JP2002049000A - 画像表示系、画像表示装置、画像表示システムおよび機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源からの照明光によって画像表示素子を照
明する場合に、照明光が不均一、低輝度となり易い。 【解決手段】 光源１からの照明光をプリズムシート１
８を通して画像表示素子５に照射する画像表示系におい
て、プリズムシートを光源とは反対側の面にプリズム列
が形成されたものとし、プリズムシートから画像表示素
子までの光路長の空気換算値をｓ、プリズムシートへの
照明光入射角をθ、プリズム列の頂角をα、プリズムシ
ートからの照明光射出角をθ′、プリズムシート屈折率
をｎ_p、画像表示素子の辺の長さをＬとしたとき、４０
°以上５０°以下のθに対し、 ｜ｓ・tan θ′｜ ＜１．７５Ｌ／２ 但し、θ′≡Δ− sin^-1［ｎ_p ・sin ｛Δ−sin^-1 （si
n θ／ｎ_p ）｝］， Δ≡π／２−α／２を満足させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

【０００２】 〔発明の詳細な説明〕本発明は、ヘッドマウントディス
プレイ等の画像表示装置や画像表示機能を有する機器に
好適な画像表示系に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】ヘッドマウントディスプレイ等の画像表
示装置においては、装置全体を小型化するための光学系
が種々提案されている。例えば、特開平７−３３３５５
１号公報においては、すべて回転非対称の第１、第２お
よび第３の面で構成されるプリズム形状を有し、１つの
対称面に対して対称形状に形成された光学素子を用い
て、液晶ディスプレイ等の画像表示素子の表示面の画像
を拡大像として観察させる画像表示装置が提案されてい
る。

【０００４】このプリズム形状の光学素子を用いること
により、非常にコンパクトでかつ簡単な構成で、像の歪
み（ディストーション）、像面湾曲、非点収差を良好に
補正し、表示面に対してテレセントリック条件を満たし
ている。

【０００５】ところで、従来の画像表示装置において
は、画像表示素子として透過型の液晶ディスプレイを用
いているが、透過型液晶ディスプレイは画素開口が小さ
いので画像が粗く、画質が若干良くないという欠点を有
している。

【０００６】一方、近年では、ビデオやＴＶなどの動画
の他に、パソコンやＤＶＤから出力される高精細の画像
を表示させることができる画像表示装置が望まれてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような現状に対し
て、画素開口が大きくできる反射型液晶ディスプレイを
用いて、高精細な画像を表示できるようにすることが考
えられている。

【０００８】現在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
の中では、本願図２６に示すように、光源１１２からの
照明光１１３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に照射し、この液晶ディスプレ
イ１０８の画像をプリズム形状の光学素子１１０によっ
て虚像として拡大表示して、観察者の眼（１０１）に導
く構成が提案されている。

【０００９】しかしながら、上記図２６の例において
は、反射型液晶ディスプレイ１０８を照明する光源１１
２からの光線を直接液晶ディスプレイ１０８に照射する
ために、照明光１１３と液晶ディスプレイ１０８の光軸
とのなす角γが大きくなる。このため、装置全体が大型
化してしまうという問題がある。

【００１０】さらに、液晶ディスプレイ１０８が光学素
子１１０に対して大きく傾くので、光学素子１１０と液
晶ディスプレイ１０８との距離が場所によって異なり、
光学性能が低下するという問題がある。

【００１１】また、別の例として本願図２７に示すよう
に、プリズム形状の光学素子１１０に対して液晶ディス
プレイ１０８の反対の側に光源１１２を設け、光源１１
２からの照明光１１３を光学素子１１０内を通して液晶
ディスプレイ１０８に照射し、液晶ディスプレイ１０８
で反射した画像光が再び光学素子１１０内を通って観察
者の眼（１０１）に導かれる構成が提案されている。

【００１２】しかしながら、このような画像表示装置で
は、照明光１１３の一部がプリズム形状の光学素子１１
０の各面で反射され、液晶ディスプレイ１０８を照明し
ない光も観察者の眼に入ってしまう。このため、不要な
フレアが発生するという問題がある。

【００１３】さらに、上記図２６，２７で示した画像表
示装置では、光源１１２からの照明光１１３を液晶ディ
スプレイ１０８に直接又は光学素子１１０内を通して照
射しているため、照明光が不均一、低輝度となり易く効
率的ではない。

【００１４】そこで、本発明は、極めてシンプルな構成
でありながら、画像表示素子を効率良く照明でき、良好
な画像観察が可能な画像表示系を提供することを目的と
している。

【００１５】

【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、光源からの照明光をプリズムシート
を通して画像表示素子に照射し、この画像表示素子に画
像表示を行わせる画像表示系において、プリズムシート
を、光源とは反対側の面にプリズム列が形成されたもの
とし、このプリズムシートから射出した照明光が画像表
示素子に照射されるまでの光路長の空気換算値をｓと
し、プリズムシートへの照明光の入射角をθとし、プリ
ズム列の頂角をαとし、プリズムシートからの照明光の
射出角をθ′とし、プリズムシートの屈折率をｎ_p と
し、画像表示素子の辺の長さをＬとしたとき、４０°以
上５０°以下のθについて、 ｜ｓ・tan θ′｜ ＜１．７５Ｌ／２ …（１） 但し、θ′≡Δ− sin^-1［ｎ_p ・sin ｛Δ−sin^-1 （si
n θ／ｎ_p ）｝］ Δ≡π／２−α／２ を満足するようにしている。

【００１６】これにより、小型の光源を用いる場合で
も、画像表示素子を効率良く照明することが可能とな
り、明るい画像を表示させることが可能となる。

【００１７】ここで、光源からの照明光を効率的に用い
るためには、ｓが小さい場合（例えば、プリズムシート
が画像表示素子に近接している場合）には、 ｜ｓ・tan θ′｜ ＜Ｌ／２ …（２） を満足すれば、全照明光線を画像表示素子に導くことも
可能と考えられるが、ｓがある程度の大きさとなるよう
な場合（例えば、プリズムシートから射出した照明光を
照明光学素子内で反射させて画像表示素子に導くような
場合）にはすべてのプリズムシート入射角の光線に対し
て上記（２）式を満足させることは不可能であるため、
上記（１）式を満足するようにして、比較的、効率良く
光源からの照明光を画像表示素子に導けるようにしてい
る。

【００１８】なお、本発明は、光源からの照明光のう
ち、プリズムシートへの入射角θが４０°以上５０°以
下の光線の分布が最も多くなるように構成された画像表
示系に好適である。

【００１９】特に、光源からの照明光を反射を利用して
均一化する均一化素子を備え、この均一化素子から射出
する照明光をプリズムシートを通して画像表示素子に照
射する画像表示系に適している。

【００２０】この場合、均一化素子を、所定角度（例え
ば、１５°以上６０°以下）で組み合わされた複数の反
射板を用いて構成したものを用い、また上記複数の反射
板の組み合わせ箇所の近傍に光源を配置するようにし
て、均一化素子の大型化を防止するとともに、光源から
の照明光の多くが複数の反射板による多重反射によって
均一化され易くするのが好ましい。

【００２１】さらに、上記複数の反射板とプリズムシー
トとにより囲まれた空間に、内面反射により照明光の均
一化効果を高めるための導光素子を配置して、光源から
の照明光をより確実に均一化できるようにしてもよい。

【００２２】また、上記複数の反射板のうち少なくとも
１つに光拡散反射面を形成して、照明光の拡散による均
一化を促進するようにしてもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１には、本発明の第１実施形態
であるヘッドマウントディスプレイ（画像表示系を備え
た画像表示装置）の構成を示している。この図におい
て、１はＲＧＢの光（照明光）を発する光源、２は照明
ユニット、３は第１の偏光板、４は照明プリズム（照明
光学素子）、５は画像表示素子としての反射型液晶ディ
スプレイパネル（以下、単にディスプレイパネルとい
う）、６は第２の偏光板、７はプリズムレンズ（観察光
学系を構成する光学素子）、８は観察者の眼である。

【００２４】光源１から発せられた光は照明ユニット２
により所定の角度で射出され、第１の偏光板３を通り、
照明プリズム４の第１の面９を透過して、第３の面１０
で反射し、第２の面１１を透過した後ディスプレイパネ
ル５に入射し、このディスプレイパネル５を照明する。

【００２５】ディスプレイパネル５は、不図示のテレ
ビ、ビデオ、パソコン又はＤＶＤプレーヤー等の画像情
報供給装置から供給された画像情報に応じて液晶層が駆
動され、この液晶層を透過した光が液晶層の背面に設け
られた反射層にて反射し、画像光として射出する。

【００２６】ディスプレイパネル５から射出した画像光
は、照明プリズム４の第２の面１１に入射し、第３の面
１０を透過して照明プリズム４から射出する。そして、
画像光は、第２の偏光板６を通り、プリズムレンズ７の
第１の面１２に入射する。

【００２７】ここで照明プリズム４は、プリズムレンズ
７とディスプレイパネル５との間に配置され、プリズム
レンズ７側の透過面（第３の面）１０とディスプレイパ
ネル５側の透過面（第２の面）１１とが所定の角度とな
るように構成されている。この照明プリズム４における
面１０，１１の間において、照明光と画像光は一部同じ
領域を通っている。

【００２８】プリズムレンズ７は３つの光学作用面から
構成されている。ディスプレイパネル５で反射されて照
明プリズム４を透過した画像光は、プリズムレンズ７の
第１の面１２を透過し、第２および第３の面１３，１４
で反射し、さらに第２の面１３を透過した後、観察者の
眼８に至る。

【００２９】次に、上記照明ユニット２の構成につい
て、図２および図３を用いて詳しく説明する。この図に
おいて、１５は光源１からの光を照明ユニット２内に向
けて反射するリフレクタ、１６は第１の反射板、１７は
第２の反射板、１８はプリズムシートである。なお、第
１および第２の反射板１６，１７により請求の範囲にい
う均一化素子が構成される。

【００３０】第１の反射板１６と第２の反射板１７と
は、１５°以上６０°以下の角度で組み合わされてお
り、この組み合わせ箇所の近傍、具体的には第２の反射
板１７における第１の反射板１６側に光源１およびリフ
レクタ１５が配置されている。

【００３１】なお、第１および２の反射板１６，１７の
内側の面１９，２０はそれぞれ、完全反射面である鏡面
になっている。

【００３２】プリズムシート１８は、上記第１および第
２の反射板１６，１７にそれぞれ所定の角度をもって対
向しており、プリズムシート１８における両反射板１
６，１７（つまりは光源１）とは反対側の面にはプリズ
ム列が形成されている。プリズム列を構成する各プリズ
ム部分は、その頂角が４５°に形成されている。

【００３３】ここで本実施形態では、プリズムシート１
８から射出した照明光が画像表示素子に照射されるまで
の光路長（すなわち、プリズムシート１８から射出した
照明光が照明プリズム４の第１の面９に入射し、第３の
面１０で反射し、第２の面から射出してディスプレイパ
ネル５に入射するまでの光路長）の空気換算値をｓと
し、プリズムシート１８への照明光の入射角をθとし、
プリズム列の頂角をαとし、プリズムシート１８からの
照明光の射出角をθ′とし、プリズムシート１８の屈折
率をｎ_p とし、ディスプレイパネルの辺の長さをＬとし
たとき、４０°以上５０°以下のθについて、上記式
（１）を満足している。

【００３４】式（１）は、プリズムシート１８から射出
した照明光線が、照明プリズム４を通じてディスプレイ
パネル５を照明するときに、照明光線がディスプレイパ
ネル５を効率的に照明するための条件式である。

【００３５】これを模式的に示したのが図３である。す
なわち、式（１）は、照明プリズム４を空気換算した長
さｓにおいて、プリズムシート１８からθ′の角度で射
出される光線のうちディスプレイパネル５を照明するの
に有効な光線が満たす条件式である。

【００３６】光源１からの照明光を効率的に用いるため
には、ｓが小さい場合には、上記式（２）を満足すれ
ば、全照明光線をディスプレイパネル５に導くことも可
能と考えられるが、本実施形態のように、照明プリズム
４内での反射を解するためにｓがある程度の大きさとな
るような場合には、すべてのプリズムシート入射角の光
線に対して上記（２）式を満足させることは不可能であ
る。そこで、本実施形態では、ディスプレイパネル５を
照明するのに有効な光線が上記（１）式を満足するよう
にして、比較的、効率良く光源１からの照明光をディス
プレイパネル５に導けるようにしている。

【００３７】式（１）を満たすとき、光線はディスプレ
イパネル５の各辺が１．７５倍された長方形の領域を照
明し、面積ではディスプレイパネル５の３倍（＝１．７
５×１．７５）の範囲を照明するので、比較的効率よく
ディスプレイパネル５を照明できる。

【００３８】このように照明領域の面積をディスプレイ
パネル５の面積の３倍以下となるようにしたのは、パネ
ル５の有効表示部が小さい小型パネル（たとえば０．２
４"パネル）を使用した場合などに、照明領域の面積を
ディスプレイパネル５の面積とほぼ同じ程度まで小さく
することは現実的に困難だからである。すなわち、式
（１）を満足するように照明領域の面積をディスプレイ
パネル５の３倍以下の面積にすれば、たとえ小型パネル
を使用したとしても、光源から発せられる光の３３％以
上がディスプレイパネル５に導かれることになるので、
このように簡素な構成の照明ユニットとしては比較的効
率的に照明を行うことができる。

【００３９】なお、ｓおよびθ′が式（１）の上限を超
える領域では、プリズムシート１８から射出される光線
は、ディスプレイパネル５（特に、パネル５中の画像表
示範囲）から大きく外れた位置に導かれ、ディスプレイ
パネル５の照明光線として有効なものとして扱えない。

【００４０】また、本実施形態において、プリズムシー
ト１８への入射角θが４０°以上５０°以下の光線につ
いて式（１）を満足するように構成している理由につい
て説明する。

【００４１】光源１から射出される光線を図４（Ａ）に
示すように５°間隔でトレースし、プリズムシート１８
への入射角の分布を求めると、図４（Ｂ）に示すよう
に、プリズムシート１８への入射角θが４０°以上５０
°以下の光線が最も多いことがわかる。このため、本実
施形態では、この範囲の入射角の光線に対して、式
（１）を満足させるようにすることにより、上記式
（１）を満足する中で最も効率良くディスプレイパネル
５を照明できるようにしている。

【００４２】以上の条件下における照明光線のプリズム
シート１８への入射角θと照明範囲ｓ・tan θ′と、
１．７５Ｌ／２との関係を示したのが図５である。

【００４３】次に、第１および第２の反射板１６，１７
により構成される均一化素子の光学作用について図６を
用いて説明する。

【００４４】光源１から発せられた照明光は、プリズム
シート１８に直接入射して所定の角度で射出される光線
と、第１の反射板１６で反射した後さらに第２の反射板
１７にて反射してプリズムシート１８に導かれ所定の角
度で射出される光線とに分けられる。この２種類の光線
に分かれることによって（特に、後者の多重反射光線が
多く存在することにより）、図４（Ａ）に示すように、
光源１から発せられた照明光線がほぼ均一化されてプリ
ズムシート１８に入射することになる。

【００４５】本実施形態において、第１の反射板１６と
第２の反射板１７とを１５°以上６０°以下の角度に組
み合わせているのは、これら反射板１６，１７のなす角
度が１５°未満となると、両反射板１６，１７を大きく
する必要があり、照明ユニット２全体が大型化してしま
い、また両反射板１６，１７のなす角度が６０°を超え
ると、光源１から出てプリズムシート１８に直接入射す
る光線が増えて両反射板１６，１７にて多重反射する光
線が減ってしまい、プリズムシート１８に入射する照明
光線が十分均一にならないためである。

【００４６】また、本実施形態のプリズムレンズ７は、
上記３つの光学作用面１２，１３，１４（つまりは、少
なくとも２つの反射面１３，１４と２つの透過面１２，
１３を有する光学素子）としたことによって、観察光学
系の小型化を可能にしている。さらに、上記光学作用面
を回転非対称形状の自由曲面に形成することにより、画
像の歪み等の諸収差を良好に補正している。

【００４７】（第２実施形態）図７には、本発明の第２
実施形態であるヘッドマウントディスプレイに用いられ
る照明ユニットの構成を示している。なお、本実施形態
において第１実施形態と共通する構成要素には同符号を
付す。また、図７には示さないが、照明プリズム４、デ
ィスプレイパネル５、プリズムレンズ７および偏光板
３，６は第１実施形態と同じものが用いられている。

【００４８】本実施形態では、照明ユニットの内部、す
なわち第１および第２の反射板１６，１７およびプリズ
ムシート１８によって囲まれる空間内に導光板２１を配
置している。

【００４９】導光板２１の２つの面２２，２３はそれぞ
れ、第１の反射板１６および第２の反射板１７に沿うよ
うに形成されており、導光板２１のもう１つの面２４は
プリズムシート１８に沿うように形成されている。ま
た、第１、２の反射板１６，１７の内側の面２５，２６
は第１実施形態と同様に完全反射面である鏡面として形
成されている。

【００５０】本実施形態においては、図８に示すよう
に、光源１から発せられた光線はまず導光板２１に入射
する。導光板２１に入射した光線のうち一部の光線は導
光板２１をそのまま透過してプリズムシート１８に入射
し、プリズムシート１８から所定の角度で射出される。
一方、他の光線は導光板２１の中を多重反射しながら進
んだ後、導光板２１から射出して第１の反射板１６又は
第２の反射板１７で反射し、再び導光板２１に入射す
る。そして、導光板２１内での多重反射および第１、２
の反射板１６，１７での反射を繰り返して面２４から射
出し、プリズムシート１８に入射した光線は、プリズム
シート１８から所定の角度で射出する。

【００５１】本実施形態のように照明ユニット内に導光
板２１を配置し、光源１からの照明光線に導光板２１内
での多重反射および第１、２の反射板１６，１７での反
射を繰り返えさせることにより、第１実施形態のものに
比べて照明光線の均一化がより確実に行われる。

【００５２】本実施形態においても、プリズムシート１
８は、第１および第２の反射板１６，１７にそれぞれ所
定の角度をもって対向しており、プリズムシート１８に
おける両反射板１６，１７（つまりは光源１）とは反対
側の面にはプリズム列が形成されている。プリズム列を
構成する各プリズム部分は、その頂角が４５°に形成さ
れている。

【００５３】そして、本実施形態でも、プリズムシート
１８から射出した照明光が画像表示素子に照射されるま
での光路長（すなわち、プリズムシート１８から射出し
た照明光が照明プリズム４の第１の面９に入射し、第３
の面１０で反射し、第２の面から射出してディスプレイ
パネル５に入射するまでの光路長）の空気換算値をｓと
し、プリズムシート１８への照明光の入射角をθとし、
プリズム列の頂角をαとし、プリズムシート１８からの
照明光の射出角をθ′とし、プリズムシート１８の屈折
率をｎ_p とし、ディスプレイパネルの辺の長さをＬとし
たとき、４０°以上５０°以下のθについて、上記式
（１）を満足している。

【００５４】すなわち、第１実施形態と同様に、ディス
プレイパネル５を照明するのに有効な光線が上記（１）
式を満足するようにして、比較的、効率良く光源１から
の照明光をディスプレイパネル５に導けるようにしてい
る。

【００５５】さらに、本実施形態において、光源１から
射出された照明光線のプリズムシート１８への入射角分
布は、図４（Ｂ）に示した分布とほぼ同様になる。この
ためも本実施形態においても、プリズムシート１８への
入射角θが４０°以上５０°以下の光線について式
（１）を満足するように構成し、上記式（１）を満足す
る中で最も効率良くディスプレイパネル５を照明できる
ようにしている。

【００５６】また、本実施形態においても、第１実施形
態と同様に、第１の反射板１６と第２の反射板１７とを
１５°以上６０°以下の角度に組み合わせるようにし、
照明ユニット２全体が大型化しないようにするととも
に、プリズムシート１８に入射する照明光線の十分な均
一化を図っている。

【００５７】（第３実施形態）図９には、本発明の第３
実施形態であるヘッドマウントディスプレイに用いられ
る照明ユニットの構成を示している。なお、本実施形態
において第１および第２実施形態と共通する構成要素に
は同符号を付す。また、図９には示さないが、照明プリ
ズム４、ディスプレイパネル５、プリズムレンズ７およ
び偏光板３，６は第１実施形態と同じものが用いられて
いる。

【００５８】本実施形態では、第２実施形態と同様に、
照明ユニットの内部、すなわち第１および第２の反射板
１６，１７およびプリズムシート１８によって囲まれる
空間内に導光板２１を配置するとともに、第１の反射板
１６′の内側の面に光拡散反射面を形成し、第２の反射
板１７の内側の面に完全反射面である鏡面を形成してい
る。

【００５９】本実施形態においては、光源１から発せら
れた光線はまず導光板２１に入射する。導光板２１に入
射した光線のうち一部の光線は導光板２１をそのまま透
過してプリズムシート１８に入射し、プリズムシート１
８から所定の角度で射出される。一方、他の光線は導光
板２１の中を多重反射しながら進んだ後、導光板２１か
ら射出して第１の反射板１６の拡散反射面で拡散反射し
たり第２の反射板１７で完全反射したりして、再び導光
板２１に入射し、導光板２１内での多重反射および第
１、２の反射板１６，１７での拡散反射又は完全反射を
繰り返す。そして、導光板２１の面２４から射出した光
線はプリズムシート１８に入射し、プリズムシート１８
から所定の角度で射出する。

【００６０】本実施形態のように照明ユニット内に導光
板２１を配置し、さらに第１の反射板１６′に拡散反射
面を設け、光源１からの照明光線に導光板２１内での多
重反射および第１、２の反射板１６′，１７での拡散反
射又は完全反射を繰り返えさせることにより、第１およ
び第２実施形態のものに比べて照明光線の均一化がより
確実に行われる。

【００６１】本実施形態においても、プリズムシート１
８は、第１，第２の反射板１６′，１７にそれぞれ所定
の角度をもって対向しており、プリズムシート１８にお
ける両反射板１６′，１７（つまりは光源１）とは反対
側の面にはプリズム列が形成されている。プリズム列を
構成する各プリズム部分は、その頂角が４５°に形成さ
れている。

【００６２】そして、本実施形態でも、プリズムシート
１８から射出した照明光が画像表示素子に照射されるま
での光路長（すなわち、プリズムシート１８から射出し
た照明光が照明プリズム４の第１の面９に入射し、第３
の面１０で反射し、第２の面から射出してディスプレイ
パネル５に入射するまでの光路長）の空気換算値をｓと
し、プリズムシート１８への照明光の入射角をθとし、
プリズム列の頂角をαとし、プリズムシート１８からの
照明光の射出角をθ′とし、プリズムシート１８の屈折
率をｎ_p とし、ディスプレイパネルの辺の長さをＬとし
たとき、４０°以上５０°以下のθについて、上記式
（１）を満足している。

【００６３】すなわち、第１実施形態と同様に、ディス
プレイパネル５を照明するのに有効な光線が上記（１）
式を満足するようにして、比較的、効率良く光源１から
の照明光をディスプレイパネル５に導けるようにしてい
る。

【００６４】さらに、本実施形態において、光源１から
射出された照明光線のプリズムシート１８への入射角分
布は、図４（Ｂ）に示した分布とほぼ同様になる。この
ためも本実施形態においても、プリズムシート１８への
入射角θが４０°以上５０°以下の光線について式
（１）を満足するように構成し、上記式（１）を満足す
る中で最も効率良くディスプレイパネル５を照明できる
ようにしている。

【００６５】また、本実施形態においても、第１実施形
態と同様に、第１の反射板１６′と第２の反射板１７と
を１５°以上６０°以下の角度に組み合わせるように
し、照明ユニット２全体が大型化しないようにするとと
もに、プリズムシート１８に入射する照明光線の十分な
均一化を図っている。

【００６６】（第１〜第３実施形態の共通事項）上記第
１〜第３実施形態において、第１の偏光板３は照明プリ
ズム４の第１の面９の近傍、すなわちディスプレイパネ
ル５に対して入射側に配置されている。また、第２の偏
光板６は照明プリズム４の第２の面１０の近傍、すなわ
ちディスプレイパネル５に対して射出側に配置されてい
る。

【００６７】図１１に詳しく示すように、光源１からの
無偏光の照明光２７は、第１の偏光板３を通過する際に
第１の偏光方向に揃えられた偏光光２８となり、照明プ
リズム４の第１の面９に入射する。そして、照明プリズ
ム４の第３の面１０で反射し、第２の面１１を透過して
ディスプレイパネル５に入射する。

【００６８】なお、図１１において矢印記号は第２の面
１０に対してＳ偏光およびＰ偏光のうち一方の状態を、
丸囲みの・印は他方の状態を表す。

【００６９】ディスプレイパネル５に入射した偏光光２
９のうちディスプレイパネル５で第１の偏光方向に対し
て９０°の変調を受けた画像光は第２の偏光板６を透過
し、変調を受けない光は第２の偏光板６で吸収される。
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７内に入射する。

【００７０】以上が第１から第３実施形態のヘッドマウ
ントディスプレイにおける主たる構成および光学的作用
であるが、各実施形態では、照明プリズム４およびプリ
ズムレンズ７の各面に反射防止膜を形成し、各面での光
の反射を防止してフレアやゴーストの発生を防止してい
る。

【００７１】また、上記各実施形態では、第１，２の偏
光板３，６をそれぞれ１ｍｍ以上、ディスプレイパネル
５から離して配置している。これにより、図１２に示す
ように、太陽光３０が眼側から入射しても、各偏光板
３，６上に焦点を結ばないようになっている。このた
め、太陽光による各偏光板３，６の劣化が防止される。

【００７２】また、上記各実施形態では、図１３に示す
ように、照明プリズム４の第２の面１０で反射する照明
光の入射角をφとし、照明プリズム４の屈折率をｎとし
たときに、 sinφ≧１／ｎ …（３） を満足するように設定し、全反射条件を満たしている。
これにより、反射率を１００％として効果的にディスプ
レイパネル５を照明することが可能となる。

【００７３】上記各実施形態の照明プリズム４は、屈折
率が１．５２の硝子材を用いているので、第２の面１０
で反射する照明光の入射角φは、φ≧４１．１を満足す
ればよい。

【００７４】なお、図１４に示すように、照明プリズム
３の第３の面１０での照明光の反射角φ１〜φ３が第３
の面１０上の位置により異なる場合には、最小の入射角
φ１の光線の反射率が、 Ｒ≧０．５ …（４） を満足するように構成すればよい。

【００７５】ここで、図２８に示すように、光線の射出
角をφ′とすると、スネルの法則から、 ｎ・sin φ＝sin φ′ …（５） が成り立つ。そして、このφ′を用いて、強度の反射率
Ｒの図２８の紙面に対して平行な偏光成分（Ｐ偏光）Ｒ
ｐと、上記紙面に垂直な偏光成分（Ｓ偏光）Ｒｓは次の
ように表される。

【００７６】

【数１】 …（６） 屈折率を１．５２とすると、入射角と反射率の関係は図
２９で示され、この反射率が５０％以上となるように照
明プリズム４の第３の面１０での入射角度を決めればよ
い。

【００７７】また、図１５に示すように、照明プリズム
４の第３の面１０で反射する照明光の偏光方向を、図１
５に示すようにＳ偏光とすれば、光線の反射率をＰ偏光
よりも高くでき、照明プリズム４の第３の面１０での照
明光の入射角度の許容範囲を広くすることができる。

【００７８】また、照明プリズム４の第３の面１０のう
ち照明光の入射角に対する反射率Ｒが、 Ｒ≧０．９ …（７） を満たさない領域に反射膜を形成することにより、照明
プリズム４で反射する光の入射角の範囲を広くすること
ができる。

【００７９】また、上記各実施形態では、照明プリズム
４として複屈折性の低い光学ガラスを使用しているた
め、照明プリズム４内で偏光の旋回が発生しない。

【００８０】なお、照明プリズム４を安価に製造するた
めに、この照明プリズム４にレンズ作用を持たせるとき
は、成形で製作するほうが容易である。そしてこの場合
（特に、複屈折性が残存する場合）、照明プリズム４に
入射した偏光光がプリズムレンズ７を射出した後、ある
いは第２の偏光板６を射出した後において、ディスプレ
イパネル５が白を表示したときと黒を表示したときの光
の強度比が５０：１以上になっていれば実用上問題はな
い。

【００８１】さらに、上記各実施形態では、ディスプレ
イパネル５は不図示の保持部材を介して照明プリズム４
に対し固定されており、さらにディスプレイパネル５は
照明プリズム４と一体でプリズムレンズ７に対し位置調
整できるようになっている。

【００８２】これにより、ディスプレイパネル５と照明
プリズム４との光学的配置を変えることなくプリズムレ
ンズ７に対して位置調整することができ、光学性能の変
化を生じさせずに最適な各要素の配置を得ることができ
る。

【００８３】また、上記第１から第３実施形態では、デ
ィスプレイパネル５はＲＧＢの各色画像が時間順次（フ
ィールドシーケンシャル）で切替え表示されるようにな
っており、各色画像の切り替えタイミングに同期してデ
ィスプレイパネル５に入射する照明光の色を切り替える
ことによりカラー画像を表示する。

【００８４】具体的には、ディスプレイパネル５とし
て、シリコン基盤にＴＮ液晶を封入した液晶ディスプレ
イパネルを用い、高速で画像表示切替えを行えるように
している。

【００８５】また、同様に高速で駆動することができ
る、強誘電液晶を用いた液晶ディスプレイパネルや、微
小なミラーアレイを駆動するミラーパネルを用いてもよ
い。なお、ミラーパネルを用いる場合には、偏光板３，
６は不要となる。

【００８６】一方、照明光の色切替えは、例えば、光源
１に対して回転可能で回転位置に応じてＲＧＢの各色成
分光を選択的に透過させるフィルタを用いたり、分子配
向を電気的に変更可能な異方性材料により回折パターン
を挟み込んで作ったフィルタを用いてＲＧＢの各色成分
光の透過方向を選択的に照明プリズム４の方向としたり
することにより行う。

【００８７】また、光源１としてそれぞれＲＧＢの各色
光を発する３つの光源を設け、これら各光源の発光の時
間順次切り替えを行うようにしてもよい。

【００８８】（第４実施形態）図１６には、本発明の第
４実施形態であるヘッドマウントディスプレイの構成を
示している。なお、本実施形態において第１〜第３実施
形態と共通する構成要素には同符号を付す。また、照明
ユニット２、照明プリズム４、ディスプレイパネル５、
プリズムレンズ７および偏光板３，６は上記各実施形態
と同じものが用いられている。

【００８９】本実施形態では、第１の偏光板３を透過し
た偏光光をそのままの偏光状態でディスプレイパネル５
に入射させるのではなく、照明プリズム４とディスプレ
イパネル５との間に位相板３０を配置し、照明光の偏光
方向をディスプレイパネル５に最適な偏光方向に変換す
るようにしている。

【００９０】（第５実施形態）図１７には、本発明の第
５実施形態であるヘッドマウントディスプレイにおける
ディスプレイパネルの照明系の構成を示している。な
お、本実施形態において第１〜第３実施形態と共通する
構成要素には同符号を付す。また、照明ユニット２、照
明プリズム４、ディスプレイパネル５、プリズムレンズ
７および偏光板３，６は上記各実施形態と同じものが用
いられている。

【００９１】本実施形態では、照明プリズム４の第３の
面１０のうち照明光の入射角に対する反射率Ｒが、 Ｒ≧０．９ …（７） を満たさない領域に反射膜３１を形成している。これに
より、照明プリズム４で反射する光の入射角の範囲を広
くすることができる。

【００９２】（第６実施形態）図１８には、本発明の第
６実施形態であるヘッドマウントディスプレイの構成を
示している。なお、本実施形態において第１〜第３実施
形態と共通する構成要素には同符号を付す。また、照明
ユニット２、照明プリズム４、ディスプレイパネル５、
プリズムレンズ７および偏光板３，６は上記各実施形態
と同じものが用いられている。

【００９３】本実施形態では、第２の偏光板６とプリズ
ムレンズ７との間に、１／４位相板３２を配置してい
る。

【００９４】この場合、ディスプレイパネル５から射出
して照明プリズム４を透過した画像光は、第２の偏光板
６を透過して直線偏光の光となった後、１／４位相板３
２によって円偏光もしくは楕円偏光になってプリズムレ
ンズ７に入射する。これにより、プリズムレンズ７に入
射する光が直線偏光ではなくなるため、プリズムレンズ
７の内部での複屈折の影響が少なくなり、好ましい。

【００９５】（第７実施形態）図１９には、本発明の第
７実施形態であるヘッドマウントディスプレイに用いら
れる照明プリズムの構成を示している。

【００９６】本実施形態では、照明プリズム４の光学作
用面以外の部分（側面３３）を拡散面とし、この拡散面
に光吸収性を有する塗料、例えば黒色塗料を塗布してい
る。

【００９７】これにより、照明プリズム４の側面３３で
の不要光の乱反射を防止することができ、フレアやゴー
ストの発生を防止することができる。

【００９８】（第８実施形態）図２０には、本発明の第
８実施形態であるヘッドマウントディスプレイに用いら
れる照明プリズムの構成を示している。

【００９９】本実施形態では、照明プリズム４の光学作
用面以外の部分（側面３４）を研磨面とし、この研磨面
に反射防止膜を形成している。これにより、照明プリズ
ム４の側面３４に入射した不要光をそのまま透過させて
乱反射を防止することができ、フレアやゴーストの発生
を防止することができる。

【０１００】（第９実施形態）図２１には、本発明の第
９実施形態であるヘッドマウントディスプレイの構成を
示している。なお、本実施形態において第１〜第３実施
形態と共通する構成要素には同符号を付す。

【０１０１】第１〜第８実施形態では、照明プリズム４
における照明光の入射側および画像光の射出側にそれぞ
れ偏光板３，６を配置した場合について説明したが、本
実施形態では、照明プリズム４とディスプレイパネル５
との間にのみ偏光板３５を配置している。

【０１０２】この場合、照明プリズム４からディスプレ
イパネル５に向かって射出した照明光は偏光板３５によ
って所定の偏光方向に揃えられてディスプレイパネル５
に入射する。

【０１０３】また、ディスプレイパネル５にて反射して
照明プリズム４に向かって射出した照明光は、偏光板３
５によって上記所定の偏光方向と同じ偏光方向に揃えら
れて照明プリズム４に入射する。

【０１０４】以上説明した第１〜第９実施形態のヘッド
マウントディスプレイは、図２２に示すように、光源
１、ディスプレイパネル５、第１，２の偏光板３，６
（第９実施形態では偏光板３５）および照明プリズム４
が、プリズムレンズ７および観察者の左右の眼８の高さ
よりも上に位置するように、全体が縦方向にレイアウト
される。

【０１０５】そして、このヘッドマウントディスプレイ
は、不図示のビデオやテレビ、パソコン、ＤＶＤプレー
ヤー等の画像情報供給装置に接続され、画像表示システ
ムを構成する。画像情報供給装置からこのヘッドマウン
トディスプレイに画像情報が供給されると、その画像が
ディスプレイパネル５に表示され、プリズムレンズ７に
より拡大された画像が観察者により観察される。

【０１０６】なお、図２３に示すように、光源１、ディ
スプレイパネル５、第１，２の偏光板３，６および照明
プリズム４が、プリズムレンズ７および観察者の眼８の
高さと同じ高さに位置するようなレイアウトを採っても
よい。

【０１０７】（数値実施例）次に、本発明の数値実施例
を示す。本実施例では、光学系が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
ル座標系とを設定する。図２４は絶対座標系とローカル
座標系の説明図である。これについて説明する。

【０１０８】絶対座標系の原点は、観察者の望ましき瞳
孔位置の中心Ｏに設定し、Ｚ軸は点Ｏを通り瞳孔面に垂
直な直線であって光学系の対称面（図の紙面）上にあ
る。Ｙ軸は原点Ｏを通り上記対称面上でＺ軸に対して反
時計回りに９０°の角度をなす直線である。Ｘ軸は原点
Ｏを通り、Ｙ，Ｚ軸に対して直交する直線である。

【０１０９】ローカル座標の原点Ｏｉは、絶対座標（dX
i ，dYi ，dZi ）で 、各面Ｓｉ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Ｚ軸と角度Tilt iをなす直線である。ここで角度
Tilt i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方向の角
度をなすときに正とする。

【０１１０】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。

【０１１１】各面の形状はローカル座標で表す。上記各
実施形態において光学作用面の形状は、２次曲面を表す
形状関数にゼルニケ多項式による非球面を有する形状を
しており、以下に示す関数により表す。

【０１１２】 ここで、r は各面の基本曲率半径であり、c はｃ＝１／
ｒである。また、ciは各面におけるi 番目のゼルニケ多
項式の非球面係数である。

【０１１３】表１は、図２２に示した実施形態の構成デ
ータであり、図２２に示したレイアウトのように配置し
て使用する形態のものである。

【０１１４】 《表１》 fx ( ｘ方向焦点距離)= 17.8 , fy (ｙ方向焦点距離)= 18.9 wx ( ｘ方向半画角)= 15.0 deg , wy (ｙ方向半画角)= 11.2 deg prism n ( プリズムレンズの屈折率)= 1.571 S1 r :∞ d :24.44 n : 1.0000 S2 dY -66.11 dZ 24.44 Tilt -6.97 r :-460.248 c4 :-9.304e-04 c5 :-3.211e-04 c9 : 3.394e-07 c10:-7.294e-06 c11: 8.999e-08 c12:-3.540e-09 c13:-1.663e-09 c19:-4.677e-11 c20:-4.003e-12 c21: 7.951e-10 c22:-2.935e-12 c23:-1.193e-12 c24: 7.284e-13 c25:-6.250e-13 S3 dY -2.25 dZ 36.72 Tilt -29.69 r : -51.494 c4 :-1.601e-03 c5 :-2.139e-03 c9 :-6.666e-06 c10:-8.173e-06 c11: 5.438e-08 c12:-3.901e-07 c13:-3.012e-07 c19:-1.203e-08 c20: 2.125e-09 c21:-6.631e-09 c22:-2.517e-10 c23: 1.007e-10 c24:-1.856e-10 c25:-4.149e-11 S4 dY -66.11 dZ 24.44 Tilt -6.97 r :-460.248 c4 :-9.304e-04 c5 :-3.211e-04 c9 : 3.394e-07 c10:-7.294e-06 c11: 8.999e-08 c12:-3.540e-09 c13:-1.663e-09 c19:-4.677e-11 c20:-4.003e-12 c21: 7.951e-10 c22:-2.935e-12 c23:-1.193e-12 c24: 7.284e-13 c25:-6.250e-13 S5 dY 10.37 dZ 42.98 Tilt 40.94 r :-212.022 c4 : 1.936e-02 c5 :-4.534e-03 c9 :-6.159e-04 c10:-7.698e-04 c11:-5.875e-05 c12:-5.283e-06 c13: 2.545e-05 c19:-2.037e-07 c20: 2.618e-07 c21: 1.569e-06 c22: 0.000e+00 c23: 0.000e+00 c24: 0.000e+00 c25: 0.000e+00 S6 dY 16.94 dZ 37.28 Tilt 48.13 S6 r :∞ d :-1.78 n : 1.0000 S7 dY 15.61 dZ 36.09 Tilt 64.39 S7 r :∞ d : 3.34 n : 1.5163 S8 dY 18.10 dZ 38.32 Tilt 34.39 S8 r :∞ d : 0.10 n : 1.0000 S9 r :∞ d : 1.10 n : 1.5230 S10 r : ∞ d : 0.00 n : 1.0000 ここで、Ｓｉ（ｉ= １〜１０）は図２４に示すようにプ
リズムレンズ７の３つの面、照明プリズム４の２つの
面、ディスプレイパネル５の像面を示す。また、ｆはプ
リズムレンズ７の焦点距離に相当する値で、観察者の眼
からの逆トレースにおいて、無限遠物体からの入射光の
入射角度βと、その光線がディスプレイパネル５で結像
する像高ｙ_m から、 ｆ＝ｙ_m ／tan （β） 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。

【０１１５】式（１）の数値実施例： ｓ＝8.114mm α＝45° Δ＝1.178rad ｎ_p ＝1.5 Ｌ＝7.163mm 14.7°＜θ′＜23.3° 2.136mm ＜ｓ・tan θ′＜3.489mm ＜１．７５Ｌ／２
（＝7.267mm ） 式（２）の数値実施例： sin φ＝0.70≧0.66（＝１／ｎ） 第１の反射板１６と第２の反射板１７のなす角度：45°
（≧15°，≦60°） 第１の偏光板３の位置： 照明プリズム４の第１の面から0.8mm ディスプレイパネル５の像面から空気換算長で7.7mm ≧
1mm 第２の偏光板６の位置： 照明プリズム４の第２の面から0.5mm ディスプレイパネル５の像面から空気換算長で3.2mm ≧
1mm 表２は、図２３に示した実施形態の構成データであり、
図２３に示したレイアウトのように配置して使用する形
態のものである。

【０１１６】 《表２》 fx ( ｘ方向焦点距離)= 22.6 , fy (ｙ方向焦点距離)= 22.5 wx ( ｘ方向半画角)= 9.0 deg , wy ( ｙ方向半画角)= 12.0 deg prism n ( プリズムレンズの屈折率)= 1.571 S1 r :∞ d :31.56 n : 1.0000 S2 dY 7.46 dZ 31.56 Tilt 5.98 r :-114.717 c4 :-2.212e-03 c5 :-1.249e-03 c9 :-7.747e-05 c10: 2.639e-05 c11:-1.532e-06 c12: 1.469e-06 c13:-1.899e-06 c19:-3.953e-08 c20:-1.158e-08 c21:-2.287e-07 c22: 5.759e-09 c23:-2.109e-09 c24: 1.554e-09 c25:-5.815e-10 S3 dY 0.08 dZ 40.90 Tilt -20.02 r : -41.444 c4 :-1.043e-03 c5 : 1.010e-04 c9 :-4.528e-06 c10: 5.442e-06 c11:-1.857e-07 c12: 4.407e-07 c13:-4.390e-07 c19: 2.782e-08 c20:-4.086e-08 c21: 1.772e-08 c22: 6.484e-10 c23:-4.474e-10 c24: 6.306e-10 c25:-2.124e-10 S4 dY 7.46 dZ 31.56 Tilt 5.98 r :-114.717 c4 :-2.212e-03 c5 :-1.249e-03 c9 :-7.747e-05 c10: 2.639e-05 c11:-1.532e-06 c12: 1.469e-06 c13:-1.899e-06 c19:-3.953e-08 c20:-1.158e-08 c21:-2.287e-07 c22: 5.759e-09 c23:-2.109e-09 c24: 1.554e-09 c25:-5.815e-10 S5 dY 15.11 dZ 38.83 Tilt 68.87 r : 37.281 c4 : 1.192e-02 c5 : 8.644e-04 c9 :-5.232e-04 c10: 1.041e-04 c11:-2.871e-06 c12: 1.514e-05 c13: 6.027e-06 c19:-1.216e-07 c20: 4.707e-07 c21:-5.263e-06 c22:-3.467e-07 c23:-7.974e-09 c24:-3.626e-08 c25:-3.647e-09 S6 dY 16.23 dZ 38.72 Tilt 18.60 S6 r :∞ d :-0.20 n : 1.0000 S7 dY 16.17 dZ 38.53 Tilt 73.71 S7 r :∞ d : 3.50 n : 1.5163 S8 dY 17.28 dZ 41.85 Tilt 38.73 S8 r :∞ d : 0.10 n : 1.0000 S9 dY 20.07 dZ 39.74 Tilt 38.73 S9 r :∞ d : 1.10 n : 1.5230 S10 r : ∞ d : 0.00 n : 1.0000 ここで、Ｓｉ（ｉ= １〜１０）は図２４に示すようにプ
リズムレンズ７の３つの面、照明プリズム４の２つの
面、ディスプレイパネル５の像面を示す。また、ｆはプ
リズムレンズ７の焦点距離に相当する値で、観察者の眼
からの逆トレースにおいて、無限遠物体からの入射光の
入射角度βと、その光線がディスプレイパネル５で結像
する像高ｙ_m から、 ｆ＝ｙ_m ／tan （β） 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。

【０１１７】式（１）の数値実施例： ｓ＝10.261mm α＝45° Δ＝1.178rad ｎ_p ＝1.5 Ｌ＝9.550mm 14.7°＜θ′＜23.3° 2.701mm ＜ｓ・tan θ′＜4.413mm ＜１．７５Ｌ／２
（＝8.356mm ） 式（２）の数値実施例： sin φ＝0.74≧0.66（＝１／ｎ） 第１の反射板１６と第２の反射板１７のなす角度：45°
（≧15°，≦60°） 第１の偏光板３の位置： 照明プリズム４の第１の面から0.8mm ディスプレイパネル５の像面から空気換算長で9.9mm ≧
1mm 第２の偏光板６の位置： 照明プリズム４の第２の面から0.5mm ディスプレイパネル５の像面から空気換算長で3.9mm ≧
1mm 上記第１〜第９実施形態では、反射型液晶ディスプレイ
パネルを用いたヘッドマウントディスプレイについて説
明したが、本発明は透過型液晶ディスプレイパネル等の
透過型画像表示素子を用いたヘッドマウントディスプレ
イにも適用することが可能である。

【０１１８】また、本発明は、ヘッドマウントディスプ
レイ以外の画像表示装置や機器の画像表示系にも適用す
ることが可能である。

【０１１９】以下、透過型画像表示素子を用いた画像表
示系の構成について説明する。

【０１２０】（第１０実施形態）図２５（Ａ）には、本
発明の第１０実施形態である画像表示系の構成を示して
いる。この図において、５１はＲＧＢの光（照明光）を
発する光源、５２は光源５１からの照明光を主に後述す
る第１の反射板５６に向けて反射させるリフレクタであ
る。

【０１２１】第１の反射板５６は光源５１に対して所定
角度をもって対向している。５７は第１の反射板５６に
所定角度（ここでは、２５°：≧１５°，≦６０°）で
組み合わされた第２の反射板である。

【０１２２】このように第１の反射板５６と第２の反射
板５７とを１５°以上６０°以下の角度に組み合わせる
ことにより、両反射板５６，５７を小型化し、かつ光源
５１から発せられてプリズムシート５８に入射する照明
光線を十分に均一化することができる。

【０１２３】なお、第１および２の反射板５６，５７の
内側の面はそれぞれ、完全反射面である鏡面になってい
る。

【０１２４】また、光源５１およびリフレクタ５２は、
第１および第２の反射板５６，５７の組み合わせ箇所の
近傍、具体的には第２の反射板５７における第１の反射
板５６側に配置されている。なお、第１および第２の反
射板５６，５７により請求の範囲にいう均一化素子が構
成される。

【０１２５】５８はプリズムシートであり、第２の反射
板５７に所定角度をもって対向配置されている。このプ
リズムシート５８における両反射板５６，５７（つまり
は光源５１）とは反対側の面にはプリズム列が形成され
ている。プリズム列を構成する各プリズム部分は、その
頂角が４０°以上５０°以下に形成されている。

【０１２６】５５は透過型液晶ディスプレイパネル（以
下、単にディスプレイパネルという）であり、プリズム
シート５８と平行に配置されている。このディスプレイ
パネル５５は、不図示のテレビ、ビデオ等の画像情報供
給装置から供給された画像情報に応じて液晶層が駆動さ
れ、この液晶層を透過した照明光が画像光に変換されて
ディスプレイパネル５５から射出することによって画像
を表示する。

【０１２７】５９は上記構成要素を一体的に保持してユ
ニット化するための保持部材である。

【０１２８】本実施形態において、光源５１から発せら
れた照明光は、図２５（Ｂ）に示すように、そのほとん
どが第１の反射板５６で反射した後さらに第２の反射板
５７にて反射してプリズムシート５８に導かれ、所定の
角度で射出される。このように多重反射光線がほとんど
を占めるため、光源５１から発せられた照明光線がほぼ
均一化されてプリズムシート５８に入射することにな
る。

【０１２９】ここで本実施形態では、プリズムシート５
８から射出した照明光がディスプレイパネル５５に照射
されるまでの光路長の空気換算値をｓとし、プリズムシ
ート１８への照明光の入射角をθとし、プリズム列の頂
角をαとし、プリズムシート１８からの照明光の射出角
をθ′とし、プリズムシート１８の屈折率をｎ_p とし、
ディスプレイパネルの辺の長さをＬとしたとき、４０°
以上５０°以下のθについて、上記式（１）を満足して
いる。

【０１３０】しかも、本実施形態の場合、ｓが小さいた
め、上記式（２）をも満足している。これにより、第１
〜第８実施形態のものに比べて、より効率良くディスプ
レイパネル５５を照明することができる。

【０１３１】なお、ｓおよびθ′が式（１）の上限を超
える領域では、プリズムシート５８から射出される光線
は、ディスプレイパネル５５（特に、パネル５５中の画
像表示範囲）から大きく外れた位置に導かれ、ディスプ
レイパネル５５の照明光線として有効なものとして扱え
ない。

【０１３２】また、本実施形態において、プリズムシー
ト５８への入射角θが４０°以上５０°以下の光線につ
いて式（１）を満足するように構成している理由につい
ては第１実施形態で述べた理由と同じである。

【０１３３】なお、第１の反射面５６についてはその内
側の面を拡散反射面として、照明光のより均一化を図る
ようにしてもよい。また、両反射面５６，５７とプリズ
ムシート５８により囲まれる空間に、第２実施形態にて
説明したような導光板を配置して、照明光のさらなる均
一化を図るようにしてもよい。

【０１３４】また、上記第１〜第１０実施形態では、光
源からの照明光を反射板（均一化素子）により均一化し
てプリズムシートに入射させる場合について説明した
が、本発明は、反射板を用いた均一化素子以外の均一化
素子を用いる場合にも適用でき、さらには均一化素子を
持たない画像表示系にも適用することができる。但し、
導光素子を用いる等して光源からプリズムシートに入射
する照明光のうち、プリズムシートへの入射角θが４０
°以上５０°以下の光線の分布が最も多くなるように構
成されていることが望ましい。

【０１３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型の光源を用いる場合でも、画像表示素子を効率良く
照明することができ、明るい画像を表示させることがで
きる。

【０１３６】特に、光源からの照明光を均一化素子を通
じてプリズムシートに入射させるようにすれば、画像表
示素子を均一に照明することができ、ムラのない画像を
表示させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態であるヘッドマウントデ
ィスプレイの構成図。

【図２】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる
照明ユニットの構成図。

【図３】上記照明ユニットの光学条件を説明する模式
図。

【図４】上記照明ユニットの光学作用の説明図。

【図５】上記照明ユニットの光学条件を説明するグラフ
図。

【図６】上記照明ユニットの光学作用の説明図。

【図７】本発明の第２実施形態であるヘッドマウントデ
ィスプレイに用いられる照明ユニットの構成図。

【図８】上記第２実施形態における照明ユニットの光学
作用の説明図。

【図９】本発明の第３実施形態であるヘッドマウントデ
ィスプレイに用いられる照明ユニットの構成図。

【図１０】上記第３実施形態における照明ユニットの光
学作用の説明図。

【図１１】上記第１〜第３実施形態の照明系における偏
光状態の説明図。

【図１２】上記第１〜第３実施形態のヘッドマウントデ
ィスプレイにおける偏光板の配置説明図。

【図１３】上記第１〜第３実施形態における照明プリズ
ムの反射面における光学条件の説明図。

【図１４】上記第１〜第３実施形態における照明プリズ
ムの反射面における光学条件の説明図。

【図１５】上記第１〜第３実施形態の照明系における好
ましい偏光状態の説明図。

【図１６】本発明の第４実施形態であるヘッドマウント
ディスプレイの構成図。

【図１７】本発明の第５実施形態であるヘッドマウント
ディスプレイにおける照明系の構成図。

【図１８】本発明の第６実施形態であるヘッドマウント
ディスプレイの構成図。

【図１９】本発明の第７実施形態であるヘッドマウント
ディスプレイに用いられる照明プリズムの説明図。

【図２０】本発明の第８実施形態であるヘッドマウント
ディスプレイに用いられる照明プリズムの説明図。

【図２１】本発明の第９実施形態であるヘッドマウント
ディスプレイの構成図。

【図２２】上記第１〜第９実施形態のヘッドマウントデ
ィスプレイのレイアウト図。

【図２３】上記第１〜第９実施形態のヘッドマウントデ
ィスプレイの他のレイアウト図。

【図２４】絶対座標系とローカル座標系の説明図。

【図２５】本発明の第１０実施形態である画像表示系の
構成図。

【図２６】従来のヘッドマウントディスプレイの構成
図。

【図２７】従来のヘッドマウントディスプレイの構成
図。

【図２８】スネルの法則の説明図。

【図２９】Ｐ偏光、Ｓ偏光の入射角と反射率との関係を
表す図。

【符号の説明】

１，５１ 光源 ２ 照明ユニット ３ 第１の偏光板 ４ 照明プリズム ５ 反射型液晶ディスプレイパネル ６ 第２の偏光板 ７ プリズムレンズ ８ 観察者の眼 １６，１７，５６，５７ 反射板 １８，５８ プリズムシート ２１ 導光板 ３０ 位相板 ３１ 反射膜 ３２ １／４位相板 ３５ 偏光板 ５５ 透過型液晶ディスプレイパネル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉持 純子 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 (72)発明者 石野 俊樹 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） 2H042 CA12 CA17 5G435 AA03 BB12 BB19 DD14 GG03

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの照明光をプリズムシートを通
   して画像表示素子に照射し、この画像表示素子に画像表
   示を行わせる画像表示系において、 前記プリズムシートは、前記光源とは反対側の面にプリ
   ズム列が形成されたものであり、 前記プリズムシートから射出した照明光が前記画像表示
   素子に照射されるまでの光路長の空気換算値をｓとし、
   前記プリズムシートへの照明光の入射角をθとし、前記
   プリズム列の頂角をαとし、前記プリズムシートからの
   照明光の射出角をθ′とし、前記プリズムシートの屈折
   率をｎ_p とし、前記画像表示素子の辺の長さをＬとした
   とき、 ４０°以上５０°以下のθについて、 ｜ｓ・tan θ′｜ ＜１．７５Ｌ／２ 但し、θ′≡Δ− sin^-1［ｎ_p ・sin ｛Δ−sin^-1 （si
   n θ／ｎ_p ）｝］ Δ≡π／２−α／２ を満足することを特徴とする画像表示系。
2. 【請求項２】 ４０°以上５０°以下のθについて、 ｜ｓ・tan θ′｜ ＜Ｌ／２ をも満足することを特徴とする請求項１に記載の画像表
   示系。
3. 【請求項３】 前記光源から前記プリズムシートに入射
   する照明光のうち、前記プリズムシートへの入射角θが
   ４０°以上５０°以下の光線の分布が最も多くなるよう
   に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の画
   像表示系。
4. 【請求項４】 前記光源からの照明光を反射を利用して
   均一化する均一化素子を有し、この均一化素子から射出
   する照明光を前記プリズムシートを通して前記画像表示
   素子に照射することを特徴とする請求項１から３のいず
   れかに記載の画像表示系。
5. 【請求項５】 前記均一化素子が、所定角度で組み合わ
   された複数の反射板を有して構成されていることを特徴
   とする請求項４に記載の画像表示系。
6. 【請求項６】 前記所定角度が、１５°以上６０°以下
   であることを特徴とする請求項５に記載の画像表示系。
7. 【請求項７】 前記複数の反射板の組み合わせ箇所の近
   傍に前記光源が配置されていることを特徴とする請求項
   ５又は６に記載の画像表示系。
8. 【請求項８】 前記複数の反射板と前記プリズムシート
   とにより囲まれた空間に、内面反射により照明光の均一
   化効果を高めるための導光素子を配置したことを特徴と
   する請求項５から７のいずれかに記載の画像表示系。
9. 【請求項９】 前記複数の反射板が完全反射面を有する
   ことを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の画
   像表示系。
10. 【請求項１０】 前記複数の反射板のうち少なくとも１
    つに光拡散反射面を形成したことを特徴とする請求項５
    から８のいずれかに記載の画像表示系。
11. 【請求項１１】 前記画像表示素子が、入射した照明光
    を反射して画像を表示する反射型画像表示素子であるこ
    とを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の画
    像表示系。
12. 【請求項１２】 前記プリズムシートと前記反射型画像
    表示素子との間に、前記プリズムシートから射出した照
    明光が入射する第１の面と、照明光を前記反射型画像表
    示素子に向けて射出する第２の面と、前記第１の面から
    入射した照明光を前記第２の面に向けて反射する第３の
    面とを有する照明光学素子が配置されていることを特徴
    とする請求項１１に記載の画像表示系。
13. 【請求項１３】 前記反射型画像表示素子から射出した
    画像光が、前記第２の面から前記照明光学素子に入射
    し、前記第３の面から射出することを特徴とする請求項
    １２に記載の画像表示系。
14. 【請求項１４】 前記画像表示素子が、入射した照明光
    を透過させて画像を表示する透過型画像表示素子である
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の
    画像表示系。
15. 【請求項１５】 前記画像表示素子から射出した画像光
    を観察者の眼に導く観察光学系を有することを特徴とす
    る請求項１から１４のいずれかに記載の画像表示系。
16. 【請求項１６】 前記観察光学系が、少なくとも１つの
    反射面を含む複数の光学作用面を有して構成され、これ
    ら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１５に記載の画像表示系。
17. 【請求項１７】 請求項１から１６のいずれかに記載の
    画像表示系を有することを特徴とする画像表示装置。
18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の画像表示装置と、
    この画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装
    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。
19. 【請求項１９】 前記画像情報供給装置が、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１８に記載の画像表示装置。
20. 【請求項２０】 請求項１から１６のいずれかに記載の
    画像表示系を備えたことを特徴とする機器。