JP2000010041A - Picture display device - Google Patents

Picture display device

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JP2000010041A
JP2000010041A JP10178870A JP17887098A JP2000010041A JP 2000010041 A JP2000010041 A JP 2000010041A JP 10178870 A JP10178870 A JP 10178870A JP 17887098 A JP17887098 A JP 17887098A JP 2000010041 A JP2000010041 A JP 2000010041A
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JP
Japan
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image display
optical system
light
display element
observation optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP10178870A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Takahashi
高橋浩一
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JP2000010041A publication Critical patent/JP2000010041A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To present a bright picture on a reflection type picture display element to an observer and to enable the observer to observe the distinct and clear picture even by comparatively simple device constitution. SOLUTION: This picture display device is constituted of a light source 1 radiating illuminating light, the picture display element 10 displaying the picture by the reflection of the illuminating light, and an observation optical system 3 guiding the picture to an observer's eyeball 4. In the device, the light source 1 is arranged proximately to the outside of the reflection surface 12 having power of the optical system 3, and the surface 12 is constituted of a polarizing half mirror surface transmitting light in a specified polarization direction and reflecting light in a polarization direction nearly orthogonally crossing the specified polarization direction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に関
し、特に、観察者の頭部に装着可能な小型軽量な画像表
示装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display device, and more particularly, to a small and lightweight image display device that can be mounted on the head of an observer.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、個人が大画面の画像を楽しむこと
を目的として、頭部又は顔面装着式画像表示装置が開発
されている。
2. Description of the Related Art In recent years, head or face-mounted image display devices have been developed for the purpose of allowing individuals to enjoy large-screen images.

【0003】このような中、特開平7−333551号
において、液晶表示素子(以下、LCDと称する。)か
らなる画像表示素子の表示画像を観察者眼球に導く接眼
光学系として、3つの光学面で囲まれた屈折率が1より
大きい媒質からなる偏心光学系で構成し、液晶表示素子
からの光束を第3面からその偏心光学系内に入射させ、
次に、その内部で第1面で全反射させ、次いで、凹面鏡
の第2面で内部反射させ、今度は第1面を経て偏心光学
系外に射出させ、画像表示素子の表示像を中間像を形成
することなく観察者眼球に導くようにしたものが提案さ
れている。
Under such circumstances, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-333551 discloses three optical surfaces as an eyepiece optical system that guides a display image of an image display device including a liquid crystal display device (hereinafter, referred to as an LCD) to an observer's eyeball. A decentered optical system composed of a medium having a refractive index larger than 1 surrounded by, and a light beam from the liquid crystal display element is incident on the decentered optical system from the third surface,
Next, the light is totally reflected by the first surface inside, and then internally reflected by the second surface of the concave mirror. This time, the light is emitted outside the decentered optical system through the first surface, and the display image of the image display device is converted into an intermediate image. Are formed so as to be guided to the observer's eyeball without forming the eyeball.

【0004】この場合は、偏心光学系を構成する光学面
は3面であり、偏心光学系内部の反射回数は2回ある。
この他に、2面あるいは4面以上からなり、光学系内部
で1回以上反射する種々の形態の偏心光学系が本出願人
等によって提案されている。
In this case, the decentered optical system has three optical surfaces, and the number of reflections inside the decentered optical system is two.
In addition, various types of decentered optical systems having two or four or more surfaces and reflecting at least once inside the optical system have been proposed by the present applicant.

【0005】ところで、特開平7−333551号にお
いては、画像表示装置を構成するLCDは透過型のもの
を予定しているが、顔面装着式画像表示装置の画像表示
素子として反射型LCDを用いるものも特開平7−72
446号において提案されている。図16はその画像表
示装置の光学系を示す図であり、ランプ光源155から
の照明光はコリメート光学系156によって平行光にさ
れ、一部の光(S偏光)が偏光ビームスプリッタ157
によって反射されて反射型LCD158を正面から照明
する。反射型LCD158で反射変調された表示像は投
射光学系159によりスクリーン152上に投影され、
その投影像が接眼光学系153を通して観察者により拡
大観察される。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-333551, the LCD constituting the image display device is expected to be of a transmissive type, but a reflection type LCD is used as an image display element of the face-mounted image display device. See also JP-A-7-72
No. 446. FIG. 16 is a diagram showing an optical system of the image display device. Illumination light from a lamp light source 155 is collimated by a collimating optical system 156, and a part of the light (S-polarized light) is converted into a polarization beam splitter 157.
And illuminates the reflective LCD 158 from the front. The display image reflected and modulated by the reflective LCD 158 is projected on a screen 152 by a projection optical system 159,
The projected image is enlarged and observed by an observer through the eyepiece optical system 153.

【0006】なお、反射型画像表示素子として、反射型
LCDの外に、DMD(デジタル・マイクロ・デバイ
ス)と呼ばれる画像表示素子も提案されている。これは
図17に示すような構成のものである。すなわち、図
(a)に平面を、図(b)に各要素の構成を示すよう
に、各画素に対応する微小ミラー160が2次元的に配
置され、指定したアドレスのミラー160’を対角線を
軸にして傾けることにより、ミラー160’に一定方向
から入射する光を傾いていないミラーとは異なる方向へ
反射させるようにして、2次元画像を表示するようにし
たものであり、ミラー160各々は、一対つの対角方向
の角で基板161に立てられた支持ポスト162により
ヒンジ163を介して支持されており、ミラー160の
後側の基板161に設けられた一対の電極164の一方
に電圧を印加することにより、静電力によりヒンジ16
3間の対角線を軸にしてミラー160が回転可能になっ
ている(IEEE Spectrum Vol.30,
No.11,pp.27〜31)。
As a reflection type image display device, an image display device called a DMD (digital micro device) has been proposed in addition to the reflection type LCD. This has a configuration as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 7A, a plane is shown, and as shown in FIG. 7B, the configuration of each element, micro mirrors 160 corresponding to each pixel are two-dimensionally arranged. By inclining about the axis, light incident on the mirror 160 ′ from a certain direction is reflected in a direction different from that of the mirror that is not inclined, so that a two-dimensional image is displayed. A pair of electrodes 164 provided on the substrate 161 provided on the rear side of the mirror 160 by applying a voltage to one of a pair of electrodes 164 provided on the substrate 161 on the rear side of the mirror 160 by being supported by support posts 162 erected on the substrate 161 at a pair of diagonal corners. When applied, the hinge 16
The mirror 160 is rotatable around a diagonal line between the three (IEEE Spectrum Vol. 30,
No. 11, pp. 27-31).

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】頭部又は顔面装着式画
像表示装置の光学系として偏心光学系を用いると、高い
光学性能(画角、解像力等)を維持したまま装置全体を
小型・軽量に構成でき、明るい画像表示装置が可能なる
利点がある。しかしながら、偏心光学系と共に用いる画
像表示装置としては、従来透過型LCDしか予定してい
なかった。
When an eccentric optical system is used as an optical system of a head or face-mounted image display device, the entire device can be reduced in size and weight while maintaining high optical performance (angle of view, resolution, etc.). There is an advantage that a bright image display device can be configured. However, as the image display device used with the decentering optical system, only the transmission type LCD has been conventionally planned.

【0008】ところで、画像表示装置としての透過型L
CDは、反射型LCDに比較して画素の開口率が低く、
画素間のブラックマトリック部が目立ったしまうため、
ローパスフィルタ等を用いてそれが目立たないようにす
る必要がある。これに対して、反射型LCDは画素の開
口率が大きくすることが可能であり、上記のような問題
は小さいが、特開平7−72446号のものにおいて
は、ビームスプリッタ以外の光学系は屈折型の投影光学
系であり、また、スクリーンに表示した像を観察するよ
うにしているため、観察される画像は暗いものになり、
光学系全体が非常に大きいものとなっている。
By the way, a transmission type L as an image display device
CDs have a lower pixel aperture ratio than reflective LCDs,
Because the black matrix part between pixels becomes conspicuous,
It is necessary to make it inconspicuous by using a low-pass filter or the like. On the other hand, the reflection type LCD can increase the aperture ratio of the pixel, and the above-mentioned problem is small. However, in JP-A-7-72446, the optical system other than the beam splitter is not refractive. Type projection optical system, and because the image displayed on the screen is observed, the observed image becomes dark,
The entire optical system is very large.

【0009】本発明は従来技術のこのような状況に鑑み
てなされたものであり、その目的は、比較的簡単な装置
構成であっても反射型の画像表示素子の明るい画像を観
察者に呈示し、観察者が明瞭で綺麗な画像を観察するこ
とが可能な画像表示装置を提供することである。
The present invention has been made in view of such a situation of the prior art, and an object thereof is to present a bright image of a reflection type image display element to an observer even with a relatively simple apparatus configuration. Another object of the present invention is to provide an image display device that allows an observer to observe a clear and clear image.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の画像表示装置は、照明光を放射する光源と、前記照
明光の反射によって画像を表示する画像表示素子と、観
察者眼球に前記画像を導く観察光学系とからなる画像表
示装置において、前記光源は、前記観察光学系のパワー
を有する反射面の外側に近接して配備され、前記反射面
は、特定偏光方向の光は透過させ、それと略直交する偏
光方向の光は反射する偏光ハーフミラー面からなること
を特徴とするものである。
According to the present invention, there is provided an image display apparatus comprising: a light source for emitting illumination light; an image display element for displaying an image by reflecting the illumination light; In an image display apparatus including an observation optical system for guiding an image, the light source is disposed in proximity to a reflection surface having the power of the observation optical system, and the reflection surface transmits light in a specific polarization direction. The light having a polarization direction substantially orthogonal to the light is formed by a polarization half mirror surface that reflects the light.

【0011】本発明のもう1つの画像表示装置は、照明
光を放射する光源と、前記照明光の反射によって画像を
表示する画像表示素子と、観察者眼球に前記画像を導く
観察光学系とからなる画像表示装置において、前記観察
光学系は、前記画像表示素子に対して略45°傾いた偏
光ハーフミラー面を有し、前記偏光ハーフミラー面を挟
んで前記画像表示素子に対向して配備された凹面鏡によ
って前記画像表示素子の画像を拡大された虚像として観
察者眼球に拡大投影する構成であり、前記光源は、前記
観察光学系を挟んで前記観察者眼球に対向した位置に配
備され、前記光源と前記観察光学系の間には偏光状態を
特定方向にのみ偏光した光にする偏光板が配備され、前
記凹面鏡と前記偏光ハーフミラー面の間に1/4波長板
が配備されていることを特徴とするものである。
Another image display apparatus of the present invention comprises a light source that emits illumination light, an image display element that displays an image by reflecting the illumination light, and an observation optical system that guides the image to an observer's eyeball. In the image display device, the observation optical system has a polarization half mirror surface inclined at approximately 45 ° with respect to the image display device, and is disposed to face the image display device with the polarization half mirror surface interposed therebetween. The concave mirror is configured to magnify and project the image of the image display device onto the observer's eyeball as an enlarged virtual image, and the light source is disposed at a position facing the observer's eyeball with the observation optical system interposed therebetween. A polarizing plate is provided between the light source and the observation optical system to change the polarization state to light polarized only in a specific direction, and a quarter-wave plate is provided between the concave mirror and the polarizing half mirror surface. And it is characterized in and.

【0012】以下に、本発明において上記のような構成
をとる理由と作用について説明する。本発明による画像
表示装置の代表的なものを図1に例示する。図1におい
て、1は光源、2は光軸、3は観察光学系、4は観察者
眼球、5は照明光学系、10は画像表示素子、11は観
察光学系の第1面、12は観察光学系3の第2面であ
る。光源1は観察光学系3の下方に配備されており、反
射鏡で構成された照明光学系5によって一方向に光が射
出するようになっている。画像表示素子10は観察者眼
球4の斜め上前方に配備されている。観察光学系3は、
透過面である第1面11と、回転非対称な非球面で構成
され、偏光ハーフミラーコーティングが施されている凹
面鏡面12とによって構成されている。この凹面鏡面1
2が観察者眼球4に対向した位置に光軸2に対して傾い
て配備されることで、画像表示素子10と観察者が干渉
することなく配置することが可能となっている。また、
画像表示素子10は、反射型のツイストネマチック液晶
(TN液晶)表示素子であり、この場合のツイスト角は
45°に設定されている。以下に説明する全ての実施例
においても、画像表示素子は同様のものである。光源1
から観察者眼球4に至る実際の光線の偏光状態を含めた
光線経路を以下に説明する。
Hereinafter, the reason and operation of the above-described configuration in the present invention will be described. FIG. 1 illustrates a typical image display device according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a light source, 2 is an optical axis, 3 is an observation optical system, 4 is an observer's eyeball, 5 is an illumination optical system, 10 is an image display element, 11 is a first surface of the observation optical system, and 12 is observation. This is the second surface of the optical system 3. The light source 1 is provided below the observation optical system 3, and light is emitted in one direction by an illumination optical system 5 configured by a reflecting mirror. The image display element 10 is disposed obliquely forward of the observer's eyeball 4. The observation optical system 3
It comprises a first surface 11 which is a transmission surface, and a concave mirror surface 12 which is constituted by a rotationally asymmetric aspherical surface and is provided with a polarization half mirror coating. This concave mirror surface 1
2 is disposed at a position facing the observer's eyeball 4 so as to be inclined with respect to the optical axis 2, so that the image display element 10 and the observer can be arranged without interference. Also,
The image display element 10 is a reflective twisted nematic liquid crystal (TN liquid crystal) display element, and the twist angle in this case is set to 45 °. The image display element is the same in all the embodiments described below. Light source 1
The ray path including the actual polarization state of the ray from the lens to the observer's eyeball 4 will be described below.

【0013】照明光の偏光状態がランダムな場合、照明
光は偏光ハーフミラー面である第2面12によってある
偏光方向を有する直線偏光光となり、観察光学系3を介
して液晶表示素子10を照明する。例えば、偏光ハーフ
ミラー面である第2面12がs波を反射し、p波を透過
するように設定されている場合には、第2面12を通過
する照明光はp波となる。
When the polarization state of the illumination light is random, the illumination light becomes linearly polarized light having a certain polarization direction by the second surface 12 which is a polarization half mirror surface, and illuminates the liquid crystal display element 10 via the observation optical system 3. I do. For example, when the second surface 12, which is a polarization half mirror surface, is set to reflect an s-wave and transmit a p-wave, the illumination light passing through the second surface 12 is a p-wave.

【0014】照明光は観察光学系3を介して画像表示素
子である液晶表示素子10を照明する。液晶表示素子1
0においては電圧を印加した画素を透過し、液晶層を通
って下部で反射することで、偏光方向が90°回転され
て射出する。したがって、液晶表示素子10で変調され
た光はs波として射出する。s波となって再び観察光学
系3の第1面11に入射し、偏光ハーフミラー面の第2
面12では略全ての光が反射し、再び第1面11を透過
して観察者眼球4に到達する。そのため、光源1から発
した光の光量ロスが少なく有効に利用できる小型、軽量
な光学系が構成され、凹面鏡面12の作用によって観察
者は画像表示素子10の画像を拡大した虚像として知覚
することになる。
The illumination light illuminates a liquid crystal display device 10 as an image display device via an observation optical system 3. Liquid crystal display element 1
At 0, the light passes through the pixel to which the voltage is applied, passes through the liquid crystal layer, and is reflected at the lower portion, whereby the light is emitted with the polarization direction rotated by 90 °. Therefore, the light modulated by the liquid crystal display element 10 is emitted as an s-wave. As an s-wave, it is incident on the first surface 11 of the observation optical system 3 again,
Almost all light is reflected on the surface 12, passes through the first surface 11 again, and reaches the observer's eyeball 4. Therefore, a small and light optical system is configured that can be used effectively with a small loss of the amount of light emitted from the light source 1, and the observer perceives the image of the image display device 10 as an enlarged virtual image by the action of the concave mirror surface 12. become.

【0015】この場合、光源1を射出した光束が偏光ハ
ーフミラー面の第2面12を透過して画像表示素子10
に入射する照明光路と、画像表示素子10で反射した光
束が偏光ハーフミラー面の第2面12を介して観察者眼
球4に導かれる観察光路とが、第2面12と画像表示素
子10との間で往復光路を形成するように観察光学系3
を構成することが望ましい。
In this case, the light beam emitted from the light source 1 is transmitted through the second surface 12 of the polarization half mirror surface, and
And an observation optical path through which the luminous flux reflected by the image display element 10 is guided to the observer's eyeball 4 via the second surface 12 of the polarization half mirror surface, and the second surface 12 and the image display element 10 Observation optical system 3 so as to form a reciprocating optical path between
It is desirable to constitute.

【0016】このような構成により、観察光学系内部の
照明光路と観察光路とを往路と復路とで兼用することが
できるので、光学系内部に異なる光路を設ける場合に比
べて、無駄な光学要素(透過面や反射面)やスペースを
省けるため、画像表示装置のコンパクト化が実現でき
る。また、フレアー光の発生防止にも役立つ。
With such a configuration, the illumination optical path and the observation optical path inside the observation optical system can be used for the forward path and the return path, so that useless optical elements are required as compared with the case where different optical paths are provided inside the optical system. (Transmissive surface and reflective surface) and space can be omitted, so that the image display device can be made compact. It also helps prevent flare light.

【0017】また、観察光学系は、少なくとも2面で構
成された空間を屈折率が1より大きい媒質によって満た
されたプリズム体であることが、光学系を構成する上で
有効である。図2にその場合の構成を示す。
Further, it is effective for the construction of the optical system that the observation optical system be a prism body in which a space composed of at least two surfaces is filled with a medium having a refractive index larger than 1. FIG. 2 shows the configuration in that case.

【0018】図2において、観察光学系3は、光軸2に
対して偏心して配備された3面で構成された空間を屈折
率が約1.5の光学プラスチックで満たされており、ま
た、光源1には、照明する方向の反対側に凹面鏡で構成
された照明光学系5を配備し、一方向に光が射出するよ
うになっている。実際の光線経路は、観察光学系3の主
な正のパワーを有する第2面22の外側に配備された光
源1から発した光は、偏光ハーフミラーコートされた第
2面22によってp波のみが透過し、第1面21で全反
射し、第3面23を透過して画像表示素子10を照明す
る。画像表示素子10で変調された光は、観察光学系の
第3面23から入射し、第1面21で全反射し、偏光ハ
ーフミラー面である第2面22で略全ての光が反射し、
第1面21を透過して観察者眼球4に入射する。この場
合、画像表示素子10の直後から観察者眼球4に至るま
での光路の中、大部分が屈折率約1.5の光学プラスチ
ックである。光学プラスチック内の空気換算長は約1/
1.5倍であるため、図1の凹面鏡12に比べて焦点距
離を短く設定することが可能となり、観察画角を広くと
ることが可能となる。さらに、図2のように、複数回反
射させて光学系全体を薄く構成する場合でも光学部材が
1つにすることができるため、ミラー等の光学素子を複
数枚用いる必要がなく、製作、組立が容易となりコスト
の削減も図ることができる。
In FIG. 2, the observation optical system 3 fills a space composed of three surfaces arranged eccentrically with respect to the optical axis 2 with an optical plastic having a refractive index of about 1.5. The light source 1 is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the side opposite to the direction of illumination, and emits light in one direction. The actual ray path is such that light emitted from the light source 1 disposed outside the second surface 22 having the main positive power of the observation optical system 3 is only a p-wave by the second surface 22 coated with the polarization half mirror. Is transmitted, totally reflected by the first surface 21, and transmitted through the third surface 23 to illuminate the image display element 10. The light modulated by the image display element 10 enters from the third surface 23 of the observation optical system, is totally reflected by the first surface 21, and substantially all light is reflected by the second surface 22 which is a polarization half mirror surface. ,
The light passes through the first surface 21 and enters the observer's eyeball 4. In this case, most of the optical path from immediately after the image display element 10 to the observer's eyeball 4 is made of optical plastic having a refractive index of about 1.5. Air equivalent length in optical plastic is about 1 /
Since the magnification is 1.5 times, the focal length can be set shorter than that of the concave mirror 12 in FIG. 1, and the observation angle of view can be widened. Further, as shown in FIG. 2, even when the entire optical system is made thinner by reflecting a plurality of times, the number of optical members can be reduced to one. And the cost can be reduced.

【0019】また、観察光学系の少なくとも1面は、光
軸に対して偏心した非球面であることが重要である。図
1、図2のように、凹面鏡12、22を光軸に対して傾
いて配置した場合には、軸上においても、コマ収差、非
点収差が発生し、軸外においては、偏心によるディスト
ーション、像面湾曲が発生する。これらの偏心による収
差を補正するためには、観察光学系の少なくとも1面は
光軸に対して偏心した非球面であることが上記諸収差を
補正するのに必要である。
It is important that at least one surface of the observation optical system is an aspheric surface decentered with respect to the optical axis. As shown in FIGS. 1 and 2, when the concave mirrors 12 and 22 are arranged to be inclined with respect to the optical axis, coma and astigmatism also occur on the axis, and distortion due to eccentricity occurs off the axis. Then, field curvature occurs. In order to correct these aberrations due to eccentricity, it is necessary for at least one surface of the observation optical system to be an aspheric surface decentered with respect to the optical axis in order to correct the various aberrations.

【0020】さらに、上記諸収差をより補正するために
は、観察光学系の少なくとも1面は、光軸に対して偏心
した回転非対称非球面で構成することが重要である。例
えば、軸上非点収差を補正するためには、軸上主光線が
凹面鏡での反射点において水平方向と垂直方向の面のパ
ワーが異なることが必要である。そのためには、回転非
対称な非球面であることが望ましい。凹面鏡と凸面鏡の
配置が像面湾曲収差に良い効果を発揮することは、本出
願人の特願平5−264828号に詳しく述べられてお
り、傾いた凹面鏡が発生する収差については特願平6−
127453号等に述べられている。また、傾いた凹面
鏡により発生する非点収差についても、本出願人の特願
平6−211067号、また、特願平6−256676
号に述べられている。また、傾いた凹面鏡により発生す
る台形や弓なりの像歪みに関しては、特開平5−303
056号に述べられている。
Further, in order to further correct the above-mentioned various aberrations, it is important that at least one surface of the observation optical system is constituted by a rotationally asymmetric aspheric surface decentered with respect to the optical axis. For example, in order to correct axial astigmatism, it is necessary that the power of the horizontal principal axis and that of the vertical axis at the point where the axial chief ray is reflected by the concave mirror be different. For that purpose, it is desirable to use a rotationally asymmetric aspherical surface. The fact that the arrangement of the concave mirror and the convex mirror exerts a good effect on the field curvature aberration is described in detail in Japanese Patent Application No. Hei 5-264828 of the present applicant. −
No. 127453. The astigmatism generated by the inclined concave mirror is also described in Japanese Patent Application Nos. 6-210167 and 6-256676 of the present applicant.
No. Regarding image distortion such as trapezoid or bow caused by an inclined concave mirror, see Japanese Patent Laid-Open No. 5-303.
No. 056.

【0021】さらに、面内及び面外共に回転対称軸を有
せず、しかも、対称面を1つのみ有する面対称自由曲面
を使用した偏心プリズムによって、これらの収差を同時
にしかも良好に補正するすることに関しては、特願平9
−318811号に詳しく述べられている。
Further, these aberrations are simultaneously and satisfactorily corrected by an eccentric prism using a plane-symmetric free-form surface having no in-plane and out-of-plane rotational symmetry axes and having only one symmetry plane. Regarding the matter, Japanese Patent Application No. Hei 9
No. 318811.

【0022】ここで、本発明の自由曲面とは、以下の式
で定義されるものである。 Z=C2 +C3 Y+C4 X +C5 2 +C6 YX+C7 2 +C8 3 +C9 2 X+C10YX2 +C113 +C124 +C133 X+C142 2 +C15YX3 +C164 +C175 +C184 X+C193 2 +C202 3 +C21YX4 +C225 +C236 +C245 X+C254 2 +C263 3 +C272 4 +C28YX5 +C296 +C307 +C316 X+C325 2 +C334 3 +C343 4 +C352 5 +C36YX6 +C377 ・・・・・ ・・・(a) ただし、Zは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、Cm (mは2以上の整数)は係数である。
Here, the free-form surface of the present invention is defined by the following equation. Z = C 2 + C 3 Y + C 4 X + C 5 Y 2 + C 6 YX + C 7 X 2 + C 8 Y 3 + C 9 Y 2 X + C 10 YX 2 + C 11 X 3 + C 12 Y 4 + C 13 Y 3 X + C 14 Y 2 X 2 + C 15 YX 3 + C 16 X 4 + C 17 Y 5 + C 18 Y 4 X + C 19 Y 3 X 2 + C 20 Y 2 X 3 + C 21 YX 4 + C 22 X 5 + C 23 Y 6 + C 24 Y 5 X + C 25 Y 4 X 2 + C 26 Y 3 X 3 + C 27 Y 2 X 4 + C 28 YX 5 + C 29 X 6 + C 30 Y 7 + C 31 Y 6 X + C 32 Y 5 X 2 + C 33 Y 4 X 3 + C 34 Y 3 X 4 + C 35 Y 2 X 5 + C 36 YX 6 + C 37 X 7 ····· ··· (a) although, Z is the amount of deviation from a plane tangent to the origin of the surface shape (the m 2 or more integer) C m is the coefficient .

【0023】観察光学系としてこのような回転非対称非
球面を用いた偏心プリズムを用いることで、コンパクト
で軽量でありながら、広い観察画角を持ち、明るい高解
像な画像を観察者に提供することが可能となる。
By using such a decentered prism using a rotationally asymmetric aspherical surface as the observation optical system, a bright and high-resolution image having a wide observation angle of view and a wide observation angle is provided to the observer while being compact and lightweight. It becomes possible.

【0024】また、観察光学系は、画像表示素子に対し
て略45°傾いた無偏光ハーフミラー面と、画像表示素
子に対向した凹面鏡からなるものでも有効である。図3
にその場合の構成を示す。
The observation optical system is also effective if it has a non-polarization half mirror surface inclined at approximately 45 ° to the image display element and a concave mirror facing the image display element. FIG.
The configuration in that case is shown in FIG.

【0025】図3において、光源1は観察光学系3の下
方に配備されており、凹面鏡で構成された照明光学系5
によって一方向に光が射出するようになっている。観察
光学系3は、無偏光ハーフミラー9、面32に偏光ハー
フミラーコーティングされた凹面鏡8からなる。画像表
示素子10に対して略45°傾いて観察者と干渉しない
ように十分離れた位置に無偏光ハーフミラー9を配置
し、この無偏光ハーフミラー9の下方に凹面鏡8を配置
し、この凹面鏡8に対向し、観察者眼球4の斜め上方に
画像表示素子10を配備している。また、光源1は凹面
鏡8の外側に配置されている。
In FIG. 3, a light source 1 is provided below an observation optical system 3 and has an illumination optical system 5 composed of a concave mirror.
Light is emitted in one direction. The observation optical system 3 includes a non-polarization half mirror 9 and a concave mirror 8 whose surface 32 is coated with a polarization half mirror. The non-polarizing half mirror 9 is disposed at a position sufficiently inclined so as not to interfere with an observer by inclining by about 45 ° with respect to the image display element 10, and the concave mirror 8 is disposed below the non-polarizing half mirror 9. An image display element 10 is disposed diagonally above the observer's eyeball 4 so as to face the eyeball 8. The light source 1 is arranged outside the concave mirror 8.

【0026】偏光ハーフミラー面である凹鏡面32がp
波を透過し、s波を反射するようになっているとする
と、光源1から射出した光線経路は、光源1から発した
光がランダムな偏光状態であるとして、凹面鏡面32に
おいてp波のみが透過し第1面31から射出して、無偏
光ハーフミラー9を通過し、画像表示素子10を照明す
る。図1の場合と同様に画像表示素子10のツイスト角
の角度が設定されている。この画像表示素子10をp波
で照明したので、画像表示素子10で変調された光はs
波として射出する。液晶表示素子10から射出した光は
無偏光ハーフミラー9を透過し、偏光ハーフミラー面で
ある凹面鏡32では全ての光が反射され、無偏光ハーフ
ミラー9で反射して観察者眼球4に到達する。したがっ
て、観察者は凹面鏡32の作用によって画像表示素子1
0の画像を拡大した虚像として知覚することになる。ま
た、観察光学系3の光路は折り返していても光学系とし
ては共軸系として扱うことができるため、偏心による収
差の発生がなく、光学系の設計、製作が容易である。そ
れにもかかわらず、装置全体は非常にコンパクトで軽量
であり、安価なコストで高解像な画像表示装置を実現で
きる。
The concave mirror surface 32 which is the polarization half mirror surface has p
Assuming that the wave is transmitted and the s-wave is reflected, the ray path emitted from the light source 1 assumes that the light emitted from the light source 1 is in a random polarization state, and only the p-wave is generated on the concave mirror surface 32. The light passes through the first surface 31, passes through the non-polarizing half mirror 9, and illuminates the image display device 10. As in the case of FIG. 1, the twist angle of the image display element 10 is set. Since the image display element 10 was illuminated with a p-wave, the light modulated by the image display element 10 was s.
Emit as waves. Light emitted from the liquid crystal display element 10 passes through the non-polarization half mirror 9, and all light is reflected by the concave mirror 32, which is the polarization half mirror surface, and is reflected by the non-polarization half mirror 9 to reach the observer's eyeball 4. . Therefore, the observer can operate the image display device 1 by the action of the concave mirror 32.
The image 0 is perceived as an enlarged virtual image. Even if the optical path of the observation optical system 3 is folded, the optical system can be handled as a coaxial system, so that there is no occurrence of aberration due to eccentricity, and the design and manufacture of the optical system are easy. Nevertheless, the entire device is very compact and lightweight, and a high-resolution image display device can be realized at low cost.

【0027】また、観察光学系は、無偏光ハーフミラー
面を屈折率が1より大きい媒質で挟んだ略直角なプリズ
ム形状をなし、画像表示素子と対向する位置に凹面鏡面
を有するものでも有効である。図4にその場合の構成を
示す。
The observation optical system has a substantially right-angle prism shape in which a non-polarization half mirror surface is sandwiched by a medium having a refractive index of more than 1, and has a concave mirror surface at a position facing the image display device. is there. FIG. 4 shows the configuration in that case.

【0028】図4において、観察光学系3は直角プリズ
ム形状であり、その中に無偏光ハーフミラー面が存在す
る。観察者眼球側の透過面の第1面41、第1面41と
略45°傾いて配置された無偏光ハーフミラー面である
第2面42、第1面41と直交して第2面42の下方に
配置された偏光ハーフミラーコーティングされた凹面鏡
面である第3面43、第3面43と対向し、画像表示素
子10に近接した透過面である第4面44とする。光源
1は第3面43の下方に配備されており、また、光源1
から発した光がランダムな偏光状態であるとする。偏光
ハーフミラー面である第3面43がp波を透過し、s波
を反射する設定であるとする。
In FIG. 4, the observation optical system 3 has a right-angle prism shape, and a non-polarization half mirror surface exists therein. The first surface 41 of the transmission surface on the observer's eyeball side, the second surface 42 which is a non-polarization half mirror surface arranged at an angle of approximately 45 ° with respect to the first surface 41, and the second surface 42 orthogonal to the first surface 41 The third surface 43, which is a concave mirror surface coated with a polarizing half-mirror and is disposed below the third surface 43, is a fourth surface 44, which is a transmission surface that is close to the image display element 10 and is close to the image display element 10. The light source 1 is provided below the third surface 43.
Is in a random polarization state. It is assumed that the third surface 43, which is a polarization half mirror surface, transmits p-waves and reflects s-waves.

【0029】以下に、光源1から観察者眼球4までの光
線経路を偏光状態を含めて説明する。光源1から射出し
た光は、p波のみが第3面43を透過し、無偏光ハーフ
ミラー面である第2面42を一部が通過し、第4面44
を透過して、画像表示素子10を照明する。図1の場合
と同様に、p波で照明しているので、液晶表示素子10
で変調された光はs波として射出する。液晶表示素子1
0から射出した光は第4面44を通過し、無偏光ハーフ
ミラー面の第2面42を透過し、偏光ハーフミラー面で
ある第3面43では略全ての光が反射され、再び無偏光
ハーフミラー面の第2面42で一部反射して、第1面4
1を透過して観察者眼球4に到達する。したがって、図
3の作用、効果に加えて、画像表示素子10の直後から
観察者眼球4に至るまでの光路の中、大部分が屈折率が
約1.5の光学プラスチックであるため、光学プラスチ
ック内の空気換算長は約1/1.5倍となり、凹面鏡の
みの場合に比べて焦点距離を短く設定することが可能と
なり、観察画角を広くとることが可能となる。
The light path from the light source 1 to the observer's eyeball 4 will be described below, including the polarization state. As for the light emitted from the light source 1, only the p-wave passes through the third surface 43, a part of the light passes through the second surface 42, which is a non-polarization half mirror surface, and the fourth surface 44.
To illuminate the image display element 10. As in the case of FIG.
The light modulated by is emitted as an s-wave. Liquid crystal display element 1
The light emitted from 0 passes through the fourth surface 44, passes through the second surface 42 of the non-polarization half mirror surface, and almost all light is reflected by the third surface 43, which is the polarization half mirror surface, and is again unpolarized light. Partially reflected by the second surface 42 of the half mirror surface, the first surface 4
1 and reaches the observer's eyeball 4. Therefore, in addition to the operation and effect of FIG. 3, most of the optical path from immediately after the image display element 10 to the observer's eyeball 4 is an optical plastic having a refractive index of about 1.5. The air-equivalent length of the inside is about 1 / 1.5 times, so that the focal length can be set shorter than in the case of using only the concave mirror, and the observation angle of view can be widened.

【0030】また、光源と偏光ハーフミラーコーティン
グされたパワーを有する反射面の間に偏光板を配置する
ことが望ましい。光源から射出する光は通常ランダムな
偏光状態であり、その光を偏光ハーフミラー面に直接入
射すると、透過しない光はその面で反射、散乱して不要
光となる可能性がある。したがって、偏光板によって透
過光の偏光状態を予め選択しておくことで不要な光を発
生させないようにすることが望ましい。また、偏光板は
観察者眼球と観察光学系の間に配置しても不要光を遮断
する効果を得ることができる。
It is desirable to dispose a polarizing plate between the light source and the reflecting surface having the polarization half mirror coated power. Light emitted from a light source is usually in a random polarization state, and if the light is directly incident on the polarization half mirror surface, light that does not pass therethrough may be reflected and scattered on that surface to become unnecessary light. Therefore, it is desirable to prevent unnecessary light from being generated by selecting the polarization state of transmitted light in advance by using a polarizing plate. Further, even if the polarizing plate is disposed between the observer's eyeball and the observation optical system, an effect of blocking unnecessary light can be obtained.

【0031】また、観察光学系は、光軸に対して偏心し
た少なくとも2面で構成された空間を屈折率が1より大
きい媒質によって満たされた偏心プリズムからなり、観
察者側に配置した透過面である第1面、その第1面に対
向し偏光ハーフミラー面であり凹面鏡面である第2面と
するとき、光源は第2面の外側に配備されることが画像
表示装置の光学素子の配置上有効である。
The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index of greater than 1 in a space composed of at least two surfaces decentered with respect to the optical axis, and a transmission surface arranged on the observer side. When the first surface is a second surface that is a polarizing half mirror surface and a concave mirror surface facing the first surface, the light source may be provided outside the second surface. Effective for placement.

【0032】図5にその場合の構成を示す。図5におい
て、観察光学系3は、光軸2に対して偏心して配備され
た2面で構成された空間を屈折率が約1.5の光学プラ
スチックで満たされており、また、光源1には、照明す
る方向の反対側に凹面鏡で構成された照明光学系5を配
備し、一方向に光が射出するようになっている。実際の
光線経路は、観察光学系3の主な正のパワーを有する第
2面52の外側に配備された光源1から発した光は、偏
光ハーフミラーコートされた第2面52によってp波の
みが透過し、観察光学系3に入射し、第1面51を透過
して画像表示素子10を照明する。画像表示素子10で
変調された光は、観察光学系の第1面51から入射し、
偏光ハーフミラー面である第2面52では光がs波であ
るため略全ての光が反射され、第1面51を透過して観
察者眼球4に入射する。第2面52が凹面鏡の作用を有
するため、観察者は画像表示素子10の拡大された画像
を虚像として知覚することが可能となる。
FIG. 5 shows the configuration in that case. In FIG. 5, the observation optical system 3 fills a space formed by two surfaces eccentrically arranged with respect to the optical axis 2 with optical plastic having a refractive index of about 1.5. Is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the side opposite to the direction of illumination, and emits light in one direction. The actual ray path is such that light emitted from the light source 1 disposed outside the second surface 52 having the main positive power of the observation optical system 3 is only a p-wave by the second surface 52 coated with the polarization half mirror. Is transmitted, enters the observation optical system 3, and passes through the first surface 51 to illuminate the image display element 10. The light modulated by the image display element 10 enters from the first surface 51 of the observation optical system,
Since the light is an s-wave on the second surface 52, which is a polarization half mirror surface, almost all the light is reflected, passes through the first surface 51, and enters the observer's eyeball 4. Since the second surface 52 has the function of a concave mirror, the observer can perceive the enlarged image of the image display device 10 as a virtual image.

【0033】このように、観察光学系3が少なくとも2
面で構成された偏心プリズムの場合、主な正のパワーを
有する内部反射面である第2面52は観察者視軸2に対
して傾いた面であるため、第2面52の外側には空間が
できる。その第2面52の外側に光源1を配備すること
で、装置全体の厚みをあまり厚くすることなく画像表示
素子10を照明し、画像を観察者眼球4に投影すること
ができる。
As described above, when the observation optical system 3 is at least 2
In the case of a decentered prism composed of surfaces, the second surface 52, which is an internal reflection surface having main positive power, is a surface inclined with respect to the observer's visual axis 2, so that the second surface 52 is provided outside the second surface 52. Space is created. By arranging the light source 1 outside the second surface 52, the image display element 10 can be illuminated without excessively increasing the thickness of the entire apparatus, and an image can be projected on the observer's eyeball 4.

【0034】また、観察光学系は、光軸に対して偏心し
た少なくとも3面で構成された空間を屈折率が1より大
きい媒質によって満たされた偏心プリズムからなり、観
察者側に配置した透過及び反射作用を有する第1面、そ
の第1面に対向し、偏光ハーフミラー面であり凹面鏡面
である第2面、画像表示素子に近接して対向した透過面
である第3面とするとき、光源は第2面の外側に配備さ
れることが画像表示装置の光学素子の配置上有効であ
る。図2にその場合の構成が示されている。
The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index greater than 1 in a space composed of at least three surfaces decentered with respect to the optical axis. When a first surface having a reflecting action, a second surface that is a polarizing half mirror surface and a concave mirror surface facing the first surface, and a third surface that is a transmission surface close to and facing the image display element, It is effective for the arrangement of the optical elements of the image display device to arrange the light source outside the second surface. FIG. 2 shows the configuration in that case.

【0035】このような形態の偏心プリズムは、図2に
示すように、第2面22の外側に空間があるため、そこ
に光源1及び反射板5を配備しても、光学系の厚みはそ
れ程変わらずに装置を構成することができる。
As shown in FIG. 2, the decentered prism having such a configuration has a space outside the second surface 22, so that even if the light source 1 and the reflection plate 5 are provided there, the thickness of the optical system is reduced. The device can be configured without much change.

【0036】また、観察光学系は、光軸に対して偏心し
た少なくとも4面で構成された空間を屈折率が1より大
きい媒質によって満たされた偏心プリズムからなり、観
察者側に配置した透過及び反射作用を有する第1面、そ
の第1面に対向し、偏光ハーフミラー面であり凹面鏡面
である第2面、その第2面に隣接した反射面である第3
面、画像表示素子に近接して対向した透過面である第4
面とするとき、光源は第2面の外側に配備されることが
有効である。図6にその場合の構成を示す。
The observation optical system comprises an eccentric prism filled with a medium having a refractive index greater than 1 in a space formed by at least four surfaces decentered with respect to the optical axis. A first surface having a reflecting function, a second surface facing the first surface and being a polarizing half mirror surface and a concave mirror surface, and a third surface being a reflecting surface adjacent to the second surface.
Surface, a transmission surface which is close to and opposed to the image display element.
When it is a surface, it is effective that the light source is disposed outside the second surface. FIG. 6 shows the configuration in that case.

【0037】図6において、観察光学系3は、光軸2に
対して偏心して配備された4面で構成された空間を屈折
率が約1.5の光学プラスチックで満たされており、ま
た、光源1には照明する方向の反対側に凹面鏡で構成さ
れた照明光学系5を配備し、一方向に光が射出するよう
になっている。実際の光線経路は、観察光学系3の主な
正のパワーを有する第2面62の外側に配備された光源
1から発した光は、偏光ハーフミラーコートされた第2
面62によってp波のみが透過し、第1面61、第3面
63で内部反射し、第4面64を透過して画像表示素子
10を照明する。画像表示素子10で変調された光は、
観察光学系の第4面64から入射し、第3面63、第1
面61で内部反射し、偏光ハーフミラー面である第2面
62では光がs波であるため略全ての光を反射し、第1
面61を透過して観察者眼球4に入射する。
In FIG. 6, the observation optical system 3 fills a space composed of four surfaces arranged eccentrically with respect to the optical axis 2 with an optical plastic having a refractive index of about 1.5. The light source 1 is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the side opposite to the direction of illumination, and emits light in one direction. The actual ray path is such that the light emitted from the light source 1 disposed outside the second surface 62 having the main positive power of the observation optical system 3 is the second half mirror-coated with the polarization half mirror.
Only the p-wave is transmitted by the surface 62, internally reflected by the first surface 61 and the third surface 63, and transmitted through the fourth surface 64 to illuminate the image display device 10. The light modulated by the image display element 10 is
The light enters the fourth surface 64 of the observation optical system, and the third surface 63
The light is internally reflected at the surface 61 and substantially all light is reflected at the second surface 62, which is a polarization half mirror surface, because the light is an s-wave.
The light passes through the surface 61 and enters the observer's eyeball 4.

【0038】このように、観察光学系3が少なくとも4
面で構成された偏心プリズムの場合、主な正のパワーを
有する内部反射面である第2面62は観察者視軸2に対
して傾いた面であるため、第2面62の外側には空間が
できる。その第2面62の外側に光源1を配備すること
で、装置全体の厚みをあまり厚くすることなく画像表示
素子を照明し、画像を観察者眼球に投影することができ
る。これは、4面以上で構成された偏心プリズムにおい
ても、観察者眼球4に対向した正パワーを有する反射面
の外側に光源を配備すれば、同様の効果が得られること
は言うまでもない。
As described above, when the observation optical system 3 is at least 4
In the case of a decentered prism composed of surfaces, the second surface 62, which is an internal reflection surface having main positive power, is a surface inclined with respect to the observer's visual axis 2, so that the outside of the second surface 62 Space is created. By arranging the light source 1 outside the second surface 62, it is possible to illuminate the image display element without increasing the thickness of the entire device too much, and to project an image to the observer's eyeball. It goes without saying that the same effect can be obtained in a decentered prism having four or more surfaces by disposing a light source outside the reflecting surface having a positive power facing the observer's eyeball 4.

【0039】また、観察光学系は、光軸に対して偏心し
た少なくとも4面で構成された空間を屈折率が1より大
きい媒質によって満たされた偏心プリズムからなり、観
察者側に配置した透過及び反射作用を有する第1面、そ
の第1面に対向し、凹面鏡面である第2面、その第2面
に隣接した反射面及び透過面である第3面、その第3面
に対向し第1面に隣接したパワーを有する偏光ハーフミ
ラー面である第4面とするとき、光源は第4面の外側に
配備されることが有効である。図7にその場合の構成を
示す。
The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index greater than 1 in a space constituted by at least four surfaces decentered with respect to the optical axis. A first surface having a reflecting action, a second surface which is opposite to the first surface and which is a concave mirror surface, a third surface which is a reflecting surface and a transmitting surface adjacent to the second surface, and a second surface which is opposite to the third surface. When the fourth surface is a polarization half mirror surface having power adjacent to one surface, it is effective that the light source is disposed outside the fourth surface. FIG. 7 shows the configuration in that case.

【0040】図7において、観察光学系3は、光軸2に
対して偏心して配備された4面で構成された空間を屈折
率が約1.5の光学プラスチックで満たされており、ま
た、光源1には照明する方向の反対側に凹面鏡で構成さ
れた照明光学系5を配備し、一方向に光が射出するよう
になっている。実際の光線経路は、画像表示素子10に
対向して傾いた反射面である第4面74の外側に配備さ
れた光源1から発した光は、偏光ハーフミラーコートさ
れた第4面74によってp波のみが透過し、第3面73
を透過して画像表示素子10を照明する。画像表示素子
10で変調された光はs波となり、観察光学系の第3面
73から入射し、偏光ハーフミラー面である第4面74
では光がs波であるため略全ての光が反射され、第3面
73、第1面71、第2面72で内部反射し、第1面7
1を透過して観察者眼球4に入射する。
In FIG. 7, the observation optical system 3 has a space defined by four surfaces eccentrically arranged with respect to the optical axis 2 and is filled with an optical plastic having a refractive index of about 1.5. The light source 1 is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the side opposite to the direction of illumination, and emits light in one direction. The actual light path is such that light emitted from the light source 1 disposed outside the fourth surface 74 which is a reflecting surface inclined to face the image display element 10 is p-polarized by the fourth surface 74 coated with the polarization half mirror. Only waves are transmitted, and the third surface 73
To illuminate the image display element 10. The light modulated by the image display element 10 becomes an s-wave, enters from the third surface 73 of the observation optical system, and becomes a fourth surface 74 that is a polarization half mirror surface.
Since the light is an s-wave, almost all of the light is reflected, and is internally reflected by the third surface 73, the first surface 71, and the second surface 72, and the first surface 7
1 and enters the observer's eyeball 4.

【0041】図7に示すように、少なくとも4面で構成
された偏心プリズムにおいては、画像表示素子10に対
向した内部反射面である第4面74の外側は前述した第
2面72と同様に空間が存在し、そこに光源1を配備し
ても光学系全体の厚み、全長を大きくすることなく所定
の効果を得ることができる。これは、観察光学系3が5
面以上で構成された偏心プリズムにおいても画像表示素
子10に対向した反射面の外側に配備すれば、同様の効
果が得られることは言うまでもない。
As shown in FIG. 7, in the eccentric prism having at least four surfaces, the outside of the fourth surface 74 which is the internal reflection surface facing the image display element 10 is the same as the second surface 72 described above. Even if the light source 1 is provided in a space, a predetermined effect can be obtained without increasing the thickness and the entire length of the entire optical system. This is because the observation optical system 3 is 5
It is needless to say that the same effect can be obtained even if an eccentric prism having more than two surfaces is arranged outside the reflection surface facing the image display element 10.

【0042】また、これらの画像表示素子からの光が観
察光学系に入射する入射面及び観察者眼球に射出する射
出面の中、少なくとも1面はパワーを有する面で構成さ
れることが収差補正上好ましい。画像表示素子に近接し
た面である入射面においては、画像表示素子から射出し
た光線束があまり広がっていないため、従属光線にあま
り影響を与えず軸外収差であるディストーションの補正
をこの面で行うことが可能である。これは、前述した偏
心プリズム、直角プリズム何れの場合においても同様の
作用、効果を表す。
It is preferable that at least one of the incident surface on which the light from the image display element enters the observation optical system and the exit surface on which the light exits the observer's eyeball is constituted by a surface having power. Above. On the incident surface, which is a surface close to the image display element, since the light beam emitted from the image display element is not very wide, the correction of the off-axis aberration, which is an off-axis aberration, is performed without significantly affecting the dependent light rays. It is possible. This shows the same operation and effect in any of the above-described eccentric prism and right-angle prism.

【0043】また、観察者眼球に射出する射出面におけ
る作用を説明する。少なくとも2面で形成された空間を
屈折率が1より大きい媒質で満たされた偏心プリズムの
場合について、図2を例にとって説明する。正のパワー
を有する凹面鏡面である第2面22では偏心収差を含め
た収差が発生する。観察者眼球4に射出する射出面であ
る第1面21を観察者に対して凹面にすることで、第2
面22で発生する収差の補正、特に偏心コマ収差の補正
をすることが可能になる。
The operation of the exit surface for exiting to the observer's eyeball will be described. A case of an eccentric prism in which a space formed by at least two surfaces is filled with a medium having a refractive index larger than 1 will be described with reference to FIG. On the second surface 22, which is a concave mirror surface having a positive power, aberrations including decentering aberrations occur. By making the first surface 21 that is the exit surface that exits to the observer's eyeball 4 concave with respect to the observer, the second surface 21
It becomes possible to correct aberrations generated on the surface 22, especially correction of eccentric coma.

【0044】また、直角プリズムの場合には、射出面を
観察者に対して凸面とすることで、収差補正を有効に作
用させることができる。図4を例にとって説明する。観
察者から画像表示素子10に向かう逆光線追跡において
考えると、観察光学系3に入射する面である第1面41
に正パワーを持たせることで、第1面41を通過する際
に強く屈折するため、主な正のパワーを有する反射面で
ある第3面43での反射点の高さを低くすることができ
るため広画角を達成できる。さらに、従属光も第1面4
1の正パワーによって光束を小さくする効果を得るた
め、第3面43で発生するコマ収差を低減することが可
能となる。
In the case of a right-angle prism, by making the exit surface convex to the observer, aberration correction can be effectively applied. This will be described with reference to FIG. Considering the reverse ray tracing from the observer to the image display element 10, the first surface 41 which is the surface incident on the observation optical system 3
Has a positive power, so that it is strongly refracted when passing through the first surface 41, so that the height of the reflection point on the third surface 43, which is a reflection surface having the main positive power, can be reduced. Wide angle of view can be achieved. Further, the dependent light is also transmitted to the first surface 4.
Since the effect of reducing the luminous flux by the positive power of 1 is obtained, it is possible to reduce the coma aberration generated on the third surface 43.

【0045】また、光源から射出した照明光を一方向に
射出する照明手段が配備されていることが好ましい。光
源から射出する光は、その光源の種類によって様々であ
るが、本光学系においては、光源から射出する光は一方
向に射出することが望ましいため、光源近傍に照明光学
系を配備してできるだけ一方向に照明光が射出するよう
にしてより効率良く照明光を取り込むことが望ましい。
It is preferable that an illuminating means for irradiating the illuminating light emitted from the light source in one direction is provided. The light emitted from the light source varies depending on the type of the light source. In the present optical system, it is desirable that the light emitted from the light source be emitted in one direction. It is desirable that the illumination light be emitted more efficiently in one direction.

【0046】その照明光学系は、光源の背後に配備され
た反射板であってももちろんよい。さらに、光源の直後
に屈折光学系を配置することで、その後の照明光の扱い
をより容易にすることができる。
The illumination optical system may of course be a reflector disposed behind the light source. Further, by disposing the refractive optical system immediately after the light source, it is possible to more easily handle the illumination light thereafter.

【0047】次に、本発明の第2の画像表示装置につい
て説明する。前記したように、この画像表示装置は、照
明光を放射する光源と、前記照明光の反射によって画像
を表示する画像表示素子と、観察者眼球に前記画像を導
く観察光学系とからなる画像表示装置において、前記観
察光学系は、前記画像表示素子に対して略45°傾いた
偏光ハーフミラー面を有し、前記偏光ハーフミラー面を
挟んで前記画像表示素子に対向して配備された凹面鏡に
よって前記画像表示素子の画像を拡大された虚像として
観察者眼球に拡大投影する構成であり、前記光源は、前
記観察光学系を挟んで前記観察者眼球に対向した位置に
配備され、前記光源と前記観察光学系の間には偏光状態
を特定方向にのみ偏光した光にする偏光板が配備され、
前記凹面鏡と前記偏光ハーフミラー面の間に1/4波長
板が配備されているもので、光源からの光を有効に利用
して画像表示素子を照明し、その反射型画像表示素子の
映像を観察者眼球に導き、拡大された画像を観察するこ
とを可能にする画像表示装置を達成することができる。
Next, a second image display device according to the present invention will be described. As described above, the image display device includes an image display including a light source that emits illumination light, an image display element that displays an image by reflection of the illumination light, and an observation optical system that guides the image to an observer's eyeball. In the apparatus, the observation optical system has a polarization half mirror surface inclined at approximately 45 ° with respect to the image display element, and includes a concave mirror arranged to face the image display element with the polarization half mirror surface interposed therebetween. The image of the image display element is configured to be enlarged and projected on an observer's eyeball as an enlarged virtual image, and the light source is disposed at a position facing the observer's eyeball with the observation optical system interposed therebetween. A polarizing plate is provided between the observation optical systems to change the polarization state into light polarized only in a specific direction,
A quarter-wave plate is provided between the concave mirror and the polarizing half mirror surface. The image display element is illuminated by effectively using the light from the light source, and the image of the reflective image display element is displayed. It is possible to achieve an image display device that guides the observer's eyeball to observe an enlarged image.

【0048】本発明の第2の画像表示装置の概念図を図
8に示す。図8において、画像表示装置は、光源部であ
る光源1、反射板5、偏光板7と、観察光学系3及び画
像表示素子10からなる。観察光学系3は、偏光ハーフ
ミラー16、面82にミラーコーティングされた凹面鏡
17、及び、1/4波長板6からなる。
FIG. 8 shows a conceptual diagram of the second image display device of the present invention. 8, the image display device includes a light source 1 serving as a light source unit, a reflection plate 5, a polarizing plate 7, an observation optical system 3, and an image display element 10. The observation optical system 3 includes a polarization half mirror 16, a concave mirror 17 whose surface 82 is mirror-coated, and a 波長 wavelength plate 6.

【0049】光源1は偏光ハーフミラー16を挟んで観
察者眼球4に対向して配置され、その背後にある反射板
5で一方向に照明光が射出するようになっている。観察
光学系3の構成は、画像表示素子10に対して略45°
傾き、観察者と干渉しないように十分離れた位置に配置
された偏光ハーフミラー16、この偏光ハーフミラー1
6の下方に位置し、画像表示素子10に対向して配備さ
れた1/4波長板6、1/4波長板6の下方に配備され
た凹面鏡17からなる。画像表示素子10はこの凹面鏡
17に対向し、観察者眼球4の斜め上方に配備されてい
る。光源1から発した光がランダムな偏光状態であり、
また、偏光ハーフミラー16はp波を透過し、s波を反
射するような設定とする。
The light source 1 is arranged to face the observer's eyeball 4 with the polarization half mirror 16 interposed therebetween, and the illumination light is emitted in one direction by the reflector 5 behind the light source. The configuration of the observation optical system 3 is approximately 45 ° with respect to the image display element 10.
The polarization half mirror 16, which is arranged at a position sufficiently distant so as not to tilt and interfere with the observer, and the polarization half mirror 1
6, a quarter-wave plate 6 arranged opposite to the image display element 10 and a concave mirror 17 arranged below the quarter-wave plate 6. The image display element 10 faces the concave mirror 17 and is disposed obliquely above the observer's eyeball 4. The light emitted from the light source 1 is in a random polarization state,
The polarization half mirror 16 is set to transmit the p-wave and reflect the s-wave.

【0050】以下に、光源1から観察者眼球4までの光
線経路を偏光状態を含めて説明する。光源1から射出し
た光は偏光板7においてs波のみが透過し、偏光ハーフ
ミラー16においては略全ての光が上方に反射され、画
像表示素子10を照明する。画像表示素子10は前述の
反射型TN液晶表示素子であり、照明された光は偏光状
態が90°回転され、射出する変調光はp波となる。液
晶表示素子10から射出した光は偏光ハーフミラー9に
おいて略全てが透過し、1/4波長板6に入射する。こ
のとき、直線偏光のp波が円偏光に変換された後、凹面
鏡17の第1面81に入射し、反射面82で反射され、
再び透過面81から射出して、再び1/4波長板6を通
過する。このときには円偏光が入射時のp波とは偏光方
向が90°回転した直線偏光であるs波に変換されて偏
光ハーフミラー16に入射する。ここでは略全ての光が
反射され、観察者眼球4に到達する。したがって、光源
1から射出し偏光板7を通過した光は光量ロスが少な
く、効率良く観察者眼球まで導かれるため、観察者に明
瞭な画像を提供することが可能となる。また、上述した
ように、観察光学系3においては光路は折り返していて
も光学系としては共軸系として扱うことができるため、
偏心による収差の発生がなく、光学系の設計、製作が容
易である。それにもかかわらず、装置全体は非常にコン
パクトで軽量であり、安価なコストで高解像な画像表示
装置を実現できる。
Hereinafter, the light path from the light source 1 to the observer's eyeball 4 will be described including the polarization state. Only the s-wave of the light emitted from the light source 1 is transmitted through the polarizing plate 7, and almost all the light is reflected upward by the polarizing half mirror 16, and illuminates the image display device 10. The image display element 10 is the above-mentioned reflective TN liquid crystal display element, and the illuminated light is rotated by 90 ° in the polarization state, and the modulated light to be emitted is a p-wave. Almost all of the light emitted from the liquid crystal display element 10 is transmitted through the polarization half mirror 9 and enters the quarter-wave plate 6. At this time, after the p-wave of linearly polarized light is converted into circularly polarized light, it is incident on the first surface 81 of the concave mirror 17 and is reflected by the reflecting surface 82,
The light exits from the transmission surface 81 again and passes through the quarter-wave plate 6 again. At this time, the p-wave at the time of incidence of the circularly polarized light is converted into an s-wave, which is linearly polarized light whose polarization direction is rotated by 90 °, and enters the polarization half mirror 16. Here, almost all light is reflected and reaches the observer's eyeball 4. Therefore, the light emitted from the light source 1 and having passed through the polarizing plate 7 has a small light amount loss and is efficiently guided to the observer's eyeball, so that a clear image can be provided to the observer. Further, as described above, even though the optical path in the observation optical system 3 is turned back, the optical system can be treated as a coaxial system.
There is no aberration due to eccentricity, and the design and manufacture of the optical system are easy. Nevertheless, the entire device is very compact and lightweight, and a high-resolution image display device can be realized at low cost.

【0051】また、偏光ハーフミラー面は屈折率が1よ
り大きい媒質でできた三角プリズムでその偏光ハーフミ
ラー面を挟んだ直角プリズム形状をなす光学素子に含ま
れるていることがより好ましい。図9にその場合の構成
を示す。
It is more preferable that the polarizing half mirror surface is included in an optical element having a rectangular prism shape with a triangular prism made of a medium having a refractive index larger than 1 and sandwiching the polarizing half mirror surface. FIG. 9 shows the configuration in that case.

【0052】図9において、直角プリズム形状の偏光光
学素子90は4面で構成され、その中に偏光ハーフミラ
ー面が存在する。観察者眼球4側の透過面の第1面9
1、第1面と略45°傾いて配置されたハーフミラー面
である第2面92、第1面91と直交して第2面92の
下方に配置された透過面である第3面93、画像表示素
子10に近接した透過面である第4面94、第2面92
を挟んで第1面91に対向した透過面である第5面95
とする。1/4波長板6は第3面93の下方に近接して
略平行に配備される。裏面凹面鏡17は、透過面である
第1面96、反射面である第2面97によって構成さ
れ、1/4波長板6の下方に近接して配備される。光源
1は、第5面95に近接して対向して配備された偏光板
7の外側に配備されている。この偏光板7はs波のみ透
過するように設定される。偏光ハーフミラー面である第
2面92はp波を透過し、s波を反射するようになって
いるとし、光源1から発した光はランダムな偏光状態で
あるとする。
In FIG. 9, a right-angle prism-shaped polarizing optical element 90 has four surfaces, and a polarizing half-mirror surface exists therein. First surface 9 of the transmission surface on the observer's eyeball 4 side
1. a second surface 92, which is a half mirror surface arranged at an angle of approximately 45 ° with respect to the first surface, and a third surface 93, which is a transmission surface orthogonal to the first surface 91 and disposed below the second surface 92. , The fourth surface 94 and the second surface 92 that are transmission surfaces close to the image display element 10
Fifth surface 95 that is a transmission surface facing first surface 91 across
And The quarter-wave plate 6 is provided substantially parallel to and below the third surface 93. The back surface concave mirror 17 is constituted by a first surface 96 which is a transmission surface and a second surface 97 which is a reflection surface, and is provided below and close to the 4 wavelength plate 6. The light source 1 is provided outside the polarizing plate 7 provided so as to be opposed to and close to the fifth surface 95. The polarizing plate 7 is set to transmit only the s-wave. It is assumed that the second surface 92, which is a polarization half mirror surface, transmits the p-wave and reflects the s-wave, and the light emitted from the light source 1 is in a random polarization state.

【0053】このような光学系における光線経路は、光
源1からの照明光の中、s波のみが偏光板7を透過し、
第5面95から偏光光学素子90に入射する。偏光ハー
フミラー面である第2面92において略全ての光が反射
され、第4面94を通過して画像表示素子10を照明す
る。液晶表示素子10で変調された光はp波として射出
する。液晶表示素子10から射出した光は第4面94を
通過し、偏光ハーフミラー面の第2面92を略全ての光
が透過し、第3面93から射出される。1/4波長板6
を通過するとき、直線偏光のp波が円偏光に変換され、
裏面鏡17の透過面96から入射し、反射面97で反射
され、透過面96から射出して、再び1/4波長板6を
通過する。このときには円偏光が入射時のp波とは偏光
方向が90°回転した直線偏光であるs波に変換され
て、再び偏光光学素子90に入射する。偏光ハーフミラ
ー面92では略全ての光が反射角45°で反射されて偏
光光学素子90の第1面91から射出し、観察者眼球4
に到達する。したがって、図8の作用、効果に加えて、
画像表示素子10の直後から観察者眼球に至るまでの光
路の中、大部分が屈折率が約1.5の光学プラスチック
で満たされているため、光学プラスチック内の空気換算
長は約1/1.5倍となり、プリズムを使用しない凹面
鏡のみの場合に比べて焦点距離を短く設定することが可
能となり、観察画角を広くとることが可能となる。
In the light beam path in such an optical system, only the s-wave of the illumination light from the light source 1 passes through the polarizing plate 7,
The light enters the polarization optical element 90 from the fifth surface 95. Almost all light is reflected on the second surface 92, which is a polarization half mirror surface, and passes through the fourth surface 94 to illuminate the image display device 10. The light modulated by the liquid crystal display element 10 is emitted as a p-wave. Light emitted from the liquid crystal display element 10 passes through the fourth surface 94, substantially all light passes through the second surface 92 of the polarization half mirror surface, and is emitted from the third surface 93. 1/4 wavelength plate 6
, The linearly polarized p-wave is converted to circularly polarized light,
The light enters from the transmission surface 96 of the back mirror 17, is reflected by the reflection surface 97, exits from the transmission surface 96, and passes through the quarter-wave plate 6 again. At this time, the circularly polarized light is converted from the p-wave at the time of incidence into an s-wave, which is linearly polarized light whose polarization direction is rotated by 90 °, and enters the polarization optical element 90 again. On the polarization half mirror surface 92, almost all light is reflected at a reflection angle of 45 °, exits from the first surface 91 of the polarization optical element 90, and is
To reach. Therefore, in addition to the operation and effect of FIG.
Most of the optical path from immediately after the image display element 10 to the observer's eyeball is filled with optical plastic having a refractive index of about 1.5, so that the air equivalent length in the optical plastic is about 1/1. 0.5 times, so that the focal length can be set shorter than in the case of using only a concave mirror that does not use a prism, and the observation angle of view can be widened.

【0054】なお、偏光板7は観察者眼球と観察光学系
の間に配置しても不要光を遮断する効果を得ることがで
きる。
Incidentally, even if the polarizing plate 7 is arranged between the observer's eyeball and the observation optical system, the effect of blocking unnecessary light can be obtained.

【0055】また、光源から射出した照明光を略一方向
に射出する照明光にする照明光学系が配備されているこ
とが好ましい。光源から射出する光はその光源の種類に
よって様々であるが、本光学系においては、光源から射
出する光は一方向に射出することが望ましいため、光源
近傍に照明光学系を配備してできるだけ一方向に照明光
が射出するようにして、より効率良く照明光を取り込む
ことが望ましい。
Further, it is preferable that an illumination optical system for converting illumination light emitted from the light source into illumination light emitted in substantially one direction is provided. The light emitted from the light source varies depending on the type of the light source. However, in the present optical system, it is desirable that the light emitted from the light source be emitted in one direction. It is desirable that the illumination light is emitted in the direction so that the illumination light is taken in more efficiently.

【0056】その照明光学系は、光源の背後に配備され
た反射板であってももちろんよい。さらに、光源の直後
に屈折光学系を配置して略平行光束とすることで、その
後の照明光の扱いをより容易にすることができる。
The illumination optical system may of course be a reflector provided behind the light source. Further, by disposing the refraction optical system immediately after the light source to make the light beam a substantially parallel light beam, it is possible to more easily handle the illumination light thereafter.

【0057】[0057]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の画像表示装置の
実施例1〜5について説明する。後述する実施例1〜4
の構成パラメータにおける座標の取り方は、図10に示
すように、観察光学系3の射出瞳19を光学系の原点と
して、光軸2を画像表示素子10の表示中心と射出瞳1
9の中心(原点)とを通る光線で定義し、射出瞳19か
ら光軸2に進む方向をZ軸方向、このZ軸に直交し射出
瞳19中心を通り、光線が観察光学系3によって折り曲
げられる面内の方向をY軸方向、Z軸、Y軸に直交し射
出瞳19中心を通る方向をX軸方向とし、射出瞳19か
ら観察光学系3に向かう方向をZ軸の正方向、光軸2か
ら画像表示素子10方向をY軸の正方向、そして、これ
らZ軸、Y軸と右手座標系を構成する方向をX軸の正方
向とする。なお、光線追跡は観察光学系3の射出瞳19
の側を物体側として、画像表示素子10側を像面側とし
た逆光線追跡により行っている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments 1 to 5 of the image display device of the present invention will be described below. Examples 1 to 4 to be described later
As shown in FIG. 10, the coordinates of the configuration parameters of (1) and (2) are such that the exit pupil 19 of the observation optical system 3 is set as the origin of the optical system, the optical axis 2 is the display center of the image display element 10, and
9 is defined by a light ray passing through the center (origin) of the lens 9, the direction from the exit pupil 19 to the optical axis 2 is the Z-axis direction, and the ray is bent by the observation optical system 3 through the center of the exit pupil 19 at right angles to the Z axis. The direction in the plane to be taken is the Y-axis direction, the Z-axis, the direction orthogonal to the Y-axis and passing through the center of the exit pupil 19 is the X-axis direction, and the direction from the exit pupil 19 toward the observation optical system 3 is the positive direction of the Z-axis. The direction from the axis 2 to the image display element 10 is defined as the positive direction of the Y axis, and the direction forming the right-handed coordinate system with the Z axis and the Y axis is defined as the positive direction of the X axis. The ray tracing is performed by the exit pupil 19 of the observation optical system 3.
Is set as the object side, and the reverse ray tracing is performed with the image display element 10 side as the image plane side.

【0058】そして、偏心が与えられている面について
は、その面の面頂位置の観察光学系3の原点である射出
瞳19の中心からのX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の偏
心量と、その面の中心軸(自由曲面、アナモルフィック
面、回転対称非球面については、それぞれ以下の(a)
式、(b)式、(c)式のZ軸)のX軸、Y軸、Z軸そ
れぞれを中心とする傾き角(それぞれα、β、γ
(°))とが与えられている。なお、その場合、αとβ
の正はそれぞれの軸の正方向に対しての反時計回りを、
γの正はZ軸の正方向に対しての時計回りを意味する。
その他、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッ
ベ数が慣用法に従って与えられている。
Then, for a plane having eccentricity, eccentricity in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction from the center of the exit pupil 19, which is the origin of the observation optical system 3 at the top of the surface. The quantity and the central axis of the surface (free-form surface, anamorphic surface, rotationally symmetric aspherical surface,
The inclination angles (α, β, and γ, respectively) centered on the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the equations, (b), and (c).
(°)). In this case, α and β
Is positive counterclockwise with respect to the positive direction of each axis,
Positive γ means clockwise with respect to the positive direction of the Z axis.
In addition, the radius of curvature of the spherical surface, the spacing between the surfaces, the refractive index of the medium, and the Abbe number are given according to conventional methods.

【0059】また、実施例5の構成パラメータは、同様
の逆光線追跡で、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折
率、アッベ数が慣用法に従って与えられており、偏心が
与えられている面については、その面の直前の面からの
射出光軸をZ軸正方向とし、そのZ軸に直交し紙面手前
から奥側に向かう方向をX軸正方向とし、これらZ軸、
X軸と右手座標系を構成する方向をY軸の正方向とし、
その直前の面からの面間隔で与えられるZ軸上の点をそ
れぞれの原点とし、その原点からのX軸方向、Y軸方
向、Z軸方向(Y軸方向のみ)の偏心量と、その面の中
心軸のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心とする傾き角
(それぞれα、β、γ)とが与えられている(αの
み)。角度の符号の定義は上記の通りである。
The configuration parameters of the fifth embodiment are the same as those for the reverse ray tracing, wherein the radius of curvature of the spherical surface, the surface interval, the refractive index of the medium, and the Abbe number are given according to a conventional method, and the eccentricity is given. , The optical axis emitted from the surface immediately before that surface is defined as the positive direction of the Z axis, and the direction orthogonal to the Z axis and directed from the front to the back of the drawing is defined as the positive direction of the X axis.
The direction forming the X-axis and the right-handed coordinate system is defined as the positive direction of the Y-axis,
A point on the Z-axis given by a surface interval from the immediately preceding plane is set as each origin, and the eccentricity in the X-axis direction, the Y-axis direction, the Z-axis direction (only in the Y-axis direction) from the origin, and the plane And the inclination angles (α, β, and γ, respectively) centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the central axis (only α). The definition of the sign of the angle is as described above.

【0060】また、自由曲面の面の形状は以下の式によ
り定義する。その定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。 Z=C2 +C3 Y+C4 X +C5 2 +C6 YX+C7 2 +C8 3 +C9 2 X+C10YX2 +C113 +C124 +C133 X+C142 2 +C15YX3 +C164 +C175 +C184 X+C193 2 +C202 3 +C21YX4 +C225 +C236 +C245 X+C254 2 +C263 3 +C272 4 +C28YX5 +C296 +C307 +C316 X+C325 2 +C334 3 +C343 4 +C352 5 +C36YX6 +C377 ・・・・・ ・・・(a) 無論、自由曲面を表す式は、これに限らず面内面外に対
称面を有しない面として、又は、面内面外共に対称面を
1面のみ有する面として構成できる面であれば何れの定
義による式であってもよい。
The shape of the free-form surface is defined by the following equation. The Z axis of the definition is the axis of the free-form surface. Z = C 2 + C 3 Y + C 4 X + C 5 Y 2 + C 6 YX + C 7 X 2 + C 8 Y 3 + C 9 Y 2 X + C 10 YX 2 + C 11 X 3 + C 12 Y 4 + C 13 Y 3 X + C 14 Y 2 X 2 + C 15 YX 3 + C 16 X 4 + C 17 Y 5 + C 18 Y 4 X + C 19 Y 3 X 2 + C 20 Y 2 X 3 + C 21 YX 4 + C 22 X 5 + C 23 Y 6 + C 24 Y 5 X + C 25 Y 4 X 2 + C 26 Y 3 X 3 + C 27 Y 2 X 4 + C 28 YX 5 + C 29 X 6 + C 30 Y 7 + C 31 Y 6 X + C 32 Y 5 X 2 + C 33 Y 4 X 3 + C 34 Y 3 X 4 + C 35 Y 2 X 5 + C 36 YX 6 + C 37 X 7 ····· (a) Of course, the expression representing the free-form surface is not limited to this, and may be a surface having no symmetric surface outside or inside the surface or outside the surface. An expression according to any definition may be used as long as the surface can be configured as a surface having only one symmetric surface.

【0061】また、アナモルフィック面の形状は以下の
式により定義する。面形状の原点を通り、光学面に垂直
な直線がアナモルフィック面の軸となる。 Z=(Cx・X2 +Cy・Y2 )/[1+{1−(1+Kx)Cx2 ・X2 −(1+Ky)Cy2 ・Y2 1/2 ] +ΣRn{(1−Pn)X2 +(1+Pn)Y2 (n+1) ここで、例としてn=4(4次項)を考えると、展開し
たとき、以下の式(b)で表すことができる。
The shape of the anamorphic surface is defined by the following equation. A straight line passing through the origin of the surface shape and perpendicular to the optical surface is the axis of the anamorphic surface. Z = (Cx · X 2 + Cy · Y 2) / [1+ {1- (1 + Kx) Cx 2 · X 2 - (1 + Ky) Cy 2 · Y 2} 1/2] + ΣRn {(1-Pn) X 2 + (1 + Pn) Y 2(n + 1) Here, when n = 4 (fourth-order term) is considered as an example, when expanded, it can be expressed by the following equation (b).

【0062】 Z=(Cx・X2 +Cy・Y2 )/[1+{1−(1+Kx)Cx2 ・X2 −(1+Ky)Cy2 ・Y2 1/2 ] +R1{(1−P1)X2 +(1+P1)Y2 2 +R2{(1−P2)X2 +(1+P2)Y2 3 +R3{(1−P3)X2 +(1+P3)Y2 4 +R4{(1−P4)X2 +(1+P4)Y2 5 ・・・(b) ただし、Zは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、CxはX軸方向曲率、CyはY軸方向曲率、Kxは
X軸方向円錐係数、KyはY軸方向円錐係数、Rnは非
球面項回転対称成分、Pnは非球面項回転非対称成分で
ある。なお、後記する実施例の構成パラメータでは、X
軸方向曲率半径Rx、Y軸方向曲率半径Ryを用いてお
り、曲率Cx、Cyとの間には、 Rx=1/Cx,Ry=1/Cy の関係にある。
Z = (Cx · X 2 + Cy · Y 2 ) / [1+ {1− (1 + Kx) Cx 2 · X 2 − (1 + Ky) Cy 2 · Y 21/2 ] + R1} (1-P1) X 2 + (1 + P1) Y 2} 2 + R2 {(1-P2) X 2 + (1 + P2) Y 2} 3 + R3 {(1-P3) X 2 + (1 + P3) Y 2} 4 + R4 {(1-P4 ) X 2 + (1 + P4) Y 25 (b) where Z is the amount of deviation from the tangent plane to the origin of the surface shape, Cx is the curvature in the X-axis direction, Cy is the curvature in the Y-axis direction, and Kx is X An axial conic coefficient, Ky is a Y-axial conic coefficient, Rn is an aspherical term rotationally symmetric component, and Pn is an aspherical term rotationally asymmetric component. In the configuration parameters of the embodiment described later, X
The curvature radius Rx in the axial direction and the curvature radius Ry in the Y-axis direction are used, and the curvatures Cx and Cy are in the relationship of Rx = 1 / Cx, Ry = 1 / Cy.

【0063】また、回転対称非球面の形状は以下の式に
より定義する。その定義式のZ軸が回転対称非球面の軸
となる。 Z=(Y2 /R)/[1+{1−(1+K)(Y2 /R2 )}1/2 ] +A4 4 +A6 6 +A8 8 +A1010・・・ ・・・(c) ただし、YはZに垂直な方向であり、Rは近軸曲率半
径、Kは円錐係数、A4、A6 、A8 、A10は非球面係
数である。
The shape of the rotationally symmetric aspherical surface is defined by the following equation. The Z axis in the definition formula is the axis of the rotationally symmetric aspherical surface. Z = (Y 2 / R) / [1+ {1- (1 + K) (Y 2 / R 2)} 1/2] + A 4 Y 4 + A 6 Y 6 + A 8 Y 8 + A 10 Y 10 ··· ·· (C) where Y is a direction perpendicular to Z, R is a paraxial radius of curvature, K is a conical coefficient, and A 4 , A 6 , A 8 , and A 10 are aspherical coefficients.

【0064】なお、データの記載されていない非球面に
関する項は0である。屈折率については、d線(波長5
87.56nm)に対するものを表記してある。長さの
単位はmmである。
Note that the term relating to the aspherical surface for which no data is described is zero. Regarding the refractive index, d-line (wavelength 5
87.56 nm). The unit of the length is mm.

【0065】図10〜図14に本発明の実施例1〜5の
画像表示装置の光学系の光軸2を含むY−Z断面図を示
す。これらの実施例は、観察者の瞳を観察光学系3の射
出瞳19とし、この射出瞳19と略共役な位置に配備さ
れた光源1から発した光線は照明光学系5によって観察
光学系3内に導びかれ、画像表示素子面10を照明す
る。画像表示素子10で反射した光は再び観察光学系3
に入射し、観察光学系3によって射出瞳19位置の観察
者眼球に入射され、観察者は拡大した観察像を虚像とし
て知覚することになる。
FIGS. 10 to 14 are YZ sectional views including the optical axis 2 of the optical system of the image display apparatus according to the first to fifth embodiments of the present invention. In these embodiments, the pupil of the observer is used as the exit pupil 19 of the observation optical system 3, and the light beam emitted from the light source 1 disposed at a position substantially conjugate with the exit pupil 19 is transmitted by the illumination optical system 5 to the observation optical system 3. To illuminate the image display element surface 10. The light reflected by the image display element 10 is again transmitted to the observation optical system 3.
At the exit pupil 19 by the observation optical system 3, and the observer perceives the enlarged observation image as a virtual image.

【0066】なお、反射型の画像表示素子10は、実施
例1、2では0.4インチ、実施例3では0.7イン
チ、実施例4、5では1インチの画面のものを使用する
ようになっており、観察する画角は、実施例1、2、
3、4は水平画角30°、垂直画角22.7°、実施例
5は水平画角35°、垂直画角26.6°である。瞳径
は、実施例1、2は2.3mm、実施例3、4、5は4
mmである。
It should be noted that the reflection type image display element 10 has a screen size of 0.4 inch in the first and second embodiments, 0.7 inch in the third embodiment, and 1 inch in the fourth and fifth embodiments. , And the angle of view to be observed is as in Examples 1, 2,
3 and 4 have a horizontal angle of view of 30 ° and a vertical angle of view of 22.7 °, and the fifth embodiment has a horizontal angle of view of 35 ° and a vertical angle of view of 26.6 °. The pupil diameter was 2.3 mm in Examples 1 and 2, and 4 in Examples 3, 4, and 5.
mm.

【0067】図10の実施例1は図2の構成に対応して
おり、観察光学系3は、光軸2に対して偏心して配備さ
れた3面で構成された空間を屈折率が約1.5の光学プ
ラスチックで満たされており、また、光源1には、照明
する方向の反対側に凹面鏡で構成された照明光学系5が
配備されている。観察光学系3の第2面22の外側に配
備された光源1から発した光は、照明光学系5で一方向
に向けられ、偏光ハーフミラーコートされた第2面22
によって例えばp波のみが透過し、第1面21で全反射
し、第3面23を透過して画像表示素子10を照明す
る。画像表示素子10で変調された光は、観察光学系の
第3面23から入射し、第1面21で全反射し、偏光ハ
ーフミラー面である第2面22で略全ての光が反射し、
第1面21を透過して観察者眼球に入射し、観察者に反
射型画像表示素子10の拡大した画像を呈示する。
The first embodiment shown in FIG. 10 corresponds to the configuration shown in FIG. 2, and the observation optical system 3 has a refractive index of about 1 in a space composed of three surfaces arranged eccentrically with respect to the optical axis 2. The light source 1 is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the opposite side of the illumination direction. Light emitted from the light source 1 disposed outside the second surface 22 of the observation optical system 3 is directed in one direction by the illumination optical system 5 and is polarized second half mirror-coated second surface 22.
Thus, for example, only the p-wave is transmitted, totally reflected by the first surface 21 and transmitted through the third surface 23 to illuminate the image display element 10. The light modulated by the image display element 10 enters from the third surface 23 of the observation optical system, is totally reflected by the first surface 21, and substantially all light is reflected by the second surface 22 which is a polarization half mirror surface. ,
The light is transmitted through the first surface 21 and enters the observer's eyeball, and an enlarged image of the reflective image display device 10 is presented to the observer.

【0068】図11の実施例2は実施例1の変形例であ
り、観察光学系3は同じものを用いており、照明光学系
5のみが若干異なる。すなわち、照明光学系5は偏心し
た非球面の凹面鏡51 と偏心した両凸正レンズ52 とか
らなり、この照明光学系5で観察光学系3の第2面22
の外側に配備された光源1から発した光が一方向に向け
られ、偏光ハーフミラーコートされた第2面22を同様
に透過し、以後実施例1と同様にして、観察者に反射型
画像表示素子10の拡大した画像を呈示する。
Embodiment 2 of FIG. 11 is a modification of Embodiment 1, in which the same observation optical system 3 is used, and only the illumination optical system 5 is slightly different. That is, the illumination optical system 5 is made eccentric aspherical concave mirror 5 1 and eccentric biconvex positive lens 5 2 Prefecture, the second surface 22 of the observation optical system 3 in the illumination optical system 5
The light emitted from the light source 1 disposed outside the camera is directed in one direction and transmitted through the second surface 22 coated with the polarization half mirror in the same manner. An enlarged image of the display element 10 is presented.

【0069】図12の実施例3は図5の構成に対応して
おり、観察光学系3は、光軸2に対して偏心して配備さ
れた透過面である第1面51と、回転非対称な非球面で
構成され偏光ハーフミラーコーティングが施されている
凹面鏡面52によって構成されており、また、光源1に
は、照明する方向の反対側に凹面鏡で構成された照明光
学系5が配備されている。観察光学系3の第2面52の
外側に配備された光源1から発した光は、照明光学系5
で一方向に向けられ、偏光ハーフミラーコートされた第
2面52によって例えばp波のみが透過し、第1面51
を透過して画像表示素子10を照明する。画像表示素子
10で変調された光は、観察光学系3の第1面51から
入射し、偏光ハーフミラー面である第2面52で略全て
の光が反射し、第1面51を透過して観察者眼球に入射
し、観察者に反射型画像表示素子10の拡大した画像を
呈示する。
The third embodiment shown in FIG. 12 corresponds to the configuration shown in FIG. 5. The observation optical system 3 has a first surface 51 which is a transmission surface eccentrically arranged with respect to the optical axis 2 and a rotationally asymmetrical surface. The light source 1 is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the side opposite to the direction of illumination. I have. Light emitted from the light source 1 disposed outside the second surface 52 of the observation optical system 3
For example, only the p-wave is transmitted by the second surface 52 coated with the polarization half mirror, and the first surface 51
To illuminate the image display element 10. The light modulated by the image display element 10 enters from the first surface 51 of the observation optical system 3, and substantially all light is reflected by the second surface 52, which is a polarization half mirror surface, and passes through the first surface 51. And enters the observer's eyeball to present an enlarged image of the reflective image display device 10 to the observer.

【0070】図13の実施例4は図6の構成に対応して
おり、観察光学系3は、光軸2に対して偏心して配備さ
れた4面で構成された空間を屈折率が約1.5の光学プ
ラスチックで満たされており、また、光源1には、照明
する方向の反対側に凹面鏡で構成された照明光学系5が
配備されている。観察光学系3の第2面62の外側に配
備された光源1から発した光は、照明光学系5で一方向
に向けられ、偏光ハーフミラーコートされた第2面62
によって例えばp波のみが透過し、第1面61、第3面
63で内部反射し、第4面64を透過して画像表示素子
10を照明する。画像表示素子10で変調された光は、
観察光学系の第4面64から入射し、第3面63、第1
面61で内部反射し、偏光ハーフミラー面である第2面
62で略全ての光が反射し、第1面61を透過して観察
者眼球に入射し、観察者に反射型画像表示素子10の拡
大した画像を呈示する。
The fourth embodiment shown in FIG. 13 corresponds to the configuration shown in FIG. 6, and the observation optical system 3 has a refractive index of about 1 in a space composed of four surfaces arranged eccentrically with respect to the optical axis 2. The light source 1 is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror on the opposite side of the illumination direction. The light emitted from the light source 1 disposed outside the second surface 62 of the observation optical system 3 is directed in one direction by the illumination optical system 5 and the second surface 62 coated with a polarization half mirror.
Thus, for example, only the p-wave is transmitted, internally reflected by the first surface 61 and the third surface 63, and transmitted through the fourth surface 64 to illuminate the image display element 10. The light modulated by the image display element 10 is
The light enters the fourth surface 64 of the observation optical system, and the third surface 63
The light is internally reflected by the surface 61, and substantially all light is reflected by the second surface 62, which is a polarizing half mirror surface, passes through the first surface 61, enters the observer's eyeball, and is reflected to the observer. Is presented.

【0071】図14の実施例5は図9の構成に対応して
おり、直角プリズム形状の偏光光学素子90は、射出瞳
19側の透過面の第1面91、第1面と45°傾いて配
置されたハーフミラー面である第2面92、第1面91
と直交して第2面92の下方に配置された透過面である
第3面93、画像表示素子10に近接した透過面である
第4面94、第2面92を挟んで第1面91に対向し正
のパワーを有する透過面である第5面95からなり、1
/4波長板6が第3面93の下方に近接して略平行に配
備される。裏面凹面鏡17は、透過面である第1面9
6、正のパワーを有する反射面である第2面97によっ
て構成され、1/4波長板6の下方に近接して配備され
る。光源1は、第5面95に近接して対向して配備され
た図示を省いた偏光板の外側に配備されており、光源1
には、照明する方向の反対側に偏心した自由曲面からな
る凹面鏡で構成された照明光学系5が配備されている。
光源1から発した光は、照明光学系5で一方向に向けら
れ、例えばs波のみが偏光板を透過し、第5面95から
偏光光学素子90に入射する。偏光ハーフミラー面であ
る第2面92において略全ての光が反射され、第4面9
4を通過して画像表示素子10を照明する。液晶表示素
子10で変調された光はp波として射出する。液晶表示
素子10から射出した光は第4面94を通過し、偏光ハ
ーフミラー面の第2面92を略全ての光が透過し、第3
面93から射出される。1/4波長板6を通過すると
き、直線偏光のp波が円偏光に変換され、裏面鏡17の
透過面96から入射し、反射面97で反射され、透過面
96から射出して、再び1/4波長板6を通過する。こ
のときには円偏光が入射時のp波とは偏光方向が90°
回転した直線偏光であるs波に変換されて、再び偏光光
学素子90に入射する。偏光ハーフミラー面92では略
全ての光が反射角45°で反射されて偏光光学素子90
の第1面91から射出し、観察者眼球に到達し、観察者
に反射型画像表示素子10の拡大した画像を呈示する。
Embodiment 5 of FIG. 14 corresponds to the configuration of FIG. 9. The polarizing optical element 90 in the form of a right-angle prism is inclined by 45 ° with respect to the first surface 91 of the transmission surface on the exit pupil 19 side and the first surface. Surface 92 and first surface 91 which are half mirror surfaces arranged in
A third surface 93 which is a transmission surface disposed below the second surface 92 at right angles to the second surface 92, a fourth surface 94 which is a transmission surface close to the image display element 10, and a first surface 91 with the second surface 92 interposed therebetween. And a fifth surface 95 which is a transmission surface having a positive power and facing
The 波長 wavelength plate 6 is disposed substantially parallel to and below the third surface 93. The back concave mirror 17 is provided on the first surface 9 which is a transmission surface.
6. The second surface 97, which is a reflection surface having a positive power, is provided below and close to the quarter-wave plate 6. The light source 1 is disposed outside a polarizing plate (not shown) disposed close to and opposed to the fifth surface 95.
Is provided with an illumination optical system 5 composed of a concave mirror having a free-form surface decentered on the opposite side to the direction of illumination.
The light emitted from the light source 1 is directed in one direction by the illumination optical system 5. For example, only the s-wave passes through the polarizing plate and enters the polarizing optical element 90 from the fifth surface 95. Almost all light is reflected on the second surface 92, which is a polarization half mirror surface, and the fourth surface 9
4 illuminates the image display element 10. The light modulated by the liquid crystal display element 10 is emitted as a p-wave. The light emitted from the liquid crystal display element 10 passes through the fourth surface 94, and substantially all light passes through the second surface 92 of the polarization half mirror surface, and the third surface 94.
Emitted from surface 93. When passing through the quarter-wave plate 6, the p-wave of linearly polarized light is converted into circularly polarized light, enters from the transmission surface 96 of the back mirror 17, is reflected by the reflection surface 97, exits from the transmission surface 96, and returns again. The light passes through the 波長 wavelength plate 6. At this time, the polarization direction is 90 ° with respect to the p-wave when the circularly polarized light is incident.
The light is converted into s-wave, which is rotated linearly polarized light, and again enters the polarization optical element 90. On the polarization half mirror surface 92, almost all light is reflected at a reflection angle of 45 °, and the polarization optical element 90
From the first surface 91, reaches the observer's eyeball, and presents an enlarged image of the reflective image display element 10 to the observer.

【0072】以下に、上記実施例1〜5の構成パラメー
タを示す。
Hereinafter, the configuration parameters of the above-described first to fifth embodiments will be described.

【0073】 実施例1 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞(射出瞳) 2 自由曲面 偏心(1) 1.4922 57.5 3 自由曲面 偏心(2) 1.4922 57.5 4 自由曲面 偏心(1) 1.4922 57.5 5 自由曲面 偏心(3) 像 面 ∞ 偏心(4) 7 自由曲面 偏心(3) 1.4922 57.5 8 自由曲面 偏心(1) 1.4922 57.5 9 自由曲面 偏心(2) 10 -6.75(非球面) 偏心(5) 光 源 ∞ 偏心(6) 非球面係数 面番号:10 K =-1.3472 ×101 4 =-4.4738 ×10-36 = 4.7966 ×10-48 =-3.5188 ×10-510 = 1.1353 ×10-6 自由曲面 C5 -3.4641×10-37 -4.6167×10-38 -1.0380×10-410 6.4921×10-512 -1.0386×10-614 6.2825×10-616 -2.6279×10-6 自由曲面 C5 -1.1917×10-27 -1.3399×10-28 5.5902×10-510 9.9924×10-512 4.5147×10-614 -1.0236×10-616 -3.5173×10-6 自由曲面 C5 -1.8257×10-27 -1.2487×10-28 -1.1011×10-310 1.0622×10-312 4.7881×10-514 -2.5937×10-516 3.8442×10-5 偏心(1) X 0.00 Y 5.38 Z 17.49 α 16.71 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.49 Z 24.61 α -14.73 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 12.80 Z 20.50 α 83.99 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y 16.24 Z 22.52 α 58.67 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y -3.37 Z 28.91 α -40.42 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -0.99 Z 25.73 α -29.00 β 0.00 γ 0.00 。Example 1 Surface Number Curvature Radius Interval Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface ∞ -1000.00 1 ∞ (Exit Pupil) 2 Free-form Surface Eccentricity (1) 1.4922 57.5 3 Free-form Surface Eccentricity (2) 1.4922 57.5 4 Free-form Surface Eccentricity ( 1) 1.4922 57.5 5 Free-form surface Eccentricity (3) Image plane ∞ Eccentricity (4) 7 Free-form surface Eccentricity (3) 1.4922 57.5 8 Free-form surface Eccentricity (1) 1.4922 57.5 9 Free-form surface Eccentricity (2) 10 -6.75 (Aspheric) eccentric (5) light source ∞ eccentricity (6) aspheric coefficients face number: 10 K = -1.3472 × 10 1 A 4 = -4.4738 × 10 -3 A 6 = 4.7966 × 10 -4 A 8 = -3.5188 × 10 - 5 A 10 = 1.1353 × 10 -6 Free-form surface C 5 -3.4641 × 10 -3 C 7 -4.6167 × 10 -3 C 8 -1.0 380 × 10 -4 C 10 6.4921 × 10 -5 C 12 -1.0386 × 10 -6 C 14 6.2825 × 10 -6 C 16 -2.6279 × 10 -6 Free-form surface C 5 -1.1917 × 10 -2 C 7 -1.3399 × 10 -2 C 8 5.5902 × 10 -5 C 10 9.9924 × 10 -5 C 12 4.5147 × 10 -6 C 14 -1.0236 × 10 -6 C 16 -3.5173 × 10 -6 Free-form surface C 5 -1.8257 × 10 -2 C 7 -1.2487 × 10 -2 C 8 -1.1011 × 10 -3 C 10 1.0622 × 10 -3 C 12 4.7881 × 10 -5 C 14 -2.5937 × 10 -5 C 16 3.8442 × 10 -5 Eccentricity (1) X 0.00 Y 5.38 Z 17.49 α 16.71 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.49 Z 24.61 α -14.73 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 12.80 Z 20.50 α 83.99 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y 16.24 Z 22.52 α 58.67 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y- 3.37 Z 28.91 α -40.42 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -0.99 Z 25.73 α -29.00 β 0.00 γ 0.00.

【0074】 実施例2 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞(射出瞳) 2 自由曲面 偏心(1) 1.4922 57.5 3 自由曲面 偏心(2) 1.4922 57.5 4 自由曲面 偏心(1) 1.4922 57.5 5 自由曲面 偏心(3) 像 面 ∞ 偏心(4) 7 自由曲面 偏心(3) 1.4922 57.5 8 自由曲面 偏心(1) 1.4922 57.5 9 自由曲面 偏心(2) 10 5.96 2.50 偏心(5) 1.5163 64.1 11 -64.05 12 -9.80(非球面) 偏心(6) 光 源 ∞ 偏心(7) 非球面係数 面番号:12 K =-5.0694 ×10-14 =-4.8424 ×10-56 = 3.5920 ×10-6 自由曲面 C5 -3.4641×10-37 -4.6167×10-38 -1.0380×10-410 6.4921×10-512 -1.0386×10-614 6.2825×10-616 -2.6279×10-6 自由曲面 C5 -1.1917×10-27 -1.3399×10-28 5.5902×10-510 9.9924×10-512 4.5147×10-614 -1.0236×10-616 -3.5173×10-6 自由曲面 C5 -1.8257×10-27 -1.2487×10-28 -1.1011×10-310 1.0622×10-312 4.7881×10-514 -2.5937×10-516 3.8442×10-5 偏心(1) X 0.00 Y 5.38 Z 17.49 α 16.71 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.49 Z 24.61 α -14.73 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 12.80 Z 20.50 α 83.99 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y 16.24 Z 22.52 α 58.67 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y 1.85 Z 26.61 α -52.17 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -6.64 Z 28.56 α -25.44 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) X 0.00 Y -4.61 Z 25.74 α 26.64 β 0.00 γ 0.00 。Example 2 Surface Number Curvature Radius Interval Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface -100 -1000.00 1 ∞ (Exit Pupil) 2 Freeform Surface Eccentricity (1) 1.4922 57.5 3 Freeform Surface Eccentricity (2) 1.4922 57.5 4 Freeform Surface Eccentricity ( 1) 1.4922 57.5 5 Free-form surface Eccentricity (3) Image plane 偏 Eccentricity (4) 7 Free-form surface Eccentricity (3) 1.4922 57.5 8 Free-form surface Eccentricity (1) 1.4922 57.5 9 Free-form surface Eccentricity (2) 10 5.96 2.50 Eccentricity (5) 1.5163 64.1 11 -64.05 12 -9.80 (Aspherical surface) Eccentricity (6) Light source 偏 Eccentricity (7) Aspherical surface coefficient Surface number: 12 K = -5.0694 x 10 -1 A 4 = -4.8424 x 10 -5 A 6 = 3.5920 × 10 -6 Free-form surface C 5 -3.4641 × 10 -3 C 7 -4.6167 × 10 -3 C 8 -1.0 380 × 10 -4 C 10 6.4921 × 10 -5 C 12 -1.0386 × 10 -6 C 14 6.2825 × 10 -6 C 16 -2.6279 × 10 -6 Free-form surface C 5 -1.1917 × 10 -2 C 7 -1.3399 × 10 -2 C 8 5.5902 × 10 -5 C 10 9.9924 × 10 -5 C 12 4.5147 × 10 -6 C 14 -1.0236 × 10 -6 C 16 -3.5173 × 10 -6 Free-form surface C 5 -1.8257 × 10 -2 C 7 -1.2487 × 10 -2 C 8 -1.1011 × 10 -3 C 10 1 .0622 × 10 -3 C 12 4.7881 × 10 -5 C 14 -2.5937 × 10 -5 C 16 3.8442 × 10 -5 Eccentricity (1) X 0.00 Y 5.38 Z 17.49 α 16.71 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.49 Z 24.61 α -14.73 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 12.80 Z 20.50 α 83.99 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y 16.24 Z 22.52 α 58.67 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y 1.85 Z 26.61 α -52.17 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -6.64 Z 28.56 α -25.44 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (7) X 0.00 Y -4.61 Z 25.74 α 26.64 β 0.00 γ 0.00.

【0075】 実施例3 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞(射出瞳) 2 自由曲面 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面 偏心(1) 像 面 ∞ 偏心(3) 6 自由曲面 偏心(1) 1.5254 56.2 7 自由曲面 偏心(2) 8 アナモルフィック面 偏心(4) 光 源 ∞ 偏心(5) アナモルフィック面 Rx = -7.75 Ry =-10.28 Kx = 0.0000 Ky = 0.0000 R1 =-2.9628 ×10-4 R2 =-1.7254 ×10-8 P1 = 2.5451 ×10-1 P2 =-9.5015 ×10-1 自由曲面 C5 3.4330×10-27 2.9001×10-28 -1.9945×10-410 -3.0127×10-412 -2.3176×10-514 2.8944×10-516 4.4995×10-617 1.3547×10-619 -3.1884×10-721 1.0836×10-6 自由曲面 C5 -9.2001×10-27 1.4217×10-28 -2.3556×10-310 1.6596×10-312 -2.1214×10-514 -1.3810×10-616 1.8014×10-517 -1.3047×10-719 -2.2559×10-621 -8.9263×10-8 偏心(1) X 0.00 Y -2.17 Z 25.70 α -3.60 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 22.43 Z 48.54 α 29.81 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 14.96 Z 27.76 α -46.70 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y -1.29 Z 49.06 α -13.76 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y -2.50 Z 44.21 α -35.00 β 0.00 γ 0.00 。Example 3 Surface Number Curvature Radius Interval Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface -100 -1000.00 1 ∞ (Exit Pupil) 2 Freeform Surface Eccentricity (1) 1.5254 56.2 3 Freeform Surface Eccentricity (2) 1.5254 56.2 4 Freeform Surface Eccentricity ( 1) Image surface ∞ Eccentricity (3) 6 Free-form surface Eccentricity (1) 1.5254 56.2 7 Free-form surface Eccentricity (2) 8 Anamorphic surface Eccentricity (4) Light source ∞ Eccentricity (5) Anamorphic surface Rx = -7.75 Ry = -10.28 Kx = 0.0000 Ky = 0.0000 R1 = -2.9628 × 10 -4 R2 = -1.7254 × 10 -8 P1 = 2.5451 × 10 -1 P2 = -9.5015 × 10 -1 Free-form surface C 5 3.4330 × 10 -2 C 7 2.9001 × 10 -2 C 8 -1.9945 × 10 -4 C 10 -3.0127 × 10 -4 C 12 -2.3176 × 10 -5 C 14 2.8944 × 10 -5 C 16 4.4995 × 10 -6 C 17 1.3547 × 10 - 6 C 19 -3.1884 × 10 -7 C 21 1.0836 × 10 -6 Free-form surface C 5 -9.2001 × 10 -2 C 7 1.4217 × 10 -2 C 8 -2.3556 × 10 -3 C 10 1.6596 × 10 -3 C 12 -2.1214 × 10 -5 C 14 -1.3810 × 10 -6 C 16 1.8014 × 10 -5 C 17 -1.3047 × 10 -7 C 19 -2.2559 × 10 -6 C 21 -8.9263 × 10 -8 Eccentricity (1) X 0.00 Y -2.17 Z 25.70 α -3.60 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 22.43 Z 48.54 α 29.81 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 14.96 Z 27.76 α -46.70 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y -1.29 Z 49.06 α -13.76 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y -2.50 Z 44.21 α -35.00 β 0.00 γ 0.00.

【0076】 実施例4 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -500.00 1 ∞(射出瞳) 2 自由曲面 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面 偏心(1) 1.5254 56.2 5 自由曲面 偏心(3) 1.5254 56.2 6 自由曲面 偏心(4) 像 面 ∞ 偏心(5) 8 自由曲面 偏心(4) 1.5254 56.2 9 自由曲面 偏心(3) 1.5254 56.2 10 自由曲面 偏心(1) 1.5254 56.2 11 自由曲面 偏心(2) 12 自由曲面 偏心(6) 光 源 ∞ 偏心(7) 自由曲面 C5 -5.8240×10-47 -9.1541×10-38 -6.5889×10-510 -1.6698×10-412 -4.2380×10-714 -3.7726×10-616 2.7951×10-617 2.9801×10-10 19 -7.7228×10-821 1.2588×10-7 自由曲面 C5 -4.3831×10-37 -8.7087×10-38 -5.4360×10-510 -2.5394×10-512 1.1420×10-614 -1.1045×10-616 7.5556×10-817 -3.0899×10-819 -2.6370×10-821 -1.2114×10-8 自由曲面 C5 -5.9115×10-47 -3.8122×10-38 -8.9978×10-510 -9.9086×10-512 -7.3098×10-714 -1.4829×10-616 1.1213×10-617 3.6498×10-819 -3.8757×10-821 3.2832×10-7 自由曲面 C5 6.9509×10-37 1.4423×10-28 -2.8052×10-410 -4.4112×10-412 3.4813×10-514 -8.1159×10-516 -2.4314×10-517 -9.6514×10-719 -4.7714×10-621 5.7643×10-6 自由曲面 C5 -4.7686×10-27 -5.0227×10-28 -1.1648×10-310 -1.5945×10-3 偏心(1) X 0.00 Y 9.99 Z 38.60 α -0.32 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.00 Z 47.87 α -26.60 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 30.02 Z 51.90 α 5.63 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) X 0.00 Y 38.22 Z 42.79 α -43.70 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) X 0.00 Y 39.81 Z 40.85 α -38.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) X 0.00 Y -7.48 Z 50.13 α -75.59 β 0.00 γ 0.00 偏心(7) X 0.00 Y -1.80 Z 49.23 α -62.06 β 0.00 γ 0.00 。Example 4 Surface Number Curvature Radius Interval Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface ∞ -500.00 1 ∞ (Exit Pupil) 2 Free-form Surface Eccentricity (1) 1.5254 56.2 3 Free-form Surface Eccentricity (2) 1.5254 56.2 4 Free-form Surface Eccentricity ( 1) 1.5254 56.2 5 Free-form surface Eccentricity (3) 1.5254 56.2 6 Free-form surface Eccentricity (4) Image surface 偏 Eccentricity (5) 8 Free-form surface Eccentricity (4) 1.5254 56.2 9 Free-form surface Eccentricity (3) 1.5254 56.2 10 Free-form surface Eccentricity ( 1) 1.5254 56.2 11 free curved eccentric (2) 12 free curved eccentric (6) light source ∞ eccentricity (7) free curved surface C 5 -5.8240 × 10 -4 C 7 -9.1541 × 10 -3 C 8 -6.5889 × 10 - 5 C 10 -1.6698 × 10 -4 C 12 -4.2380 × 10 -7 C 14 -3.7726 × 10 -6 C 16 2.7951 × 10 -6 C 17 2.9801 × 10 -10 C 19 -7.7228 × 10 -8 C 21 1.2588 × 10 -7 Free-form surface C 5 -4.3831 × 10 -3 C 7 -8.7087 × 10 -3 C 8 -5.4 360 × 10 -5 C 10 -2.5394 × 10 -5 C 12 1.1420 × 10 -6 C 14 -1.1045 × 10 -6 C 16 7.5556 × 10 -8 C 17 -3.0899 × 10 -8 C 19 -2.6370 × 10 -8 C 21 -1.2114 × 10 -8 Free-form surface C 5 -5.9115 × 10 -4 C 7 -3.8122 × 10 -3 C 8 -8.9978 × 10 -5 C 10 -9.9086 × 10 -5 C 12 -7.3098 × 10 -7 C 14 -1.4829 × 10 -6 C 16 1.1213 × 10 -6 C 17 3.6498 × 10 -8 C 19 -3.8757 × 10 -8 C 21 3.2832 × 10 -7 Free-form surface C 5 6.9509 × 10 -3 C 7 1.4423 × 10 -2 C 8 -2.8052 × 10 -4 C 10 -4.4112 × 10 -4 C 12 3.4813 × 10 -5 C 14 -8.1159 × 10 -5 C 16 -2.4314 × 10 -5 C 17 -9.6514 × 10 -7 C 19 -4.7714 × 10 -6 C 21 5.7643 × 10 -6 Free Curved surface C 5 -4.7686 × 10 -2 C 7 -5.0227 × 10 -2 C 8 -1.1648 × 10 -3 C 10 -1.5945 × 10 -3 Eccentricity (1) X 0.00 Y 9.99 Z 38.60 α -0.32 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.00 Z 47.87 α -26.60 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 30.02 Z 51.90 α 5.63 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (4) X 0.00 Y 38.22 Z 42.79 α -43.70 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (5) X 0.00 Y 39.81 Z 40.85 α -38.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (6) X 0.00 Y -7.48 Z 50.13 α -75.59 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (7) X 0.00 Y -1.80 Z 49.23 α -62.06 β 0.00 γ 0.00.

【0077】 実施例5 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ -1000.00 1 ∞(射出瞳) 20.00 2 ∞ 11.50 1.4922 57.5 3 ∞ -12.00 偏心(1) 1.4922 57.5 4 ∞ -1.00 5 ∞ -2.00 1.4922 57.5 6 ∞ -1.00 7 ∞ -4.00 1.4922 57.5 8 100.00 4.00 1.4922 57.5 9 ∞ 1.00 10 ∞ 2.00 1.4922 57.5 11 ∞ 1.00 12 ∞ 24.00 1.4922 57.5 13 ∞ 10.27 像 面 ∞ -10.27 15 ∞ -12.00 1.4922 57.5 16 ∞ 15.00 偏心(2) 1.4922 57.5 17 -36.23 9.00 18 -46.69 -12.50 偏心(3) (非球面) 光 源 ∞ 非球面係数 面番号:18 K = 0.0000 A4 =-3.3586 ×10-66 =-6.0354 ×10-10 8 = 2.1163 ×10-10 10 = 3.7515 ×10-12 偏心(1) X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 α -45.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) X 0.00 Y 0.52 Z 0.00 α 25.63 β 0.00 γ 0.00 。Example 5 Surface Number Curvature Radius Interval Eccentricity Refractive Index Abbe Number Object Surface ∞ -1000.00 1 ∞ (Exit Pupil) 20.00 2 ∞ 11.50 1.4922 57.5 3 ∞ -12.00 Eccentricity (1) 1.4922 57.5 4 ∞ -1.00 5 ∞- 2.00 1.4922 57.5 6 ∞ -1.00 7 ∞ -4.00 1.4922 57.5 8 100.00 4.00 1.4922 57.5 9 ∞ 1.00 10 ∞ 2.00 1.4922 57.5 11 ∞ 1.00 12 ∞ 24.00 1.4922 57.5 13 ∞ 10.27 Image plane ∞ -10.27 15 ∞ -12.00 1.4922 57.5 16 ∞ 15.00 Eccentricity (2) 1.4922 57.5 17 -36.23 9.00 18 -46.69 -12.50 Eccentricity (3) (Aspheric) Light source ∞ Aspheric coefficient Surface number: 18 K = 0.0000 A 4 = -3.3586 × 10 -6 A 6 =- 6.0354 × 10 -10 A 8 = 2.1163 × 10 -10 A 10 = 3.7515 × 10 -12 Eccentricity (1) X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 α 45.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (2) X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 α -45.00 β 0.00 γ 0.00 Eccentricity (3) X 0.00 Y 0.52 Z 0.00 α 25.63 β 0.00 γ 0.00.

【0078】以上の実施例では、前記定義式(a)の自
由曲面で構成したが、あらゆる定義の曲面が使えること
は言うまでもない。しかし、どのような定義式を用いよ
うとも、収差の良く補正された観察光学系を得られるこ
とは言うまでもない。
In the above embodiments, the free-form surface of the definition formula (a) is used, but it goes without saying that any surface of any definition can be used. However, it is needless to say that an observation optical system in which aberration is well corrected can be obtained irrespective of the definition formula.

【0079】上記のような本発明の画像表示装置の観察
光学系と画像表示素子からなる組を左右一対用意し、そ
れらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で
観察できる据え付け型又は頭部装着式画像表示装置のよ
うなポータブル型の画像表示装置として構成することが
できる。このようなポータブル型の画像表示装置の1例
の全体の構成を図15に示す。表示装置本体100に
は、上記のような接眼光学系が左右1対備えられ、それ
らに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子
が配置されている。本体100に左右に連続して図示の
ような側頭フレーム101が設けられ、両側の側頭フレ
ーム101は頭頂フレーム102でつながれており、ま
た、両側の側頭フレーム101の中間には板バネ103
を介してリアフレーム104が設けてあり、リアフレー
ム104を眼鏡のツルのように観察者の両耳の後部に当
て、また、頭頂フレーム102を観察者の頭頂に載せる
ことにより、表示装置本体100を観察者の眼前に保持
できるようになっている。なお、頭頂フレーム102の
内側には海綿体のような弾性体からなる頭頂パッド10
5が取り付けてあり、同様にリアフレーム104の内側
にも同様なパッドが取り付けられており、この表示装置
を頭部に装着したときに違和感を感じないようにしてあ
る。
A pair of left and right pairs of the observation optical system and the image display element of the image display apparatus of the present invention as described above is prepared, and they are supported by being separated from each other by the eye distance, so that they can be observed with both eyes. Alternatively, it can be configured as a portable image display device such as a head mounted image display device. FIG. 15 shows the overall configuration of an example of such a portable image display device. The display device body 100 is provided with a pair of left and right eyepiece optical systems as described above, and an image display element composed of a liquid crystal display element is arranged on the image plane corresponding to the pair. A temporal frame 101 as shown in the figure is provided on the main body 100 continuously on the left and right sides, the temporal frames 101 on both sides are connected by a parietal frame 102, and a leaf spring 103 is provided between the temporal frames 101 on both sides.
A rear frame 104 is provided through the rear of the display device main body 100. The rear frame 104 is placed on the back of both ears of the observer like vines of glasses, and the parietal frame 102 is placed on the top of the observer. Can be held in front of the observer. Note that a parietal pad 10 made of an elastic body such as a sponge is provided inside the parietal frame 102.
A similar pad is also attached to the inside of the rear frame 104 so that when the display device is attached to the head, a feeling of strangeness is not felt.

【0080】また、リアフレーム104にはスピーカ1
06が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞く
ことができるようになっている。このようにスピーカ1
06を有する表示装置本体100には、映像音声伝達コ
ード107を介してボータブルビデオカセット等の再生
装置108が接続されているので、観察者はこの再生装
置108を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保
持して、映像、音響を楽しむことができるようになって
いる。図示の109は再生装置108のスイッチ、ボリ
ューム等の調節部である。なお、頭頂フレーム102の
内部に、映像処理・音声処理回路等の電子部品を内蔵さ
せてある。
The speaker 1 is mounted on the rear frame 104.
06 is provided so that stereoscopic sound can be heard together with image observation. Thus, the speaker 1
Since the playback device 108 such as a portable video cassette or the like is connected to the display device main body 100 having the video signal transmission code 107 through the video / audio transmission code 107, the observer can attach the playback device 108 to the belt portion or the like as shown in the figure. The video and sound can be enjoyed while being held at an arbitrary position. The reference numeral 109 denotes an adjustment unit such as a switch and a volume of the playback device 108. Note that electronic components such as a video processing / audio processing circuit are built in the top frame 102.

【0081】なお、コード107は先端をジャックにし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、TV電波受信用チューナーに接続してTV
観賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
The cord 107 may have a jack at the tip so that it can be attached to an existing video deck or the like. Furthermore, it is connected to a tuner for TV radio wave reception,
It may be used for viewing, or may be connected to a computer to receive computer graphics images, message images from the computer, and the like. Also, in order to reject an obstructive code, an antenna may be connected to receive an external signal by radio waves.

【0082】以上、本発明の画像表示装置をいくつかの
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。
Although the image display device of the present invention has been described based on several embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made.

【0083】以上の本発明の画像表示装置は、例えば次
のように構成することができる。
The above-described image display device of the present invention can be configured, for example, as follows.

【0084】〔1〕 照明光を放射する光源と、前記照
明光の反射によって画像を表示する画像表示素子と、観
察者眼球に前記画像を導く観察光学系とからなる画像表
示装置において、前記光源は、前記観察光学系のパワー
を有する反射面の外側に近接して配備され、前記反射面
は、特定偏光方向の光は透過させ、それと略直交する偏
光方向の光は反射する偏光ハーフミラー面からなること
を特徴とする画像表示装置。
[1] An image display apparatus comprising: a light source that emits illumination light; an image display element that displays an image by reflecting the illumination light; and an observation optical system that guides the image to an observer's eyeball. A polarizing half-mirror surface disposed close to the outside of a reflecting surface having the power of the observation optical system, wherein the reflecting surface transmits light in a specific polarization direction and reflects light in a polarization direction substantially orthogonal thereto. An image display device comprising:

【0085】〔2〕 前記光源を射出した光束が前記反
射面を透過して前記画像表示素子に入射する照明光路
と、前記画像表示素子で反射した光束が前記反射面を介
して観察者眼球に導かれる観察光路とが、前記反射面と
前記画像表示素子との間で往復光路を形成するように前
記観察光学系が形成されていることを特徴とする上記1
記載の画像表示装置。
[2] The illumination light path through which the light beam emitted from the light source passes through the reflecting surface and enters the image display device, and the light beam reflected by the image display device passes through the reflecting surface to the observer's eyeball. The observation optical system described above, wherein the observation optical system is formed such that a guided observation optical path forms a reciprocating optical path between the reflection surface and the image display element.
The image display device as described in the above.

【0086】〔3〕 前記観察光学系は、少なくとも2
面で構成された空間を屈折率が1より大きい媒質によっ
て満たされたプリズム体で構成されていることを特徴と
する上記1又は2記載の画像表示装置。
[3] The observation optical system has at least
3. The image display device according to the above item 1 or 2, wherein the space defined by the surface is formed by a prism body filled with a medium having a refractive index larger than 1.

【0087】〔4〕 前記観察光学系の少なくとも1面
は、光軸に対して偏心した非球面であることを特徴とす
る上記3記載の画像表示装置。
[4] The image display apparatus according to the above item 3, wherein at least one surface of the observation optical system is an aspheric surface decentered with respect to an optical axis.

【0088】〔5〕 前記観察光学系の少なくとも1面
は、光軸に対して偏心した回転非対称非球面であること
を特徴とする上記2記載の画像表示装置。
[5] The image display apparatus according to the above item 2, wherein at least one surface of the observation optical system is a rotationally asymmetric aspheric surface decentered with respect to an optical axis.

【0089】〔6〕 前記観察光学系は、前記画像表示
素子に対して略45°傾いた無偏光ハーフミラー面と、
前記画像表示素子に対向した凹面鏡からなることを特徴
とする上記1又は2記載の画像表示装置。
[6] The observation optical system includes a non-polarization half mirror surface inclined at approximately 45 ° with respect to the image display element,
3. The image display device according to the above item 1 or 2, wherein the image display device comprises a concave mirror facing the image display element.

【0090】〔7〕 前記観察光学系は、前記無偏光ハ
ーフミラー面を屈折率が1より大きい媒質で挟んだ略直
角なプリズム形状をなし、前記画像表示素子と対向する
位置に凹面鏡面を有することを特徴とする上記1、2又
は6記載の画像表示装置。
[7] The observation optical system has a substantially rectangular prism shape in which the non-polarization half mirror surface is sandwiched by a medium having a refractive index larger than 1, and has a concave mirror surface at a position facing the image display element. 7. The image display device according to the above 1, 2, or 6, wherein

【0091】〔8〕 前記光源と前記反射面の間に偏光
板を配置したことを特徴とする上記1から7の何れか1
項記載の画像表示装置。
[8] Any one of the above items 1 to 7, wherein a polarizing plate is disposed between the light source and the reflection surface.
An image display device according to the item.

【0092】[0092]

〔9〕 前記観察者眼球と前記観察光学系
の間に偏光板を配置したことを特徴とする上記1から7
の何れか1項記載の画像表示装置。
[9] A polarizing plate is disposed between the observer's eyeball and the observation optical system.
The image display device according to claim 1.

【0093】〔10〕 前記観察光学系は、光軸に対し
て偏心した少なくとも2面で構成された空間を屈折率が
1より大きい媒質によって満たされた偏心プリズムから
なり、観察者側に配置した透過面である第1面、前記第
1面に対向し偏光ハーフミラー面であり凹面鏡面である
第2面とするとき、前記光源は前記第2面の外側に配備
されることを特徴とする上記1又は2記載の画像表示装
置。
[10] The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index larger than 1 and has a space defined by at least two surfaces decentered with respect to the optical axis, and is arranged on the observer side. The light source is provided outside the second surface when the first surface is a transmission surface and the second surface is a concave mirror surface opposite to the first surface and is a polarization half mirror surface. 3. The image display device according to 1 or 2 above.

【0094】〔11〕 前記観察光学系は、光軸に対し
て偏心した少なくとも3面で構成された空間を屈折率が
1より大きい媒質によって満たされた偏心プリズムから
なり、観察者側に配置した透過及び反射作用を有する第
1面、前記第1面に対向し、偏光ハーフミラー面であり
凹面鏡面である第2面、前記画像表示素子に近接して対
向した透過面である第3面とするとき、前記光源は前記
第2面の外側に配備されることを特徴とする上記1又は
2記載の画像表示装置。
[11] The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index of greater than 1 in a space constituted by at least three surfaces decentered with respect to the optical axis, and is arranged on the observer side. A first surface having a transmitting and reflecting action, a second surface facing the first surface, being a polarizing half mirror surface and being a concave mirror surface, and a third surface being a transmitting surface proximate to and facing the image display element. 3. The image display device according to claim 1, wherein the light source is disposed outside the second surface.

【0095】〔12〕 前記観察光学系は、光軸に対し
て偏心した少なくとも4面で構成された空間を屈折率が
1より大きい媒質によって満たされた偏心プリズムから
なり、観察者側に配置した透過及び反射作用を有する第
1面、前記第1面に対向し、偏光ハーフミラー面であり
凹面鏡面である第2面、前記第2面に隣接した反射面で
ある第3面、前記画像表示素子に近接して対向した透過
面である第4面とするとき、前記光源は前記第2面の外
側に配備されることを特徴とする上記1又は2記載の画
像表示装置。
[12] The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index greater than 1 and has a space composed of at least four surfaces decentered with respect to the optical axis, and is arranged on the observer side. A first surface having a transmitting and reflecting action, a second surface facing the first surface and being a polarizing half mirror surface and a concave mirror surface, a third surface being a reflection surface adjacent to the second surface and the image display; The image display device according to claim 1 or 2, wherein the light source is provided outside the second surface when the fourth surface is a transmission surface that is opposed to and close to the element.

【0096】〔13〕 前記観察光学系は、光軸に対し
て偏心した少なくとも4面で構成された空間を屈折率が
1より大きい媒質によって満たされた偏心プリズムから
なり、観察者側に配置した透過及び反射作用を有する第
1面、前記第1面に対向し、凹面鏡面である第2面、前
記第2面に隣接した反射面及び透過面である第3面、前
記第3面に対向し前記第1面に隣接したパワーを有する
偏光ハーフミラー面である第4面とするとき、前記光源
は前記第4面の外側に配備されることを特徴とする上記
1又は2記載の画像表示装置。
[13] The observation optical system is composed of an eccentric prism filled with a medium having a refractive index of greater than 1 in a space composed of at least four surfaces decentered with respect to the optical axis, and is arranged on the observer side. A first surface having a transmitting and reflecting action, a second surface facing the first surface and a concave mirror surface, a reflecting surface adjacent to the second surface and a third surface being a transmitting surface, facing the third surface; The image display according to claim 1 or 2, wherein the light source is provided outside the fourth surface when the fourth surface is a polarization half mirror surface having power adjacent to the first surface. apparatus.

【0097】〔14〕 前記画像表示素子からの光が前
記観察光学系に入射する入射面及び観察者眼球に射出す
る射出面の中、少なくとも1面はパワーを有する面で構
成されたことを特徴とする上記10から13の何れか1
項記載の画像表示装置。
[14] At least one of the incident surface on which the light from the image display element enters the observation optical system and the exit surface from which the light exits the observer's eyeball is constituted by a surface having power. Any one of the above 10 to 13
An image display device according to the item.

【0098】〔15〕 前記光源から射出した照明光を
一方向に射出する照明手段が配備されたことを特徴とす
る上記1から14の何れか1項記載の画像表示装置。
[15] The image display device as described in any one of [1] to [14] above, further comprising an illuminating unit that emits the illumination light emitted from the light source in one direction.

【0099】〔16〕 前記照明手段は、前記光源の背
後に配置された反射板であることを特徴とする上記15
記載の画像表示装置。
[16] The illumination means may be a reflector disposed behind the light source.
The image display device as described in the above.

【0100】〔17〕 前記照明手段は、前記光源の直
後に配置された屈折光学系であることを特徴とする上記
15又は16記載の画像表示装置。
[17] The image display device as described in the above item 15 or 16, wherein the illuminating means is a refraction optical system disposed immediately after the light source.

【0101】〔18〕 照明光を放射する光源と、前記
照明光の反射によって画像を表示する画像表示素子と、
観察者眼球に前記画像を導く観察光学系とからなる画像
表示装置において、前記観察光学系は、前記画像表示素
子に対して略45°傾いた偏光ハーフミラー面を有し、
前記偏光ハーフミラー面を挟んで前記画像表示素子に対
向して配備された凹面鏡によって前記画像表示素子の画
像を拡大された虚像として観察者眼球に拡大投影する構
成であり、前記光源は、前記観察光学系を挟んで前記観
察者眼球に対向した位置に配備され、前記光源と前記観
察光学系の間には偏光状態を特定方向にのみ偏光した光
にする偏光板が配備され、前記凹面鏡と前記偏光ハーフ
ミラー面の間に1/4波長板が配備されていることを特
徴とする画像表示装置。
[18] A light source that emits illumination light, an image display element that displays an image by reflecting the illumination light,
In an image display device including an observation optical system that guides the image to an observer's eyeball, the observation optical system has a polarization half mirror surface inclined at approximately 45 ° with respect to the image display element,
A configuration in which an image of the image display element is magnified and projected on an observer's eyeball as a magnified virtual image by a concave mirror disposed opposite to the image display element with the polarization half mirror surface interposed therebetween, and A polarizing plate is provided at a position facing the observer's eyeball with an optical system interposed therebetween, and a polarizing plate is provided between the light source and the observation optical system to change the polarization state to light polarized only in a specific direction. An image display device, wherein a quarter-wave plate is provided between polarizing half mirror surfaces.

【0102】〔19〕 前記偏光ハーフミラー面は、屈
折率が1より大きい媒質でできた三角プリズムで前記偏
光ハーフミラー面を挟んだ直角プリズム形状をなす光学
素子に含まれるていることを特徴とする上記18記載の
画像表示装置。
[19] The polarizing half mirror surface is included in an optical element having a right-angle prism shape sandwiching the polarizing half mirror surface with a triangular prism made of a medium having a refractive index larger than 1. 19. The image display device according to the above item 18, wherein

【0103】〔20〕 前記観察者眼球と前記観察光学
系の間に偏光板を配置したことを特徴とする上記18又
は19記載の画像表示装置。
[20] The image display device as described in the above item 18 or 19, wherein a polarizing plate is arranged between the observer's eyeball and the observation optical system.

【0104】〔21〕 前記光源には前記光源から射出
した照明光を略一方向に射出する照明手段が配備された
ことを特徴とする上記19記載の画像表示装置。
[21] The image display apparatus according to the above item 19, wherein the light source is provided with an illuminating means for emitting illumination light emitted from the light source in substantially one direction.

【0105】〔22〕 前記照明手段は前記光源の背後
に配置された反射板であることを特徴とする上記21記
載の画像表示装置。
[22] The image display apparatus according to the above item 21, wherein the illuminating means is a reflector disposed behind the light source.

【0106】〔23〕 前記照明手段は前記光源の直後
に配置された屈折光学系であることを特徴とする上記2
1又は22記載の画像表示装置。
[23] The illumination device as described in item 2 above, wherein the illuminating means is a refractive optical system disposed immediately after the light source.
23. The image display device according to 1 or 22.

【0107】[0107]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、比較的簡単な装置構成であっても反射型の画
像表示素子の明るい画像を観察者に呈示し、観察者が明
瞭で綺麗な画像を観察することが可能な画像表示装置を
提供することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, even with a relatively simple device configuration, a bright image of the reflection type image display element is presented to the observer, and the observer can clearly see the image. An image display device capable of observing a clear image can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the concept of an image display device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第5の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第6の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第7の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第8の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view illustrating the concept of an image display device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第9の形態の画像表示装置の概念を示
す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the concept of an image display device according to a ninth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実施例1の画像表示装置の断面図で
ある。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the image display device according to the first embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施例2の画像表示装置の断面図で
ある。
FIG. 11 is a sectional view of an image display device according to a second embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施例3の画像表示装置の断面図で
ある。
FIG. 12 is a sectional view of an image display device according to a third embodiment of the present invention.

【図13】本発明の実施例4の画像表示装置の断面図で
ある。
FIG. 13 is a sectional view of an image display device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図14】本発明の実施例5の画像表示装置の断面図で
ある。
FIG. 14 is a sectional view of an image display device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図15】本発明による観察光学系を組み込んだポータ
ブル型の画像表示装置の1例の全体の構成を示す図であ
る。
FIG. 15 is a diagram showing an overall configuration of an example of a portable image display device incorporating an observation optical system according to the present invention.

【図16】従来の反射型LCDを用いる画像表示装置の
光学系を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing an optical system of an image display device using a conventional reflective LCD.

【図17】公知のDMDの構成を説明するための図であ
る。
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of a known DMD.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…光源 2…光軸(軸上主光線) 3…観察光学系 4…観察者眼球 5…照明光学系(反射板) 51 …凹面鏡 52 …両凸正レンズ 6…λ/4板 7…偏光板 8…偏光ハーフミラーコーティングした裏面鏡 9…無偏光ハーフミラー 10…画像表示素子 11…観察光学系の第1面 12…観察光学系の第2面 16…偏光ハーフミラー 17…ミラーコーティングした裏面鏡 19…射出瞳 21…観察光学系の第1面 22…観察光学系の第2面 23…観察光学系の第3面 31…観察光学系の第1面 32…観察光学系の第2面 41…観察光学系の第1面 42…観察光学系の第2面 43…観察光学系の第3面 44…観察光学系の第4面 51…観察光学系の第1面 52…観察光学系の第2面 61…観察光学系の第1面 62…観察光学系の第2面 63…観察光学系の第3面 64…観察光学系の第4面 71…観察光学系の第1面 72…観察光学系の第2面 73…観察光学系の第3面 74…観察光学系の第4面 81…観察光学系の第1面 82…観察光学系の第2面 90…偏光光学素子 91…観察光学系の第1面 92…観察光学系の第2面 93…観察光学系の第3面 94…観察光学系の第4面 95…観察光学系の第5面 96…観察光学系の第6面 97…観察光学系の第7面 100…表示装置本体 101…側頭フレーム 102…頭頂フレーム 103…板バネ 104…リアフレーム 105…頭頂パッド 106…スピーカ 107…映像音声伝達コード 108…再生装置 109…スイッチ、ボリューム等の調節部DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source 2 ... Optical axis (on-axis principal ray) 3 ... Observation optical system 4 ... Observer's eyeball 5 ... Illumination optical system (reflection plate) 5 1 ... Concave mirror 52 2 ... Biconvex positive lens 6 ... λ / 4 plate 7 ... Polarizing plate 8 ... Backside mirror coated with polarizing half mirror 9 ... Non-polarizing half mirror 10 ... Image display element 11 ... First surface of observation optical system 12 ... Second surface of observation optical system 16 ... Polarization half mirror 17 ... Mirror coating Back mirror 19 ... exit pupil 21 ... first surface of observation optical system 22 ... second surface of observation optical system 23 ... third surface of observation optical system 31 ... first surface of observation optical system 32 ... first of observation optical system 2 surface 41: first surface of observation optical system 42: second surface of observation optical system 43: third surface of observation optical system 44: fourth surface of observation optical system 51: first surface of observation optical system 52: observation Second surface of optical system 61: first surface of observation optical system 62: second surface of observation optical system 6 ... Third surface 64 of the observation optical system 64 Fourth surface 71 of the observation optical system 71 First surface 72 of the observation optical system 73 Second surface 73 of the observation optical system 73 Third surface 74 of the observation optical system 74 Fourth surface 81: first surface of observation optical system 82: second surface of observation optical system 90: polarizing optical element 91: first surface of observation optical system 92: second surface of observation optical system 93: observation optical system Third surface 94: fourth surface of observation optical system 95: fifth surface of observation optical system 96: sixth surface of observation optical system 97: seventh surface of observation optical system 100: display device body 101: temporal frame 102 … Top frame 103… leaf spring 104… rear frame 105… top pad 106… speaker 107… video and audio transmission code 108… playback device 109… adjustment section for switches, volume, etc.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 照明光を放射する光源と、前記照明光の
反射によって画像を表示する画像表示素子と、観察者眼
球に前記画像を導く観察光学系とからなる画像表示装置
において、 前記光源は、前記観察光学系のパワーを有する反射面の
外側に近接して配備され、 前記反射面は、特定偏光方向の光は透過させ、それと略
直交する偏光方向の光は反射する偏光ハーフミラー面か
らなることを特徴とする画像表示装置。
1. An image display apparatus comprising: a light source that emits illumination light; an image display element that displays an image by reflecting the illumination light; and an observation optical system that guides the image to an observer's eyeball. Is disposed in proximity to a reflection surface having the power of the observation optical system, wherein the reflection surface transmits light in a specific polarization direction and reflects light in a polarization direction substantially orthogonal to the polarization half mirror surface. An image display device, comprising:
【請求項2】 前記光源を射出した光束が前記反射面を
透過して前記画像表示素子に入射する照明光路と、前記
画像表示素子で反射した光束が前記反射面を介して観察
者眼球に導かれる観察光路とが、前記反射面と前記画像
表示素子との間で往復光路を形成するように前記観察光
学系が形成されていることを特徴とする請求項1記載の
画像表示装置。
2. An illumination light path through which a light beam emitted from the light source passes through the reflection surface and enters the image display element, and a light beam reflected by the image display element is guided to an observer's eye via the reflection surface. 2. The image display device according to claim 1, wherein the observation optical system is formed such that the observation optical path formed forms a reciprocating optical path between the reflection surface and the image display element.
【請求項3】 照明光を放射する光源と、前記照明光の
反射によって画像を表示する画像表示素子と、観察者眼
球に前記画像を導く観察光学系とからなる画像表示装置
において、 前記観察光学系は、前記画像表示素子に対して略45°
傾いた偏光ハーフミラー面を有し、前記偏光ハーフミラ
ー面を挟んで前記画像表示素子に対向して配備された凹
面鏡によって前記画像表示素子の画像を拡大された虚像
として観察者眼球に拡大投影する構成であり、 前記光源は、前記観察光学系を挟んで前記観察者眼球に
対向した位置に配備され、 前記光源と前記観察光学系の間には偏光状態を特定方向
にのみ偏光した光にする偏光板が配備され、 前記凹面鏡と前記偏光ハーフミラー面の間に1/4波長
板が配備されていることを特徴とする画像表示装置。
3. An image display apparatus comprising: a light source that emits illumination light; an image display element that displays an image by reflecting the illumination light; and an observation optical system that guides the image to an observer's eyeball. The system is approximately 45 ° with respect to the image display element.
An image of the image display element is magnified and projected to the observer's eyeball as a magnified virtual image by a concave mirror arranged to face the image display element with the polarization half mirror surface interposed therebetween with an inclined polarization half mirror surface. Wherein the light source is disposed at a position facing the observer's eyeball with the observation optical system interposed therebetween, and between the light source and the observation optical system, changes the polarization state into light polarized only in a specific direction. An image display device comprising: a polarizing plate; and a quarter-wave plate provided between the concave mirror and the polarizing half mirror surface.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000275571A (en) * 1999-03-23 2000-10-06 Minolta Co Ltd Video forming optical system
JP2001311907A (en) * 2000-04-28 2001-11-09 Canon Inc Device and system for image display
JP2002055304A (en) * 2000-08-09 2002-02-20 Mixed Reality Systems Laboratory Inc Picture display device
JP2002090693A (en) * 2000-07-10 2002-03-27 Olympus Optical Co Ltd Image display device
JP2002277817A (en) * 2001-02-14 2002-09-25 Samsung Electronics Co Ltd Image display apparatus
JP2003107402A (en) * 2001-07-26 2003-04-09 Seiko Epson Corp Stereoscopic display and projection-type stereoscopic display
US7233441B2 (en) 2001-10-11 2007-06-19 Seiko Epson Corporation Stereoscopic display
US7675685B2 (en) 2006-09-05 2010-03-09 Canon Kabushiki Kaisha Image display apparatus
US7688399B2 (en) 2006-09-14 2010-03-30 Canon Kabushiki Kaisha Image display apparatus

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000275571A (en) * 1999-03-23 2000-10-06 Minolta Co Ltd Video forming optical system
JP2001311907A (en) * 2000-04-28 2001-11-09 Canon Inc Device and system for image display
JP2002090693A (en) * 2000-07-10 2002-03-27 Olympus Optical Co Ltd Image display device
JP2002055304A (en) * 2000-08-09 2002-02-20 Mixed Reality Systems Laboratory Inc Picture display device
JP2002277817A (en) * 2001-02-14 2002-09-25 Samsung Electronics Co Ltd Image display apparatus
JP2003107402A (en) * 2001-07-26 2003-04-09 Seiko Epson Corp Stereoscopic display and projection-type stereoscopic display
US7233441B2 (en) 2001-10-11 2007-06-19 Seiko Epson Corporation Stereoscopic display
US7675685B2 (en) 2006-09-05 2010-03-09 Canon Kabushiki Kaisha Image display apparatus
US7688399B2 (en) 2006-09-14 2010-03-30 Canon Kabushiki Kaisha Image display apparatus

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