JP2000249969A - Picture display optical system and picture display device using the same - Google Patents
Picture display optical system and picture display device using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は画像表示光学系及び
それを用いた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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display optical system and an image display apparatus using the same, for example, an optical system having a free-form surface on which image information displayed on a reflective liquid crystal display device is appropriately set as a display device. It is suitable for a head-mounted display, a glasses-type display, and the like, which are enlarged and observed through an element.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, image information displayed on an image display device such as a liquid crystal is enlarged as a virtual image by using an optical element having an incident surface, a plurality of reflection surfaces, and an exit surface provided on a surface of a transparent body. Various head-mounted image observation devices (image display devices) for observation, so-called head-mounted displays, have been proposed.
【０００３】例えばこのようなヘッドマウントディスプ
レイ型の画像表示装置として特に小型化に優れたもの
が、特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９
２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案
されている。For example, such a head-mounted display type image display device which is particularly excellent in miniaturization is disclosed in JP-A-7-333551 and JP-A-8-179.
No. 238, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-234137, and the like.
【０００４】これらに開示された光学系の１例を図５に
示す。図５において１１１は、透過面および全反射面と
して作用するＳＡ面、反射面として作用するＳＢ面、透
過面として作用するＳＣ面がそれぞれ偏心して配置され
たプリズムである。光源であるバックライト１１３から
発した光は透過型ＬＣＤ１１２により変調される。これ
ら透過型ＬＣＤ１１２の画像表示面で変調された光束を
ＳＣ面よりプリズム１１１内に入射させ、これらをＳＡ
面で全反射させ、パワーの強いＳＢ面へ導き反射した光
束を、今度はＳＡ面を透過させてプリズムより出射させ
て、途中で結像することなく瞳Ｓに導く構成である。瞳
ＳからＬＣＤ１１２に向かう主光線を考えると、ＳＡ
面、ＳＣ面は弱いパワーの自由曲面で収差補正を主担当
し、これらの面に対してＳＢ面は強いパワーを有する略
放物面ベースの自由曲面であり瞳Ｓ中心を通り発散する
主光線を略平行光束に変換してＳＡ面の全反射条件を満
たすようＳＡ面に導く役割をしている。ＳＡ面で全反射
した光束は、ＳＣ面を通りＬＣＤ１１２の画像表示面に
到達し、瞳径を通った各画角の光束が略一点に結像す
る。FIG. 5 shows an example of the optical system disclosed in these publications. In FIG. 5, reference numeral 111 denotes a prism in which an SA surface acting as a transmission surface and a total reflection surface, an SB surface acting as a reflection surface, and an SC surface acting as a transmission surface are eccentrically arranged. Light emitted from a backlight 113 as a light source is modulated by a transmissive LCD 112. The light flux modulated on the image display surface of the transmission type LCD 112 is made to enter the prism 111 from the SC surface, and these light beams are transmitted to the SA.
In this configuration, the light flux which is totally reflected by the surface and guided to the SB surface having a high power and reflected is transmitted through the SA surface and emitted from the prism, and is guided to the pupil S without forming an image on the way. Considering the principal ray from the pupil S to the LCD 112, SA
The surface and the SC surface are free-form surfaces having a weak power and are mainly responsible for aberration correction. On the other hand, the SB surface is a substantially parabolic-based free-form surface having a strong power, and a principal ray diverging through the center of the pupil S. Is converted into a substantially parallel light beam and guided to the SA surface so as to satisfy the total reflection condition of the SA surface. The luminous flux totally reflected by the SA surface reaches the image display surface of the LCD 112 through the SC surface, and the luminous flux of each angle of view passing through the pupil diameter forms an image at substantially one point.
【０００５】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。On the other hand, recently, various types of reflective liquid crystal display elements have been used as small display devices. In order to use a reflection type liquid crystal display element for an image observation device such as a head mounted display, it is necessary to provide an illumination device to illuminate the liquid crystal display element.
【０００６】図６，図７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。FIGS. 6 and 7 are schematic views of a main part of an image display device using a conventional reflection type liquid crystal display device.
【０００７】図６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からの光束によってビ
ームスプリッタ（ハーフミラー）１０３を介して照明し
ている。液晶表示素子１０１で光変調を受けた画像情報
をハーフミラー１０３を介してプロジェクターのときに
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。In FIG. 6, reference numeral 101 denotes a reflection type liquid crystal display element, which is illuminated by a light beam from a light source (surface light source) 102 via a beam splitter (half mirror) 103. Image information that has been light-modulated by the liquid crystal display element 101 is projected onto a predetermined surface with a projection lens 104 and observed through a half mirror 103 when a projector is used. In the case of a head mounted display, image information displayed on the liquid crystal display element 101 via the lens system 104 is enlarged and observed.
【０００８】図７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、ビ
ームスプリッタ（偏光ビームスプリッター）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ー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。In FIG. 7, a light beam from a light source 102 is converted into linearly polarized light (for example, P-polarized light) via a polarizing plate 106, and passes through a beam splitter (polarizing beam splitter) 105 to illuminate a reflective liquid crystal display element 101. ing.
A light flux (S-polarized light) modulated by the liquid crystal display element 101 is reflected by a polarization beam splitter 105 and guided to a projection lens or a lens system 104.
【０００９】これによってプロジェクターのときには投
影レンズ１０４で所定面上に投影し、観察している。
又、ヘッドアップディスプレイのときにはレンズ系１０
４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。Thus, in the case of a projector, the image is projected on a predetermined surface by the projection lens 104 and observed.
In the case of a head-up display, the lens system 10
4, the image information displayed on the liquid crystal display element 101 is enlarged and observed.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】従来より、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
等の画像観察装置においては、これらを頭部に装着する
ため装置全体の小型化及び軽量化が要望されている。Conventionally, in an image observation apparatus such as a head-mounted display (HMD) or an eyeglass-type display, the size and weight of the entire apparatus have been required to be mounted on the head. ing.
【００１１】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ためには、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。In the case where a reflective liquid crystal display element is used as an image display device, in order to reduce the size of the entire device, it is necessary to incorporate a lighting device for illuminating the device in the device.
【００１２】前記した図６、図７等の照明装置の一部で
ある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８−２３４
１３７号公報等で提案されている構成に用いようとする
と、透過型の液晶表示装置を用いた場合に比べて、アイ
リリーフ，画角等のスペックが低減してくる。The beam splitter, which is a part of the illumination apparatus shown in FIGS. 6 and 7, is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-333551, 8-179238, 8-234.
137, the specifications such as the eye relief and the angle of view are reduced as compared with the case where a transmission type liquid crystal display device is used.
【００１３】また、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、偏光ビームスプ
リッタ（PBS）であった場合には装置全体が複雑になっ
てしまうという問題もあった。Further, when the beam splitter is a half mirror, there is a problem in that a light amount is lost, and when the beam splitter is a PBS, the entire apparatus becomes complicated.
【００１４】画像表示装置としてヘッドマウントディス
プレイ用として用いるときには観察者の頭部に装着する
為に装置全体がなるべく小型及び軽量であることが要望
されている。When used as a head-mounted display as an image display device, it is required that the entire device be as small and light as possible in order to be mounted on the head of the observer.
【００１５】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
に導光するための光学系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表示光学系及びそれを
用いた画像表示装置の提供を目的とする。According to the present invention, when observing image information displayed on display means such as a liquid crystal display, an optical system from a light source means to a display means and an optical system for guiding a light beam from the display means to an eyeball of an observer. An object of the present invention is to provide an image display optical system capable of observing the image information with good image quality while reducing the size of the entire apparatus by appropriately setting the system, and an image display apparatus using the same.
【００１６】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、拡大光学系として例え
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
る為の照明装置を拡大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光学
系及びそれを用いた画像表示装置の提供を目的とする。In addition, the present invention uses, for example, a reflection type liquid crystal display device as an image display means, and, as an enlargement optical system, an incident surface on which a light beam from the liquid crystal display device is incident, and a light beam incident from the incident surface. When observing image information displayed on a liquid crystal display element using an optical element integrally formed with an eccentric curved reflecting surface for reflection and an exit surface for emitting a light beam from the curved reflecting surface, the liquid crystal display element By appropriately setting the illuminating device for illuminating the device in accordance with the characteristics of the magnifying optical system, a head capable of satisfactorily observing image information displayed on a liquid crystal display element while reducing the size of the entire device. It is an object to provide an image display optical system suitable for a mount display and an image display device using the same.
【００１７】[0017]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の画像表
示光学系は、光源手段からの光束を反射型の表示手段の
表示面に表面側より入射させる照明光学系と、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
表示光学系において、該光源手段から該表示手段に至る
照明光路に対して該表示光学系が干渉しないようにし、
該表示手段から該表示光学系に至る表示光路に対して該
照明光学系が干渉しないようにしていることを特徴とし
ている。According to a first aspect of the present invention, there is provided an image display optical system, comprising: an illumination optical system for causing a light beam from a light source to enter a display surface of a reflection type display from the front side; And a display optical system for guiding the light flux to the pupil of the observer and observing the image information displayed on the display means, the illumination light path from the light source means to the display means. So that the display optical system does not interfere,
It is characterized in that the illumination optical system does not interfere with a display optical path from the display means to the display optical system.
【００１８】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記表示光学系は複数の反射面を有し、該複数の反
射面が、それぞれ基準光線に対して傾いた面で構成され
たことを特徴としている。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the display optical system has a plurality of reflecting surfaces, each of the plurality of reflecting surfaces being a surface inclined with respect to a reference light beam. It is characterized by.
【００１９】請求項３の発明は請求項２の発明におい
て、前記表示光学系が全反射面、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。A third aspect of the present invention is characterized in that, in the second aspect of the present invention, the display optical system has an optical surface serving as a total reflection surface and a transmission surface.
【００２０】請求項４の発明は請求項３の発明におい
て、前記全反射面、兼透過面として機能する面の一部に
反射膜を形成したことを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, a reflection film is formed on a part of the surface functioning as the total reflection surface and the transmission surface.
【００２１】請求項５の発明は請求項２，３又は４の発
明において、前記表示光学系を構成する光学面が、アジ
ムス毎に異なる曲率を有した非回転対称な非球面で構成
されたことを特徴としている。According to a fifth aspect of the present invention, in the second, third or fourth aspect, the optical surface constituting the display optical system is formed of a non-rotationally symmetric aspherical surface having a different curvature for each azimuth. It is characterized by.
【００２２】請求項６の発明は請求項５の発明におい
て、前記光源手段と前記表示手段との間、及び前記表示
手段と前記表示光学系との間に互いに偏光軸がほぼ直交
した偏光板を配置したことを特徴としている。According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the present invention, a polarizing plate having a polarization axis substantially orthogonal to each other is provided between the light source means and the display means and between the display means and the display optical system. It is characterized by being arranged.
【００２３】請求項７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、該光源手段から該表示手段に至る照明光路に対して
該表示光学系が干渉しないようにし、該表示手段から該
表示光学系に至る表示光路に対して該照明光学系が干渉
しないようにしていることを特徴としている。According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an image display apparatus, comprising: a reflective display element; an illumination optical system for causing a light beam from the light source means to enter a display surface of the display means; A display optical system for guiding light to the pupil of the display device and observing image information displayed on the display device, wherein the display optical system interferes with an illumination optical path from the light source device to the display device. The illumination optical system does not interfere with a display optical path from the display means to the display optical system.
【００２４】請求項８の発明は請求項７の発明におい
て、前記表示光学系は複数の反射面を有し、該複数の反
射面が、それぞれ前記基準光線に対して傾いた面で構成
されたことを特徴としている。According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the present invention, the display optical system has a plurality of reflecting surfaces, each of the plurality of reflecting surfaces being a surface inclined with respect to the reference light beam. It is characterized by:
【００２５】請求項９の発明は請求項８の発明におい
て、前記表示光学系が全反射面、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。A ninth aspect of the present invention is characterized in that, in the eighth aspect of the present invention, the display optical system has an optical surface acting as both a total reflection surface and a transmission surface.
【００２６】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て、前記全反射面、兼透過面として機能する面の一部に
反射膜を形成したことを特徴としている。A tenth aspect of the present invention is characterized in that, in the ninth aspect of the present invention, a reflection film is formed on a part of the surface functioning as the total reflection surface and the transmission surface.
【００２７】請求項１１の発明は請求項８，９又は１０
の発明において、前記表示光学系を構成する光学面が、
アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称な非球面で
構成されたことを特徴としている。The invention of claim 11 is the invention of claim 8, 9 or 10.
In the invention, the optical surface constituting the display optical system,
It is characterized by being constituted by a non-rotationally symmetric aspheric surface having a different curvature for each azimuth.
【００２８】請求項１２の発明は請求項７又は８の発明
において、前記反射型の表示手段が強誘電性液晶である
ことを特徴としている。A twelfth aspect of the present invention is characterized in that, in the seventh or eighth aspect, the reflective display means is a ferroelectric liquid crystal.
【００２９】請求項１３の発明は請求項１２の発明にお
いて、前記光源手段と前記表示手段との間、及び前記表
示手段と前記表示光学系との間に互いに偏光軸がほぼ直
交した偏光板を配置したことを特徴としている。According to a thirteenth aspect of the present invention, in the twelfth aspect, a polarizing plate whose polarization axes are substantially orthogonal to each other is provided between the light source means and the display means and between the display means and the display optical system. It is characterized by being arranged.
【００３０】請求項１４の発明は請求項７の発明におい
て、前記光源手段から前記表示手段に至る基準軸光線
と、該表示手段から前記表示光学系に至る基準軸光線が
該表示手段上で交差するようにしていることを特徴とし
ている。According to a fourteenth aspect of the present invention, in the seventh aspect, a reference axis ray from the light source means to the display means and a reference axis ray from the display means to the display optical system intersect on the display means. It is characterized by doing so.
【００３１】[0031]
【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Ｂ１は表示光学系
（拡大光学系）を構成する光学素子であり、平面，曲
面，非球面，又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）Ｓ１，Ｓ２，
Ｓ３を有している。Ｓは観察者の望ましき瞳孔位置（光
学素子Ｂ１により形成される瞳の位置）である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a schematic diagram showing a main part of a basic structure of an image display device according to the present invention. In the figure, reference numeral B1 denotes an optical element constituting a display optical system (magnifying optical system), which is a first, second, or second plane having a plane, curved surface, aspheric surface, or rotationally asymmetric surface.
Third optical action surface (hereinafter also referred to as “surface”) S1, S2,
S3 is provided. S is the desired pupil position of the observer (the position of the pupil formed by the optical element B1).
【００３２】２は反射型のＬＣＤより成る画像変調手段
（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変調手段２には、後述する
ように照明光学系からの光束を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）Ｂ１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Ｔ
Ｎ液晶を用いても良い。Reference numeral 2 denotes an image modulating means (display element) composed of a reflection type LCD, and reference numeral 2a denotes its display surface (liquid crystal surface). In the image modulating means 2 of the present invention, a light beam from the illumination optical system enters the LCD 2 in an oblique direction, and a light beam reflected and emitted obliquely is guided to an enlargement optical system (display optical system) B1 as described later. Due to the configuration, it is required to have a wide viewing angle characteristic. In order to meet this demand, for example, a ferroelectric liquid crystal (FLC) is used. In addition, T which improves viewing angle characteristics in combination with a phase compensator
N liquid crystal may be used.
【００３３】３は光源であり、例えばＬＣＤ２が単色用
であれば単色光又は白色光を放射する光源より成り、又
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、反射型のＬ
ＣＤ２への画像の表示に同期して発光を制御してカラー
表示を可能ならしめている。ＬＥは照明光学系であり、
光源３からの光束を集光し、偏光板ＫＮ１を介してＬＣ
Ｄ２の表示面２ａに導光している。Reference numeral 3 denotes a light source, which comprises, for example, a light source which emits monochromatic light or white light when the LCD 2 is for a single color, or an LED which emits R, G and B colors when the LCD 2 is for a color. The reflection type L formed on one chip
The light emission is controlled in synchronization with the display of the image on the CD2 to enable color display. LE is an illumination optical system,
The light flux from the light source 3 is condensed, and the light flux is
The light is guided to the display surface 2a of D2.
【００３４】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、偏光板を配置する位置は、偏光板ＫＮ１が光
源３とＬＣＤ２との間、偏光板ＫＮ２がＬＣＤ２と光学
素子Ｂ１との間に適宜配置すればよく、例えば偏光板Ｋ
Ｎ１を光源３と照明光学系ＬＥとの間に配置してもよ
い。KN1 and KN2 are polarizing plates, which are arranged, for example, such that the axes of the respective polarized lights are substantially orthogonal.
The polarizers KN1 and KN2 do not necessarily need to be arranged orthogonally, but may be arranged appropriately in accordance with design conditions such as the optical rotation of the LCD 2 and the display mode. In addition, depending on the type of the LCD 2, there may be a case where only one polarizing plate is required immediately before the display surface 2a, and two polarizing plates are not essential. The position of the polarizing plate may be appropriately set between the light source 3 and the LCD 2 with the polarizing plate KN1 and between the LCD 2 and the optical element B1 with the polarizing plate KN2.
N1 may be arranged between the light source 3 and the illumination optical system LE.
【００３５】Ｌ０は、ＹＺ面（対称面，本実施形態にお
いては紙面がこれに相当）上で光源３、ＬＣＤ２、瞳Ｓ
のそれぞれの中心を通る光線（以下「基準軸光線」と呼
ぶ）である。L0 is a light source 3, an LCD 2, and a pupil S on a YZ plane (a plane of symmetry, in this embodiment, a paper surface corresponds to this).
(Hereinafter referred to as “reference axis light”).
【００３６】本実施形態では、該光源手段から該表示手
段に至る基準軸光線及びその延長線と、該表示手段から
該表示光学系に至る基準軸光線及びその延長線とが該表
示手段上でのみ交差するようにしている。In the present embodiment, the reference axis ray from the light source means to the display means and its extension, and the reference axis ray from the display means to the display optical system and its extension are displayed on the display means. Only try to cross.
【００３７】光学素子Ｂ１の３つの光学作用面Ｓ１，Ｓ
２，Ｓ３のうち、少なくとも反射面として作用するＳ
１，Ｓ２はそれぞれ基準軸光線Ｌ０に対し偏心して配置
された曲面とすることで、光学素子Ｂ１の厚みを薄くし
ている。尚、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の全ての面を傾けて構成
しても良い。これら曲面を偏心配置したことにより発生
する偏心収差を良好に補正するため、各光学作用面Ｓ
１，Ｓ２，Ｓ３は非回転対称な非球面より構成してい
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）に対して対称な形状を
している。The three optical working surfaces S1, S of the optical element B1
2, S3 acting at least as a reflecting surface
Reference numerals 1 and S2 denote curved surfaces arranged eccentrically with respect to the reference axis ray L0, thereby reducing the thickness of the optical element B1. Note that all the surfaces of S1, S2, and S3 may be inclined. In order to satisfactorily correct the eccentric aberration caused by the eccentric arrangement of these curved surfaces, each optical working surface S
1, S2 and S3 are constituted by non-rotationally symmetric aspherical surfaces. Each of the surfaces has a shape that is symmetrical with respect to one YZ plane (a plane of symmetry, which corresponds to the paper in this embodiment).
【００３８】光学素子Ｂ１における第３の光学作用面Ｓ
３の形状は対称面であるｙｚ面に対して対称な非球面で
ある。光学作用面Ｓ３はＬＣＤ２の画像表示面２ａに対
して傾いた配置（例えば、基準軸光線Ｌ０と面Ｓ３との
交点Ｓ３ａでの接平面と、液晶面２ａとが平行でない状
態）としている。第１の光学作用面Ｓ１の形状は該対称
面に対して対称な球面又は非球面であって、第３の光学
作用面Ｓ３を屈折し入射してきた光束を全反射する角度
に傾斜して配置している。The third optical working surface S of the optical element B1
The shape of No. 3 is an aspherical surface symmetric with respect to the yz plane which is a symmetry plane. The optical action surface S3 is arranged to be inclined with respect to the image display surface 2a of the LCD 2 (for example, a state where the tangent plane at the intersection S3a between the reference axis ray L0 and the surface S3 and the liquid crystal surface 2a is not parallel). The shape of the first optical action surface S1 is a spherical surface or an aspherical surface symmetrical with respect to the symmetrical surface, and is arranged at an angle which refracts the third optical action surface S3 and totally reflects the incident light flux. are doing.
【００３９】第２の光学作用面Ｓ２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）である。面Ｓ２は
第１の光学作用面Ｓ１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Ｓ２で反
射された光束は臨界角度以下の角度で第１の光学作用面
Ｓ１に入射し、面Ｓ１を透過して瞳孔Ｓに達している。The second optically acting surface S2 is located at the symmetry plane (YZ).
This is a mirror surface (an optical thin film is provided on the surface) which is composed of a strongly concave aspheric surface as a whole. The surface S2 is arranged to be inclined with respect to the light beam totally reflected in one region of the first optically acting surface S1. The light beam reflected by the second optical working surface S2 enters the first optical working surface S1 at an angle equal to or smaller than the critical angle, passes through the surface S1, and reaches the pupil S.
【００４０】ここで、拡大光学系（光学素子Ｂ１）単体
での瞳Ｓからの光束のＬＣＤ２への結像を考えると、特
にパワーの強い面Ｓ２のアジムス毎のパワーの違い、及
びアジムス毎の面Ｓ２以降のプリズム内での光路長の違
いにより、ＬＣＤ２の画像表示面は、液晶面２ａを面Ｓ
３に対して傾いた配置（例えば、図中の瞳面ＳＳの中心
を通りｙ軸方向に進む光線の面Ｓ３との交点での接平面
と、ＬＣＤ２の表示面２ａとが平行でない状態）となり
やすい。Here, considering the image formation of the luminous flux from the pupil S on the LCD 2 using only the magnifying optical system (optical element B1), the difference in power between the azimuths of the particularly strong surface S2 and the difference between the azimuths Due to the difference in the optical path length in the prism after the surface S2, the image display surface of the LCD 2 moves the liquid crystal surface 2a to the surface S2.
3 (for example, a state in which the tangent plane at the intersection with the plane S3 of the ray traveling in the y-axis direction passing through the center of the pupil plane SS in the figure and the display surface 2a of the LCD 2 is not parallel). Cheap.
【００４１】表示面２ａの点２−１（２−２，２−３）
から射出した主光線が面Ｓ３に入射し、面Ｓ１で全反射
し、面Ｓ２で反射し、面Ｓ１に達するまでのプリズムＢ
１内の光路長をＬｐａ，Ｌｐｂ，Ｌｐｃとする。表示面
２ａの点２−１（２−２，２−３）から射出した主光線
が面Ｓ３に達するまでの光路長をＬａａ，Ｌａｂ，Ｌａ
ｃとする。このときプリズム内での光路長Ｌｐｃ＞Ｌｐ
ａ＞Ｌｐｂである。また、面Ｓ２での反射点Ｐａ、Ｐ
ｂ、Ｐｃでの曲率が異なり、ｙｚ面における曲率半径は
一般に、Ｐｂ＞Ｐａ＞Ｐｃである。そのため、面Ｓ３か
らＬＣＤ２への光路長は、Ｌａｂ＞Ｌａａ＞Ｌａｃとな
り、液晶面２ａを面Ｓ３に対して傾いた配置となりやす
い。Point 2-1 (2-2, 2-3) on display surface 2a
The principal ray emitted from the prism B enters the surface S3, is totally reflected by the surface S1, reflected by the surface S2, and reaches the surface S1.
The optical path lengths in 1 are Lpa, Lpb, and Lpc. The optical path length until the principal ray emitted from the point 2-1 (2-2, 2-3) on the display surface 2a reaches the surface S3 is Laa, Lab, La.
c. At this time, the optical path length in the prism Lpc> Lp
a> Lpb. Also, the reflection points Pa, P on the surface S2
The curvatures at b and Pc are different, and the radius of curvature on the yz plane is generally Pb>Pa> Pc. Therefore, the optical path length from the surface S3 to the LCD 2 satisfies Lab>Laa> Lac, and the liquid crystal surface 2a tends to be inclined with respect to the surface S3.
【００４２】本発明は、この性質を積極的に利用して、
光源３から発して照明光学系ＬＥを通ってＬＣＤ２を照
明する光束（照明光束）が、光学素子Ｂ１と干渉しない
よう表示面２ａを照明し、及び表示面２ａから光学素子
Ｂ１を介して瞳に導かれる光束（表示光束)が照明光学
系ＬＥと干渉しないように光学素子Ｂ１に入射させるよ
う構成している。The present invention utilizes this property positively,
A light beam (illumination light beam) emitted from the light source 3 and illuminating the LCD 2 through the illumination optical system LE illuminates the display surface 2a so as not to interfere with the optical element B1, and is projected from the display surface 2a to the pupil via the optical element B1. The light beam (display light beam) to be guided is incident on the optical element B1 so as not to interfere with the illumination optical system LE.
【００４３】次に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
束を照明光学系ＬＥで集光し、偏光板ＫＮ１で偏光方向
を（例えばＳ偏光に）揃えて、拡大光学系Ｂ１を横切る
ことなく、画像表示手段２の表示面２ａの法線に対して
ｙｚ面内で斜めに反射型の画像表示手段２を照明してい
る。Next, the optical function of the basic structure of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the light beam from the light source 3 is condensed by the illumination optical system LE, and the polarization direction is adjusted (for example, to S-polarized light) by the polarizing plate KN1 so that the image display means does not cross the magnifying optical system B1. The reflection type image display means 2 is illuminated obliquely in the yz plane with respect to the normal line of the display surface 2a.
【００４４】画像表示手段２の表示面２ａで画像情報に
応じて変調（画素毎に旋光）・反射された光束は、偏光
板ＫＮ２で選択され（例えば画像表示手段２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）画像情報を有する表示光束となり、照明光
学系ＬＥを再度横切ることなく拡大光学系である光学素
子Ｂ１に入射する。表示光束は、まず第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、面Ｓ１
に臨界角以上の角度で入射する。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に臨界角以下の角度で入射し面Ｓ１を
透過して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。The light flux modulated (rotated for each pixel) and reflected on the display surface 2a of the image display means 2 according to the image information is selected by the polarizing plate KN2 (for example, the light is rotated 90 ° by the image display means 2 and becomes P-polarized light). The light from the pixel which has been turned through is transmitted, and the light from the pixel which has not been rotated by the image display means 2 and remains S-polarized light is blocked.) A display light beam having image information, which crosses the illumination optical system LE again. Instead, the light enters the optical element B1 which is a magnifying optical system. The display light beam first passes through the third optically active surface S3, travels to the first optically active surface S1, and then enters the surface S1.
At an angle greater than the critical angle. The light is totally reflected by the surface S1 and travels to the second optical action surface S2, and is reflected by the surface S2 to become convergent light, and travels again to the first optical action surface S1.
This time, the light enters the surface S1 at an angle equal to or smaller than the critical angle, transmits through the surface S1, forms a virtual image, and reaches the pupil S of the observer 1, and displays the virtual image of the image information displayed on the liquid crystal display means 2 to the observer. It is visible.
【００４５】本発明によれば、以上のように、該光源手
段から該照明光学系を介し、該表示手段に至る基準軸光
線及びその延長線と、該表示手段から該表示光学系入射
する基準軸光線及びその延長線とが該表示手段上でのみ
交差するように構成したことによって、反射型の表示デ
バイス（表示素子）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、小型で薄型の画像表示装置を
達成している。According to the present invention, as described above, the reference axis ray from the light source means via the illumination optical system to the display means and its extension line, and the reference light incident on the display optical system from the display means. Since the axial ray and the extension thereof intersect only on the display means, the display device (display element) of the reflection type, the light source for illuminating the display device, and the illumination optical system are built in, and the device is small and thin. Image display device is achieved.
【００４６】また、本発明によれば、以上のように照明
光学系ＬＥと拡大光学系Ｂ１とを適切に配置したことに
より、光源３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に導くことができるため、光利用効率の
高い、明るい画像表示装置を提供することができる。According to the present invention, by appropriately arranging the illumination optical system LE and the magnifying optical system B1 as described above, the light from the light source 3 can pass through the pupil of the observer without passing through a half mirror or the like. Since S can be guided to S, a bright image display device with high light use efficiency can be provided.
【００４７】尚、上述した本発明の基本構成の説明にあ
たり、光源を略点光源状としたが面発光光源でも良く、
又、照明光学系ＬＥを単レンズとして示したが、複数の
レンズより構成しても良い。In the above description of the basic configuration of the present invention, the light source is substantially point light source, but may be a surface light source.
Further, the illumination optical system LE is shown as a single lens, but may be composed of a plurality of lenses.
【００４８】又、図１の本発明の基本構成において、図
８に示すように面Ｓ２をハーフミラー面とし、面Ｓ２で
プリズムＢ２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Ｂ２と光学素子Ｂ１を
通して観察者の瞳孔ＳＳ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８においては面
ＳＢ１，面Ｓ２，面Ｓ１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。In the basic structure of the present invention shown in FIG. 1, the surface S2 is a half mirror surface, the prism B2 is joined at the surface S2 as shown in FIG.
A light beam from an external image may be guided to the pupil SS of the observer through the prism B2 and the optical element B1, and both images may be observed in the same visual field. In FIG. 8, an observation system for observing an image of the outside world is configured by an optical system including the surface SB1, the surface S2, and the surface S1.
【００４９】以下に、本発明に基づいた実施形態の構成
について説明する。The configuration of the embodiment according to the present invention will be described below.
【００５０】［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は光学素子Ｂ１の瞳
（観察者の眼）、Ｂ１は光学素子であり、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）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）に対して対称な形状をしている。ＫＮ
１、ＫＮ２は偏光の軸が互いに略直交した偏光板であ
り、偏光板ＫＮ２は面Ｓ４、Ｓ５を、偏光板ＫＮ１は面
Ｓ８、Ｓ９を有している。２０は反射型のＬＣＤ（表示
素子）であり、Ｓ７は該反射型のＬＣＤ２０の表示面で
あり、Ｓ６はＬＣＤ２０のカバーガラス表面である。Ｌ
Ｅ１は照明光学系を構成する裏面鏡であり、Ｓ１０は裏
面鏡ＬＥ１を構成する透過面、Ｓ１１はミラー面（面上
に光学薄膜をつけている）である。３０は面光源であ
り、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や、拡散板背面に発光
素子を配置して面光源を形成したもの、またＥＬ素子等
の面発光光源が適宜利用可能である。ＳＩは面光源３０
の発光面（もしくは拡散面）である。[Embodiment 1] FIG. 2 is a configuration diagram of a main part of Embodiment 1 of the present invention. In the figure, SS is a pupil (eye of an observer) of the optical element B1, B1 is an optical element, and first, second, and third optical working surfaces (hereinafter, “surfaces”) including rotationally asymmetric surfaces and the like.
S1, S2, S3). Each of the surfaces has a shape that is symmetrical with respect to one YZ plane (a plane of symmetry, which corresponds to the paper in this embodiment). KN
Reference numerals 1 and KN2 denote polarizing plates whose polarization axes are substantially orthogonal to each other. The polarizing plate KN2 has surfaces S4 and S5, and the polarizing plate KN1 has surfaces S8 and S9. Reference numeral 20 denotes a reflective LCD (display element), S7 denotes a display surface of the reflective LCD 20, and S6 denotes a cover glass surface of the LCD 20. L
E1 is a back mirror constituting the illumination optical system, S10 is a transmission surface constituting the back mirror LE1, and S11 is a mirror surface (an optical thin film is provided on the surface). Reference numeral 30 denotes a surface light source, which is formed by a light emitting element and a light guide plate disposed on the side surface such as a known liquid crystal backlight, a surface light source formed by disposing a light emitting element on the back of a diffusion plate, and EL. A surface emitting light source such as an element can be appropriately used. SI is a surface light source 30
Is the light emitting surface (or diffusion surface).
【００５１】尚、本実施例において表示素子２０でカラ
ー表示を行うには、例えばＲ，Ｇ，Ｂ３色を発光するＬ
ＥＤを光源３０に用いて側面より導光板に入射せしめ、
反射型のＬＣＤ２０への画像の表示に同期して発光を制
御すればよい。照明光学系ＬＥ１は光源３０からの光束
を集光し、ＬＣＤ２０の表示面Ｓ７に導光している。In the present embodiment, in order to perform color display with the display element 20, for example, L for emitting three colors of R, G and B is used.
Using the ED as the light source 30, let it enter the light guide plate from the side,
Light emission may be controlled in synchronization with display of an image on the reflective LCD 20. The illumination optical system LE1 collects a light beam from the light source 30 and guides the light beam to the display surface S7 of the LCD 20.
【００５２】本実施例における非球面形状は、次の式を
用いて表現している。 z=c1*(x2+y2)/(1+(1-(1+k)*c12*(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)+c2
4*(-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*x
2*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) 但し、c1=1/r（rは基準曲率半径） 以下に、本実施形態１の光学系のデータを示す。データ
は、光学素子の瞳面ＳＳの中心を原点（ｘ，ｙ，ｚ）＝
（０，０，０）とし、図に示した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。The aspherical shape in this embodiment is represented by the following equation. z = c1 * (x 2 + y 2 ) / (1+ (1- (1 + k) * c1 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 * yy 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 ) + c2
4 * (-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 ) where c1 = 1 / r (r is the reference radius of curvature) or less, 2 shows the data of the optical system. The data is based on the center of the pupil plane SS of the optical element at the origin (x, y, z) =
(0,0,0), a coordinate system having the optical axis in the z-axis direction shown in the figure is defined as a reference coordinate system, and the y coordinate and z coordinate of the relative position of the coordinate system defining each surface with respect to the reference coordinate system , X (the clockwise direction is a positive direction on the paper surface, unit: degrees) is represented by (y, z, a), respectively.
【００５３】また、表中のＲはその面の曲率半径、Ｎｄ
（νｄ）はその面以降の屈折率（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。In the table, R is the radius of curvature of the surface, Nd
(Νd) represents the refractive index (Abbe number) after the surface.
When a light beam passes through a plurality of planes, it is described that the medium is not air, and when the medium is used as a reflection plane, this is not described.
【００５４】Ｒｘが記載されているものはトロイダル
面、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、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。.., Rx are toroidal surfaces, aspherical surfaces including aspherical coefficients C1, C2,... Are aspherical surfaces according to the aspherical expression defined in the present embodiment, and surfaces without these designations are spherical surfaces. In this case, the non-designated coefficient is set to 0 on a surface having a designated aspheric coefficient.
【００５５】尚、本実施例は水平画角（図中のｘ方向の
画角）２８°、垂直方向画角（図中のｙ方向の画角）２
１．２°である。 SS (y,z,a)=(0.0, 0.0, 0.0) R: ∞ S1 (y,z,a)=(-19.826, 21.115, -3.14) R: -285.92941 Nd(νd): 1.4917（57.4） C1: 5.2945E+01 C5: 8.9304E-05 C6: -7.1955E-04 C10: 3.8933E-06 C11: -9.8007E-05 C12: -1.1578E-06 C13: -1.0932E-08 C14: -8.1148E-08 C20: -3.3501E-09 C21: -9.2005E-09 C22: -9.8652E-09 C23: 6.0445E-11 C24: -7.7318E-12 C25: -2.0026E-11 C26: 2.4540E-11 S2 (y,z,a)=(-7.923, 25.496, -29.94) R: -68.46944 C1: 4.3281E-01 C5: -3.1347E-03 C6: -5.2330E-04 C10: 9.3495E-06 C11: -6.5425E-06 C12: -2.0747E-06 C13: -4.5992E-07 C14: -2.6694E-07 C20: 9.9749E-09 C21: -6.5862E-09 C22: 3.8402E-08 C23: 3.6332E-10 C24: -9.4254E-11 C25: 4.1760E-10 C26: -1.5723E-10 S3 (y,z,a)=(16.341, 28.487, 54.16) R: ∞ C5: 8.9202E-03 C6: -7.4968E-03 C10: 1.8641E-03 C11: -1.8244E-03 C12: -9.2528E-05 C13: 6.9522E-05 C14: -2.8697E-05 C20: -6.9024E-06 C21: 6.4023E-06 C22: -7.0700E-06 C23: -1.1875E-07 C24: 1.2553E-07 C25: -5.6164E-08 C26: 3.8630E-08 S4 (y,z,a)=(16.600, 28.800, 55.00) R: ∞ Nd(νd): 1.4900(50.0) S5 (y,z,a)=(16.764, 28.915, 55.00) R: ∞ S6 (y,z,a)=(22.479, 32.919, 9.74) R: ∞ S7 (y,z,a)=(22.614, 33.708, 9.74) R: ∞ S8 (y,z,a)=(24.200, 28.200, -58.00) R: ∞ Nd(νd): 1.4900(50.0) S9 (y,z,a)=(24.030, 28.306, -58.00) R: ∞ S10 (y,z,a)=(31.659, 27.286, -0.26) R: -16.0 RX: -80.0 Nd(νd) 1.5163(64.1) S11 (y,z,a)=(15.687, 21.212, 7.74) R: 40.0 SI (y,z,a)=(30.678, 31.557, 15.74) R: ∞ 次に本実施例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からの光束を裏
面鏡ＬＥ１の透過面Ｓ１０、ミラー面Ｓ１１、透過面Ｓ
１０を介して集光し、偏光板ＫＮ１の面Ｓ９、Ｓ８を透
過させ直線偏光にし、カバーガラス表面Ｓ６を介して画
像表示面Ｓ７に達し、反射型ＬＣＤ２０を照明してい
る。In this embodiment, the horizontal angle of view (angle of view in the x direction in the figure) is 28 °, and the angle of view in the vertical direction (angle of view in the y direction in the figure) is 2.
1.2 °. SS (y, z, a) = (0.0, 0.0, 0.0) R: ∞ S1 (y, z, a) = (-19.826, 21.115, -3.14) R: -285.92941 Nd (νd): 1.4917 (57.4) C1: 5.2945E + 01 C5: 8.9304E-05 C6: -7.1955E-04 C10: 3.8933E-06 C11: -9.8007E-05 C12: -1.1578E-06 C13: -1.0932E-08 C14: -8.1148 E-08 C20: -3.3501E-09 C21: -9.2005E-09 C22: -9.8652E-09 C23: 6.0445E-11 C24: -7.7318E-12 C25: -2.0026E-11 C26: 2.4540E-11 S2 (y, z, a) = (-7.923, 25.496, -29.94) R: -68.46944 C1: 4.3281E-01 C5: -3.1347E-03 C6: -5.2330E-04 C10: 9.3495E-06 C11: -6.5425E-06 C12: -2.0747E-06 C13: -4.5992E-07 C14: -2.6694E-07 C20: 9.9749E-09 C21: -6.5862E-09 C22: 3.8402E-08 C23: 3.6332E- 10 C24: -9.4254E-11 C25: 4.1760E-10 C26: -1.5723E-10 S3 (y, z, a) = (16.341, 28.487, 54.16) R: ∞ C5: 8.9202E-03 C6: -7.4968 E-03 C10: 1.8641E-03 C11: -1.8244E-03 C12: -9.2528E-05 C13: 6.9522E-05 C14: -2.8697E-05 C20: -6.9024E-06 C21: 6.4023E-06 C22 : -7.0700E-06 C23: -1.1875E-07 C24: 1.2553E-07 C25: -5.6164E-08 C26: 3.8630E-08 S4 (y, z, a) = (16.600, 28.800, 55.00) R: ∞ Nd (νd): 1.4900 (50.0) S5 (y, z, a) = ( 16.764, 28.915, 55.00) R: ∞ S6 (y, z, a) = (22.479, 32.919, 9.74) R: ∞ S7 (y, z, a) = (22.614, 33.708, 9.74) R: ∞ S8 (y , z, a) = (24.200, 28.200, -58.00) R: ∞ Nd (νd): 1.4900 (50.0) S9 (y, z, a) = (24.030, 28.306, -58.00) R: ∞ S10 (y, z, a) = (31.659, 27.286, -0.26) R: -16.0 RX: -80.0 Nd (νd) 1.5163 (64.1) S11 (y, z, a) = (15.687, 21.212, 7.74) R: 40.0 SI ( y, z, a) = (30.678, 31.557, 15.74) R: ∞ Next, the optical action in this embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the light flux from the light emitting surface SI of the surface light source 30 is transmitted to the transmission surface S10, the mirror surface S11, and the transmission surface S of the back mirror LE1.
The light is condensed via the surface 10 and is transmitted through the surfaces S9 and S8 of the polarizing plate KN1 to be linearly polarized, reaches the image display surface S7 via the cover glass surface S6, and illuminates the reflective LCD 20.
【００５６】ＬＣＤ２０の画像表示面Ｓ７で変調・反射
された光束は、カバーガラス表面Ｓ６を通過して、偏光
板ＫＮ２の面Ｓ５、Ｓ４で偏光板ＫＮ１での偏光軸に垂
直な偏光成分の光が透過し、まず第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Ｓ
２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を透過して虚像を形成する
と共に観察者の瞳孔ＳＳに達して観察者に液晶表示手段
２０で表示した画像の虚像を視認させている。The luminous flux modulated and reflected on the image display surface S7 of the LCD 20 passes through the cover glass surface S6, and the light of the polarization component perpendicular to the polarization axis of the polarizing plate KN1 on the surfaces S5 and S4 of the polarizing plate KN2. Is transmitted, and first, the third optical working surface S3
To the first optical action surface S1 and the surface S1
At the second optical action surface S2, and this surface S2
The light is reflected by the second optical working surface S1 to become convergent light, and is again returned to the first optical working surface S1.
Then, a virtual image is formed by passing through the surface S1 and reaches the pupil SS of the observer, so that the observer visually recognizes the virtual image of the image displayed on the liquid crystal display means 20.
【００５７】［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は光学素子Ｂ１の瞳
（観察者の眼）、Ｂ１は光学素子であり、回転非対称面
等から成る第１，第２，第３の面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有
している。尚、いずれの面も１つのＹＺ面に対して対称
な形状をしている。ＫＮ１、ＫＮ２は偏光の軸が互いに
略直交した偏光板であり、偏光板ＫＮ２は面Ｓ４、Ｓ５
を、偏光板ＫＮ１は面Ｓ９、Ｓ１０を有している。２０
は反射型のＬＣＤであり、Ｓ７は該反射型のＬＣＤ２０
の表示面であり、Ｓ６はＬＣＤ２０のカバーガラス表面
である。ＬＥ２は照明光学系であり、Ｓ８は照明光学系
であるミラーＬＥ２を構成するミラー面（面上に光学薄
膜をつけている）である。３０は面光源であり、ＳＩは
面光源３０の発光面である。[Embodiment 2] FIG. 3 is a diagram showing a main part of a second embodiment of the present invention. In the drawing, SS is a pupil (eye of an observer) of the optical element B1, and B1 is an optical element, and has first, second, and third surfaces S1, S2, and S3 including rotationally asymmetric surfaces and the like. . Each of the surfaces has a shape symmetric with respect to one YZ plane. KN1 and KN2 are polarizing plates whose polarization axes are substantially orthogonal to each other, and the polarizing plates KN2 are surfaces S4 and S5.
And the polarizing plate KN1 has surfaces S9 and S10. 20
Is a reflective LCD, and S7 is the reflective LCD 20.
S6 is the surface of the cover glass of the LCD 20. LE2 is an illumination optical system, and S8 is a mirror surface (an optical thin film is provided on the surface) of the mirror LE2 which is an illumination optical system. Reference numeral 30 denotes a surface light source, and SI denotes a light emitting surface of the surface light source 30.
【００５８】光学素子Ｂ１における各光学作用面Ｓ１〜
Ｓ３の形状は該対称面に対して対称な非球面である。Each of the optical working surfaces S1 to S1 in the optical element B1
The shape of S3 is an aspherical surface symmetric with respect to the symmetry plane.
【００５９】本実施形態における非球面形状は、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*t
an(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+c
22*x2*y2+c13*x*y 3+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。The aspheric shape in this embodiment is given by the following equation:
Is expressed using. z: = 1/2 * (1 / a + 1 / b) * (yTwo* cos (w)Two+ xTwo) / 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 * t
an (w)Two* (1 / a + 1 / b)Two) * xTwo)(1/2))+ c20 * xTwo+ c11 * x * y + c02 * yTwo
+ c30 * xThree+ c21 * xTwo* y + c12 * x * yTwo+ c03 * yThree+ c40 * xFour+ c31 * xThree* y + c
22 * xTwo* yTwo+ c13 * x * y Three+ c04 * yFour+ ... The optical system data of the present embodiment is shown below. Data description
Are the same as in the first embodiment.
【００６０】尚、本実施形態は水平画角（図中のｘ方向
の画角）３０°、垂直方向画角（図中のｙ方向の画角）
２２．７°である。 SS (y,z,a)=(0.0, 0.0, 0.0) R: ∞ S1 (y,z,a)=(-0.499, 41.297, 4.95) R: ∞ Nd(νd): 1.5709(33.8) a: -2.0582E-03 b: -2.0004E-03 w: -1.3726E+03 C02: -2.9898E-04 C03: 1.3685E-05 C04: -4.4731E-07 C05: -1.2631E-08 C06: -2.3764E-09 C20: -8.8463E-04 C21: -7.4353E-06 C22: -5.4368E-07 C23: 3.7423E-08 C24: -3.7661E-09 C40: 3.2990E-06 C41: 3.0930E-07 C42: 6.9381E-09 C60: 4.6264E-09 S2 (y,z,a)=(-2.395, 49.208, -24.04) R: ∞ a: -3.3217E-02 b: 1.9712E-03 w: -2.3946E+01 C02: 9.9329E-04 C03: -6.3496E-05 C04: -4.3135E-07 C05: -7.8153E-08 C06: 2.3405E-09 C20: -4.5725E-06 C21: -4.3732E-05 C22: 9.7880E-08 C23: -9.7076E-08 C24: -4.7754E-10 C40: 5.0329E-07 C41: 4.0517E-08 C42: 8.6877E-10 C60: 3.1670E-09 S3 (y,z,a)=(19.232, 50.737, 43.86) R: ∞ a: -2.4076E-04 b: -6.0279E-05 w: -4.4913E+02 C02: -2.9546E-02 C03: -7.2317E-04 C04: 1.7167E-05 C05: 1.7930E-07 C06: 2.8993E-08 C20: -2.1413E-03 C21: 2.6788E-04 C22: 3.5128E-05 C23: 7.0236E-08 C24: 1.5737E-07 C40: -9.3749E-06 C41: 4.0887E-07 C42: -1.4887E-07 C60: 1.3647E-07 S4 (y,z,a)=(23.000, 46.000, 74.00) R: ∞ Nd(νd): 1.4900(50.0) S5 (y,z,a)=(23.192, 46.055, 74.00) R: ∞ S6 (y,z,a)=(22.017, 53.636, 29.94) R: ∞ Nd(νd) 1.5230(58.6) S7 (y,z,a)=(22.416, 54.329, 29.94) R: ∞ S8 (y,z,a)=(26.426, 37.248, 33.94) R: 18.0 S9 (y,z,a)=(35.541, 40.694, 53.94) R: ∞ Nd(νd): 1.4900(50.0) S10 (y,z,a)=(35.703, 40.811, 53.94) R: ∞ SI (y,z,a)=(36.511, 41.400, 53.94) R: ∞ 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、偏光板ＫＮ１の面Ｓ１０、Ｓ９で所定方向の直線偏
光成分のみ透過し、ミラーＬＥ２のミラー面Ｓ８、カバ
ーガラス表面Ｓ６を介して画像表示面Ｓ７に達し、反射
型ＬＣＤ２０を照明している。In this embodiment, the horizontal angle of view (angle of view in the x direction in the figure) is 30 °, and the angle of view in the vertical direction (angle of view in the y direction in the figure).
22.7 °. SS (y, z, a) = (0.0, 0.0, 0.0) R: ∞ S1 (y, z, a) = (-0.499, 41.297, 4.95) R: ∞ Nd (νd): 1.5709 (33.8) a: -2.0582E-03 b: -2.0004E-03 w: -1.3726E + 03 C02: -2.9898E-04 C03: 1.3685E-05 C04: -4.4731E-07 C05: -1.2631E-08 C06: -2.3764 E-09 C20: -8.8463E-04 C21: -7.4353E-06 C22: -5.4368E-07 C23: 3.7423E-08 C24: -3.7661E-09 C40: 3.2990E-06 C41: 3.0930E-07 C42 : 6.9381E-09 C60: 4.6264E-09 S2 (y, z, a) = (-2.395, 49.208, -24.04) R: ∞ a: -3.3217E-02 b: 1.9712E-03 w: -2.3946E +01 C02: 9.9329E-04 C03: -6.3496E-05 C04: -4.3135E-07 C05: -7.8153E-08 C06: 2.3405E-09 C20: -4.5725E-06 C21: -4.3732E-05 C22 : 9.7880E-08 C23: -9.7076E-08 C24: -4.7754E-10 C40: 5.0329E-07 C41: 4.0517E-08 C42: 8.6877E-10 C60: 3.1670E-09 S3 (y, z, a ) = (19.232, 50.737, 43.86) R: ∞ a: -2.4076E-04 b: -6.0279E-05 w: -4.4913E + 02 C02: -2.9546E-02 C03: -7.2317E-04 C04: 1.7167 E-05 C05: 1.7930E-07 C06: 2.8993E-08 C20: -2.1413E-03 C21: 2.6788E-04 C22: 3.5128E-05 C23: 7.0236E-08 C24: 1.5737E-07 C40: -9.3749 E-06 C41: 4.0887E-07 C42: -1.4887E-07 C60: 1.3 647E-07 S4 (y, z, a) = (23.000, 46.000, 74.00) R: ∞ Nd (νd): 1.4900 (50.0) S5 (y, z, a) = (23.192, 46.055, 74.00) R: ∞ S6 (y, z, a) = (22.017, 53.636, 29.94) R: ∞ Nd (νd) 1.5230 (58.6) S7 (y, z, a) = (22.416, 54.329, 29.94) R: ∞ S8 (y, z, a) = (26.426, 37.248, 33.94) R: 18.0 S9 (y, z, a) = (35.541, 40.694, 53.94) R: ∞ Nd (νd): 1.4900 (50.0) S10 (y, z, a ) = (35.703, 40.811, 53.94) R: ∞ SI (y, z, a) = (36.511, 41.400, 53.94) R: ∞ Next, the optical action in the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 3, the light beam from the light emitting surface SI of the surface light source 30 transmits only linearly polarized light components in a predetermined direction on the surfaces S10 and S9 of the polarizing plate KN1, and passes through the mirror surface S8 of the mirror LE2 and the cover glass surface S6. To reach the image display surface S7 to illuminate the reflective LCD 20.
【００６１】ＬＣＤ２０の画像表示面Ｓ７で変調・反射
された光束は、カバーガラス表面Ｓ６を通過して、偏光
板ＫＮ２の面Ｓ５、Ｓ４で偏光板ＫＮ１での偏光軸に垂
直な偏光成分の光が透過し、まず第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Ｓ
２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を透過して虚像を形成する
と共に観察者の瞳孔ＳＳに達して観察者に液晶表示手段
２で表示した画像の虚像を視認させている。The luminous flux modulated and reflected by the image display surface S7 of the LCD 20 passes through the cover glass surface S6, and passes through the surfaces S5 and S4 of the polarizing plate KN2 with light having a polarization component perpendicular to the polarization axis of the polarizing plate KN1. Is transmitted, and first, the third optical working surface S3
To the first optical action surface S1 and the surface S1
At the second optical action surface S2, and this surface S2
The light is reflected by the second optical working surface S1 to become convergent light, and is again returned to the first optical working surface S1.
Then, a virtual image is formed by passing through the surface S1 and reaches the pupil SS of the observer, so that the observer visually recognizes the virtual image of the image displayed on the liquid crystal display means 2.
【００６２】［実施形態３］図４は、本発明の実施形態
３の要部構成図である。図中、ＳＳは光学素子Ｂ１の瞳
（観察者の眼）、Ｂ１は光学素子であり、回転非対称面
等から成る第１，第２，第３の面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有
している。尚、いずれの面も１つのＹＺ面に対して対称
な形状をしている。ＫＮ１、ＫＮ２は偏光の軸が互いに
略直交した偏光板であり、偏光板ＫＮ２は面Ｓ４、Ｓ５
を、偏光板ＫＮ１は面Ｓ１１、Ｓ１２を有している。２
０は反射型のＬＣＤであり、Ｓ７は該反射型のＬＣＤ２
０の表示面であり、Ｓ６はＬＣＤ２０のカバーガラス表
面である。ＬＥ３はミラーとレンズよりなる照明光学系
であり、Ｓ８は照明光学系ＬＥ３を構成するミラー面
（面上に光学薄膜をつけている）、Ｓ９、Ｓ１０は光学
素子を構成する透過面である。３０は面光源であり、Ｓ
Ｉは面光源３０の発光面を形成する拡散面である。[Embodiment 3] FIG. 4 is a configuration diagram of a main part of Embodiment 3 of the present invention. In the drawing, SS is a pupil (eye of an observer) of the optical element B1, and B1 is an optical element, and has first, second, and third surfaces S1, S2, and S3 including rotationally asymmetric surfaces and the like. . Each of the surfaces has a shape symmetric with respect to one YZ plane. KN1 and KN2 are polarizing plates whose polarization axes are substantially orthogonal to each other, and the polarizing plates KN2 are surfaces S4 and S5.
And the polarizing plate KN1 has surfaces S11 and S12. 2
0 is a reflective LCD, and S7 is a reflective LCD 2
0 is the display surface, and S6 is the surface of the cover glass of the LCD 20. LE3 is an illumination optical system including a mirror and a lens, S8 is a mirror surface (an optical thin film is provided on the surface) constituting the illumination optical system LE3, and S9 and S10 are transmission surfaces constituting an optical element. 30 is a surface light source, S
I is a diffusion surface forming the light emitting surface of the surface light source 30.
【００６３】光学素子Ｂ１における各光学作用面Ｓ１〜
Ｓ３の形状は該対称面に対して対称な非球面である。Each of the optical working surfaces S1 to S1 in the optical element B1
The shape of S3 is an aspherical surface symmetric with respect to the symmetry plane.
【００６４】本実施形態における非球面形状は、実施形
態２と同じ式を用いて表現している。The aspherical shape in this embodiment is expressed using the same equation as in the second embodiment.
【００６５】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。Hereinafter, the optical system data of the present embodiment will be shown. The rules for describing the data are the same as in the first embodiment.
【００６６】尚、本実施例は水平画角（図中のｘ方向の
画角）３０°、垂直方向画角（図中のｙ方向の画角）２
２．７°である。 SS (y,z,a)=(0,0, 0.0, 0.0) S1 (y,z,a)=(-1.416, 37.162, 3.47) R: ∞ Nd(νd): 1.5709(33.8) a: -2.2335E-03 b: -2.0974E-03 w: 3.0991E+02 C02: -3.6366E-04 C03: -3.0451E-06 C04: -4.4226E-07 C05: -1.7359E-08 C06: -1.0864E-09 C20: -6.8066E-04 C21: -5.4521E-07 C22: -7.7267E-07 C23: -3.2796E-08 C24: -3.2432E-09 C40: 1.7449E-06 C41: 2.5571E-07 C42: 5.4885E-09 C60: 7.7525E-09 S2 (y,z,a)=(-2.384, 44.382, -23.77) R: ∞ a: -3.4553E-02 b: 1.0691E-03 w: -2.1645E+01 C02: 3.7037E-04 C03: -3.6898E-05 C04: -1.2803E-07 C05: -8.4002E-08 C06: 2.2754E-10 C20: 2.0165E-04 C21: -3.2986E-05 C22: -7.6708E-07 C23: -9.5247E-08 C24: -1.4098E-09 C40: 1.0890E-07 C41: -1.3853E-09 C42: -7.2249E-10 C60: 3.0269E-09 S3 (y,z,a)=(16.198, 46.080, 48.73) R: ∞ a: -1.7380E-02 b: -1.6879E-02 w: -1.4492E+03 C02: -1.8740E-02 C03: -1.7013E-04 C04: 9.4071E-06 C05: 1.4214E-06 C06: 1.4058E-07 C20: 1.7989E-03 C21: 4.6876E-04 C22: 2.5366E-06 C23: 8.4499E-07 C24: 1.2698E-07 C40: -4.2190E-06 C41: 6.0897E-07 C42: -1.3546E-07 C60: 2.9629E-07 S4 (y,z,a)=(19.20000 42.00000 66.00) R: ∞ Nd(νd): 1.4900(50.0) S5 (y,z,a)=(19.38271 42.08135 66.00) R: ∞ S6 (y,z,a)=(19.144, 48.665, 22.72) R ∞ Nd(νd): 1.5230(58.6) S7 (y,z,a)=(19.453, 49.403, 22.72) R: ∞ S8 (y,z,a)=(28.195, 34.034, 12.72) R: 26.0 S9 (y,z,a)=(32.323, 35.972, 52.72) R: 10.0 Nd(νd): 1.5163(64.1) S10 (y,z,a)=(36.461, 39.122, 57.72) R: ∞ S11 (y,z,a)=(36.461, 39.122, 57.72) R: ∞ Nd(νd): 1.4900(50.0) S12 (y,z,a)=(38.071, 43.688, 57.72) R: ∞ SI (y,z,a)=(39.086, 44.329, 57.72) R: ∞ 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４に示すように面光源３０の発光面ＳＩからの光束
は、偏光板ＫＮ１の面Ｓ１１、Ｓ１２で所定方向の直線
偏光成分のみが透過し、照明光学系ＬＥ３の透過面Ｓ１
０，Ｓ９，ミラー面Ｓ８を介して集光され、カバーガラ
ス表面Ｓ６を介して画像表示面Ｓ７に達し、反射型ＬＣ
Ｄ２０を照明している。In this embodiment, the horizontal angle of view (angle of view in the x direction in the figure) is 30 °, and the vertical angle of view (angle of view in the y direction in the figure) is 2.
2.7 °. SS (y, z, a) = (0,0, 0.0, 0.0) S1 (y, z, a) = (-1.416, 37.162, 3.47) R: ∞ Nd (νd): 1.5709 (33.8) a:- 2.2335E-03 b: -2.0974E-03 w: 3.0991E + 02 C02: -3.6366E-04 C03: -3.0451E-06 C04: -4.4226E-07 C05: -1.7359E-08 C06: -1.0864E -09 C20: -6.8066E-04 C21: -5.4521E-07 C22: -7.7267E-07 C23: -3.2796E-08 C24: -3.2432E-09 C40: 1.7449E-06 C41: 2.5571E-07 C42 : 5.4885E-09 C60: 7.7525E-09 S2 (y, z, a) = (-2.384, 44.382, -23.77) R: ∞ a: -3.4553E-02 b: 1.0691E-03 w: -2.1645E +01 C02: 3.7037E-04 C03: -3.6898E-05 C04: -1.2803E-07 C05: -8.4002E-08 C06: 2.2754E-10 C20: 2.0165E-04 C21: -3.2986E-05 C22: -7.6708E-07 C23: -9.5247E-08 C24: -1.4098E-09 C40: 1.0890E-07 C41: -1.3853E-09 C42: -7.2249E-10 C60: 3.0269E-09 S3 (y, z , a) = (16.198, 46.080, 48.73) R: ∞ a: -1.7380E-02 b: -1.6879E-02 w: -1.4492E + 03 C02: -1.8740E-02 C03: -1.7013E-04 C04 : 9.4071E-06 C05: 1.4214E-06 C06: 1.4058E-07 C20: 1.7989E-03 C21: 4.6876E-04 C22: 2.5366E-06 C23: 8.4499E-07 C24: 1.2698E-07 C40:- 4.2190E-06 C41: 6.0897E-07 C42: -1.3546E-07 C60: 2.9629E- 07 S4 (y, z, a) = (19.20000 42.00000 66.00) R: ∞ Nd (νd): 1.4900 (50.0) S5 (y, z, a) = (19.38271 42.08135 66.00) R: ∞ S6 (y, z, a) = (19.144, 48.665, 22.72) R ∞ Nd (νd): 1.5230 (58.6) S7 (y, z, a) = (19.453, 49.403, 22.72) R: ∞ S8 (y, z, a) = ( 28.195, 34.034, 12.72) R: 26.0 S9 (y, z, a) = (32.323, 35.972, 52.72) R: 10.0 Nd (νd): 1.5163 (64.1) S10 (y, z, a) = (36.461, 39.122) , 57.72) R: ∞ S11 (y, z, a) = (36.461, 39.122, 57.72) R: ∞ Nd (νd): 1.4900 (50.0) S12 (y, z, a) = (38.071, 43.688, 57.72) R: ∞ SI (y, z, a) = (39.086, 44.329, 57.72) R: ∞ Next, the optical action in the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 4, in the light beam from the light emitting surface SI of the surface light source 30, only the linearly polarized light component in a predetermined direction is transmitted through the surfaces S11 and S12 of the polarizing plate KN1, and the transmission surface S1 of the illumination optical system LE3 is transmitted.
0, S9, the light is condensed via the mirror surface S8, reaches the image display surface S7 via the cover glass surface S6, and is reflected by the reflection type LC.
D20 is illuminated.
【００６７】ＬＣＤ２０で変調・反射された光束は、カ
バーガラス表面Ｓ６を通過して、偏光板ＫＮ２の面Ｓ
５、Ｓ４で偏光板ＫＮ１での偏光軸に垂直な偏光成分の
光が透過し、まず第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で反射して第２
の光学作用面Ｓ２へ向かう。尚、本実施例においては、
面Ｓ３から面Ｓ１を介して面Ｓ２に向かう光束中に、面
Ｓ１中の後述する透過面として作用する部分以外の面Ｓ
１の一部で全反射条件を満たさない箇所を設け、面の曲
率を弱めて敏感度を低減し、公差を増大させている。そ
のため、面Ｓ１の一部に反射膜Ｓ１Ｒを形成している
が、面Ｓ１を透過面として作用させるときに通過する光
束が該反射膜にかからないようにして、観察者の瞳孔Ｓ
Ｓに導かれる光量の損失を防いでいる。そして面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を透過して虚像を形成すると共に
観察者の瞳孔ＳＳに達して観察者に液晶表示手段２で表
示した画像の虚像を視認させている。The light beam modulated / reflected by the LCD 20 passes through the cover glass surface S6, and passes through the surface S of the polarizing plate KN2.
5. In S4, the light of the polarization component perpendicular to the polarization axis of the polarizing plate KN1 is transmitted, and the light is transmitted through the third optical working surface S3 first, and then the first light is transmitted.
To the optically acting surface S1 of the second, and reflected by this surface S1,
Toward the optical action surface S2. In this embodiment,
In the light beam traveling from the surface S3 to the surface S2 via the surface S1, the surface S other than a portion of the surface S1 that functions as a transmission surface described later.
A portion that does not satisfy the condition of total reflection is provided in a part of 1, the curvature of the surface is reduced, the sensitivity is reduced, and the tolerance is increased. For this reason, the reflection film S1R is formed on a part of the surface S1, but the luminous flux passing when the surface S1 acts as a transmission surface does not impinge on the reflection film, so that the pupil S of the observer is prevented.
The loss of the amount of light led to S is prevented. Then, the light is reflected by the surface S2, becomes convergent light, and travels to the first optical action surface S1 again. This time, the light passes through this surface S1 to form a virtual image, and reaches the pupil SS of the observer. A virtual image of the image displayed by is visually recognized.
【００６８】[0068]
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
表示手段として例えば反射型の液晶表示素子を用い液晶
表示素子からの光束を偏心させた複数の曲面により構成
した光学素子を用いて液晶表示素子で表示される画像を
観察するとき、該液晶表示素子を照明する為の照明光学
系を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、且つ、光の利用効率が高い、ヘッド
マウントディスプレイに好適な画像表示光学系及びそれ
を用いた画像表示装置を達成することが可能となる。As described above, according to the present invention,
For example, when observing an image displayed on a liquid crystal display element using an optical element constituted by a plurality of curved surfaces in which a luminous flux from the liquid crystal display element is decentered using a reflection type liquid crystal display element as a display means, the liquid crystal display element By appropriately setting the illumination optical system for illuminating the device, the image information displayed on the liquid crystal display element can be observed well while the size of the entire device is reduced, and the light use efficiency is improved. It is possible to achieve a high image display optical system suitable for a head mounted display and an image display device using the same.
【図１】本発明の画像表示装置の光学系の基本構成を示
す要部概略図FIG. 1 is a schematic diagram of a main part showing a basic configuration of an optical system of an image display device of the present invention.
【図２】本発明の実施形態１の要部概略図FIG. 2 is a schematic diagram of a main part of the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施形態２の要部概略図FIG. 3 is a schematic diagram of a main part of a second embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施形態３の要部概略図FIG. 4 is a schematic diagram of a main part of a third embodiment of the present invention.
【図５】透過型の表示デバイスを用いた従来例の要部概
略図FIG. 5 is a schematic diagram of a main part of a conventional example using a transmission type display device.
【図６】反射型の表示デバイスを用いた従来例の要部概
略図FIG. 6 is a schematic view of a main part of a conventional example using a reflective display device.
【図７】反射型の表示デバイスを用いた別の従来例の要
部概略図FIG. 7 is a schematic view of a main part of another conventional example using a reflective display device.
【図８】本発明の他の実施形態の要部概略図FIG. 8 is a schematic diagram of a main part of another embodiment of the present invention.
１ 観察者 ２ 画像表示手段 ２ａ 表示面 ３ 光源 Ｂ１ 光学素子（拡大光学系） ＬＥ 照明光学系 ＫＮ１ 第１偏光板 ＫＮ２ 第２偏光板 Ｓ，ＳＳ 瞳孔位置 Reference Signs List 1 observer 2 image display means 2a display surface 3 light source B1 optical element (magnifying optical system) LE illumination optical system KN1 first polarizing plate KN2 second polarizing plate S, SS pupil position
─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成１２年３月１４日（２０００．３．１
４）[Submission Date] March 14, 2000 (200.3.1)
4)
【手続補正１】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【特許請求の範囲】[Claims]
【請求項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、該光源手段から該表示手段に
至る照明光路に対して該表示光学系が干渉しないように
し、該表示手段から該表示光学系に至る表示光路に対し
て該照明光学系が干渉しないようにしていることを特徴
とする画像表示装置。 9. A reflective display device, an illumination optical system of the light beam from the light source means to be incident on the display surface of the display means, and guiding the light beam to the observer's pupil from said display means, said display An image display device having a display optical system for observing image information displayed on the means, wherein the display optical system does not interfere with an illumination optical path from the light source means to the display means. An image display device, wherein the illumination optical system does not interfere with a display optical path leading to the display optical system.
【請求項１０】 前記表示光学系は複数の反射面を有
し、該複数の反射面が、それぞれ前記基準軸光線に対し
て傾いた面で構成されたことを特徴とする請求項９の画
像表示装置。 Wherein said display optical system has a plurality of reflecting surfaces, the reflecting surface of said plurality of images of claim 9, characterized in that it is constituted by a plane inclined with respect to each of the reference axis ray Display device.
【請求項１１】 前記表示光学系が全反射面、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
１０の画像表示装置。 11. claims, characterized in that it has an optical surface on which the display optical system acts as a total reflection surface, and the transmission surface
10 image display devices.
【請求項１２】 前記全反射面、兼透過面として機能す
る面の一部に反射膜を形成したことを特徴とする請求項
１１の画像表示装置。 12. The method of claim, characterized in that the formation of the total reflection surface, and the reflecting part of the surface which functions as a transmitting surface membrane
11. The image display device according to item 11 .
【請求項１３】 前記表示光学系を構成する光学面が、
アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称な非球面で
構成されたことを特徴とする請求項１０，１１又は１２
の画像表示装置。 13. The optical surfaces constituting the display optical system,
Claim, characterized in that it is constituted by a non-rotationally symmetric aspherical surface having different curvatures for each azimuth 10, 11 or 12
Image display device.
【請求項１４】 前記反射型の表示手段が強誘電性液晶
であることを特徴とする請求項９から１４のいずれか１
項の画像表示装置。 14. The liquid crystal display according to claim 9, wherein said reflection type display means is a ferroelectric liquid crystal.
Item image display device.
【請求項１５】 前記光源手段と前記表示手段との間、
及び前記表示手段と前記表示光学系との間に互いに偏光
軸がほぼ直交した偏光板を配置したことを特徴とする請
求項９から１４のいずれか１項の画像表示装置。 15. between the display means and the light source means,
The image display device according to any one of claims 9 to 14, wherein polarizing plates whose polarization axes are substantially orthogonal to each other are arranged between the display means and the display optical system.
【請求項１６】 前記光源手段から前記表示手段に至る
基準軸光線と、該表示手段から前記表示光学系に至る基
準軸光線が該表示手段上で交差するようにしていること
を特徴とする請求項９の画像表示装置。 16. A reference axis light beam from said light source means to said display means and a reference axis light ray from said display means to said display optical system intersect on said display means. Item 10. The image display device according to Item 9 .
【手続補正２】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１８[Correction target item name] 0018
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００１８】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記表示光学系は複数の反射面を有し、該複数の反
射面が、それぞれ基準軸光線に対して傾いた面で構成さ
れたことを特徴としている。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the display optical system has a plurality of reflecting surfaces, each of the plurality of reflecting surfaces being a surface inclined with respect to a reference axis ray. It is characterized by:
【手続補正３】[Procedure amendment 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２２[Correction target item name] 0022
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２２】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、前記光源手段と前記表示手段と
の間、及び前記表示手段と前記表示光学系との間に互い
に偏光軸がほぼ直交した偏光板を配置したことを特徴と
している。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、前記照明光学系は前記光源手段か
らの光束を反射させて前記表示手段に導光する反射鏡を
有していることを特徴としている。請求項８の発明は請
求項７の発明において、前記反射鏡は集光作用を有して
いることを特徴としている。According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the present invention, a polarization axis is provided between the light source means and the display means and between the display means and the display optical system. Are characterized by arranging polarizing plates that are substantially orthogonal to each other. According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the illumination optical system includes a reflecting mirror for reflecting a light beam from the light source unit and guiding the light beam to the display unit. It is characterized by. The invention of claim 8 is the invention of claim 7, wherein the reflecting mirror has a light collecting action.
【手続補正４】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２３[Correction target item name] 0023
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２３】請求項９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、該光源手段から該表示手段に至る照明光路に対して
該表示光学系が干渉しないようにし、該表示手段から該
表示光学系に至る表示光路に対して該照明光学系が干渉
しないようにしていることを特徴としている。According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an image display apparatus, comprising: a reflective display element; an illumination optical system for causing a light beam from the light source means to enter a display surface of the display means; A display optical system for guiding light to the pupil of the display device and observing image information displayed on the display device, wherein the display optical system interferes with an illumination optical path from the light source device to the display device. The illumination optical system does not interfere with the display optical path from the display means to the display optical system.
【手続補正５】[Procedure amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２４[Correction target item name] 0024
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２４】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て、前記表示光学系は複数の反射面を有し、該複数の反
射面が、それぞれ前記基準軸光線に対して傾いた面で構
成されたことを特徴としている。In a tenth aspect based on the ninth aspect, the display optical system has a plurality of reflecting surfaces, each of the plurality of reflecting surfaces being a surface inclined with respect to the reference axis ray. It is characterized by that.
【手続補正６】[Procedure amendment 6]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２５[Correction target item name] 0025
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２５】請求項１１の発明は請求項１０の発明にお
いて、前記表示光学系が全反射面、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。An eleventh aspect of the present invention is characterized in that, in the tenth aspect of the present invention, the display optical system has an optical surface acting as both a total reflection surface and a transmission surface.
【手続補正７】[Procedure amendment 7]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２６[Correction target item name] 0026
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２６】請求項１２の発明は請求項１１の発明にお
いて、前記全反射面、兼透過面として機能する面の一部
に反射膜を形成したことを特徴としている。According to a twelfth aspect of the present invention, in the eleventh aspect, a reflection film is formed on a part of the surface functioning as the total reflection surface and the transmission surface.
【手続補正８】[Procedure amendment 8]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２７[Correction target item name] 0027
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２７】請求項１３の発明は請求項１０，１１又は
１２の発明において、前記表示光学系を構成する光学面
が、アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称な非球
面で構成されたことを特徴としている。According to a thirteenth aspect of the present invention, in the tenth, eleventh or twelfth aspect, the optical surface constituting the display optical system is constituted by a non-rotationally symmetric aspherical surface having a different curvature for each azimuth. It is characterized by.
【手続補正９】[Procedure amendment 9]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２８[Correction target item name] 0028
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２８】請求項１４の発明は請求項９から１４のい
ずれか１項の発明において、前記反射型の表示手段が強
誘電性液晶であることを特徴としている。According to a fourteenth aspect of the present invention, in any one of the ninth to fourteenth aspects, the reflective display means is a ferroelectric liquid crystal.
【手続補正１０】[Procedure amendment 10]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２９[Correction target item name] 0029
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００２９】請求項１５の発明は請求項９から１５のい
ずれか１項の発明において、前記光源手段と前記表示手
段との間、及び前記表示手段と前記表示光学系との間に
互いに偏光軸がほぼ直交した偏光板を配置したことを特
徴としている。According to a fifteenth aspect of the present invention, in any one of the ninth to fifteenth aspects, a polarization axis is provided between the light source means and the display means and between the display means and the display optical system. Are characterized by arranging polarizing plates that are substantially orthogonal to each other.
【手続補正１１】[Procedure amendment 11]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００３０[Correction target item name] 0030
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００３０】請求項１６の発明は請求項９の発明におい
て、前記光源手段から前記表示手段に至る基準軸光線
と、該表示手段から前記表示光学系に至る基準軸光線が
該表示手段上で交差するようにしていることを特徴とし
ている。請求項１７の発明は請求項９から１６のいずれ
か１項の発明において、前記照明光学系は前記光源手段
からの光束を反射させて前記表示手段に導光する反射鏡
を有していることを特徴としている。請求項１８の発明
は請求項１７の発明において、前記反射鏡は集光作用を
有していることを特徴としている。According to a sixteenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, a reference axis ray from the light source means to the display means and a reference axis ray from the display means to the display optical system intersect on the display means. It is characterized by doing so. According to a seventeenth aspect of the present invention, in any one of the ninth to sixteenth aspects, the illumination optical system has a reflecting mirror for reflecting a light beam from the light source means and guiding the light to the display means. It is characterized by. The invention of claim 18 is characterized in that, in the invention of claim 17, the reflecting mirror has a light collecting action.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高木 章成 神奈川県横浜市西区花咲町６丁目145番地 株式会社エム・アール・システム研究所 内 (72)発明者 森島 英樹 神奈川県横浜市西区花咲町６丁目145番地 株式会社エム・アール・システム研究所 内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akinari Takagi 6-145 Hanasaki-cho, Nishi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Within M-R System Research Institute, Inc. (72) Inventor Hideki Morishima Hanasaki-cho, Nishi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa 6-145 MRC System Research Institute
Claims (14)
の表示面に表面側より入射させる照明光学系と、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
像表示光学系において、該光源手段から該表示手段に至
る照明光路に対して該表示光学系が干渉しないように
し、該表示手段から該表示光学系に至る表示光路に対し
て該照明光学系が干渉しないようにしていることを特徴
とする画像表示光学系。1. An illumination optical system for causing a light beam from a light source means to enter a display surface of a reflection type display means from a surface side, and a light beam from the display means is guided to a pupil of an observer, and the light is guided to the display means. An image display optical system having a display optical system for observing displayed image information, wherein the display optical system does not interfere with an illumination optical path from the light source means to the display means, and the display means An image display optical system, wherein the illumination optical system does not interfere with a display optical path leading to the optical system.
該複数の反射面が、それぞれ基準光線に対して傾いた面
で構成されたことを特徴とする請求項１の画像表示光学
系。2. The display optical system has a plurality of reflection surfaces,
2. The image display optical system according to claim 1, wherein said plurality of reflection surfaces are each formed of a surface inclined with respect to a reference light beam.
して作用する光学面を有することを特徴とする請求項２
の画像表示光学系。3. The display optical system according to claim 2, wherein the display optical system has an optical surface serving as a total reflection surface and a transmission surface.
Image display optical system.
面の一部に反射膜を形成したことを特徴とする請求項３
の画像表示光学系。4. A reflection film is formed on a part of the surface functioning as both the total reflection surface and the transmission surface.
Image display optical system.
ジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称な非球面で構
成されたことを特徴とする請求項２，３又は４の画像表
示光学系。5. The image display optical system according to claim 2, wherein the optical surface constituting the display optical system is constituted by a non-rotationally symmetric aspheric surface having a different curvature for each azimuth. system.
び前記表示手段と前記表示光学系との間に互いに偏光軸
がほぼ直交した偏光板を配置したことを特徴とする請求
項５の画像表示光学系。6. A polarizing plate according to claim 5, wherein polarizing plates whose polarization axes are substantially orthogonal to each other are arranged between said light source means and said display means and between said display means and said display optical system. Image display optical system.
束を該表示手段の表示面に入射させる照明光学系と、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、該光源手段から該表示手段に
至る照明光路に対して該表示光学系が干渉しないように
し、該表示手段から該表示光学系に至る表示光路に対し
て該照明光学系が干渉しないようにしていることを特徴
とする画像表示装置。7. A display device of a reflection type, an illumination optical system for causing a light beam from a light source means to enter a display surface of the display means, and a light beam from the display means guided to a pupil of an observer to perform the display. An image display device having a display optical system for observing image information displayed on the means, wherein the display optical system does not interfere with an illumination optical path from the light source means to the display means. An image display device, wherein the illumination optical system does not interfere with a display optical path leading to the display optical system.
該複数の反射面が、それぞれ前記基準光線に対して傾い
た面で構成されたことを特徴とする請求項７の画像表示
装置。8. The display optical system has a plurality of reflection surfaces,
The image display device according to claim 7, wherein each of the plurality of reflection surfaces is configured as a surface inclined with respect to the reference light beam.
して作用する光学面を有することを特徴とする請求項８
の画像表示装置。9. The display optical system according to claim 8, wherein said display optical system has an optical surface serving as a total reflection surface and a transmission surface.
Image display device.
る面の一部に反射膜を形成したことを特徴とする請求項
９の画像表示装置。10. The image display device according to claim 9, wherein a reflection film is formed on a part of the surface functioning as both the total reflection surface and the transmission surface.
アジムス毎に異なる曲率を有した非回転対称な非球面で
構成されたことを特徴とする請求項８，９又は５の画像
表示装置。11. An optical surface constituting the display optical system,
6. The image display device according to claim 8, wherein the image display device is constituted by a non-rotationally symmetric aspheric surface having a different curvature for each azimuth.
であることを特徴とする請求項７又は８の画像表示装
置。12. The image display device according to claim 7, wherein said reflection type display means is a ferroelectric liquid crystal.
及び前記表示手段と前記表示光学系との間に互いに偏光
軸がほぼ直交した偏光板を配置したことを特徴とする請
求項１２の画像表示装置。13. Between the light source means and the display means,
13. The image display device according to claim 12, wherein polarizing plates whose polarization axes are substantially orthogonal to each other are arranged between said display means and said display optical system.
基準軸光線と、該表示手段から前記表示光学系に至る基
準軸光線が該表示手段上で交差するようにしていること
を特徴とする請求項７の画像表示装置。14. The display device according to claim 1, wherein a reference axis ray from said light source means to said display means and a reference axis ray from said display means to said display optical system intersect on said display means. Item 7. The image display device according to Item 7.
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