JP2002107656A - Picture display device and head-mounted display using the same - Google Patents

Picture display device and head-mounted display using the same

Info

Publication number
JP2002107656A
JP2002107656A JP2000294770A JP2000294770A JP2002107656A JP 2002107656 A JP2002107656 A JP 2002107656A JP 2000294770 A JP2000294770 A JP 2000294770A JP 2000294770 A JP2000294770 A JP 2000294770A JP 2002107656 A JP2002107656 A JP 2002107656A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
local
display
optical system
illumination
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2000294770A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3957961B2 (en
Inventor
Shoichi Yamazaki
章市 山崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Original Assignee
Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mixed Reality Systems Laboratory Inc filed Critical Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Priority to JP2000294770A priority Critical patent/JP3957961B2/en
Priority to US09/915,455 priority patent/US7081999B2/en
Publication of JP2002107656A publication Critical patent/JP2002107656A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3957961B2 publication Critical patent/JP3957961B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)
  • Video Image Reproduction Devices For Color Tv Systems (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a picture display device suitable for a head-mounted display which enables excellent observation of picture information displayed by a reflection type liquid crystal display element while realizing the miniaturization of the entire device. SOLUTION: This display device is provided with a reflection type display means, an illumination means illuminating the display means, an illumination optical system guiding the light from the illumination means to the display means, and a display optical system including plural eccentric curvature reflection surfaces to guide the light from the display means to a pupil for observation, and only one optical surface A having both transmitting and reflecting actions exists which is held in common by the illumination optical system and the display optical system, and an angle formed by an incident reference light beam obtained when making a reference light beam emitted from the illumination means and passing through the center of the picture of the display means and the center of the pupil incident on the optical surface A from the illumination means and a reflected reference light beam obtained when reflecting the reference light beam is appropriately set to α (degrees).

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は画像表示装置に関
し、例えば観察用の画像情報を表示する表示素子として
反射型の液晶表示素子を用い、そこに表示された画像情
報を適切に設定した光学素子を介して拡大して観察する
ようにしたヘッドマウントディスプレイ(HMD)やメ
ガネ型ディスプレイ等に好適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image display apparatus, for example, an optical element using a reflective liquid crystal display element as a display element for displaying image information for observation, and appropriately setting the image information displayed thereon. It is suitable for a head-mounted display (HMD), a glasses-type display, and the like, which are magnified and observed through a camera.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、液晶等の画像表示素子に表示
した画像情報を拡大した虚像として観察するようにした
頭部装着型の画像観察装置(画像表示装置)、所謂ヘッ
ドマウントディスプレイ(HMD)が種々と提案されて
いる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a head mounted image observation apparatus (image display apparatus) for observing image information displayed on an image display element such as a liquid crystal as an enlarged virtual image, a so-called head mounted display (HMD). Are variously proposed.

【0003】このうち反射型の表示素子を用いたHMD
が、例えば、特開平07−128614号公報、特開平1
1−125791号公報、特開平11−337863号
公報、特開2000−10041号公報等で提案されて
いる。
[0003] Of these, an HMD using a reflective display element
However, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-128614,
It is proposed in JP-A-1-127991, JP-A-11-337863, JP-A-2000-10041 and the like.

【0004】これらで提案されているHMDは照明光源
から発せられた光が反射型の液晶で反射され、眼球に導
かれて液晶で表示された画像の拡大像を観察するもので
ある。このとき光束は照明光源、照明光学系、反射型の
液晶、表示光学系、眼球の順序で進む。特開平11‐1
25791号公報で提案されているHMDで開示されて
いる実施例では照明光学系がなく、照明光源からの光が
ダイレクトに反射型の液晶を照明している。この場合は
照明光学系と表示光学系の共有面は存在しない。しかし
他の公知例では、照明光学系と表示光学系の間で共有面
を持っている。共有面があれば、照明光学系と表示光学
系で光路がオーバーラップするところが当然存在し、こ
の共有面が多ければ多いほど光学系は複雑になる。一
方、HMDのコンパクトな表示光学系を本発明者は特開
平7‐333551号公報で提案している。又本発明者
は自由曲面プリズムと反射型の表示素子を組み合わせた
HMDを特開平11‐125791号公報、特開平11
‐337863号公報、特開2000‐10041号公
報で提案している。
In the HMD proposed in these, light emitted from an illumination light source is reflected by a reflection type liquid crystal, guided to an eyeball, and an enlarged image of an image displayed on the liquid crystal is observed. At this time, the light beam travels in the order of the illumination light source, the illumination optical system, the reflective liquid crystal, the display optical system, and the eyeball. JP-A-11-1
In the embodiment disclosed in the HMD proposed in Japanese Patent No. 25791, there is no illumination optical system, and light from an illumination light source directly illuminates a reflective liquid crystal. In this case, there is no shared surface between the illumination optical system and the display optical system. However, in other known examples, a common plane is provided between the illumination optical system and the display optical system. If there is a shared surface, there is naturally a place where the optical path overlaps between the illumination optical system and the display optical system, and the more this shared surface is, the more complicated the optical system becomes. On the other hand, the present inventors have proposed a compact display optical system of the HMD in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-333551. The present inventor has disclosed an HMD in which a free-form surface prism and a reflective display element are combined, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
No. 337863 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-10041.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来よりHMD等の画
像観察装置では、装置を観察者の頭部に装着するために
装置全体の小型化、及び軽量化を図ることが重要な課題
となっている。又、表示手段に表示した画像情報を良好
に観察できることが重要な課題となっている。
Conventionally, in an image observation apparatus such as an HMD, it is important to reduce the size and weight of the apparatus in order to mount the apparatus on the observer's head. I have. Another important issue is that the image information displayed on the display means can be observed well.

【0006】画像表示装置として反射型の液晶表示素子
を用いた場合で装置全体の小型化を図るには、それを照
明するための照明装置を装置内に適切に組み込む必要が
ある。
In order to reduce the size of the entire device when a reflection type liquid crystal display device is used as an image display device, it is necessary to appropriately incorporate a lighting device for illuminating the device in the device.

【0007】例えば照明光源からの光が反射型の液晶を
照明する際、多くの反射面や透過面を介したり、光路長
の長いプリズム体の中を通過したりすると、反射型の液
晶に到達する前にどうしても照明光源からの光量がロス
されてしまう。また透過型の液晶、反射型の液晶に限ら
ず、一般的な液晶(TN液晶など)の特性として、液晶
面とほぼ垂直に射出する光は、十分なコントラストを持
っており画質は良いが、射出光が垂直から離れ傾いてく
ると、コントラストは低くなり画質が悪くなる。従って
照明光源からの光は、液晶からの射出光ができるだけ垂
直にでるように工夫することが望ましい。また当然のこ
とながら、コンパクトな照明光学系と表示光学系が望ま
れている。
For example, when light from an illumination light source illuminates a reflective liquid crystal, the light arrives at the reflective liquid crystal if it passes through many reflective or transmissive surfaces or passes through a prism having a long optical path. Before the operation, the light amount from the illumination light source is inevitably lost. In addition to the transmission type liquid crystal and the reflection type liquid crystal, as a characteristic of a general liquid crystal (TN liquid crystal or the like), light emitted almost perpendicular to the liquid crystal surface has a sufficient contrast and good image quality. When the emitted light is inclined away from the vertical, the contrast is lowered and the image quality is deteriorated. Therefore, it is desirable that the light from the illumination light source be designed so that the light emitted from the liquid crystal is emitted as vertically as possible. Needless to say, compact illumination optical systems and display optical systems are desired.

【0008】本発明は、液晶ディスプレイ等の表示手段
に表示した画像情報を観察する際、光源手段から表示手
段に至る照明光学系及び表示手段からの光束を観察者の
眼球に導光するための表示光学系の構成を適切に設定す
ることによって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロ
スを減らし、該画像情報を良好なる画質で観察すること
ができる画像観察装置及びそれを用いたヘッドマウント
ディスプレイの提供を目的とする。
According to the present invention, when observing image information displayed on display means such as a liquid crystal display, an illumination optical system from a light source means to a display means and a light beam from the display means for guiding the light beam to an eyeball of an observer. By appropriately setting the configuration of the display optical system, an image observation device capable of observing the image information with good image quality while reducing the loss of light amount while reducing the size of the entire device, and a head mount using the same The purpose is to provide a display.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明の画像表
示装置は反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照
明光源手段と、該照明光源手段からの光を該表示手段に
導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者の眼球
に導く表示光学系を有した画像表示装置において、該照
明光学系と該表示光学系で共有する透過兼反射の両作用
を有する光学面Aが、1面のみ存在し、該照明光源手段
から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心を通る基
準光線は、該照明光源手段より該光学面Aに入射し、該
光学面Aでの入射基準光線と反射基準光線のなす角度α
(度)が下記の条件で反射され、該表示手段にほぼ垂直
入射反射、該光学面Aを透過、複数の偏心曲率反射面で
反射後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該光学面A
を含む光学部材と、光学的屈折力を有した別の光学部材
が、空気間隔をあけて配置されていることを特徴として
いる。
An image display apparatus according to the present invention has a reflection type display means, an illumination light source means for illuminating the display means, and guides light from the illumination light source means to the display means. In an image display apparatus having an illumination optical system and a display optical system for guiding light from the display unit to an eyeball of an observer, an optical system having both transmission and reflection functions shared by the illumination optical system and the display optical system. There is only one surface A, and a reference ray emitted from the illumination light source means and passing through the image center and the eyeball center of the display means enters the optical surface A from the illumination light source means, and is reflected by the optical surface A. Angle α between the incident reference ray and the reflected reference ray
(Degree) is reflected under the following conditions, is substantially perpendicularly incident on the display means, is transmitted through the optical surface A, is reflected by a plurality of eccentric curvature reflecting surfaces, is guided to the eyeball, and the display optical system is the optical system. Surface A
And another optical member having an optical refracting power is disposed with an air gap therebetween.

【0010】20 < α < 80 ・・・(1) 請求項2の発明は請求項1の発明において第1項におい
て、該照明光学系中の該光学面Aは、ローカル母線断面
(該基準光線の入射光と射出光を含む面)上で正の屈折
力を有した曲率反射面であることを特徴としている。
20 <α <80 (1) In the first aspect of the present invention, the optical surface A in the illumination optical system may have a local meridional section (the reference light beam). (A surface including the incident light and the outgoing light) has a curvature reflecting surface having a positive refractive power.

【0011】請求項3の発明は請求項1の発明において
第1項において、該照明光源手段はRGB時分割光源で
あり、該表示手段はRGB時分割光源のRGB色光の発
光に合わせてRGBの画像を時分割表示することを特徴
としている。
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the illuminating light source means is an RGB time-division light source, and the display means is an RGB time-division light source in accordance with the emission of RGB color light. The image is displayed in a time-division manner.

【0012】請求項4の発明は請求項1の発明において
第1項において、該照明光源手段から発せられた該基準
光線の該反射型表示手段への入射角度β(度)は −10 < β< 10 ・・・(2) であることを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the incident angle β (degree) of the reference light beam emitted from the illumination light source means to the reflective display means is -10 <β. <10 ... (2)

【0013】請求項5の発明は請求項2の発明において
第2項において、該表示光学系のローカル母線断面焦点
距離を local_fy、該照明光学系中の該光学面Aのみの
ローカル母線断面焦点距離を local_fyAとした時、 0.1 < local_fyA/ local_fy < 0.6 ・・・(3) を満たすことを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the local optical line cross-sectional focal length of only the optical surface A in the illumination optical system is defined as local_fy, Where <local_fyA> / <local_fyA / local_fy <0.6 (3)

【0014】請求項6の発明は請求項2,3又は5の発
明において第2,3又は5項において、該表示光学系は
アジムス角度により屈折力が異なる面を2面以上含み、
表示光学系全体として正の屈折力を有することを特徴と
している。
According to a sixth aspect of the present invention, in the second, third or fifth aspect of the present invention, the display optical system includes two or more surfaces having different refractive powers depending on the azimuth angle.
The display optical system as a whole has a positive refractive power.

【0015】請求項7の発明は請求項6の発明において
第6項において、該表示手段のローカル母線断面(該基
準光線の入射光と射出光を含む面)上での最周辺画像の
うち、眼球より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを
通る光線をF3眼球中心光線とし、該F3眼球中心光線
上での該表示光学系の全系ローカル母線断面焦点距離を
local_fy(F3)、眼球にもっとも近い屈折力を有した
透過面Bにおいて、該F3眼球中心光線がヒットするポ
イント上でのローカル母線断面焦点距離をlocal_fyB
(F3)とした時、 −0.6 < local_fy(F3) / local_fyB(F3) < −0.1・・ ・(4) であることを特徴としている。
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, the most peripheral image on the local meridional section of the display means (the plane including the incident light and the emitted light of the reference light) A ray passing through the outermost peripheral image on the far side from the eyeball and the center of the eyeball is defined as an F3 eyeball center ray, and the focal length of the entire system local bus cross section of the display optical system on the F3 eyeball center ray is defined as
local_fy (F3) is the local focal plane cross-sectional focal length at the point where the F3 eyeball center ray hits on the transmission surface B having the refractive power closest to the eyeball.
When (F3), -0.6 <local_fy (F3) / local_fyB (F3) <-0.1 (4)

【0016】請求項8の発明のヘッドマウントディスプ
レイは請求項1から7のいずれか1項の画像表示装置を
有していることを特徴としている。
An eighth aspect of the present invention provides a head mounted display having the image display device according to any one of the first to seventh aspects.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1〜図5は本発明の実施形態1
〜5の要部断面図である。図中1は瞳位置であり、観察
者の眼球が位置している。
1 to 5 show a first embodiment of the present invention.
It is principal part sectional drawing of No.-5. In the figure, reference numeral 1 denotes a pupil position where the eyeball of the observer is located.

【0018】2は自由曲面プリズム(第2の光学部
材)、3は反射型液晶、4は照明光源、5はハーフミラ
ーより成る曲率を有した透過兼反射面(光学面)、7は
反射面5を含むブーメラン型レンズ(第1の光学部
材)、8,9は偏光板、10は照明プリズム(第1の光
学部材)11は照明系補正プリズム、12は照明系接合
プリズム(第1の光学部材)であり照明プリズム10と
照明系補正プリズム11とを接合した構成より成ってい
る。
2 is a free-form surface prism (second optical member), 3 is a reflective liquid crystal, 4 is an illumination light source, 5 is a transmission / reflection surface (optical surface) having a curvature composed of a half mirror, and 7 is a reflection surface. 5, a boomerang-type lens (first optical member), 8 and 9 are polarizing plates, 10 is an illumination prism (first optical member) 11, an illumination correction lens, and 12 is an illumination junction prism (first optical member). The illumination prism 10 and the illumination system correction prism 11 are joined together.

【0019】符番4,5又は符番4,5,10で示され
るものは照明光学系の一要素を構成し、附番3,5,
7,2又は附番3,10,5,11,2又は符番3,1
0,5,2で示されるものは表示光学系の一要素を構成
している。
Reference numerals 4, 5 or 4, 5, 10 constitute one element of the illumination optical system.
7,2 or number 3,10,5,11,2 or number 3,1
Elements indicated by 0, 5, and 2 constitute one element of the display optical system.

【0020】本実施形態では照明光源4からの光量のロ
スを少なくするために、照明光源4をできるだけ反射型
液晶3に近づけて、照明光学系の光路長を短くしてい
る。表示光学系に自由曲面プリズム2を使用し、自由曲
面プリズムと反射型液晶3の間に照明光学系を構成する
部材を設けている。また液晶3からの射出光ができるだ
け垂直にでるようにして画質のコントラストも上げてい
る。
In this embodiment, in order to reduce the loss of the light amount from the illumination light source 4, the illumination light source 4 is brought as close as possible to the reflection type liquid crystal 3 to shorten the optical path length of the illumination optical system. A free-form surface prism 2 is used for a display optical system, and a member constituting an illumination optical system is provided between the free-form surface prism and the reflective liquid crystal 3. Further, the contrast of the image quality is increased by making the light emitted from the liquid crystal 3 as vertical as possible.

【0021】本発明の各実施形態の説明の前に、本発明
で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、
ローカル子線断面の定義について説明する。偏心系に対
応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でz軸
を光軸とすると、yz断面が従来の母線断面(メリジオナ
ル断面)、xz断面が子線断面(サジタル断面)となる。
本発明は偏心系なので偏心系に対応したローカル母線断
面、ローカル子線断面を新たに定義する。表示手段の画
像中心(外界を観察するためのシースルーのときは外界
画像中心)と眼球中心を通る光線(以下、基準光線)と
各面とのヒットポイント(入射点)上で、基準光線の入
射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒット
ポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座
標系の子線断面(通常の子線断面)と平行な面をローカ
ル子線断面として定義する。
Prior to the description of each embodiment of the present invention, a cross section of a meridional line, a cross section of a sagittal line, a cross section of a local meridional line used in the present invention,
The definition of the local sagittal section will be described. In the definition of the conventional system that does not correspond to the eccentric system, if the z axis is the optical axis in each surface vertex coordinate system, the yz section is the conventional meridional section (meridional section), and the xz section is the sagittal section (sagittal section) Become.
Since the present invention is an eccentric system, a local meridional section and a local sagittal section corresponding to the eccentric system are newly defined. At the hit point (incident point) between the image center of the display means (the center of the external image in the case of see-through for observing the outside world and the center of the eyeball) and the center of the eyeball (hereinafter referred to as the reference ray), the reference ray is incident. A plane containing light and emitted light is defined as a local meridional section, and a plane perpendicular to the local meridional section including the hit point and parallel to a sagittal section (normal sagittal section) of each surface vertex coordinate system is defined as a local sagittal section. Define.

【0022】なお、表示手段が反射型の場合は、該基準
光線を照明光学系、および照明光源まで延長して、各ヒ
ットポイント上で、上記と同様にローカル母線断面、ロ
ーカル子線断面を定義する。ローカル母線断面焦点距離
とローカル子線断面焦点距離については後述の実施例の
項目で説明する。以下に本発明の特徴を記述する。
When the display means is of a reflection type, the reference light beam is extended to the illumination optical system and the illumination light source, and a local meridional section and a local sagittal section are defined on each hit point in the same manner as described above. I do. The local meridional cross-sectional focal length and the local sagittal cross-sectional focal length will be described later in the examples. The features of the present invention will be described below.

【0023】次に本発明の各実施例について説明する。
図1〜図5は本発明の実施例1〜5の光路断面図(ロー
カル母線断面図)である。
Next, embodiments of the present invention will be described.
1 to 5 are optical path cross-sectional views (local bus cross-sectional views) of Examples 1 to 5 of the present invention.

【0024】図1、図2(実施例1,2)は反射型LC
D3(裏面側が液晶面)と任意の曲面を含む自由曲面プ
リズム2との間に、ブーメラン型レンズ7を配置してい
る(以下、ローカル母線断面上で図1、図2の形状のレ
ンズ7をブーメラン型レンズと呼ぶ)。RGB(赤色
光、緑色光、青色光)のLEDをそれぞれ複数個持った
平面照明光源4から発せられた光は、偏光板8で直線偏
光化され、ブーメラン型レンズ7の液晶3側の光学面
(ハーフミラー)5で反射され、光束はその主光線が反
射型LCD3にほぼ垂直(±10°)で入射する。反射
LCD3で反射された光は、光学面5を今度は透過して
ブーメラン型レンズ7を射出後、偏光板9に入射する。
この時偏光板8で直線偏光化された光の偏光方向が液晶
内部で回転するため(液晶駆動電圧OFFまたはO
N)、偏光板9は偏光方向が回転した光を通す方向に設
定する必要がある。また偏光板9の直線偏光方向が偏光
板8の直線偏光方向と約90度ずれている場合(液晶内
部の偏光方向の回転が90度)は、偏光板8で直線偏光
化された光が、光学面5(ハーフミラー)で反射せず透
過していく光(ゴースト光)があるが、偏光板9でこの
ゴースト光をカットできるため、眼球Eにゴースト光が
入るのを防ぐ付加価値も生まれる。また反射型LCD3
が表示面側近傍に不図示の1枚の偏光板で表示させるタ
イプでは、偏光板8と偏光板9は不要となる。偏光板9
を射出後、光は自由曲面プリズム2の入射面14に入射
し、順に全反射面(透過面B)6で全反射し、凹面鏡1
3で反射し、今度は全反射面(透過面B)6を透過して
観察者の眼球が位置する瞳1に導かれる。これによって
反射型LCD3に基づく画像情報を拡大虚像として観察
している。
FIGS. 1 and 2 (Examples 1 and 2) show a reflection type LC.
A boomerang-type lens 7 is disposed between D3 (the back surface is a liquid crystal surface) and the free-form surface prism 2 including an arbitrary curved surface (hereinafter, the lens 7 having the shape of FIGS. This is called a boomerang type lens). Light emitted from a planar illumination light source 4 having a plurality of RGB (red light, green light, and blue light) LEDs is linearly polarized by a polarizing plate 8 and an optical surface of a boomerang type lens 7 on the liquid crystal 3 side. The light beam is reflected by the (half mirror) 5, and the principal ray of the light beam is incident on the reflective LCD 3 almost perpendicularly (± 10 °). The light reflected by the reflective LCD 3 is transmitted through the optical surface 5 this time, exits the boomerang-type lens 7, and then enters the polarizing plate 9.
At this time, the polarization direction of the light linearly polarized by the polarizing plate 8 rotates inside the liquid crystal (liquid crystal driving voltage OFF or O
N), it is necessary to set the polarizing plate 9 in a direction in which the light whose polarization direction is rotated passes. When the linear polarization direction of the polarizing plate 9 is shifted from the linear polarization direction of the polarizing plate 8 by about 90 degrees (the rotation of the polarization direction inside the liquid crystal is 90 degrees), the light linearly polarized by the polarizing plate 8 becomes: Although there is light (ghost light) that is transmitted without being reflected by the optical surface 5 (half mirror), the ghost light can be cut by the polarizing plate 9, so that an added value for preventing ghost light from entering the eyeball E is also created. . In addition, reflective LCD3
However, in the type in which a single polarizing plate (not shown) is used to display near the display surface, the polarizing plates 8 and 9 become unnecessary. Polarizing plate 9
Is incident on the entrance surface 14 of the free-form surface prism 2, and is totally reflected by the total reflection surface (transmission surface B) 6 in order, and the concave mirror 1
The light is reflected at 3, and then transmitted through the total reflection surface (transmission surface B) 6 and guided to the pupil 1 where the eyeball of the observer is located. Thus, image information based on the reflective LCD 3 is observed as an enlarged virtual image.

【0025】実施例1,2では、ローカル母線断面上で
2面とも反射型LCD3と反対方向を向いた曲率面から
なるブーメラン型レンズ7を、反射型LCD3と対向し
て置き、ブーメラン型レンズ7の反射型LCD3側の面
を該光学面(ハーフミラー)5とすることにより、反射
型LCD3のローカル母線断面上での、下側最周辺画像
(F3)側の反射型LCD3と自由曲面プリズム2との
間隔をできるだけ短くして、表示系(部材3,7,2)
がコンパクトでしかも照明系(部材4,5)もコンパク
トなものにしている。図1の実施例1ではブーメラン型
レンズ7の両面5,5aを、母線断面のみパワーを持つ
シリンドリカル面(自由曲面)にして、ローカル子線断
面(紙面と垂直断面)上での収差発生を極力少なくし、
かつ子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがな
くこの断面方向に面形状が湾曲しないため、反射型LC
D3と該光学面5を近くすることができ、コンパクト化
も可能としている。また他方の面5aも光学面5に近い
面形状にして、ブーメラン型レンズ7での収差発生をキ
ャンセルさせている。なおブーメラン型レンズ7のシリ
ンドリカル面はアジムス角度により屈折力が異なるた
め、自由曲面の1つであるが、本発明では子線断面か母
線断面のどちらかが屈折力がない場合は、以降シリンド
リカル面とし、それ以外の面を以降自由曲面とする。も
ちろんブーメラン型レンズ7の両面5,5aにもっと自
由度の多い自由曲面を使用すれば、さらに良好な光学系
性能が得られる。図2の実施例2ではブーメラン型レン
ズ7の両面5,5aに回転対称非球面を使用している。
これは光学面5のローカル子線断面上でも正のパワーを
持たせることにより、平面照明用の光源4のローカル子
線断面方向で大きさを小さくしている。また他方の面5
aも光学面5に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ
7での収差発生をキャンセルさせている。なお両面5,
5a回転対称球面でも可能であるが、両面回転対称非球
面のほうが光学系能はよい。
In the first and second embodiments, the boomerang-type lens 7 having a curvature surface facing both sides of the reflective LCD 3 on the local meridional cross section is disposed facing the reflective LCD 3. Is used as the optical surface (half mirror) 5 so that the reflective LCD 3 and the free-form prism 2 on the lowermost peripheral image (F3) side on the local meridional section of the reflective LCD 3 can be used. Display system (members 3, 7, 2)
However, the lighting system (members 4 and 5) is also compact. In the first embodiment shown in FIG. 1, both surfaces 5, 5a of the boomerang type lens 7 are cylindrical surfaces (free-form surfaces) having power only in the meridional section, and the occurrence of aberrations on the local sagittal section (perpendicular to the paper) is minimized. Less
In addition, since there is no power in the sagittal section or local sagittal section direction and the surface shape does not curve in this section direction, the reflective LC
D3 and the optical surface 5 can be made close to each other, and compactness is also possible. Also, the other surface 5a has a surface shape close to the optical surface 5 to cancel the occurrence of aberration in the boomerang lens 7. Note that the cylindrical surface of the boomerang type lens 7 is one of free-form surfaces because the refractive power varies depending on the azimuth angle. However, in the present invention, when either the sagittal section or the generatrix section has no refractive power, the cylindrical surface is hereinafter referred to. And the other surfaces are hereinafter referred to as free-form surfaces. Of course, if a free-form surface having more degrees of freedom is used for both surfaces 5, 5a of the boomerang lens 7, better optical system performance can be obtained. In the second embodiment shown in FIG. 2, a rotationally symmetric aspheric surface is used for both surfaces 5, 5a of the boomerang lens 7.
This is to make the light source 4 for planar illumination smaller in the local sagittal section direction by giving a positive power even on the local sagittal section of the optical surface 5. And the other side 5
Also, a has a surface shape close to the optical surface 5 so as to cancel the occurrence of aberration in the boomerang type lens 7. In addition, both sides 5,
Although a 5a rotationally symmetric spherical surface is possible, a two-sided rotationally symmetric aspheric surface has better optical system performance.

【0026】本発明の表示系に含まれる自由曲面プリズ
ムは(実施例1〜5共通)、自由曲面プリズムのメイン
パワー(正の屈折力)を持つ凹面鏡13に自由曲面を採
用して、メインパワー面での偏心収差の発生を少なくし
ている。メインパワー面で補正しきれなかった偏心収差
は、メインパワー面に近い全反射面(透過面B)6を自
由曲面化して収差がキヤンセルするような面形状にして
補正している。これだけでもある程度の収差補正は可能
であるが、更に全体収差をバランスさせる為に表示手段
(反射型LCD)3近傍の入射面14を自由曲面化して
全体収差のバランスを良好にとっている。全反射面(透
過面B)6においては、光が臨界角以上の角度で入射し
た時は全反射し、臨界角以下の角度で入射した時は射出
するように全反射面条件(臨界角条件)を設定している
ため、原理的に光量ロスが全くなく明るい表示光学系を
可能としている。
The free-form surface prism included in the display system of the present invention (common to the first to fifth embodiments) employs a free-form surface for the concave mirror 13 having the main power (positive refractive power) of the free-form surface prism. The occurrence of eccentric aberration on the surface is reduced. The eccentric aberration that cannot be completely corrected by the main power surface is corrected by making the total reflection surface (transmission surface B) 6 close to the main power surface into a free-form surface so that the aberration is canceled. This alone can correct the aberration to some extent, but in order to further balance the overall aberration, the entrance surface 14 near the display means (reflection type LCD) 3 is formed into a free-form surface to achieve a good balance of the overall aberration. The total reflection surface (transmission surface B) 6 is designed such that the light is totally reflected when the light is incident at an angle greater than the critical angle, and is emitted when the light is incident at an angle less than the critical angle. ) Enables a bright display optical system with no light amount loss in principle.

【0027】図3、図4は本発明の実施例3,4の光路
断面図である。反射型LCD3と自由曲面プリズム2の
間に、該光学面5を含む照明系プリズム10と照明系補
正プリズム11を接合し配置している。照明プリズム1
0と照明系補正プリズム11は表示光学系でのローカル
母線・ローカル子線断面上でのパワーがほとんどない照
明系接合プリズム12を構成している。こうすると表示
系(3,10,11,2)での照明系接合プリズム12
による収差発生がほとんどないため表示系の光学性能を
良好にできる。光路としては、平面照明光源4からの光
が照明系プリズム10に入射し、光学面5(ハーフミラ
ー)で反射された主光線が反射型LCD3にほぼ垂直入
射反射し、照明系プリズム10に再入射、5の光学面5
(ハーフミラー)を今度は透過し、照明系補正プリズム
11を通過、自由曲面プリズム2の入射面14に入射し
て、面6で全反射し、反射面13そして透過面6を介し
て眼球Eに導かれる。この実施例では不図示の1枚偏光
板タイプの反射型LCDを用いている。2枚の偏光板を
用いたときは実施例1,2と同じように、平面照明光源
4の直後と自由曲面プリズム2の入射面14の直前に前
述したような偏光方向の角度で配置する。なお実施例3
の照明系プリズム10の面15と照明系補正プリズム1
1の面16の両面は平面で、双方の接合した光学面5は
シリンドリカル面としている。シリンドリカル面にする
と子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがない
ため、照明系接合プリズム12の厚さを薄くできる。実
施例4では照明系プリズム10の面15と照明系補正プ
リズム11の面16の両面は曲面として、自由曲面プリ
ズム2で発生する収差をキャンセルさせている。双方の
接合した光学面5は回転対称非球面で、ローカル子線断
面上で正のパワーを持たせることにより、平面照明光源
4のローカル子線断面方向で大きさを小さくしている。
FIGS. 3 and 4 are sectional views of the optical paths of the third and fourth embodiments of the present invention. An illumination system prism 10 including the optical surface 5 and an illumination system correction prism 11 are joined and arranged between the reflective LCD 3 and the free-form surface prism 2. Illumination prism 1
0 and the illumination system correction prism 11 constitute an illumination system cemented prism 12 having almost no power on the local meridional line / local sagittal section in the display optical system. In this case, the illumination system junction prism 12 in the display system (3, 10, 11, 12)
The optical performance of the display system can be improved because there is almost no occurrence of aberrations. As the optical path, the light from the planar illumination light source 4 enters the illumination system prism 10, and the principal ray reflected by the optical surface 5 (half mirror) is substantially perpendicularly incident and reflected on the reflection type LCD 3, and re-enters the illumination system prism 10. Incident, 5 optical surfaces 5
(Half mirror), passes through the illumination system correction prism 11, enters the entrance surface 14 of the free-form surface prism 2, is totally reflected by the surface 6, and passes through the reflection surface 13 and the transmission surface 6 to form an eyeball E. It is led to. In this embodiment, a reflection type LCD of a single polarizing plate type (not shown) is used. When two polarizing plates are used, as in the first and second embodiments, they are arranged immediately after the plane illumination light source 4 and immediately before the incident surface 14 of the free-form surface prism 2 at the angle of the polarization direction as described above. Example 3
Surface 15 of illumination system prism 10 and illumination system correction prism 1
Both surfaces of the first surface 16 are flat surfaces, and the joined optical surfaces 5 are cylindrical surfaces. Since the cylindrical surface has no power in the sagittal section or local sagittal section direction, the thickness of the illumination system junction prism 12 can be reduced. In the fourth embodiment, both the surface 15 of the illumination system prism 10 and the surface 16 of the illumination system correction prism 11 are curved surfaces to cancel aberrations generated by the free-form surface prism 2. The two joined optical surfaces 5 are rotationally symmetric aspherical surfaces, and have a positive power on the local sagittal section, thereby reducing the size of the planar illumination light source 4 in the local sagittal section direction.

【0028】図5は本発明の実施例5の光路断面図であ
る。
FIG. 5 is an optical path sectional view of Embodiment 5 of the present invention.

【0029】図5は、反射型LCD3と自由曲面プリズ
ム2の間に、該光学面5を含む照明系プリズム10だけ
を挿入したものである。光路は平面照明光源4からの光
が照明系プリズム10に入射し、光学面5(ハーフミラ
ー)で反射され、主光線が反射型LCD3にほぼ垂直入
射反射し、照明系プリズム10に再入射、光学面5(ハ
ーフミラー)を今度は透過し、自由曲面プリズム2の入
射面に入射して、面6で全反射し、反射面13そして透
過面6を介して眼球Eに導かれる。この実施例では不図
示の1枚の偏光板タイプの反射型LCD3を用いてい
る。2枚の偏光板を用いたときは実施例1,2と同じよ
うに、平面照明光源4の直後と自由曲面プリズム2の入
射面14の直前に前述したような偏光方向の角度で配置
する。この実施例では、実施例3,4の照明系補正プリ
ズム11を必要としないため、自由曲面プリズム2と反
射液晶3との間隔を短くできコンパクト化ができる。光
学面5には子線断面上でパワーを持たないシリンドリカ
ル面を使って、ローカル子線断面上での収差発生を抑制
している。
FIG. 5 shows that only the illumination system prism 10 including the optical surface 5 is inserted between the reflection type LCD 3 and the free-form surface prism 2. In the optical path, light from the planar illumination light source 4 enters the illumination system prism 10, is reflected by the optical surface 5 (half mirror), and the principal ray is almost perpendicularly incident and reflected on the reflection type LCD 3, and re-enters the illumination system prism 10. This time, the light passes through the optical surface 5 (half mirror), enters the entrance surface of the free-form surface prism 2, is totally reflected by the surface 6, and is guided to the eyeball E via the reflection surface 13 and the transmission surface 6. In this embodiment, one polarizing plate type reflection type LCD 3 (not shown) is used. When two polarizing plates are used, as in the first and second embodiments, they are arranged immediately after the plane illumination light source 4 and immediately before the incident surface 14 of the free-form surface prism 2 at the angle of the polarization direction as described above. In this embodiment, since the illumination system correction prism 11 of the third and fourth embodiments is not required, the distance between the free-form surface prism 2 and the reflection liquid crystal 3 can be shortened, and the size can be reduced. As the optical surface 5, a cylindrical surface having no power on the sagittal section is used to suppress the occurrence of aberration on the local sagittal section.

【0030】本発明の画像表示装置では該照明光学系と
該表示光学系は互いに共有する透過兼反射の両作用を有
する1つの光学面Aのみ存在し、該照明手段から発せら
れ該表示手段の画像中心と該瞳中心を通る基準光線が、
該照明手段より該光学面Aに入射するときの、入射基準
光線と反射するときの反射基準光線とのなす角度をα
(度)としたとき 20°<α<80° ・・・(1) を満足するようにしている。
In the image display apparatus of the present invention, the illumination optical system and the display optical system have only one optical surface A having both transmission and reflection functions, which are shared by the illumination optical system and the display optical system. The reference ray passing through the image center and the pupil center is
The angle between the incident reference light beam and the reflected reference light beam when reflected from the illumination means when the light is incident on the optical surface A is α.
(Degree) 20 ° <α <80 ° (1) is satisfied.

【0031】本発明では照明光学系と表示光学系で共有
する透過兼反射の両作用を有する光学面A(ハーフミラ
ー)は1面のみとして、照明光源から反射型液晶への光
量ロスを少なくし、条件式(1)により画質のコントラ
ストを良くし、かつコンパクトな照明光学系を達成して
いる。条件式(1)の下限値を下回ると、液晶からの射
出光がほぼ垂直のため、液晶と照明光源がぶつかってし
まい、光学系の構成が難しくなる。又、上限値を超える
と、照明光学系が眼球側に出っ張り厚くなってしまう。
表示光学系に関しては、反射型液晶からの光はハーフミ
ラーである光学面5を透過して、複数の偏心曲率反射面
により光線を折り畳むことにより、表示光学系を薄くし
ている。尚、更に好ましくは条件式(1)の数値範囲を 40<α<70 ・・・(1a) を満足させることが望ましい。下限値以内では液晶と照
明光源がぶつからない十分なスペースが確保できるよう
になり、又上限値内では照明光学系の厚さをさらに薄く
することができる。
In the present invention, only one optical surface A (half mirror) having both functions of transmission and reflection shared by the illumination optical system and the display optical system is used, and the loss of light quantity from the illumination light source to the reflective liquid crystal is reduced. According to the conditional expression (1), the contrast of image quality is improved, and a compact illumination optical system is achieved. If the lower limit of conditional expression (1) is not reached, the emitted light from the liquid crystal is almost vertical, so that the liquid crystal collides with the illumination light source, making the configuration of the optical system difficult. If the upper limit is exceeded, the illumination optical system protrudes toward the eyeball and becomes thick.
As for the display optical system, the light from the reflection type liquid crystal passes through the optical surface 5 which is a half mirror, and the light beam is folded by a plurality of eccentric curvature reflection surfaces, thereby making the display optical system thin. It is more preferable that the numerical range of the conditional expression (1) satisfy the following condition: 40 <α <70 (1a). Within the lower limit, a sufficient space where the liquid crystal does not collide with the illumination light source can be secured, and within the upper limit, the thickness of the illumination optical system can be further reduced.

【0032】また該表示光学系中の光学面5を含む光学
部材(第1の光学部材)と、光学的屈折力を有した別の
光学部材(第2の光学部材)の間を空気とし、この間に
偏光板を挿入可能とした。現在の反射型液晶の使い方
は、照明光学系中に1枚の偏光板、表示光学系中に他の
偏光板を入れて使用することが多い。ただし表示光学系
で、反射液晶から表示光学系中の偏光板までの間は、光
学的に平行二コルの関係になるため、この間に複屈折性
の強い材料を入れると、材料の光弾性が目で観察されて
しまい好ましくない。また複屈折性の弱い材料でも材料
の光路長が長いとやはり材料の光弾性が目で観察されて
しまう。そこで上記のような位置に表示光学系用の偏光
板を置くと、光学面5を含む光学部材だけの光路長なの
で短いため、複屈折性のないガラスまたは複屈折性の弱
いモールド材料でも使用できる。また光学的屈折力を有
した別の光学部材のほうは、平行二コルに関与したた
め、どんな材料でも使用可能となる。
Further, air is provided between an optical member (first optical member) including the optical surface 5 in the display optical system and another optical member (second optical member) having optical refracting power, During this time, a polarizing plate can be inserted. The current usage of reflection type liquid crystal is often to use one polarizing plate in an illumination optical system and another polarizing plate in a display optical system. However, in the display optical system, the distance between the reflective liquid crystal and the polarizing plate in the display optical system has an optically parallel two-cold relationship. It is not preferable because it is visually observed. Further, even if the material has a weak birefringence, if the optical path length of the material is long, the photoelasticity of the material is still visually observed. Therefore, when a polarizing plate for a display optical system is placed at the position as described above, since the optical path length of only the optical member including the optical surface 5 is short, glass having no birefringence or a mold material having low birefringence can be used. . Another optical member having an optical refractive power can be used with any material because it has been involved in the parallel nicols.

【0033】尚、本発明の画像表示装置において、更に
装置全体の小型化を図りつつ画像情報を良好に観察する
には次の条件のうちの1つ以上を満足させるのが良い。
In the image display apparatus of the present invention, it is preferable to satisfy one or more of the following conditions in order to observe image information favorably while further reducing the size of the entire apparatus.

【0034】(ア−1)照明光学系中の該光学面5は、
ローカル母線断面上で正の屈折力を有した曲率反射面と
することである。こうすることにより、照明光源を正の
屈折力の曲率反射面で拡大して反射型液晶を照明できる
ため、小さな照明光源で対応でき、照明光学系自体をコ
ンパクト化できる。
(A-1) The optical surface 5 in the illumination optical system is
The curvature reflecting surface has a positive refractive power on the local meridional section. In this way, the illumination light source can be enlarged by the curvature reflection surface having a positive refractive power to illuminate the reflective liquid crystal. Therefore, a small illumination light source can be used, and the illumination optical system itself can be made compact.

【0035】(ア−2)照明光源と眼球(瞳位置)はほ
ぼ結像関係(ケイラー照明)にすることが望ましい。こ
うすると光利用効率がもっとも良くなる。
(A-2) It is desirable that the illumination light source and the eyeball (pupil position) have a substantially image-forming relationship (Keiler illumination). In this case, the light use efficiency becomes the best.

【0036】(ア−3)照明光源は、赤色、緑色、青色
等の多色光を時分割で放射するRGB時分割光源であ
り、該表示手段はRGB時分割光源のRGB色光の発光
に合わせてRGBの画像を時分表示することである。一
般的にカラーフィルター方式におけるカラー表示の際
は、3色RGBのカラーフィルターを液晶の前に付ける
ため、総画素数の1/3画素分が実際のカラー表示画素
数となる。しかし上記のような時分割表示の反射型液晶
と3種類色のLED(RGB)の組み合わせの方式で
は、総画素数がカラーフィルター方式での液晶の1/3
ですむ。このため、同カラー表示画素数なら液晶のサイ
ズが小さくなり、それに合わせて照明光学系・表示光学
系共に小さくすることできる。
(A-3) The illumination light source is an RGB time-division light source which emits polychromatic light such as red, green and blue in a time-division manner, and the display means is adapted to emit RGB color light of the RGB time-division light source. This is to display RGB images in hours and minutes. In general, in color display in the color filter system, since a three-color RGB color filter is provided in front of the liquid crystal, one-third of the total number of pixels is the actual number of color display pixels. However, in the above-described system of the combination of the reflection type liquid crystal of the time division display and the LED of three colors (RGB), the total number of pixels is 1 / of that of the liquid crystal in the color filter system.
No problem. For this reason, if the number of color display pixels is the same, the size of the liquid crystal becomes smaller, and accordingly, both the illumination optical system and the display optical system can be made smaller.

【0037】(ア−4)照明光源から発せられた該基準
光線の該反射型の表示手段への入射角度β(度)は −10<β<10 ・・・(2) とするのが良い。
(A-4) The incident angle β (degree) of the reference light beam emitted from the illumination light source to the reflective display means is preferably −10 <β <10 (2) .

【0038】この範囲外だと液晶画像のコントラストが
落ち、良い画質が得られにくい。またさらに、好ましく
は条件式(2)の数値範囲を下記の範囲内だと、 −5<β<5 ・・・(2a) とするのが良い。これによればほとんどコントラスト落
ちのない、1ランク上の良質な画質が得られる。
Outside this range, the contrast of the liquid crystal image is reduced, and it is difficult to obtain good image quality. Still more preferably, when the numerical range of conditional expression (2) is within the following range, it is better to satisfy the following condition: -5 <β <5 (2a). According to this, a high-quality image of one rank with almost no contrast drop can be obtained.

【0039】(ア−5)該表示光学系のローカル母線断
面内の焦点距離をlocal_fy、該照明光学系中の該光学
面5のみのローカル母線断面内の焦点距離を local_fyA
とした時、 0.1<local_fyA/local_fy<0.6 ・・・(3) を満たすことである。ここで表示光学系とは、表示手段
である反射型液晶から眼球直前の面までである。また照
明光学系は、照明光源から表示手段(反射型液晶)直前
の面までである。なおローカル母線断面焦点距離の説明
は、実施例の項目に記す。この条件式(3)の下限値を
超えた時は照明光学系中の光学面5のパワーが強くな
り、凹面鏡の光学面5の窪みが深くなる形状となるた
め、基準光線上での液晶面と光学面Aとの間隔を長く取
らなければならず、この方向に装置が大型化する。又上
限値を超えた場合は光学面Aのパワーが弱くなるため、
比較的大きな照明光源が必要になり、やはり大型化す
る。また上限値については、下記の条件式を満たすと、 0.1 <local_fyA/local_fy<0.45 ・・・(3a) さらに小さな照明光源を使用でき、さらに小型化でき
る。
(A-5) The focal length in the local meridional section of the display optical system is local_fy, and the focal length in the local meridional section of only the optical surface 5 in the illumination optical system is local_fyA.
0.1 <local_fyA / local_fy <0.6 (3) Here, the display optical system is from the reflective liquid crystal as the display means to the surface immediately before the eyeball. The illumination optical system extends from the illumination light source to the surface immediately before the display means (reflection type liquid crystal). The description of the local meridional section focal length will be described in the item of the embodiment. When the lower limit value of the conditional expression (3) is exceeded, the power of the optical surface 5 in the illumination optical system becomes strong, and the concave portion of the optical surface 5 of the concave mirror becomes deeper. The distance between the optical surface A and the optical surface A must be long, and the size of the apparatus in this direction increases. If the value exceeds the upper limit, the power of the optical surface A becomes weak.
A relatively large illumination light source is required, which also increases the size. As for the upper limit, if the following conditional expression is satisfied, 0.1 <local_fyA / local_fy <0.45 (3a) A smaller illumination light source can be used, and the size can be further reduced.

【0040】(ア−6)偏心した曲率反射面を有する光
学系では、画面内で回転非対称な偏心収差が発生する。
そこで本発明の表示光学系においてアジムス角度により
屈折力が異なる面を2面以上含み、表示光学系全体とし
て正の屈折力を有することが良い。このアジムス角度に
より屈折力が異なる面(自由曲面)を採用することによ
り、回転非対称な偏心収差の補正を可能とし、自由曲面
を2面以上使うことにより、表示光学系のローカル母線
断面上とローカル子線断面上の正の屈折力の全系の焦点
距離をほぼ等しくすることができ、液晶のアスペクト比
と同じ比率で拡大投影が可能となる。
(A-6) In an optical system having an eccentric curvature reflecting surface, rotationally asymmetric eccentric aberration occurs in a screen.
Therefore, the display optical system of the present invention preferably includes two or more surfaces having different refractive powers depending on the azimuth angle, and the display optical system as a whole preferably has a positive refractive power. By adopting a surface (free-form surface) having a different refractive power depending on the azimuth angle, it is possible to correct rotationally asymmetric eccentric aberration. By using two or more free-form surfaces, it is possible to correct the local optical axis of the display optical system. The focal length of the entire system having a positive refractive power on the sagittal section can be made substantially equal, and enlarged projection can be performed at the same ratio as the aspect ratio of the liquid crystal.

【0041】(ア−7)該表示手段のローカル母線断面
上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺
画像と眼球中心とを通る光線をF3眼球中心光線とし、
該F3眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル
母線断面内の焦点距離をlocal_fy(F3)、眼球にもっ
とも近い屈折力を有した透過面Bにおいて、該F3眼球
中心光線がヒットするポイント上でのローカル母線断面
内の焦点距離をlocal_fyB(F3)とした時、 −0.6<local_fy(F3)/local_fyB(F3)<−0.1 …(4) を満足することである。下限値を超えると、F3眼球中
心光線と透過面Bとのヒットポイント上での負のパワー
が強くなり過ぎて、透過面Bの面形状が眼球側に大きく
湾曲するため、表示光学系が厚くなる。上限値を超える
とは逆に、ヒットポイント上での負のパワーが弱くな
る。F3眼球中心光線上の各面のパワー配置は、この透
過面Bのこのヒットポイント上での負のパワーを強くし
て、レトロタイプのパワー配置にしている。このパワー
配置により、F3眼球中心光線上で液晶をできるだけ遠
くにして、照明光学系の光学面Aを配置可能としてい
る。従って上限値以上では、このポイントでの負パワー
が足りず、照明光学系の光学面Aを挿入するスペースが
なくなる。また上限値については、下記の値を満足させ
ると更に好ましい。 −0.6<local_fy(F3)/local_fyB(F3)<−0.25…(4a) これによれば照明光学系の光学面5を挿入するスペース
が十分確保できるようになる。
(A-7) Of the most peripheral images on the local meridional section of the display means, a ray passing through the most peripheral image farther from the eyeball and the center of the eyeball is defined as an F3 eyeball center ray,
The focal length of the display optical system in the system local generatrix section on the F3 eyeball center ray is local_fy (F3), and the F3 eyeball center ray hits on the transmission surface B having the closest refractive power to the eyeball. Assuming that the focal length in the local meridional section on the point is local_fyB (F3), -0.6 <local_fy (F3) / local_fyB (F3) <-0.1 (4) is satisfied. If the lower limit is exceeded, the negative power on the hit point between the F3 eyeball center ray and the transmission surface B becomes too strong, and the surface shape of the transmission surface B is greatly curved toward the eyeball, so that the display optical system is thick. Become. Conversely, exceeding the upper limit weakens the negative power on the hit point. The power arrangement of each surface on the central ray of the F3 eyeball is such that the negative power of the transmission surface B on the hit point is increased, and a retro-type power arrangement is adopted. With this power arrangement, the liquid crystal is made as far as possible on the central ray of the F3 eyeball, and the optical surface A of the illumination optical system can be arranged. Therefore, above the upper limit, the negative power at this point is insufficient, and there is no space for inserting the optical surface A of the illumination optical system. It is more preferable that the upper limit value satisfies the following value. −0.6 <local_fy (F3) / local_fyB (F3) <− 0.25 (4a) According to this, a sufficient space for inserting the optical surface 5 of the illumination optical system can be secured.

【0042】つぎに本発明の各実施例で使っているロー
カル近軸について説明する。図1〜図5は各々本発明の
後述する数値実施例1〜5の要部断面図(ローカル母線
断面図 、添え字がy)であり、第1面(眼球7)の面
頂点座標系を図1に示した。本発明では各面の面頂点を
y軸方向でのシフト偏心、x軸回りのチルト偏心しかさせ
ていないため、従来の母線断面とローカル母線断面は同
一断面であるが、各面の従来の子線断面とローカル子線
断面は異なる。なお前述した従来の母線断面、子線断面
は従来近軸(general-paraxial axis)の定義であり、ロ
ーカル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べるロ
ーカル近軸(local-paraxial axis)での定義である。さ
らにローカル近軸では偏心系に対応したローカル曲率半
径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカル屈折
力の定義も以下に説明する。
Next, the local paraxial axis used in each embodiment of the present invention will be described. 1 to 5 are cross-sectional views of main parts (local bus cross-sectional view, suffix y) of Numerical Examples 1 to 5 to be described later of the present invention, and show the surface vertex coordinate system of the first surface (eyeball 7). As shown in FIG. In the present invention, the surface vertex of each surface is
Since only shift eccentricity in the y-axis direction and tilt eccentricity around the x-axis are performed, the conventional generatrix section and local generatrix section are the same, but the conventional sagittal section and local sagittal section of each surface are different. . The conventional bus section and sagittal section described above are the definitions of the conventional paraxial (general-paraxial axis), and the local bus section and local sagittal section are the definitions of the local paraxial (local-paraxial axis) to be described later. is there. In the local paraxial direction, definitions of a local radius of curvature, a local surface distance, a local focal length, and a local refractive power corresponding to an eccentric system will be described below.

【0043】本発明では、照明光源手段4から発せられ
表示手段3の画像中心3aと瞳1の中心1aを通る光線
を基準光線Laとし、従来の各面の面頂点基準の曲率半
径・面間隔・焦点距離・屈折力でなく、基準光線の各面
でのヒットポイント点(入射点)を基準としたローカル
曲率半径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカ
ル屈折力を用いている。
In the present invention, a light ray emitted from the illumination light source means 4 and passing through the image center 3a of the display means 3 and the center 1a of the pupil 1 is defined as a reference light ray La, and a conventional radius of curvature / surface interval based on the surface vertex of each surface is used. Not the focal length and the refractive power, but the local curvature radius based on the hit point (incident point) on each surface of the reference light beam, the local surface distance, the local focal length, and the local refractive power are used.

【0044】ここでローカル曲率半径は光学面のヒット
ポイント点上でのローカルな曲率半径(ローカル母線断
面上の曲率半径、ローカル子線断面上の曲率半径)をい
う。又ローカル面間隔は現在の面と次の面との、2つの
ヒットポイント間の距離(基準光線上の距離、空気換算
なしの値)の値をいう。又ローカル焦点距離はローカル
曲率半径・面の前後の屈折率・ローカル面間隔より、従
来の焦点距離計算方法(近軸追跡)で計算した値であ
る。ローカル屈折力はローカル焦点距離の逆数の値であ
る。
Here, the local radius of curvature refers to a local radius of curvature on the hit point point of the optical surface (the radius of curvature on the local meridional section and the radius of curvature on the local sagittal section). The local plane interval refers to the value of the distance between the two hit points between the current plane and the next plane (the distance on the reference ray, a value without air conversion). The local focal length is a value calculated by a conventional focal length calculation method (paraxial tracking) from the local radius of curvature, the refractive index before and after the surface, and the local surface interval. The local refractive power is a reciprocal value of the local focal length.

【0045】なお本発明の各実施例では従来の曲率半径
・面間隔・偏心量・屈折率・アッべ数と、ローカル曲率
半径・面の屈折率・ローカル面間隔・ローカル焦点距離
を示している。
In each embodiment of the present invention, the conventional radius of curvature, surface spacing, eccentricity, refractive index, Abbe number and local radius of curvature, surface refractive index, local surface spacing, local focal length are shown. .

【0046】本発明では5つの実施例をあげた。実施例
1〜5の数値データを表1〜表5に示し、光路断面図を
図1〜5に示した。表1〜表5の従来近軸では(genera
l-paraxial axis)、母線断面曲率半径ry・子線断面
曲率半径rx・面間隔d(第1面の面頂点座標系と平
行)・偏心量(母線断面上において、第1面の面頂点座
標系に対する各面の面頂点の平行偏心量をshift、傾き
偏心量をtilt度)・d線の屈折率nd、アッべ数vd
を示し、FFSは自由曲面、YTOは母線断面のみ屈折
力をもつシリンドリカル面、ALは非球面を表してい
る。またMがついたものは反射面であり、d線の屈折率
ndは逆符号とした。なお表1〜表5は瞳面1(眼球)
から液晶および照明光源への逆トレースの数値データで
ある。符号は主光線が左から右方へ進むときを正、その
逆を負としている。
In the present invention, five embodiments have been described. Numerical data of Examples 1 to 5 are shown in Tables 1 to 5, and optical path sectional views are shown in FIGS. In the conventional paraxial of Tables 1 to 5, (genera
l-paraxial axis), meridional section curvature radius ry, sagittal section curvature radius rx, surface spacing d (parallel to the surface vertex coordinate system of the first surface), eccentricity (surface vertex coordinates of the first surface on the meridional cross section) Shift parallel eccentricity of surface vertices of each surface with respect to the system, tilt eccentricity is tilt degrees) d-line refractive index nd, Abbe number vd
Where FFS is a free-form surface, YTO is a cylindrical surface having a refractive power only in the cross section of the generatrix, and AL is an aspherical surface. Further, the one with M is a reflection surface, and the refractive index nd of the d-line has the opposite sign. Tables 1 to 5 show pupil plane 1 (eyeball).
Is the numerical data of the reverse trace from the to the liquid crystal and the illumination light source. The sign is positive when the chief ray travels from left to right, and negative when the principal ray travels from left to right.

【0047】FFS(自由曲面)の定義式を以下に示
す。(各面の面頂点座標系で) z=1/2*(1/a+1/b)*(y2*cos(c)2+x2)/cos(c)/(1+1/2*(1/a
-1/b)*y*sin(c)+(1+(1/a-1/b)*y*sin(c)- (1/a/b+1/4*tan(c)2*(1/a+1/b)2)*x2)(1/2)) +c20*x2+c11*x*y+c02*y2 +c30*x3+c21* +c03*y3 +c40*x4+c31*x3*y+c22*x2*y2+c13*x*y3+c04*y4 +c50*x5+c41*x4*y+c32*x3*y2+c23*x2*y3+c14*x*y4+c05*
y5 +c60*x6+c51*x5*y+c42*x4*y2+c33*x3*y3+c24*x2*y4+c15
*x*y5+c06*y6 各a、b、c、c20、c11、c02…・は各々自由曲面係数で
ある。(注意:本自由曲面の場合、自由曲面係数の中に
近軸に関与する係数があるため、従来近軸の母線断面曲
率半径ry・子線断面曲率半径rxの値が面頂点上での
実際の母線断面曲率半径ry・子線断面曲率半径rxと
一致しない。そこでポイント(0,0)つまり面頂点上での
実際の母線断面曲率半径ry・子線断面曲率半径rxも
示した。)YTOの定義式は母線断面が下記の非球面式
で(各面の面頂点座標系で)
The definition formula of FFS (free-form surface) is shown below. (In the surface vertex coordinate system of each surface) z = 1/2 * (1 / a + 1 / b) * (y 2 * cos (c) 2 + x 2 ) / cos (c) / (1 + 1 / 2 * (1 / a
-1 / b) * y * sin (c) + (1+ (1 / a-1 / b) * y * sin (c)-(1 / a / b + 1/4 * tan (c) 2 * (1 / a + 1 / b) 2 ) * x 2 ) (1/2) ) + c20 * x 2 + c11 * x * y + c02 * y 2 + c30 * x 3 + c21 * + c03 * y 3 + c40 * x 4 + c31 * x 3 * y + c22 * x 2 * y 2 + c13 * x * y 3 + c04 * y 4 + c50 * x 5 + c41 * x 4 * y + c32 * x 3 * y 2 + c23 * x 2 * y 3 + c14 * x * y 4 + c05 *
y 5 + c60 * x 6 + c51 * x 5 * y + c42 * x 4 * y 2 + c33 * x 3 * y 3 + c24 * x 2 * y 4 + c15
* x * y 5 + c06 * y 6 Each of a, b, c, c20, c11, c02... is a free-form surface coefficient. (Note: In the case of this free-form surface, the coefficients of the free-form surface are related to the paraxial axis. Does not coincide with the radius of curvature of the cross section of the main line ry and the radius of the cross section of the sagittal line rx. Is defined by the following aspherical formula with the generatrix section (in the surface vertex coordinate system of each surface)

【0048】[0048]

【数1】 (Equation 1)

【0049】子線断面は平面(rx=∞)である。The sagittal section is a plane (rx = ∞).

【0050】ALの定義式は回転対称非球面で(各面の面
頂点座標系で)
The definition formula of AL is a rotationally symmetric aspherical surface (in the surface vertex coordinate system of each surface).

【0051】[0051]

【数2】 (Equation 2)

【0052】h2 = x2 + y2 , r = rx = ry である。H 2 = x 2 + y 2 , r = rx = ry.

【0053】またローカル近軸(local-paraxial axis)
ではローカル曲率半径local-ry,local-rx・ローカル面
間隔local-d(反射面は逆符号)・ローカル焦点距離loc
al-fy,local-fx ・面の屈折率nd(反射面は逆符号)
を示している。また各面でのヒットポイント座標(面頂
点を0,0)と表示光学系全系ローカル焦点距離・画角と
照明光学系光学面Aのローカル焦点距離も示した。
Also, a local-paraxial axis
Then, local radius of curvature local-ry, local-rx, local surface distance local-d (reflection surface has opposite sign), local focal length loc
al-fy, local-fx ・ Refractive index nd of surface (reflection surface has opposite sign)
Is shown. Also, the hit point coordinates (the surface vertex is 0,0) on each surface, the local focal length and angle of view of the entire display optical system, and the local focal length of the illumination optical system optical surface A are shown.

【0054】さらに表1〜表5のローカル近軸(local-p
araxial axis)の次に、基準光線と各面のヒットポイン
トでなく、LCDのローカル母線断面上での、LCD最
周辺画像F3(下側、眼球より遠い方側、FOV:Wy=-10.
59deg Wx=0deg)と眼球中心を通る光線と各面とのヒッ
トポイント上での、ローカル曲率半径local-ry,local-r
x・ローカル面間隔local-d(反射面は逆符号)・ローカ
ル焦点距離local-fy,local-fx ・面の屈折率nd(反射
面は逆符号)・各面でのヒットポイント座標(面頂点を
0,0)・表示光学系全系ローカル焦点距離も local para
xial ray <FOV:Wy=-10.59deg Wx=0deg> として最後に
追加した。この時の数値データおよび計算値は、ローカ
ル近軸の基準光線を、LCD最周辺画像F3(下側)と
眼球中心を通る光線に置き換えて計算した。
Furthermore, the local paraxial (local-p
Next to the reference ray and the hit points on each surface, the LCD outermost peripheral image F3 (lower side, farther from the eyeball, FOV: Wy = -10.
59deg Wx = 0deg) and the local curvature radius local-ry, local-r on the hit point between each ray and the ray passing through the center of the eyeball
x-Local surface spacing local-d (reflection surface has opposite sign)-Local focal length local-fy, local-fx-Refractive index nd (reflection surface has opposite sign)-Hit point coordinates on each surface (surface vertex) To
0,0) ・ Display optical system whole system local focal length is also local para
Added xial ray <FOV: Wy = -10.59deg Wx = 0deg> at the end. Numerical data and calculated values at this time were calculated by replacing the local paraxial reference light beam with a light beam passing through the LCD outermost peripheral image F3 (lower side) and the center of the eyeball.

【0055】[0055]

【表1】 [Table 1]

【0056】[0056]

【表2】 [Table 2]

【0057】[0057]

【表3】 [Table 3]

【0058】[0058]

【表4】 [Table 4]

【0059】[0059]

【表5】 [Table 5]

【0060】[0060]

【表6】 [Table 6]

【0061】[0061]

【表7】 [Table 7]

【0062】[0062]

【表8】 [Table 8]

【0063】[0063]

【表9】 [Table 9]

【0064】[0064]

【表10】 [Table 10]

【0065】[0065]

【表11】 [Table 11]

【0066】[0066]

【表12】 [Table 12]

【0067】[0067]

【表13】 [Table 13]

【0068】[0068]

【表14】 [Table 14]

【0069】[0069]

【表15】 [Table 15]

【0070】[0070]

【表16】 [Table 16]

【0071】[0071]

【表17】 [Table 17]

【0072】[0072]

【表18】 [Table 18]

【0073】図6は本発明の各実施形態の画像表示装置
Sを観察者SAの左右眼用に一対設けるように構成する
ことにより、両眼式のヘッドマヘッドマウントディスプ
レイを構成したときの説明図である。
FIG. 6 is an explanatory view showing a case where a pair of image display devices S of the respective embodiments of the present invention are provided for the left and right eyes of the observer SA to form a binocular head-and-head mount display. It is.

【0074】本発明において例えば表示素子に表示する
画像として両眼視差を用いれば立体視が可能な画像観察
システムを構築することができる。
In the present invention, for example, if binocular parallax is used as an image displayed on the display device, an image observation system capable of stereoscopic viewing can be constructed.

【0075】尚、必ずしも両眼でなく、左右どちらかの
眼用に1ユニットのみ設けた単眼式HMDとしても良い
ことは勿論である。
It is needless to say that a monocular HMD in which only one unit is provided for either the left or right eye, not necessarily for both eyes, may be used.

【0076】[0076]

【発明の効果】本発明によれば以上のように液晶ディス
プレイ等の表示手段に表示した画像情報を観察する際、
光源手段から表示手段に至る照明光学系及び表示手段か
らの光束を観察者の眼球に導光するための表示光学系の
構成を適切に設定することによって、装置全体の小型化
を図りつつ光量のロスを減らし、該画像情報を良好なる
画質で観察することができる画像観察装置及びそれを用
いたヘッドマヘッドマウントディスプレイを達成するこ
とができる。
According to the present invention, when observing image information displayed on display means such as a liquid crystal display as described above,
By appropriately setting the configuration of the illumination optical system from the light source means to the display means and the display optical system for guiding the luminous flux from the display means to the eyeball of the observer, the amount of light can be reduced while reducing the size of the entire apparatus. An image observation device capable of reducing loss and observing the image information with good image quality and a head-to-head mounted display using the same can be achieved.

【0077】特に本発明によれば照明光源からの光量ロ
スが少なく、十分なコントラストを持った画質を提供
し、コンパクトな照明光学系と表示光学系が成り立つ反
射型LCDを使ったHMDを達成することができる。
In particular, according to the present invention, there is little loss of light amount from the illumination light source, an image with sufficient contrast is provided, and an HMD using a reflective LCD in which a compact illumination optical system and a display optical system are realized is achieved. be able to.

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

【図1】本発明の実施形態1の要部断面図FIG. 1 is a sectional view of a main part according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態2の要部断面図FIG. 2 is a sectional view of a main part according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施形態3の要部断面図FIG. 3 is a sectional view of a main part of a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施形態4の要部断面図FIG. 4 is a sectional view of a main part of a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施形態5の要部断面図FIG. 5 is a sectional view of a main part according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の画像表示装置をHMDに適用したとき
の要部概略図
FIG. 6 is a schematic diagram of a main part when the image display device of the present invention is applied to an HMD.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 眼球(瞳) 2 自由曲面プリズム 3 反射型LCD(図はLCDの保護板を示しており、
液晶面はピント面に存在する。) 4 照明光源(平面光源) 5 光学面A 6 透過面B(自由曲面プリズムの全反射面) 7 ブーメラン型レンズ 8 偏光板1 9 偏光板2 10 照明系プリズム 11 照明系補正プリズム 12 照明系接合プリズム 13 自由曲面プリズムの凹面鏡 14 自由曲面プリズムの入射面 15 照明系接合プリズム面1 16 照明系接合プリズム面2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Eyeball (pupil) 2 Free-form surface prism 3 Reflection type LCD (The figure shows the protection plate of LCD,
The liquid crystal plane exists on the focus plane. 4) Illumination light source (plane light source) 5 Optical surface A 6 Transmission surface B (total reflection surface of free-form surface prism) 7 Boomerang type lens 8 Polarizing plate 1 9 Polarizing plate 2 10 Illumination prism 11 Illumination correction prism 12 Illumination system bonding Prism 13 Concave mirror of free-form surface prism 14 Incident surface of free-form surface prism 15 Illumination system joint prism surface 1 16 Illumination system joint prism surface 2

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成13年4月13日(2001.4.1
3)
[Submission Date] April 13, 2001 (2001.4.1
3)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】請求項1[Correction target item name] Claim 1

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】請求項4[Correction target item name] Claim 4

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0010[Correction target item name] 0010

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0010】 20(度)< α < 80(度) ・・・(1) 請求項2の発明は請求項1の発明において第1項におい
て、該照明光学系中の該光学面Aは、ローカル母線断面
(該基準光線の入射光と射出光を含む面)上で正の屈折
力を有した曲率反射面であることを特徴としている。
20 (degrees) <α <80 (degrees) (1) In the first aspect of the present invention, the optical surface A in the illumination optical system is a local light source. It is characterized in that it is a curvature reflection surface having a positive refractive power on a cross section of the generatrix (a surface including the incident light and the emitted light of the reference light).

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0012[Correction target item name] 0012

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0012】請求項4の発明は請求項1の発明において
第1項において、該照明光源手段から発せられた該基準
光線の該反射型表示手段への入射角度β(度)は −10(度)< β< 10(度) ・・・(2) であることを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, an incident angle β (degree) of the reference light beam emitted from the illumination light source means to the reflection type display means is -10 (degrees). ) <Β <10 (degrees) (2)

【手続補正5】[Procedure amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0031[Correction target item name] 0031

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0031】本発明では照明光学系と表示光学系で共有
する透過兼反射の両作用を有する光学面A(ハーフミラ
ー)は1面のみとして、照明光源から反射型液晶への光
量ロスを少なくし、条件式(1)により画質のコントラ
ストを良くし、かつコンパクトな照明光学系を達成して
いる。条件式(1)の下限値を下回ると、液晶からの射
出光がほぼ垂直のため、液晶と照明光源がぶつかってし
まい、光学系の構成が難しくなる。又、上限値を超える
と、照明光学系が眼球側に出っ張り厚くなってしまう。
表示光学系に関しては、反射型液晶からの光はハーフミ
ラーである光学面5を透過して、複数の偏心曲率反射面
により光線を折り畳むことにより、表示光学系を薄くし
ている。尚、更に好ましくは条件式(1)の数値範囲を 40(度)<α<70(度) ・・・(1a) を満足させることが望ましい。下限値以内では液晶と照
明光源がぶつからない十分なスペースが確保できるよう
になり、又上限値内では照明光学系の厚さをさらに薄く
することができる。
In the present invention, only one optical surface A (half mirror) having both functions of transmission and reflection shared by the illumination optical system and the display optical system is used, and the loss of light quantity from the illumination light source to the reflective liquid crystal is reduced. According to the conditional expression (1), the contrast of image quality is improved, and a compact illumination optical system is achieved. If the lower limit of conditional expression (1) is not reached, the emitted light from the liquid crystal is almost vertical, so that the liquid crystal collides with the illumination light source, making the configuration of the optical system difficult. If the upper limit is exceeded, the illumination optical system protrudes toward the eyeball and becomes thick.
As for the display optical system, the light from the reflection type liquid crystal passes through the optical surface 5 which is a half mirror, and the light beam is folded by a plurality of eccentric curvature reflection surfaces, thereby making the display optical system thin. It is more preferable that the numerical range of Conditional Expression (1) satisfies the following condition: 40 (degrees) <α <70 (degrees) (1a). Within the lower limit, a sufficient space where the liquid crystal does not collide with the illumination light source can be secured, and within the upper limit, the thickness of the illumination optical system can be further reduced.

【手続補正6】[Procedure amendment 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0037[Correction target item name] 0037

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0037】(ア−4)照明光源から発せられた該基準
光線の該反射型の表示手段への入射角度β(度)は −10(度)<β<10(度) ・・・(2) とするのが良い。
(A-4) The incident angle β (degree) of the reference light beam emitted from the illumination light source to the reflective display means is −10 (degree) <β <10 (degree) (2) )

【手続補正7】[Procedure amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0038[Correction target item name] 0038

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0038】この範囲外だと液晶画像のコントラストが
落ち、良い画質が得られにくい。またさらに、好ましく
は条件式(2)の数値範囲を下記の範囲内だと、 −5(度)<β<5(度) ・・・(2a) とするのが良い。これによればほとんどコントラスト落
ちのない、1ランク上の良質な画質が得られる。
Outside this range, the contrast of the liquid crystal image is reduced, and it is difficult to obtain good image quality. Still more preferably, when the numerical range of conditional expression (2) is within the following range, it is better to satisfy −5 (degree) <β <5 (degree) (2a). According to this, a high-quality image of one rank with almost no contrast drop can be obtained.

───────────────────────────────────────────────────── 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) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 1/1335 520 1/1335 520 H04N 5/64 511 H04N 5/64 511A 9/12 9/12 A Fターム(参考) 2H042 CA01 CA12 CA17 DA12 DB14 DD10 DE00 2H087 KA24 RA41 RA45 TA01 TA03 2H088 EA10 HA18 HA21 HA22 HA24 HA28 KA05 MA02 2H091 FA08X FA14Y FA15X FA17X FA21X FA26Y FA41X KA01 LA11 LA17 MA02 5C060 AA07 BA03 BA08 BB13 BC05 DB13 HC09 HC19 HD07 JB00──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 1/1335 520 1/1335 520 H04N 5/64 511 H04N 5/64 511A 9/12 9/12 A F-term (reference) 2H042 CA01 CA12 CA17 DA12 DB14 DD10 DE00 2H087 KA24 RA41 RA45 TA01 TA03 2H088 EA10 HA18 HA21 HA22 HA24 HA28 KA05 MA02 2H091 FA08X FA14Y FA15X FA17X FA21X FA26 LA11A17X FA26X BA03 BA08 BB13 BC05 DB13 HC09 HC19 HD07 JB00

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反射型の表示手段と、該表示手段を照明
する照明光源手段と、該照明光源手段からの光を該表示
手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者
の眼球に導く表示光学系を有した画像表示装置におい
て、該照明光学系と該表示光学系で共有する透過兼反射
の両作用を有する光学面Aが、1面のみ存在し、該照明
光源手段から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心
を通る基準光線は、該照明光源手段より該光学面Aに入
射し、該光学面Aでの入射基準光線と反射基準光線のな
す角度α(度)が下記の条件で反射され、該表示手段に
ほぼ垂直入射反射、該光学面Aを透過、複数の偏心曲率
反射面で反射後眼球に導かれ、かつ該表示光学系は、該
光学面Aを含む光学部材と、光学的屈折力を有した別の
光学部材が、空気間隔をあけて配置されていることを特
徴とする画像表示装置。 20 < α < 80 ・・・(1)
1. A reflection type display means, an illumination light source means for illuminating the display means, an illumination optical system for guiding light from the illumination light source means to the display means, and an observer transmitting light from the display means to an observer. In the image display apparatus having a display optical system for guiding to the eyeball, there is only one optical surface A having both transmission and reflection functions shared by the illumination optical system and the display optical system, and the illumination light source means A reference ray emitted from the display means and passing through the center of the image of the display means and the center of the eyeball enters the optical surface A from the illumination light source means, and the angle α (degrees) between the incident reference light ray and the reflected reference light ray on the optical face A forms ) Is reflected under the following conditions, is substantially perpendicularly incident on the display means, is transmitted through the optical surface A, is reflected by a plurality of eccentric curvature reflecting surfaces, is guided to the eyeball, and the display optical system includes the optical surface A. And another optical member having an optical refractive power, the air gap The image display apparatus characterized by being spaced. 20 <α <80 (1)
【請求項2】 第1項において、該照明光学系中の該光
学面Aは、ローカル母線断面(該基準光線の入射光と射
出光を含む面)上で正の屈折力を有した曲率反射面であ
ることを特徴とする画像表示装置。
2. The optical system according to claim 1, wherein the optical surface A in the illumination optical system has a curvature reflection having a positive refractive power on a local meridional section (a plane including incident light and emission light of the reference light beam). An image display device characterized by being a surface.
【請求項3】 第1項において、該照明光源手段はRG
B時分割光源であり、該表示手段はRGB時分割光源の
RGB色光の発光に合わせてRGBの画像を時分割表示
することを特徴とする画像表示装置。
3. The method according to claim 1, wherein the illumination light source means is RG.
An image display device, which is a B-time-division light source, wherein the display means displays an RGB image in a time-division manner in accordance with the emission of RGB color light from the RGB time-division light source.
【請求項4】 第1項において、該照明光源手段から発
せられた該基準光線の該反射型表示手段への入射角度β
(度)は −10 < β< 10 ・・・(2) であることを特徴とする画像表示装置。
4. An incident angle β of said reference light beam emitted from said illumination light source means to said reflection type display means according to claim 1.
The image display device is characterized in that (degree) is −10 <β <10 (2).
【請求項5】 第2項において、該表示光学系のローカ
ル母線断面焦点距離を local_fy、該照明光学系中の該
光学面Aのみのローカル母線断面焦点距離をlocal_fyA
とした時、 0.1 < local_fyA/ local_fy < 0.6・・・(3) を満たすことを特徴とする画像表示装置。
5. The local optical system according to claim 2, wherein a local meridional section focal length of the display optical system is local_fy, and a local meridional section focal length of only the optical surface A in the illumination optical system is local_fyA.
Where 0.1 <local_fyA / local_fy <0.6 (3).
【請求項6】 第2,3又は5項において、該表示光学
系はアジムス角度により屈折力が異なる面を2面以上含
み、表示光学系全体として正の屈折力を有することを特
徴とする画像表示装置。
6. The image according to claim 2, wherein the display optical system includes two or more surfaces having different refractive powers depending on the azimuth angle, and the display optical system has a positive refractive power as a whole. Display device.
【請求項7】 第6項において、該表示手段のローカル
母線断面(該基準光線の入射光と射出光を含む面)上で
の最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺画像
と眼球中心とを通る光線をF3眼球中心光線とし、該F
3眼球中心光線上での該表示光学系の全系ローカル母線
断面焦点距離をlocal_fy(F3)、眼球にもっとも近い
屈折力を有した透過面Bにおいて、該F3眼球中心光線
がヒットするポイント上でのローカル母線断面焦点距離
をlocal_fyB(F3)とした時、 −0.6 < local_fy(F3) / local_fyB(F3) < −0.1・・ ・(4) であることを特徴とする画像表示装置。
7. The method according to claim 6, wherein, among the most peripheral images on the local meridional cross section of the display means (the plane including the incident light and the emitted light of the reference light beam), the most peripheral image farthest from the eyeball is included. A ray passing through the center of the eyeball is defined as an F3 center ray of the eyeball.
The local focal line cross-sectional focal length of the display optical system on the three-eyeball center ray is local_fy (F3), and on the transmission surface B having the closest refractive power to the eyeball, on the point where the F3 eyeball hits. Where the local meridional section focal length is local_fyB (F3), −0.6 <local_fy (F3) / local_fyB (F3) <− 0.1 (4) .
【請求項8】 請求項1から7のいずれか1項の画像表
示装置を有したことを特徴とするヘッドマウントディス
プレイ。
8. A head mounted display comprising the image display device according to claim 1.
JP2000294770A 2000-09-27 2000-09-27 Image display device and head mounted display using the same Expired - Fee Related JP3957961B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000294770A JP3957961B2 (en) 2000-09-27 2000-09-27 Image display device and head mounted display using the same
US09/915,455 US7081999B2 (en) 2000-09-27 2001-07-27 Image display apparatus and head mounted display using it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000294770A JP3957961B2 (en) 2000-09-27 2000-09-27 Image display device and head mounted display using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002107656A true JP2002107656A (en) 2002-04-10
JP3957961B2 JP3957961B2 (en) 2007-08-15

Family

ID=18777306

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000294770A Expired - Fee Related JP3957961B2 (en) 2000-09-27 2000-09-27 Image display device and head mounted display using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3957961B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100518954B1 (en) * 2002-06-14 2005-10-06 학교법인 강남학원 Head mounted display device
CN105629478A (en) * 2016-04-01 2016-06-01 北京耐德佳显示技术有限公司 Visual optical imaging device and binocular near-eye display by using the same
CN111308727A (en) * 2018-12-12 2020-06-19 量子光电股份有限公司 Display device
CN111399321A (en) * 2020-05-08 2020-07-10 北京耐德佳显示技术有限公司 Small-size projection optical assembly and projection optical system suitable for near-eye display
CN112005154A (en) * 2018-05-31 2020-11-27 松下知识产权经营株式会社 Head-up display and moving object having head-up display mounted thereon

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100518954B1 (en) * 2002-06-14 2005-10-06 학교법인 강남학원 Head mounted display device
CN105629478A (en) * 2016-04-01 2016-06-01 北京耐德佳显示技术有限公司 Visual optical imaging device and binocular near-eye display by using the same
CN112005154A (en) * 2018-05-31 2020-11-27 松下知识产权经营株式会社 Head-up display and moving object having head-up display mounted thereon
CN112005154B (en) * 2018-05-31 2022-07-12 松下知识产权经营株式会社 Head-up display and moving object having head-up display mounted thereon
CN111308727A (en) * 2018-12-12 2020-06-19 量子光电股份有限公司 Display device
CN111399321A (en) * 2020-05-08 2020-07-10 北京耐德佳显示技术有限公司 Small-size projection optical assembly and projection optical system suitable for near-eye display
CN111399321B (en) * 2020-05-08 2022-04-15 北京耐德佳显示技术有限公司 Small-size projection optical assembly and projection optical system suitable for near-eye display

Also Published As

Publication number Publication date
JP3957961B2 (en) 2007-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7081999B2 (en) Image display apparatus and head mounted display using it
EP1102105B1 (en) Image display apparatus with a prism having optical power
EP1043619B1 (en) Image display apparatus
JP4926432B2 (en) Display optical system and image display apparatus having the same
JP2002258208A (en) Optical element and composite display device utilizing it
JP2002311379A (en) Observation optical system
JP2002107655A (en) Video display device
US8437087B2 (en) Observation optical system and image display apparatus
JP2004341411A (en) Optical system and picture display device
JP2010266792A5 (en)
EP1429171A2 (en) Image display apparatus and image display system
US7210803B2 (en) Optical system, display optical system and image-taking optical system
JP3461297B2 (en) Image observation device
US5777794A (en) Image display apparatus
JP2002228970A (en) Optical system and picture display device using the same
JP4847055B2 (en) Image display device and imaging device
JP3977021B2 (en) Image display device and head mounted display using the same
JP3977002B2 (en) Image display device and head mounted display using the same
JP3212762B2 (en) Display device
JP2002107656A (en) Picture display device and head-mounted display using the same
JP2000249969A (en) Picture display optical system and picture display device using the same
JP3870071B2 (en) Image display device and imaging device
JP3870076B2 (en) Image display device and imaging device
JP3703329B2 (en) Image display device
JP3870073B2 (en) Image display device and imaging device

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040227

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040309

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040510

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040713

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040910

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20041005

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20041206

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050107

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20050113

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20050225

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070509

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100518

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110518

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120518

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120518

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130518

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140518

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees