JP4194219B2 - 画像表示装置および画像表示システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)等と称される画像表示装置や、カメラのファインダーとして用いられる画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
上記のような画像表示装置においては、装置全体の小型化が要望されており、これを達成するための光学系が種々提案されている。
【0003】
例えば、本出願人は、特開平7―333551号公報、特開平8−50256号公報、特開平8−160340号公報、特開平8−179238号公報において、画像情報を表示する液晶ディスプレイと、この液晶ディスプレイに表示された画像を観察者の眼に投写し観察させる小型プリズムとを使用し、装置全体の小型化を図った画像観察装置を提案している。
【0004】
上記各公報にて提案の画像表示装置は、画像情報を表示した液晶ディスプレイから発せられた光を、小型プリズムに入射させ、小型プリズムに形成した曲率を有した屈折面や全反射面、そして反射面を介して小型プリズムを射出させて、観察者の眼に導びく。これにより、観察者の前方に液晶ディスプレイの虚像が形成され、観察者がこの虚像を観察する構成である。
【0005】
ところで、これらの画像表示装置においては、液晶ディスプレイとして透過型液晶ディスプレイを用いているが、この透過型液晶ディスプレイについては、近年の画像表示素子の高精細化に伴い、画素開口率の低さが画質の低下につながるという欠点が指摘されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような現状に対して、高精細な画像が要求される画像表示装置に画素開口率の高い反射型液晶ディスプレイを用いることが提案されている。反射型液晶ディスプレイを用いた画像表示装置としては、例えば、特開平11−125791号公報にて提案されているものがある。この装置では、本願図9に示すように、光源112からの光を光学素子を介することなく直接、反射型液晶ディスプレイ108に入射させ、照明する。
【0007】
しかしながら、このような画像表示装置では、光源112からの光を液晶ディスプレイ108に直接入射させるために、光源112と液晶ディスプレイ108を含む照明ユニット、さらには装置全体の大型化が問題となる。また、液晶ディスプレイ108が表示光学系110に対して大きく傾く構成であるため、液晶ディスプレイ108から表示光学系110までの光路長が物高によって大きく異なり、光学性能が低下するという問題がある。
【0008】
また、別の画像表示装置として、図10に示すように、プリズム形状の表示光学系110に対して液晶ディスプレイ108とは反対側に光源112を設けたものもある。この装置では、光源112からの光はプリズム形状の表示光学系110内を透過後、液晶ディスプレイ108を照明し、その照明光のうち液晶ディスプレイ108で反射された光(画像光)が再び表示光学系110内に入射し、観察者の眼101に到達する。
【0009】
しかし、このような照明系では、プリズム形状の表示光学系110の内部で起こる不要反射が画質劣化の大きな要因であるフレア光を発生させるという問題がある。
【0010】
そこで、本発明は、極めてシンプルな構成でありながら、諸収差が良好に補正され、広画角で、かつ不要なフレアが発生しない画像表示装置であって、しかも、パソコン画像などの高精細な画像に対応した反射型液晶ディスプレイを用いた小型の画像表示装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、照明光を発する光源と、入射した照明光の内部反射により画像を表示する反射型画像表示素子と、この反射型画像表示素子に表示された画像を観察者の眼に投写する投写光学系と、光源から入射した照明光を反射型画像表示素子に向けて全反射させるとともに、この反射型画像表示素子から射出した画像光を前記投写光学系に向けて透過させるレンズ面を備えた導光光学系とを有し、
投写光学系を、少なくとも1つの反射面を有して反射型画像表示素子から射出した画像光を観察者の眼側に射出する第1の光学系と、この第1の光学系よりも観察者の眼側に配置されて第1の光学系から射出した画像光に対して少なくとも一方が回折作用面である2つの光学作用面を有する第2の光学系とを有する構成とし、
投写光学系の射出瞳中心と反射型画像表示素子の中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中心を原点とし、この原点と交わる基準軸光線上をZ軸(但し、原点から前記投写光学系に向かう方向を正とする)とし、基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な方向をY軸とし、YZ軸に垂直な軸をX軸とする絶対座標系のYZ面内において、導光光学系内を通過する画像光のうちこの導光光学系からの射出角度が最大となる主光線をr1、射出角度が最小となる主光線をr2とし、上記回折作用面における主光線r1および主光線r2の通過位置での位相関数値をそれぞれΨ1,Ψ2としたときに、
Ψ1<Ψ2
〈但し、位相関数値Ψ(x,y) は、
Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3)
で表され、Kは定数、x,yは上記回折作用面のローカル座標系でのx,y座標、Cjは係数であり、上記回折作用面上での主光線r1,r2の通過点のx座標をそれぞれ0、y座標をそれぞれy1,y2とするとき、
Ψ1=Ψ(y1)
Ψ2=Ψ(y2)
となる〉
の関係を満たすようにしている。
【0012】
すなわち、導光光学系の射出面で発生し易い色収差が、導光光学系からの画像光の射出角度の違いにより画面内で程度に差(比重)が生じるような場合に、この色収差の比重を考慮して、回折作用面における主光線r1(最大角度での射出光線)および主光線r2(最小角度での射出光線)の通過位置での位相関数値Ψ1,Ψ2に差を持たせることで、表示画面全体について色収差を良好に補正して、良質の画像を表示できるようにしている。
【0013】
また、投写光学系として、従来も用いられている第1の光学系に、レンズ形状ないし平板形状の第2の光学系を追加するだけで上記効果が得られるため、小型でありながら良質な表示画像が得られる画像表示装置を実現することが可能となる。
【0014】
また、上記発明において、上記絶対座標系のYZ面内で、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通過する画像光の光線のうち、光路長が最長となる光線をr3、光路長が最短となる光線をr4とし、第2の光学系内における前記光線r3および光線r4の光路長をそれぞれt3,t4とし、第2の光学系が光線r3および光線r4に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ3,Φ4としたときに、
t3<t4
および、
Φ3>Φ4
〈但し、ri光線の光学的パワーΦiは、
前記2つの光学作用面A,Bの光学的パワーをφi(A),φi(B)とし、前記第2の光学系を形成する材質の屈折率をndとし、前記光学作用面Aを観察者の眼側の面とし、前記光学作用面Bを前記第1の光学系側の面とし、曲率の符号を観察者の眼側から前記第1の光学系に向かう方向を正とし、前記光線riと光学作用面A,Bとの交点でのローカル曲率半径をRi(A), Ri(B)としたときに、
φi(A)=(nd−1)/Ri(A)
φi(B)=(1−nd)/Ri(B)
Φi=φi(A)+φi(B)−φi(A)×φi(B)×ti/nd
とする〉のうち少なくとも一方の関係を満たすようにしてもよい。
【0015】
これにより、上記色収差の補正効果に加えて、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通過する画像光の光線のうち最長光路長を有する光線r3と最短光路長を有する光線r4との光路差に起因する像倒れや諸収差を、上記第2の光学系内における光線r3および光線r4の光路長t1,t2に差を持たせること若しくは第2の光学系が光線r3および光線r4に及ぼす光学的パワーΦ3,Φ4に差を持たせることで良好に補正することも可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1には、本発明の第1実施形態である画像表示装置の構成を示している。1はRGBの光を発する光源であり、2は第1の偏光板である。3は照明プリズム(導光光学系)であり、4は反射型液晶ディスプレイパネル(反射型画像表示素子:以下、単にディスプレイパネルという)である。
【0017】
5は第2の偏光板であり、6はプリズムレンズ(第1の光学系)である。また、20は補助レンズ(第2の光学系)であり、7は観察者の眼である。なお、プリズムレンズ6および補助レンズ20により請求の範囲にいう投写光学系が構成される。
【0018】
このように構成された画像表示装置では、光源1から発せられた照明光は第1の偏光板2を通って所定の偏光方向を有した偏光光となり、照明プリズム3の入射面8に入射する。
【0019】
照明プリズム3内に入射した照明光は、反射透過面9で反射し、ディスプレイパネル4の近傍に配置された透過面10を透過してディスプレイパネル4の画像光射出側から入射し、このディスプレイパネル4を照明する。
【0020】
ディスプレイパネル4においては、パソコンやDVDプレーヤーといった画像情報出力装置から供給される映像信号に応じて光の偏光方向が変調される。そして、ディスプレイパネル4で変調され、反射された光(画像光)は、照明プリズム3の透過面10を再び透過して照明プリズム3内に入り、さらに反射透過面9を透過して第2の偏光板5に入射する。
【0021】
ここで、照明プリズム3は、プリズムレンズ6とディスプレイパネル4との間に配置されており、プリズムレンズ側の反射透過面9とディスプレイパネル側の透過面10とのなす角度が大きくならないように構成されている。この照明プリズム3において、面9,10の間で照明光と画像光は一部同じ領域を通っている。
【0022】
第2の偏光板5においては、上記所定の偏光方向に直交する偏光方向に平行な偏光成分は透過し、垂直な偏光成分は吸収される。これにより、不要な光がカットされた状態で画像光がプリズムレンズ6内に入射する。
【0023】
ここまでの光の偏光状態を図2を用いて説明する。なお、図2中、光軸線上の2重丸印は所定の偏光方向を有する偏光光(例えば、S偏光光)を、矢印は上記所定の偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光光(例えば、P偏光光)を示す。
【0024】
光源1からの無偏光の照明光14は、第1の偏光板2によって所定の偏光方向15に揃えられ、照明プリズム3の反射透過面9で反射され、照明プリズム3の透過面10を透過してディスプレイパネル4に入射する。
【0025】
ディスプレイパネル4に入射した偏光光16はこのパネル4で上記所定の偏光方向に対して90°の旋光作用を受ける。この旋光作用を受けた偏光光は、第2の偏光板5を透過し、旋光作用を受けない偏光光は第2の偏光板5で吸収される。
【0026】
こうして第2の偏光板5を透過してプリズムレンズ6内に入射面11を通じて入射した画像光は、反射透過面12で反射された後、凹面反射面13で再び反射され、反射透過面12から観察者の眼7側に射出される。
【0027】
プリズムレンズ6から射出した画像光は、このプリズムレンズ6よりも眼7側に配置された補助レンズ20に入射する。そして、画像光は補助レンズ20の透過面B(光学作用面B)22および透過面A(光学作用面A)21を透過して観察者の眼7に到達する。
【0028】
ここで、本実施形態の照明プリズム3は、図1に示すように、光源1からの照明光の光線が照明プリズム3の入射面8を透過して反射透過面9で反射するときのこの反射透過面9への入射角φが、下記式(1)を満足するように設定されており、全反射条件を満たす。
【0029】
sin-1 φ≧1/n …(1)
ここでは照明プリズムの材質は、S−BSL7(n=1.52)であるので、φ≧41.1を満足すればよい。
【0030】
また、プリズムレンズ6における入射面11,反射透過面12および凹面反射面13は非回転対称面で構成されている。
【0031】
さらに、補助レンズ20は以下の条件を満足するように構成されている。すなわち、投写光学系の射出瞳(観察者の眼7の瞳孔)の中心とディスプレイパネル4の中心を結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中心を原点とし、原点と交わる基準軸光線上をZ軸(但し、原点から投写光学系に向かう方向を正とする)とし、基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な方向をY軸とし、これらYZ軸に垂直な軸をX軸として本装置の絶対座標系を定義した場合に、
この絶対座標系のYZ面内において、
ディスプレイパネル4からの画像光が照明プリズム3内から射出するときの射出角度が最大となる主光線(射出瞳の中心を通る光線)をr1、最小となる主光線をr2、補助レンズ20の透過面A,Bのうち回折作用を有する面(以下、回折作用面という)上での主光線r1,r2の通過位置での位相関数値(回折作用のパワーの逆数に相当する値)をΨ1,Ψ2としたときに、
Ψ1<Ψ2 …(2)
の関係を満たすように構成されている。
【0032】
ここで、位相関数値Ψ(x,y) は、
Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3)…(3)
で表される。Kは定数、x,yは上記回折作用面のローカル座標系でのx,y座標、Cjは係数である。
【0033】
そして、上記回折作用面上での主光線r1,r2の通過点のx座標はそれぞれ0であることから、y座標をそれぞれy1,y2とするとき、
Ψ1=Ψ(y1) …(4)
Ψ2=Ψ(y2) …(5)
となる。
【0034】
照明プリズム3の射出面9では色収差が発生し易いが、その色収差は、照明プリズム3からの主光線の射出角度の違いにより程度に差(比重)が生ずる。すなわち、主光線の照明プリズム3からの射出角度が大きいほど、発生する色収差も大きくなる。
【0035】
このため、本実施形態では、この色収差の比重を考慮して、補助レンズ20の回折作用面における主光線r1,r2の通過位置での位相関数値Ψ1,Ψ2に差を持たせる(Ψ2をΨ1より大きくする)ことで、表示画面全体について色収差を良好に補正し、良質の画像を表示できるようにしている。
【0036】
《数値実施例》
上記第1実施形態の投写光学系は偏心面で構成されているので、光学系の形状を表すために絶対座標系とローカル座標系を設定する。図11は絶対座標系とローカル座標系の説明図である。
【0037】
投写光学系の射出瞳(観察者の望ましき瞳孔位置)の中心と画像表示素子中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中心を原点O,原点と交わる基準軸光線上をZ軸(原点から観察光学系に向かう方向を正とする)、基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な方向をY軸、YZ軸に垂直な軸をX軸として画像表示装置の絶対座標系を設定する。
【0038】
次に、ローカル座標の原点Oi は絶対座標(Sxi ,Syi ,Szi )で各面i毎に設定する。ローカル座標のZ軸はYZ平面内で原点Oi を通り、絶対座標系の軸と角度Ai をなす直線である。
【0039】
ここでAi は、ローカル座標のZ軸が、原点Oi を通り、絶対座標系のZ軸に平行な直線に対して反時計回りの角度をなすときに正とする。ローカル座標のY軸は原点Oi を通り、ローカル座標のZ軸に対して反時計回りに90°の角度をなす直線である。ローカル座標のX軸は原点Oi を通り、ローカル座標のY軸及びZ軸に直交する直線である。
【0040】
各面の形状はローカル座標で表す。各実施形態において回転非対称面(自由曲面)と称した光学作用面の形状は、ゼルニケ多項式で表現されるものであり、以下に示す関数により表す。
【0041】
ここで、c は各面の曲率で、r を各面の基本曲率半径とすると、曲率c はc=1/r である。また、c jは各面におけるゼルニケ多項式の非球面係数である。
【0042】
光学作用面はYZ平面に対して対称であるので、X軸方向で非対称になる項は除いて表記している。
【0043】
次に、補助レンズ20における回折作用面について説明する。この回折作用面は、任意の基準面上に以下の位相関数で表される回折格子を形成したものである。
【0044】
Ψ(x,y) =2π(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3)/ λ…(6)
ここで、λは587.6nm 、x,yは回折作用面のローカル座標、ciは回折作用面におけるi 番目の位相係数である。この位相関数から任意の座標位置における回折格子のピッチを算出することが可能となる。
【0045】
図3には、本数値実施例としての画像表示装置の構成を示している。本実施例の補助レンズ20において、透過面A21は平面であり、透過面B22は平面基準面上に形成された回折作用面である。
【0046】
ここで、透過面A21は観察者の眼7側の面であり、透過面B22はプリズムレンズ6側の面である。
【0047】
本実施例で示す画像観察装置は、図6で示すような画像表示装置の配置例に適している。図6において、光源1、ディスプレイパネル4、第1,2の偏光板2,5および照明プリズム3は、プリズムレンズ6および観察者の左右両目の高さよりも上に位置するようにレイアウトされている。
【0048】
表1には、本実施例の投写光学系の各面の数値データと、f(これについては後述する)と、主光線r1,r2の照明プリズム3からの射出角度θ1,θ2と、Ψ1,Ψ2とを示す。
【0049】
ここで、Siは図11に示すようにi=1から順に射出瞳中心、補助レンズ20、プリズムレンズ6、照明プリズム3、ディスプレイパネル4のカバーガラスおよびディスプレイパネルの画像表示面の各面情報を表す。
【0050】
また、装置のX軸方向の最大半画角をWX、装置のY軸方向の最大半画角をWYとして記載する。fはプリズムレンズ6の焦点距離に相当する値で、観察者の眼7からの逆トレースにおいて、無限遠物体からの入射光の装置のXZ断面上の入射角度WXと、その光線がディスプレイパネル4で結像する像高ym から、
f=ym /tan(WX)
として算出したものであり、ここでは単に焦点距離と呼ぶこととする。
【0051】
【表1】
【0052】
本数値実施例では、Ψ1,Ψ2が上記(2)式の関係を満たしている。
【0053】
以上説明したように、本実施例によれば、装置全体の小型化を図りつつ、観察視野内に良好な画質の画像を表示できる画像表示装置を実現することができる。
【0054】
ところで、本実施例では、透過面A21が平面であることから、補助レンズ20の保持が容易となるとともに、透過面A21に誤って手が触れた場合でも拭き取りが容易である。このため、この略平板状の補助レンズ20を、画像表示装置の保護カバーとして兼用することができる。
【0055】
また、補助レンズ20の両透過面A21,B22に反射防止膜を施すことで、観察者側からの光が透過面A21,B22で反射されることによる、表示画像のコントラスト低下を防止することができる。
【0056】
そして、補助レンズ20をプラスチックで成形すると、ガラス材で作った場合に比べて軽量の画像表示装置を提供できる。
【0057】
また、図8に示すように、補助レンズ20はプリズムレンズ6を保持する部材23で保持することが好ましい。具体的には、プリズムレンズ6の左右両側に凸型の基準ピン6a,6bを形成するとともに、補助レンズ20の左右両側に凸型の基準ピン20a,20bを形成する。そして、保持部材23の左右における前後面に形成した基準穴に各基準ピンを挿入して接着若しくは圧入する。
【0058】
このようにすることで、装置を組み立てる際のプリズムレンズ6と補助レンズ20との位置精度を高くすることが可能となり、さらに良好な画像の表示が可能となる。
【0059】
なお、保持部材23を介さずに、プリズムレンズ6と補助レンズ20とを直接固定してもよい。
【0060】
(第2実施形態)
図4には、本発明の第2実施形態である画像表示装置の構成を示している。図4において、透過面A31,B32を有した補助レンズ30以外は、第1実施形態と同様の構成とする。
【0061】
本実施形態の補助レンズ30において、透過面A31は装置のZ軸とは異なる軸を有するYトーリック面(紙面内で示される曲面を、Y軸に関して回転させた面)であり、透過面B32は平面基準面上に形成された回折作用面である。
【0062】
ここで、透過面A31は観察者の眼7側の面であり、透過面B32はプリズムレンズ6側の面である。
【0063】
本実施例で示す画像観察装置は、第1実施形態と同様に、図6で示すような画像表示装置の配置例に適している。
【0064】
表2には、本実施形態の投写光学系の各面の数値データと、fと、主光線r1,r2の照明プリズム3からの射出角度θ1,θ2と、Ψ1,Ψ2とを示す。
【0065】
【表2】
【0066】
本数値実施例でも、Ψ1,Ψ2が上記(2)式の関係を満たしているため、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0067】
(第3実施形態)
図5には、本発明の第3実施形態である画像表示装置の構成を示している。図5において、透過面A41,B42を有した補助レンズ40以外は、第1実施形態と同様の構成とする。
【0068】
本実施形態の補助レンズ40において、透過面A41は Zernike多項式の非球面であり、透過面B42は平面基準面上に形成された回折作用面である。
【0069】
ここで、透過面A41は観察者の眼7側の面であり、透過面B42はプリズムレンズ6側の面である。
【0070】
本実施例で示す画像観察装置は、図7で示すような画像表示装置の配置例に適している。
【0071】
図7において、光源1、ディスプレイパネル4、第1,2の偏光板2,5および照明プリズム3は、プリズムレンズ6および観察者の左右両目の高さと同じ高さにレイアウトされている。
【0072】
表3には、本実施形態の投写光学系の各面の数値データと、fと、主光線r1,r2の照明プリズム3からの射出角度θ1,θ2と、Ψ1,Ψ2とを示す。
【0073】
【表3】
【0074】
本数値実施例でも、Ψ1,Ψ2が上記(2)式の関係を満たしているため、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0075】
また、本実施形態では、上記絶対座標系のYZ面内において、プリズムレンズ6およびディスプレイパネル4間で照明プリズム3内を通過する光線のうち、光路長が最長となる光線をr3、最短となる光線をr4,補助レンズ40内の光線r3,r4の光路長をそれぞれt3,t4、補助レンズ40が光線r3,r4に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ3,Φ4としたときに、
t3<t4 …(7)
および、
Φ3>Φ4 …(8)
の双方の関係を満たすように構成されている(なお、いずれか一方の関係を満足する場合でもよい)。
【0076】
ここで、光線riに及ぼす光学的パワーΦiは、
透過面A41,B42の光学的パワーφi(A),φi(B)とし、補助レンズ40を形成する材料の屈折率をndとし、透過面A41を観察者の眼7側に配置し、透過面B42をプリズムレンズ6側に配置し、曲率の符号を観察者の眼7側からプリズムレンズ6側に向かう方向を正とし、光線riと透過面A41,B42との交点でのローカル曲率半径をRi(A), Ri(B)としたとき、
φi(A)=(nd−1)/Ri(A) …(4)
φi(B)=(1−nd)/Ri(B) …(5)
Φi=φi(A)+φi(B)−φi(A)×φi(B)×ti/nd…(9)
とする。
【0077】
上記表3には、t3,t4と、光線r3,r4の照明プリズム3内での光路長tp3,tp4と、Φ1,Φ2とを示している。
【0078】
このような補助レンズ20とプリズムレンズ6とを組み合わせた投写光学系を用いることで、第1実施形態と同様の効果に加えて、照明プリズム3内における光線r3と光線r4との光路長差による像面の倒れ、あるいは光線r3と光線r4のディスプレイパネル4への入射角の違いから生ずる収差を良好に補正することができる。さらに、図7に示すようなレイアウトが可能であることから、装置Y軸方向をさらに小型化した画像表示装置を実現することができる。
【0079】
なお、以上の実施形態では、投写光学系のうち第1の光学系をプリズムレンズで構成する場合について説明したが、本発明においては、第1の光学系をハーフミラーと凹面鏡とからなる光学系で構成してもよい。
【0080】
また、上記各実施形態では、いわゆるヘッドマウントディスプレイとしての画像表示装置について説明したが、本発明の画像表示装置は、カメラのビューファインダー等にも応用することができる。
【0081】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導光光学系の射出面で発生し易い色収差が、導光光学系からの画像光の射出角度の違いにより画面内で程度に差(比重)が生じるような場合に、この色収差の比重を考慮して、回折作用面における主光線r1(最大角度での射出光線)および主光線r2(最小角度での射出光線)の通過位置での位相関数値Ψ1,Ψ2に差を持たせることで、表示画面全体について色収差を良好に補正することができ、良質の画像を表示することができる。
【0082】
また、投写光学系として、従来も用いられている第1の光学系に、レンズ形状ないし平板形状の第2の光学系を追加するだけで上記効果が得られるため、小型でありながら良質な表示画像が得られる画像表示装置を実現することができる。
【0083】
なお、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通過する画像光の光線のうち最長光路長を有する光線r3と最短光路長を有する光線r4の第2の光学系内における光路長t3,t4に差を持たせたり、第2の光学系が光線r3および光線r4に及ぼす光学的パワーΦ3,Φ4に差を持たせたりすれば、光線r3,r4の光路長差に起因する像倒れや諸収差をも良好に補正できるので、より良質な画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である画像表示装置の構成図。
【図2】上記第1実施形態の画像表示装置に用いられる照明プリズムの断面図。
【図3】上記第1実施形態の画像表示装置の数値実施例の構成図。
【図4】本発明の第2実施形態である画像表示装置の構成図。
【図5】本発明の第3実施形態である画像表示装置の構成図。
【図6】上記第1,2実施形態の画像表示装置の装着モデル図。
【図7】上記第3実施形態の画像表示装置の装着モデル図。
【図8】上記第1実施形態におけるプリズムレンズと補助レンズの保持方法の説明図(上面図)。
【図9】従来の画像表示装置の構成図。
【図10】従来の画像表示装置の構成図。
【図11】上記各実施形態における投写光学系の座標系の説明図。
【符号の説明】
1 光源
2 第1の偏光板
3 照明プリズム
4 液晶ディスプレイパネル
5 第2の偏光板
6 プリズムレンズ
7 観察者の眼
20,30,40 補助レンズ
Claims (22)
- 照明光を発する光源と、
入射した照明光の内部反射により画像を表示する反射型画像表示素子と、
前記反射型画像表示素子に表示された画像を観察者の眼に投写する投写光学系と、
前記光源から入射した照明光を前記反射型画像表示素子に向けて全反射させるとともに、前記反射型画像表示素子から射出した画像光を前記投写光学系に向けて透過させるレンズ面を備えた導光光学系とを有し、
前記投写光学系は、少なくとも1つの反射面を有して前記反射型画像表示素子から射出した画像光を観察者の眼側に射出する第1の光学系と、この第1の光学系よりも観察者の眼側に配置されて前記第1の光学系から射出した画像光に対して少なくとも一方が回折作用面である2つの光学作用面を有する第2の光学系とを有して構成されており、
前記投写光学系の射出瞳中心と前記反射型画像表示素子の中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、前記射出瞳中心を原点とし、この原点と交わる基準軸光線上をZ軸(但し、原点から前記投写光学系に向かう方向を正とする)とし、前記基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な方向をY軸とし、YZ軸に垂直な軸をX軸とする絶対座標系のYZ面内において、前記導光光学系内を通過する画像光のうち前記導光光学系からの射出角度が最大となる主光線をr1、前記射出角度が最小となる主光線をr2とし、前記回折作用面における前記主光線r1および主光線r2の通過位置での位相関数値をそれぞれΨ1,Ψ2としたときに、
Ψ1<Ψ2
〈但し、位相関数値Ψ(x,y) は、
Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3)
で表され、Kは定数、x,yは前記回折作用面のローカル座標系でのx,y座標、Cjは係数であり、前記回折作用面上での主光線r1,r2の通過点のx座標をそれぞれ0、y座標をそれぞれy1,y2とするとき、
Ψ1=Ψ(y1)
Ψ2=Ψ(y2)
となる〉
の関係を満たすことを特徴とする画像表示装置。 - 前記第2の光学系の回折作用面は、この回折作用面の基準面上に、
前記位相関数
Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3)
で表される回折格子が形成されたものであり、
前記基準面は平面からなることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記平面は、前記X軸を中心に回転偏心した平面であることを特徴とする請求項2に記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面における基準面が非球面であることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面における基準面が非回転対称面からなることを特徴とする請求項1又は4に記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面における基準面が、前記絶対座標系のYZ面に対して面対称となる面であることを特徴とする請求項1,4又は5に記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面以外の光学作用面が平面であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記平面は前記X軸を中心に回転偏心した平面であることを特徴とする請求項7に記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面以外の光学作用面が非球面であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面以外の光学作用面が非回転対称面であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面以外の光学作用面が、前記絶対座標系のYZ面に対して面対称となる面であることを特徴とする請求項1から6,9,10のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系の回折作用面が、前記第1の光学系側に配置されていることを特徴とする請求項1から11のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記絶対座標系のYZ面内において、前記反射型画像表示素子から射出して前記導光光学系内を通過する画像光の光線のうち、光路長が最長となる光線をr3、光路長が最短となる光線をr4とし、前記第2の光学系内における前記光線r3および光線r4の光路長をそれぞれt3,t4とし、前記第2の光学系が前記光線r3および光線r4に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ3,Φ4としたときに、
t3<t4
および、
Φ3>Φ4
〈但し、ri光線の光学的パワーΦiは、
前記2つの光学作用面A,Bの光学的パワーをφi(A),φi(B)とし、前記第2の光学系を形成する材質の屈折率をndとし、前記光学作用面Aを観察者の眼側の面とし、前記光学作用面Bを前記第1の光学系側の面とし、曲率の符号を観察者の眼側から前記第1の光学系に向かう方向を正とし、前記光線riと光学作用面A,Bとの交点でのローカル曲率半径をRi(A), Ri(B)としたときに、
φi(A)=(nd−1)/Ri(A)
φi(B)=(1−nd)/Ri(B)
Φi=φi(A)+φi(B)−φi(A)×φi(B)×ti/ndとする〉
のうち少なくとも一方の関係を満たすことを特徴とする請求項1から12のいずれか1つに記載の画像表示装置。 - 前記第2の光学系における2つの光学作用面のうち少なくとも1つの面に反射防止膜を施したことを特徴とする請求項1から13のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系はプラスチックで形成されたことを特徴とする請求項1から14のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系を、前記第1の光学系に別部材を介さずに一体で保持させたことを特徴とする請求項1から15のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第2の光学系を、前記第1の光学系を保持する部材により保持させたことを特徴とする請求項1から15のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 前記第1の光学系は透明な光学材料により形成されたプリズムレンズを有して構成されており、
前記プリズムレンズの光学作用面のうち少なくとも1つは回転非対称面であることを特徴とする請求項1から17のいずれか1つに記載の画像表示装置。 - 前記プリズムレンズは、前記反射型画像表示素子からの画像光を入射させる入射面と、この入射面から入射した画像光を反射させる反射面と、この反射面で反射した画像光が射出する射出面とを有し、
前記入射面、反射面および射出面のうち少なくとも1つの面は回転非対称面であることを特徴とする請求項18に記載の画像表示装置。 - 前記第1の光学系の反射面が凹面反射面であることを特徴とする請求項1から19のいずれか1つに記載の画像表示装置。
- 請求項1から20のいずれか1つに記載の画像表示装置と、この画像表示装置に対して前記反射型画像表示素子に表示させる画像情報を供給する画像情報出力装置とを有して構成されることを特徴とする画像表示システム。
- 前記画像情報出力装置が、パーソナルコンピュータ又はDVDプレーヤーであることを特徴とする請求項21に記載の画像表示システム。
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