JP2008070604A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置全体の小型化を図りつつ照明光量の損失を減らし、画像情報を良好なる画質で観察することができる画像表示装置を得ること。
【解決手段】 反射型の画像表示手段と、画像表示手段を照明する照明手段と、照明手段からの光を画像表示手段に導く照明光学系と、画像表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有する画像表示装置において、照明手段は、ローカル母線断面内において、画像表示手段の光学面から遠い側の最周辺像高の輝度が光学面から近い側の最周辺像高の輝度に比べて高くなるように照明していることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は画像表示装置に関し、例えば画像表示素子に表示された画像を拡大して観察する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。

従来、液晶等の画像表示素子に表示した画像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。

このうち照明光源から発せられた光が反射型の液晶表示素子で反射され、その後眼球に導かれて液晶表示素子で表示された画像の拡大像を観察するようにしたＨＭＤが知られている（特許文献１〜４）。

反射型の液晶表示素子を用いたＨＭＤでは、観察用の光束が照明光源、照明光学系、反射型の液晶表示素子、表示光学系、眼球の順序で進む。

特許文献１〜３で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を開示している。

特許文献４では反射型の液晶表示素子を用い、装置全体の小型化を図るため照明光学系にシリンドリカル曲面を用い、そのシリンドリカル曲面で照明手段からの光を集光させて照明光量を向上したＨＭＤを開示している。
特開平１１−１２５７９１号公報 特開平１１−３３７８６３号公報 特開２０００−０１００４１号公報 特開２０００−２４４０７６号公報

従来、ＨＭＤ等の画像表示装置では、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、軽量化が求められている。

又、画像表示手段に表示された画像を良好に観察できるよう観察像が高画質であることが求められている。

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には、装置全体の小型化を図るために、液晶表示素子を照明するための照明装置を適切に構成することが特に重要である。

例えば、照明光源からの光が反射型の液晶表示素子を照明する際、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、反射型の液晶表示素子に到達する前に照明光束の光量が減少してしまう。

従って画像表示装置には、表示光学系と照明光学系とを小型に構成することで光量減少を少なくすることが望まれている。

さらに、反射型の液晶表示素子を照明するため照明光学系では、照明光に偏光を扱う。このため従来は、照明光学系のハーフミラーに偏光特性の差が少ない金属、例えばＡＬやＡｇより成るハーフミラーを用いていた。

ＡＬ薄膜によるハーフミラーは、ハーフミラー面への光の入射角が変化すると光の利用効率が大きく低下する。

光の利用効率が低下すると照明光源をさらに明るくすることが必要となり、この結果、電力利用効率が悪くなり、ＨＭＤ自体の発熱が多くなる。

このため液晶ディスプレイ等の画像表示手段に表示した画像を拡大して観察するには、光源手段から画像表示手段に至る照明光学系及び表示手段から観察者の眼球に至る表示光学系の構成を適切に設定することが重要である。

本発明は、装置全体の小型化を図りつつ照明光量の損失を減らし、画像を良好なる画質で観察することができる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を提供することを目的とする。

本発明の画像表示装置は、反射型の画像表示手段と、該画像表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を前記画像表示手段に導く照明光学系と、前記画像表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有する画像表示装置において、前記照明手段から発せられた光は、ローカル母線断面において前記画像表示素子側に凹形状を有する光学面で反射して前記画像表示手段を照明しており、前記画像表示手段において反射された光は、前記光学面を透過して、前記表示光学系を介して観察側に導かれており、前記光学面は非回転対称形状であって、誘電体多層膜が施されており、前記照明手段は、前記ローカル母線断面内において、前記画像表示手段の前記光学面から遠い側の最周辺像高の輝度が前記光学面から近い側の最周辺像高の輝度に比べて高くなるように照明していることを特徴としている。

本発明によれば、装置全体の小型化を図りつつ照明光量の損失を減らし、画像を良好なる画質で観察することができる画像表示装置が得られる。

図１は本発明の画像表示装置の実施例１の要部概略図である。実施例１の画像表示装置はヘッドマウントディスプレイに適用したものである。

図２は図１の一部分の拡大説明図である。

実施例１の光学データを（数値実施例１）に示す。

図１において、１は光学素子であり、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つ以上の光学面を有するプリズム体より成っている。本実施例のプリズム体１は、光学面Ａ（面Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６は光学面Ａと同一の光学面である）、光学面Ｂ（面Ｓ３、Ｓ７は光学面Ｂと同一の光学面である）、光学面Ｃ（面Ｓ５は光学面Ｃと同一の光学面である）の３つの面で形成される。

光学面Ａ，Ｂ，Ｃは曲率を有した屈折面又は／及び反射面である。以下、光学面Ａ，Ｂ，Ｃを面Ａ，Ｂ，Ｃともいう。

２は光学素子であり、屈折率が１より大きい透明媒質上に２つの光学面Ｓ８，Ｓ９を有するプリズム体より成っている。

プリズム体１の面Ｂとプリズム体２の光学面Ｓ８は接合されている。

３は屈折面Ｓ１０、Ｓ１１から構成される光学素子（レンズ）、４は屈折面Ｓ１２、Ｓ１３から構成される光学素子（レンズ）である。光学素子３の面Ｓ１１と光学素子４の面１２は貼り合わされており、貼合せ光学素子３４を構成している。

５は屈折面Ｓ１４、Ｓ１５から構成される光学素子である。６は平板であり、平面Ｓ１６と平面Ｓ１７を有している。

７は偏光板であり、平板６に接着されている。８は偏心シリンドリカルレンズであり、面（光学面）Ｓ１８、面（光学面）Ｓ１９を有している。シリンドリカルレンズ８を構成する面Ｓ１９は誘電体の多層膜より成る透過反射兼用面（ハーフミラー）である。

１０は画像を表示する画像表示手段（表示手段）であり、実施例１では、反射型のＬＣＤを用いている。面Ｓ２０、面Ｓ２１間で構成される部材はＬＣＤ１０のカバーガラスに相当する。面Ｓ２１側がＬＣＤ１０の画像表示面である。

３０は照明手段であり、拡散板３１、反射部材３２、LED３３、基板３４を有している。拡散板３１はシリンドリカルレンズ８に対して対向して配置されている。

本実施例において、拡散板３１には、拡散特性を最適化し輝度を上げるDEFフィルムとか、必要な偏光のみを透過させ輝度を上げるDBEFフィルム等を重ねて配置してもよい。

Ｓ１は表示光学系の射出瞳であり、観察者の眼球が位置するところである。

貼り合わせ光学素子３４とシリンドリカルレンズ８を除く各部材１，２，５の全ての面は紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。

照明手段３０から発せられた光は、偏光板１４を透過し、直線偏光とされ、シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９で反射されて反射光がＬＣＤ１０側に向かう。

ここで面Ｓ１９は照明手段３０からの光を表示手段ＬＣＤ１０に導く照明光学系を構成している。

光束は、反射型のＬＣＤ１０に斜めに入射し、反射型のＬＣＤ１０で斜め方向に反射された光は、シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９より入射し、面Ｓ１８から射出する。

次いで、偏光板７を透過し、平板６の面Ｓ１７より入射し、面Ｓ１６より射出して光学素子５に入射する。

この時、偏光板１４で直線偏光化された偏光方向が液晶内部で回転する。このため、偏光板７は偏光方向が回転した光を通す方向に設定している。

本実施例では、偏光板１４を透過し、シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９で反射される光束はS偏光、つまりX方向に平行な方向を偏光方向にもつ光束である。

また、反射型のＬＣＤ１０で斜め方向に反射し、シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９より入射し、面Ｓ１８から射出して偏光板７を透過した光束は、P偏光、つまり、X方向とは垂直な方向に偏光方向をもつ光束である。

偏光板７の直線偏光方向が偏光板１４の直線偏光方向と９０°ずれている場合（液晶内部の偏光方向の回転が９０°）は、偏光板１４で直線偏光にされた光が、ＬＣＤ１０を介した後シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９で反射せずに透過していくゴースト光となる。

偏光板７はこのとき生ずるゴースト光をカットして、眼球（射出瞳Ｓ１）にゴースト光が入るのを防いでいる。

光学素子５の面Ｓ１５より入射した光は面Ｓ１４より射出し、面Ｓ１３より光学素子４に入射する。接合された光学素子４の面Ｓ１２と光学素子３の面Ｓ１１を透過し、面Ｓ１０より射出して光学素子２に向かう。

光学素子２の面Ｓ９より入射した光は、接合された光学素子２の面Ｓ８と光学素子１の面Ｓ７を透過して光学素子１に入射する。光学素子１の面Ｂ（面Ｓ７）より入射した光は、面Ａ（面Ｓ６）で反射された後、面Ｃ（面Ｓ５）に導かれる。

面Ｃ（面Ｓ５）に入射した光はほぼ反対側に折り返し反射（後で述べる）され、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。

面Ｃで反射（面Ｓ５）された光は面Ａ（面Ｓ４）で再度反射され面Ｂ（面Ｓ３）で再反射され、面Ａ（面Ｓ２）よりプリズム体１より射出して、観察側の射出瞳Ｓ１に向かう。

この時、光学素子１内で画像表示面（Ｓ２１）の両端F２，F３からの光線が交わっており、画像表示面Ｓ２１で表示された画像の中間結像面（中間像）Ｉａが形成されている。

本構成例おいては面Ｓ７を通過し、面Ｓ４の反射から面Ｓ５の反射の間に中間像Ｉａが形成されているが、必ずしもこの間にある必要はない。

また、中間結像面Ｉａを略平行光として、射出瞳Ｓ１に導く所謂、接眼光学系部分（Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２）の収差補正を容易にするようにしている。

具体的には、中間像Ｉａは接眼光学系部分（Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２）での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて、適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように結像されている。

また光束が中間結像面Ｉａ以降の面Ｓ4における反射から面Ｓ２を射出するまでに寄与する面（面Ｓ４，面Ｓ３，面Ｓ２）は接眼光学系（接眼系）部分に当たる。

光学素子１でのそれ以外の部分（面Ｓ７，面Ｓ６，面S5）とＬＣＤ１０のカバーガラス間（Ｓ２０，Ｓ２１）で置かれている光学系（光学素子２〜８）とがリレー光学系（リレー系）に該当している。

表示光学系はリレー光学系と接眼光学系を有している。

本発明の実施例１では、該リレー光学系を第１の光学系、該接眼光学系を第２の光学系とする。

最終反射面として作用する時の面Ｓ３は、射出面として作用する時の面Ｓ２に対して非常に強いパワーを有した凹面鏡となっている。

接眼光学系部分（Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２）では収差を完全に補正することは困難であり、リレー光学系部分が接眼光学系での収差をキャンセルするような形の中間結像面Ｉａが出来るように中間像を形成している。

これによって、最終的な像観察における画質を向上させている。

面Ｓ４における反射は光学素子１内での内部全反射として、光量ロスを少なくしている。少なくとも面Ｓ２での射出光束と面Ｓ４での反射光束とが共用する領域においては、反射光束が内部全反射とするようにしている。

これにより、反射光束の全てを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保している。

面Ｓ４において内部全反射を行わない反射領域は反射膜（ＡｌやＡｇ等）による反射としている。また、面Ｓ５における反射は反射膜（ＡｌやＡｇ等）による反射としている。

また、光学素子１において、光は面Ｂ（Ｓ７）→面Ａ（Ｓ６）→面Ｃ（Ｓ５）→面Ａ（Ｓ４）→面Ｂ（Ｓ３）→面Ａ（Ｓ２）の順に各面を通過する。

面Ｃの反射を境に、最終反射面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどり、往路として面Ｂ（Ｓ７）→面Ａ（Ｓ６）→面Ｃ（Ｓ５）を形成している。

又、復路として面Ｃ（Ｓ５）→面Ａ（Ｓ４）→面Ｂ（Ｓ３）を形成している。

面Ｃのように往路と復路に変える折り返し反射作用を持つ面を「折り返し面」とぶ。

このように、複数の偏心反射面Ａ、Ｂ、Ｃで光路を折り返し、往路と復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型な光学素子１に収めている。これにより、表示光学系全体を小型にしている。

偏心系に対応していない従来系の定義では各面頂点を基準とした座標系で表される。

本実施例では射出瞳Ｓ１の中心を通り、射出瞳Ｓ１に垂直方向の軸をｚ軸とし、ｚ軸を光軸としている。ｚ軸に垂直な軸をｙ軸としている。ｚ軸とｙ軸に垂直な軸をｘ軸としている。

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。

実施例１は偏心系なので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子午線断面を新たに定義する。

中心画角主光線（射出瞳Ｓ１の中心に垂直に入射する光）の各面のヒットポイント（入射位置）上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とする。

ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点の座標系の子線断面（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。

各面における中心画角主光線のヒットポイント上の近傍の曲率を計算し、各面の中心画角主光線に対するローカル母線断面における曲率半径をｒｙ、ローカル子線断面における曲率半径をｒｘと定義する。

以下表１の光学データの見方を説明する。

最も左の項目ＳＵＲＦは射出瞳Ｓ１からの光束の通過順の面番号を示している。

Ｘ，Ｙ，Ｚ及びＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）としている。

図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面奥向きにｘ軸をとった座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）、並びに、図面上で反時計まわりを正方向とするｘ軸まわりの回転角度ａ（単位：度）である。

ｔｙｐの項は面形状の種類を表している。ｔｙｐにおいてＳＰＨは球面、ＦＦＳは非回転対称面、ＣＹＬは母線断面にのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズ面である。

貼り合わせ面Ｓ７，Ｓ８は別々の面としている。貼り合わせ面Ｓ１１，Ｓ１２は便宜上１つの面としている。

実施例の非回転対称面は下記のＦＦＳの式に従う。

Ｒの項は曲率半径を表し、シリンドリカルレンズ面に関しては母線断面曲率半径ｒｙの値を表記してある。

ＦＦＳ：
ｚ＝（１／Ｒ）＊（ｘ^２＋ｙ^２）／（１＋（１−（１＋ｋ）＊（１／Ｒ）^２＊（ｘ^２＋ｙ^２））^{（１／２）}）＋ｃ２＋ｃ４＊ｙ＋ｃ５＊（ｘ^２−ｙ^２）＋ｃ６＊（−１＋２＊ｘ^２＋２＊ｙ^２）＋ｃ１０＊（−２＊ｙ＋３＊ｘ^２＊ｙ＋３＊ｙ^３）＋ｃ１１＊（３＊ｘ^２＊ｙ−ｙ^３）＋ｃ１２＊（ｘ^４−６＊ｘ^２＊ｙ^２＋ｙ^４）＋ｃ１３＊（−３＊ｘ^２＋４＊ｘ^４＋３＊ｙ^２−４＊ｙ^４）＋ｃ１４＊（１−６＊ｘ^２＋６＊ｘ^４−６＊ｙ^２＋１２＊ｘ^２＊ｙ^２＋６＊ｙ^４）＋ｃ２０＊（３＊ｙ−１２＊ｘ^２＊ｙ＋１０＊ｘ^４＊ｙ−１２＊ｙ^３＋２０＊ｘ^２＊ｙ^３＋１０＊ｙ^５）＋ｃ２１＊（−１２＊ｘ^２＊ｙ＋１５＊ｘ^４＊ｙ＋４＊ｙ^３＋１０＊ｘ^２＊ｙ^３−５＊ｙ^５）＋ｃ２２＊（５＊ｘ^４＊ｙ−１０＊ｘ^２＊ｙ^３＋ｙ^５）＋ｃ２３＊（ｘ^６−１５＊ｘ^４＊ｙ^２＋１５＊ｘ^２＊ｙ^４−ｙ^６）＋ｃ２４＊（−５＊ｘ^４＋６＊ｘ^６＋３０＊ｘ^２＊ｙ^２−３０＊ｘ^４＊ｙ^２−５＊ｙ^４−３０＊ｘ^２＊ｙ^４＋６＊ｙ^６）＋ｃ２５＊（６＊ｘ^２−２０＊ｘ^４＋１５＊ｘ^６−６＊ｙ^２＋１５＊ｘ^４＊ｙ^２＋２０＊ｙ^４−１５＊ｘ^２＊ｙ^４−１５＊ｙ^６）＋ｃ２６＊（−１＋１２＊ｘ^２−３０＊ｘ^４＋２０＊ｘ^６＋１２＊ｙ^２−６０＊ｘ^２＊ｙ^２＋６０＊ｘ^４＊ｙ^２−３０＊ｙ^４＋６０＊ｘ^２＊ｙ^４＋２０＊ｙ^６）＋・・・・・・
また、ｔｙｐの欄でＦＦＳの横に記された数値は，その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋ及びｃ＊＊に対応する非回転対称形状であることを示している。但し、記載されていないｃ＊＊の値は０である。

Ｎｄ，νｄはそれぞれその面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．００００として表示し、アッベ数νｄは省略している。

射出瞳Ｓ１中心から射出瞳面Ｓ１のｚ軸を通る光線を中心画角主光線と定義する。

後述する数値実施例の長さのディメンジョンをｍｍとする。このとき、画像サイズ約１８ｍｍ×１４ｍｍ程度で水平画角６０°の画像をｚ軸方向無限遠方に表示する表示光学系となる。

水平画角６０°が任意の観察者が観察できるために、瞳径は１４ｍｍとする。

（数値実施例１）
SURF X Y Z A R typ Nd νd
1 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0000 SPH 1.0000 0.0
2 0.000 9.365 21.886 -0.529 -284.2114 FFS1 1.5300 55.8
3 0.000 -2.638 34.455 -31.052 -72.0536 FFS2 -1.5300 55.8
4 0.000 9.365 21.886 -0.529 -284.2114 FFS1 1.5300 55.8
5 0.000 30.738 47.306 48.060 -189.3367 FFS3 -1.5300 55.8
6 0.000 9.365 21.886 -0.529 -284.2114 FFS1 1.5300 55.8
7 0.000 -2.638 34.455 -31.052 -72.0536 FFS2 1.5300 55.8
8 0.000 -2.638 34.455 -31.052 -72.0536 FFS2 1.5300 55.8
9 0.000 -5.791 39.117 -46.389 -56.9404 FFS4 1.0000
10 0.000 -7.538 37.525 -53.721 18.2091 SPH 1.4875 70.2
11 0.000 -16.105 43.813 -53.721 -21.5267 SPH 1.7618 26.5
12 0.000 -17.556 44.878 -53.721 66.0282 SPH 1.0000
13 0.000 -18.692 44.573 -50.460 20.6510 FFS5 1.5300 55.8
14 0.000 -32.859 25.439 -88.990 -118.4382 FFS6 1.0000
15 0.000 -49.433 29.812 -45.448 ∞ SPH 1.5230 58.6
16 0.000 -50.288 30.654 -45.448 ∞ SPH 1.0000
17 0.000 -32.898 51.561 -24.427 25.6080 CYL 1.7618 26.5
18 0.000 -30.463 55.740 -38.300 21.8260 CYL 1.0000
19 0.000 -38.215 64.167 -66.742 ∞ SPH 1.5500 52.0
20 0.000 -38.858 64.443 -66.742 ∞ SPH 1.0000
21 0.000 -38.858 64.443 -66.742 0.0000 SPH 1.0000 0.0
FFS1
c 1: 4.7708e+001 c 5:-2.2635e-003 c 6:-2.6964e-004 c10:-3.5045e-006
c11:-1.8961e-005 c12:-2.5872e-007 c13:-3.5080e-007 c14:-1.8809e-007
c20:-8.5708e-010 c21:-5.5035e-010 c22:-4.8677e-010 c23: 1.7886e-011
c24: 2.5426e-011 c25: 1.2297e-011 c26: 6.2276e-012
FFS2
c 1:-8.0283e-001 c 5:-1.3225e-003 c 6:-3.2740e-004 c10:-1.0438e-005
c11:-4.7937e-007 c12:-5.0068e-008 c13:-6.2302e-008 c14: 4.5234e-008
c20: 1.9842e-009 c21:-5.0837e-010 c22: 1.1409e-009 c23: 1.8477e-011
c24:-1.7819e-011 c25: 1.2831e-011 c26:-2.0655e-011
FFS3
c 1: 2.6924e+001 c 5: 2.4531e-004 c 6:-1.2389e-003 c10:-4.7294e-005
c11: 3.6501e-005 c12: 2.1833e-006 c13:-2.0621e-006 c14: 1.3400e-006
c20:-3.4331e-008 c21: 2.1762e-008 c22:-5.5534e-009 c23:-2.7291e-010
c24:-2.2240e-010 c25:-2.8204e-010 c26: 2.0643e-011
FFS4
c 1:-2.0112e+000 c 5:-1.1439e-003 c 6:-7.0182e-003 c10: 6.6323e-005
c11: 3.7827e-005 c12:-3.0764e-007 c13:-1.2255e-007 c14: 2.8074e-007
c20:-4.8304e-008 c21:-6.8627e-009 c22: 1.4540e-008 c23: 1.9275e-010
c24:-2.0887e-010 c25:-6.5050e-010 c26: 1.3565e-010
FFS5
c 1: 8.3170e-001 c 5: 2.2565e-003 c 6:-1.7932e-003 c10: 4.9769e-005
c11: 5.8833e-005 c12:-1.8053e-006 c13: 3.0888e-007 c14:-2.4892e-006
c20:-1.1149e-008 c21:-5.0541e-008 c22: 3.6852e-008 c23: 1.3332e-009
c24:-1.1902e-009 c25:-7.4560e-011 c26:-9.7807e-009
FFS6
c 1: 5.0873e-001 c 5: 1.7979e-003 c 6: 1.0845e-003 c10:-4.0100e-005
c11:-2.0713e-004 c12: 3.9779e-006 c13: 1.4457e-006 c14:-2.9702e-007
c20:-5.7229e-009 c21: 2.9933e-008 c22:-3.2629e-008 c23:-5.6700e-011
c24:-1.7802e-010 c25:-2.0885e-010 c26:-3.8998e-011

図２に示すように、表示手段１０の該ローカル母線断面（ｙｚ面）上で中心位置をＦ１とする。表示手段１０の最周辺画像のうち、光学面Ｓ１９を透過する位置と該表示手段１０との距離がもっとも遠い側の最周辺像高をＦ２とする。又、該光学面Ｓ１９を透過する位置と該表示手段１０との距離がもっとも近い側の最周辺像高をＦ３とする。

図２に示すように表示手段１０上の像高Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３から該光学面Ｓ１９にむけて垂線を引き、該光学面Ｓ１９との交点をそれぞれ点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３とする。

線Ｆ１Ｐ１、線Ｆ２Ｐ２、線Ｆ３Ｐ３と該光学面Ｓ１９上で正反射の関係の線が拡散板３１の拡散面と交わる点をそれぞれ点Ｑ１、点Ｑ２、点Ｑ３、反射角をそれぞれα１、α２、α３とする。

該光学面Ｓ１９は表示素子面Ｓ２１側（画像表示素子側）に凹形状となるよう曲率を有している。このため、
α２ ＜ α１ ＜ α３ …（１）
なる関係にある。

図３、図４、図５に表示手段１０の像高Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３に対応する光学面１９での光の入射角度α１（４０度）、α２（１５度）、α３（６５度）における誘電体ハーフミラーの反射率Ｒｐ、Ｒｓと透過率Ｔｐ、Ｔｓの例を示す。

図６に、像高Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３に対応する、誘電体ハーフミラーであるシリンドリカルレンズ８の光学面Ｓ１９でのＳ偏光での反射率Ｒｓと、Ｐ偏光での透過率Ｔｐをかけた値Ｒｓ×Ｔｐの波長特性図をしめす。

参考の為、シリンドリカルレンズ８の光学面Ｓ１９をＡＬハーフミラーとした時の波長特性図を図７、図８、図９、図１０にしめす。

尚、ハーフミラーの材料を金属とした場合、アルミや銀を用いることとして計算している。

図７、図８、図９は像高Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３における、つまり入射角度α１、α２、α３におけるＡＬハーフミラーの反射率、透過率である。

図１０は、像高Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３に対応する、ＡＬハーフミラーのＳ偏光での反射率Ｒｓと、Ｐ偏光での透過率Ｔｐをかけた値の波長特性図である。

光学面Ｓ１９において、偏向角が異なる反射と透過が行われる。光学面Ｓ１９での反射率をＲ、透過率をＴとする。光学面Ｓ１９での効率な光として使われる偏向角においてＲ×Ｔで考える。

光学面Ｓ１９におけるハーフミラーが誘電体多層膜が施された誘電体ハーフミラーである場合の、点Ｆ１、点Ｆ２、点Ｆ３における波長特性を表１に示す。参考の為光学面Ｓ１９が金属ハーフミラー（ＡＬ）である場合の点Ｆ１、点Ｆ２、点Ｆ３における波長特性を表２に示す。

シリンドリカルレンズ８の光学面Ｓ１９に設けたハーフミラーの効率を比較するために、本実施例で用いている構成のＳ偏光の反射率とＰ偏光の透過率の積で比較する。

又、便宜的に波長５５０ｎｍでの値で比較する。

表１、表２では、点Ｆ１、点Ｆ２、点Ｆ３において入射角α１、α２、α３での波長５５０ｎｍにおける、誘電体ミラーのＰ偏光、Ｓ偏光による反射率、Ｒｐ，ＲｓとＰ偏光とＳ偏光による透過率をそれぞれＴｐ、Ｔｓとしている。又、ＡＬハーフミラーのＰ偏光、Ｓ偏光による反射率をＲｐＭ、ＲｓＭとＰ偏光とＳ偏光による透過率をそれぞれ、ＴｐＭ、ＴｓＭとしている。

表１、表２、および、図６、図１０により、ALハーフミラーを使用した場合に比べて、
誘電体ハーフミラーを使うと、シリンドリカルレンズ８の光学面Ｓ１９に設けたハーフミラーの効率は
点Ｆ１において、３９．８％÷２２．０％＝１．８倍、
点Ｆ２において、２６．２％÷１６．０％＝１．６倍、
点Ｆ３において、７３．５％÷３３．４％＝２．２倍、
効率が高くなり、より輝度の高い画像表示装置が可能となる。

そこで本実施例では、光学面Ｓ１９に誘電体（例えばＳｉＯ₂）から成る光学膜を施してハーフミラー面としている。

特にパワーをもった光束分割手段として光学面Ｓ１９に誘電体膜を用い、照明手段３０の拡散板上の輝度分布に傾きを与えるよう構成することによって、照明効率が高く輝度分布の均一な画像を観察することができる。

一方、表１のＲｓ×Ｔｐの値を見てもわかるように、軸上の点Ｆ１に対し、点Ｆ２は照明効率が低く、点Ｆ３は照明効率が高い。この結果、画像表示装置の虚像における光量分布が非対称になってくる。

具体的には、点Ｆ１に対し、点Ｆ２では効率は６６％、点Ｆ１に対し点Ｆ３では１８５％となり、点Ｆ２と点Ｆ３の比較では、効率は２．８倍の差となる。

そこで本実施例における照明手段３０では、点Ｆ３に比べて点Ｆ２の方に光量が多く入射するようにして照明効率の差による観察像の輝度ムラが少なくなるように各要素を設定している。

点Ｆ３に比べて点Ｆ２の方に多くの光量が入射するには、例えば拡大板３１上での輝度分布が不均一となるように構成すれば良い。

本実施例では拡散板３１上での輝度分布が不均一となるように構成している。

又、本実施例では光学面Ａの波長５５０ｎｍ、入射角αが４０度のときのＳ偏光の反射効率ＲｓとＰ偏光の透過率Ｔｐが
３０％＜Ｒｓ×Ｔｐ
となるように光学面Ａに施す多層膜を構成している。

図１１に拡散板３１上での輝度分布を示す。

図１１において、横軸はＹ方向の拡散板中心に対する距離である。

本実施例では幅がおよそ３ミリであり、縦軸は輝度で、拡散板中心での輝度を１と規格化して示している。

図２に示す点Ｑ１、点Ｑ２、点Ｑ３における輝度は当該図に示すとおりとなっている。つまり、点Ｆ２に相当する点Ｑ２において輝度が高く、点Ｆ３に相当する点Ｑ３において輝度が低くなるよう構成している。

即ち、ローカル母線断面内において、拡散板上の輝度分布が単調変化するように設定している。

次に、このときの照明手段３０を構成するＬＥＤ基板３４上のＬＥＤ３３の配置について説明する。

ＬＥＤ基板３４上にＸ方向に複数のＬＥＤ３３を並んで配置され、そのＬＥＤ列が上下方向に複数列配置されている。

本実施例において、図２にしめすように、拡散板３１とＬＥＤ３３を並べたＬＥＤ基板３４は互いにオフセットされて配置され、拡散板３１上の点Ｑ１、Ｑ２はＬＥＤ３３からの直接光で照明される。

これに対して点Ｑ３では光源手段３０の測部の反射部材３２からの反射光で主に照明されるよう構成している。これによって、図１１に示すような輝度分布を得ている。

図２に示すような拡散板３１とＬＥＤ基板３４をオフセットさせる構成以外に、輝度分布に傾斜を持たす構成は他にもある。

たとえば、ＬＥＤ列のＸ方向にならぶ数を上の列は少なく、下側の列は多く配置するとか、ＬＥＤ列の間隔を上側は広く、下側は狭く配置するとかの方法が適用できる。

図１２に本実施例の画像表示装置の射出瞳Ｓ１で観察される虚像上でのＹ方向の輝度分布を示す。

図１２に示すように、拡散板３１での輝度分布と、光学面Ｓ１９のハーフミラーの角度特性がキャンセルされ均一な輝度分布の像が観察される。

以上のように本実施例によれば、図１１に示すように拡散板３１上での輝度分布に傾きを有し、面全体の輝度が不均一となるように構成している。

これにより誘電体より成るハーフミラーによる観察像の輝度分布の傾きを軽減している。

パワーをもった光束分割手段の光学面Ｓ１９に誘電体膜を用い、照明手段の拡散面上の輝度分布に傾きを与えるよう構成することによって、光利用効率が高く輝度分布の均一な画像を観察することができる画像表示装置が得られる。

本発明の実施例１の光学系の要部概略図 本発明の実施例１の光学系の照明系の概略図 誘電体ハーフミラーの波長特性 誘電体ハーフミラーの波長特性 誘電体ハーフミラーの波長特性 誘電体ハーフミラーＲｓ×Ｔｐの波長特性 金属ハーフミラーの波長特性 金属ハーフミラーの波長特性 金属ハーフミラーの波長特性 金属ハーフミラーＲｓ×Ｔｐの波長特性 拡散板３１上における輝度分布の説明図 画像表示装置の虚像上の輝度分布の説明図

符号の説明

１、２、３、４、５、６、９・・・光学素子
７、１４・・・偏光板
８、偏心シリンドリカルレンズ
１０・・・画像表示素子
３０・・・光源手段
３１・・・拡散板
３２・・・反射部材
３３・・・ＬＥＤ
３４・・・ＬＥＤ基板

Claims (4)

1. 反射型の画像表示手段と、該画像表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を前記画像表示手段に導く照明光学系と、前記画像表示手段からの光を観察側に導く表示光学系を有する画像表示装置において、
   前記照明手段から発せられた光は、ローカル母線断面において前記画像表示素子側に凹形状を有する光学面で反射して前記画像表示手段を照明しており、
   前記画像表示手段において反射された光は、前記光学面を透過して、前記表示光学系を介して観察側に導かれており、
   前記光学面は非回転対称形状であって、誘電体多層膜が施されており、
   前記照明手段は、前記ローカル母線断面内において、前記画像表示手段の前記光学面から遠い側の最周辺像高の輝度が前記光学面から近い側の最周辺像高の輝度に比べて高くなるように照明していることを特徴とする画像表示装置。
2. 該照明手段は、少なくとも１つの光源と、該少なくとも１つの光源からの光束を拡散する拡散板を有し、該拡散板は前記光学面に対向して配置されており、ローカル母線断面内において該拡散板上の輝度分布は、単調に変化していることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
3. 前記光学面は、波長５５０ｎｍのＳ偏光が入射角４０度で入射したときの反射率をＲｓ，Ｐ偏光が入射角４０度で入射したときの透過率をＴｐとするとき
   ３０％＜Ｒｓ×Ｔｐ
   となるように前記誘電体の多層膜が施されていることを特徴とする請求項１又は２の画像表示装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項の画像表示装置を有する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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