JP2001264680A - Image display device - Google Patents

Image display device

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JP2001264680A
JP2001264680A JP2000070287A JP2000070287A JP2001264680A JP 2001264680 A JP2001264680 A JP 2001264680A JP 2000070287 A JP2000070287 A JP 2000070287A JP 2000070287 A JP2000070287 A JP 2000070287A JP 2001264680 A JP2001264680 A JP 2001264680A
Authority
JP
Japan
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optical element
light beam
incident
light
reflected
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000070287A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazutaka Inoguchi
和隆 猪口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Original Assignee
Mixed Reality Systems Laboratory Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Mixed Reality Systems Laboratory Inc filed Critical Mixed Reality Systems Laboratory Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an image display device with which image information is observed by excellent image quality in a wide observation visual field while making a whole device small, especially, thinning an ocular optical system part in an observer's visual line direction. SOLUTION: The device is provided with a first optical element which has a reflection display means, a light incident surface, a light incident/exit surface opposing to the display means and at least one surface Ra and which is filled with the same material inside and with a second optical element which has an incident surface for making light fluxes from the display means enter, a plurality of eccentric reflection surfaces for reflecting the light fluxes from the incident surface and having power and an exit surface for emitting the light fluxes reflected from the reflection surfaces and for guiding a light to the pupil of an observer and which is filled with a same material inside. The one surface Ra of the first optical element is joined with a part of the incident surface of the second optical element and the light fluxes are reflected from a part of the joined surface and emitted from the incident/exit surface so that the display means is illuminated.

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、特
に反射型の液晶等の画像表示素子で光変調された光束に
基づく画像情報を適切に設定した自由曲面を有する光学
素子を介して拡大して観察するようにしたヘッドマウン
トディスプレイ(HMD)やメガネ型ディスプレイ等に
好適な画像表示装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display device, and more particularly, to an image display device, such as a reflection type liquid crystal device, which enlarges an image via an optical element having a free-form surface on which image information based on a light beam modulated light is appropriately set. The present invention relates to an image display device suitable for a head-mounted display (HMD), a glasses-type display, and the like, which are observed by viewing.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来よりCRTやLCD等の画像表示素
子(表示素子)を用い、これらの表示素子に基づく画像
を画像観察光学系を介して拡大して観察させるようにし
た頭部装着型の画像表示装置(ヘッドマウントディスプ
レイHMD)が良く知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a head-mounted type using an image display element (display element) such as a CRT or an LCD and enlarging and observing an image based on these display elements via an image observation optical system. An image display device (head-mounted display HMD) is well known.

【0003】図14は従来の共軸凹面鏡を用いた画像表
示装置の要部概略図である。同図では表示素子61に表
示された画像情報からの光束をハーフミラー62で反射
させ、凹面鏡63に入射させている。凹面鏡63で反射
した光束をハーフミラー62を介して観察者Eに導光し
ている。表示素子61に表示した画像情報は凹面鏡63
によって拡大した虚像として形成される。これにより、
観察者は表示素子61に表示した画像情報の拡大虚像を
観察している。
FIG. 14 is a schematic view of a main part of an image display apparatus using a conventional coaxial concave mirror. In the figure, the light flux from the image information displayed on the display element 61 is reflected by the half mirror 62 and is incident on the concave mirror 63. The light beam reflected by the concave mirror 63 is guided to the observer E via the half mirror 62. The image information displayed on the display element 61 is
Is formed as an enlarged virtual image. This allows
The observer observes an enlarged virtual image of the image information displayed on the display element 61.

【0004】また、例えば特開平7-333551号公報,特開
平8-50256号公報,特開平8-160340号公報,特開平8-17
9238号公報等においては、画像情報を表示する表示手段
としてのLCD(液晶)と観察光学系としての薄型プリ
ズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装
置が提案されている。
Further, for example, JP-A-7-333551, JP-A-8-50256, JP-A-8-160340, JP-A-8-17
No. 9238 proposes an image display device which uses an LCD (liquid crystal) as a display means for displaying image information and a thin prism as an observation optical system to reduce the thickness of the entire device.

【0005】図15は、特開平7-333551号公報で提案し
ている画像表示装置の要部概略図である。図15におい
て、LCD51から発せられた光を、小型プリズム52
の入射面53に入射させている。そして該小型プリズム
52に形成した曲率を有した全反射面54、そして反射
面55との間で光束を折り畳み、その後、面54より小
型プリズム52を射出させて観察者Eに導光している。
これによって表示手段(LCD)51に基づく画像情報
の虚像を形成し、該虚像を観察者Eが観察するようにし
ている。小型プリズム52の反射面55は、偏心した非
回転対称面(アジムス角度により光学的パワーの異なる
面、所謂自由曲面)で構成された偏心自由曲面より成っ
ている。
FIG. 15 is a schematic view of a main part of an image display device proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-333551. In FIG. 15, light emitted from the LCD 51 is
Are incident on the incident surface 53. Then, the light beam is folded between the total reflection surface 54 having the curvature formed on the small prism 52 and the reflection surface 55, and then the small prism 52 is emitted from the surface 54 to guide the light to the observer E. .
Thereby, a virtual image of the image information based on the display means (LCD) 51 is formed, and the observer E observes the virtual image. The reflection surface 55 of the small prism 52 is formed of an eccentric free-form surface constituted by an eccentric non-rotationally symmetric surface (a surface having a different optical power depending on the azimuth angle, a so-called free-form surface).

【0006】図15に示す光学系のタイプは図14に示
した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体
の薄型化及び観察視野の広画角化が容易であるという特
徴を有している。
The type of optical system shown in FIG. 15 is characterized in that it is easier to make the entire apparatus thinner and to increase the angle of view of the observation field as compared with the conventional type using a coaxial concave mirror shown in FIG. are doing.

【0007】図15に示すようなタイプの薄型のヘッド
マウントディスプレイ(HMD)等の画像表示装置にお
いて、表示素子として開口効率が高く小型化に有利な反
射型の表示素子を用いて構成しようとすると、例えば図
16に示すように表示素子51と小型プリズム52の入
射面53との間に表示素子51を照明するための照明系
70を挿入する必要がある。
In an image display device such as a thin head mounted display (HMD) of the type shown in FIG. 15, it is attempted to use a reflective display device having a high aperture efficiency and advantageous for miniaturization as a display device. For example, as shown in FIG. 16, it is necessary to insert an illumination system 70 for illuminating the display element 51 between the display element 51 and the entrance surface 53 of the small prism 52.

【0008】ここで照明系70は、例えば光源71、光
源71からの発散光束を集光し略平行光とするコンデン
サーレンズ72、コンデンサーレンズ72からの光束を
反射させ表示素子51を照明するハーフミラー面73a
を含むプリズム73等を有している。画像表示装置にお
いて、反射型の表示素子を用いると、それを照明するた
めの照明系を表示素子51と小型プリズム52との間に
配置する必要がある。この為、図16に示すようにプリ
ズム52と表示素子51との間隔を広くする必要があ
る。
Here, the illumination system 70 includes, for example, a light source 71, a condenser lens 72 that collects divergent light beams from the light source 71 and converts them into substantially parallel light, and a half mirror that reflects the light beams from the condenser lens 72 to illuminate the display element 51. Surface 73a
And the like. When a reflective display element is used in the image display device, it is necessary to arrange an illumination system for illuminating the reflective display element between the display element 51 and the small prism 52. Therefore, it is necessary to increase the distance between the prism 52 and the display element 51 as shown in FIG.

【0009】これに対して特開平11−125791号
公報に提案されている画像表示装置では、反射型の画像
表示素子、中間結像することなく少なくとも1面の偏心
した裏面反射面を有する非テレセントリック接眼光学系
を有する画像表示装置において、光源を入射瞳と略共役
な位置に配置している。
On the other hand, in the image display device proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-125791, a non-telecentric image display device, a non-telecentric non-telecentric device having at least one eccentric back reflection surface without intermediate image formation is provided. In an image display device having an eyepiece optical system, a light source is disposed at a position substantially conjugate with an entrance pupil.

【0010】図17に該公報で具体的に開示された構成
を以下に示す。
FIG. 17 shows a configuration specifically disclosed in the publication.

【0011】図17は特開平11−125791号公報
に開示された第1の具体的な構成図であり、光源11
2,反射型LCD108、透過面及び全反射面として作
用する第1面103、反射面として作用する第2面10
4、透過面として作用する第3面105がそれぞれ屈折
率が1より大きい媒質で満たされた偏心光学系110よ
り構成されている。
FIG. 17 is a first specific configuration diagram disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-125791.
2, a reflective LCD 108, a first surface 103 acting as a transmitting surface and a total reflecting surface, and a second surface 10 acting as a reflecting surface
4. The third surface 105 acting as a transmission surface is constituted by an eccentric optical system 110 filled with a medium having a refractive index larger than 1.

【0012】光源112は、反射型LCD108の表示
面をミラーとしてこれと偏心光学系110とより成る光
学系により、射出瞳101と共役であり、表示素子の表
示面と偏心光学系の表示光入射面との間のスペース及び
それを取り巻くスペースで、表示光を遮断しない光路外
の位置に光源手段を配置されている。
The light source 112 is conjugate with the exit pupil 101 by an optical system including the reflection type LCD 108 as a mirror and the decentered optical system 110 as a mirror, and the display surface of the display element and the display light incident on the decentered optical system. The light source means is arranged in a space between the surface and the space surrounding the surface and at a position outside the optical path which does not block the display light.

【0013】また、図18、図19はそれぞれ特開平1
1−125791号公報に開示された第2、第3の具体
的な構成図であり、光源112,反射型LCD108、
透過面及び全反射面として作用する第1面103、反射
面として作用する第2面104、透過面として作用する
第3面105がそれぞれ屈折率が1より大きい媒質で満
たされた偏心光学系110より構成され、偏心光学系1
10の一部で、表示光束が通らない部分又は方向を透過
させて表示面を照明できる位置に光源手段を配置したも
のである。
FIG. 18 and FIG.
FIG. 2 is a second and a third specific configuration diagram disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-127971, in which a light source 112, a reflective LCD 108,
An eccentric optical system 110 in which a first surface 103 acting as a transmission surface and a total reflection surface, a second surface 104 acting as a reflection surface, and a third surface 105 acting as a transmission surface are each filled with a medium having a refractive index larger than 1. Decentered optical system 1
The light source means is disposed at a position where a part of the display light can be illuminated by transmitting a portion or a direction through which a display light beam does not pass.

【0014】また、同公報によれば、図20に示すよう
に、偏心した面103,104,105,106に囲ま
れたプリズム状の偏心光学素子と、偏心した反射面11
5とを、光源112からの光が一度プリズム状の偏心光
学素子を通り、偏心反射面115で反射され、再度プリ
ズム状の偏心光学素子を通って反射型LCD108を照
明するようにしたものも開示されている。
According to the publication, as shown in FIG. 20, a prism-shaped decentered optical element surrounded by decentered surfaces 103, 104, 105, and 106, and a decentered reflecting surface 11
No. 5 is also disclosed in which the light from the light source 112 passes through the prism-shaped decentered optical element, is reflected by the decentered reflection surface 115, and illuminates the reflective LCD 108 again through the prism-shaped decentered optical element. Have been.

【0015】特開平11−125791号公報に光源配
置まで含め、反射型LCDに表示した画像を観察可能な
形態で開示されているのは、上述の4種類の形態のみで
ある。
[0015] Only the above-mentioned four types are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-125791 in a form in which an image displayed on a reflection type LCD can be observed, including the arrangement of light sources.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ヘッド
マウントディスプレイやメガネ型ディスプレイ等の画像
表示装置は、装置全体の小型化,軽量化が要望されてい
る。特に、重量バランス、外観等を考慮すると、観察者
の視軸方向に薄型であることが望まれている。また、観
察画角を広げることが重要な課題となっている。
As described above, image display devices such as head-mounted displays and glasses-type displays are required to be smaller and lighter as a whole. In particular, in consideration of the weight balance, the appearance, and the like, it is desired to be thin in the visual axis direction of the observer. Further, it is an important issue to widen the observation angle of view.

【0017】特開平11−125791号公報に開示さ
れた構成においては、図17に示すように、光源112
からの光を反射型LCD108に直接入射させる構成の
ため、光源112が観察者側に出っ張りアイレリーフを
確保出来なくなるか、又は反射型LCDへの各画角の主
光線の角度差が大きくなり反射型LCDの視角特性の影
響を受けて画面内でのコントラストが大きくばらつく傾
向があった。
In the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-125791, as shown in FIG.
The light from the light source 112 protrudes to the observer side, and the eye relief cannot be secured, or the angle difference between the principal rays of each angle of view to the reflective LCD becomes large, and the light is reflected by the light source 112. There is a tendency that the contrast in the screen greatly varies under the influence of the viewing angle characteristics of the LCD.

【0018】また、図18の構成であれば反射型LCD
108の鉛直方向より図中右側から、図19の構成であ
れば反射型LCD108の鉛直方向より図中左側から、
光源からの発散光を偏心光学系110の一部を介して反
射型LCD108を照明するようにしているため、光源
から遠い方の光線ほど反射型LCDへの入射角が浅くな
り、LCDの視角特性に起因するコントラストのグラデ
ーションが発生するという傾向があった。
In the case of the configuration shown in FIG.
In the configuration of FIG. 19, from the right side in the figure from the vertical direction of the LCD 108, and from the left side in the figure from the vertical direction of the reflective LCD 108 in the configuration of FIG.
Since the divergent light from the light source illuminates the reflective LCD 108 through a part of the decentered optical system 110, the light rays farther from the light source have a smaller incident angle to the reflective LCD, and the viewing angle characteristics of the LCD Tend to cause contrast gradation.

【0019】また、図20の構成においては、組立時に
それぞれが互いに偏心したプリズム状の偏心光学素子と
反射型LCDと偏心反射面との間で調整を行わねば成ら
ず、調整が困難となる傾向があった。
In the configuration shown in FIG. 20, adjustment must be performed between the prism-shaped decentered optical element, the reflective LCD, and the decentered reflection surface, which are decentered from each other, during assembly, and the adjustment tends to be difficult. was there.

【0020】本発明は、液晶ディスプレイ等の反射型の
表示手段に表示した画像情報を広い観察視野で観察する
際、表示手段を照明する照明系及び表示手段からの光束
を観察者の眼球に導光するための光学系、例えば屈折作
用を有するプリズム体より成る光学手段等の構成を適切
に設定することによって、装置全体の小型化、特に観察
者の視軸方向に対する接眼光学系部分の薄型化を図りつ
つ、該画像情報を広い観察視野において良好なる画質で
観察することができる画像表示装置の提供を目的とす
る。
According to the present invention, when observing image information displayed on a reflective display means such as a liquid crystal display in a wide observation field, an illumination system for illuminating the display means and a light beam from the display means are guided to an observer's eyeball. By appropriately setting the configuration of an optical system for emitting light, for example, an optical unit including a prism having a refractive action, the size of the entire apparatus can be reduced, and in particular, the thickness of the eyepiece optical system in the visual axis direction of the observer can be reduced. It is an object of the present invention to provide an image display device which can observe the image information with a good image quality in a wide observation visual field while achieving the above.

【0021】この他、本発明は、画面内でのコントラス
トのばらつきが少なく、組立・調整の簡単な光学系が構
成できる画像表示装置の提供を目的とする。
Another object of the present invention is to provide an image display device in which the variation in contrast within a screen is small and an optical system which can be easily assembled and adjusted can be constituted.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明の画像表
示装置は、反射型の表示手段、光束を入射させる入射
面、該反射型の表示手段に対向し光束を射出及び入射さ
せる出入射面と、それ以外に少なくとも一面を有し、内
部を同一材質で満たした第1光学素子、該反射型の表示
手段からの光束を入射させる入射面、該入射面から入射
した光束を反射させる光路に対して偏心し且つパワーを
有する複数の反射面、該複数の反射面で反射した光束を
射出させ観察者の瞳に導光する射出面とを有し、内部を
同一材質で満たした第2光学素子、を有し、該第1光学
素子の入射面,出入射面以外の一面の少なくとも一部と
該第2光学素子の入射面の少なくとも一部とは直接又は
光学部材を介して接合されており、該接合された面の少
なくとも一部で光束を反射して該出入射面より射出させ
て該反射型の表示手段を照明することを特徴としてい
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an image display apparatus, comprising: a reflective display means; an incident surface on which a light beam is incident; A first optical element having a surface and at least one other surface, the interior of which is filled with the same material, an incident surface on which a light beam from the reflective display means is incident, and an optical path for reflecting the light beam incident from the incident surface A plurality of reflecting surfaces which are eccentric and have power with respect to the light, an emitting surface which emits light beams reflected by the plurality of reflecting surfaces and guides the light to an observer's pupil, and the inside of which is filled with the same material. An optical element, and at least a part of one surface other than the incident surface and the outgoing / incident surface of the first optical element and at least a part of the incident surface of the second optical element are joined directly or via an optical member. Luminous flux in at least a part of the joined surface Reflected by injection from said output incident surface is characterized by illuminating the display means of the reflection type.

【0023】請求項2の発明は請求項1の発明におい
て、前記反射型の表示手段で反射し前記出入射面より前
記第1光学素子に入射した光束が、前記接合面の接合部
より第2光学素子に導かれることを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a light beam reflected by the reflective display means and incident on the first optical element from the outgoing / incoming surface is secondly transmitted from the joint of the joint surface. It is characterized by being guided to an optical element.

【0024】請求項3の発明は請求項2の発明におい
て、前記接合面が、反射膜形成部と反射膜非形成部とを
含み、前記出入射面並びに前記接合面以外の前記第1光
学素子の面より入射した光束が該反射膜形成部により反
射されて前記出入射面を射出して前記反射型の表示手段
に導かれ、前記反射型の表示手段からの光束を該反射膜
非形成部を通過させて前記第2光学素子に導くことを特
徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the joint surface includes a reflection film forming portion and a non-reflection film forming portion, and the first optical element other than the light incident / incident surface and the joint surface. The light beam incident from the surface is reflected by the reflection film forming portion, exits the light entrance / exit surface, is guided to the reflection type display means, and the light beam from the reflection type display means is reflected by the reflection film non-formation portion. And guided to the second optical element.

【0025】請求項4の発明は請求項2の発明におい
て、前記接合面が、光束を非接合部で全反射されて前記
出入射面を射出して前記反射型の表示手段に導かれ、前
記反射型の表示手段からの光束を該反射膜非形成部を通
過させて前記第2光学素子に導くことを特徴としてい
る。
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the joint surface is totally reflected by the non-joint portion of the luminous flux, exits the entrance / exit surface, is guided to the reflective display means, A light beam from a reflective display means is guided through the non-reflective film-forming portion to the second optical element.

【0026】請求項5の発明は請求項2の発明におい
て、前記接合面が、偏光ビームスプリッタとして作用す
るよう構成されたことを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the joining surface is configured to function as a polarizing beam splitter.

【0027】請求項6の発明は請求項2の発明におい
て、前記接合面が、ハーフミラーとして作用するよう構
成されたことを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the joint surface is configured to function as a half mirror.

【0028】請求項7の発明は請求項3〜6のいずれか
1項の発明において、前記第1光学素子の入射面と出入
射面とが同一形状の面であることを特徴としている。
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects, the incident surface and the outgoing / incident surface of the first optical element have the same shape.

【0029】請求項8の発明は請求項3〜6のいずれか
1項の発明において、前記第2光学素子を構成する複数
のパワーを有した反射面のうちの一面と、前記第1光学
素子の入射面とが同一形状の面であることを特徴として
いる。
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects of the present invention, one of the plurality of power reflecting surfaces constituting the second optical element and the first optical element are provided. Is characterized in that the incident surface is a surface of the same shape.

【0030】請求項9の発明は請求項3〜6のいずれか
1項の発明において、前記第2光学素子を構成する複数
のパワーを有した反射面のうちの一面と、前記第1光学
素子の出入射面とが同一形状の面であることを特徴とし
ている。
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention of any one of the third to sixth aspects, one of the plurality of power reflecting surfaces constituting the second optical element and the first optical element are provided. Is characterized in that the light incident and incident surfaces are surfaces having the same shape.

【0031】請求項10の発明は請求項3〜6のいずれ
か1項の発明において、前記第1光学素子の出入射、入
射面と、前記第2光学素子の複数のパワーを有した反射
面、射出面が、それぞれ異なる面で構成されたことを特
徴としている。
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention of any one of the third to sixth aspects, an outgoing / incident surface of the first optical element and a reflecting surface having a plurality of powers of the second optical element are provided. , And the emission surface is constituted by different surfaces.

【0032】請求項11の発明は請求項3〜6のいずれ
か1項の発明において、前記第2光学素子の複数のパワ
ーを有した反射面のうち、少なくとも1面が非回転対称
面であることを特徴としている。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention of any one of the third to sixth aspects, at least one of the plurality of power reflecting surfaces of the second optical element is a non-rotationally symmetric surface. It is characterized by:

【0033】請求項12の発明は請求項3〜6のいずれ
か1項の発明において、前記第2光学素子の複数のパワ
ーを有した反射面のうち、少なくとも1面が全反射を利
用していることを特徴としている。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention of any one of the third to sixth aspects, at least one of the plurality of reflecting surfaces of the second optical element having a plurality of powers utilizes total reflection. It is characterized by having.

【0034】請求項13の発明は請求項11又は12の
発明において、前記第2光学素子の複数の曲面反射面は
第1曲面反射面と第2曲面反射面の2面を有し、前記表
示手段で反射され前記第1光学素子の一部を通過した光
束を前記第2光学素子の入射面より入射させ、該第1曲
面反射面で全反射させ、第2曲面反射面で反射させた後
に射出面より射出させて観察者に導光していることを特
徴としている。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in accordance with the eleventh or twelfth aspect, the plurality of curved reflecting surfaces of the second optical element have two surfaces, a first curved reflecting surface and a second curved reflecting surface. After the light beam reflected by the means and passed through a part of the first optical element is made incident on the incident surface of the second optical element, totally reflected by the first curved reflecting surface, and reflected by the second curved reflecting surface, It is characterized in that the light is emitted from the emission surface and guided to the observer.

【0035】請求項14の発明は請求項11又は12の
発明において、前記第2光学素子の複数の曲面反射面は
第1曲面反射面と第2曲面反射面と第3曲面反射面の3
面を有し、前記表示手段からの光束を前記第2光学素子
の入射面より入射させ、第1曲面反射面で反射させ、第
2曲面反射面で全反射させ、第3曲面反射面で反射させ
た後に射出面より射出させて観察者に導光していること
を特徴としている。
According to a fourteenth aspect, in the eleventh or twelfth aspect, the plurality of curved reflecting surfaces of the second optical element are three of a first curved reflecting surface, a second curved reflecting surface, and a third curved reflecting surface.
A light beam from the display means is incident on the incident surface of the second optical element, reflected by the first curved reflecting surface, totally reflected by the second curved reflecting surface, and reflected by the third curved reflecting surface After that, the light is emitted from the emission surface and guided to the observer.

【0036】請求項15の発明は請求項3〜6のいずれ
か1項の発明において、前記第1光学素子の入射面に入
射させる光束に指向性を持たせるための光学系を有して
いることを特徴としている。
According to a fifteenth aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects of the present invention, there is provided an optical system for imparting directivity to a light beam incident on the incident surface of the first optical element. It is characterized by:

【0037】請求項16の発明は請求項3〜6のいずれ
か1項の発明において、直線偏光した光束を前記第1光
学素子に入射させるための偏光手段を有することを特徴
としている。
According to a sixteenth aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects, there is provided a polarizing means for causing a linearly polarized light beam to enter the first optical element.

【0038】請求項17の発明は請求項3〜6のいずれ
か1項の発明において、前記第1光学素子の入射面に入
射させる光束に指向性を持たせるための光学系と、直線
偏光した光束を前記第1光学素子に入射させるための偏
光手段を有し、該光学系及び偏光手段の少なくとも一方
と,該第1光学素子とが接合されていることを特徴とし
ている。
According to a seventeenth aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects of the present invention, an optical system for imparting directivity to a light beam incident on the incident surface of the first optical element, and a linearly polarized optical system. It is characterized by having a polarizing means for causing a light beam to enter the first optical element, wherein at least one of the optical system and the polarizing means is joined to the first optical element.

【0039】請求項18の発明は請求項2の発明におい
て、前記第2光学素子の複数の曲面反射面のうち少なく
とも一面が全反射を利用していることを特徴としてい
る。
An eighteenth invention is characterized in that, in the invention of the second invention, at least one of the plurality of curved reflecting surfaces of the second optical element utilizes total reflection.

【0040】請求項19の発明の画像表示装置は、光束
を入射させる入射面S1と該入射面S1からの光束を反
射及び透過させる機能を有した面S2に導光し、該面S
2で反射した光束を射出させる射出面S3とを有した第
1光学素子を用いて、該第1射出面に対向配置した表示
素子を照明し、該表示素子からの光束のうち、該射出面
S3より入射し、該面S2の少なくも一部分と直接又は
光学部材を介して少なくとも一部分が接合された入射面
S4から光束を入射させ入射面S4からの光束を反射及
び透過させる機能を有した面S5に導光し、該面S5で
反射した光束を反射させる反射面S6、そして該反射面
S6からの光束を該面S5より射出させるようにした第
2光学素子を用いて該表示素子に基づく画像を観察する
ようにしたことを特徴としている。
According to the nineteenth aspect of the present invention, the image display device guides the light to an incident surface S1 on which a light beam is incident and a surface S2 having a function of reflecting and transmitting the light beam from the incident surface S1.
A display element disposed opposite to the first exit surface is illuminated by using a first optical element having an exit surface S3 for emitting the light beam reflected by the light source 2, and the exit surface of the light beam from the display element is illuminated. A surface having a function of causing a light beam to enter from an incident surface S4 to which light is incident from S3 and at least partially joined to at least a part of the surface S2 directly or via an optical member, and reflecting and transmitting the light beam from the incident surface S4. Based on the display element using a reflecting surface S6 that guides the light to S5 and reflects the light beam reflected by the surface S5, and a second optical element that emits the light beam from the reflecting surface S6 from the surface S5. It is characterized in that an image is observed.

【0041】請求項20の発明は請求項19の発明にお
いて、前記第1,第2光学素子はいずれも、少なくとも
1つの非対称非球面を有し、内部を同一材質で満たした
プリズム体より成っていることを特徴としている。
According to a twentieth aspect of the present invention, in the nineteenth aspect, each of the first and second optical elements has at least one asymmetrical aspherical surface and comprises a prism body filled with the same material. It is characterized by having.

【0042】請求項21の発明のヘッドマウントディス
プレイは請求項1から20のいずれか1項の画像表示装
置を観察者の頭部又は顔面に装着可能に構成したことを
特徴としている。
A head-mounted display according to a twenty-first aspect of the present invention is characterized in that the image display device according to any one of the first to twentieth aspects can be mounted on the head or face of an observer.

【0043】[0043]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の画像表示装置の
実施形態1の要部概略図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a schematic view of a main part of a first embodiment of an image display device according to the present invention.

【0044】本実施形態では画像表示装置を観察者の頭
部に装着することができるヘッドマウントディスプレイ
(HMD)に適用した場合の片眼についてのみ示してい
る。
In this embodiment, only one eye when the image display device is applied to a head mounted display (HMD) that can be mounted on the observer's head is shown.

【0045】図中、1は面光源、2はレンズ系、3は偏
光板であり、光源手段の一要素を構成している。1,2
及び3は偏心配置されても良いが、共軸配置された方が
光利用効率が良く好ましい。
In the figure, 1 is a surface light source, 2 is a lens system, and 3 is a polarizing plate, which constitutes one element of the light source means. 1,2
And 3 may be arranged eccentrically, but it is preferable to arrange them coaxially because the light use efficiency is high.

【0046】B1は第1光学素子であり、透過面S1,
反射及び透過させる機能を有した面S2,透過面S3の
3つの光学面を有し、内部が同一材質で満たされたプリ
ズム形状の光学素子である。尚、透過面S1は光束を入
射させる入射面であり、透過面S3は反射型の表示手段
に対向して配置され、該反射型の表示手段へ光を射出す
る機能と、該反射型の表示手段からの光を入射させる機
能とを有した出入射面である。また、本実施形態におい
ては、面S2の一部に金属膜または誘電体膜などの反射
膜を形成し、該反射膜形成部に反射機能を負わせ、反射
膜非形成部に透過機能を負わせている。
B1 is a first optical element, and has a transmission surface S1,
It is a prism-shaped optical element having three optical surfaces, a surface S2 and a transmission surface S3, having a function of reflecting and transmitting, and the inside of which is filled with the same material. The transmitting surface S1 is an incident surface on which a light beam is incident, and the transmitting surface S3 is disposed so as to face the reflective display means, and has a function of emitting light to the reflective display means, and a function of displaying the reflective display means. It is an entrance / exit surface having the function of allowing light from the means to enter. Further, in the present embodiment, a reflective film such as a metal film or a dielectric film is formed on a part of the surface S2, the reflective film forming portion has a reflecting function, and the reflective film non-forming portion has a transmitting function. I'm making it.

【0047】4は反射型の表示手段であり、反射型の液
晶表示装置(LCD)よりなっている。
Reference numeral 4 denotes a reflection type display means, which comprises a reflection type liquid crystal display (LCD).

【0048】B2は第2光学素子であり、透過面S4、
反射面及び透過面として作用する曲面S5、金属膜また
は誘電体膜などの反射膜を形成した反射曲面S6の3つ
の光学面を有し、内部が同一材質で満たされたプリズム
形状の素子である。尚、透過面S4は反射型の表示手段
からの光束を入射させる入射面であり、曲面S5及び曲
面S6は入射面S4より入射した光の光路に対して偏心
し且つパワーを有した2つの反射面であり、また曲面S
5は光束を射出させ観察者の瞳に導光する射出面でもあ
る。
B2 is a second optical element, which has a transmission surface S4,
A prism-shaped element having three optical surfaces, a curved surface S5 acting as a reflective surface and a transmissive surface, and a reflective curved surface S6 formed with a reflective film such as a metal film or a dielectric film, and the inside of which is filled with the same material. . The transmitting surface S4 is an incident surface on which a light beam from the reflective display means is incident, and the curved surfaces S5 and S6 are two reflecting surfaces having eccentricity and power with respect to the optical path of the light incident from the incident surface S4. Surface and curved surface S
An exit surface 5 emits a light beam and guides the light to the pupil of the observer.

【0049】第1光学素子B1と第2光学素子B2は、
面S2の一部分と面S4の一部分とで接合されている。
5は偏光板であり、偏光板3と偏光軸が略直交するよう
に配置している。
The first optical element B1 and the second optical element B2 are
It is joined at a part of the surface S2 and a part of the surface S4.
Reference numeral 5 denotes a polarizing plate, which is disposed so that the polarizing axis of the polarizing plate 3 is substantially orthogonal to the polarizing plate.

【0050】ここで、面S3,S5,S6及び面S2と
面S4の接合部S24は、反射型LCD4上に表示され
た画像の拡大虚像を形成する接眼光学系(観察光学系)
ISを構成している。
Here, the surfaces S3, S5, S6 and the joint S24 between the surface S2 and the surface S4 are provided with an eyepiece optical system (observation optical system) for forming an enlarged virtual image of the image displayed on the reflective LCD 4.
IS.

【0051】本実施形態では、該接眼光学系ISが観察
者の眼Eの視軸方向(図中Z軸方向)に薄くなるよう
に、該接眼光学系ISを構成する各面S3,S5,S6
を光路に対して偏心させた構成としている。
In the present embodiment, the respective surfaces S3, S5, S5, S5 constituting the eyepiece optical system IS are arranged such that the eyepiece optical system IS becomes thinner in the visual axis direction of the observer's eye E (Z-axis direction in the figure). S6
Is decentered with respect to the optical path.

【0052】特に、反射面S5,S6を偏心配置してい
る。中でも面S5において反射する光束に対しては、第
2光学素子B2を構成する材質の屈折率をnとすると
き、最終的に観察者の瞳Eに導かれる光線の面S5への
入射角がarcsin(1/n)以上の角度となるように大きく偏
心させており、内部全反射される様にしている。また、
全反射された光線が面S6で反射された後、面S5へar
csin(1/n)以下の角度で入射され、面S5を屈折透過し
て瞳Eに導かれる様にしている。面S5で反射面と透過
面を兼ねたことにより、面数削減によるコスト面での利
点を有するとともに、面S5での反射を全反射とするこ
とで光利用効率を向上させている。
In particular, the reflecting surfaces S5 and S6 are eccentrically arranged. Above all, for the light beam reflected on the surface S5, when the refractive index of the material forming the second optical element B2 is n, the angle of incidence of the light ray finally guided to the pupil E of the observer on the surface S5 is It is largely eccentric so as to have an angle of arcsin (1 / n) or more, so that it is totally internally reflected. Also,
After the totally reflected light rays are reflected by the surface S6, the light is transferred to the surface S5.
The light is incident at an angle of csin (1 / n) or less, is refracted and transmitted through the surface S5, and is guided to the pupil E. Since the surface S5 serves as both a reflection surface and a transmission surface, there is an advantage in terms of cost due to a reduction in the number of surfaces, and light utilization efficiency is improved by making the reflection on the surface S5 a total reflection.

【0053】このとき、接眼光学系ISの構成要素であ
る曲面S3、S5,S6のうち少なくとも1面は、それ
ぞれ図1の紙面に対して垂直な方向(x軸方向)に関し
てのみ対称性を有し、紙面を対称面とした非対称非球面
で構成されることが収差補正上好ましい。特にパワーの
強い面S6は非対称非球面であることが収差補正上、好
ましい。
At this time, at least one of the curved surfaces S3, S5, and S6, which are components of the eyepiece optical system IS, has symmetry only in a direction (x-axis direction) perpendicular to the plane of FIG. However, it is preferable from the viewpoint of aberration correction that the asymmetrical aspherical surface having a symmetrical surface is used. In particular, the surface S6 having a strong power is preferably an asymmetrical aspherical surface from the viewpoint of aberration correction.

【0054】更に、面S3,S5,S6の全てがそれぞ
れ紙面を対称面とした非対称非球面で構成されると、収
差補正が更に良好になる。
Further, when all of the surfaces S3, S5, and S6 are constituted by asymmetrical aspheric surfaces each having a symmetrical surface on the paper surface, aberration correction is further improved.

【0055】以下、図1を用いて、本実施形態における
画像表示装置の光学的作用について説明する。
The optical operation of the image display device according to this embodiment will be described below with reference to FIG.

【0056】面光源1から出た光はレンズ系2を通り、
偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の
光束を形成する。S偏光光束は、第1光学素子B1の入
射面として作用する面S1より第1光学素子B1に入射
し、反射面及び透過面として作用する面S2の反射膜形
成部で反射され、射出面及び透過面として作用する面S
3より射出して、反射型LCD4を照明する照明光束を
形成する。
The light emitted from the surface light source 1 passes through the lens system 2 and
Only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 to form an S-polarized light beam. The S-polarized light beam enters the first optical element B1 from the surface S1 acting as the incident surface of the first optical element B1, is reflected by the reflection film forming portion of the surface S2 acting as the reflection surface and the transmission surface, Surface S acting as transmission surface
The illumination light flux emitted from the LCD 3 illuminates the reflective LCD 4.

【0057】ここで、面光源1上の一点から発散する光
束が集光され、これらを構成する光線同士のなす角度が
低減されて反射型LCD4に入射するように、光源手段
LSの一部であるレンズ系2の屈折力及び第1光学素子
B1の面S3の屈折力が構成されている。LCD4を照
明した照明光束は、画像情報に基づいて反射型のLCD
4で適宜光変調される。
Here, the luminous flux diverging from one point on the surface light source 1 is condensed, and an angle formed by the light beams constituting the light beam is reduced so as to enter the reflection type LCD 4 so as to be incident on a part of the light source means LS. The refractive power of a certain lens system 2 and the refractive power of the surface S3 of the first optical element B1 are configured. The illumination light beam illuminating the LCD 4 is a reflection type LCD based on the image information.
The light is appropriately modulated at 4.

【0058】例えば最大輝度の表示部位では偏光軸を9
0°回転されてP偏光として、非表示部位ではS偏光の
ままで、中間調はそれに応じた偏光状態として、LCD
4で反射される。
For example, the polarization axis is set to 9
The LCD is rotated by 0 ° as P-polarized light, the S-polarized light remains in a non-display area, and the halftone is in a corresponding polarization state.
It is reflected at 4.

【0059】反射された光束は面S3より再び第1光学
素子B1に入射し、面S2の反射膜非形成部に導かれ、
面S2と面S4とが接合された面S24から第2光学素
子B2に入射する。
The reflected light flux enters the first optical element B1 again from the surface S3, and is guided to the portion of the surface S2 where the reflective film is not formed.
The light enters the second optical element B2 from a surface S24 where the surfaces S2 and S4 are joined.

【0060】その後、反射面として作用する曲面S5で
全反射した後、反射膜を施され反射面として作用する曲
面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より
第2光学素子B2を射出し、偏光板5に導かれる。偏光
板5ではP偏光成分が透過し、S偏光成分が吸収され
る。これによってLCD4による表示光束が形成され
る。
Thereafter, the light is totally reflected by the curved surface S5 acting as a reflecting surface, is reflected by a curved surface S6 acting as a reflecting surface after being provided with a reflecting film, is again guided to the surface S5, and is transmitted from the surface S5 to the second optical element B2. And is guided to the polarizing plate 5. The polarizing plate 5 transmits the P-polarized light component and absorbs the S-polarized light component. As a result, a display light beam by the LCD 4 is formed.

【0061】偏光板5を通った表示光束は観察者の瞳E
に到達する。このとき、観察者は、面S3,S5,S6
及び面S2と面S4の接合部S24からなる接眼光学系
ISの各面の屈折力により、反射型LCD4に基づく画
像の拡大された虚像を視認している。
The display light beam passing through the polarizing plate 5 is applied to the pupil E of the observer.
To reach. At this time, the observer makes the faces S3, S5, S6
The enlarged virtual image of the image based on the reflective LCD 4 is visually recognized by the refractive power of each surface of the eyepiece optical system IS including the joint S24 between the surface S2 and the surface S4.

【0062】本実施形態によれば、接眼光学系ISが観
察者の視軸方向(図中Z軸方向)に薄く、また、光源手
段LSがZ軸方向に出っ張らない位置に配置し、全系と
して薄型の画像表示装置としている。また、以上のよう
に構成したことにより、光源手段LSの一部であるレン
ズ系2の屈折力及び第1光学素子B1の面S3の屈折力
により反射型LCD4への各画角の主光線の入射/反射
角度のばらつきを低減し、反射型LCD4の視角特性に
起因する画面内でのコントラスト差を低減している。
According to this embodiment, the eyepiece optical system IS is thin in the direction of the observer's visual axis (Z-axis direction in the figure), and the light source means LS is arranged at a position where it does not protrude in the Z-axis direction. As a thin image display device. Further, with the above-described configuration, the principal ray of each angle of view to the reflective LCD 4 is reflected by the refractive power of the lens system 2 which is a part of the light source means LS and the refractive power of the surface S3 of the first optical element B1. The variation in the angle of incidence / reflection is reduced, and the difference in contrast within the screen due to the viewing angle characteristics of the reflective LCD 4 is reduced.

【0063】また、第1光学素子B1と第2光学素子B
2とを接合しているため、反射型LCD4と位置合わせ
する光学部材が1部品で構成されることになり、これに
より各部の調整を容易にしている。
The first optical element B1 and the second optical element B
2 is joined, so that the optical member for positioning with the reflective LCD 4 is composed of one part, thereby facilitating the adjustment of each part.

【0064】また本実施形態においては面S2の一部に
反射膜を形成して、反射機能を形成して、反射機能を負
わせたが、面S4と接合しない非接合部に全反射する角
度で光源手段LSからの光が入射するようにしてもよ
い。
In this embodiment, a reflection film is formed on a part of the surface S2 to provide a reflection function and provide a reflection function. However, the angle of total reflection at a non-joined portion not joined to the surface S4. , The light from the light source means LS may be incident.

【0065】このように構成すれば、設計上の制約は増
えるが、反射膜形成の手間が省け、コスト削減効果が期
待できる。
With such a configuration, design restrictions are increased, but the labor for forming the reflective film can be omitted, and a cost reduction effect can be expected.

【0066】図2は、本発明の画像表示装置の実施形態
2の要部概略図である。本実施形態と第1実施形態との
差異は、第1光学素子B1を構成する2つの透過面S
1,S3を1つの曲面形状で構成したこと、レンズ系2
のパワーを曲面S1に持たせレンズ系2を省略したこ
と、第1光学素子B1と第2光学素子B2とを偏光板5
を挟んで接合したことであり、それ以外は実施形態1と
同様である。図中、各構成要素は実施形態1と同符号で
示している。
FIG. 2 is a schematic view of a main part of an image display device according to a second embodiment of the present invention. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the two transmission surfaces S constituting the first optical element B1 are different.
1, S3 is constituted by one curved surface, lens system 2
Is given to the curved surface S1, the lens system 2 is omitted, and the first optical element B1 and the second optical element B2 are
Are sandwiched between them, and the rest is the same as the first embodiment. In the figure, each component is denoted by the same reference numeral as in the first embodiment.

【0067】以下、図2を用いて、本実施形態における
画像表示装置の光学的作用について説明する。
The optical operation of the image display device according to this embodiment will be described below with reference to FIG.

【0068】面光源1から出た光は、偏光板3を通って
S偏光成分のみが透過され、S偏光の光束を形成する。
In the light emitted from the surface light source 1, only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 to form an S-polarized light beam.

【0069】S偏光光束は、第1光学素子B1の入射面
として作用する面S1より第1光学素子B1に入射し、
反射面及び透過面として作用する面S2の反射膜形成部
で反射され、出入射面として作用する面S3より射出し
て、反射型LCD4を照明する照明光束を形成する。こ
こで、面光源1上の一点から発散する光束を構成する光
線同士のなす角度が低減されて反射型LCD4に入射す
るように、第1光学素子B1の面S1の屈折力及び面S
3の屈折力が構成されている。
The S-polarized light beam enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1,
The light is reflected by the reflection film forming portion of the surface S2 functioning as the reflection surface and the transmission surface, and is emitted from the surface S3 functioning as the entrance / exit surface to form an illumination light beam for illuminating the reflection type LCD 4. Here, the refractive power of the surface S1 of the first optical element B1 and the surface S1 are adjusted so that the angle between the light beams constituting the light beam diverging from one point on the surface light source 1 is reduced and the light beam enters the reflective LCD 4.
A refractive power of 3 is constituted.

【0070】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で適宜光変調され反射される。LCD4に基づく
表示光束は面S3より再び第1光学素子B1に入射し、
面S2の反射膜非形成部に導かれる。
The illumination light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated by the CD 4 and reflected. The display light beam based on the LCD 4 enters the first optical element B1 again from the surface S3,
The surface S2 is guided to the non-reflection film forming portion.

【0071】面S2と面S4の間に接合配置された偏光
板5では、表示光束のうち表示光であるP偏光成分の光
束のみを透過し、非表示光であるS偏光成分を吸収し
て、偏光板5と接合された面S4に導かれる。第2光学
素子B2の入射面として作用する面S4から、第2光学
素子B2に表示光束が入射し、反射面として作用する曲
面S5で全反射した後、反射膜を施され反射面として作
用する曲面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面
S5より第2光学素子B2を射出して観察者の瞳Eに達
する。
The polarizing plate 5 joined between the surface S2 and the surface S4 transmits only the P-polarized light component as the display light of the display light flux, and absorbs the S-polarized light component as the non-display light. , To the surface S <b> 4 joined to the polarizing plate 5. The display light flux enters the second optical element B2 from the surface S4 acting as the incident surface of the second optical element B2, and is totally reflected by the curved surface S5 acting as the reflecting surface. The light is reflected by the curved surface S6, is again guided to the surface S5, exits the second optical element B2 from the surface S5, and reaches the pupil E of the observer.

【0072】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4で光変調された光束に基づく画像情報の虚像を視認さ
せている。このとき、観察者は、面S3,S5,S6及
び面S2と偏光板5そして面S4の接合部からなる接眼
光学系ISの各面の屈折力により、反射型LCD4上の
画像の拡大された虚像を視認している。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
In step 4, a virtual image of image information based on the light beam light-modulated is visually recognized. At this time, the observer magnified the image on the reflective LCD 4 due to the refractive power of each surface of the eyepiece optical system IS composed of the joints of the surfaces S3, S5, S6 and S2 with the polarizing plate 5 and the surface S4. I am looking at a virtual image.

【0073】本実施形態によれば、実施形態1で述べた
効果に加え、第1光学素子の透過面を1つの面で構成し
成形に要する金型の鏡面駒数を減らすことが出来るた
め、光学素子の製作が容易となる。
According to the present embodiment, in addition to the effects described in the first embodiment, the transmission surface of the first optical element can be constituted by one surface, and the number of mirror surface pieces of the mold required for molding can be reduced. The manufacture of the optical element becomes easy.

【0074】また、レンズ系2のパワーを曲面S1に持
たせたこと、偏光板5を第1光学素子B1と第2光学素
子B2との間に挟んで接合したことにより、HMDの組
立時に位置合わせする光学部品点数が更に減少し、照明
系まで含め、調整を容易にすることができる。
Further, the power of the lens system 2 is given to the curved surface S1, and the polarizing plate 5 is joined between the first optical element B1 and the second optical element B2, so that the position can be reduced when assembling the HMD. The number of optical components to be combined is further reduced, and adjustment including the illumination system can be facilitated.

【0075】図3は、本発明の画像表示装置の実施形態
3の要部概略図である。図中、実施形態1と同じ要素
は、同じ符号で示されている。尚、本実施形態と実施形
態1との違いは、第1光学素子B1の面S3と第2光学
素子B2の面S6とが同一面形状で構成されていること
で、それ以外は同じである。
FIG. 3 is a schematic view of a main part of an image display device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, the same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. Note that the difference between the present embodiment and the first embodiment is that the surface S3 of the first optical element B1 and the surface S6 of the second optical element B2 have the same surface shape, and are otherwise the same. .

【0076】ここでも、面S3,S5,S6及び面S
2,S4との接合部の一部は、反射型LCD4上に表示
された画像の拡大虚像を形成する接眼光学系ISを構成
している。
Again, the surfaces S3, S5, S6 and the surface S
Part of the joint with S2 and S4 forms an eyepiece optical system IS that forms an enlarged virtual image of an image displayed on the reflective LCD 4.

【0077】本実施形態では、該接眼光学系ISが観察
者の視軸方向(図中Z軸方向)に薄くなるように、該接
眼光学系ISを構成する各面S3,S5,S6を光路に
対して偏心させた構成としている。
In this embodiment, each of the surfaces S3, S5, S6 constituting the eyepiece optical system IS is connected to the optical path so that the eyepiece optical system IS becomes thinner in the direction of the observer's visual axis (the Z-axis direction in the figure). Is eccentric with respect to.

【0078】特に、反射面S5,S6を偏心配置してい
る。中でも面S5において反射する光束に対しては、第
2光学素子B2を構成する材質の屈折率をnとすると
き、最終的に観察者の瞳Eに導かれる光線の面S5への
入射角がarcsin(1/n)以上の角度となるように大きく偏
心させている。
In particular, the reflecting surfaces S5 and S6 are eccentrically arranged. Above all, for the light beam reflected on the surface S5, when the refractive index of the material forming the second optical element B2 is n, the angle of incidence of the light ray finally guided to the pupil E of the observer on the surface S5 is The eccentricity is large so that the angle is more than arcsin (1 / n).

【0079】このとき、接眼光学系ISの構成要素であ
る曲面S3、S5,S6のうち少なくとも1面は、それ
ぞれ図1の紙面に対して垂直な方向(x軸方向)に関し
てのみ対称性を有し、紙面を対称面とした非対称非球面
で構成されることが収差補正上好ましい。
At this time, at least one of the curved surfaces S3, S5, and S6, which are components of the eyepiece optical system IS, has symmetry only in a direction (x-axis direction) perpendicular to the plane of FIG. However, it is preferable from the viewpoint of aberration correction that the asymmetrical aspherical surface having a symmetrical surface is used.

【0080】更に、面S3,S5,S6全てがそれぞれ
紙面を対称面とした非対称非球面で構成されると、収差
補正が更に良好になる。
Further, when all of the surfaces S3, S5, and S6 are constituted by asymmetrical aspheric surfaces each having a symmetrical surface on the paper surface, aberration correction is further improved.

【0081】以下、図3を用いて、本実施形態における
画像表示装置の光学的作用について説明する。
Hereinafter, the optical operation of the image display device according to this embodiment will be described with reference to FIG.

【0082】面光源1から出た光は偏光板3を通ってS
偏光成分のみが透過され、S偏光の照明光束を形成す
る。照明光束は、第1光学素子B1の入射面として作用
する面S1より第1光学素子B1に入射し、反射面とし
て作用する面S2の反射膜形成部で反射され、射出面と
して作用する面S3より射出して、反射型LCD4を照
明する照明光束を形成する。
The light emitted from the surface light source 1 passes through the polarizing plate 3
Only the polarized light component is transmitted to form an S-polarized illumination light beam. The illumination light flux enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1, is reflected by a reflection film forming portion of a surface S2 acting as a reflection surface, and a surface S3 acting as an exit surface Then, an illumination light beam for illuminating the reflective LCD 4 is formed.

【0083】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で、適宜光変調され反射される。LCD4で反射
された光束は面S3より再び第1光学素子B1に入射
し、面S2の反射膜非形成部に導かれ、面S2と接合さ
れた面S4から第2光学素子B2に入射する。
The illuminating light beam is reflected by a reflection type L based on image information.
The light is appropriately modulated and reflected by the CD 4. The light beam reflected by the LCD 4 enters the first optical element B1 again from the surface S3, is guided to the non-reflection film forming portion of the surface S2, and enters the second optical element B2 from the surface S4 joined to the surface S2.

【0084】その後、反射面として作用する曲面S5で
全反射した後、反射膜を施され反射面として作用する曲
面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より
第2光学素子B2を射出し、偏光板5に導かれる。偏光
板5ではP偏光成分が透過し、S偏光成分が吸収されて
表示光束が形成される。偏光板5を通った表示光束は観
察者の瞳Eに到達する。
Thereafter, the light is totally reflected by the curved surface S5 acting as a reflecting surface, is reflected by a curved surface S6 which is provided with a reflecting film and acts as a reflecting surface, is again guided to the surface S5, and is transmitted from the surface S5 to the second optical element B2. And is guided to the polarizing plate 5. The polarizing plate 5 transmits the P-polarized light component and absorbs the S-polarized light component to form a display light beam. The display light beam having passed through the polarizing plate 5 reaches the pupil E of the observer.

【0085】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4に基づく画像情報の虚像を視認させている。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
4 is visually recognized.

【0086】本実施形態においては、第1光学素子B1
の面S3と第2光学素子B2の面S6とを同一面形状と
したため、第1光学素子B1と第2光学素子B2とを接
合する精度を出しやすくなるという利点も有する。
In the present embodiment, the first optical element B1
Since the surface S3 and the surface S6 of the second optical element B2 have the same surface shape, there is also an advantage that the accuracy of joining the first optical element B1 and the second optical element B2 can be easily obtained.

【0087】以上の実施形態においては、第1光学素子
B1の面S2で照明光を反射する箇所と反射型LCD4
からの反射光束を透過させ第2光学素子B2に導く箇所
とが異なる構成であったが、以降の各実施形態に示すよ
うに、照明光の反射箇所と反射型LCD4からの反射光
束を透過させる箇所とが重複していても良い。
In the above embodiment, the location where the illumination light is reflected on the surface S2 of the first optical element B1 and the reflection type LCD 4
However, as shown in each of the following embodiments, a portion where the illumination light is reflected and a portion where the reflected light beam from the reflective LCD 4 is transmitted are transmitted. The location may overlap.

【0088】図4は、本発明の画像表示装置の実施形態
4の要部概略図である。図中、1は面光源、2はレンズ
系、3は偏光板であり、これらの各要素1,2及び3は
光源手段の一要素を構成している。B1は第1光学素子
であり、透過面S1,ハーフミラー面S2,透過面S3
の3面を有している。4は反射型の液晶表示装置(LC
D)である。B2は第2光学素子であり、透過面S4、
反射面及び透過面として作用する曲面S5、反射曲面S
6を有している。第1光学素子B1と第2光学素子B2
は、ハーフミラー面S2の大部分と面S4の大部分とで
接合されている。5は偏光板であり、偏光板3と偏光軸
が略直交するように配置されている。
FIG. 4 is a schematic view of a main part of a fourth embodiment of the image display device of the present invention. In the figure, 1 is a surface light source, 2 is a lens system, 3 is a polarizing plate, and these elements 1, 2, and 3 constitute one element of the light source means. B1 is a first optical element, which is a transmission surface S1, a half mirror surface S2, and a transmission surface S3.
Has three surfaces. 4 is a reflective liquid crystal display device (LC
D). B2 is a second optical element, and has a transmission surface S4,
Curved surface S5 acting as reflective surface and transmissive surface, reflective curved surface S
6. First optical element B1 and second optical element B2
Are joined at most of the half mirror surface S2 and most of the surface S4. Reference numeral 5 denotes a polarizing plate, which is disposed so that the polarizing axis of the polarizing plate 3 is substantially orthogonal to the polarizing plate.

【0089】ここで、面S3,S5,S6及び面S2,
S4の接合部は、反射型LCD4上に表示された画像の
拡大虚像を形成する接眼光学系ISを構成している。
Here, surfaces S3, S5, S6 and surfaces S2,
The junction of S4 constitutes an eyepiece optical system IS that forms an enlarged virtual image of the image displayed on the reflective LCD 4.

【0090】本実施形態では、該接眼光学系ISが観察
者の視軸方向(図中Z軸方向)に薄くなるように、該接
眼光学系ISを構成する各面を光路に対して偏心させた
構成としている。
In this embodiment, each surface constituting the eyepiece optical system IS is decentered with respect to the optical path so that the eyepiece optical system IS becomes thin in the direction of the observer's visual axis (the Z-axis direction in the figure). Configuration.

【0091】特に、反射面S5,S6を偏心配置してい
る。中でも面S5において反射する光束に対しては、第
2光学素子B2を構成する材質の屈折率をnとすると
き、最終的に観察者の瞳Eに導かれる光線の面S5への
入射角がarcsin(1/n)以上の角度となるように大きく偏
心させている。
In particular, the reflecting surfaces S5 and S6 are eccentrically arranged. Above all, for the light beam reflected on the surface S5, when the refractive index of the material forming the second optical element B2 is n, the angle of incidence of the light ray finally guided to the pupil E of the observer on the surface S5 is The eccentricity is large so that the angle is more than arcsin (1 / n).

【0092】このとき、接眼光学系ISの構成要素であ
る曲面S3、S5,S6のうち少なくとも1面は、それ
ぞれ図1の紙面に対して垂直な方向(x軸方向)に関し
てのみ対称性を有し、紙面を対称面とした非対称非球面
で構成されることが収差補正上好ましい。
At this time, at least one of the curved surfaces S3, S5 and S6, which are components of the eyepiece optical system IS, has symmetry only in a direction (x-axis direction) perpendicular to the plane of FIG. However, it is preferable from the viewpoint of aberration correction that the asymmetrical aspherical surface having a symmetrical surface is used.

【0093】更に、面S3,S5,S6全てがそれぞれ
紙面を対称面とした非対称非球面で構成されると、収差
補正が更に良好になる。
Further, when all of the surfaces S3, S5, and S6 are constituted by asymmetric aspheric surfaces each having a symmetrical surface on the paper surface, aberration correction is further improved.

【0094】以下、図4を用いて、本実施形態の画像表
示装置における光学的作用について説明する。
Hereinafter, the optical function of the image display device of this embodiment will be described with reference to FIG.

【0095】面光源1から出た光はレンズ系2を通り、
偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の
照明光束を形成する。照明光束は、第1光学素子B1の
入射面として作用する面S1より第1光学素子B1に入
射し、ハーフミラーとして作用する面S2で一部が反
射、一部が透過する。面S2で反射された光束は、射出
面及び入射面として作用する面S3より射出して、反射
型LCD4を照明する照明光束を形成する。
The light emitted from the surface light source 1 passes through the lens system 2 and
Only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 to form an S-polarized illumination light beam. The illumination light flux enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1, and is partially reflected and partially transmitted by a surface S2 acting as a half mirror. The light beam reflected by the surface S2 is emitted from the surface S3 acting as an exit surface and an incident surface to form an illumination light beam for illuminating the reflective LCD 4.

【0096】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で、適宜光変調され反射される。LCD4で反射
された光束は面S3より再び第1光学素子B1に入射
し、ハーフミラー面S2に導かれ、一部が透過し、一部
が反射される。
The illumination light beam is reflected by a reflection type L based on image information.
The light is appropriately modulated and reflected by the CD 4. The light beam reflected by the LCD 4 enters the first optical element B1 again from the surface S3, is guided to the half mirror surface S2, and is partially transmitted and partially reflected.

【0097】表示光束は面S2と接合された第2光学素
子B2の入射面として作用する面S4から第2光学素子
B2に入射し、反射面として作用する曲面S5で全反射
した後、反射膜を施され反射面として作用する曲面S6
で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より第2光
学素子B2を射出して偏光板5に入射する。
The display light beam enters the second optical element B2 from the surface S4 acting as the incident surface of the second optical element B2 joined to the surface S2, and is totally reflected by the curved surface S5 acting as a reflecting surface. S6 acting as a reflection surface
Are reflected again by the surface S5, and exit the second optical element B2 from the surface S5 and enter the polarizing plate 5.

【0098】偏光板5ではP偏光成分が透過し、S偏光
成分が吸収されて表示光束が形成される。偏光板5を通
った表示光束は観察者の瞳Eに到達する。また、観察者
の瞳Eの直前に偏光板5を配置しているため、ハーフミ
ラーS2を透過したS偏光の照明光束中の瞳Eに向かう
光は偏光板5で吸収され、不要光の発生を防いでいる。
The polarizing plate 5 transmits the P-polarized light component and absorbs the S-polarized light component to form a display light beam. The display light beam having passed through the polarizing plate 5 reaches the pupil E of the observer. In addition, since the polarizing plate 5 is arranged immediately before the pupil E of the observer, light traveling toward the pupil E in the S-polarized illumination light flux transmitted through the half mirror S2 is absorbed by the polarizing plate 5, and unnecessary light is generated. Is preventing.

【0099】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4に基づく画像情報の虚像を視認させている。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
4 is visually recognized.

【0100】本実施形態においては、面S2をハーフミ
ラーとして照明光の反射箇所と反射型LCDからの反射
光を透過させる箇所を重複させることにより、反射型L
CDの表示面と各画角の主光線とのなす角度を垂直に近
い状態にしている。このため、視角特性変化の激しい反
射型LCDを使用した場合にも画面全体で高いコントラ
ストの画像が得られるという利点を有する。
In the present embodiment, the reflection type L is formed by using the surface S2 as a half mirror to overlap the portion where the illumination light is reflected and the portion where the reflection light from the reflection type LCD is transmitted.
The angle between the display surface of the CD and the principal ray at each angle of view is made nearly perpendicular. For this reason, there is an advantage that a high-contrast image can be obtained over the entire screen even when a reflective LCD having a sharp change in viewing angle characteristics is used.

【0101】尚、面S2をハーフミラーとする代わり
に、面S2と接合する面S4をハーフミラーとしても同
様の作用・効果が得られる。これは後述の実施形態にお
いても同様である。
Note that, instead of using the surface S2 as a half mirror, the same operation and effect can be obtained by using a surface S4 joined to the surface S2 as a half mirror. This is the same in the embodiment described later.

【0102】また,図5の本実施形態5に示すように面
S2を偏光ビームスプリッター面(PBS)として作用
する膜を形成することで検光子として作用する偏光板5
を省略することも可能である。この場合にも,接合面で
ある面S4にPBS作用を持たせても同様に構成するこ
とができる。
Further, as shown in the fifth embodiment in FIG. 5, the surface S2 is formed as a film functioning as a polarizing beam splitter surface (PBS) so that the polarizing plate 5 functioning as an analyzer is formed.
May be omitted. In this case as well, the same configuration can be obtained even if the surface S4, which is the bonding surface, is provided with the PBS function.

【0103】また、図4の実施形態4の構成において
も、複数のユニットを全て接合することで組立調整の簡
略化を図ることが可能である。
In the configuration of the fourth embodiment shown in FIG. 4, the assembly adjustment can be simplified by joining all of the plurality of units.

【0104】図6は本発明の第6の実施形態の要部概略
図である。図6では光源手段LSの一要素を構成してい
たレンズ系2と偏光板3を第1光学素子B1と接合し、
第1光学素子B1の面S2と第2光学素子B2の面S4
との間に偏光板5を挟んで接合した構成より成り、それ
以外は図4の実施形態4と同様である。
FIG. 6 is a schematic view showing a main part of a sixth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the lens system 2 and the polarizing plate 3, which constitute one element of the light source means LS, are joined to the first optical element B1,
Surface S2 of first optical element B1 and surface S4 of second optical element B2
The structure is the same as that of the embodiment 4 in FIG. 4 except that the polarizing plate 5 is interposed therebetween.

【0105】以下、図6を用いて本実施形態における光
学作用を説明する。
Hereinafter, the optical function of this embodiment will be described with reference to FIG.

【0106】面光源1から出た光は、レンズ系2によっ
て面光源1上の点から発散される光束の発散度合いが弱
められて、レンズ系2と第1光学素子B1とに挟まれて
接合された偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過さ
れ、S偏光の光束を形成する。
The light emitted from the surface light source 1 is reduced in the degree of divergence of the luminous flux emitted from a point on the surface light source 1 by the lens system 2, and is joined between the lens system 2 and the first optical element B1. Only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 thus formed, and forms an S-polarized light beam.

【0107】S偏光光束は、第1光学素子B1の入射面
として作用する面S1より第1光学素子B1に入射し、
ハーフミラーとして作用する面S2で一部が反射、一部
が透過する。透過したS偏光光束は偏光板5で吸収さ
れ,反射したS偏光光束は射出面及び入射面として作用
する面S3より射出して、反射型LCD4を照明する照
明光束を形成する。
The S-polarized light beam enters the first optical element B1 from the surface S1 acting as the incident surface of the first optical element B1,
A part is reflected and a part is transmitted by the surface S2 acting as a half mirror. The transmitted S-polarized light beam is absorbed by the polarizing plate 5, and the reflected S-polarized light beam is emitted from the surface S3 acting as an exit surface and an incident surface to form an illumination light beam for illuminating the reflective LCD 4.

【0108】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で適宜光変調され反射される。表示光束は面S3
より再び第1光学素子B1に入射し、ハーフミラーとし
て作用する面S2に導かれ一部が反射、一部が透過す
る。反射された光は面光源1の方に戻り,透過した表示
光束のうち,面S2と面S4の間に接合配置された偏光
板5によって非表示光であるS偏光成分は吸収され、表
示光であるP偏光成分の光束のみが透過し、偏光板5と
接合された面S4に導かれる。
The illuminating light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated by the CD 4 and reflected. The display light beam is on the surface S3.
Further, the light enters the first optical element B1 again, is guided to the surface S2 acting as a half mirror, and is partially reflected and partially transmitted. The reflected light returns to the surface light source 1, and of the transmitted display light flux, the S-polarized light component, which is non-display light, is absorbed by the polarizing plate 5 joined between the surfaces S <b> 2 and S <b> 4, and the display light Only the light beam of the P-polarized light component is transmitted and guided to the surface S4 joined to the polarizing plate 5.

【0109】第2光学素子B2の入射面として作用する
面S4から、第2光学素子B2に表示光束が入射し、反
射面として作用する曲面S5で全反射した後、反射膜を
施され反射面として作用する曲面S6で反射されて、再
度面S5に導かれ、面S5より第2光学素子B2を射出
して観察者の瞳Eに達する。
The display light beam enters the second optical element B2 from the surface S4 acting as the incident surface of the second optical element B2, and is totally reflected by the curved surface S5 acting as the reflecting surface. The light is reflected by the curved surface S6 acting as, is again guided to the surface S5, exits the second optical element B2 from the surface S5, and reaches the pupil E of the observer.

【0110】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4に基づく画像情報の虚像を視認させている。このと
き、観察者は、面S3,S5,S6及び面S2,偏光板
5,S4の接合部からなる接眼光学系ISの各面の屈折
力により、反射型LCD4上に基づく画像が拡大された
虚像を視認している。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
4 is visually recognized. At this time, the observer enlarges the image based on the reflective LCD 4 by the refracting power of each surface of the eyepiece optical system IS composed of the joints of the surfaces S3, S5, S6 and the surfaces S2, polarizing plates 5, S4. I am looking at a virtual image.

【0111】このように構成することで、HMDの組立
時に位置合わせする光学部品点数を更に減らし、光源手
段LSの一部まで含めて調整を容易にしている。
With this configuration, the number of optical components to be aligned at the time of assembling the HMD is further reduced, and the adjustment including the part of the light source means LS is facilitated.

【0112】また、照明光の反射箇所と反射型LCD4
からの反射光束を透過させる箇所とが重複した構成にお
いても、第1光学素子の1つの面と第2光学素子の1つ
の面とを同一面形状で構成し、接合精度を出しやすくす
ることが可能である。
Further, the reflection point of the illumination light and the reflection type LCD 4
Even in a configuration in which a portion through which a reflected light flux from the optical element is transmitted overlaps, one surface of the first optical element and one surface of the second optical element can be configured to have the same surface shape to facilitate joining accuracy. It is possible.

【0113】図7は、本発明の画像表示装置の実施形態
7の要部概略図である。図中、第1光学素子の面S1と
第2光学素子の面S5とが同一面形状であり、第1光学
素子B1の面S2はハーフミラーである。それ以外の符
号は前記の実施形態と同様である。
FIG. 7 is a schematic view of a main part of a seventh embodiment of the image display device of the present invention. In the drawing, the surface S1 of the first optical element and the surface S5 of the second optical element have the same surface shape, and the surface S2 of the first optical element B1 is a half mirror. Other symbols are the same as those in the above-described embodiment.

【0114】以下、図7を用いて、本実施形態における
光学的作用について説明する。
Hereinafter, the optical function of this embodiment will be described with reference to FIG.

【0115】面光源1から出た光はレンズ系2を通り、
偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の
照明光束を形成する。照明光束は、第1光学素子B1の
入射面として作用する面S1より第1光学素子B1に入
射し、ハーフミラーとして作用する面S2で一部が反
射、一部が透過する。面S2で反射された光束は、射出
面及び入射面として作用する面S3より射出して、反射
型LCD4を照明する照明光束を形成する。
Light emitted from the surface light source 1 passes through the lens system 2 and
Only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 to form an S-polarized illumination light beam. The illumination light flux enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1, and is partially reflected and partially transmitted by a surface S2 acting as a half mirror. The light beam reflected by the surface S2 is emitted from the surface S3 acting as an exit surface and an incident surface to form an illumination light beam for illuminating the reflective LCD 4.

【0116】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で、適宜光変調され、反射される。反射された光
束は面S3より再び第1光学素子B1に入射し、ハーフ
ミラー面S2に導かれ、一部が透過し、一部が反射され
る。
The illumination light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated and reflected by the CD 4. The reflected light flux enters the first optical element B1 again from the surface S3, is guided to the half mirror surface S2, and is partially transmitted and partially reflected.

【0117】表示光束は面S2と接合された第2光学素
子B2の入射面として作用する面S4から第2光学素子
B2に入射し、反射面として作用する曲面S5で全反射
した後、反射膜を施され反射面として作用する曲面S6
で反射されて、再度面S5に導かれ、面S5より第2光
学素子B2を射出して偏光板5に入射する。
The display light beam enters the second optical element B2 from the surface S4 acting as the incident surface of the second optical element B2 joined to the surface S2, and is totally reflected by the curved surface S5 acting as a reflecting surface. S6 acting as a reflection surface
Are reflected again by the surface S5, and exit the second optical element B2 from the surface S5 and enter the polarizing plate 5.

【0118】偏光板5ではP偏光成分が透過し、S偏光
成分が吸収されて表示光束が形成される。偏光板5を通
った表示光束は観察者の瞳Eに到達する。また、観察者
の瞳Eの直前に偏光板5を配置しているため、ハーフミ
ラーを透過したS偏光の照明光束中の瞳Eに向かう光は
偏光板5で吸収され、不要光の発生を防いでいる。
The polarizing plate 5 transmits the P-polarized light component and absorbs the S-polarized light component to form a display light beam. The display light beam having passed through the polarizing plate 5 reaches the pupil E of the observer. In addition, since the polarizing plate 5 is arranged immediately before the pupil E of the observer, light traveling toward the pupil E in the S-polarized illumination light beam transmitted through the half mirror is absorbed by the polarizing plate 5 and unnecessary light is generated. I'm preventing.

【0119】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4に基づく画像情報の虚像を視認させている。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
4 is visually recognized.

【0120】本実施形態においては、第1光学素子B1
の面S1と第2光学素子B2の面S5とを同一面形状と
したため、第1光学素子B1と第2光学素子B2とを接
合する精度を出しやすくなるという利点も有する。
In the present embodiment, the first optical element B1
Since the surface S1 and the surface S5 of the second optical element B2 have the same surface shape, there is also an advantage that the accuracy of joining the first optical element B1 and the second optical element B2 can be easily obtained.

【0121】また、接合面をハーフミラーでなく、偏光
ビームスプリッタ(PBS)とすることも可能である。
Further, it is possible to use a polarizing beam splitter (PBS) instead of a half mirror for the bonding surface.

【0122】図8は、本発明の画像表示装置の実施形態
8の要部概略図である。図中、第1光学素子の面S1と
第2光学素子の面S5とが同一面形状であり、第1光学
素子B1の面S2は偏光ビームスプリッター(PBS)
である。それ以外の符号は前記の実施形態と同様であ
る。
FIG. 8 is a schematic diagram of a main part of an image display apparatus according to an eighth embodiment of the present invention. In the figure, the surface S1 of the first optical element and the surface S5 of the second optical element have the same surface shape, and the surface S2 of the first optical element B1 is a polarizing beam splitter (PBS).
It is. Other symbols are the same as those in the above-described embodiment.

【0123】以下、図8を用いて、本実施形態の画像表
示装置における光学的作用について説明する。
Hereinafter, the optical function of the image display device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0124】面光源1から出た光はレンズ系2を通り、
偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の
照明光束を形成する。第1光学素子B1の入射面として
作用する面S1より第1光学素子B1に入射し、PBS
として作用する面S2に導かれる。S偏光である照明光
束は面S2で全て反射される。面S2で反射されたS偏
光成分の光束は、射出面及び入射面として作用する面S
3より射出して、反射型LCD4を照明する照明光束を
形成する。
The light emitted from the surface light source 1 passes through the lens system 2 and
Only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 to form an S-polarized illumination light beam. The light enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1,
To the surface S2 acting as The illumination light flux that is the S-polarized light is all reflected by the surface S2. The luminous flux of the S-polarized component reflected by the surface S2 is converted into a surface S acting as an exit surface and an entrance surface.
The illumination light flux emitted from the LCD 3 illuminates the reflective LCD 4.

【0125】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で適宜光変調され反射される。反射光束は面S3
より再び第1光学素子B1に入射し、PBS面S2に導
かれ、P偏光成分のみが透過し、S偏光成分が反射され
て表示光束が形成される。表示光束は面S2と接合され
た第2光学素子B2の入射面として作用する面S4から
第2光学素子B2に入射し、反射面として作用する曲面
S5で全反射した後、反射膜を施され反射面として作用
する曲面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S
5より第2光学素子B2を射出して観察者の瞳Eに達す
る。
The illumination light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated by the CD 4 and reflected. The reflected beam is the surface S3
Further, the light enters the first optical element B1 again, is guided to the PBS surface S2, transmits only the P-polarized light component, and reflects the S-polarized light component to form a display light flux. The display light flux enters the second optical element B2 from a surface S4 acting as an incident surface of the second optical element B2 joined to the surface S2, and is totally reflected by a curved surface S5 acting as a reflecting surface, and then is provided with a reflecting film. The light is reflected by the curved surface S6 acting as a reflecting surface, is again guided to the surface S5, and
From 5, the second optical element B2 is emitted and reaches the pupil E of the observer.

【0126】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4で表示した画像情報の虚像を視認させている。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
The virtual image of the image information displayed in 4 is visually recognized.

【0127】本実施形態によれば、面S2をPBSとし
たため、実施形態6に対して光利用効率が高まる。ま
た、検光子として作用する偏光板5が不要になる。
According to the present embodiment, since the surface S2 is made of PBS, the light use efficiency is higher than that of the sixth embodiment. Further, the polarizing plate 5 acting as an analyzer becomes unnecessary.

【0128】また、偏光子として作用する偏光板3を省
くことも可能である。
It is also possible to omit the polarizing plate 3 acting as a polarizer.

【0129】図9は、本発明の画像表示装置の実施形態
9の要部概略図である。本実施形態と実施形態8との違
いは、第2光学素子B2の反射面S6の一部を反射膜非
形成部とした点であり、図中の符号、その他の構成は前
述の実施形態7と同じである。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a main part of a ninth embodiment of the image display device of the present invention. The difference between the present embodiment and the eighth embodiment is that a part of the reflection surface S6 of the second optical element B2 is formed as a non-reflection film forming portion, and the reference numerals in FIG. Is the same as

【0130】以下、図9を用いて、本実施形態の画像表
示装置における光学的作用について説明する。
The optical operation of the image display device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG.

【0131】面光源1から出た光はレンズ系2を通り、
第1光学素子B1の入射面として作用する面S1より第
1光学素子B1に入射し、PBSとして作用する面S2
でS偏光成分のみが反射され、P偏光成分は透過する。
このとき、透過したP偏光成分の光が、面S4より第2
光学素子に入射した後、第2光学素子B2の反射面S6
の反射膜非形成部より外部に出るように面S2への入射
角が設定されており、不要光が瞳Eに導かれないように
構成されている。面S2で反射されたS偏光成分の光束
は、射出面及び入射面として作用する面S3より射出し
て、反射型LCD4を照明する照明光束を形成する。
Light emitted from the surface light source 1 passes through the lens system 2 and
A surface S2 which enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1 and acts as a PBS.
Reflects only the S-polarized component and transmits the P-polarized component.
At this time, the transmitted P-polarized component light is
After entering the optical element, the reflection surface S6 of the second optical element B2
The angle of incidence on the surface S2 is set so that the light exits from the non-reflection film-forming portion of the, so that unnecessary light is not guided to the pupil E. The luminous flux of the S-polarized light component reflected by the surface S2 is emitted from the surface S3 acting as an exit surface and an incident surface to form an illumination luminous flux for illuminating the reflective LCD 4.

【0132】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で適宜光変調され反射される。反射光束は面S3
より再び第1光学素子B1に入射し、PBS面S2に導
かれ、P偏光成分のみが透過し、S偏光成分が反射され
て表示光束が形成される。表示光束は面S2と接合され
た第2光学素子B2の入射面として作用する面S4から
第2光学素子B2に入射し、反射面として作用する曲面
S5で全反射した後、反射膜を施され反射面として作用
する曲面S6で反射されて、再度面S5に導かれ、面S
5より第2光学素子B2を射出して観察者の瞳Eに達す
る。以上のようにして、観察者に反射型LCD4で表示
した画像情報の虚像を視認させている。
The illuminating light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated by the CD 4 and reflected. The reflected beam is the surface S3
Further, the light enters the first optical element B1 again, is guided to the PBS surface S2, transmits only the P-polarized light component, and reflects the S-polarized light component to form a display light flux. The display light flux enters the second optical element B2 from a surface S4 acting as an incident surface of the second optical element B2 joined to the surface S2, and is totally reflected by a curved surface S5 acting as a reflecting surface, and then is provided with a reflecting film. The light is reflected by the curved surface S6 acting as a reflecting surface, is again guided to the surface S5, and
From 5, the second optical element B2 is emitted and reaches the pupil E of the observer. As described above, the observer visually recognizes the virtual image of the image information displayed on the reflective LCD 4.

【0133】本実施形態によれば、照明光束の偏光を揃
えるための偏光子が不要になる。また、実施形態7のよ
うにハーフミラー構成の場合も、同様に不要光が瞳Eに
導かれないように面S2への照明光入射角を設定するこ
とで、偏光板3または偏光板5の一方を不要とすること
が可能である。
According to this embodiment, a polarizer for aligning the polarization of the illumination light beam is not required. Also, in the case of the half mirror configuration as in the seventh embodiment, similarly, by setting the incident angle of the illumination light on the surface S2 so that unnecessary light is not guided to the pupil E, the polarization plate 3 or the polarization plate 5 One can be unnecessary.

【0134】また、レンズ系2等のように、面光源上の
一点から発散し反射型の画像表示素子に入射する光束に
対して光線同士のなす入射の角度のばらつきを低減させ
るための機能を、第1光学素子と第2光学素子との接合
面に持たせることも可能である。
A function for reducing the variation in the angle of incidence between the light beams with respect to the light beam diverging from one point on the surface light source and entering the reflection type image display element, such as the lens system 2, is provided. It is also possible to provide the first optical element and the second optical element with a joint surface.

【0135】図10は、本発明の画像表示装置の実施形
態10の要部概略図である。本実施形態は図7の実施形
態7の構成に対して、第1光学素子B1の反射面S2及
びそれと接合される第2光学素子B2の面S4とを曲面
とし、レンズ系2を省いた点であり、図中の符号、その
他の構成は前述の実施形態6と同じである。
FIG. 10 is a schematic view of a main part of an image display apparatus according to a tenth embodiment of the present invention. This embodiment differs from the configuration of the seventh embodiment in FIG. 7 in that the reflecting surface S2 of the first optical element B1 and the surface S4 of the second optical element B2 joined thereto are curved surfaces, and the lens system 2 is omitted. Reference numerals and other configurations in the figure are the same as those in the sixth embodiment.

【0136】以下、図10を用いて、本実施形態の画像
表示装置における光学的作用について説明する。
Hereinafter, the optical function of the image display device of this embodiment will be described with reference to FIG.

【0137】面光源1から出た光は偏光板3を通ってS
偏光成分のみが透過され、S偏光の照明光束を形成す
る。照明光束は、第1光学素子B1の入射面として作用
する面S1より第1光学素子B1に入射し、ハーフミラ
ーとして作用する面S2で一部が反射、一部が透過す
る。面S2で反射された光束は、射出面として作用する
面S3より射出して、反射型LCD4を照明する照明光
束を形成する。
Light emitted from the surface light source 1 passes through the polarizing plate 3
Only the polarized light component is transmitted to form an S-polarized illumination light beam. The illumination light flux enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1, and is partially reflected and partially transmitted by a surface S2 acting as a half mirror. The light beam reflected by the surface S2 is emitted from the surface S3 acting as an emission surface, and forms an illumination light beam for illuminating the reflective LCD 4.

【0138】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で、適宜光変調され、反射される。反射された光
束は面S3より再び第1光学素子B1に入射し、ハーフ
ミラー面S2に導かれ、一部が透過し、一部が反射され
る。表示光束は面S2と接合された第2光学素子B2の
入射面として作用する面S4から第2光学素子B2に入
射し、反射面として作用する曲面S5で全反射した後、
反射膜を施され反射面として作用する曲面S6で反射さ
れて、再度面S5に導かれ、面S5より第2光学素子B
2を射出して偏光板5に入射する。偏光板5ではP偏光
成分が透過し、S偏光成分が吸収されて表示光束が形成
される。偏光板5を通った表示光束は観察者の瞳Eに到
達する。
The illumination light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated and reflected by the CD 4. The reflected light flux enters the first optical element B1 again from the surface S3, is guided to the half mirror surface S2, and is partially transmitted and partially reflected. The display light flux enters the second optical element B2 from a surface S4 acting as an incident surface of the second optical element B2 joined to the surface S2, and is totally reflected by a curved surface S5 acting as a reflecting surface.
The light is reflected by the curved surface S6, which is provided with a reflective film and acts as a reflective surface, and is again guided to the surface S5.
2 is incident on the polarizing plate 5. The polarizing plate 5 transmits the P-polarized light component and absorbs the S-polarized light component to form a display light beam. The display light beam having passed through the polarizing plate 5 reaches the pupil E of the observer.

【0139】また、観察者の瞳Eの直前に偏光板5を配
置しているため、ハーフミラーS2を透過したS偏光の
照明光束中の瞳Eに向かう光は偏光板5で吸収され、不
要光の発生を防いでいる。
Further, since the polarizing plate 5 is disposed immediately before the pupil E of the observer, light traveling toward the pupil E in the S-polarized illumination light beam transmitted through the half mirror S2 is absorbed by the polarizing plate 5 and becomes unnecessary. Prevents the generation of light.

【0140】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4に基づく画像情報の虚像を視認させている。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
4 is visually recognized.

【0141】本実施形態によれば、面光源上の一点から
発散し反射型の画像表示素子に入射する光束に対して光
線同士のなす角度を低減させるパワーを第1光学素子と
第2光学素子との接合面に持たせることで、レンズ系2
を省き、部品点数削減を図ることが出来る。
According to the present embodiment, the first optical element and the second optical element provide the power for reducing the angle between the light beams with respect to the light flux diverging from one point on the surface light source and entering the reflection type image display element. Lens system 2
And the number of parts can be reduced.

【0142】上述した実施形態は全て第2光学素子とし
て、第1光学素子と接合する透過面S4、全反射面及び
透過面として作用する面S5、反射膜を施された面S6
の3つの面が同一材質を挟んで配置された構成であった
が、本発明はこの構成に限定されるものではない。
In the above-described embodiments, the second optical element is used as the second optical element, a transmission surface S4 joined to the first optical element, a surface S5 acting as a total reflection surface and a transmission surface, and a surface S6 provided with a reflection film.
Although the three surfaces are arranged with the same material interposed therebetween, the present invention is not limited to this configuration.

【0143】図11は、本発明の画像表示装置の実施形
態11の要部概略図である。
FIG. 11 is a schematic view showing a main part of an image display apparatus according to Embodiment 11 of the present invention.

【0144】図中、1は面光源、2はレンズ系、3は偏
光板であり、各要素1,2及び3は光源手段LSの一要
素を構成している。B1は第1光学素子であり、透過面
S1,ハーフミラー面S2,透過面S3の3つの光学面
を有している。4は反射型の液晶表示装置(LCD)で
ある。
In the figure, 1 is a surface light source, 2 is a lens system, 3 is a polarizing plate, and each of the elements 1, 2 and 3 constitutes one element of the light source means LS. B1 is a first optical element, which has three optical surfaces of a transmission surface S1, a half mirror surface S2, and a transmission surface S3. Reference numeral 4 denotes a reflective liquid crystal display (LCD).

【0145】B2は第2光学素子であり、透過面S4、
反射面として作用する曲面S15、全反射面として作用
する曲面S16、反射面として作用する曲面S17、透
過面S18を有している。第1光学素子B1と第2光学
素子B2は、ハーフミラー面S2と面S4とで接合され
ている。5は偏光板であり、偏光板3と偏光軸が略直交
するように配置している。
B2 is a second optical element, and has a transmission surface S4,
It has a curved surface S15 acting as a reflecting surface, a curved surface S16 acting as a total reflecting surface, a curved surface S17 acting as a reflecting surface, and a transmitting surface S18. The first optical element B1 and the second optical element B2 are joined at a half mirror surface S2 and a surface S4. Reference numeral 5 denotes a polarizing plate, which is disposed so that the polarizing axis of the polarizing plate 3 is substantially orthogonal to the polarizing plate.

【0146】ここで、第1光学素子B1並びに第2光学
素子B2はそれぞれ同一材質で構成されたプリズム形状
であり、プリズム表面を構成する光学面S1,S2,S
3及び面S4,S15,S16,S17,S18はそれ
ぞれ面光源1と反射型LCD4と設計上の瞳を通る光路
に対して偏心して配置されている。
Here, the first optical element B1 and the second optical element B2 each have a prism shape made of the same material, and the optical surfaces S1, S2, S
The surface 3 and the surfaces S4, S15, S16, S17, S18 are arranged eccentrically with respect to an optical path passing through the surface light source 1, the reflective LCD 4, and the designed pupil.

【0147】このとき、第1光学素子B1を構成する面
S3、第2光学素子B2を構成する面S15,S16,
S17,S18のうち少なくとも1面は、それぞれ図1
1の紙面に対して垂直な方向(x軸方向)に関してのみ
対称性を有し、紙面を対称面とした非対称非球面で構成
されることが収差補正上好ましい。
At this time, the surface S3 constituting the first optical element B1, the surfaces S15, S16 constituting the second optical element B2,
At least one surface of S17 and S18 is shown in FIG.
It is preferable from the viewpoint of aberration correction to have symmetry only in a direction (x-axis direction) perpendicular to the sheet of FIG.

【0148】更に、上述の面より複数の面をそれぞれ紙
面に対して垂直な方向(x軸方向)に関してのみ対称性
を有し紙面を対称面とした非対称非球面で構成すると、
収差補正が更に良好になり、望ましい。
Furthermore, when a plurality of surfaces from the above-mentioned surfaces are each constituted by an asymmetric aspherical surface having symmetry only in a direction perpendicular to the paper surface (x-axis direction) and having the paper surface as a symmetric surface,
This is desirable because aberration correction is further improved.

【0149】以下、図11を用いて、本実施形態の画像
表示装置における光学的作用について説明する。
Hereinafter, the optical function of the image display device of this embodiment will be described with reference to FIG.

【0150】面光源1から出た光はレンズ系2を通り、
偏光板3を通ってS偏光成分のみが透過され、S偏光の
照明光束を形成する。照明光束は、第1光学素子B1の
入射面として作用する面S1より第1光学素子B1に入
射し、ハーフミラーとして作用する面S2で一部が反
射、一部が透過する。面S2で反射された光束は、射出
面として作用する面S3より射出して、反射型LCD4
を照明する照明光束を形成する。
Light emitted from the surface light source 1 passes through the lens system 2 and
Only the S-polarized light component is transmitted through the polarizing plate 3 to form an S-polarized illumination light beam. The illumination light flux enters the first optical element B1 from a surface S1 acting as an incident surface of the first optical element B1, and is partially reflected and partially transmitted by a surface S2 acting as a half mirror. The light beam reflected by the surface S2 exits from the surface S3 acting as an exit surface, and
To form an illumination light flux for illuminating the light.

【0151】照明光束は、画像情報に基づいて反射型L
CD4で適宜光変調され反射される。反射された光束は
面S3より再び第1光学素子B1に入射し、ハーフミラ
ー面S2に導かれ、一部が透過し、一部が反射される。
The illuminating light beam is reflected by the reflection type L based on the image information.
The light is appropriately modulated by the CD 4 and reflected. The reflected light flux enters the first optical element B1 again from the surface S3, is guided to the half mirror surface S2, and is partially transmitted and partially reflected.

【0152】表示光束は面S2と接合された第2光学素
子B2の入射面として作用する面S4から第2光学素子
B2に入射し、反射膜を施され反射面として作用する曲
面S15で反射した後、全反射面として作用する曲面S
16で全反射、反射膜を施され反射面として作用する曲
面S17で反射し、透過面S18に導かれ、面S18よ
り第2光学素子B2を射出して偏光板5に入射する。偏
光板5ではP偏光成分が透過し、S偏光成分が吸収され
て表示光束が形成される。偏光板5を通った表示光束は
観察者の瞳Eに到達する。また、観察者の瞳Eの直前に
偏光板5を配置しているため、ハーフミラーを透過した
S偏光の照明光束中の瞳Eに向かう光は偏光板5で吸収
され、不要光の発生を防いでいる。
The display light flux enters the second optical element B2 from the surface S4 acting as the incident surface of the second optical element B2 joined to the surface S2, and is reflected by the curved surface S15 provided with a reflective film and acting as a reflective surface. Later, the curved surface S acting as a total reflection surface
At 16, the light is reflected by a curved surface S17 which is provided with a reflection film and acts as a reflection surface, is guided to a transmission surface S18, exits the second optical element B2 from the surface S18, and enters the polarizing plate 5. The polarizing plate 5 transmits the P-polarized light component and absorbs the S-polarized light component to form a display light beam. The display light beam having passed through the polarizing plate 5 reaches the pupil E of the observer. In addition, since the polarizing plate 5 is arranged immediately before the pupil E of the observer, light traveling toward the pupil E in the S-polarized illumination light beam transmitted through the half mirror is absorbed by the polarizing plate 5 and unnecessary light is generated. I'm preventing.

【0153】以上のようにして、観察者に反射型LCD
4に基づく画像情報の虚像を視認させている。
As described above, the reflection type LCD is provided to the observer.
4 is visually recognized.

【0154】尚、上述した各実施形態は本発明の一例を
説明するための例であり、本発明は、以下の内容の構成
が適用可能である。
Each of the above embodiments is an example for explaining an example of the present invention, and the present invention is applicable to the following configurations.

【0155】光源手段の一要素として例示した面光源
は、LED等の略点光源状の発光素子や冷陰極管等の略
線光源状の発光素子とレンズ又は凹面鏡等の光学系とを
組み合わせ直下の拡散板を照明するタイプ、複数のLE
D等の略点光源状の発光素子を1次元配列したもの、又
は冷陰極管等の略線光源状の発光素子からの光を導光板
の側面より入射させるサイドライトタイプ等が使用可能
である。
The surface light source exemplified as one element of the light source means is a light emitting device having a substantially point light source such as an LED or a substantially linear light source such as a cold cathode tube and an optical system such as a lens or a concave mirror. Type that illuminates the diffusion plate of multiple LEs
A light emitting element having a substantially point light source such as D is one-dimensionally arrayed, or a side light type in which light from a light emitting element having a substantially linear light source such as a cold-cathode tube enters from the side surface of the light guide plate can be used. .

【0156】反射型の画像表示素子として、反射型LC
Dを使い、偏光した照明光束を画素毎に旋光の度合いを
変えて変調を行うことを例示してきたが、反射型の画像
表示素子は様々なものが適用可能である。
As a reflection type image display element, a reflection type LC
D has been described as an example in which a polarized illumination light beam is modulated by changing the degree of optical rotation for each pixel, but various types of reflective image display elements can be applied.

【0157】例えば、反射型LCDとして強誘電性液晶
(FLC)等の2値の変調を行う素子を使い、画像を表
示するフレーム時間内を階調表現に必要な時間に分割
し、ON/OFFの時間を制御して階調を出すようにしてもよ
い。
For example, an element which performs binary modulation such as a ferroelectric liquid crystal (FLC) is used as a reflection type LCD, and the frame time for displaying an image is divided into time required for gradation expression, and ON / OFF is performed. May be controlled so as to output gradation.

【0158】TN液晶等に比べ、FLCは視角特性か良
く、実施形態1〜3の様に反射型LCDに対して大きい
入射角で照明を行っても比較的高いコントラストを得る
ことができる。
FLC has a better viewing angle characteristic than TN liquid crystal or the like, and a relatively high contrast can be obtained even when the reflective LCD is illuminated at a large incident angle as in the first to third embodiments.

【0159】また、反射型LCDとして1枚偏光板タイ
プのものを用いれば、照明光路と反射型LCDの光路と
に互いに略直交した偏光板を配置する必要はなく、反射
型LCDの表示面の直前に1枚の偏光板を配置する構成
も可能であり、構成の簡素化を図ることも可能である。
Further, if a single polarizing plate type is used as the reflective LCD, it is not necessary to arrange polarizing plates substantially orthogonal to each other on the illumination optical path and the optical path of the reflective LCD. A configuration in which one polarizing plate is disposed immediately before is also possible, and the configuration can be simplified.

【0160】即ち,図12に示すように構成することも
可能である。図12は本発明の実施形態12の要部概略
図である。本実施形態は実施形態1と同じ光学系の構成
に対して1枚偏光板タイプの反射型LCD4aを適用し
たもので,光源1から発散する光をレンズ系2により発
散の度合いを弱めて面S1より第1光学素子B1に入射
せしめ,面S2の反射膜形成部により反射した後,面S
3より第1光学素子を出射してLCD4aを照明する。
That is, it is also possible to configure as shown in FIG. FIG. 12 is a schematic view of a main part of Embodiment 12 of the present invention. In this embodiment, a single polarizing plate type reflective LCD 4a is applied to the same optical system configuration as in the first embodiment, and the light diverging from the light source 1 is weakened by the lens system 2 to reduce the degree of divergence and the surface S1 After being incident on the first optical element B1 and reflected by the reflection film forming portion on the surface S2, the surface S
The first optical element is emitted from 3 to illuminate the LCD 4a.

【0161】LCD4aにおいて適宜光変調された光は
面S3より第1光学素子B1に入射し,面S2の一部と
接合された面S4より第2光学素子B2に入射し,面S
5で全反射した後,面S6で反射され,面S5を今度は
透過して観察者の瞳Eに導かれて,LCD4aに基づく
画像を観察させることが可能である。
In the LCD 4a, the light which has been appropriately modulated enters the first optical element B1 from the surface S3, enters the second optical element B2 from the surface S4 joined to a part of the surface S2, and
After being totally reflected at 5, the light is reflected at the surface S6, is transmitted through the surface S5 this time, and is guided to the pupil E of the observer, so that an image based on the LCD 4a can be observed.

【0162】また、反射型表示素子として、微少なピッ
チで複数のミラーを2次元的に配置したミラーアレイを
利用したデジタルマイクロミラーデバイス(Digital Mi
cromirror Device DMD)を用いることも可能であ
る。
As a reflection type display element, a digital micromirror device (Digital Micromirror device) using a mirror array in which a plurality of mirrors are two-dimensionally arranged at a minute pitch.
It is also possible to use a cromirror device (DMD).

【0163】この場合には、照明光束を偏光させるため
の偏光板も検光子としての偏光板も不要となり、簡素な
構成とすることができる。即ち,図13に示すように構
成することも可能である。図13は本発明の実施形態1
3の要部概略図である。
In this case, neither a polarizing plate for polarizing the illumination light beam nor a polarizing plate as an analyzer is required, and a simple configuration can be achieved. That is, it is also possible to configure as shown in FIG. FIG. 13 shows Embodiment 1 of the present invention.
3 is a schematic diagram of a main part of FIG.

【0164】本実施形態は実施形態1と同じ光学系の構
成に対してDMD4bを適用したもので,実線はDMD
を構成する各微小ミラーがDMD表示面と0°の場合で
本実施形態ではこれをON状態(全面白表示)としてお
り,点線はDMDを構成する各微小ミラーが所定角度傾
いた場合で本実施形態ではこれをOFF状態(全面黒表
示)としてある。
In the present embodiment, the DMD 4b is applied to the same optical system configuration as in the first embodiment.
In the present embodiment, each of the micromirrors constituting the DMD is at an angle of 0 ° with respect to the DMD display surface (display is entirely white), and the dotted line indicates that each of the micromirrors constituting the DMD is tilted at a predetermined angle. In the embodiment, this is in an OFF state (entire black display).

【0165】以下,作用を説明する。光源1から発散す
る光をレンズ系2により発散の度合いを弱めて面S1よ
り第1光学素子B1に入射せしめ,面S2の反射膜形成
部により反射した後,面S3より第1光学素子を出射し
てDMD4bを照明する。
Hereinafter, the operation will be described. The light diverging from the light source 1 is made to enter the first optical element B1 from the surface S1 with the degree of divergence weakened by the lens system 2, reflected by the reflection film forming portion of the surface S2, and then emitted from the surface S3. To illuminate the DMD 4b.

【0166】DMD4bにおいて白表示される画素は図
中の実線で示された光線のように面S3より第1光学素
子B1に入射し,面S2と接合された面S4より第2光
学素子B2に入射し,面S5で全反射した後,面S6で
反射され,面S5を今度は透過して観察者の瞳Eに導か
れる。また黒表示される画素においては,図中の点線で
示された光線のようにDMD4bへの照明光の入射した
方向に戻るようにDMD4bを構成する微小ミラーが傾
き,面S3より第1光学素子B1に入り,面S2の反射
膜形成部で反射されて面S1より射出してレンズ系2を
通って光源1に戻り観察者の瞳に導かれることはない。
Pixels displayed in white on the DMD 4b are incident on the first optical element B1 from the surface S3 as shown by solid lines in the drawing, and are incident on the second optical element B2 from the surface S4 joined to the surface S2. The light enters, is totally reflected by the surface S5, is reflected by the surface S6, is transmitted through the surface S5, and is guided to the pupil E of the observer. In a pixel that displays black, the micromirror forming the DMD 4b is tilted so as to return to the direction in which the illumination light has entered the DMD 4b, as indicated by the dotted line in the figure, and the first optical element is shifted from the surface S3. The light enters B1, is reflected by the reflection film forming portion of the surface S2, exits from the surface S1, returns to the light source 1 through the lens system 2, and is not guided to the pupil of the observer.

【0167】尚,中間調を表す画素は,その階調に応じ
て白表示の状態と黒表示の状態をとる時間を適宜調整さ
れて白表示状態の間だけ瞳Eに光が導かれるようになっ
ている。
The time for the white display state and the black display state of the pixel representing the halftone is appropriately adjusted according to the gradation so that light is guided to the pupil E only during the white display state. Has become.

【0168】以上のようにしてDMD4bに基づく画像
を観察させることが可能である。本実施形態でも,光源
1をRGB3色のLEDが順次点灯する若しくは高速点
滅可能なRGB3色の蛍光管が順次点灯するようにし
て,各色の点灯に合わせて対応する画像をDMD4bに
表示するようにすればカラー表示を行うことが可能であ
る。
As described above, an image based on the DMD 4b can be observed. Also in the present embodiment, the light source 1 is configured such that LEDs of three colors of RGB are sequentially turned on or fluorescent tubes of three colors of RGB, which can blink at high speed, are sequentially turned on, and corresponding images are displayed on the DMD 4b in accordance with the lighting of each color. Then, color display can be performed.

【0169】尚、以上の各実施形態において光源を削除
し、外光(自然光)を用いるようにしても良い。
In each of the above embodiments, the light source may be omitted and external light (natural light) may be used.

【0170】また、以上の各実施形態の画像表示装置S
を図21に示すように観察者の左右眼用に一対設けるよ
うに構成することにより、両眼式のヘッドマウントディ
スプレイを構成することができる。
Further, the image display device S of each of the above embodiments is described.
21 are provided for the left and right eyes of the observer as shown in FIG. 21, whereby a binocular head mounted display can be formed.

【0171】又、例えば表示素子に表示する画像として
両眼視差を用いれば立体視が可能な画像観察システムを
構築することができる。
For example, if binocular parallax is used as an image to be displayed on the display element, an image observation system capable of stereoscopic viewing can be constructed.

【0172】尚、必ずしも両眼でなく、左右どちらかの
眼用に1ユニットのみ設けた単眼式HMDとしても良い
ことは勿論である。
It is needless to say that a monocular HMD in which only one unit is provided for either the left or right eye, not necessarily for both eyes, may be used.

【0173】以上説明したように、本発明の各実施形態
によれば、透過型表示デバイスを用いた場合に対して、
アイリリーフ,画角等のスペック低減を引き起こすこと
なく、装置全体の小型化を図り、反射型表示デバイスで
表示された画像情報を良好に観察することができるヘッ
ドマウントディスプレイに好適な画像表示装置の提供が
可能になり、また画面内でのコントラストのばらつきが
少なく、組立・調整の簡単な光学系構成の画像表示装置
を提供することができる。
As described above, according to each embodiment of the present invention, a case where a transmissive display device is used is described.
An image display device suitable for a head-mounted display capable of reducing the size of the entire device without causing a reduction in specifications such as an eye relief and an angle of view and capable of satisfactorily observing image information displayed on a reflective display device. This makes it possible to provide an image display device having an optical system configuration that is easy to assemble and adjust, with little variation in contrast within a screen.

【0174】[0174]

【発明の効果】本発明によれば、液晶ディスプレイ等の
反射型の表示手段に表示した画像情報を広い観察視野で
観察する際、表示手段を照明する照明系及び表示手段か
らの光束を観察者の眼球に導光するための光学系、例え
ば屈折作用を有するプリズム体より成る光学手段等の構
成を適切に設定することによって、装置全体の小型化、
特に観察者の視軸方向に対する接眼光学系部分の薄型化
を図りつつ、該画像情報を広い観察視野において良好な
る画質で観察することができる画像表示装置を達成する
ことができる。
According to the present invention, when observing image information displayed on a reflective display means such as a liquid crystal display in a wide observation field, an illumination system for illuminating the display means and a luminous flux from the display means are observed by an observer. By appropriately setting the configuration of an optical system for guiding light to the eyeball, for example, an optical unit including a prism having a refractive action, the size of the entire apparatus can be reduced.
In particular, it is possible to achieve an image display device capable of observing the image information with a good image quality in a wide observation visual field while reducing the thickness of the eyepiece optical system portion in the visual axis direction of the observer.

【0175】この他、本発明によれば、画面内でのコン
トラストのばらつきが少なく、組立・調整の簡単な光学
系が構成できる画像表示装置を達成することができる。
In addition, according to the present invention, it is possible to achieve an image display device in which the variation in contrast within the screen is small and an optical system that can be easily assembled and adjusted can be formed.

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

【図1】本発明の画像表示装置の実施形態1の要部概略
FIG. 1 is a schematic view of a main part of an image display device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の画像表示装置の実施形態2の要部概略
FIG. 2 is a schematic view of a main part of an image display device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の画像表示装置の実施形態3の要部概略
FIG. 3 is a schematic diagram of a main part of a third embodiment of the image display device of the present invention.

【図4】本発明の画像表示装置の実施形態4の要部概略
FIG. 4 is a schematic view of a main part of an image display device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の画像表示装置の実施形態5の要部概略
FIG. 5 is a schematic diagram of a main part of an image display device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の画像表示装置の実施形態6の要部概略
FIG. 6 is a schematic view of a main part of an image display device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の画像表示装置の実施形態7の要部概略
FIG. 7 is a schematic view of a main part of an image display device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図8】本発明の画像表示装置の実施形態8の要部概略
FIG. 8 is a schematic diagram of a main part of an image display device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の画像表示装置の実施形態9の要部概略
FIG. 9 is a schematic view of a main part of a ninth embodiment of an image display device according to the present invention.

【図10】本発明の画像表示装置の実施形態10の要部
概略図
FIG. 10 is a schematic diagram of a main part of an image display device according to a tenth embodiment of the present invention.

【図11】本発明の画像表示装置の実施形態11の要部
概略図
FIG. 11 is a schematic view of a main part of an image display device according to an eleventh embodiment of the present invention.

【図12】本発明の画像表示装置の実施形態12の要部
概略図
FIG. 12 is a schematic view of a main part of a twelfth embodiment of the image display device of the present invention.

【図13】本発明の画像表示装置の実施形態13の要部
概略図
FIG. 13 is a schematic diagram of a main part of an image display device according to a thirteenth embodiment of the present invention.

【図14】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 14 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図15】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 15 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図16】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 16 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図17】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 17 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図18】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 18 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図19】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 19 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図20】従来の画像表示装置の要部概略図FIG. 20 is a schematic view of a main part of a conventional image display device.

【図21】本発明のヘッドマウントディスプレイの要部
外観図
FIG. 21 is an external view of a main part of a head mounted display of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・面光源 2・・・レンズ系 3・・・偏光板 4・・・反射型の液晶表示装置(LCD) 5・・・偏光板(偏光板3と偏光軸が直交) B1・・・第1光学素子 B2・・・第2光学素子 LS・・・光源手段 IS・・・接眼光学系 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface light source 2 ... Lens system 3 ... Polarizing plate 4 ... Reflection type liquid crystal display device (LCD) 5 ... Polarizing plate (Polarizing axis is orthogonal to polarizing plate 3) B1 ... · First optical element B2 ··· Second optical element LS · · · Light source means IS · Eyepiece optical system

フロントページの続き Fターム(参考) 2H088 EA10 HA18 HA20 HA21 HA22 HA24 HA28 MA02 MA13 MA16 MA20 5G435 AA01 AA18 BB12 BB16 BB17 DD04 DD09 DD10 EE22 FF03 FF05 FF07 FF08 FF12 GG02 GG03 GG08 GG09 GG28 LL00Continued on the front page F term (reference) 2H088 EA10 HA18 HA20 HA21 HA22 HA24 HA28 MA02 MA13 MA16 MA20 5G435 AA01 AA18 BB12 BB16 BB17 DD04 DD09 DD10 EE22 FF03 FF05 FF07 FF08 FF12 GG02 GG03 GG08 GG09 GG28 LL00

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】反射型の表示手段、 光束を入射させる入射面、該反射型の表示手段に対向し
光束を射出及び入射させる出入射面と、それ以外に少な
くとも一面を有し、内部を同一材質で満たした第1光学
素子、 該反射型の表示手段からの光束を入射させる入射面、該
入射面から入射した光束を反射させる光路に対して偏心
し且つパワーを有する複数の反射面、該複数の反射面で
反射した光束を射出させ観察者の瞳に導光する射出面と
を有し、内部を同一材質で満たした第2光学素子、を有
し、 該第1光学素子の入射面,出入射面以外の一面の少なく
とも一部と該第2光学素子の入射面の少なくとも一部と
は直接又は光学部材を介して接合されており、該接合さ
れた面の少なくとも一部で光束を反射して該出入射面よ
り射出させて該反射型の表示手段を照明することを特徴
とする画像表示装置。
1. A reflection type display means, an incident surface on which a light beam is incident, an outgoing / incident surface opposed to the reflection type display means for emitting and entering a light beam, and at least one other surface, and the inside is the same. A first optical element filled with a material, an incident surface on which a light beam from the reflective display means is incident, a plurality of reflecting surfaces decentered and having power with respect to an optical path for reflecting the light beam incident from the incident surface; An exit surface for emitting a light beam reflected by the plurality of reflection surfaces and guiding the light beam to the pupil of the observer; and a second optical element whose inside is filled with the same material; and an entrance surface of the first optical element. , At least a part of one surface other than the outgoing / incident surface and at least a part of the incident surface of the second optical element are joined directly or via an optical member, and a light beam is emitted by at least a part of the joined surface. The light is reflected and emitted from the entrance / exit surface to form the reflection type table. An image display device comprising illuminating means.
【請求項2】前記反射型の表示手段で反射し前記出入射
面より前記第1光学素子に入射した光束が、前記接合面
の接合部より第2光学素子に導かれることを特徴とする
請求項1の画像表示装置。
2. A light beam reflected by said reflection type display means and incident on said first optical element from said outgoing / incident surface is guided to a second optical element from a joint of said joint surface. Item 1. The image display device according to Item 1.
【請求項3】前記接合面が、反射膜形成部と反射膜非形
成部とを含み、前記出入射面並びに前記接合面以外の前
記第1光学素子の面より入射した光束が該反射膜形成部
により反射されて前記出入射面を射出して前記反射型の
表示手段に導かれ、前記反射型の表示手段からの光束を
該反射膜非形成部を通過させて前記第2光学素子に導く
ことを特徴とする請求項2の画像表示装置。
3. The joining surface includes a reflection film forming portion and a non-reflecting film forming portion, and a light beam incident from a surface of the first optical element other than the outgoing / incident surface and the joining surface forms the reflection film. The reflected light is emitted from the entrance / exit surface to be guided to the reflective display means, and the light flux from the reflective display means is passed through the non-reflection film forming part and guided to the second optical element. 3. The image display device according to claim 2, wherein:
【請求項4】前記接合面が、光束を非接合部で全反射さ
れて前記出入射面を射出して前記反射型の表示手段に導
かれ、前記反射型の表示手段からの光束を該反射膜非形
成部を通過させて前記第2光学素子に導くことを特徴と
する請求項2の画像表示装置。
4. The joint surface is totally reflected by the non-joint portion of the light beam, exits the light entrance / exit surface, is guided to the reflection type display means, and reflects the light beam from the reflection type display means into the reflection type display means. The image display device according to claim 2, wherein the light is guided to the second optical element through a non-film-forming portion.
【請求項5】前記接合面が、偏光ビームスプリッタとし
て作用するよう構成されたことを特徴とする請求項2の
画像表示装置。
5. The image display device according to claim 2, wherein said bonding surface is configured to function as a polarizing beam splitter.
【請求項6】前記接合面が、ハーフミラーとして作用す
るよう構成されたことを特徴とする請求項2の画像表示
装置。
6. The image display device according to claim 2, wherein said joining surface is configured to function as a half mirror.
【請求項7】前記第1光学素子の入射面と出入射面とが
同一形状の面であることを特徴とする請求項3〜6のい
ずれか1項の画像表示装置。
7. The image display device according to claim 3, wherein an incident surface and an outgoing and incident surface of said first optical element have the same shape.
【請求項8】前記第2光学素子を構成する複数のパワー
を有した反射面のうちの一面と、前記第1光学素子の入
射面とが同一形状の面であることを特徴とする請求項3
〜6のいずれか1項の画像表示装置。
8. The apparatus according to claim 1, wherein one of a plurality of power reflecting surfaces constituting said second optical element and an incident surface of said first optical element have the same shape. 3
7. The image display device according to any one of claims 1 to 6.
【請求項9】前記第2光学素子を構成する複数のパワー
を有した反射面のうちの一面と、前記第1光学素子の出
入射面とが同一形状の面であることを特徴とする請求項
3〜6のいずれか1項の画像表示装置。
9. A surface of one of a plurality of reflecting surfaces having a plurality of powers constituting said second optical element, and an outgoing / incident surface of said first optical element having the same shape. Item 7. The image display device according to any one of Items 3 to 6.
【請求項10】前記第1光学素子の出入射、入射面と、
前記第2光学素子の複数のパワーを有した反射面、射出
面が、それぞれ異なる面で構成されたことを特徴とする
請求項3〜6のいずれか1項の画像表示装置。
10. An outgoing / incident surface of said first optical element, an incident surface,
The image display device according to claim 3, wherein the reflection surface and the emission surface having a plurality of powers of the second optical element are configured by different surfaces, respectively.
【請求項11】前記第2光学素子の複数のパワーを有し
た反射面のうち、少なくとも1面が非回転対称面である
ことを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項の画像表
示装置。
11. An image display according to claim 3, wherein at least one of the plurality of power reflecting surfaces of said second optical element is a non-rotationally symmetric surface. apparatus.
【請求項12】前記第2光学素子の複数のパワーを有し
た反射面のうち、少なくとも1面が全反射を利用してい
ることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項の画像
表示装置。
12. The image according to claim 3, wherein at least one of the plurality of reflecting surfaces of the second optical element having a plurality of powers uses total reflection. Display device.
【請求項13】前記第2光学素子の複数の曲面反射面は
第1曲面反射面と第2曲面反射面の2面を有し、前記表
示手段で反射され前記第1光学素子の一部を通過した光
束を前記第2光学素子の入射面より入射させ、該第1曲
面反射面で全反射させ、第2曲面反射面で反射させた後
に射出面より射出させて観察者に導光していることを特
徴とする請求項11又は12の画像表示装置。
13. The plurality of curved reflecting surfaces of the second optical element have two surfaces of a first curved reflecting surface and a second curved reflecting surface, and a part of the first optical element which is reflected by the display means and is part of the first optical element. The transmitted light flux is made incident from the incident surface of the second optical element, totally reflected by the first curved reflecting surface, reflected by the second curved reflecting surface, emitted from the exit surface, and guided to the observer. 13. The image display device according to claim 11, wherein:
【請求項14】前記第2光学素子の複数の曲面反射面は
第1曲面反射面と第2曲面反射面と第3曲面反射面の3
面を有し、前記表示手段からの光束を前記第2光学素子
の入射面より入射させ、第1曲面反射面で反射させ、第
2曲面反射面で全反射させ、第3曲面反射面で反射させ
た後に射出面より射出させて観察者に導光していること
を特徴とする請求項11又は12の画像表示装置。
14. A plurality of curved reflecting surfaces of said second optical element, wherein said plurality of curved reflecting surfaces are a first curved reflecting surface, a second curved reflecting surface, and a third curved reflecting surface.
A light beam from the display means is incident on the incident surface of the second optical element, reflected by the first curved reflecting surface, totally reflected by the second curved reflecting surface, and reflected by the third curved reflecting surface 13. The image display device according to claim 11, wherein the image display device emits light from an emission surface and guides the light to an observer.
【請求項15】前記第1光学素子の入射面に入射させる
光束に指向性を持たせるための光学系を有していること
を特徴とする請求項3〜6のいずれか1項の画像表示装
置。
15. An image display according to claim 3, further comprising an optical system for giving directivity to a light beam incident on the incident surface of said first optical element. apparatus.
【請求項16】直線偏光した光束を前記第1光学素子に
入射させるための偏光手段を有することを特徴とする請
求項3〜6のいずれか1項の画像表示装置。
16. An image display apparatus according to claim 3, further comprising a polarizing means for causing a linearly polarized light beam to enter said first optical element.
【請求項17】前記第1光学素子の入射面に入射させる
光束に指向性を持たせるための光学系と、直線偏光した
光束を前記第1光学素子に入射させるための偏光手段を
有し、該光学系及び偏光手段の少なくとも一方と,該第
1光学素子とが接合されていることを特徴とする請求項
3〜6のいずれか1項の画像表示装置。
17. An optical system for providing directivity to a light beam incident on an incident surface of the first optical element, and a polarizing means for causing a linearly polarized light beam to enter the first optical element. The image display device according to any one of claims 3 to 6, wherein at least one of the optical system and the polarizing means and the first optical element are joined.
【請求項18】前記第2光学素子の複数の曲面反射面の
うち少なくとも一面が全反射を利用していることを特徴
とする請求項2の画像表示装置。
18. The image display apparatus according to claim 2, wherein at least one of the plurality of curved reflecting surfaces of the second optical element utilizes total reflection.
【請求項19】光束を入射させる入射面S1と該入射面
S1からの光束を反射及び透過させる機能を有した面S
2に導光し、該面S2で反射した光束を射出させる射出
面S3とを有した第1光学素子を用いて、該第1射出面
に対向配置した表示素子を照明し、該表示素子からの光
束のうち、該射出面S3より入射し、該面S2の少なく
も一部分と直接又は光学部材を介して少なくとも一部分
が接合された入射面S4から光束を入射させ入射面S4
からの光束を反射及び透過させる機能を有した面S5に
導光し、該面S5で反射した光束を反射させる反射面S
6、そして該反射面S6からの光束を該面S5より射出
させるようにした第2光学素子を用いて該表示素子に基
づく画像を観察するようにしたことを特徴とする画像表
示装置。
19. An incident surface S1 on which a light beam enters and a surface S having a function of reflecting and transmitting the light beam from the incident surface S1.
2 is used to illuminate a display element disposed opposite to the first exit surface, using a first optical element having an exit surface S3 for guiding the light beam reflected by the surface S2 to emit a light beam reflected by the surface S2. Out of the light beam from the light exiting surface S3, the light beam is incident on at least a portion of the surface S2 directly or through an optical member from an incident surface S4 at least partially joined via an optical member.
Surface S5 having a function of reflecting and transmitting the light beam from the surface S5, and reflecting the light beam reflected by the surface S5.
6. An image display device, wherein an image based on the display element is observed using a second optical element configured to emit a light beam from the reflection surface S6 from the surface S5.
【請求項20】前記第1,第2光学素子はいずれも、少
なくとも1つの非対称非球面を有し、内部を同一材質で
満たしたプリズム体より成っていることを特徴とする請
求項19の画像表示装置。
20. The image according to claim 19, wherein each of said first and second optical elements has at least one asymmetrical aspherical surface and is formed of a prism body whose inside is filled with the same material. Display device.
【請求項21】 請求項1から20のいずれか1項の画
像表示装置を観察者の頭部又は顔面に装着可能に構成し
たことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
21. A head-mounted display, wherein the image display device according to claim 1 is configured to be mounted on a head or a face of an observer.
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