JP2001305477A - 虚像表示装置 - Google Patents
虚像表示装置Info
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- JP2001305477A JP2001305477A JP2000128997A JP2000128997A JP2001305477A JP 2001305477 A JP2001305477 A JP 2001305477A JP 2000128997 A JP2000128997 A JP 2000128997A JP 2000128997 A JP2000128997 A JP 2000128997A JP 2001305477 A JP2001305477 A JP 2001305477A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 画像表示素子に対する照明光の利用効率を高
く維持しながら、画像表示素子が表示する画像を虚像で
観察する際の、瞳の移動に伴う輝度むら、強度むらの発
生を防止し、輝度的、色度的に均一な画像を表示するこ
とができるようにし、画像を観察できる範囲、すなわち
瞳の移動可能な範囲を大きくし、照明光学系の構成を簡
素化する。 【解決手段】 面状の発光部５を有する光源４と、光源
４から発せられた光が入射されてこの光を表示画像に応
じて変調して出射する画像表示素子６と、画像表示素子
６を経た光を集光させて表示画像の虚像を形成する拡大
光学系７とを備える。そして、光源の発光部５を、拡大
光学系７により形成される表示画像の虚像が観察可能な
領域に対して、拡大光学系７を介して共役な領域内に配
置する。
く維持しながら、画像表示素子が表示する画像を虚像で
観察する際の、瞳の移動に伴う輝度むら、強度むらの発
生を防止し、輝度的、色度的に均一な画像を表示するこ
とができるようにし、画像を観察できる範囲、すなわち
瞳の移動可能な範囲を大きくし、照明光学系の構成を簡
素化する。 【解決手段】 面状の発光部５を有する光源４と、光源
４から発せられた光が入射されてこの光を表示画像に応
じて変調して出射する画像表示素子６と、画像表示素子
６を経た光を集光させて表示画像の虚像を形成する拡大
光学系７とを備える。そして、光源の発光部５を、拡大
光学系７により形成される表示画像の虚像が観察可能な
領域に対して、拡大光学系７を介して共役な領域内に配
置する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、単眼、もしくは、
左右両眼により虚像を観察できるようにした虚像表示装
置に関する。
左右両眼により虚像を観察できるようにした虚像表示装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、虚像表示装置が提案されている。
このような虚像表示装置は、図１５に示すように、画像
表示素子（ＬＣＤパネル）１０１の出力画像を虚像表示
を行うための拡大光学系１０２を通して観察するように
構成されている。すなわち、このような虚像表示装置
は、光源１０３から出射された光を画像表示素子１０１
により空間的に変調し、凹面鏡光学系、もしくは、凸レ
ンズ光学系などの拡大光学系１０２を用いて、画像表示
素子１０１の表示画像を虚像１０４として結像するもの
である。
このような虚像表示装置は、図１５に示すように、画像
表示素子（ＬＣＤパネル）１０１の出力画像を虚像表示
を行うための拡大光学系１０２を通して観察するように
構成されている。すなわち、このような虚像表示装置
は、光源１０３から出射された光を画像表示素子１０１
により空間的に変調し、凹面鏡光学系、もしくは、凸レ
ンズ光学系などの拡大光学系１０２を用いて、画像表示
素子１０１の表示画像を虚像１０４として結像するもの
である。
【０００３】このような虚像表示装置は、いわゆるヘッ
ドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディ
スプレイ（ＨＵＤ）や、いわゆるビューファインダとし
て実用化されている。虚像表示装置においては、虚像を
観察できる領域が広いほど見易い。しかし、実用化され
ている虚像表示装置においては、光学系の瞳径が小さい
ために、眼幅調整機構を設けたり、眼鏡型もしくはヘル
メット型として頭部に固定することにより、観察可能な
領域内に観察者の瞳が存在するようにしているのであ
る。
ドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディ
スプレイ（ＨＵＤ）や、いわゆるビューファインダとし
て実用化されている。虚像表示装置においては、虚像を
観察できる領域が広いほど見易い。しかし、実用化され
ている虚像表示装置においては、光学系の瞳径が小さい
ために、眼幅調整機構を設けたり、眼鏡型もしくはヘル
メット型として頭部に固定することにより、観察可能な
領域内に観察者の瞳が存在するようにしているのであ
る。
【０００４】しかし、頭部などに固定することなく気軽
に虚像を観察することができる虚像表示装置の開発が望
まれている。このためには、虚像表示装置の瞳径を大き
くする必要がある。虚像表示装置の瞳径を充分に大きく
することは、光学系の大きさの制約や、虚像表示装置か
ら出射する光の角度を大きくすることができないことな
どから、困難である。
に虚像を観察することができる虚像表示装置の開発が望
まれている。このためには、虚像表示装置の瞳径を大き
くする必要がある。虚像表示装置の瞳径を充分に大きく
することは、光学系の大きさの制約や、虚像表示装置か
ら出射する光の角度を大きくすることができないことな
どから、困難である。
【０００５】そして、映像表示素子としては、透過型ラ
イトバルブ、反射型ライトバルブ、ＣＲＴ（陰極線管）
等が使用されている。従来の虚像表示装置の多くは、透
過型ライトバルブを用いて構成されている。
イトバルブ、反射型ライトバルブ、ＣＲＴ（陰極線管）
等が使用されている。従来の虚像表示装置の多くは、透
過型ライトバルブを用いて構成されている。
【０００６】近年、小型で高解像度の虚像表示装置を開
発するにあたって、結晶Ｓｉ（シリコン）基板を用いた
反射型液晶ライトバルブの開発がなされている。この反
射型液晶ライトバルブの特徴は、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳ
回路を形成し、その上に反射鏡を形成し、液晶を挟む構
造となっている。このような反射型液晶ライトバルブに
おいては、開口率の向上が実現され、さらに、Ｓｉベー
スの製造プロセスが採用可能であるため、設計ルールが
細かくでき、高解像度を実現するのに好適である。
発するにあたって、結晶Ｓｉ（シリコン）基板を用いた
反射型液晶ライトバルブの開発がなされている。この反
射型液晶ライトバルブの特徴は、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳ
回路を形成し、その上に反射鏡を形成し、液晶を挟む構
造となっている。このような反射型液晶ライトバルブに
おいては、開口率の向上が実現され、さらに、Ｓｉベー
スの製造プロセスが採用可能であるため、設計ルールが
細かくでき、高解像度を実現するのに好適である。
【０００７】このような反射型ライトバルブを用いた虚
像表示装置の構成は、例えば、米国特許ＵＳ５８０８８
００に記載されている。この虚像表示装置においては、
図１６に示すように、光源１０３から出た光束は、コリ
メートレンズ１０５によって平行光束となされ、ガラス
等からなる偏光ビームスプリッタ１０６に入射し、この
偏光ビームスプリッタの反射膜１０７においてＳ偏光成
分とＰ偏光成分とに分けられる。この偏光ビームスプリ
ッタ１０６においては、Ｓ偏光成分が反射膜１０７によ
り反射されて、反射型ライトバルブ１０８に入射する。
像表示装置の構成は、例えば、米国特許ＵＳ５８０８８
００に記載されている。この虚像表示装置においては、
図１６に示すように、光源１０３から出た光束は、コリ
メートレンズ１０５によって平行光束となされ、ガラス
等からなる偏光ビームスプリッタ１０６に入射し、この
偏光ビームスプリッタの反射膜１０７においてＳ偏光成
分とＰ偏光成分とに分けられる。この偏光ビームスプリ
ッタ１０６においては、Ｓ偏光成分が反射膜１０７によ
り反射されて、反射型ライトバルブ１０８に入射する。
【０００８】反射型ライトバルブ１０８は、映像装置の
電気信号にしたがって、光の偏光状態を変調する。すな
わち、反射型ライトバルブ１０８に入射した光束は、こ
の反射型ライトバルブ１０８において変調され、映像信
号に応じた光が反射される。反射型ライトバルブ１０８
により反射された光束は、拡大光学系となる屈折レンズ
１０９を通り、拡大されて、観察者の瞳１１０によって
結像される。
電気信号にしたがって、光の偏光状態を変調する。すな
わち、反射型ライトバルブ１０８に入射した光束は、こ
の反射型ライトバルブ１０８において変調され、映像信
号に応じた光が反射される。反射型ライトバルブ１０８
により反射された光束は、拡大光学系となる屈折レンズ
１０９を通り、拡大されて、観察者の瞳１１０によって
結像される。
【０００９】この虚像表示装置の特徴は、光源像を瞳上
に結像することにより、光源の発光光量を有効に使うと
ともに、光源の個数を増やすことより、瞳径を大きくす
ることができるというところにある。
に結像することにより、光源の発光光量を有効に使うと
ともに、光源の個数を増やすことより、瞳径を大きくす
ることができるというところにある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な、光源像が瞳上に結像されるようにした虚像表示装置
において、瞳径を大きくするには、光源の数を増やさな
ければならない。光源の数を増やすことは、消費電力の
増大、装置の大型化、さらにはコストアップも招来する
ので、瞳径を大きくするための対応として現実的ではな
い。
な、光源像が瞳上に結像されるようにした虚像表示装置
において、瞳径を大きくするには、光源の数を増やさな
ければならない。光源の数を増やすことは、消費電力の
増大、装置の大型化、さらにはコストアップも招来する
ので、瞳径を大きくするための対応として現実的ではな
い。
【００１１】また、光源の像を均一にライトバルブに照
射するには、フライアイレンズ等を用いて出射光を均一
化するように構成された照明光学系を用いなければなら
ない。そのため、照明光学系の複雑化、大型化が招来さ
れる。
射するには、フライアイレンズ等を用いて出射光を均一
化するように構成された照明光学系を用いなければなら
ない。そのため、照明光学系の複雑化、大型化が招来さ
れる。
【００１２】さらに、このような照明光学系を用いて
も、眼の僅かな移動により、色むらや輝度むらが生じて
しまう虞れがある。
も、眼の僅かな移動により、色むらや輝度むらが生じて
しまう虞れがある。
【００１３】そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提
案されるものであって、画像表示素子に対する照明光の
利用効率を高く維持しながら、該画像表示素子が表示す
る画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴う輝度む
ら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度的に均一
な画像を表示することができ、また、画像を観察できる
範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくなされ、さ
らに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表示装置を
提供しようとするものである。
案されるものであって、画像表示素子に対する照明光の
利用効率を高く維持しながら、該画像表示素子が表示す
る画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴う輝度む
ら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度的に均一
な画像を表示することができ、また、画像を観察できる
範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくなされ、さ
らに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表示装置を
提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る虚像表示装置は、面状の発光部を有し
該発光部の各点から拡散光を発する光源と、この光源か
ら発せられた光が入射されこの光を表示画像に応じて変
調して出射する画像表示素子と、この画像表示素子を経
た光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光
学系とを備えている。
め、本発明に係る虚像表示装置は、面状の発光部を有し
該発光部の各点から拡散光を発する光源と、この光源か
ら発せられた光が入射されこの光を表示画像に応じて変
調して出射する画像表示素子と、この画像表示素子を経
た光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光
学系とを備えている。
【００１５】そして、この虚像表示装置においては、光
源の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画
像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大光学系を介
して共役な領域内に配置されていることを特徴とするも
のである。
源の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画
像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大光学系を介
して共役な領域内に配置されていることを特徴とするも
のである。
【００１６】また、この虚像表示装置においては、光源
の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画像
の虚像が観察可能であって画像表示素子の全面からの光
が観察者の瞳開口全体に入射される領域に対して該拡大
光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特
徴とするものである。
の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画像
の虚像が観察可能であって画像表示素子の全面からの光
が観察者の瞳開口全体に入射される領域に対して該拡大
光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特
徴とするものである。
【００１７】さらに、この虚像表示装置においては、光
源の発光部は、拡大光学系により形成される表示画像の
虚像が観察可能な領域の中央位置に対して該拡大光学系
を介して共役な位置に配置されていることを特徴とする
ものである。
源の発光部は、拡大光学系により形成される表示画像の
虚像が観察可能な領域の中央位置に対して該拡大光学系
を介して共役な位置に配置されていることを特徴とする
ものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。
を参照しながら説明する。
【００１９】本発明に係る虚像表示装置は、図１に示す
ように、光束分割面となる偏光ビームスプリッタ１の反
射面２を光軸に対して４５°をなして配置した光学系を
用いて構成することができる。
ように、光束分割面となる偏光ビームスプリッタ１の反
射面２を光軸に対して４５°をなして配置した光学系を
用いて構成することができる。
【００２０】この虚像表示装置は、図２に示すように、
Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の発光素子
（ＬＥＤ）３及びサイドエッジ型導光板４からなる光源
を備えている。この光源においては、発光素子３から出
射された光束は、サイドエッジ型導光板４中に入射し、
このサイドエッジ型導光板４内で拡散、混色され、出射
面５より出射する。サイドエッジ型導光板４は、略々平
板状に形成され、一側側の厚さ（例えば、３ｍｍ）が他
側側の厚さ（例えば、０．３ｍｍ）よりも厚い楔形状と
なっている。発光素子３からの光束は、サイドエッジ型
導光板４の一側面部より入射される。サイドエッジ型導
光板４の出射面５は、このサイドエッジ型導光板４の主
面部にあたる部分であり、後述する反射型ライトバルブ
６の画像表示面と略々同じ大きさ及び形状となってい
る。この出射面５は、面上の各点から拡散光を発する面
状の発光部となっている。
Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の発光素子
（ＬＥＤ）３及びサイドエッジ型導光板４からなる光源
を備えている。この光源においては、発光素子３から出
射された光束は、サイドエッジ型導光板４中に入射し、
このサイドエッジ型導光板４内で拡散、混色され、出射
面５より出射する。サイドエッジ型導光板４は、略々平
板状に形成され、一側側の厚さ（例えば、３ｍｍ）が他
側側の厚さ（例えば、０．３ｍｍ）よりも厚い楔形状と
なっている。発光素子３からの光束は、サイドエッジ型
導光板４の一側面部より入射される。サイドエッジ型導
光板４の出射面５は、このサイドエッジ型導光板４の主
面部にあたる部分であり、後述する反射型ライトバルブ
６の画像表示面と略々同じ大きさ及び形状となってい
る。この出射面５は、面上の各点から拡散光を発する面
状の発光部となっている。
【００２１】なお、サイドエッジ型導光板４の一側面部
及び出射面５以外の側面部及び裏面部には、反射フィル
ムが貼着されている。
及び出射面５以外の側面部及び裏面部には、反射フィル
ムが貼着されている。
【００２２】サイドエッジ型導光板４の出射面５より出
射された光束は、図１に示すように、偏光ビームスプリ
ッタ１に入射し、反射面２に達する。この反射面２にお
いて、光源からの光束は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分に
分離される。すなわち、この反射面２においては、Ｓ偏
光成分が反射され、Ｐ偏光成分は透過する。反射面２に
おいて反射された光束は、画像表示素子である反射型ラ
イトバルブ６に入射する。
射された光束は、図１に示すように、偏光ビームスプリ
ッタ１に入射し、反射面２に達する。この反射面２にお
いて、光源からの光束は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分に
分離される。すなわち、この反射面２においては、Ｓ偏
光成分が反射され、Ｐ偏光成分は透過する。反射面２に
おいて反射された光束は、画像表示素子である反射型ラ
イトバルブ６に入射する。
【００２３】反射型ライトバルブ６は、図示しない映像
装置の電気信号にしたがって、入射した光の偏光状態を
変調する。すなわち、反射型ライトバルブ６に入射した
光束は、この反射型ライトバルブ６において変調され
て、映像信号に応じた光が反射される。反射型ライトバ
ルブ６により変調されて反射された光束は、接眼レンズ
７からなる拡大光学系を経て、観察者の瞳８を通り、眼
に結像される。
装置の電気信号にしたがって、入射した光の偏光状態を
変調する。すなわち、反射型ライトバルブ６に入射した
光束は、この反射型ライトバルブ６において変調され
て、映像信号に応じた光が反射される。反射型ライトバ
ルブ６により変調されて反射された光束は、接眼レンズ
７からなる拡大光学系を経て、観察者の瞳８を通り、眼
に結像される。
【００２４】ここで、拡大光学系としては、接眼レンズ
７を用いているが、凹面鏡光学系、もしくは、凹面鏡及
び接眼レンズを併有した光学系などでもよい。
７を用いているが、凹面鏡光学系、もしくは、凹面鏡及
び接眼レンズを併有した光学系などでもよい。
【００２５】なお、図１中においては、出射面５から出
射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ
６から出射した光線追跡を破線で示している。
射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ
６から出射した光線追跡を破線で示している。
【００２６】反射型ライトバルブ６の画像表示面と、発
光部であるサイドエッジ型導光板４の出射面５との位置
関係が、図１に示すように垂直である場合、反射型ライ
トバルブ６上に照射される照明光を均一にするには、テ
レセントリックに照明されることが必要となる。そのた
めには、サイドエッジ型導光板４の出射面５は、反射型
ライトバルブ６の画像表示の有効面積以上の大きさとす
ることが望ましい。
光部であるサイドエッジ型導光板４の出射面５との位置
関係が、図１に示すように垂直である場合、反射型ライ
トバルブ６上に照射される照明光を均一にするには、テ
レセントリックに照明されることが必要となる。そのた
めには、サイドエッジ型導光板４の出射面５は、反射型
ライトバルブ６の画像表示の有効面積以上の大きさとす
ることが望ましい。
【００２７】そして、この虚像表示装置においては、サ
イドエッジ型導光板４の出射面５と観察者の瞳８の位置
とは、共役な位置関係に配置されている。このことによ
り、この虚像表示装置においては、輝度むら、色むらの
ない映像表示を観察することが可能となっている。
イドエッジ型導光板４の出射面５と観察者の瞳８の位置
とは、共役な位置関係に配置されている。このことによ
り、この虚像表示装置においては、輝度むら、色むらの
ない映像表示を観察することが可能となっている。
【００２８】次に、この虚像表示装置を構成する光源に
ついて、より詳しく説明する。
ついて、より詳しく説明する。
【００２９】この光源において、サイドエッジ型導光板
４は、反射型ライトバルブを照明する光束の角度を制御
するために用いられている。サイドエッジ型導光板は、
上述したように、楔型の形状をした半透明体であるが、
一般的には、いわゆるパーソナルコンピュータなどのモ
ニターディスプレイに使用されている直視型液晶パネル
のバックライトの導光板として、広く使用されている。
４は、反射型ライトバルブを照明する光束の角度を制御
するために用いられている。サイドエッジ型導光板は、
上述したように、楔型の形状をした半透明体であるが、
一般的には、いわゆるパーソナルコンピュータなどのモ
ニターディスプレイに使用されている直視型液晶パネル
のバックライトの導光板として、広く使用されている。
【００３０】このサイドエッジ型導光板４の材質として
は、アクリル樹脂（ポリメチルメタクリレート（Polyme
thylmethacrylate：ＰＭＭＡ））や、光散乱ポリマを使
用することができる。光散乱ポリマとは、例えば、アク
リル樹脂などに屈折率の異なる透明な不純物を少量加え
た材料であり、光の射出特性の制御を可能とするととも
に、混色の作用も大きくした材料である。発光素子とし
て発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）を用いる場合には、サイドエッジ型導光板内での混
色をする必要があるので、その材料として光散乱ポリマ
を用いることは有効である。
は、アクリル樹脂（ポリメチルメタクリレート（Polyme
thylmethacrylate：ＰＭＭＡ））や、光散乱ポリマを使
用することができる。光散乱ポリマとは、例えば、アク
リル樹脂などに屈折率の異なる透明な不純物を少量加え
た材料であり、光の射出特性の制御を可能とするととも
に、混色の作用も大きくした材料である。発光素子とし
て発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）を用いる場合には、サイドエッジ型導光板内での混
色をする必要があるので、その材料として光散乱ポリマ
を用いることは有効である。
【００３１】この光源においては、図３に示すように、
Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の発光素子３は、１つのパッケージに入
った「チップ型ＬＥＤ」として構成されている。これら
発光素子３をサイドエッジ型導光板４の一側面部に密着
させることより、該発光素子が発する光の利用効率が向
上する。さらに、サイドエッジ型導光板４と発光素子３
の表面との間を、発光素子のレンズ面であるエポキシ樹
脂の屈折率に近い屈折率を有する溶媒で埋めれば、光の
利用効率をより向上させることができる。
Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の発光素子３は、１つのパッケージに入
った「チップ型ＬＥＤ」として構成されている。これら
発光素子３をサイドエッジ型導光板４の一側面部に密着
させることより、該発光素子が発する光の利用効率が向
上する。さらに、サイドエッジ型導光板４と発光素子３
の表面との間を、発光素子のレンズ面であるエポキシ樹
脂の屈折率に近い屈折率を有する溶媒で埋めれば、光の
利用効率をより向上させることができる。
【００３２】サイドエッジ型導光板の入射面及び出射面
以外の面に貼着される反射フィルムとしては、白色、ま
たは、銀色の反射フィルムを用いる。また、このサイド
エッジ型導光板の出射面５には、出射光束の拡散角度を
制御するためのプリズムシートが貼着されている。この
プリズムシートにより、射出面５から出射される光束の
発散角は、半値で１０°乃至３０°となされる。
以外の面に貼着される反射フィルムとしては、白色、ま
たは、銀色の反射フィルムを用いる。また、このサイド
エッジ型導光板の出射面５には、出射光束の拡散角度を
制御するためのプリズムシートが貼着されている。この
プリズムシートにより、射出面５から出射される光束の
発散角は、半値で１０°乃至３０°となされる。
【００３３】サイドエツジ型導光板４から射出される光
束は、図４に示すように、θ１方向とθ２方向では発散
角が異なり、すなわち、光束の断面形状が楕円形となっ
ている。ここで、θ１は、図５に示すように、出射面５
に平行であって発光素子３からサイドエッジ型導光板４
に向かう方向を軸とした角度である。また、θ２は、図
５に示すように、出射面５に平行であってθ１に垂直な
方向を軸とした角度である。図４より、θ１方向の発散
角は、θ２方向の発散角よりも広いことがわかる。な
お、この図４に示したデータは、サイドエッジ型導光板
４を光散乱ポリマにより形成した場合のものである。発
光素子がレーザダイオードである場合には、この発光素
子から出射された光束自身が大きな発散角を有してお
り、また、方向によって発散角が異なり、光束の断面が
楕円形状となっている。
束は、図４に示すように、θ１方向とθ２方向では発散
角が異なり、すなわち、光束の断面形状が楕円形となっ
ている。ここで、θ１は、図５に示すように、出射面５
に平行であって発光素子３からサイドエッジ型導光板４
に向かう方向を軸とした角度である。また、θ２は、図
５に示すように、出射面５に平行であってθ１に垂直な
方向を軸とした角度である。図４より、θ１方向の発散
角は、θ２方向の発散角よりも広いことがわかる。な
お、この図４に示したデータは、サイドエッジ型導光板
４を光散乱ポリマにより形成した場合のものである。発
光素子がレーザダイオードである場合には、この発光素
子から出射された光束自身が大きな発散角を有してお
り、また、方向によって発散角が異なり、光束の断面が
楕円形状となっている。
【００３４】なお、この光源における発光部は、発光素
子の直後に置いたすりガラス等であってもよい。
子の直後に置いたすりガラス等であってもよい。
【００３５】次に、虚像表示素子である反射型ライトバ
ルブ６が表示する映像の虚像を観察できる範囲、すなわ
ち、光学系の瞳径と、反射型ライトバルブ６から出射さ
れる光束の角度との関係について説明する。
ルブ６が表示する映像の虚像を観察できる範囲、すなわ
ち、光学系の瞳径と、反射型ライトバルブ６から出射さ
れる光束の角度との関係について説明する。
【００３６】まず、説明の簡単化のため、図６及び図７
に示すように、反射型ライトバルブ６と接眼レンズ７と
の距離が該接眼レンズ７の焦点距離ｆに等しくなされて
いるとする。そして、反射型ライトバルブ６から出射す
る光束の垂直方向の発散角を、図６に示すように、２ω
1とし、水平方向の発散角を、図７に示すように、２ω2
とする。また、虚像を親察することのできる光学系の瞳
径については、垂直方向については、図６に示すよう
に、Φ１とし、水平方向（左右方向）については、図７
に示すように、Φ２とする。
に示すように、反射型ライトバルブ６と接眼レンズ７と
の距離が該接眼レンズ７の焦点距離ｆに等しくなされて
いるとする。そして、反射型ライトバルブ６から出射す
る光束の垂直方向の発散角を、図６に示すように、２ω
1とし、水平方向の発散角を、図７に示すように、２ω2
とする。また、虚像を親察することのできる光学系の瞳
径については、垂直方向については、図６に示すよう
に、Φ１とし、水平方向（左右方向）については、図７
に示すように、Φ２とする。
【００３７】反射型ライトバルブ６から２ω1、２ω2の
発散角で出射された光束は、焦点距離ｆの接眼レンズ７
を通り、観測者の瞳８を通って眼に入り、結像される。
光学系の瞳径Φ１、Φ２は、図６及び図７に示す光学系
の配置を考えると以下の関係式より算出される。
発散角で出射された光束は、焦点距離ｆの接眼レンズ７
を通り、観測者の瞳８を通って眼に入り、結像される。
光学系の瞳径Φ１、Φ２は、図６及び図７に示す光学系
の配置を考えると以下の関係式より算出される。
【００３８】Φ１＝２ｆtan（ω1） Φ２＝２ｆtan（ω2） このことから、瞳径Φ１、Φ２を大きくするには、接眼
レンズ７の焦点距離ｆを長くするか、または、反射型ラ
イトバルブ６より射出される光束の発散角２ω1、２ω2
を大きくする必要がある。
レンズ７の焦点距離ｆを長くするか、または、反射型ラ
イトバルブ６より射出される光束の発散角２ω1、２ω2
を大きくする必要がある。
【００３９】しかし、光学系の小型化が必要とされてい
る虚像表示装置では、接眼レンズ７の焦点距離ｆを長く
することはできないので、反射型ライトバルブ６から出
射される束の発散角２ω1、２ω2を大きくする必要があ
る。
る虚像表示装置では、接眼レンズ７の焦点距離ｆを長く
することはできないので、反射型ライトバルブ６から出
射される束の発散角２ω1、２ω2を大きくする必要があ
る。
【００４０】ここで、サイドエッジ型導光板、もしく
は、発光素子の出射光の発散角の方向依存性を利用し
て、瞳の移動量が大きい方向、通常は水平方向（左右方
向）に、サイドエッジ型導光板、もしくは発光素子の出
射光の発散角度の大きい方向を合わせることにより、実
用的に瞳が移動可能な距離を大きくすることができる。
また、一般的な映像表示素子は、「ＮＴＳＣ方式」のも
のであれば画像の縦横比は４：３、「ＨＤ方式」のもの
であれば画像の縦横比は１６：９の横長になっているの
で、この意味からも、瞳の移動量が大きい方向は水平方
向（左右方向）となるので、これに合わせてサイドエッ
ジ型導光板等の配置を行う。
は、発光素子の出射光の発散角の方向依存性を利用し
て、瞳の移動量が大きい方向、通常は水平方向（左右方
向）に、サイドエッジ型導光板、もしくは発光素子の出
射光の発散角度の大きい方向を合わせることにより、実
用的に瞳が移動可能な距離を大きくすることができる。
また、一般的な映像表示素子は、「ＮＴＳＣ方式」のも
のであれば画像の縦横比は４：３、「ＨＤ方式」のもの
であれば画像の縦横比は１６：９の横長になっているの
で、この意味からも、瞳の移動量が大きい方向は水平方
向（左右方向）となるので、これに合わせてサイドエッ
ジ型導光板等の配置を行う。
【００４１】このことを、図６及び図７を用いて説明を
すると、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出
射光の発散角の広い方を、映像表示素子の表示画像の長
辺（長手）方向に配置すると、ω2＞ω1という関係にな
り、その結果、Φ１＞Φ２という関係が生じ、表示画像
の長辺（長手）方向に瞳径が大きく取れることがわか
る。
すると、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出
射光の発散角の広い方を、映像表示素子の表示画像の長
辺（長手）方向に配置すると、ω2＞ω1という関係にな
り、その結果、Φ１＞Φ２という関係が生じ、表示画像
の長辺（長手）方向に瞳径が大きく取れることがわか
る。
【００４２】また、めがね型二眼虚像表示装置において
は、装置構成の簡素化のために、眼幅の調整機能がな
い。一般的に、人間の眼幅は、５７ｍｍ乃至６７ｍｍ程
度とばらつきが存在する。めがね型二眼虚像表示装置に
おいては、人間の眼幅の平均値である約６０ｍｍに合わ
せて設計がなされているが、瞳径が水平方向（左右方
向）に大きくなっていないと、万人が使用できる装置に
ならない。そこで、このめがね型二眼虚像表示装置にお
いても、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出
射光の発散角度の大きい方向を、眼幅の変化量の多い左
右方向に合わせて配置するとよい。
は、装置構成の簡素化のために、眼幅の調整機能がな
い。一般的に、人間の眼幅は、５７ｍｍ乃至６７ｍｍ程
度とばらつきが存在する。めがね型二眼虚像表示装置に
おいては、人間の眼幅の平均値である約６０ｍｍに合わ
せて設計がなされているが、瞳径が水平方向（左右方
向）に大きくなっていないと、万人が使用できる装置に
ならない。そこで、このめがね型二眼虚像表示装置にお
いても、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出
射光の発散角度の大きい方向を、眼幅の変化量の多い左
右方向に合わせて配置するとよい。
【００４３】次に、この虚像観察装置における虚像観察
可能領域について説明する。この虚像観察装置の使用に
あたって、観察者は、光学設計上の瞳位置に眼をもって
くることが望ましい。しかし、実際には、観察者は、光
学設計上の瞳位置に正確に眼がなくても、虚像を観察す
ることができる。ここで、観察者が眼を移動しても、画
像表示素子が表示する画像の全面を観察することができ
る空間的範囲を、「虚像観察可能領域」と呼ぶこととす
る。
可能領域について説明する。この虚像観察装置の使用に
あたって、観察者は、光学設計上の瞳位置に眼をもって
くることが望ましい。しかし、実際には、観察者は、光
学設計上の瞳位置に正確に眼がなくても、虚像を観察す
ることができる。ここで、観察者が眼を移動しても、画
像表示素子が表示する画像の全面を観察することができ
る空間的範囲を、「虚像観察可能領域」と呼ぶこととす
る。
【００４４】映像表示素子の画像表示エリアを経たすべ
ての光束が、拡大光学系を経由して重なり合う領域に眼
を配置することにより、画像表示素子が表示する画像の
全体の観察が可能となる。すなわち、図８及び図９に示
すように、映像表示素子の画像表示エリアを経たすべて
の光束が拡大光学系を経由して重なり合う領域が、虚像
観察可能領域Ｖということになる。
ての光束が、拡大光学系を経由して重なり合う領域に眼
を配置することにより、画像表示素子が表示する画像の
全体の観察が可能となる。すなわち、図８及び図９に示
すように、映像表示素子の画像表示エリアを経たすべて
の光束が拡大光学系を経由して重なり合う領域が、虚像
観察可能領域Ｖということになる。
【００４５】図８及び図９においては、画像表示素子か
ら出射した光束の光線追跡の断面図を示している。便宜
上、虚像距離を無限遠にとった場合の図としてある。画
像表示素子から出射した光束は、拡大光学系を経由し
て、観察者の瞳位置を通り、眼に結像される。虚像観察
可能領域Ｖは、図８に示すように、映像表示素子の最上
部から出射した光束と、最下部から出射した光束が拡大
光学系を経由して重なり合う領域、すなわち、図８及び
図９において、黒線で囲まれた四角形で示された領域で
ある。
ら出射した光束の光線追跡の断面図を示している。便宜
上、虚像距離を無限遠にとった場合の図としてある。画
像表示素子から出射した光束は、拡大光学系を経由し
て、観察者の瞳位置を通り、眼に結像される。虚像観察
可能領域Ｖは、図８に示すように、映像表示素子の最上
部から出射した光束と、最下部から出射した光束が拡大
光学系を経由して重なり合う領域、すなわち、図８及び
図９において、黒線で囲まれた四角形で示された領域で
ある。
【００４６】実際には、映像表示素子は２次元的な画像
を表示する表示素子であるから、虚像観察可能領域Ｖ
は、空間的に立体的に存在する。すなわち、光学設計に
よって決定される瞳の位置から光軸に沿って、光学系の
アパーチャが決定する形状（円、楕円、または、四角
形）を底面にもつ円錐、楕円錐、または、多角錐を前後
に重ね合わせた形状の領域となる。ここで、画角をθ、
瞳径をΦ、光軸に沿つた距離を２ｈとすると、虚像距離
が無限遠である設計の場合においては、 tan（θ／２）＝Φ／２ｈ が満たされている。
を表示する表示素子であるから、虚像観察可能領域Ｖ
は、空間的に立体的に存在する。すなわち、光学設計に
よって決定される瞳の位置から光軸に沿って、光学系の
アパーチャが決定する形状（円、楕円、または、四角
形）を底面にもつ円錐、楕円錐、または、多角錐を前後
に重ね合わせた形状の領域となる。ここで、画角をθ、
瞳径をΦ、光軸に沿つた距離を２ｈとすると、虚像距離
が無限遠である設計の場合においては、 tan（θ／２）＝Φ／２ｈ が満たされている。
【００４７】なお、虚像観察可能領域Ｖは、虚像距離が
無限遠にある場合においては、光学設計上の瞳位置から
光軸上に沿って前後対称な形状を有するが、虚像距離が
有限距離にあるとして設計した場合は、前後対称の形状
ではなく、設計上の瞳位置から光束が進む方向の錐体が
長い形状となる。
無限遠にある場合においては、光学設計上の瞳位置から
光軸上に沿って前後対称な形状を有するが、虚像距離が
有限距離にあるとして設計した場合は、前後対称の形状
ではなく、設計上の瞳位置から光束が進む方向の錐体が
長い形状となる。
【００４８】次に、瞳径と虚像観察可能領域の関係につ
いて説明する。本発明に係る虚像表示装置においては、
光源の発光部は、虚像観察可能領域に対して拡大光学系
を介して共役な位置関係をもって配置される。すなわ
ち、図１０に示すように、光源の発光部の拡大光学系を
介しての共役像が、虚像観察可能領域内に結像するよう
になされている。
いて説明する。本発明に係る虚像表示装置においては、
光源の発光部は、虚像観察可能領域に対して拡大光学系
を介して共役な位置関係をもって配置される。すなわ
ち、図１０に示すように、光源の発光部の拡大光学系を
介しての共役像が、虚像観察可能領域内に結像するよう
になされている。
【００４９】この図１０中において、虚像観察可能領域
中で光軸に垂直に切った断面（観察断面）の面積が最も
大きい位置である位置Ｃは、光学設計上の瞳位置とな
る。この位置Ｃの前後両側に位置する位置Ｂは、虚像観
察可能領域内において、観察断面の大きさが、観察者の
瞳径に相当する直径３ｍｍの円を含むことのできる最低
の大きさ、すなわち、長方形であれば短辺３ｍｍとなる
位置である。
中で光軸に垂直に切った断面（観察断面）の面積が最も
大きい位置である位置Ｃは、光学設計上の瞳位置とな
る。この位置Ｃの前後両側に位置する位置Ｂは、虚像観
察可能領域内において、観察断面の大きさが、観察者の
瞳径に相当する直径３ｍｍの円を含むことのできる最低
の大きさ、すなわち、長方形であれば短辺３ｍｍとなる
位置である。
【００５０】そして、虚像観察可能領域の前後両端部に
あたる図１０中の位置Ａは、この位置より光軸上に沿っ
て設計上の瞳位置から離れると映像表示素子の画像の一
部が欠け始め、全体を観察することができなくなる位置
である。
あたる図１０中の位置Ａは、この位置より光軸上に沿っ
て設計上の瞳位置から離れると映像表示素子の画像の一
部が欠け始め、全体を観察することができなくなる位置
である。
【００５１】次に、図１１及び図１２に示すように、虚
像観察可能領域を光軸に垂直な面で切り取った図１１及
び図１２中長方形で示す観察断面と、図１１及び図１２
中円で示す人間の瞳の位置及び瞳径の大きさの関係につ
いて説明する。一般に人間の瞳径（瞳孔径）は、明るい
場所では小さくなり、暗いところでは大きくなるが、３
ｍｍから８ｍｍ程度である。ここでは、最小の値である
３ｍｍを瞳径をとして説明を行う。
像観察可能領域を光軸に垂直な面で切り取った図１１及
び図１２中長方形で示す観察断面と、図１１及び図１２
中円で示す人間の瞳の位置及び瞳径の大きさの関係につ
いて説明する。一般に人間の瞳径（瞳孔径）は、明るい
場所では小さくなり、暗いところでは大きくなるが、３
ｍｍから８ｍｍ程度である。ここでは、最小の値である
３ｍｍを瞳径をとして説明を行う。
【００５２】瞳径と虚像観察可能領域断面の大きさにつ
いては、図１１に示すように、光学設計上の瞳位置か
ら、光軸に沿っての眼の移動に伴い、虚像観察可能領域
断面が小さくなる。ここで、図１１中のＩに示すよう
に、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも大きいという関
係がある場合、映像表示素子の表示エリアの全体を観察
することができる。しかし、図１１中のＩＩに示すよう
に、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも小さくなると、
映像表示装置の表示エリアの全面を観察することはでき
るが、瞳に入る光量が小さくなり、観察できる画像が暗
くなる。このことから、図１０中の位置Ｂは、観察断面
の短辺が瞳径を割り込む位置関係、すなわち、図１１中
のＩに示す関係にある場合に相当する。
いては、図１１に示すように、光学設計上の瞳位置か
ら、光軸に沿っての眼の移動に伴い、虚像観察可能領域
断面が小さくなる。ここで、図１１中のＩに示すよう
に、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも大きいという関
係がある場合、映像表示素子の表示エリアの全体を観察
することができる。しかし、図１１中のＩＩに示すよう
に、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも小さくなると、
映像表示装置の表示エリアの全面を観察することはでき
るが、瞳に入る光量が小さくなり、観察できる画像が暗
くなる。このことから、図１０中の位置Ｂは、観察断面
の短辺が瞳径を割り込む位置関係、すなわち、図１１中
のＩに示す関係にある場合に相当する。
【００５３】そして、瞳位置と虚像観察可能領域の観察
断面の位置関係については、図１２に示すように、図１
２中に示すように、瞳が観察断面に全て含まれている
関係の場合は、虚像を十分に観察することができる。そ
して、図１２中に示すように、瞳の一部が観察断面か
らはみ出している関係の場合は、画像表示素子の表示エ
リアが欠けることはないが、画像の周辺の光量低下が観
察される。そして、図１２中に示すように、瞳の全体
が観察断面から出ている関係の場合、観察できる画像表
示素子の表示エリアに欠けが生じ、すなわち、表示エリ
ア全体を一度に観察することはできなくなる。
断面の位置関係については、図１２に示すように、図１
２中に示すように、瞳が観察断面に全て含まれている
関係の場合は、虚像を十分に観察することができる。そ
して、図１２中に示すように、瞳の一部が観察断面か
らはみ出している関係の場合は、画像表示素子の表示エ
リアが欠けることはないが、画像の周辺の光量低下が観
察される。そして、図１２中に示すように、瞳の全体
が観察断面から出ている関係の場合、観察できる画像表
示素子の表示エリアに欠けが生じ、すなわち、表示エリ
ア全体を一度に観察することはできなくなる。
【００５４】そして、この虚像観察装置においては、光
源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域内に
位置するように、光源、画像表示素子及び拡大光学系が
配置されている。このような配置により、画像表示素子
の表示する全画面を欠けることなく観察することができ
る。
源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域内に
位置するように、光源、画像表示素子及び拡大光学系が
配置されている。このような配置により、画像表示素子
の表示する全画面を欠けることなく観察することができ
る。
【００５５】また、光源の発光部の共役像が、観察者の
虚像観察可能領域内において、人間の最小瞳径３ｍｍを
含有する領域となるように光源、画像表示素子及び拡大
光学系を配置することにより、画像表示素子が表示する
全画面を欠くことなく観察できるとともに、表示エリア
周辺の光量を十分に確保することができる。
虚像観察可能領域内において、人間の最小瞳径３ｍｍを
含有する領域となるように光源、画像表示素子及び拡大
光学系を配置することにより、画像表示素子が表示する
全画面を欠くことなく観察できるとともに、表示エリア
周辺の光量を十分に確保することができる。
【００５６】さらに、光源の発光部の共役像が、観察者
の虚像観察可能領域の光軸に垂直な断面の面積が最大と
なる位置となるように光源、画像表示素子及び拡大光学
系を配置することにより、画像表示装置が表示する全画
面を欠くことなく観察でき、表示エリア周辺の光量を十
分に確保できるとともに、光軸に垂直な方向への眼の移
動可能量を大きく確保することができる。
の虚像観察可能領域の光軸に垂直な断面の面積が最大と
なる位置となるように光源、画像表示素子及び拡大光学
系を配置することにより、画像表示装置が表示する全画
面を欠くことなく観察でき、表示エリア周辺の光量を十
分に確保できるとともに、光軸に垂直な方向への眼の移
動可能量を大きく確保することができる。
【００５７】このように、この虚像観察装置において
は、観察者は、輝度むら、色むらがなく、輝度的、色度
的に均一な画像を観察することができる。
は、観察者は、輝度むら、色むらがなく、輝度的、色度
的に均一な画像を観察することができる。
【００５８】そして、本発明に係る虚像表示装置は、図
１３に示すように、拡大光学系として凹面鏡光学系を使
用して構成することができる。
１３に示すように、拡大光学系として凹面鏡光学系を使
用して構成することができる。
【００５９】この虚像表示装置において、光学系は、３
個の光学ブロック１０，１１，１２からなる。Ｒ（赤
色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の発光素子（ＬＥ
Ｄ）３から出た光束は、サイドエッジ型導光板４中に入
り、このサイドエッジ導光板４内で拡散、混色され、発
光部となる出射面５より出る。射出面５より出た光束
は、第１の光学ブロック１０に入射する。この第１の光
学ブロック１０は、３つの面を有する三角柱形状に形成
されたプリズムであり、第１の面からサイドエッジ導光
板４からの光束が入射され、第２の面には偏光ビームス
プリッタ膜１０ａが形成され、第３の面は画像表示素子
である反射型ライトバルブ６に対向している。偏光ビー
ムスプリッタ膜１０ａは、誘電体多層膜、もしくは、金
属で形成されている。この偏光ビームスプリッタ膜１０
ａは、光束分割面となるものであり、光軸に対して４５
°ではない角度をなしている。第１の面から入射したサ
イドエッジ導光板４からの光束は、第２の面の偏光ビー
ムスプリッタ膜１０ａに入射し、Ｓ偏光成分は反射さ
れ、Ｐ偏光成分は透過する。偏光ビームスプリッタ膜１
０ａで反射されたＳ偏光成分は、第２の面より出射し
て、反射型ライトバルブ６に入射する。
個の光学ブロック１０，１１，１２からなる。Ｒ（赤
色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の発光素子（ＬＥ
Ｄ）３から出た光束は、サイドエッジ型導光板４中に入
り、このサイドエッジ導光板４内で拡散、混色され、発
光部となる出射面５より出る。射出面５より出た光束
は、第１の光学ブロック１０に入射する。この第１の光
学ブロック１０は、３つの面を有する三角柱形状に形成
されたプリズムであり、第１の面からサイドエッジ導光
板４からの光束が入射され、第２の面には偏光ビームス
プリッタ膜１０ａが形成され、第３の面は画像表示素子
である反射型ライトバルブ６に対向している。偏光ビー
ムスプリッタ膜１０ａは、誘電体多層膜、もしくは、金
属で形成されている。この偏光ビームスプリッタ膜１０
ａは、光束分割面となるものであり、光軸に対して４５
°ではない角度をなしている。第１の面から入射したサ
イドエッジ導光板４からの光束は、第２の面の偏光ビー
ムスプリッタ膜１０ａに入射し、Ｓ偏光成分は反射さ
れ、Ｐ偏光成分は透過する。偏光ビームスプリッタ膜１
０ａで反射されたＳ偏光成分は、第２の面より出射し
て、反射型ライトバルブ６に入射する。
【００６０】反射型ライトバルブ６で変調を受けた光束
（Ｐ偏光成分）は、第１の光学ブロック１０に第３の面
から再入射し、第２の面の偏光ビームスプリッタ膜１０
ａを透過して、第２の光学ブロック１１に入射する。第
２の光学ブロック１１は、入射面と、この第２の光学ブ
ロック１１内から見て凹面である凹面鏡部１１ａと、ハ
ーフミラー面１１ｂとの３つの面を有する略々三角柱状
のプリズムであり、第１の光学ブロック１０の偏光ビー
ムスプリッタ膜１０ａを透過した光束が入射面から入射
される。なお、第１の光学ブロック１０のビームスプリ
ッタ膜１０ａと、第２の光学ブロック１１の入射面と
は、密着されている。第２の光学ブロック１１に入射し
た光束は、まず、ハーフミラー面１１ｂで反射され、次
に、拡大光学系となる凹面鏡部１１ａで反射されて収束
光束となり、再びハーフミラー面１１ｂに戻り、このハ
ーフミラー面１１ｂを透過して、第３の光学ブロック１
２に入射する。
（Ｐ偏光成分）は、第１の光学ブロック１０に第３の面
から再入射し、第２の面の偏光ビームスプリッタ膜１０
ａを透過して、第２の光学ブロック１１に入射する。第
２の光学ブロック１１は、入射面と、この第２の光学ブ
ロック１１内から見て凹面である凹面鏡部１１ａと、ハ
ーフミラー面１１ｂとの３つの面を有する略々三角柱状
のプリズムであり、第１の光学ブロック１０の偏光ビー
ムスプリッタ膜１０ａを透過した光束が入射面から入射
される。なお、第１の光学ブロック１０のビームスプリ
ッタ膜１０ａと、第２の光学ブロック１１の入射面と
は、密着されている。第２の光学ブロック１１に入射し
た光束は、まず、ハーフミラー面１１ｂで反射され、次
に、拡大光学系となる凹面鏡部１１ａで反射されて収束
光束となり、再びハーフミラー面１１ｂに戻り、このハ
ーフミラー面１１ｂを透過して、第３の光学ブロック１
２に入射する。
【００６１】第３の光学ブロック１２は、入射面と、出
射面とを有するプリズムである。この第３の光学ブロッ
ク１２の入射面は、第２の光学ブロック１１のハーフミ
ラー面１１ｂに密着している。この第３の光学ブロック
１２に入射した光束は、出射面から出射される。この出
射面は、第３の光学ブロック１２の外方側から見て凹面
であるレンズ面となさている。この出射面から出射した
光束は、瞳８を通り、眼に結像される。
射面とを有するプリズムである。この第３の光学ブロッ
ク１２の入射面は、第２の光学ブロック１１のハーフミ
ラー面１１ｂに密着している。この第３の光学ブロック
１２に入射した光束は、出射面から出射される。この出
射面は、第３の光学ブロック１２の外方側から見て凹面
であるレンズ面となさている。この出射面から出射した
光束は、瞳８を通り、眼に結像される。
【００６２】なお、図１３中においては、発光部から出
射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ
６から出射された光線の追跡を波線で示している。
射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ
６から出射された光線の追跡を波線で示している。
【００６３】この光学系において、表示画像のコントラ
ストをあげるためには、サイドエッジ型導光板４と、第
１の光学ブロック１０との間に、Ｓ偏光成分のみを通過
させるための偏光板を配置する。また、第２の光学ブロ
ック１１と第３の光学ブロック１２との間に、Ｐ偏光成
分のみを透過させる偏光板を配置すると、さらに光学特
性を向上させることができる。
ストをあげるためには、サイドエッジ型導光板４と、第
１の光学ブロック１０との間に、Ｓ偏光成分のみを通過
させるための偏光板を配置する。また、第２の光学ブロ
ック１１と第３の光学ブロック１２との間に、Ｐ偏光成
分のみを透過させる偏光板を配置すると、さらに光学特
性を向上させることができる。
【００６４】各光学ブロック１０，１１，１２は、アク
リル樹脂（ポリメチルメタクリレート（Polymethylmeth
acrylate：ＰＭＭＡ））、ゼオネックス（登録商標）等
の光学プラスチック、もしくは、光学ガラスにより形成
することができる。また、各光学ブロック１０，１１，
１２の間は、光学接着剤で接着し、光学的に連続な状態
とする。この光学系の特徴は、反射型ライトバルブ６に
入射する光束と、この反射型ライトバルブ６に反射され
て出射する光束の向きが異なることである。このため、
光源の発光部となる出射面５は、反射型ライトバルブ６
の画像表示の有効面積より小さくすることができる。し
たがって、この光学系は、全体を小型に構成することが
できる。
リル樹脂（ポリメチルメタクリレート（Polymethylmeth
acrylate：ＰＭＭＡ））、ゼオネックス（登録商標）等
の光学プラスチック、もしくは、光学ガラスにより形成
することができる。また、各光学ブロック１０，１１，
１２の間は、光学接着剤で接着し、光学的に連続な状態
とする。この光学系の特徴は、反射型ライトバルブ６に
入射する光束と、この反射型ライトバルブ６に反射され
て出射する光束の向きが異なることである。このため、
光源の発光部となる出射面５は、反射型ライトバルブ６
の画像表示の有効面積より小さくすることができる。し
たがって、この光学系は、全体を小型に構成することが
できる。
【００６５】さらに、本発明に係る虚像表示装置は、図
１４に示すように、画像表示素子として、透過型ライト
バルブを用いて構成することもできる。
１４に示すように、画像表示素子として、透過型ライト
バルブを用いて構成することもできる。
【００６６】この虚像表示装置においては、Ｒ、Ｇ、Ｂ
３色の発光素子（ＬＥＤ）３から出射された光束は、サ
イドエッジ型導光板４中に入り、このサイドエッジ型導
光板４内で拡散、混色され、発光部となる出射面５より
出射する。射出面５より出た光束は、物理的に離れた位
置に配置された透過型ライトバルブ１３に入射し、この
透過型ライトバルブ１３を透過することにより、画像信
号に応じた変調を受ける。透過型ライトバルブ１３から
出射された光束は、接眼レンズ７からなる拡大光学系を
通過した後、瞳８を通り、眼に結像される。拡大光学系
としては、接眼レンズ７の他、凹面鏡光学系、もしく
は、凹面鏡及び接眼レンズからなる光学系などでもよ
い。図１４においては、発光部から出射した光の光線追
跡を実線で、透過型ライトバルブ１３から出射した光線
の追跡を破線で示している。
３色の発光素子（ＬＥＤ）３から出射された光束は、サ
イドエッジ型導光板４中に入り、このサイドエッジ型導
光板４内で拡散、混色され、発光部となる出射面５より
出射する。射出面５より出た光束は、物理的に離れた位
置に配置された透過型ライトバルブ１３に入射し、この
透過型ライトバルブ１３を透過することにより、画像信
号に応じた変調を受ける。透過型ライトバルブ１３から
出射された光束は、接眼レンズ７からなる拡大光学系を
通過した後、瞳８を通り、眼に結像される。拡大光学系
としては、接眼レンズ７の他、凹面鏡光学系、もしく
は、凹面鏡及び接眼レンズからなる光学系などでもよ
い。図１４においては、発光部から出射した光の光線追
跡を実線で、透過型ライトバルブ１３から出射した光線
の追跡を破線で示している。
【００６７】この虚像表示装置においても、瞳８の位置
と、発光部とを共役な位置に配置することにより、色む
ら、輝度むらのない映像を観察することができる。
と、発光部とを共役な位置に配置することにより、色む
ら、輝度むらのない映像を観察することができる。
【００６８】
【発明の効果】上述のように、本発明に係る虚像表示装
置においては、光源の発光部を観察者の瞳位置と共役な
位置関係に配置することにより、瞳の移動に伴う輝度む
ら、色むらのない映像表示を観察することが可能となっ
ている。
置においては、光源の発光部を観察者の瞳位置と共役な
位置関係に配置することにより、瞳の移動に伴う輝度む
ら、色むらのない映像表示を観察することが可能となっ
ている。
【００６９】そして、この虚像表示装置においては、光
源からの出射光の発散角を制御することができ、光学系
を小型化することができる。また、光源の出射光の発散
角の方向依存性を利用して、瞳の移動量の大きい方、通
常は、左右方向を光源の出射光の発散角の大きい方向と
することで、瞳の移動可能量を大きくすることができ
る。
源からの出射光の発散角を制御することができ、光学系
を小型化することができる。また、光源の出射光の発散
角の方向依存性を利用して、瞳の移動量の大きい方、通
常は、左右方向を光源の出射光の発散角の大きい方向と
することで、瞳の移動可能量を大きくすることができ
る。
【００７０】また、この虚像表示装置においては、光源
における発光素子の個数や大きさを変えることなく、該
光源において導光板の形状を大きくすることにより、光
学系の瞳径を大きくすることができ、瞳径の拡大に伴う
消費電力の増大を抑えることができるとともに、発光素
子や光学素子についてのコストアップを抑えることがで
きる。
における発光素子の個数や大きさを変えることなく、該
光源において導光板の形状を大きくすることにより、光
学系の瞳径を大きくすることができ、瞳径の拡大に伴う
消費電力の増大を抑えることができるとともに、発光素
子や光学素子についてのコストアップを抑えることがで
きる。
【００７１】すなわち、本発明は、画像表示素子に対す
る照明光の利用効率を高く維持しながら、該画像表示素
子が表示する画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴
う輝度むら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度
的に均一な画像を表示することができ、また、画像を観
察できる範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくな
され、さらに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表
示装置を提供することができるものである。
る照明光の利用効率を高く維持しながら、該画像表示素
子が表示する画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴
う輝度むら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度
的に均一な画像を表示することができ、また、画像を観
察できる範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくな
され、さらに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表
示装置を提供することができるものである。
【図１】本発明に係る虚像表示装置であって偏光ビーム
スプリッタを用いた構成を示す側面図である。
スプリッタを用いた構成を示す側面図である。
【図２】上記虚像表示装置を構成するサイドエッジ型導
光板の形状を示す斜視図である。
光板の形状を示す斜視図である。
【図３】上記サイドエッジ型導光板に取付けられた発光
素子を示す側面図である。
素子を示す側面図である。
【図４】光散乱ポリマにより形成されたサイドエツジ型
導光板の射出光の角度依存性を示すグラフである。
導光板の射出光の角度依存性を示すグラフである。
【図５】上記サイドエツジ型導光板における発光素子の
位置を基準とした座標系を示す平面図である。
位置を基準とした座標系を示す平面図である。
【図６】反射型ライトバルブから出射する光束の出射角
度と瞳径の大きさの関係を示す側面図である。
度と瞳径の大きさの関係を示す側面図である。
【図７】反射型ライトバルブから出射する光束の出射角
度と瞳径の大きさの関係を示す平面図である。
度と瞳径の大きさの関係を示す平面図である。
【図８】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域の
定義を示す側面図である。
定義を示す側面図である。
【図９】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域を
示す側面図である。
示す側面図である。
【図１０】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域
を示す斜視図である。
を示す斜視図である。
【図１１】上記虚像観察可能領域の断面である観察断面
と人間の瞳の大きさの関係を示す正面図である。
と人間の瞳の大きさの関係を示す正面図である。
【図１２】上記虚像観察可能領域の断面である観察断面
と人間の瞳の位置の関係を示す正面図である。
と人間の瞳の位置の関係を示す正面図である。
【図１３】本発明に係る虚像表示装置であって光束を瞳
へ導入する光学系及び拡大光学系として第１乃至第３の
光学ブロックを用いたものの構成を示す側面図である。
へ導入する光学系及び拡大光学系として第１乃至第３の
光学ブロックを用いたものの構成を示す側面図である。
【図１４】本発明に係る虚像表示装置であって透過型ラ
イトバルブを用いたものの構成を示す側面図である。
イトバルブを用いたものの構成を示す側面図である。
【図１５】従来の虚像表示装置の構成を示す側面図であ
る。
る。
【図１６】従来の虚像表示装置の構成の他の例を示す側
面図である。
面図である。
３ 発光素子、４ サイドエッジ型導光板、５ 出射
面、６ 反射型ライトバルブ、７ 接眼レンズ、８
瞳、１０ 第１の光学ブロック、１１ 第２の光学ブロ
ック、１２ 第３の光学ブロック、１３ 透過射型ライ
トバルブ
面、６ 反射型ライトバルブ、７ 接眼レンズ、８
瞳、１０ 第１の光学ブロック、１１ 第２の光学ブロ
ック、１２ 第３の光学ブロック、１３ 透過射型ライ
トバルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０９Ｆ 9/00 ３５９ Ｈ０１Ｓ 5/40 Ｈ０１Ｓ 5/40 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ Ｆターム(参考） 2H088 EA13 HA24 HA28 HA30 MA04 2H091 FA10X FA15X FA16X FA17X FA21X FA23Z FA26X FA45Z FB02 LA15 LA18 5F073 BA09 FA30 5G435 AA01 AA03 AA04 BB12 BB16 CC09 CC12 DD04 DD09 EE22 FF03 FF05 FF06 FF08 FF11 FF12 GG02 GG03 GG09 GG23 GG25 GG26 GG27
Claims (21)
- 【請求項１】 面状の発光部を有し該発光部の各点から
拡散光を発する光源と、 上記光源から発せられた光が入射され、この光を表示画
像に応じて変調して出射する画像表示素子と、 上記画像表示素子を経た光を集光させて上記表示画像の
虚像を形成する拡大光学系とを備え、 上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される
上記表示画像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大
光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特
徴とする虚像表示装置。 - 【請求項２】 画像表示素子は、長方形の表示画像に応
じて光源から入射された光を変調する素子であって、 発光部から発せられる拡散光は、上記画像表示素子にお
ける表示画像の長辺方向に対応する方向についての拡散
角度が、該表示画像の短辺方向に対応する方向について
の拡散角度よりも広いことを特徴とする請求項１記載の
虚像表示装置。 - 【請求項３】 画像表示素子は、反射型ライトバルブで
あることを特徴とする請求項１記載の虚像表示装置。 - 【請求項４】 光源は、１色、もしくは、複数色の光を
発する発光ダイオードを有して構成されていることを特
徴とする請求項１記載の虚像表示装置。 - 【請求項５】 光源は、１色、もしくは、複数色のレー
ザ光を発するレーザ発振器を有して構成されていること
を特徴とする請求項１記載の虚像表示装置。 - 【請求項６】 光源は、サイドエッジ型導光板を有して
構成され、このサイドエッジ型導光板の拡散面が発光部
となることを特徴とする請求項１記載の虚像表示装置。 - 【請求項７】 サイドエッジ型導光板は、光散乱ポリマ
により形成されていることを特徴とする請求項６記載の
虚像表示装置。 - 【請求項８】 面状の発光部を有し該発光部の各点から
拡散光を発する光源と、 上記光源から発せられた光が入射され、この光を表示画
像に応じて変調して所定の発散角で出射する画像表示素
子と、 上記画像表示素子を経た光を集光させて上記表示画像の
虚像を形成する拡大光学系とを備え、 光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記
表示画像の虚像が観察可能であって上記画像表示素子の
全面からの光が観察者の瞳開口全体に入射される領域に
対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置され
ていることを特徴とする虚像表示装置。 - 【請求項９】 画像表示素子は、長方形の表示画像に応
じて光源から入射された光を変調する素子であって、 発光部から発せられる拡散光は、上記画像表示素子にお
ける表示画像の長辺方向に対応する方向についての拡散
角度が、該表示画像の短辺方向に対応する方向について
の拡散角度よりも広いことを特徴とする請求項８記載の
虚像表示装置。 - 【請求項１０】 画像表示素子は、反射型ライトバルブ
であることを特徴とする請求項８記載の虚像表示装置。 - 【請求項１１】 光源は、１色、もしくは、複数色の光
を発する発光ダイオードを有して構成されていることを
特徴とする請求項８記載の虚像表示装置。 - 【請求項１２】 光源は、１色、もしくは、複数色のレ
ーザ光を発するレーザ発振器を有して構成されているこ
とを特徴とする請求項８記載の虚像表示装置。 - 【請求項１３】 光源は、サイドエッジ型導光板を有し
て構成され、このサイドエッジ型導光板の拡散面が発光
部となることを特徴とする請求項８記載の虚像表示装
置。 - 【請求項１４】 サイドエッジ型導光板は、光散乱ポリ
マにより形成されていることを特徴とする請求項１３記
載の虚像表示装置。 - 【請求項１５】 面状の発光部を有し該発光部の各点か
ら拡散光を発する光源と、 上記光源から発せられた光が入射され、この光を表示画
像に応じて変調して出射する画像表示素子と、 上記画像表示素子を経た光を集光させて上記表示画像の
虚像を形成する拡大光学系とを備え、 光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記
表示画像の虚像が観察可能な領域の中央位置に対して、
該拡大光学系を介して共役な位置に配置されていること
を特徴とする虚像表示装置。 - 【請求項１６】 画像表示素子は、長方形の表示画像に
応じて光源から入射された光を変調する素子であって、 発光部から発せられる拡散光は、上記画像表示素子にお
ける表示画像の長辺方向に対応する方向についての拡散
角度が、該表示画像の短辺方向に対応する方向について
の拡散角度よりも広いことを特徴とする請求項１５記載
の虚像表示装置。 - 【請求項１７】 画像表示素子は、反射型ライトバルブ
であることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装
置。 - 【請求項１８】 光源は、１色、もしくは、複数色の光
を発する発光ダイオードを有して構成されていることを
特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。 - 【請求項１９】 光源は、１色、もしくは、複数色のレ
ーザ光を発するレーザ発振器を有して構成されているこ
とを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。 - 【請求項２０】 光源は、サイドエッジ型導光板を有し
て構成され、このサイドエッジ型導光板の拡散面が発光
部となることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装
置。 - 【請求項２１】 サイドエッジ型導光板は、光散乱ポリ
マにより形成されていることを特徴とする請求項２０記
載の虚像表示装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000128997A JP4581180B2 (ja) | 2000-04-25 | 2000-04-25 | 虚像表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000128997A JP4581180B2 (ja) | 2000-04-25 | 2000-04-25 | 虚像表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001305477A true JP2001305477A (ja) | 2001-10-31 |
| JP4581180B2 JP4581180B2 (ja) | 2010-11-17 |
Family
ID=18638337
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000128997A Expired - Fee Related JP4581180B2 (ja) | 2000-04-25 | 2000-04-25 | 虚像表示装置 |
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Cited By (9)
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|---|---|---|---|---|
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-
2000
- 2000-04-25 JP JP2000128997A patent/JP4581180B2/ja not_active Expired - Fee Related
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