出される前記照明光を入射する照明入射面と、
   前記照明光を射出する照明射出面と、前記照明入射面から入射した前記照明光を前記照明射出面に向けて反射する凹面反射面を有する照明プリズムであって、
   前記凹面反射面は、前記光源を物点とする照明光学系のサジタル面と、前記メリジオナル面とで異なる曲率半径を有する曲面である
   ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
3. 請求項２に記載の頭部装着型映像表示装置において、
   前記凹面反射面の、前記サジタル面に沿った断面の曲率半径をＲｓ、前記メリジオナル面に沿った断面の曲率半径をＲｍとすると、
   Ｒｓ＜Ｒｍを満たす
   ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
4. 請求項３に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記接眼面は曲率半径をＲとする曲面であり、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たし、前記サジタル結像距離と前記光源を物点としたときの前記照明光学系のメリジオナル結像距離とが異なることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の頭部装着型映像表示装置において、
   前記接眼光学系は、前記表示素子から射出される前記映像光を入射する映像入射面と、前記映像光を内部で１回以上反射する反射面と、前記映像光を眼球方向へ射出する前記接眼面とを有する接眼プリズムである
   ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
6. 請求項５に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記メリジオナル面と垂直な方向の前記接眼面の開口幅は、前記メリジオナル面と平行な方向の前記接眼面の開口幅より小さいことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
7. 請求項５に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記メリジオナル面と垂直な方向の前記接眼プリズムの前記接眼面の開口幅は、前記メリジオナル面と垂直な方向の前記接眼プリズムの前記映像入射面の開口幅よりも小さいことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
8. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
   前記光源を物点としたときの前記照明光学系のメリジオナル結像距離をＦｍとすると、
   Ｆｓ＝Ｆｍを満たす
   ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
   前記光源を物点とした前記照明光学系のメリジオナル結像距離をＦｍとすると、Ｆｍ＜Ｆｓを満たすことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
10. 請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記照明プリズムの前記照明入射面には光を拡散する面処理が施されていることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
11. 請求項１０に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記照明入射面には前記照明光が透過する開口部と前記照明光を遮光する遮光部とを有する遮光マスクが設けられることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
12. 請求項１１に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記遮光マスクは前記メリジオナル面と平行な方向の開口サイズの方が大きいことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
13. 請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記照明入射面に形成された拡散面上に形成される前記照明光の像を２次的な光源とし、前記照明プリズムは前記光源に代えて前記２次的な光源を結像させることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記照明光学系は、光軸に対して非回転対称である光学面を有する偏心光学系であることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
15. 請求項２、１０、１３のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記照明プリズムは、偏心照明プリズムであることを特徴とすることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
16. 請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記照明光学系のサジタル面において、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たすように、前記光源の像が結像される
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
17. 請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記接眼面側から見た前記接眼光学系の厚みが、前記接眼光学系の長手方向の長さより短い
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
18. 照明光を射出する光源と、
    前記照明光を変調して映像光として射出する表示素子と、
    前記光源から射出される前記照明光を前記表示素子に向けて射出する正のパワーを有した照明光学系と、
    前記表示素子から射出される前記映像光を伝達し、前記伝達された映像光を観察者の眼球に向けて射出する接眼面を有する接眼光学系とを備え、
    前記表示素子が射出する前記映像光の中心光線を含む任意の第１の平面において前記光源の像が前記接眼面から射出された外部に結像され、前記中心光線を含み前記第１の平面と異なる第２の平面において前記光源の像が前記接眼面より前記表示素子側に結像され、
    前記接眼光学系は、前記観察者の眼球に入射する外界光の少なくとも一部を遮蔽しない大きさを有する
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
19. 請求項１８に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記接眼面側から見た前記接眼光学系の厚みが、前記接眼光学系の長手方向の長さより短い
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
20. 請求項１８または１９に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記接眼面の第１の方向に沿った幅は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿った幅より短く、
    前記第１の平面は前記光源を物点とする前記照明光学系のサジタル面であり、前記第２の平面は前記光源を物点とする前記照明光学系のメリジオナル面であり、
    前記照明光学系は前記光源から射出される前記照明光を入射する照明入射面と、前記照明光を射出する照明射出面と、前記照明入射面から入射した前記照明光を前記照明射出面に向けて反射する凹面反射面を有する照明プリズムであって
    前記サジタル面において前記光源を物点とした前記凹面反射面によるサジタル結像距離をＦｓ、前記メリジオナル面において前記光源を物点とした前記凹面反射面によるメリジオナル結像距離をＦｍ、前記照明プリズムの前記凹面反射面から前記接眼面までの光軸光路長をＬとすると、
    Ｆｍ＜Ｌ＜Ｆｓを満たす
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
21. 照明光を射出する光源と、
    前記照明光を変調して映像光として射出する表示素子と、
    前記光源から射出される前記照明光を前記表示素子に向けて射出し、正のパワーを有する照明光学系と、
    前記表示素子から射出される前記映像光を伝達し、前記伝達された映像光を観察者の眼球に向けて射出する接眼面を有する接眼光学系とを備え、
    前記光源を物点としたときの前記照明光学系によるサジタル面における結像位置であるサジタル結像位置がメリジオナル面における結像位置であるメリジオナル結像位置よりも前記表示素子側に位置し、
    前記接眼光学系は、前記観察者の眼球に入射する外界光の少なくとも一部を遮蔽しない大きさを有する
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
22. 請求項２１に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記照明光学系は、前記光源から射出される前記照明光を入射する入射面と、射出面に向けて反射する凹面反射面を有する照明プリズムであって、
    前記凹面反射面は前記サジタル面および前記メリジオナル面の曲率半径が異なる曲面である
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
23. 請求項２１または請求項２２に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記光源を物点として前記照明光学系のサジタル結像距離をＦｓ、前記光源を物点として前記照明光学系のメリジオナル結像距離をＦｍ、前記照明光学系の前記反射面から前記接眼面までの光軸光路長をＬ、前記メリジオナル面と平行な方向における前記接眼面の開口サイズをＡｍとすると、
    Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍ且つＬ−Ａｍ＜Ｆｍを満たす
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
24. 請求項２３に記載の頭部装着型映像表示装置において、Ｌ−Ａｍ＜Ｆｓ＜Ｌ＋Ａｍを満たすことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
25. 請求項２３または請求項２４に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記接眼面の第１の方向に沿った幅は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿った幅より短く、前記サジタル面は前記第１の方向に平行であることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
26. 請求項２５に記載の頭部装着型映像表示装置において、Ｆｓ＜Ｌ＜Ｆｍを満たすことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
27. 請求項２５または請求項２６に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記接眼面から眼球までの距離をＥとすると、Ｌ＋Ｅ＝Ｆｍを満たすことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
28. 請求項２１乃至請求項２７のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記接眼光学系は、前記表示素子から射出される前記映像光を入射する映像入射面と、前記映像光を内部で１回以上反射する反射面と、前記映像光を眼球方向へ射出する前記接眼面とを有する接眼プリズムである
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
29. 請求項２８に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記メリジオナル面と垂直な方向の前記接眼面の開口幅は、前記メリジオナル面と平行な方向の前記接眼面の開口幅より小さいことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
30. 請求項２８に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記メリジオナル面と垂直な方向の前記接眼プリズムの前記接眼面の開口幅は、前記メリジオナル面と垂直な方向の前記接眼プリズムの前記映像入射面の開口幅よりも小さいことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
31. 請求項２１乃至請求項３０のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記凹面反射面の、前記サジタル面に沿った断面の曲率半径をＲｓ、前記メリジオナル面に沿った断面の曲率半径をＲｍとすると、
    Ｒｓ＜Ｒｍを満たす
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
32. 請求項３１に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記接眼面の曲率半径をＲとすると、Ｒｓ＜Ｒ＜Ｒｍを満たすことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
33. 請求項２２に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記照明プリズムの前記入射面には光を拡散する面処理が施されていることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
34. 請求項３３に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記入射面には前記照明光が透過する開口部と前記照明光を遮光する遮光部とを有する遮光マスクが設けられることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
35. 請求項３４に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記遮光マスクは前記メリジオナル面と平行な方向の開口サイズの方が大きいことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
36. 請求項３３乃至請求項３５のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、前記入射面に形成された拡散面上に形成される前記照明光の像を２次的な光源とし、前記照明プリズムは前記光源に代えて前記２次的な光源を結像させることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
37. 請求項２１乃至請求項３５のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記接眼面側から見た前記接眼光学系の厚みが、前記接眼光学系の長手方向の長さより短い
    ことを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
38. 請求項１８乃至請求項３７のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記照明光学系は、光軸に対して非回転対称である光学面を有する偏心光学系であることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
39. 請求項２０、２２、３３、３６のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置において、
    前記照明プリズムは、偏心照明プリズムであることを特徴とすることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。

Images