反射型の液晶等の画像表示素子で光変調された光束に基づく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(HMD)やメガネ型ディスプレイ等に好適な画像表示装置に関する。[0002]【従来の技術】従来よりCRTやLCD等の画像表示素子(表示素子)を用い、これらの表示素子に基づく画像を画像観察光学系を介して拡大して観察させるようにした頭部装着型の画像表示装置(ヘッドマウントディスプレイHMD)が良く知られている。known.【0003】図14は従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置の要部概略図である。同図では表示素子61に表示された画像情報からの光束をハーフミラー62で反射させ、凹面鏡63に入射させている。凹面鏡63で反射した光束をハーフミラー62を介して観察者Eに導光している。63によって拡大した虚像として形成される。result,観察者は表示素子61に表示した画像情報の拡大虚像を観察している。8-179238号公報等においては、画像情報を表示する表示手段としてのLCD(液晶)と観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。proposed.【0005】図15は、特開平7-333551号公報で提案している画像表示装置の要部概略図である。52の入射面53に入射させている。該小型プリズム52に形成した曲率を有した全反射面54、そして反射面55との間で光束を折り畳み、その後、面54より小型プリズム52を射出させて観察者Eに導光している。.これによって表示手段(LCD)51に基づく画像情報の虚像を形成し、該虚像を観察者Eが観察するようにしている。小型プリズム52の反射面55は、偏心した非回転対称面(アジムス角度により光学的パワーの異なる面、所謂自由曲面)で構成された偏心自由曲面より成っている。a.【0006】図15に示す光学系のタイプは図14に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化及び観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。doing.【0007】図15に示すようなタイプの薄型のヘッドマウントディスプレイ(HMD)等の画像表示装置において、表示素子として開口効率が高く小型化に有利な反射型の表示素子を用いて構成しようとすると、例えば図16に示すように表示素子51と小型プリズム52の入射面53との間に表示素子51を照明するための照明系70を挿入する必要がある。73aを含むプリズム73等を有している。画像表示装置において、反射型の表示素子を用いると、それを照明するための照明系を表示素子51と小型プリズム52との間に配置する必要がある。この為、図16に示すようにプリズム52と表示素子51との間隔を広くする必要がある。することなく少なくとも1面の偏心した裏面反射面を有する非テレセントリック接眼光学系を有する画像表示装置において、光源を入射瞳と略共役な位置に配置している。with.【0010】図17に該公報で具体的に開示された構成を以下に示す。surface4、透過面として作用する第3面105がそれぞれ屈折率が1より大きい媒質で満たされた偏心光学系110より構成されている。surface.【0012】光源112は、反射型LCD108の表示面をミラーとしてこれと偏心光学系110とより成る光学系により、射出瞳101と共役であり、表示素子の表示面と偏心光学系の表示光入射面との間のスペース及びそれを取り巻くスペースで、表示光を遮断しない光路外の位置に光源手段を配置されている。110の一部で、表示光束が通らない部分又は方向を透過させて表示面を照明できる位置に光源手段を配置したものである。115とを、光源112からの光が一度プリズム状の偏心光学素子を通り、偏心反射面115で反射され、再度プリズム状の偏心光学素子を通って反射型LCD108を照明するようにしたものも開示されている。is.【0015】特開平11−125791号公報に光源配置まで含め、反射型LCDに表示した画像を観察可能な形態で開示されているのは、上述の4種類の形態のみである。[0016]【発明が解決しようとする課題】上述のように、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の画像表示装置は、装置全体の小型化,軽量化が要望されている。重量バランス、外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが望まれている。観察画角を広げることが重要な課題となっている。112からの光を反射型LCD108に直接入射させる構成のため、光源112が観察者側に出っ張りアイレリーフを確保出来なくなるか、又は反射型LCDへの各画角の主光線の角度差が大きくなり反射型LCDの視角特性の影響を受けて画面内でのコントラストが大きくばらつく傾向があった。19,光源からの発散光を偏心光学系110の一部を介して反射型LCD108を照明するようにしているため、光源から遠い方の光線ほど反射型LCDへの入射角が浅くなり、LCDの視角特性に起因するコントラストのグラデーションが発生するという傾向があった。occur.【0019】また、図20の構成においては、組立時にそれぞれが互いに偏心したプリズム状の偏心光学素子と反射型LCDと偏心反射面との間で調整を行わねば成らず、調整が困難となる傾向があった。there.【0020】本発明は、液晶ディスプレイ等の反射型の表示手段に表示した画像情報を広い観察視野で観察する際、表示手段を照明する照明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光学系、例えば屈折作用を有するプリズム体より成る光学手段等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、特に観察者の視軸方向に対する接眼光学系部分の薄型化を図りつつ、該画像情報を広い観察視野において良好なる画質で観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。view.【0021】この他、本発明は、画面内でのコントラストのばらつきが少なく、組立・調整の簡単な光学系が構成できる画像表示装置の提供を目的とする。反射して該出入射面より射出させて該反射型の表示手段を照明することを特徴としている。type.【0023】請求項2の発明は請求項1の発明において、前記反射型の表示手段で反射し前記出入射面より前記第1光学素子に入射した光束が、前記接合面の接合部より第2光学素子に導かれることを特徴としている。element.【0024】請求項3の発明は請求項2の発明において、前記接合面が、反射膜形成部と反射膜非形成部とを含み、前記出入射面並びに前記接合面以外の前記第1光学素子の面より入射した光束が該反射膜形成部により反射されて前記出入射面を射出して前記反射型の表示手段に導かれ、前記反射型の表示手段からの光束を該反射膜非形成部を通過させて前記第2光学素子に導くことを特徴としている。element.【0025】請求項4の発明は請求項2の発明において、前記接合面が、光束を非接合部で全反射されて前記出入射面を射出して前記反射型の表示手段に導かれ、前記反射型の表示手段からの光束を該反射膜非形成部を通過させて前記第2光学素子に導くことを特徴としている。element.【0026】請求項5の発明は請求項2の発明において、前記接合面が、偏光ビームスプリッタとして作用するよう構成されたことを特徴としている。splitter.【0027】請求項6の発明は請求項2の発明において、前記接合面が、ハーフミラーとして作用するよう構成されたことを特徴としている。mirror.【0028】請求項7の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第1光学素子の入射面と出入射面とが同一形状の面であることを特徴としている。shape.【0029】請求項8の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第2光学素子を構成する複数のパワーを有した反射面のうちの一面と、前記第1光学素子の入射面とが同一形状の面であることを特徴としている。shape.【0030】請求項9の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第2光学素子を構成する複数のパワーを有した反射面のうちの一面と、前記第1光学素子の出入射面とが同一形状の面であることを特徴としている。shape.【0031】請求項10の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第1光学素子の出入射、入射面と、前記第2光学素子の複数のパワーを有した反射面、射出面が、それぞれ異なる面で構成されたことを特徴としている。surfaces.【0032】請求項11の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第2光学素子の複数のパワーを有した反射面のうち、少なくとも1面が非回転対称面であることを特徴としている。that.【0033】請求項12の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第2光学素子の複数のパワーを有した反射面のうち、少なくとも1面が全反射を利用していることを特徴としている。there.【0034】請求項13の発明は請求項11又は12の発明において、前記第2光学素子の複数の曲面反射面は第1曲面反射面と第2曲面反射面の2面を有し、前記表示手段で反射され前記第1光学素子の一部を通過した光束を前記第2光学素子の入射面より入射させ、該第1曲面反射面で全反射させ、第2曲面反射面で反射させた後に射出面より射出させて観察者に導光していることを特徴としている。surface面を有し、前記表示手段からの光束を前記第2光学素子の入射面より入射させ、第1曲面反射面で反射させ、第2曲面反射面で全反射させ、第3曲面反射面で反射させた後に射出面より射出させて観察者に導光していることを特徴としている。to.【0036】請求項15の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第1光学素子の入射面に入射させる光束に指向性を持たせるための光学系を有していることを特徴としている。that.【0037】請求項16の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、直線偏光した光束を前記第1光学素子に入射させるための偏光手段を有することを特徴としている。element.【0038】請求項17の発明は請求項3〜6のいずれか1項の発明において、前記第1光学素子の入射面に入射させる光束に指向性を持たせるための光学系と、直線偏光した光束を前記第1光学素子に入射させるための偏光手段を有し、該光学系及び偏光手段の少なくとも一方と,該第1光学素子とが接合されていることを特徴としている。joined.【0039】請求項18の発明は請求項2の発明において、前記第2光学素子の複数の曲面反射面のうち少なくとも一面が全反射を利用していることを特徴としている。S2で反射した光束を射出させる射出面S3とを有した第1光学素子を用いて、該第1射出面に対向配置した表示素子を照明し、該表示素子からの光束のうち、該射出面S3より入射し、該面S2の少なくも一部分と直接又は光学部材を介して少なくとも一部分が接合された入射面S4から光束を入射させ入射面S4からの光束を反射及び透過させる機能を有した面S5に導光し、該面S5で反射した光束を反射させる反射面S6、そして該反射面S6からの光束を該面S5より射出させるようにした第2光学素子を用いて該表示素子に基づく画像を観察するようにしたことを特徴としている。image.【0041】請求項20の発明は請求項19の発明において、前記第1,第2光学素子はいずれも、少なくとも1つの非対称非球面を有し、内部を同一材質で満たしたプリズム体より成っていることを特徴としている。there.【0042】請求項21の発明のヘッドマウントディスプレイは請求項1から20のいずれか1項の画像表示装置を観察者の頭部又は顔面に装着可能に構成したことを特徴としている。[0043]【発明の実施の形態】図1は、本発明の画像表示装置の実施形態1の要部概略図である。invention.【0044】本実施形態では画像表示装置を観察者の頭部に装着することができるヘッドマウントディスプレイ(HMD)に適用した場合の片眼についてのみ示している。only.【0045】図中、1は面光源、2はレンズ系、3は偏光板であり、光源手段の一要素を構成している。2及び3は偏心配置されても良いが、共軸配置された方が光利用効率が良く好ましい。S1,反射及び透過させる機能を有した面S2,透過面S3の3つの光学面を有し、内部が同一材質で満たされたプリズム形状の光学素子である。透過面S1は光束を入射させる入射面であり、透過面S3は反射型の表示手段に対向して配置され、該反射型の表示手段へ光を射出する機能と、該反射型の表示手段からの光を入射させる機能とを有した出入射面である。本実施形態においては、面S2の一部に金属膜または誘電体膜などの反射膜を形成し、該反射膜形成部に反射機能を負わせ、反射膜非形成部に透過機能を負わせている。caused.【0047】4は反射型の表示手段であり、反射型の液晶表示装置(LCD)よりなっている。S4,反射面及び透過面として作用する曲面S5、金属膜または誘電体膜などの反射膜を形成した反射曲面S6の3つの光学面を有し、内部が同一材質で満たされたプリズム形状の素子である。S5は光束を射出させ観察者の瞳に導光する射出面でもある。is面S2の一部分と面S4の一部分とで接合されている。S2.5は偏光板であり、偏光板3と偏光軸が略直交するように配置している。system)ISを構成している。S6を光路に対して偏心させた構成としている。path.【0052】特に、反射面S5,S6を偏心配置している。中でも面S5において反射する光束に対しては、第2光学素子B2を構成する材質の屈折率をnとするとき、最終的に観察者の瞳Eに導かれる光線の面S5への入射角がarcsin(1/n)以上の角度となるように大きく偏心させており、内部全反射される様にしている。S5csin(1/n)以下の角度で入射され、面S5を屈折透過して瞳Eに導かれる様にしている。面S5で反射面と透過面を兼ねたことにより、面数削減によるコスト面での利点を有するとともに、面S5での反射を全反射とすることで光利用効率を向上させている。S5.【0053】このとき、接眼光学系ISの構成要素である曲面S3、S5,S6のうち少なくとも1面は、それぞれ図1の紙面に対して垂直な方向(x軸方向)に関してのみ対称性を有し、紙面を対称面とした非対称非球面で構成されることが収差補正上好ましい。パワーの強い面S6は非対称非球面であることが収差補正上、好ましい。preferred.【0054】更に、面S3,S5,S6の全てがそれぞれ紙面を対称面とした非対称非球面で構成されると、収差補正が更に良好になる。better.【0055】以下、図1を用いて、本実施形態における画像表示装置の光学的作用について説明する。2,偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の光束を形成する。surface3より射出して、反射型LCD4を照明する照明光束を形成する。4.【0057】ここで、面光源1上の一点から発散する光束が集光され、これらを構成する光線同士のなす角度が低減されて反射型LCD4に入射するように、光源手段LSの一部であるレンズ系2の屈折力及び第1光学素子B1の面S3の屈折力が構成されている。information4で適宜光変調される。LCD4で反射される。S2,面S2と面S4とが接合された面S24から第2光学素子B2に入射する。B2.【0060】その後、反射面として作用する曲面S5で全反射した後、反射膜を施され反射面として作用する曲面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より第2光学素子B2を射出し、偏光板5に導かれる。偏光板5ではP偏光成分が透過し、S偏光成分が吸収される。これによってLCD4による表示光束が形成される。S6及び面S2と面S4の接合部S24からなる接眼光学系ISの各面の屈折力により、反射型LCD4に基づく画像の拡大された虚像を視認している。4.【0062】本実施形態によれば、接眼光学系ISが観察者の視軸方向(図中Z軸方向)に薄く、また、光源手段LSがZ軸方向に出っ張らない位置に配置し、全系として薄型の画像表示装置としている。以上のように構成したことにより、光源手段LSの一部であるレンズ系2の屈折力及び第1光学素子B1の面S3の屈折力により反射型LCD4への各画角の主光線の入射/反射角度のばらつきを低減し、反射型LCD4の視角特性に起因する画面内でのコントラスト差を低減している。B2とを接合しているため、反射型LCD4と位置合わせする光学部材が1部品で構成されることになり、これにより各部の調整を容易にしている。part.【0064】また本実施形態においては面S2の一部に反射膜を形成して、反射機能を形成して、反射機能を負わせたが、面S4と接合しない非接合部に全反射する角度で光源手段LSからの光が入射するようにしてもよい。incident.【0065】このように構成すれば、設計上の制約は増えるが、反射膜形成の手間が省け、コスト削減効果が期待できる。expected.【0066】図2は、本発明の画像表示装置の実施形態2の要部概略図である。5を挟んで接合したことであり、それ以外は実施形態1と同様である。図中、各構成要素は実施形態1と同符号で示している。numerals.【0067】以下、図2を用いて、本実施形態における画像表示装置の光学的作用について説明する。embodiment.【0068】面光源1から出た光は、偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の光束を形成する。B1,反射面及び透過面として作用する面S2の反射膜形成部で反射され、出入射面として作用する面S3より射出して、反射型LCD4を照明する照明光束を形成する。S3の屈折力が構成されている。LCD4で適宜光変調され反射される。S3,面S2の反射膜非形成部に導かれる。S2.【0071】面S2と面S4の間に接合配置された偏光板5では、表示光束のうち表示光であるP偏光成分の光束のみを透過し、非表示光であるS偏光成分を吸収して、偏光板5と接合された面S4に導かれる。第2光学素子B2の入射面として作用する面S4から、第2光学素子B2に表示光束が入射し、反射面として作用する曲面S5で全反射した後、反射膜を施され反射面として作用する曲面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より第2光学素子B2を射出して観察者の瞳Eに達する。viewer4で光変調された光束に基づく画像情報の虚像を視認させている。このとき、観察者は、面S3,S5,S6及び面S2と偏光板5そして面S4の接合部からなる接眼光学系ISの各面の屈折力により、反射型LCD4上の画像の拡大された虚像を視認している。image.【0073】本実施形態によれば、実施形態1で述べた効果に加え、第1光学素子の透過面を1つの面で構成し成形に要する金型の鏡面駒数を減らすことが出来るため、光学素子の製作が容易となる。facilitated.【0074】また、レンズ系2のパワーを曲面S1に持たせたこと、偏光板5を第1光学素子B1と第2光学素子B2との間に挟んで接合したことにより、HMDの組立時に位置合わせする光学部品点数が更に減少し、照明系まで含め、調整を容易にすることができる。adjustment.【0075】図3は、本発明の画像表示装置の実施形態3の要部概略図である。図中、実施形態1と同じ要素は、同じ符号で示されている。本実施形態と実施形態1との違いは、第1光学素子B1の面S3と第2光学素子B2の面S6とが同一面形状で構成されていることで、それ以外は同じである。S2,S4との接合部の一部は、反射型LCD4上に表示された画像の拡大虚像を形成する接眼光学系ISを構成している。4.【0077】本実施形態では、該接眼光学系ISが観察者の視軸方向(図中Z軸方向)に薄くなるように、該接眼光学系ISを構成する各面S3,S5,S6を光路に対して偏心させた構成としている。respect.【0078】特に、反射面S5,S6を偏心配置している。中でも面S5において反射する光束に対しては、第2光学素子B2を構成する材質の屈折率をnとするとき、最終的に観察者の瞳Eに導かれる光線の面S5への入射角がarcsin(1/n)以上の角度となるように大きく偏心させている。angles.【0079】このとき、接眼光学系ISの構成要素である曲面S3、S5,S6のうち少なくとも1面は、それぞれ図1の紙面に対して垂直な方向(x軸方向)に関してのみ対称性を有し、紙面を対称面とした非対称非球面で構成されることが収差補正上好ましい。correction.【0080】更に、面S3,S5,S6全てがそれぞれ紙面を対称面とした非対称非球面で構成されると、収差補正が更に良好になる。better.【0081】以下、図3を用いて、本実施形態における画像表示装置の光学的作用について説明する。S偏光成分のみが透過され、S偏光の照明光束を形成する。照明光束は、第1光学素子B1の入射面として作用する面S1より第1光学素子B1に入射し、反射面として作用する面S2の反射膜形成部で反射され、射出面として作用する面S3より射出して、反射型LCD4を照明する照明光束を形成する。LCD4で、適宜光変調され反射される。LCD4で反射された光束は面S3より再び第1光学素子B1に入射し、面S2の反射膜非形成部に導かれ、面S2と接合された面S4から第2光学素子B2に入射する。B2.【0084】その後、反射面として作用する曲面S5で全反射した後、反射膜を施され反射面として作用する曲面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より第2光学素子B2を射出し、偏光板5に導かれる。偏光板5ではP偏光成分が透過し、S偏光成分が吸収されて表示光束が形成される。偏光板5を通った表示光束は観察者の瞳Eに到達する。viewer4に基づく画像情報の虚像を視認させている。B1の面S3と第2光学素子B2の面S6とを同一面形状としたため、第1光学素子B1と第2光学素子B2とを接合する精度を出しやすくなるという利点も有する。4からの反射光束を透過させ第2光学素子B2に導く箇所とが異なる構成であったが、以降の各実施形態に示すように、照明光の反射箇所と反射型LCD4からの反射光束を透過させる箇所とが重複していても良い。duplicated.【0088】図4は、本発明の画像表示装置の実施形態4の要部概略図である。図中、1は面光源、2はレンズ系、3は偏光板であり、これらの各要素1,2及び3は光源手段の一要素を構成している。S3の3面を有している。