JP3703329B2 - 画像表示装置 - 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、例えば表示素子として反射型の液晶表示素子に表示された画像情報を適切に設定した自由曲面を有する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、例えば透明体の表面に入射面と複数の反射面、そして射出面を設けた光学素子を用いて、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が種々と提案されている。
【０００３】
例えばこのようなヘッドマウントディスプレイ型の画像観察装置として特に小型化に優れた光学系の構成が特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案されている。
【０００４】
一方、近年小型の表示デバイスとして反射型の液晶表示素子が種々と用いられている。反射型の液晶表示素子をヘッドマウントディスプレイ等の画像観察装置に用いるには照明装置を設けて液晶表示素子を照明する必要がある。
【０００５】
図４，図５は各々従来の反射型の液晶表示素子を用いた画像表示装置の一部分の要部概略図である。
【０００６】
図４において１０１は反射型の液晶表示素子であり、光源（面光源）１０２からの光束を液晶表示素子１０１の表示面に対して略４５°傾いたビームスプリッタ（ハーフミラー）１０３で反射させた光で照明している。液晶表示素子１０１で光変調を受けハーフミラー１０３を透過した光束をプロジェクタのときには投影レンズ１０４で所定面上に投影して観察している。又ヘッドマウントディスプレイのときにはレンズ系１０４を介して液晶表示素子１０１で表示された画像情報を拡大して観察している。
【０００７】
図５においては光源１０２からの光束を偏光板１０６を介して直線偏光（例えばＰ偏光）とし、液晶表示素子１０１の表示面に対して略４５°傾いた偏光ビームスプリッタ１０５を通過させて反射型の液晶表示素子１０１を照明している。液晶表示素子１０１で光変調を受けた光束（Ｓ偏光となっている）を偏光ビームスプリッタ１０５で反射させて投影レンズ又はレンズ系１０４に導光している。
【０００８】
これによってプロジェクタのときには投影レンズ１０４で所定面上に投影し、観察している。又、ヘッドマウントディスプレイのときにはレンズ系１０４を介して液晶表示素子１０１で表示された画像情報を拡大し、観察している。
【０００９】
【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。
【００１０】
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組み込む必要がある。
【００１１】
前記した図４、図５等の照明光学系を構成する液晶面に対して４５°傾いたビームスプリッタを特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案されている構成に用いようとすると、即ち液晶と光学系との間、もしくは光学系と瞳との間に略４５°傾いた面を配置しなければならない。このため、透過型の液晶表示装置を用いた場合に対してアイリリーフ，画角等のスペックが低減してくる。
【００１２】
そして、上記ビームスプリッタがハーフミラーであった場合には光量の損失が生じ、又、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であった場合には、その製造が難しい等の問題もあった。
【００１３】
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の提供を目的とする。
【００１４】
この他本発明は、画像表示手段として例えば反射型の液晶表示素子を用い、例えば液晶表示素子からの光束を入射させる入射面と、該入射面から入射させた光束を反射させる偏心させた曲面反射面と、該曲面反射面からの光束を射出させる射出面とを一体形成した光学素子を表示光学系に用いて液晶表示素子で表示される画像情報を観察するとき、該液晶表示素子を照明するための照明光学系を表示光学系の特徴に合せて適切に設定することにより、装置全体の小型化を図りつつ、液晶表示素子で表示された画像情報を良好に観察することができるヘッドマウントディスプレイに好適な画像表示装置の提供を目的とする。
【００１５】
【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、
反射型の表示素子と、光源手段からの光束を該表示手段の表示面に入射させる全反射面を利用した３角柱状プリズムを有する照明光学系と、該表示手段からの光束を観察者の瞳孔に導光し、該表示手段に表示した画像情報を観察させる表示光学系とを有した画像表示装置において、該照明光学系は該光源手段からの光束を該３角柱状のプリズムの全反射面で全反射させて該表示手段に導光しており、該表示光学系は複数の光学作用面を有し、該表示手段からの光束を該プリズムの全反射面を介し観察者に導光しており、該表示光学系の複数の光学作用面は１つの面内において対称な形状をしており、該対称面をＹＺ面とするとき、該プリズムのプリズム頂角Ｐθが、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜Ｐθ＜４０°
Ｄｙ：ＹＺ面内の該表示光学系の瞳径
Ｌｙ：ＹＺ面内の該表示手段の有効画像表示サイズ
Ｗｙ：ＹＺ面内の該画像表示装置の画角
となるように設定していることを特徴としている。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、
前記全反射面と前記表示手段の表示面とのなす角θは、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜θ＜４０°
であることを特徴としている。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において前記表示光学系は複数の反射面を利用した光学素子を有し、前記光源手段と前記表示手段と該表示光学系の形成する瞳のそれぞれの略中心位置を結ぶ光線を基準光線Ｌ０とするとき、該光学素子を構成する反射面が、それぞれ基準光線Ｌ０に対して傾いた面で構成されたことを特徴としている。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項３の発明において前記光学素子を構成する少なくとも１つの光学面が、アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称非球面で構成されたことを特徴としている。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項４の発明において前記非回転対称非球面のうちの１面が全反射面、兼透過面として作用する光学面を有することを特徴としている。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項の発明において前記照明光学系は、少なくとも１つの非回転対称な曲面を有することを特徴としている。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか１項の発明において前記表示手段が強誘電性液晶ディスプレイであることを特徴としている。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１から７のいずれか１項の発明において前記光源手段がＲＧＢ３色を発光する光源を有し、該光源手段が前記表示手段における画像表示と同期して点灯することを特徴としている。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項８の発明において前記光源がＲＧＢの３色を発光するＬＥＤ素子であることを特徴としている。
【００３８】
請求項２４の発明は請求項２３の発明において、
前記光源がＲＧＢの３色を発光するＬＥＤ素子であることを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の画像表示装置の基本構成を示す要部概略図である。図中Ｌ１は表示光学系（拡大光学系）の一部を構成する光学素子であり、平面，曲面，非球面，または回転非対称面等から成る第１，第２，第３の光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを有している。尚、いずれの面Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃも１つのＹＺ面（対称面，本実施形態においては紙面がこれに相当）に対して対称な形状をしている。また、３つ以上の面を有するようにしても良い。Ｓは観察者１の望ましき瞳孔位置である。
【００４０】
２は反射型のＬＣＤより成る画像表示手段（表示素子）であり、２ａはその表示面（液晶面）である。尚、本発明における画像表示手段２には、後述するように照明光学系ＬＥからの光束をＬＣＤ２に斜め方向より入射させ反射して斜めに出射する光束を拡大光学系（表示光学系）に導く構成としているため、広い視角特性を有することが求められる。この要求に応えるために、例えば強誘電性液晶（ＦＬＣ）を用いている。また、位相補償板と組み合わせて視角特性を向上させたＴＮ液晶等を用いても良い。
【００４１】
３は光源手段であり、例えばＬＣＤ２が単色用であれば単色光または白色光を放射する光源より成り、または、ＬＣＤ２がカラー用であれば、例えばＲ，Ｇ，Ｂ３色を発光するＬＥＤが１チップ上に形成された光源３１からの光束をレンズ３２により集光し、拡散板３３を用いて面光源としている。Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を発光するＬＥＤは反射型のＬＣＤ２への画像の表示に同期して発光を制御され、カラー表示を可能ならしめている。
【００４２】
ＬＥは照明光学系であり、光源手段３からの光束を偏光板ＫＮ１を介して集光するレンズＬ３と、レンズＬ３を透過した光束をＬＣＤ２の表示面２ａに導光する３角柱状のプリズム（光学部材）Ｌ２より構成されている。プリズムＬ２を構成する面Ｓｄ，Ｓｅは、反射型ＬＣＤ２からの光束を瞳に導く拡大光学系の一部としても機能している。また、プリズムＬ２の反射面ＳｄとＬＣＤ２の表示面２ａとのなす角度θが４５°未満になるように構成している。また、プリズムＬ２のプリズム頂角（面Ｓｄと面Ｓｅで形成される角度）Ｐθは、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜Ｐθ＜４０°
但し、Ｄｙ：ＹＺ面内の表示光学系の瞳径
Ｌｙ：ＹＺ面内のＬＣＤ有効表示領域の長さ
Ｗｙ：ＹＺ面内の表示装置の画角
としている。
【００４３】
尚、上限を越えるとプリズムＬ２が厚くなるため好ましくなく、また、下限を越えると照明光束の一部が面Ｓｅでも全反射し、観察者が画像の周辺部を注視しようとした場合にケラレを生じる可能性があり好ましくない。
【００４４】
尚、レンズＬ３は単レンズに限定されるものではなく、複数のレンズや凹面ミラー等で構成してもよい。また、後述する数値実施例に示すように、レンズＬ３とプリズムＬ２を接合して１部品としてもよい。
【００４５】
ＫＮ１、ＫＮ２は偏光板であり、例えばそれぞれの偏光の軸が略直交するように配置している。尚、偏光板ＫＮ１、ＫＮ２は必ずしも直交して配置する必要はなく、ＬＣＤ２の旋光能、表示モード等の設計条件に合せて適切な配置にすればよい。また、ＬＣＤ２の種類によっては、表示面２ａの直前に偏光板を１枚用いるだけでよい場合等もあり、２枚の偏光板は必須ではない。また、偏光板ＫＮ１をレンズＬ３とプリズムＬ２との間に配置してもよい。
【００４６】
光学素子Ｌ１における第３の光学作用面Ｓｃの形状は該対称面（ＹＺ面）に対して対称な非球面である。第１の光学作用面Ｓａの形状は該対称面（ＹＺ面）に対して対称な球面または非球面であって、第３の光学作用面Ｓｃを屈折した光束を全反射する角度に傾斜して配置している。
【００４７】
第２の光学作用面Ｓｂは該対称面（ＹＺ面）に対して全体として強い凹面の非球面より成るミラー面（面上に光学薄膜をつけている）であって、第１の光学作用面Ｓａの一領域で全反射された光束に対して傾斜して配置している。第２の光学作用面Ｓｂで反射された光束は第１の光学作用面Ｓａを透過して瞳孔Ｓに達している。
【００４８】
前記光源手段３と前記画像表示手段２と前記拡大光学系（表示光学系）Ｌ１の形成する瞳のそれぞれの略中心位置を結ぶ光線を基準光線Ｌ０とするとき、前記拡大光学系を構成する光学面のうち少なくとも反射面として作用する面Ｓａ，Ｓｂは、それぞれ基準光線Ｌ０に対して傾いた面で構成し、光学素子Ｌ１をｚ軸方向に薄くしている。
【００４９】
尚、曲率を有する面Ｓａ，Ｓｂを基準光線Ｌ０に対して傾けて配置したことによる偏心収差を補正するため、面Ｓａ〜Ｓｃはアジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称非球面形状より構成している。
【００５０】
次に図１の本発明の基本構成における光学的作用について説明する。図１に示すように、光源３からの光束は偏光板ＫＮ１で偏光方向を（例えばＳ偏光に）揃えられ、照明光学系ＬＥを構成するレンズ系Ｌ３で集光され、プリズムＬ２の入射面ＳｆよりプリズムＬ２内に入射し、反射面Ｓｄにおいて全反射し、透過面Ｓｅより出射して、ＬＣＤ２の表示面２ａの法線に対してｙｚ面内で斜めにＬＣＤ２を照明している。
【００５１】
ＬＣＤ２の表示面２ａで画像情報に応じて変調（画素毎に適宜旋光）・反射された光束は、面Ｓｅより再度プリズムＬ２に入射し、照明時に全反射面として作用した面Ｓｄを今度は透過してプリズムＬ２より出射し、偏光板ＫＮ２へ向かう。偏光板ＫＮ２では、例えばＬＣＤ２で９０°旋光されＰ偏光になった画素からの光は透過し画像表示手段２で旋光されずＳ偏光のままであった画素からの光は遮光され、光学素子Ｌ１に導かれる。まず第３の光学作用面Ｓｃを透過して第１の光学作用面Ｓａへ向かい、この面Ｓａで全反射して第２の光学作用面Ｓｂへ向かい、この面Ｓｂで反射して収束光となり、再び第１の光学作用面Ｓａへ向かい、今度はこの面Ｓａを透過して画像表示手段２で表示された画像の虚像を形成すると共に観察者１の瞳孔Ｓに達して観察者に液晶表示手段２で表示した画像情報の虚像を視認させている。
【００５２】
本発明によれば、以上のように照明光をＬＣＤ２に導くためのプリズムＬ２の反射面Ｓｄを表示素子２の表示面２ａに対して４５°未満の角度（好ましくは（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°〜４０°の角度）で構成することで、従来の４５°ミラーを組み込む系に対して拡大光学系を構成する光学素子Ｌ１からＬＣＤ２までの距離を短縮し、反射型の表示デバイス及びそれを照明する光源並びに照明光学系を組み込みつつも、画角・アイリリーフを充分に確保しつつ、小型で薄型の画像表示光学系を達成することが可能としている。
【００５３】
また、本発明によれば、以上のように照明光学系においては全反射面として作用し、拡大光学系においては透過面として作用する面ＳｄのプリズムＬ２を配置したことにより、光源３１からの光をハーフミラー等を介することなく観察者の瞳Ｓに導くため、光利用効率の高い、明るい画像表示光学系を提供を可能としている。
【００５４】
又、図１の本発明の基本構成において、図６に示すように光学素子Ｌ１の面Ｓｂをハーフミラー面とし、面ＳｂでプリズムＰＺを接合し、表示手段２で表示した画像と、外界の画像からの光束をプリズムＰＺと光学素子Ｌ１を通して観察者の瞳孔Ｓに導光し、双方の画像を同一視野で観察するようにしても良い。尚、図６においては面ＰＺａ，面Ｓｂ，面Ｓａで構成される光学系によって外界の画像を観察する観察系を構成している。
【００５５】
以下、本発明に基づいた実施形態の構成について説明する。
【００５６】
［実施形態１］
図２は、本発明の実施形態１の要部構成図である。図中、ＳＳは拡大光学系により形成される瞳、Ｌ１は光学素子であり、非回転対称非球面から成る第１，第２，第３の光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有している。尚、いずれの面も１つのＹＺ面（対称面，本実施形態においては紙面がこれに相当）に対しては対称な形状をしている。
【００５７】
２０は反射型のＬＣＤであり、Ｓ９は該反射型のＬＣＤ２０の表示面であり、Ｓ８はＬＣＤのカバーガラス表面である。
【００５８】
ＬＥ１は照明光学系であり、光学部材としての三角柱状のプリズムＬ２１と平凸状のレンズＬ３１とが接合されている。Ｓ６は照明光学系としては反射面の作用をし、拡大光学系としては透過面として作用する光学作用面であり、一部に反射膜を形成しており、それ以外の部分では光源３０からの照明光束を全反射するよう構成されている。Ｓ７は照明光学系、及び拡大光学系の両方で透過面として作用する面、Ｓ１０は三角プリズムＬ２１とレンズＬ３１とを接合した透過面、Ｓ１１はレンズＬ３１を構成する正のパワーを有する透過面である。
【００５９】
３０は面光源であり、本発明の基本構成で説明した拡散板背面に発光素子と光学系を配置して面光源を形成したものや、公知の液晶バックライト等のように側面に配置した発光素子と導光板で形成したもの、またＥＬ素子等の面発光光源が適宜利用可能である。カラー表示を行う際には、Ｒ，Ｇ，Ｂ発光する機構を有する素子を用い、該素子でのＲ，Ｇ，Ｂ発光とＬＣＤ２０でのＲ，Ｇ，Ｂ表示が同期するように素子の発光を制御すればよい。ＳＩは面光源３０の発光面（もしくは拡散面）である。
【００６０】
ＫＮ１，ＫＮ２は互いの偏光軸が略直交するように配置された偏光板であり、偏光板ＫＮ１は光学作用面Ｓ１２，Ｓ１３、偏光板ＫＮ２は光学作用面Ｓ４，Ｓ５を有している。
【００６１】
本実施形態における光学素子Ｌ１の各光学作用面Ｓ１〜Ｓ３の非球面形状は、次の式を用いて表現している。
z:= (1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+C1)*(1/R)2*(x2+y2))(1/2))+C2+C4*y+C5*(x2-y2)+C6*(-1+2*x2+2*y2)+C10*(-2*y+3*x2*y+3*y3)+C11*(3*x2*y-y3)+C12*(x4-6*x2*y2+y4)+C13*(-3*x2+4*x4+3*y2-4*y4)+C14*(1-6*x2+6*x4-6*y2+12*x2*y2+6*y4)+C20*(3*y-12*x2*y+10*x4*y-12*y3+20*x2*y3+10*y5)+C21*(-12*x2*y+15*x4*y+4*y3+10*x2*y3-5*y5)+C22*(5*x4*y-10*x2*y3+y5)+C23*(x6-15*x4*y2+15*x2*y4-y6)+C24*(-5*x4+6*x6+30*x2*y2-30*x4*y2-5*y4-30*x2*y4+6*y6)+C25*(6*x2-20*x4+15*x6-6*y2+15*x4*y2+20*y4-15*x2*y4-15*y6)+C26*(-1+12*x2-30*x4+20*x6+12*y2-60*x2*y2+60*x4*y2-30*y4+60*x2*y4+20*y6)
以下に、本実施形態の光学系データを示す。データは、光学素子Ｌ１の瞳面ＳＳの中心を原点（０，０，０）とする図示のｚ軸方向を光軸とする座標系を基準座標系とし、その基準座標系に対する各面を定義する座標系の相対位置のｙ座標，ｚ座標，ｘ軸の回りの回転（紙面上で反時計回りの方向を正の向きとする、単位:度）をそれぞれＹ，Ｚ，Ａで表す（ｘ座標、及びｙ，ｚ軸回りの回転量は常に０である）。
【００６２】
また、表中のＲはその面の曲率半径、Ｎｄ，Ｖｄはその面以降の屈折率、及びアッベ数を表す。尚、光束が同一面を複数通る場合は媒質が空気でない方を記述し、反射面として用いられる場合にはこれを記載しないこととした。
【００６３】
非球面係数Ｃ１，Ｃ２，・・・を含むものは本実施例において定義した非球面式に従う非球面、Ｒｘが記載されているものはトーリック面、これらの指示のない面は球面を表し、非球面係数指示のある面において不指示の係数は０とする。
【００６４】
Y Z A
SS 0.000 0.000 0.00
R : ∞
S1 -21.055 22.714 -4.90
R: -286.387 Nd: 1.5709 Vd: 33.8
C1: 5.6951E+01 C5: 1.2624E-03 C6: -1.0259E-05
C10: -1.0063E-05 C11: -1.1861E-04 C12: -1.2583E-06
C13: -8.1437E-08 C14: -1.5282E-07 C20: -3.6312E-09
C21: -6.6657E-09 C22: -1.2994E-08 C23: -1.8270E-10
C24: 3.2026E-11 C25: -3.3331E-11 C26: 1.7955E-11
S2 -7.684 25.621 -34.58
R : -60.499
FFS:
C1: 2.9063E+00 C5: -1.8798E-03 C6: -1.5350E-03
C10: -2.1037E-05 C11: -4.2092E-05 C12: -1.4078E-06
C13: -8.7082E-07 C14: 4.9603E-07 C20: -1.7039E-08
C21: -6.7412E-09 C22: 2.8031E-08 C23: 4.2253E-10
C24: -1.2736E-10 C25: 2.2765E-10 C26: 8.1350E-11
S3 13.586 29.712 57.62
R : ∞ 0.000000
UDS:
C1: -1.0721E-13 C5: 3.4255E-03 C6: -6.4961E-03
C10: 1.0928E-03 C11: -1.0503E-03 C12: -3.8101E-06
C13: -1.3683E-06 C14: 4.6612E-06 C20: -7.4127E-06
C21: 7.8218E-06 C22: -7.1810E-06 C23: -1.2202E-07
C24: 5.3625E-08 C25: -1.3562E-07 C26: 1.6849E-08
S4 13.083 31.875 60.21
R : ∞
S5 13.257 31.974 60.21
R : ∞
S6 13.604 32.173 60.21
R : ∞ Nd : 1.5163 Vd : 64.1
S7 15.140 33.052 29.82
R : ∞
S8 15.463 33.616 29.82
R : ∞ Nd : 1.5740 Vd : 55.0
S9 15.798 34.201 29.82
R : ∞
S10 25.650 27.285 112.08
R : ∞ Nd : 1.6968 Vd : 55.5
S11 25.933 21.066 112.08
R : -10.806
S12 28.713 19.939 112.08
R : ∞ Nd : 1.4900 Vd : 50.0
S13 28.898 19.863 112.08
R : ∞
SI 29.825 19.487 112.08
R : ∞
ＹＺ面内の瞳径Dy：6.00
ＹＺ面内のLCD画面サイズLy：6.32
ＹＺ面内の画角Wy：21.2°
面S6と面S9とのなす角度θ：30.39°
プリズムL21の頂角Pθ：30.39°
(Dy/Ly)・Wy°=20.13°
∴(Dy/Ly)・Wy°＜θ＜40°
(Dy/Ly)・Wy°＜Pθ＜40°
次に本実施形態における光学的作用について説明する。図２に示すように面光源３０の発光面ＳＩからの光束は、特定方向の直線偏光成分のみが偏光板ＫＮ１の面Ｓ１３，Ｓ１２を透過する。透過した直線偏光成分の光束は凸面Ｓ１１で屈折・集光され、面Ｓ１０を透過し、一部は面Ｓ６の反射膜で反射し、残りは全反射して面Ｓ７を透過してＬＣＤ２０に向かい、カバーガラス表面Ｓ８を介して画像表示面Ｓ９に達し、反射型のＬＣＤ２０を照明している。
【００６５】
ＬＣＤ２０で変調・反射された光束は、カバーガラス表面Ｓ８、三角プリズムＬ２１の面Ｓ７，面Ｓ６を透過して、偏光板ＫＮ２により変調度に応じて偏光板ＫＮ１の偏光軸に直交した偏光成分の光のみが偏光板ＫＮ２の面Ｓ５，Ｓ４を透過する。透過した光は、光学素子Ｌ１の第３の光学作用面Ｓ３を透過して第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、この面Ｓ１で全反射して第２の光学作用面Ｓ２へ向かい、この面Ｓ２で反射して収束光となり、再び第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、今度はこの面Ｓ１を透過して表示素子２０で表示された画像の虚像を形成すると共に瞳ＳＳを形成している。
【００６６】
本実施形態においては、プリズムＬ２１の面Ｓ６で照明光の一部が反射、残りが全反射するようにしたため、設計の拘束条件を緩めて設計の自由度を高めることが可能である。また、本実施形態のようにプリズムＬ２１とレンズＬ３１とを接合して照明系を構成すれば、組み立て時の工数を減らすことが出来るという利点もある。
【００６７】
［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２の要部構成図である。図中、ＳＳは拡大光学系により形成される瞳、Ｌ１は光学素子であり、非回転対称非球面から成る第１，第２，第３の光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有している。尚、いずれの面も１つのＹＺ面（対称面，本実施形態においては紙面がこれに相当）に対しては対称な形状をしている。
【００６８】
２０は反射型のＬＣＤであり、Ｓ９は該反射型のＬＣＤ２０の表示面であり、Ｓ８はＬＣＤのカバーガラス表面である。
【００６９】
ＬＥ２は照明光学系であり、プリズム（光学部材）Ｌ２２とレンズＬ３２とが接合して構成している。Ｓ６は照明光学系としては反射面の作用をし、拡大光学系としては透過面として作用する曲面であり、一部に反射膜を形成しており、それ以外の部分では光源からの照明光束を全反射するよう構成されている。Ｓ７は照明光学系、及び拡大光学系の両方で透過面として作用する面、Ｓ１０はプリズムＬ２２とレンズＬ３２とを接合した透過面、Ｓ１１はレンズＬ３２を構成する正のパワーを有するトーリック面形状の透過面である。
【００７０】
３０は面光源であり、本発明の基本構成で説明した拡散板背面に発光素子と光学系を配置して面光源を形成したものや、公知の液晶バックライト等のように側面に配置した発光素子と導光板で形成したもの、またＥＬ素子等の面発光光源が適宜利用可能である。カラー表示を行う際には、Ｒ，Ｇ，Ｂ発光する機構を有する素子を用い、該素子でのＲ，Ｇ，Ｂ発光とＬＣＤ２０でのＲ，Ｇ，Ｂ表示が同期するように素子の発光を制御すればよい。ＳＩは面光源３０の発光面（もしくは拡散面）である。
【００７１】
ＫＮ１，ＫＮ２は互いの偏光軸が略直交するように配置された偏光板であり、偏光板ＫＮ１は光学作用面Ｓ１２，Ｓ１３、偏光板ＫＮ２は光学作用面Ｓ４，Ｓ５を有している。
【００７２】
本実施形態における光学素子Ｌ１の各光学作用面Ｓ１〜Ｓ３の非球面形状は、次の式を用いて表現している。
z:=1/2*(1/a+1/b)*(y2*cos(w)2+x2)/cos(w)/(1+1/2*(1/a-1/b)*y*sin(w)+(1+(1/a-1/b)*y*sin(w)-(1/a/b+1/4*tan(w)2*(1/a+1/b)2)*x2)(1/2))+C20*x2+C11*x*y+C02*y2+C30*x3+C21*x2*y+C12*x*y2+C03*y3+C40*x4+C31*x3*y+C22*x2*y2+C13*x*y3+C04*y4+・・・
以下に、本実施形態の光学系データを示す。データ記載の規約については、実施形態１と同様とする。
【００７３】
Y Z A
SS 0.000 0.000 0.00
R : ∞
S1 0.705 22.097 2.03
R: ∞ Nd: 1.5709 Vd: 33.8
a: -1.6001E-03 b: -2.0700E-03 w: 7.6561E+01
C02: -1.2865E-03 C03: 3.1005E-04 C04: -1.7122E-05
C05: 6.5409E-07 C06: -9.2795E-08 C20: -5.2450E-03
C21: 3.0453E-05 C22: -3.9978E-05 C23: 4.3388E-07
C24: 1.9170E-08 C40: -7.5988E-06 C41: -1.9544E-06
C42: -7.0198E-08 C60: -3.0370E-08
S2 0.016 28.019 -24.09
R : ∞
a: -2.1136E-02 b: -2.5257E-02 w: -3.1945E+01
C02: -2.8889E-04 C03: -1.4933E-04 C04: -5.6307E-06
C05: 1.2648E-06 C06: -9.4413E-08 C20: -1.8636E-03
C21: -3.3320E-05 C22: -7.9416E-06 C23: 8.7542E-07
C24: -7.7610E-08 C40: -2.9596E-06 C41: -3.8702E-07
C42: -4.5477E-09 C60: -1.0830E-08
S3 13.307 26.240 57.17
R : ∞
a: 5.5954E-04 b: 3.5851E-03 w: -8.4177E+01
C02: 2.2738E-02 C03: -7.4198E-03 C04: -3.0192E-03
C05: 1.4405E-04 C06: 6.0690E-05 C20: 5.4887E-03
C21: -5.9630E-04 C22: 2.7278E-04 C23: 5.4823E-05
C24: -6.4480E-06 C40: -2.9036E-04 C41: 1.6786E-05
C42: 1.8299E-06 C60: 5.6970E-07
S4 14.147 26.782 68.65
R : ∞ Nd : 1.4900 Vd : 50.0
S5 14.333 26.855 68.65
R : ∞
S6 14.613 26.964 68.65
R : 70.000 Nd : 1.5600 Vd : 61.0
S7 22.441 24.576 38.70
R : ∞
S8 22.848 25.084 38.70
R : ∞ Nd : 1.5740 Vd : 55.0
S9 23.238 25.571 38.70
R : ∞
S10 20.506 22.316 108.65
R : ∞ Nd : 1.6968 Vd : 55.5
S11 22.223 21.640 110.90
R : -62.53018
RX: -11.50000
S12 25.400 20.427 110.90
R : ∞ Nd : 1.4900 Vd : 50.0
S13 25.587 20.356 110.90
R : ∞
SI 26.054 20.177 110.90
ＹＺ面内の瞳径Dy：6.00
ＹＺ面内のLCD画面サイズLy：6.18
ＹＺ面内の画角Wy：21.2°
面s6と面s9とのなす角度θ：29.95°
(Dy/Ly)・Wy°=20.58°
∴(Dy/Ly)・Wy°＜θ＜40°
尚、本実施形態においては、面Ｓ６が曲面で構成されているため、中心画角主光線（瞳中心からＺ軸方向に進光する光線，本発明の基本構成説明に用いた基準光線Ｏに略等しい）と面Ｓ６との交点における面Ｓ６の接線と画像表示面Ｓ９とのなす角度をθとする。
【００７４】
次に本実施形態における光学的作用について説明する。図３に示すように面光源３０の発光面ＳＩからの光束は、特定方向の直線偏光成分のみが偏光板ＫＮ１の面Ｓ１３，Ｓ１２を透過する。透過した直線偏光成分はトーリック面Ｓ１１でｘ軸方向とｙ軸方向とで異なる角度に屈折・集光され、面Ｓ１０を透過し、一部は面Ｓ６の反射膜で反射、残りは全反射して、面Ｓ７を透過してＬＣＤ２０に向かい、カバーガラス表面Ｓ８を介して画像表示面Ｓ９に達し、反射型ＬＣＤ２０を照明している。
【００７５】
ＬＣＤ２０で変調・反射された光束は、カバーガラス表面Ｓ８、プリズムＬ２２の面Ｓ７，Ｓ６を透過して、偏光板ＫＮ２により変調度に応じて偏光板ＫＮ１の偏光軸に直交した偏光成分の光のみが面Ｓ５，Ｓ４を透過する。透過した光は、光学素子Ｌ１の第３の光学作用面Ｓ３を透過して第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、この面Ｓ１で全反射して第２の光学作用面Ｓ２へ向かい、この面Ｓ２で反射して収束光となり、再び第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、今度はこの面Ｓ１を透過して表示素子２０で表示した画像の虚像を形成すると共に瞳ＳＳを形成している。
【００７６】
本実施形態においては、プリズムＬ２２の面Ｓ７を凸面形状としてパワーを持たせ拡大光学系を構成する曲面のパワーを適切に分担させたことにより、光学素子Ｌ１を構成する各面の敏感度低減、公差増大を図ることができる。また本実施形態においては、照明光学系を構成する面Ｓ１１をｘ，ｙ方向で曲率の異なるトーリック面形状としたことにより、拡大光学系で生じるｘ方向とｙ方向の液晶表示面への主光線入射角度の違いを適切に補正し、照明効率を向上させている。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、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を達成することができる。
【００７８】
この他本発明によれば、照明光を反射型の画像表示手段に導くための反射面として照明光学系で作用する面を反射型の画像表示手段の表示面に対して４５°未満の角度で構成することで、従来の４５°ミラーを組み込む系に対して拡大光学系を構成する光学素子から反射型の画像表示手段までの距離を短縮し、反射型の画像表示手段及びそれを照明する光源並びに照明光学系を組み込みつつも、画角・アイリリーフを充分に確保しつつ、小型で薄型の画像表示装置を達成することが可能で、また、照明光学系においては全反射面として作用し、拡大光学系においては透過面として作用する面のプリズムを配置したことにより、光源からの光をハーフミラー等を介することなく観察者の瞳に導くため、光利用効率の高い、明るい画像表示装置を達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像表示装置の基本構成を示す要部概略図
【図２】本発明の実施形態１の要部概略図
【図３】本発明の実施形態２の要部概略図
【図４】従来の反射型の表示デバイスを用いた画像表示装置の要部概略図
【図５】従来の反射型の表示デバイスを用いた画像表示装置の要部概略図
【図６】本発明の画像表示装置の他の実施形態の要部概略図
【符号の説明】
１ 観察者
２ 画像表示手段
２ａ 表示面
３ 光源
Ｌ１ 光学素子
Ｌ２ プリズム
Ｌ３ レンズ系
ＬＥ 照明光学系
ＫＮ１ 第１偏光板
ＫＮ２ 第２偏光板
Ｓ，ＳＳ 瞳孔位置
【発明の属する技術分野】
本発明は画像表示装置に関し、例えば表示素子として反射型の液晶表示素子に表示された画像情報を適切に設定した自由曲面を有する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、例えば透明体の表面に入射面と複数の反射面、そして射出面を設けた光学素子を用いて、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が種々と提案されている。
【０００３】
例えばこのようなヘッドマウントディスプレイ型の画像観察装置として特に小型化に優れた光学系の構成が特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案されている。
【０００４】
一方、近年小型の表示デバイスとして反射型の液晶表示素子が種々と用いられている。反射型の液晶表示素子をヘッドマウントディスプレイ等の画像観察装置に用いるには照明装置を設けて液晶表示素子を照明する必要がある。
【０００５】
図４，図５は各々従来の反射型の液晶表示素子を用いた画像表示装置の一部分の要部概略図である。
【０００６】
図４において１０１は反射型の液晶表示素子であり、光源（面光源）１０２からの光束を液晶表示素子１０１の表示面に対して略４５°傾いたビームスプリッタ（ハーフミラー）１０３で反射させた光で照明している。液晶表示素子１０１で光変調を受けハーフミラー１０３を透過した光束をプロジェクタのときには投影レンズ１０４で所定面上に投影して観察している。又ヘッドマウントディスプレイのときにはレンズ系１０４を介して液晶表示素子１０１で表示された画像情報を拡大して観察している。
【０００７】
図５においては光源１０２からの光束を偏光板１０６を介して直線偏光（例えばＰ偏光）とし、液晶表示素子１０１の表示面に対して略４５°傾いた偏光ビームスプリッタ１０５を通過させて反射型の液晶表示素子１０１を照明している。液晶表示素子１０１で光変調を受けた光束（Ｓ偏光となっている）を偏光ビームスプリッタ１０５で反射させて投影レンズ又はレンズ系１０４に導光している。
【０００８】
これによってプロジェクタのときには投影レンズ１０４で所定面上に投影し、観察している。又、ヘッドマウントディスプレイのときにはレンズ系１０４を介して液晶表示素子１０１で表示された画像情報を拡大し、観察している。
【０００９】
【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。
【００１０】
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組み込む必要がある。
【００１１】
前記した図４、図５等の照明光学系を構成する液晶面に対して４５°傾いたビームスプリッタを特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案されている構成に用いようとすると、即ち液晶と光学系との間、もしくは光学系と瞳との間に略４５°傾いた面を配置しなければならない。このため、透過型の液晶表示装置を用いた場合に対してアイリリーフ，画角等のスペックが低減してくる。
【００１２】
そして、上記ビームスプリッタがハーフミラーであった場合には光量の損失が生じ、又、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であった場合には、その製造が難しい等の問題もあった。
【００１３】
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の提供を目的とする。
【００１４】
この他本発明は、画像表示手段として例えば反射型の液晶表示素子を用い、例えば液晶表示素子からの光束を入射させる入射面と、該入射面から入射させた光束を反射させる偏心させた曲面反射面と、該曲面反射面からの光束を射出させる射出面とを一体形成した光学素子を表示光学系に用いて液晶表示素子で表示される画像情報を観察するとき、該液晶表示素子を照明するための照明光学系を表示光学系の特徴に合せて適切に設定することにより、装置全体の小型化を図りつつ、液晶表示素子で表示された画像情報を良好に観察することができるヘッドマウントディスプレイに好適な画像表示装置の提供を目的とする。
【００１５】
【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、
反射型の表示素子と、光源手段からの光束を該表示手段の表示面に入射させる全反射面を利用した３角柱状プリズムを有する照明光学系と、該表示手段からの光束を観察者の瞳孔に導光し、該表示手段に表示した画像情報を観察させる表示光学系とを有した画像表示装置において、該照明光学系は該光源手段からの光束を該３角柱状のプリズムの全反射面で全反射させて該表示手段に導光しており、該表示光学系は複数の光学作用面を有し、該表示手段からの光束を該プリズムの全反射面を介し観察者に導光しており、該表示光学系の複数の光学作用面は１つの面内において対称な形状をしており、該対称面をＹＺ面とするとき、該プリズムのプリズム頂角Ｐθが、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜Ｐθ＜４０°
Ｄｙ：ＹＺ面内の該表示光学系の瞳径
Ｌｙ：ＹＺ面内の該表示手段の有効画像表示サイズ
Ｗｙ：ＹＺ面内の該画像表示装置の画角
となるように設定していることを特徴としている。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、
前記全反射面と前記表示手段の表示面とのなす角θは、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜θ＜４０°
であることを特徴としている。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において前記表示光学系は複数の反射面を利用した光学素子を有し、前記光源手段と前記表示手段と該表示光学系の形成する瞳のそれぞれの略中心位置を結ぶ光線を基準光線Ｌ０とするとき、該光学素子を構成する反射面が、それぞれ基準光線Ｌ０に対して傾いた面で構成されたことを特徴としている。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項３の発明において前記光学素子を構成する少なくとも１つの光学面が、アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称非球面で構成されたことを特徴としている。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項４の発明において前記非回転対称非球面のうちの１面が全反射面、兼透過面として作用する光学面を有することを特徴としている。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項の発明において前記照明光学系は、少なくとも１つの非回転対称な曲面を有することを特徴としている。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか１項の発明において前記表示手段が強誘電性液晶ディスプレイであることを特徴としている。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１から７のいずれか１項の発明において前記光源手段がＲＧＢ３色を発光する光源を有し、該光源手段が前記表示手段における画像表示と同期して点灯することを特徴としている。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項８の発明において前記光源がＲＧＢの３色を発光するＬＥＤ素子であることを特徴としている。
【００３８】
請求項２４の発明は請求項２３の発明において、
前記光源がＲＧＢの３色を発光するＬＥＤ素子であることを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の画像表示装置の基本構成を示す要部概略図である。図中Ｌ１は表示光学系（拡大光学系）の一部を構成する光学素子であり、平面，曲面，非球面，または回転非対称面等から成る第１，第２，第３の光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを有している。尚、いずれの面Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃも１つのＹＺ面（対称面，本実施形態においては紙面がこれに相当）に対して対称な形状をしている。また、３つ以上の面を有するようにしても良い。Ｓは観察者１の望ましき瞳孔位置である。
【００４０】
２は反射型のＬＣＤより成る画像表示手段（表示素子）であり、２ａはその表示面（液晶面）である。尚、本発明における画像表示手段２には、後述するように照明光学系ＬＥからの光束をＬＣＤ２に斜め方向より入射させ反射して斜めに出射する光束を拡大光学系（表示光学系）に導く構成としているため、広い視角特性を有することが求められる。この要求に応えるために、例えば強誘電性液晶（ＦＬＣ）を用いている。また、位相補償板と組み合わせて視角特性を向上させたＴＮ液晶等を用いても良い。
【００４１】
３は光源手段であり、例えばＬＣＤ２が単色用であれば単色光または白色光を放射する光源より成り、または、ＬＣＤ２がカラー用であれば、例えばＲ，Ｇ，Ｂ３色を発光するＬＥＤが１チップ上に形成された光源３１からの光束をレンズ３２により集光し、拡散板３３を用いて面光源としている。Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を発光するＬＥＤは反射型のＬＣＤ２への画像の表示に同期して発光を制御され、カラー表示を可能ならしめている。
【００４２】
ＬＥは照明光学系であり、光源手段３からの光束を偏光板ＫＮ１を介して集光するレンズＬ３と、レンズＬ３を透過した光束をＬＣＤ２の表示面２ａに導光する３角柱状のプリズム（光学部材）Ｌ２より構成されている。プリズムＬ２を構成する面Ｓｄ，Ｓｅは、反射型ＬＣＤ２からの光束を瞳に導く拡大光学系の一部としても機能している。また、プリズムＬ２の反射面ＳｄとＬＣＤ２の表示面２ａとのなす角度θが４５°未満になるように構成している。また、プリズムＬ２のプリズム頂角（面Ｓｄと面Ｓｅで形成される角度）Ｐθは、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜Ｐθ＜４０°
但し、Ｄｙ：ＹＺ面内の表示光学系の瞳径
Ｌｙ：ＹＺ面内のＬＣＤ有効表示領域の長さ
Ｗｙ：ＹＺ面内の表示装置の画角
としている。
【００４３】
尚、上限を越えるとプリズムＬ２が厚くなるため好ましくなく、また、下限を越えると照明光束の一部が面Ｓｅでも全反射し、観察者が画像の周辺部を注視しようとした場合にケラレを生じる可能性があり好ましくない。
【００４４】
尚、レンズＬ３は単レンズに限定されるものではなく、複数のレンズや凹面ミラー等で構成してもよい。また、後述する数値実施例に示すように、レンズＬ３とプリズムＬ２を接合して１部品としてもよい。
【００４５】
ＫＮ１、ＫＮ２は偏光板であり、例えばそれぞれの偏光の軸が略直交するように配置している。尚、偏光板ＫＮ１、ＫＮ２は必ずしも直交して配置する必要はなく、ＬＣＤ２の旋光能、表示モード等の設計条件に合せて適切な配置にすればよい。また、ＬＣＤ２の種類によっては、表示面２ａの直前に偏光板を１枚用いるだけでよい場合等もあり、２枚の偏光板は必須ではない。また、偏光板ＫＮ１をレンズＬ３とプリズムＬ２との間に配置してもよい。
【００４６】
光学素子Ｌ１における第３の光学作用面Ｓｃの形状は該対称面（ＹＺ面）に対して対称な非球面である。第１の光学作用面Ｓａの形状は該対称面（ＹＺ面）に対して対称な球面または非球面であって、第３の光学作用面Ｓｃを屈折した光束を全反射する角度に傾斜して配置している。
【００４７】
第２の光学作用面Ｓｂは該対称面（ＹＺ面）に対して全体として強い凹面の非球面より成るミラー面（面上に光学薄膜をつけている）であって、第１の光学作用面Ｓａの一領域で全反射された光束に対して傾斜して配置している。第２の光学作用面Ｓｂで反射された光束は第１の光学作用面Ｓａを透過して瞳孔Ｓに達している。
【００４８】
前記光源手段３と前記画像表示手段２と前記拡大光学系（表示光学系）Ｌ１の形成する瞳のそれぞれの略中心位置を結ぶ光線を基準光線Ｌ０とするとき、前記拡大光学系を構成する光学面のうち少なくとも反射面として作用する面Ｓａ，Ｓｂは、それぞれ基準光線Ｌ０に対して傾いた面で構成し、光学素子Ｌ１をｚ軸方向に薄くしている。
【００４９】
尚、曲率を有する面Ｓａ，Ｓｂを基準光線Ｌ０に対して傾けて配置したことによる偏心収差を補正するため、面Ｓａ〜Ｓｃはアジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称非球面形状より構成している。
【００５０】
次に図１の本発明の基本構成における光学的作用について説明する。図１に示すように、光源３からの光束は偏光板ＫＮ１で偏光方向を（例えばＳ偏光に）揃えられ、照明光学系ＬＥを構成するレンズ系Ｌ３で集光され、プリズムＬ２の入射面ＳｆよりプリズムＬ２内に入射し、反射面Ｓｄにおいて全反射し、透過面Ｓｅより出射して、ＬＣＤ２の表示面２ａの法線に対してｙｚ面内で斜めにＬＣＤ２を照明している。
【００５１】
ＬＣＤ２の表示面２ａで画像情報に応じて変調（画素毎に適宜旋光）・反射された光束は、面Ｓｅより再度プリズムＬ２に入射し、照明時に全反射面として作用した面Ｓｄを今度は透過してプリズムＬ２より出射し、偏光板ＫＮ２へ向かう。偏光板ＫＮ２では、例えばＬＣＤ２で９０°旋光されＰ偏光になった画素からの光は透過し画像表示手段２で旋光されずＳ偏光のままであった画素からの光は遮光され、光学素子Ｌ１に導かれる。まず第３の光学作用面Ｓｃを透過して第１の光学作用面Ｓａへ向かい、この面Ｓａで全反射して第２の光学作用面Ｓｂへ向かい、この面Ｓｂで反射して収束光となり、再び第１の光学作用面Ｓａへ向かい、今度はこの面Ｓａを透過して画像表示手段２で表示された画像の虚像を形成すると共に観察者１の瞳孔Ｓに達して観察者に液晶表示手段２で表示した画像情報の虚像を視認させている。
【００５２】
本発明によれば、以上のように照明光をＬＣＤ２に導くためのプリズムＬ２の反射面Ｓｄを表示素子２の表示面２ａに対して４５°未満の角度（好ましくは（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°〜４０°の角度）で構成することで、従来の４５°ミラーを組み込む系に対して拡大光学系を構成する光学素子Ｌ１からＬＣＤ２までの距離を短縮し、反射型の表示デバイス及びそれを照明する光源並びに照明光学系を組み込みつつも、画角・アイリリーフを充分に確保しつつ、小型で薄型の画像表示光学系を達成することが可能としている。
【００５３】
また、本発明によれば、以上のように照明光学系においては全反射面として作用し、拡大光学系においては透過面として作用する面ＳｄのプリズムＬ２を配置したことにより、光源３１からの光をハーフミラー等を介することなく観察者の瞳Ｓに導くため、光利用効率の高い、明るい画像表示光学系を提供を可能としている。
【００５４】
又、図１の本発明の基本構成において、図６に示すように光学素子Ｌ１の面Ｓｂをハーフミラー面とし、面ＳｂでプリズムＰＺを接合し、表示手段２で表示した画像と、外界の画像からの光束をプリズムＰＺと光学素子Ｌ１を通して観察者の瞳孔Ｓに導光し、双方の画像を同一視野で観察するようにしても良い。尚、図６においては面ＰＺａ，面Ｓｂ，面Ｓａで構成される光学系によって外界の画像を観察する観察系を構成している。
【００５５】
以下、本発明に基づいた実施形態の構成について説明する。
【００５６】
［実施形態１］
図２は、本発明の実施形態１の要部構成図である。図中、ＳＳは拡大光学系により形成される瞳、Ｌ１は光学素子であり、非回転対称非球面から成る第１，第２，第３の光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有している。尚、いずれの面も１つのＹＺ面（対称面，本実施形態においては紙面がこれに相当）に対しては対称な形状をしている。
【００５７】
２０は反射型のＬＣＤであり、Ｓ９は該反射型のＬＣＤ２０の表示面であり、Ｓ８はＬＣＤのカバーガラス表面である。
【００５８】
ＬＥ１は照明光学系であり、光学部材としての三角柱状のプリズムＬ２１と平凸状のレンズＬ３１とが接合されている。Ｓ６は照明光学系としては反射面の作用をし、拡大光学系としては透過面として作用する光学作用面であり、一部に反射膜を形成しており、それ以外の部分では光源３０からの照明光束を全反射するよう構成されている。Ｓ７は照明光学系、及び拡大光学系の両方で透過面として作用する面、Ｓ１０は三角プリズムＬ２１とレンズＬ３１とを接合した透過面、Ｓ１１はレンズＬ３１を構成する正のパワーを有する透過面である。
【００５９】
３０は面光源であり、本発明の基本構成で説明した拡散板背面に発光素子と光学系を配置して面光源を形成したものや、公知の液晶バックライト等のように側面に配置した発光素子と導光板で形成したもの、またＥＬ素子等の面発光光源が適宜利用可能である。カラー表示を行う際には、Ｒ，Ｇ，Ｂ発光する機構を有する素子を用い、該素子でのＲ，Ｇ，Ｂ発光とＬＣＤ２０でのＲ，Ｇ，Ｂ表示が同期するように素子の発光を制御すればよい。ＳＩは面光源３０の発光面（もしくは拡散面）である。
【００６０】
ＫＮ１，ＫＮ２は互いの偏光軸が略直交するように配置された偏光板であり、偏光板ＫＮ１は光学作用面Ｓ１２，Ｓ１３、偏光板ＫＮ２は光学作用面Ｓ４，Ｓ５を有している。
【００６１】
本実施形態における光学素子Ｌ１の各光学作用面Ｓ１〜Ｓ３の非球面形状は、次の式を用いて表現している。
z:= (1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+C1)*(1/R)2*(x2+y2))(1/2))+C2+C4*y+C5*(x2-y2)+C6*(-1+2*x2+2*y2)+C10*(-2*y+3*x2*y+3*y3)+C11*(3*x2*y-y3)+C12*(x4-6*x2*y2+y4)+C13*(-3*x2+4*x4+3*y2-4*y4)+C14*(1-6*x2+6*x4-6*y2+12*x2*y2+6*y4)+C20*(3*y-12*x2*y+10*x4*y-12*y3+20*x2*y3+10*y5)+C21*(-12*x2*y+15*x4*y+4*y3+10*x2*y3-5*y5)+C22*(5*x4*y-10*x2*y3+y5)+C23*(x6-15*x4*y2+15*x2*y4-y6)+C24*(-5*x4+6*x6+30*x2*y2-30*x4*y2-5*y4-30*x2*y4+6*y6)+C25*(6*x2-20*x4+15*x6-6*y2+15*x4*y2+20*y4-15*x2*y4-15*y6)+C26*(-1+12*x2-30*x4+20*x6+12*y2-60*x2*y2+60*x4*y2-30*y4+60*x2*y4+20*y6)
以下に、本実施形態の光学系データを示す。データは、光学素子Ｌ１の瞳面ＳＳの中心を原点（０，０，０）とする図示のｚ軸方向を光軸とする座標系を基準座標系とし、その基準座標系に対する各面を定義する座標系の相対位置のｙ座標，ｚ座標，ｘ軸の回りの回転（紙面上で反時計回りの方向を正の向きとする、単位:度）をそれぞれＹ，Ｚ，Ａで表す（ｘ座標、及びｙ，ｚ軸回りの回転量は常に０である）。
【００６２】
また、表中のＲはその面の曲率半径、Ｎｄ，Ｖｄはその面以降の屈折率、及びアッベ数を表す。尚、光束が同一面を複数通る場合は媒質が空気でない方を記述し、反射面として用いられる場合にはこれを記載しないこととした。
【００６３】
非球面係数Ｃ１，Ｃ２，・・・を含むものは本実施例において定義した非球面式に従う非球面、Ｒｘが記載されているものはトーリック面、これらの指示のない面は球面を表し、非球面係数指示のある面において不指示の係数は０とする。
【００６４】
Y Z A
SS 0.000 0.000 0.00
R : ∞
S1 -21.055 22.714 -4.90
R: -286.387 Nd: 1.5709 Vd: 33.8
C1: 5.6951E+01 C5: 1.2624E-03 C6: -1.0259E-05
C10: -1.0063E-05 C11: -1.1861E-04 C12: -1.2583E-06
C13: -8.1437E-08 C14: -1.5282E-07 C20: -3.6312E-09
C21: -6.6657E-09 C22: -1.2994E-08 C23: -1.8270E-10
C24: 3.2026E-11 C25: -3.3331E-11 C26: 1.7955E-11
S2 -7.684 25.621 -34.58
R : -60.499
FFS:
C1: 2.9063E+00 C5: -1.8798E-03 C6: -1.5350E-03
C10: -2.1037E-05 C11: -4.2092E-05 C12: -1.4078E-06
C13: -8.7082E-07 C14: 4.9603E-07 C20: -1.7039E-08
C21: -6.7412E-09 C22: 2.8031E-08 C23: 4.2253E-10
C24: -1.2736E-10 C25: 2.2765E-10 C26: 8.1350E-11
S3 13.586 29.712 57.62
R : ∞ 0.000000
UDS:
C1: -1.0721E-13 C5: 3.4255E-03 C6: -6.4961E-03
C10: 1.0928E-03 C11: -1.0503E-03 C12: -3.8101E-06
C13: -1.3683E-06 C14: 4.6612E-06 C20: -7.4127E-06
C21: 7.8218E-06 C22: -7.1810E-06 C23: -1.2202E-07
C24: 5.3625E-08 C25: -1.3562E-07 C26: 1.6849E-08
S4 13.083 31.875 60.21
R : ∞
S5 13.257 31.974 60.21
R : ∞
S6 13.604 32.173 60.21
R : ∞ Nd : 1.5163 Vd : 64.1
S7 15.140 33.052 29.82
R : ∞
S8 15.463 33.616 29.82
R : ∞ Nd : 1.5740 Vd : 55.0
S9 15.798 34.201 29.82
R : ∞
S10 25.650 27.285 112.08
R : ∞ Nd : 1.6968 Vd : 55.5
S11 25.933 21.066 112.08
R : -10.806
S12 28.713 19.939 112.08
R : ∞ Nd : 1.4900 Vd : 50.0
S13 28.898 19.863 112.08
R : ∞
SI 29.825 19.487 112.08
R : ∞
ＹＺ面内の瞳径Dy：6.00
ＹＺ面内のLCD画面サイズLy：6.32
ＹＺ面内の画角Wy：21.2°
面S6と面S9とのなす角度θ：30.39°
プリズムL21の頂角Pθ：30.39°
(Dy/Ly)・Wy°=20.13°
∴(Dy/Ly)・Wy°＜θ＜40°
(Dy/Ly)・Wy°＜Pθ＜40°
次に本実施形態における光学的作用について説明する。図２に示すように面光源３０の発光面ＳＩからの光束は、特定方向の直線偏光成分のみが偏光板ＫＮ１の面Ｓ１３，Ｓ１２を透過する。透過した直線偏光成分の光束は凸面Ｓ１１で屈折・集光され、面Ｓ１０を透過し、一部は面Ｓ６の反射膜で反射し、残りは全反射して面Ｓ７を透過してＬＣＤ２０に向かい、カバーガラス表面Ｓ８を介して画像表示面Ｓ９に達し、反射型のＬＣＤ２０を照明している。
【００６５】
ＬＣＤ２０で変調・反射された光束は、カバーガラス表面Ｓ８、三角プリズムＬ２１の面Ｓ７，面Ｓ６を透過して、偏光板ＫＮ２により変調度に応じて偏光板ＫＮ１の偏光軸に直交した偏光成分の光のみが偏光板ＫＮ２の面Ｓ５，Ｓ４を透過する。透過した光は、光学素子Ｌ１の第３の光学作用面Ｓ３を透過して第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、この面Ｓ１で全反射して第２の光学作用面Ｓ２へ向かい、この面Ｓ２で反射して収束光となり、再び第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、今度はこの面Ｓ１を透過して表示素子２０で表示された画像の虚像を形成すると共に瞳ＳＳを形成している。
【００６６】
本実施形態においては、プリズムＬ２１の面Ｓ６で照明光の一部が反射、残りが全反射するようにしたため、設計の拘束条件を緩めて設計の自由度を高めることが可能である。また、本実施形態のようにプリズムＬ２１とレンズＬ３１とを接合して照明系を構成すれば、組み立て時の工数を減らすことが出来るという利点もある。
【００６７】
［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２の要部構成図である。図中、ＳＳは拡大光学系により形成される瞳、Ｌ１は光学素子であり、非回転対称非球面から成る第１，第２，第３の光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有している。尚、いずれの面も１つのＹＺ面（対称面，本実施形態においては紙面がこれに相当）に対しては対称な形状をしている。
【００６８】
２０は反射型のＬＣＤであり、Ｓ９は該反射型のＬＣＤ２０の表示面であり、Ｓ８はＬＣＤのカバーガラス表面である。
【００６９】
ＬＥ２は照明光学系であり、プリズム（光学部材）Ｌ２２とレンズＬ３２とが接合して構成している。Ｓ６は照明光学系としては反射面の作用をし、拡大光学系としては透過面として作用する曲面であり、一部に反射膜を形成しており、それ以外の部分では光源からの照明光束を全反射するよう構成されている。Ｓ７は照明光学系、及び拡大光学系の両方で透過面として作用する面、Ｓ１０はプリズムＬ２２とレンズＬ３２とを接合した透過面、Ｓ１１はレンズＬ３２を構成する正のパワーを有するトーリック面形状の透過面である。
【００７０】
３０は面光源であり、本発明の基本構成で説明した拡散板背面に発光素子と光学系を配置して面光源を形成したものや、公知の液晶バックライト等のように側面に配置した発光素子と導光板で形成したもの、またＥＬ素子等の面発光光源が適宜利用可能である。カラー表示を行う際には、Ｒ，Ｇ，Ｂ発光する機構を有する素子を用い、該素子でのＲ，Ｇ，Ｂ発光とＬＣＤ２０でのＲ，Ｇ，Ｂ表示が同期するように素子の発光を制御すればよい。ＳＩは面光源３０の発光面（もしくは拡散面）である。
【００７１】
ＫＮ１，ＫＮ２は互いの偏光軸が略直交するように配置された偏光板であり、偏光板ＫＮ１は光学作用面Ｓ１２，Ｓ１３、偏光板ＫＮ２は光学作用面Ｓ４，Ｓ５を有している。
【００７２】
本実施形態における光学素子Ｌ１の各光学作用面Ｓ１〜Ｓ３の非球面形状は、次の式を用いて表現している。
z:=1/2*(1/a+1/b)*(y2*cos(w)2+x2)/cos(w)/(1+1/2*(1/a-1/b)*y*sin(w)+(1+(1/a-1/b)*y*sin(w)-(1/a/b+1/4*tan(w)2*(1/a+1/b)2)*x2)(1/2))+C20*x2+C11*x*y+C02*y2+C30*x3+C21*x2*y+C12*x*y2+C03*y3+C40*x4+C31*x3*y+C22*x2*y2+C13*x*y3+C04*y4+・・・
以下に、本実施形態の光学系データを示す。データ記載の規約については、実施形態１と同様とする。
【００７３】
Y Z A
SS 0.000 0.000 0.00
R : ∞
S1 0.705 22.097 2.03
R: ∞ Nd: 1.5709 Vd: 33.8
a: -1.6001E-03 b: -2.0700E-03 w: 7.6561E+01
C02: -1.2865E-03 C03: 3.1005E-04 C04: -1.7122E-05
C05: 6.5409E-07 C06: -9.2795E-08 C20: -5.2450E-03
C21: 3.0453E-05 C22: -3.9978E-05 C23: 4.3388E-07
C24: 1.9170E-08 C40: -7.5988E-06 C41: -1.9544E-06
C42: -7.0198E-08 C60: -3.0370E-08
S2 0.016 28.019 -24.09
R : ∞
a: -2.1136E-02 b: -2.5257E-02 w: -3.1945E+01
C02: -2.8889E-04 C03: -1.4933E-04 C04: -5.6307E-06
C05: 1.2648E-06 C06: -9.4413E-08 C20: -1.8636E-03
C21: -3.3320E-05 C22: -7.9416E-06 C23: 8.7542E-07
C24: -7.7610E-08 C40: -2.9596E-06 C41: -3.8702E-07
C42: -4.5477E-09 C60: -1.0830E-08
S3 13.307 26.240 57.17
R : ∞
a: 5.5954E-04 b: 3.5851E-03 w: -8.4177E+01
C02: 2.2738E-02 C03: -7.4198E-03 C04: -3.0192E-03
C05: 1.4405E-04 C06: 6.0690E-05 C20: 5.4887E-03
C21: -5.9630E-04 C22: 2.7278E-04 C23: 5.4823E-05
C24: -6.4480E-06 C40: -2.9036E-04 C41: 1.6786E-05
C42: 1.8299E-06 C60: 5.6970E-07
S4 14.147 26.782 68.65
R : ∞ Nd : 1.4900 Vd : 50.0
S5 14.333 26.855 68.65
R : ∞
S6 14.613 26.964 68.65
R : 70.000 Nd : 1.5600 Vd : 61.0
S7 22.441 24.576 38.70
R : ∞
S8 22.848 25.084 38.70
R : ∞ Nd : 1.5740 Vd : 55.0
S9 23.238 25.571 38.70
R : ∞
S10 20.506 22.316 108.65
R : ∞ Nd : 1.6968 Vd : 55.5
S11 22.223 21.640 110.90
R : -62.53018
RX: -11.50000
S12 25.400 20.427 110.90
R : ∞ Nd : 1.4900 Vd : 50.0
S13 25.587 20.356 110.90
R : ∞
SI 26.054 20.177 110.90
ＹＺ面内の瞳径Dy：6.00
ＹＺ面内のLCD画面サイズLy：6.18
ＹＺ面内の画角Wy：21.2°
面s6と面s9とのなす角度θ：29.95°
(Dy/Ly)・Wy°=20.58°
∴(Dy/Ly)・Wy°＜θ＜40°
尚、本実施形態においては、面Ｓ６が曲面で構成されているため、中心画角主光線（瞳中心からＺ軸方向に進光する光線，本発明の基本構成説明に用いた基準光線Ｏに略等しい）と面Ｓ６との交点における面Ｓ６の接線と画像表示面Ｓ９とのなす角度をθとする。
【００７４】
次に本実施形態における光学的作用について説明する。図３に示すように面光源３０の発光面ＳＩからの光束は、特定方向の直線偏光成分のみが偏光板ＫＮ１の面Ｓ１３，Ｓ１２を透過する。透過した直線偏光成分はトーリック面Ｓ１１でｘ軸方向とｙ軸方向とで異なる角度に屈折・集光され、面Ｓ１０を透過し、一部は面Ｓ６の反射膜で反射、残りは全反射して、面Ｓ７を透過してＬＣＤ２０に向かい、カバーガラス表面Ｓ８を介して画像表示面Ｓ９に達し、反射型ＬＣＤ２０を照明している。
【００７５】
ＬＣＤ２０で変調・反射された光束は、カバーガラス表面Ｓ８、プリズムＬ２２の面Ｓ７，Ｓ６を透過して、偏光板ＫＮ２により変調度に応じて偏光板ＫＮ１の偏光軸に直交した偏光成分の光のみが面Ｓ５，Ｓ４を透過する。透過した光は、光学素子Ｌ１の第３の光学作用面Ｓ３を透過して第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、この面Ｓ１で全反射して第２の光学作用面Ｓ２へ向かい、この面Ｓ２で反射して収束光となり、再び第１の光学作用面Ｓ１へ向かい、今度はこの面Ｓ１を透過して表示素子２０で表示した画像の虚像を形成すると共に瞳ＳＳを形成している。
【００７６】
本実施形態においては、プリズムＬ２２の面Ｓ７を凸面形状としてパワーを持たせ拡大光学系を構成する曲面のパワーを適切に分担させたことにより、光学素子Ｌ１を構成する各面の敏感度低減、公差増大を図ることができる。また本実施形態においては、照明光学系を構成する面Ｓ１１をｘ，ｙ方向で曲率の異なるトーリック面形状としたことにより、拡大光学系で生じるｘ方向とｙ方向の液晶表示面への主光線入射角度の違いを適切に補正し、照明効率を向上させている。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、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を達成することができる。
【００７８】
この他本発明によれば、照明光を反射型の画像表示手段に導くための反射面として照明光学系で作用する面を反射型の画像表示手段の表示面に対して４５°未満の角度で構成することで、従来の４５°ミラーを組み込む系に対して拡大光学系を構成する光学素子から反射型の画像表示手段までの距離を短縮し、反射型の画像表示手段及びそれを照明する光源並びに照明光学系を組み込みつつも、画角・アイリリーフを充分に確保しつつ、小型で薄型の画像表示装置を達成することが可能で、また、照明光学系においては全反射面として作用し、拡大光学系においては透過面として作用する面のプリズムを配置したことにより、光源からの光をハーフミラー等を介することなく観察者の瞳に導くため、光利用効率の高い、明るい画像表示装置を達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像表示装置の基本構成を示す要部概略図
【図２】本発明の実施形態１の要部概略図
【図３】本発明の実施形態２の要部概略図
【図４】従来の反射型の表示デバイスを用いた画像表示装置の要部概略図
【図５】従来の反射型の表示デバイスを用いた画像表示装置の要部概略図
【図６】本発明の画像表示装置の他の実施形態の要部概略図
【符号の説明】
１ 観察者
２ 画像表示手段
２ａ 表示面
３ 光源
Ｌ１ 光学素子
Ｌ２ プリズム
Ｌ３ レンズ系
ＬＥ 照明光学系
ＫＮ１ 第１偏光板
ＫＮ２ 第２偏光板
Ｓ，ＳＳ 瞳孔位置
Claims (9)
- 反射型の表示素子と、光源手段からの光束を該表示手段の表示面に入射させる全反射面を利用した３角柱状プリズムを有する照明光学系と、該表示手段からの光束を観察者の瞳孔に導光し、該表示手段に表示した画像情報を観察させる表示光学系とを有した画像表示装置において、該照明光学系は該光源手段からの光束を該３角柱状のプリズムの全反射面で全反射させて該表示手段に導光しており、該表示光学系は複数の光学作用面を有し、該表示手段からの光束を該プリズムの全反射面を介し観察者に導光しており、該表示光学系の複数の光学作用面は１つの面内において対称な形状をしており、該対称面をＹＺ面とするとき、該プリズムのプリズム頂角Ｐθが、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜Ｐθ＜４０°
Ｄｙ：ＹＺ面内の該表示光学系の瞳径
Ｌｙ：ＹＺ面内の該表示手段の有効画像表示サイズ
Ｗｙ：ＹＺ面内の該画像表示装置の画角
となるように設定していることを特徴とする画像表示装置。 - 前記全反射面と前記表示手段の表示面とのなす角θは、
（Ｄｙ／Ｌｙ）・Ｗｙ°＜θ＜４０°
であることを特徴とする請求項１の画像表示装置。 - 前記表示光学系は複数の反射面を利用した光学素子を有し、前記光源手段と前記表示手段と該表示光学系の形成する瞳のそれぞれの略中心位置を結ぶ光線を基準光線Ｌ０とするとき、該光学素子を構成する反射面が、それぞれ基準光線Ｌ０に対して傾いた面で構成されたことを特徴とする請求項１又は２の画像表示装置。
- 前記光学素子を構成する少なくとも１つの光学面が、アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称非球面で構成されたことを特徴とする請求項３の画像表示装置。
- 前記非回転対称非球面のうちの１面が全反射面、兼透過面として作用する光学面を有することを特徴とする請求項４の画像表示装置。
- 前記照明光学系は、少なくとも１つの非回転対称な曲面を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の画像表示装置。
- 前記表示手段が強誘電性液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項の画像表示装置。
- 前記光源手段がＲＧＢ３色を発光する光源を有し、該光源手段が前記表示手段における画像表示と同期して点灯することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項の画像表示装置。
- 前記光源がＲＧＢの３色を発光するＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項８の画像表示装置。
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