JP2001311906A - Device and system for image display - Google Patents

Device and system for image display

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JP2001311906A
JP2001311906A JP2000131484A JP2000131484A JP2001311906A JP 2001311906 A JP2001311906 A JP 2001311906A JP 2000131484 A JP2000131484 A JP 2000131484A JP 2000131484 A JP2000131484 A JP 2000131484A JP 2001311906 A JP2001311906 A JP 2001311906A
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奥山  敦
Takashi Sudo
貴士 須藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that an image display device which uses a reflection type image display element where the length of the optical path between a projection optical system and an image display element is greatly varied with object height and optical performance deteriorates since the image display element tilts large to the projection optical system when the illumination light from a light source is made incident directly on a reflection type image display element. SOLUTION: The device and system for image display are characterized by that Ψ1<Ψ2, when r1 and r2 are the main light beams having the largest and smallest angles of projection from a light guide optical system in image light passing through the light guide optical system 3 and Ψ1 and Ψ2 are phase function values at the passing positions of the light beams r1 and r2 on a diffracting surface of a 2nd optical system 20 constituting the projection optical system.

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、ヘッドマウントデ
ィスプレイ(HMD)等と称される画像表示装置や、カ
メラのファインダーとして用いられる画像表示装置に関
するものである。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an image display device called a head mounted display (HMD) or the like and an image display device used as a finder of a camera.

【0002】[0002]

【従来の技術】上記のような画像表示装置においては、
装置全体の小型化が要望されており、これを達成するた
めの光学系が種々提案されている。
2. Description of the Related Art In an image display apparatus as described above,
There is a demand for miniaturization of the entire apparatus, and various optical systems have been proposed to achieve this.

【0003】例えば、本出願人は、特開平7―3335
51号公報、特開平8−50256号公報、特開平8−
160340号公報、特開平8−179238号公報に
おいて、画像情報を表示する液晶ディスプレイと、この
液晶ディスプレイに表示された画像を観察者の眼に投写
し観察させる小型プリズムとを使用し、装置全体の小型
化を図った画像観察装置を提案している。
[0003] For example, the present applicant has disclosed in
No. 51, JP-A-8-50256, JP-A-8-
JP-A-160340 and JP-A-8-179238 disclose a liquid crystal display for displaying image information, and a small prism for projecting an image displayed on the liquid crystal display to an observer's eye for observation. We have proposed an image observation device that has been reduced in size.

【0004】上記各公報にて提案の画像表示装置は、画
像情報を表示した液晶ディスプレイから発せられた光
を、小型プリズムに入射させ、小型プリズムに形成した
曲率を有した屈折面や全反射面、そして反射面を介して
小型プリズムを射出させて、観察者の眼に導びく。これ
により、観察者の前方に液晶ディスプレイの虚像が形成
され、観察者がこの虚像を観察する構成である。
In the image display devices proposed in the above publications, light emitted from a liquid crystal display displaying image information is made incident on a small prism, and a refracting surface having a curvature and a total reflection surface formed on the small prism. Then, the small prism is emitted through the reflecting surface, and is guided to the observer's eye. Thereby, a virtual image of the liquid crystal display is formed in front of the observer, and the observer observes this virtual image.

【0005】ところで、これらの画像表示装置において
は、液晶ディスプレイとして透過型液晶ディスプレイを
用いているが、この透過型液晶ディスプレイについて
は、近年の画像表示素子の高精細化に伴い、画素開口率
の低さが画質の低下につながるという欠点が指摘されて
いる。
[0005] In these image display devices, a transmissive liquid crystal display is used as a liquid crystal display. However, the transmissive liquid crystal display has a high pixel aperture ratio due to the recent increase in the definition of image display elements. It has been pointed out that a low image quality leads to a reduction in image quality.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このような現状に対し
て、高精細な画像が要求される画像表示装置に画素開口
率の高い反射型液晶ディスプレイを用いることが提案さ
れている。反射型液晶ディスプレイを用いた画像表示装
置としては、例えば、特開平11−125791号公報
にて提案されているものがある。この装置では、本願図
9に示すように、光源112からの光を光学素子を介す
ることなく直接、反射型液晶ディスプレイ108に入射
させ、照明する。
Under such circumstances, it has been proposed to use a reflection type liquid crystal display having a high pixel aperture ratio for an image display device requiring a high definition image. As an image display device using a reflection type liquid crystal display, for example, there is an image display device proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-125791. In this apparatus, as shown in FIG. 9 of the present application, light from a light source 112 is directly incident on a reflective liquid crystal display 108 without passing through an optical element, and is illuminated.

【0007】しかしながら、このような画像表示装置で
は、光源112からの光を液晶ディスプレイ108に直
接入射させるために、光源112と液晶ディスプレイ1
08を含む照明ユニット、さらには装置全体の大型化が
問題となる。また、液晶ディスプレイ108が表示光学
系110に対して大きく傾く構成であるため、液晶ディ
スプレイ108から表示光学系110までの光路長が物
高によって大きく異なり、光学性能が低下するという問
題がある。
However, in such an image display device, since the light from the light source 112 is directly incident on the liquid crystal display 108, the light source 112 and the liquid crystal display 1
There is a problem in that the size of the lighting unit including the lighting device 08 and the entire device is increased. Further, since the liquid crystal display 108 is configured to be greatly inclined with respect to the display optical system 110, there is a problem that the optical path length from the liquid crystal display 108 to the display optical system 110 greatly differs depending on the object height, and the optical performance is reduced.

【0008】また、別の画像表示装置として、図10に
示すように、プリズム形状の表示光学系110に対して
液晶ディスプレイ108とは反対側に光源112を設け
たものもある。この装置では、光源112からの光はプ
リズム形状の表示光学系110内を透過後、液晶ディス
プレイ108を照明し、その照明光のうち液晶ディスプ
レイ108で反射された光(画像光)が再び表示光学系
110内に入射し、観察者の眼101に到達する。
As another image display apparatus, as shown in FIG. 10, a light source 112 is provided on a side opposite to a liquid crystal display 108 with respect to a prism-shaped display optical system 110. In this device, light from a light source 112 passes through a prism-shaped display optical system 110, and then illuminates a liquid crystal display 108. Of the illumination light, light reflected by the liquid crystal display 108 (image light) is again displayed. The light enters the system 110 and reaches the observer's eye 101.

【0009】しかし、このような照明系では、プリズム
形状の表示光学系110の内部で起こる不要反射が画質
劣化の大きな要因であるフレア光を発生させるという問
題がある。
However, in such an illumination system, there is a problem that unnecessary reflection occurring inside the prism-shaped display optical system 110 generates flare light which is a major factor of image quality deterioration.

【0010】そこで、本発明は、極めてシンプルな構成
でありながら、諸収差が良好に補正され、広画角で、か
つ不要なフレアが発生しない画像表示装置であって、し
かも、パソコン画像などの高精細な画像に対応した反射
型液晶ディスプレイを用いた小型の画像表示装置を提供
することを目的としている。
Therefore, the present invention provides an image display apparatus which has a very simple structure, is well corrected for various aberrations, has a wide angle of view, and does not generate unnecessary flare. An object of the present invention is to provide a small-sized image display device using a reflective liquid crystal display corresponding to a high-definition image.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、照明光を発する光源と、入射した照
明光の内部反射により画像を表示する反射型画像表示素
子と、この反射型画像表示素子に表示された画像を観察
者の眼に投写する投写光学系と、光源から入射した照明
光を反射型画像表示素子の画像光射出側に入射させるよ
う導くとともに、この反射型画像表示素子から射出した
画像光を前記投写光学系に入射させる導光光学系とを有
する画像表示装置において、投写光学系を、少なくとも
1つの反射面を有して反射型画像表示素子から射出した
画像光を観察者の眼側に射出する第1の光学系と、この
第1の光学系よりも観察者の眼側に配置されて第1の光
学系から射出した画像光に対して少なくとも一方が回折
作用面である2つの光学作用面を有する第2の光学系と
を有する構成とし、投写光学系の射出瞳中心と反射型画
像表示素子の中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、射
出瞳中心を原点とし、この原点と交わる基準軸光線上を
Z軸(但し、原点から前記投写光学系に向かう方向を正
とする)とし、基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な
方向をY軸とし、YZ軸に垂直な軸をX軸とする絶対座
標系のYZ面内において、導光光学系内を通過する画像
光のうちこの導光光学系からの射出角度が最大となる主
光線をr1、射出角度が最小となる主光線をr2とし、
上記回折作用面における主光線r1および主光線r2の
通過位置での位相関数値をそれぞれΨ1,Ψ2としたと
きに、 Ψ1<Ψ2 〈但し、位相関数値Ψ(x,y) は、 Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2
+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3) で表され、Kは定数、x,yは上記回折作用面のローカ
ル座標系でのx,y座標、Cjは係数であり、上記回折
作用面上での主光線r1,r2の通過点のx座標をそれ
ぞれ0、y座標をそれぞれy1,y2とするとき、 Ψ1=Ψ(y1) Ψ2=Ψ(y2) となる〉の関係を満たすようにしている。
In order to achieve the above object, the present invention provides a light source for emitting illumination light, a reflective image display device for displaying an image by internal reflection of incident illumination light, and a reflection type image display device. Optical system for projecting the image displayed on the image display device to the observer's eyes, and guiding the illumination light incident from the light source to be incident on the image light emission side of the reflection type image display device. A light guide optical system for causing image light emitted from a display element to enter the projection optical system, wherein the projection optical system has at least one reflecting surface and an image emitted from the reflective image display element. A first optical system that emits light to the observer's eye, and at least one of image light that is disposed closer to the observer's eye than the first optical system and emitted from the first optical system. Two diffractive surfaces A second optical system having an optically active surface, a ray connecting the center of the exit pupil of the projection optical system and the center of the reflective image display element is defined as a reference axis ray, and the center of the exit pupil is defined as an origin. A reference axis ray intersecting the origin is defined as a Z axis (however, a direction from the origin toward the projection optical system is defined as positive), a direction perpendicular to the Z axis on a cross section including the reference axis ray is defined as a Y axis, and a YZ axis is defined. In the YZ plane of the absolute coordinate system having an axis perpendicular to the X axis as an axis, a principal ray of the image light passing through the light guide optical system having the maximum emission angle from the light guide optical system is denoted by r1, and an emission angle. Let r2 be the chief ray that minimizes
When the phase function values at the passing positions of the principal ray r1 and the principal ray r2 on the diffraction action surface are Ψ1 and Ψ2, respectively, Ψ1 <Ψ2 <where the phase function value Ψ (x, y) is Ψ (x , y) = K × (c1 × x + c2 × y + c3 × x 2 + c4 × xy + c5 × y 2
+ c6 × x 3 + c7 × x 2 y + c8 × xy 2 + c9 × y 3 ), K is a constant, x and y are x and y coordinates of the diffraction action surface in the local coordinate system, Cj Is a coefficient. When the x-coordinate of the passing point of the principal rays r1 and r2 on the diffraction action surface is 0 and the y-coordinates are y1 and y2, respectively, Ψ1 = Ψ (y1) Ψ2 = Ψ (y2) Is satisfied.

【0012】すなわち、導光光学系の射出面で発生し易
い色収差が、導光光学系からの画像光の射出角度の違い
により画面内で程度に差(比重)が生じるような場合
に、この色収差の比重を考慮して、回折作用面における
主光線r1(最大角度での射出光線)および主光線r2
(最小角度での射出光線)の通過位置での位相関数値Ψ
1,Ψ2に差を持たせることで、表示画面全体について
色収差を良好に補正して、良質の画像を表示できるよう
にしている。
That is, in the case where chromatic aberration, which is likely to be generated on the exit surface of the light guide optical system, is slightly different (specific gravity) in the screen due to a difference in the emission angle of the image light from the light guide optical system. Considering the specific gravity of the chromatic aberration, the principal ray r1 (the exit ray at the maximum angle) and the principal ray r2 on the diffraction surface
(Phase function value at the passing position of (emitted light at minimum angle))
By providing a difference between 1 and Ψ2, chromatic aberration is satisfactorily corrected for the entire display screen, and a high-quality image can be displayed.

【0013】また、投写光学系として、従来も用いられ
ている第1の光学系に、レンズ形状ないし平板形状の第
2の光学系を追加するだけで上記効果が得られるため、
小型でありながら良質な表示画像が得られる画像表示装
置を実現することが可能となる。
Further, since the above-described effect can be obtained only by adding a lens-shaped or plate-shaped second optical system to the conventionally used first optical system as a projection optical system,
It is possible to realize an image display device that can obtain a high-quality display image while being small.

【0014】また、上記発明において、上記絶対座標系
のYZ面内で、反射型画像表示素子から射出して導光光
学系内を通過する画像光の光線のうち、光路長が最長と
なる光線をr3、光路長が最短となる光線をr4とし、
第2の光学系内における前記光線r3および光線r4の
光路長をそれぞれt3,t4とし、第2の光学系が光線
r3および光線r4に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ
3,Φ4としたときに、 t3<t4 および、 Φ3>Φ4 〈但し、ri光線の光学的パワーΦiは、前記2つの光
学作用面A,Bの光学的パワーをφi(A),φi
(B)とし、前記第2の光学系を形成する材質の屈折率
をndとし、前記光学作用面Aを観察者の眼側の面と
し、前記光学作用面Bを前記第1の光学系側の面とし、
曲率の符号を観察者の眼側から前記第1の光学系に向か
う方向を正とし、前記光線riと光学作用面A,Bとの
交点でのローカル曲率半径をRi(A), Ri(B)
としたときに、 φi(A)=(nd−1)/Ri(A) φi(B)=(1−nd)/Ri(B) Φi=φi(A)+φi(B)−φi(A)×φi
(B)×ti/nd とする〉のうち少なくとも一方の関係を満たすようにし
てもよい。
In the above invention, among the light rays of the image light emitted from the reflection type image display element and passing through the light guide optical system in the YZ plane of the absolute coordinate system, the light ray having the longest optical path length is used. Is defined as r3, and the light ray having the shortest optical path length is defined as r4.
The optical path lengths of the light rays r3 and r4 in the second optical system are t3 and t4, respectively, and the optical power exerted on the light rays r3 and r4 by the second optical system is Φ
3, Φ4, t3 <t4 and Φ3> Φ4 where the optical power Φi of the ri ray is the optical power of the two optical working surfaces A and B, φi (A), φi
(B), the refractive index of the material forming the second optical system is nd, the optically active surface A is a surface on the observer's eye side, and the optically active surface B is the first optical system side. And in terms of
The sign of the curvature is positive in the direction from the observer's eye toward the first optical system, and the local radii of curvature at the intersection of the light ray ri and the optically active surfaces A and B are Ri (A) and Ri (B )
Where φi (A) = (nd−1) / Ri (A) φi (B) = (1−nd) / Ri (B) φi = φi (A) + φi (B) −φi (A) × φi
(B) × ti / nd>.

【0015】これにより、上記色収差の補正効果に加え
て、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通
過する画像光の光線のうち最長光路長を有する光線r3
と最短光路長を有する光線r4との光路差に起因する像
倒れや諸収差を、上記第2の光学系内における光線r3
および光線r4の光路長t1,t2に差を持たせること
若しくは第2の光学系が光線r3および光線r4に及ぼ
す光学的パワーΦ3,Φ4に差を持たせることで良好に
補正することも可能となる。
Thus, in addition to the effect of correcting the chromatic aberration, the light beam r3 having the longest optical path length among the light beams of the image light emitted from the reflection type image display element and passing through the light guide optical system is provided.
The image tilt and various aberrations caused by the optical path difference between the light ray r4 having the shortest optical path length and
It is also possible to make good correction by providing a difference in the optical path lengths t1 and t2 of the light beam r4 or by providing a difference in the optical powers Φ3 and Φ4 exerted on the light beams r3 and r4 by the second optical system. Become.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1には、本発
明の第1実施形態である画像表示装置の構成を示してい
る。1はRGBの光を発する光源であり、2は第1の偏
光板である。3は照明プリズム(導光光学系)であり、
4は反射型液晶ディスプレイパネル(反射型画像表示素
子:以下、単にディスプレイパネルという)である。
(First Embodiment) FIG. 1 shows the configuration of an image display apparatus according to a first embodiment of the present invention. 1 is a light source that emits RGB light, and 2 is a first polarizing plate. 3 is an illumination prism (light guide optical system),
Reference numeral 4 denotes a reflection type liquid crystal display panel (reflection type image display element: hereinafter, simply referred to as a display panel).

【0017】5は第2の偏光板であり、6はプリズムレ
ンズ(第1の光学系)である。また、20は補助レンズ
(第2の光学系)であり、7は観察者の眼である。な
お、プリズムレンズ6および補助レンズ20により請求
の範囲にいう投写光学系が構成される。
Reference numeral 5 denotes a second polarizing plate, and reference numeral 6 denotes a prism lens (first optical system). Reference numeral 20 denotes an auxiliary lens (second optical system), and reference numeral 7 denotes an observer's eye. The prism lens 6 and the auxiliary lens 20 constitute a projection optical system described in the claims.

【0018】このように構成された画像表示装置では、
光源1から発せられた照明光は第1の偏光板2を通って
所定の偏光方向を有した偏光光となり、照明プリズム3
の入射面8に入射する。
In the image display device configured as described above,
Illumination light emitted from the light source 1 passes through the first polarizing plate 2 to become polarized light having a predetermined polarization direction, and the illumination prism 3
Incident on the light incident surface 8.

【0019】照明プリズム3内に入射した照明光は、反
射透過面9で反射し、ディスプレイパネル4の近傍に配
置された透過面10を透過してディスプレイパネル4の
画像光射出側から入射し、このディスプレイパネル4を
照明する。
The illumination light entering the illumination prism 3 is reflected by the reflection / transmission surface 9, passes through the transmission surface 10 disposed near the display panel 4, and enters from the image light emission side of the display panel 4. The display panel 4 is illuminated.

【0020】ディスプレイパネル4においては、パソコ
ンやDVDプレーヤーといった画像情報出力装置から供
給される映像信号に応じて光の偏光方向が変調される。
そして、ディスプレイパネル4で変調され、反射された
光(画像光)は、照明プリズム4の透過面10を再び透
過して照明プリズム4内に入り、さらに反射透過面9を
透過して第2の偏光板5に入射する。
In the display panel 4, the polarization direction of light is modulated according to a video signal supplied from an image information output device such as a personal computer or a DVD player.
The light (image light) modulated and reflected by the display panel 4 passes through the transmission surface 10 of the illumination prism 4 again, enters the illumination prism 4, and further passes through the reflection / transmission surface 9 to form the second light. The light enters the polarizing plate 5.

【0021】ここで、照明プリズム3は、プリズムレン
ズ6とディスプレイパネル4との間に配置されており、
プリズムレンズ側の反射透過面9とディスプレイパネル
側の透過面10とのなす角度が大きくならないように構
成されている。この照明プリズム3において、面9,1
0の間で照明光と画像光は一部同じ領域を通っている。
Here, the illumination prism 3 is disposed between the prism lens 6 and the display panel 4.
It is configured such that the angle formed between the reflection / transmission surface 9 on the prism lens side and the transmission surface 10 on the display panel side does not increase. In this illumination prism 3, the surfaces 9, 1
Between 0, the illumination light and the image light partially pass through the same area.

【0022】第2の偏光板5においては、上記所定の偏
光方向に直交する偏光方向に平行な偏光成分は透過し、
垂直な偏光成分は吸収される。これにより、不要な光が
カットされた状態で画像光がプリズムレンズ6内に入射
する。
In the second polarizing plate 5, a polarization component parallel to a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction is transmitted,
The vertical polarization component is absorbed. As a result, the image light enters the prism lens 6 in a state where unnecessary light is cut.

【0023】ここまでの光の偏光状態を図2を用いて説
明する。なお、図2中、光軸線上の2重丸印は所定の偏
光方向を有する偏光光(例えば、S偏光光)を、矢印は
上記所定の偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光光
(例えば、P偏光光)を示す。
The state of polarization of light so far will be described with reference to FIG. In FIG. 2, double circles on the optical axis indicate polarized light having a predetermined polarization direction (for example, S-polarized light), and arrows indicate polarized light having a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction (for example, S-polarized light). , P-polarized light).

【0024】光源1からの無偏光の照明光14は、第1
の偏光板2によって所定の偏光方向15に揃えられ、照
明プリズム3の反射透過面9で反射され、照明プリズム
3の透過面10を透過してディスプレイパネル4に入射
する。
The unpolarized illumination light 14 from the light source 1
The light is aligned in a predetermined polarization direction 15 by the polarizing plate 2, is reflected by the reflection / transmission surface 9 of the illumination prism 3, passes through the transmission surface 10 of the illumination prism 3, and enters the display panel 4.

【0025】ディスプレイパネル4に入射した偏光光1
6はこのパネル4で上記所定の偏光方向に対して90°
の旋光作用を受ける。この旋光作用を受けた偏光光は、
第2の偏光板5を透過し、旋光作用を受けない偏光光は
第2の偏光板5で吸収される。
The polarized light 1 incident on the display panel 4
Reference numeral 6 denotes a panel 4 which is 90 ° with respect to the predetermined polarization direction.
Of the optical rotation. The polarized light that has undergone this optical rotation is
Polarized light that has passed through the second polarizer 5 and is not affected by the optical rotation is absorbed by the second polarizer 5.

【0026】こうして第2の偏光板5を透過してプリズ
ムレンズ6内に入射面11を通じて入射した画像光は、
反射透過面12で反射された後、凹面反射面13で再び
反射され、反射透過面12から観察者の眼7側に射出さ
れる。
The image light transmitted through the second polarizing plate 5 and incident on the prism lens 6 through the incident surface 11 is
After being reflected by the reflection / transmission surface 12, the light is reflected again by the concave reflection surface 13, and is emitted from the reflection / transmission surface 12 to the observer's eye 7 side.

【0027】プリズムレンズ6から射出した画像光は、
このプリズムレンズ6よりも眼7側に配置された補助レ
ンズ20に入射する。そして、画像光は補助レンズ20
の透過面B(光学作用面B)22および透過面A(光学
作用面A)21を透過して観察者の眼7に到達する。
The image light emitted from the prism lens 6 is
The light enters the auxiliary lens 20 disposed closer to the eye 7 than the prism lens 6. The image light is transmitted to the auxiliary lens 20.
Through the transmission surface B (optical operation surface B) 22 and the transmission surface A (optical operation surface A) 21 to reach the eye 7 of the observer.

【0028】ここで、本実施形態の照明プリズム3は、
図1に示すように、光源1からの照明光の光線が照明プ
リズム3の入射面8を透過して反射透過面9で反射する
ときのこの反射透過面9への入射角φが、下記式(1)
を満足するように設定されており、全反射条件を満た
す。
Here, the illumination prism 3 of the present embodiment is
As shown in FIG. 1, when the light beam of the illumination light from the light source 1 passes through the entrance surface 8 of the illumination prism 3 and is reflected by the reflection / transmission surface 9, the incident angle φ to the reflection / transmission surface 9 is represented by the following equation ( 1)
Is satisfied, and the total reflection condition is satisfied.

【0029】sin-1 φ≧1/n …(1) ここでは照明プリズムの材質は、S−BSL7(n=
1.52)であるので、φ≧41.1を満足すればよ
い。
Sin -1 φ ≧ 1 / n (1) Here, the material of the illumination prism is S-BSL7 (n =
1.52), it is sufficient that φ ≧ 41.1 is satisfied.

【0030】また、プリズムレンズ6における入射面1
1,反射透過面12および凹面反射面13は非回転対称
面で構成されている。
The incident surface 1 of the prism lens 6
1, the reflection / transmission surface 12 and the concave reflection surface 13 are constituted by non-rotationally symmetric surfaces.

【0031】さらに、補助レンズ20は以下の条件を満
足するように構成されている。すなわち、投写光学系の
射出瞳(観察者の眼7の瞳孔)の中心とディスプレイパ
ネル4の中心を結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中
心を原点とし、原点と交わる基準軸光線上をZ軸(但
し、原点から投写光学系に向かう方向を正とする)と
し、基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な方向をY軸
とし、これらYZ軸に垂直な軸をX軸として本装置の絶
対座標系を定義した場合に、この絶対座標系のYZ面内
において、ディスプレイパネル4からの画像光が照明プ
リズム3内から射出するときの射出角度が最大となる主
光線(射出瞳の中心を通る光線)をr1、最小となる主
光線をr2、補助レンズ20の透過面A,Bのうち回折
作用を有する面(以下、回折作用面という)上での主光
線r1,r2の通過位置での位相関数値(回折作用のパ
ワーの逆数に相当する値)をΨ1,Ψ2としたときに、 Ψ1<Ψ2 …(2) の関係を満たすように構成されている。
Further, the auxiliary lens 20 is configured to satisfy the following conditions. That is, a ray connecting the center of the exit pupil of the projection optical system (pupil of the observer's eye 7) and the center of the display panel 4 is defined as a reference axis ray, the center of the exit pupil is defined as an origin, and a reference axis ray intersecting with the origin is defined as a reference axis ray. The Z axis (however, the direction from the origin toward the projection optical system is defined as positive), the direction perpendicular to the Z axis on the cross section including the reference axis ray is defined as the Y axis, and the axes perpendicular to the YZ axes are defined as the X axis. When the absolute coordinate system of the present apparatus is defined, the principal ray (the exit pupil) at which the exit angle when the image light from the display panel 4 exits from within the illumination prism 3 becomes maximum in the YZ plane of the absolute coordinate system. , The minimum principal ray is r2, and the principal rays r1 and r2 on the diffractive surface (hereinafter referred to as the diffractive surface) of the transmission surfaces A and B of the auxiliary lens 20 are denoted by r1. Phase function value at the passing position (diffraction Values) corresponding to the inverse of word .PSI.1, when a .psi.2, and is configured so as to satisfy the relation of Ψ1 <Ψ2 ... (2).

【0032】ここで、位相関数値Ψ(x,y) は、 Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8 ×xy2+c9×y3) …(3) で表される。Kは定数、x,yは上記回折作用面のロー
カル座標系でのx,y座標、Cjは係数である。
[0032] Here, the phase function value Ψ (x, y) is, Ψ (x, y) = K × (c1 × x + c2 × y + c3 × x 2 + c4 × xy + c5 × y 2 + c6 × x 3 + c7 × x 2 y + c8 × xy 2 + c9 × y 3 ) (3) K is a constant, x and y are x and y coordinates in the local coordinate system of the diffraction action surface, and Cj is a coefficient.

【0033】そして、上記回折作用面上での主光線r
1,r2の通過点のx座標はそれぞれ0であることか
ら、y座標をそれぞれy1,y2とするとき、 Ψ1=Ψ(y1) …(4) Ψ2=Ψ(y2) …(5) となる。
Then, the principal ray r on the diffraction action surface
Since the x-coordinates of the passing points of 1 and r2 are 0, when the y-coordinates are y1 and y2, respectively, Ψ1 = Ψ (y1) (4) Ψ2 = Ψ (y2) (5) .

【0034】照明プリズム3の射出面9では色収差が発
生し易いが、その色収差は、照明プリズム3からの主光
線の射出角度の違いにより程度に差(比重)が生ずる。
すなわち、主光線の照明プリズム3からの射出角度が大
きいほど、発生する色収差も大きくなる。
Although chromatic aberration is likely to occur on the exit surface 9 of the illumination prism 3, the chromatic aberration has a difference (specific gravity) due to the difference in the exit angle of the principal ray from the illumination prism 3.
That is, as the exit angle of the principal ray from the illumination prism 3 increases, the generated chromatic aberration also increases.

【0035】このため、本実施形態では、この色収差の
比重を考慮して、補助レンズ20の回折作用面における
主光線r1,r2の通過位置での位相関数値Ψ1,Ψ2
に差を持たせる(Ψ2をΨ1より大きくする)ことで、
表示画面全体について色収差を良好に補正し、良質の画
像を表示できるようにしている。
For this reason, in the present embodiment, taking into account the specific gravity of the chromatic aberration, the phase function values Ψ1 and Ψ2 at the positions where the principal rays r1 and r2 pass on the diffractive surface of the auxiliary lens 20.
By giving a difference to (making よ り 2 larger than Ψ1),
Chromatic aberration is satisfactorily corrected for the entire display screen so that a high-quality image can be displayed.

【0036】《数値実施例》上記第1実施形態の投写光
学系は偏心面で構成されているので、光学系の形状を表
すために絶対座標系とローカル座標系を設定する。図1
3は絶対座標系とローカル座標系の説明図である。
<< Numerical Example >> Since the projection optical system of the first embodiment is constituted by an eccentric surface, an absolute coordinate system and a local coordinate system are set to represent the shape of the optical system. FIG.
3 is an explanatory diagram of an absolute coordinate system and a local coordinate system.

【0037】投写光学系の射出瞳(観察者の望ましき瞳
孔位置)の中心と画像表示素子中心とを結んだ光線を基
準軸光線とし、射出瞳中心を原点O,原点と交わる基準
軸光線上をZ軸(原点から観察光学系に向かう方向を正
とする)、基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な方向
をY軸、YZ軸に垂直な軸をX軸として画像表示装置の
絶対座標系を設定する。
A ray connecting the center of the exit pupil (the desired pupil position of the observer) of the projection optical system and the center of the image display element is defined as a reference axis ray. An image display device in which the Z axis is on the line (the direction from the origin to the observation optical system is positive), the direction perpendicular to the Z axis on the section including the reference axis ray is the Y axis, and the axis perpendicular to the YZ axis is the X axis. Set the absolute coordinate system of.

【0038】次に、ローカル座標の原点Oi は絶対座標
(Sxi ,Syi ,Szi )で各面i毎に設定する。ローカル
座標のZ軸はYZ平面内で原点Oi を通り、絶対座標系
の軸と角度Ai をなす直線である。
Next, the origin Oi of the local coordinates is set for each surface i in absolute coordinates (Sxi, Syi, Szi). The Z axis of the local coordinates is a straight line passing through the origin Oi in the YZ plane and forming an angle Ai with the axis of the absolute coordinate system.

【0039】ここでAi は、ローカル座標のZ軸が、原
点Oi を通り、絶対座標系のZ軸に平行な直線に対して
反時計回りの角度をうなすときに正とする。ローカル座
標のY軸は原点Oi を通り、ローカル座標のZ軸に対し
て反時計回りに90°の角度をなす直線である。ローカ
ル座標のX軸は原点Oi を通り、ローカル座標のY軸及
びZ軸に直交する直線である。
Here, Ai is positive when the local coordinate Z-axis makes a counterclockwise angle with respect to a straight line passing through the origin Oi and parallel to the Z-axis of the absolute coordinate system. The Y axis of the local coordinate is a straight line passing through the origin Oi and making an angle of 90 ° counterclockwise with respect to the Z axis of the local coordinate. The X axis of the local coordinate is a straight line passing through the origin Oi and orthogonal to the Y axis and the Z axis of the local coordinate.

【0040】各面の形状はローカル座標で表す。各実施
形態において回転非対称面(自由曲面)と称した光学作
用面の形状は、ゼルニケ多項式で表現されるものであ
り、以下に示す関数により表す。
The shape of each surface is represented by local coordinates. In each of the embodiments, the shape of the optical action surface referred to as a rotationally asymmetric surface (free-form surface) is represented by a Zernike polynomial, and is represented by the following function.

【0041】 ここで、c は各面の曲率で、r を各面の基本曲率半径と
すると、曲率c はc=1/r である。また、c jは各面にお
けるゼルニケ多項式の非球面係数である。
[0041] Here, where c is the curvature of each surface and r is the basic radius of curvature of each surface, the curvature c is c = 1 / r. Also, c j is the aspheric coefficient of the Zernike polynomial on each surface.

【0042】光学作用面はYZ平面に対して対称である
ので、X軸方向で非対称になる項は除いて表記してい
る。
Since the optically active surface is symmetric with respect to the YZ plane, the terms are not shown except for those that are asymmetric in the X-axis direction.

【0043】次に、補助レンズ20における回折作用面
について説明する。この回折作用面は、任意の基準面上
に以下の位相関数で表される回折格子を形成したもので
ある。
Next, the diffraction action surface of the auxiliary lens 20 will be described. This diffraction surface is obtained by forming a diffraction grating represented by the following phase function on an arbitrary reference surface.

【0044】 Ψ(x,y) =2π(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8 ×xy2+c9×y3)/ λ …(6) ここで、λは587.6nm 、x,yは回折作用面のローカル
座標、ciは回折作用面におけるi 番目の位相係数であ
る。この位相関数から任意の座標位置における回折格子
のピッチを算出することが可能となる。
[0044] Ψ (x, y) = 2π (c1 × x + c2 × y + c3 × x 2 + c4 × xy + c5 × y 2 + c6 × x 3 + c7 × x 2 y + c8 × xy 2 + c9 × y 3 ) / λ (6) where λ is 587.6 nm, x and y are local coordinates of the diffraction surface, and ci is the i-th phase coefficient on the diffraction surface. From this phase function, the pitch of the diffraction grating at an arbitrary coordinate position can be calculated.

【0045】図3には、本数値実施例としての画像表示
装置の構成を示している。本実施例の補助レンズ20に
おいて、透過面A21は平面であり、透過面B22は平
面基準面上に形成された回折作用面である。
FIG. 3 shows the configuration of an image display device as a numerical example. In the auxiliary lens 20 of this embodiment, the transmission surface A21 is a flat surface, and the transmission surface B22 is a diffraction surface formed on a plane reference surface.

【0046】ここで、透過面A21は観察者の眼7側の
面であり、透過面B22はプリズムレンズ6側の面であ
る。
Here, the transmitting surface A21 is a surface on the observer's eye 7 side, and the transmitting surface B22 is a surface on the prism lens 6 side.

【0047】本実施例で示す画像観察装置は、図6で示
すような画像表示装置の配置例に適している。図6にお
いて、光源1、ディスプレイパネル4、第1,2の偏光
板2,5および照明プリズム3は、プリズムレンズ6お
よび観察者の左右両目の高さよりも上に位置するように
レイアウトされている。
The image observation apparatus shown in this embodiment is suitable for an example of arrangement of an image display device as shown in FIG. In FIG. 6, the light source 1, the display panel 4, the first and second polarizers 2, 5, and the illumination prism 3 are laid out so as to be higher than the height of the prism lens 6 and the left and right eyes of the observer. .

【0048】表1には、本実施例の投写光学系の各面の
数値データと、f(これについては後述する)と、主光
線r1,r2の照明プリズム3からの射出角度θ1,θ
2と、Ψ1,Ψ2とを示す。
Table 1 shows numerical data of each surface of the projection optical system of this embodiment, f (this will be described later), and emission angles θ1, θ of the principal rays r1, r2 from the illumination prism 3.
2 and Ψ1 and Ψ2.

【0049】ここで、Siは図11に示すようにi=1
から順に射出瞳中心、補助レンズ20、プリズムレンズ
6、照明プリズム3、ディスプレイパネル4のカバーガ
ラスおよびディスプレイパネルの画像表示面の各面情報
を表す。
Here, Si is i = 1 as shown in FIG.
From the center of the exit pupil, the auxiliary lens 20, the prism lens 6, the illumination prism 3, the cover glass of the display panel 4, and the image display surface of the display panel.

【0050】また、装置のX軸方向の最大半画角をW
X、装置のY軸方向の最大半画角をWYとして記載す
る。fはプリズムレンズ6の焦点距離に相当する値で、
観察者の眼7からの逆トレースにおいて、無限遠物体か
らの入射光の装置のXZ断面上の入射角度WXと、その
光線がディスプレイパネル4で結像する像高ym から、 f=ym /tan(WX) として算出したものであり、ここでは単に焦点距離と呼
ぶこととする。
The maximum half angle of view of the apparatus in the X-axis direction is W
X, the maximum half angle of view of the apparatus in the Y-axis direction is described as WY. f is a value corresponding to the focal length of the prism lens 6,
In the reverse tracing from the observer's eye 7, the incident angle WX on XZ cross-section of the device of the incident light from an object at infinity, the image height y m where the ray is imaged on the display panel 4, f = y m / Tan (WX), and is simply referred to as a focal length here.

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】本数値実施例では、Ψ1,Ψ2が上記
(2)式の関係を満たしている。
In this numerical example, Ψ1 and Ψ2 satisfy the relationship of the above equation (2).

【0053】以上説明したように、本実施例によれば、
装置全体の小型化を図りつつ、観察視野内に良好な画質
の画像を表示できる画像表示装置を実現することができ
る。
As described above, according to the present embodiment,
It is possible to realize an image display device capable of displaying an image of good image quality in an observation field of view while reducing the size of the entire device.

【0054】ところで、本実施例では、透過面A21が
平面であることから、補助レンズ20の保持が容易とな
るとともに、透過面A21に誤って手が触れた場合でも
拭き取りが容易である。このため、この略平板状の補助
レンズ20を、画像表示装置の保護カバーとして兼用す
ることができる。
In the present embodiment, since the transmission surface A21 is flat, the auxiliary lens 20 can be easily held, and even if the transmission surface A21 is touched by mistake, the wiping is easy. For this reason, the substantially flat auxiliary lens 20 can be used also as a protective cover of the image display device.

【0055】また、補助レンズ20の両透過面A21,
B22に反射防止膜を施すことで、観察者側からの光が
透過面A21,B22で反射されることによる、表示画
像のコントラスト低下を防止することができる。
Further, both transmission surfaces A21,
By applying an anti-reflection film to B22, it is possible to prevent a decrease in the contrast of the displayed image due to the light from the observer being reflected by the transmission surfaces A21 and B22.

【0056】そして、補助レンズ20をプラスチックで
成形すると、ガラス材で作った場合に比べて軽量の画像
表示装置を提供できる。
When the auxiliary lens 20 is formed of plastic, a lighter image display device can be provided as compared with a case where the auxiliary lens 20 is formed of glass.

【0057】また、図8に示すように、補助レンズ20
はプリズムレンズ6を保持する部材23で保持すること
が好ましい。具体的には、プリズムレンズ6の左右両側
に凸型の基準ピン6a,6bを形成するとともに、補助
レンズ20の左右両側に凸型の基準ピン20a,20b
を形成する。そして、保持部材23の左右における前後
面に形成した基準穴に各基準ピンを挿入して接着若しく
は圧入する。
Further, as shown in FIG.
Is preferably held by a member 23 holding the prism lens 6. Specifically, convex reference pins 6a, 6b are formed on both left and right sides of the prism lens 6, and convex reference pins 20a, 20b are formed on both left and right sides of the auxiliary lens 20.
To form Then, each reference pin is inserted into a reference hole formed on the front and rear surfaces on the left and right sides of the holding member 23, and is bonded or press-fitted.

【0058】このようにすることで、装置を組み立てる
際のプリズムレンズ6と補助レンズ20との位置精度を
高くすることが可能となり、さらに良好な画像の表示が
可能となる。
By doing so, it is possible to increase the positional accuracy between the prism lens 6 and the auxiliary lens 20 when assembling the apparatus, and it is possible to display a better image.

【0059】なお、保持部材23を介さずに、プリズム
レンズ6と補助レンズ20とを直接固定してもよい。
The prism lens 6 and the auxiliary lens 20 may be directly fixed without using the holding member 23.

【0060】(第2実施形態)図4には、本発明の第2
実施形態である画像表示装置の構成を示している。図4
において、透過面A31,B32を有した補助レンズ3
0以外は、第1実施形態と同様の構成とする。
(Second Embodiment) FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
1 illustrates a configuration of an image display device according to an embodiment. FIG.
, The auxiliary lens 3 having the transmission surfaces A31 and B32
Other than 0, the configuration is the same as that of the first embodiment.

【0061】本実施形態の補助レンズ30において、透
過面A31は装置のZ軸とは異なる軸を有するYトーリ
ック面(紙面内で示される曲面を、Y軸に関して回転さ
せた面)であり、透過面B32は平面基準面上に形成さ
れた回折作用面である。
In the auxiliary lens 30 of the present embodiment, the transmission surface A31 is a Y toric surface having a different axis from the Z-axis of the apparatus (a surface obtained by rotating a curved surface shown in the drawing with respect to the Y-axis). The surface B32 is a diffractive surface formed on the plane reference surface.

【0062】ここで、透過面A31は観察者の眼7側の
面であり、透過面B32はプリズムレンズ6側の面であ
る。
Here, the transmission surface A31 is a surface on the observer's eye 7 side, and the transmission surface B32 is a surface on the prism lens 6 side.

【0063】本実施例で示す画像観察装置は、第1実施
形態と同様に、図6で示すような画像表示装置の配置例
に適している。
The image observation apparatus shown in this embodiment is suitable for an example of the arrangement of the image display apparatus as shown in FIG. 6, as in the first embodiment.

【0064】表2には、本実施形態の投写光学系の各面
の数値データと、fと、主光線r1,r2の照明プリズ
ム3からの射出角度θ1,θ2と、Ψ1,Ψ2とを示
す。
Table 2 shows numerical data of each surface of the projection optical system according to the present embodiment, f, emission angles θ1, θ2 of the principal rays r1, r2 from the illumination prism 3, and Ψ1, Ψ2. .

【0065】[0065]

【表2】 [Table 2]

【0066】本数値実施例でも、Ψ1,Ψ2が上記
(2)式の関係を満たしているため、第1実施形態と同
様の効果が得られる。
Also in this numerical example, since Ψ1 and Ψ2 satisfy the relationship of the above equation (2), the same effects as in the first embodiment can be obtained.

【0067】(第3実施形態)図5には、本発明の第3
実施形態である画像表示装置の構成を示している。図5
において、透過面A41,B42を有した補助レンズ4
0以外は、第1実施形態と同様の構成とする。
(Third Embodiment) FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention.
1 illustrates a configuration of an image display device according to an embodiment. FIG.
, The auxiliary lens 4 having the transmission surfaces A41 and B42
Other than 0, the configuration is the same as that of the first embodiment.

【0068】本実施形態の補助レンズ40において、透
過面A41は Zernike多項式の非球面であり、透過面B
42は平面基準面上に形成された回折作用面である。
In the auxiliary lens 40 of this embodiment, the transmission surface A41 is a Zernike polynomial aspherical surface,
Reference numeral 42 denotes a diffraction action surface formed on the plane reference surface.

【0069】ここで、透過面A41は観察者の眼7側の
面であり、透過面B42はプリズムレンズ6側の面であ
る。
Here, the transmitting surface A41 is a surface on the observer's eye 7 side, and the transmitting surface B42 is a surface on the prism lens 6 side.

【0070】本実施例で示す画像観察装置は、図7で示
すような画像表示装置の配置例に適している。
The image observation apparatus shown in this embodiment is suitable for an example of arrangement of the image display apparatus as shown in FIG.

【0071】図7において、光源1、ディスプレイパネ
ル4、第1,2の偏光板2,5および照明プリズム3
は、プリズムレンズ6および観察者の左右両目の高さと
同じ高さにレイアウトされている。
In FIG. 7, a light source 1, a display panel 4, first and second polarizing plates 2 and 5, and an illumination prism 3 are shown.
Are laid out at the same height as the prism lens 6 and the left and right eyes of the observer.

【0072】表3には、本実施形態の投写光学系の各面
の数値データと、fと、主光線r1,r2の照明プリズ
ム3からの射出角度θ1,θ2と、Ψ1,Ψ2とを示
す。
Table 3 shows numerical data of each surface of the projection optical system of this embodiment, f, emission angles θ1 and θ2 of the principal rays r1 and r2 from the illumination prism 3, and Ψ1 and と 2. .

【0073】[0073]

【表3】 [Table 3]

【0074】本数値実施例でも、Ψ1,Ψ2が上記
(2)式の関係を満たしているため、第1実施形態と同
様の効果が得られる。
Also in this numerical example, since Ψ1 and Ψ2 satisfy the relationship of the above equation (2), the same effects as in the first embodiment can be obtained.

【0075】また、本実施形態では、上記絶対座標系の
YZ面内において、プリズムレンズ6およびディスプレ
イパネル4間で照明プリズム3内を通過する光線のう
ち、光路長が最長となる光線をr3、最短となる光線を
r4,補助レンズ40内の光線r3,r4の光路長をそ
れぞれt3,t4、補助レンズ40が光線r3,r4に
及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ3,Φ4としたとき
に、 t3<t4 …(7) および、 Φ3>Φ4 …(8) の双方の関係を満たすように構成されている(なお、い
ずれか一方の関係を満足する場合でもよい)。
In the present embodiment, among the light beams passing through the illumination prism 3 between the prism lens 6 and the display panel 4 in the YZ plane of the absolute coordinate system, the light beam having the longest optical path length is represented by r3. When the shortest ray is r4, the optical path lengths of the rays r3 and r4 in the auxiliary lens 40 are t3 and t4, and the optical powers exerted on the rays r3 and r4 by the auxiliary lens 40 are φ3 and φ4, respectively, t3 < (7) and Φ3> Φ4 (8) are satisfied (even if either one of the relationships is satisfied).

【0076】ここで、光線riに及ぼす光学的パワーΦ
iは、透過面A41,B42の光学的パワーφi
(A),φi(B)とし、補助レンズ40を形成する材
料の屈折率をndとし、透過面A41を観察者の眼7側
に配置し、透過面B42をプリズムレンズ6側に配置
し、曲率の符号を観察者の眼7側からプリズムレンズ6
側に向かう方向を正とし、光線riと透過面A41,B
42との交点でのローカル曲率半径をRi(A), R
i(B)としたとき、 φi(A)=(nd−1)/Ri(A) …(4) φi(B)=(1−nd)/Ri(B) …(5) Φi=φi(A)+φi(B)−φi(A)×φi(B)×ti/nd …(9) とする。
Here, the optical power Φ exerted on the light ray ri
i is the optical power φi of the transmission surfaces A41 and B42.
(A), φi (B), the refractive index of the material forming the auxiliary lens 40 is nd, the transmission surface A41 is disposed on the observer's eye 7 side, the transmission surface B42 is disposed on the prism lens 6 side, The sign of the curvature is changed from the observer's eye 7 side to the prism lens 6
The direction toward the side is positive, and the light ray ri and the transmission surfaces A41, B
The local radius of curvature at the point of intersection with
When i (B), φi (A) = (nd−1) / Ri (A) (4) φi (B) = (1-nd) / Ri (B) (5) φi = φi ( A) + φi (B) −φi (A) × φi (B) × ti / nd (9)

【0077】上記表3には、t3,t4と、光線r3,
r4の照明プリズム3内での光路長tp3,tp4と、
Φ1,Φ2とを示している。
Table 3 shows that t3, t4 and light rays r3,
optical path lengths tp3 and tp4 in the illumination prism 3 of r4;
Φ1 and Φ2 are shown.

【0078】このような補助レンズ20とプリズムレン
ズ6とを組み合わせた投写光学系を用いることで、第1
実施形態とと同様の効果に加えて、照明プリズム3内に
おける光線r3と光線r4との光路長差による像面の倒
れ、あるいは光線r3と光線r4のディスプレイパネル
4への入射角の違いから生ずる収差を良好に補正するこ
とができる。さらに、図7に示すようなレイアウトが可
能であることから、装置Y軸方向をさらに小型化した画
像表示装置を実現することができる。
By using a projection optical system in which the auxiliary lens 20 and the prism lens 6 are combined, the first
In addition to the same effects as those of the embodiment, the image plane is tilted due to a difference in optical path length between the light beams r3 and r4 in the illumination prism 3, or a difference in the incident angle of the light beams r3 and r4 to the display panel 4. The aberration can be corrected well. Further, since the layout as shown in FIG. 7 is possible, it is possible to realize an image display device in which the size in the device Y-axis direction is further reduced.

【0079】なお、以上の実施形態では、投写光学系の
うち第1の光学系をプリズムレンズで構成する場合につ
いて説明したが、本発明においては、第1の光学系をハ
ーフミラーと凹面鏡とからなる光学系で構成してもよ
い。
In the above embodiment, the case where the first optical system of the projection optical system is constituted by a prism lens has been described. However, in the present invention, the first optical system is composed of a half mirror and a concave mirror. Optical system.

【0080】また、上記各実施形態では、いわゆるヘッ
ドマウントディスプレイとしての画像表示装置について
説明したが、本発明の画像表示装置は、カメラのビュー
ファインダー等にも応用することができる。
In each of the above embodiments, the image display device as a so-called head mounted display has been described. However, the image display device of the present invention can be applied to a view finder of a camera and the like.

【0081】[0081]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導光光学系の射出面で発生し易い色収差が、導光光学系
からの画像光の射出角度の違いにより画面内で程度に差
(比重)が生じるような場合に、この色収差の比重を考
慮して、回折作用面における主光線r1(最大角度での
射出光線)および主光線r2(最小角度での射出光線)
の通過位置での位相関数値Ψ1,Ψ2に差を持たせるこ
とで、表示画面全体について色収差を良好に補正するこ
とができ、良質の画像を表示することができる。
As described above, according to the present invention,
In the case where chromatic aberration that is likely to occur on the exit surface of the light guide optical system is slightly different (specific gravity) in the screen due to a difference in the emission angle of the image light from the light guide optical system, the specific gravity of the chromatic aberration is considered. Then, the principal ray r1 (the exit ray at the maximum angle) and the principal ray r2 (the exit ray at the minimum angle) on the diffraction surface
By making the phase function values Ψ1 and Ψ2 have a difference at the passing position, chromatic aberration can be favorably corrected for the entire display screen, and a high-quality image can be displayed.

【0082】また、投写光学系として、従来も用いられ
ている第1の光学系に、レンズ形状ないし平板形状の第
2の光学系を追加するだけで上記効果が得られるため、
小型でありながら良質な表示画像が得られる画像表示装
置を実現することができる。
Further, the above effects can be obtained only by adding a lens-shaped or plate-shaped second optical system to the conventionally used first optical system as a projection optical system.
It is possible to realize an image display device which can obtain a high quality display image while being small.

【0083】なお、反射型画像表示素子から射出して導
光光学系内を通過する画像光の光線のうち最長光路長を
有する光線r3と最短光路長を有する光線r4の第2の
光学系内における光路長t3,t4に差を持たせたり、
第2の光学系が光線r3および光線r4に及ぼす光学的
パワーΦ3,Φ4に差を持たせたりすれば、光線r3,
r4の光路長差に起因する像倒れや諸収差をも良好に補
正できるので、より良質な画像を表示することができ
る。
The light rays r3 having the longest light path length and the light rays r4 having the shortest light path length among the light rays of the image light emitted from the reflection type image display element and passing through the light guide optical system are generated in the second optical system. The optical path lengths t3 and t4 at
If the optical power Φ3, Φ4 exerted on the light rays r3 and r4 by the second optical system has a difference, the light rays r3,
Since image tilt and various aberrations caused by the optical path length difference of r4 can be corrected well, a higher quality image can be displayed.

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

【図1】本発明の第1実施形態である画像表示装置の構
成図。
FIG. 1 is a configuration diagram of an image display device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】上記第1実施形態の画像表示装置に用いられる
照明プリズムの断面図。
FIG. 2 is a sectional view of an illumination prism used in the image display device according to the first embodiment.

【図3】上記第1実施形態の画像表示装置の数値実施例
の構成図。
FIG. 3 is a configuration diagram of a numerical example of the image display device of the first embodiment.

【図4】本発明の第2実施形態である画像表示装置の構
成図。
FIG. 4 is a configuration diagram of an image display device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3実施形態である画像表示装置の構
成図。
FIG. 5 is a configuration diagram of an image display device according to a third embodiment of the present invention.

【図6】上記第1,2実施形態の画像表示装置の装着モ
デル図。
FIG. 6 is a mounting model diagram of the image display device according to the first and second embodiments.

【図7】上記第3実施形態の画像表示装置の装着モデル
図。
FIG. 7 is a mounting model diagram of the image display device of the third embodiment.

【図8】上記第1実施形態におけるプリズムレンズと補
助レンズの保持方法の説明図(上面図)。
FIG. 8 is an explanatory view (top view) of a method of holding the prism lens and the auxiliary lens in the first embodiment.

【図9】従来の画像表示装置の構成図。FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional image display device.

【図10】従来の画像表示装置の構成図。FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional image display device.

【図11】上記各実施形態における投写光学系の座標系
の説明図。
FIG. 11 is an explanatory diagram of a coordinate system of a projection optical system in each of the embodiments.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 第1の偏光板 3 照明プリズム 4 液晶ディスプレイパネル 5 第2の偏光板 6 プリズムレンズ 7 観察者の眼 20,30,40 補助レンズ Reference Signs List 1 light source 2 first polarizing plate 3 illumination prism 4 liquid crystal display panel 5 second polarizing plate 6 prism lens 7 observer's eye 20, 30, 40 auxiliary lens

フロントページの続き (72)発明者 須藤 貴士 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 Fターム(参考) 2H088 EA10 HA21 HA23 HA24 HA28 MA03 MA06 5C058 AA06 AB05 BA35 DA06 DA11Continued on the front page (72) Inventor Takashi Sudo 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo F-term in Canon Inc. (reference) 2H088 EA10 HA21 HA23 HA24 HA28 MA03 MA06 5C058 AA06 AB05 BA35 DA06 DA11

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 照明光を発する光源と、入射した照明光
の内部反射により画像を表示する反射型画像表示素子
と、この反射型画像表示素子に表示された画像を観察者
の眼に投写する投写光学系と、前記光源から入射した照
明光を前記反射型画像表示素子の画像光射出側に入射さ
せるよう導くとともに、この反射型画像表示素子から射
出した画像光を前記投写光学系に入射させる導光光学系
とを有する画像表示装置において、 前記投写光学系は、少なくとも1つの反射面を有して前
記反射型画像表示素子から射出した画像光を観察者の眼
側に射出する第1の光学系と、この第1の光学系よりも
観察者の眼側に配置されて前記第1の光学系から射出し
た画像光に対して少なくとも一方が回折作用面である2
つの光学作用面を有する第2の光学系とを有して構成さ
れており、 前記投写光学系の射出瞳中心と前記反射型画像表示素子
の中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、前記射出瞳中
心を原点とし、この原点と交わる基準軸光線上をZ軸
(但し、原点から前記投写光学系に向かう方向を正とす
る)とし、前記基準軸光線を含む断面上でZ軸に垂直な
方向をY軸とし、YZ軸に垂直な軸をX軸とする絶対座
標系のYZ面内において、前記導光光学系内を通過する
画像光のうちこの導光光学系からの射出角度が最大とな
る主光線をr1、射出角度が最小となる主光線をr2と
し、前記回折作用面における前記主光線r1および主光
線r2の通過位置での位相関数値をそれぞれΨ1,Ψ2
としたときに、 Ψ1<Ψ2 〈但し、位相関数値Ψ(x,y) は、 Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2
+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3) で表され、Kは定数、x,yは前記回折作用面のローカ
ル座標系でのx,y座標、Cjは係数であり、前記回折
作用面上での主光線r1,r2の通過点のx座標をそれ
ぞれ0、y座標をそれぞれy1,y2とするとき、 Ψ1=Ψ(y1) Ψ2=Ψ(y2) となる〉の関係を満たすことを特徴とする画像表示装
置。
1. A light source that emits illumination light, a reflective image display element that displays an image by internal reflection of incident illumination light, and an image displayed on the reflective image display element is projected to an observer's eye. A projection optical system and guides illumination light incident from the light source to enter the image light emission side of the reflective image display element, and causes image light emitted from the reflective image display element to enter the projection optical system. An image display device having a light guide optical system, wherein the projection optical system has at least one reflective surface and emits image light emitted from the reflective image display element to the observer's eye side. An optical system, and at least one of which is arranged closer to the observer's eye than the first optical system and at least one of which is a diffraction surface for image light emitted from the first optical system.
A second optical system having two optical working surfaces, a light beam connecting the center of the exit pupil of the projection optical system and the center of the reflective image display element is defined as a reference axis light beam, The origin is the center of the exit pupil, the Z axis is on a reference axis ray intersecting the origin, and the direction from the origin toward the projection optical system is positive, and is perpendicular to the Z axis on a cross section including the reference axis ray. In the YZ plane of the absolute coordinate system in which the direction is the Y axis and the axis perpendicular to the YZ axis is the X axis, the emission angle of the image light passing through the light guide optical system from the light guide optical system is The maximum principal ray is denoted by r1, the principal ray whose exit angle is minimum is denoted by r2, and the phase function values at the passing positions of the principal ray r1 and the principal ray r2 on the diffraction action surface are {1,} 2, respectively.
When a, .PSI.1 <.psi.2 <however, the phase function value Ψ (x, y) is, Ψ (x, y) = K × (c1 × x + c2 × y + c3 × x 2 + c4 × xy + c5 × y 2
+ c6 × x 3 + c7 × x 2 y + c8 × xy 2 + c9 × y 3 ), K is a constant, x and y are the x and y coordinates of the diffraction action surface in the local coordinate system, Cj Is a coefficient. When the x-coordinate of the passing point of the principal rays r1 and r2 on the diffraction action surface is 0 and the y-coordinates are y1 and y2, respectively, Ψ1 = Ψ (y1)) 2 = Ψ (y2) Satisfies the following relationship:
【請求項2】 前記第2の光学系の回折作用面は、この
回折作用面の基準面上に、 前記位相関数 Ψ(x,y) =K×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2
+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3) で表される回折格子が形成されたものであり、 前記基準面は平面からなることを特徴とする請求項1に
記載の画像表示装置。
2. The diffractive surface of the second optical system has a phase function Ψ (x, y) = K × (c1 × x + c2 × y + c3 ×) on a reference surface of the diffractive surface. x 2 + c4 × xy + c5 × y 2
+ c6 × x 3 + c7 × x 2 y + c8 × xy 2 + c9 × y 3 ), wherein the reference surface is a flat surface. 2. The image display device according to 1.
【請求項3】 前記平面は、前記X軸を中心に回転偏心
した平面であることを特徴とする請求項2に記載の画像
表示装置。
3. The image display device according to claim 2, wherein the plane is a plane that is rotationally eccentric about the X axis.
【請求項4】 前記第2の光学系の回折作用面における
基準面が非球面であることを特徴とする請求項1に記載
の画像表示装置。
4. The image display device according to claim 1, wherein a reference surface in a diffraction operation surface of the second optical system is an aspheric surface.
【請求項5】 前記第2の光学系の回折作用面における
基準面が非回転対称面からなることを特徴とする請求項
1,4に記載の画像表示装置。
5. The image display device according to claim 1, wherein a reference surface of the diffraction action surface of the second optical system is a non-rotationally symmetric surface.
【請求項6】 前記第2の光学系の回折作用面における
基準面が、前記絶対座標系のYZ面に対して面対称とな
る面であることを特徴とする請求項1,4,5に記載の
画像表示装置。
6. The apparatus according to claim 1, wherein a reference plane in a diffraction action surface of the second optical system is a plane which is plane-symmetric with respect to a YZ plane of the absolute coordinate system. The image display device as described in the above.
【請求項7】 前記第2の光学系の回折作用面以外の光
学作用面が平面であることを特徴とする請求項1から6
のいずれかに記載の画像表示装置。
7. An optical operating surface of the second optical system other than a diffraction operating surface is a flat surface.
The image display device according to any one of the above.
【請求項8】 前記平面は前記X軸を中心に回転偏心し
た平面であることを特徴とする請求項7に記載の画像表
示装置。
8. The image display device according to claim 7, wherein the plane is a plane which is rotationally eccentric about the X axis.
【請求項9】 前記第2の光学系の回折作用面以外の光
学作用面が非球面であることを特徴とする請求項1から
6のいずれかに記載の画像表示装置。
9. The image display device according to claim 1, wherein an optically active surface of the second optical system other than the diffractionally active surface is an aspherical surface.
【請求項10】 前記第2の光学系の回折作用面以外の
光学作用面が非回転対称面であることを特徴とする請求
項1から6のいずれかに記載の画像表示装置。
10. The image display device according to claim 1, wherein an optical operation surface other than the diffraction operation surface of the second optical system is a non-rotationally symmetric surface.
【請求項11】 前記第2の光学系の回折作用面以外の
光学作用面が、前記絶対座標系のYZ面に対して面対称
となる面であることを特徴とする請求項1から6,9又
は10のいずれかに記載の画像表示装置。
11. An optical operation surface other than the diffraction operation surface of the second optical system is a surface which is plane-symmetric with respect to the YZ plane of the absolute coordinate system. The image display device according to any one of claims 9 and 10.
【請求項12】 前記第2の光学系の回折作用面が、前
記第1の光学系側に配置されていることを特徴とする請
求項1から11のいずれかに記載の画像表示装置。
12. The image display device according to claim 1, wherein a diffraction action surface of the second optical system is arranged on the first optical system side.
【請求項13】 前記絶対座標系のYZ面内において、
前記反射型画像表示素子から射出して前記導光光学系内
を通過する画像光の光線のうち、光路長が最長となる光
線をr3、光路長が最短となる光線をr4とし、前記第
2の光学系内における前記光線r3および光線r4の光
路長をそれぞれt3,t4とし、前記第2の光学系が前
記光線r3および光線r4に及ぼす光学的パワーをそれ
ぞれΦ3,Φ4としたときに、 t3<t4 および、 Φ3>Φ4 〈但し、ri光線の光学的パワーΦiは、 前記2つの光学作用面A,Bの光学的パワーをφi
(A),φi(B)とし、前記第2の光学系を形成する
材質の屈折率をndとし、前記光学作用面Aを観察者の
眼側の面とし、前記光学作用面Bを前記第1の光学系側
の面とし、曲率の符号を観察者の眼側から前記第1の光
学系に向かう方向を正とし、前記光線riと光学作用面
A,Bとの交点でのローカル曲率半径をRi(A),
Ri(B)としたときに、 φi(A)=(nd−1)/Ri(A) φi(B)=(1−nd)/Ri(B) Φi=φi(A)+φi(B)−φi(A)×φi
(B)×ti/nd とする〉のうち少なくとも一方の関係を満たすことを特
徴とする請求項1から12のいずれかに記載の画像表示
装置。
13. In the YZ plane of the absolute coordinate system,
Of the light rays of the image light emitted from the reflection type image display element and passing through the light guiding optical system, the light ray having the longest optical path length is r3, the light ray having the shortest optical path length is r4, and the second light ray is the second light ray. When the optical path lengths of the light beams r3 and r4 in the optical system are denoted by t3 and t4, and the optical powers exerted on the light beams r3 and r4 by the second optical system are denoted by Φ3 and Φ4, respectively, t3 <T4 and Φ3> Φ4 where the optical power Φi of the ri ray is the optical power of the two optical working surfaces A and B
(A), φi (B), the refractive index of the material forming the second optical system is nd, the optically active surface A is a surface on the observer's eye side, and the optically active surface B is the second optical system. 1 is a surface on the side of the optical system, the sign of the curvature is positive in the direction from the observer's eye to the first optical system, and the local radius of curvature at the intersection of the light ray ri and the optically active surfaces A and B. To Ri (A),
When Ri (B), φi (A) = (nd−1) / Ri (A) φi (B) = (1−nd) / Ri (B) φi = φi (A) + φi (B) − φi (A) × φi
13. The image display device according to claim 1, wherein at least one of (B) × ti / nd> is satisfied.
【請求項14】 前記第2の光学系の光学作用面A,B
のうち少なくとも1つの面に反射防止膜を施したことを
特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の画像表
示装置。
14. The optical working surfaces A and B of the second optical system.
14. The image display device according to claim 1, wherein an anti-reflection film is applied to at least one of the surfaces.
【請求項15】 前記第2の光学系はプラスチックで形
成されたことを特徴とする請求項1から14のいずれか
に記載の画像表示装置。
15. The image display device according to claim 1, wherein said second optical system is formed of plastic.
【請求項16】 前記第2の光学系を、前記第1の光学
系に別部材を介さずに一体で保持させたことを特徴とす
る請求項1から15のいずれかに記載の画像表示装置。
16. The image display device according to claim 1, wherein said second optical system is held integrally with said first optical system without interposing a separate member. .
【請求項17】 前記第2の光学系を、前記第1の光学
系を保持する部材により保持させたことを特徴とする請
求項1から15のいずれかに記載の画像表示装置。
17. The image display device according to claim 1, wherein the second optical system is held by a member that holds the first optical system.
【請求項18】 前記第1の光学系は透明な光学材料に
より形成されたプリズムレンズを有して構成されてお
り、 前記プリズムレンズの光学作用面のうち少なくとも1つ
は回転非対称面であることを特徴とする請求項1から1
7のいずれかに記載の画像表示装置。
18. The first optical system includes a prism lens formed of a transparent optical material, and at least one of the optically active surfaces of the prism lens is a rotationally asymmetric surface. 2. The method according to claim 1, wherein
8. The image display device according to any one of 7.
【請求項19】 前記プリズムレンズは、前記反射型画
像表示素子からの画像光を入射させる入射面と、この入
射面から入射した画像光を反射させる反射面と、この反
射面で反射した画像光が射出する射出面とを有し、 前記入射面、反射面および射出面のうち少なくとも1つ
の面は回転非対称面であることを特徴とする請求項18
に記載の画像表示装置。
19. The prism lens has an incident surface on which image light from the reflective image display device is incident, a reflecting surface for reflecting image light incident from the incident surface, and an image light reflected on the reflecting surface. 19. An emission surface from which light exits, and at least one of the incidence surface, the reflection surface, and the emission surface is a rotationally asymmetric surface.
An image display device according to claim 1.
【請求項20】 前記第1の光学系の反射面が凹面反射
面であることを特徴とする請求項1から19のいずれか
に記載の画像表示装置。
20. The image display device according to claim 1, wherein the reflection surface of the first optical system is a concave reflection surface.
【請求項21】 前記導光光学系は、入射した照明光を
前記反射型画像表示素子に向けて反射させるとともに前
記反射型画像表示素子からの画像光を前記投写光学素子
に向けて透過させる反射透過面を有することを特徴とす
る請求項1から20のいずれかに記載の画像表示装置。
21. The light guide optical system, which reflects incident illumination light toward the reflective image display element and transmits image light from the reflective image display element toward the projection optical element. The image display device according to any one of claims 1 to 20, further comprising a transmission surface.
【請求項22】 請求項1から21のいずれかに記載の
画像表示装置と、この画像表示装置に対して前記反射型
画像表示素子に表示させる画像情報を供給する画像情報
出力装置とを有して構成されることを特徴とする画像表
示システム。
22. An image display device according to claim 1, further comprising: an image information output device that supplies the image display device with image information to be displayed on the reflective image display element. An image display system characterized by comprising:
【請求項23】 前記画像情報出力装置が、パーソナル
コンピュータ又はDVDプレーヤーであることを特徴と
する請求項22に記載の画像表示システム。
23. The image display system according to claim 22, wherein said image information output device is a personal computer or a DVD player.
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