JP2002228971A

JP2002228971A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2002228971A
Application number: JP2001028300A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Inoguchi; 和隆猪口
Original assignee: Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Current assignee: Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】装置全体の小型化を図りつつ、反射型の表示
手段に表示した画像を広い観察視野において良好なる画
質で観察することができる画像表示装置を得ること【解決手段】反射型の表示手段、光源手段からの光束
を該表示手段に導き、該表示手段からの光束を所定の観
察位置に導く光学系を有する画像表示装置であって、該
光学系は同一の光学素子上に少なくとも２つの面Ａ，Ｂ
が形成された第１光学素子を有し、該面Ａは該光源手段
からの光を該表示手段に導く際に反射面及び透過面とし
て作用する反射・透過兼用面であり、該面Ｂは該光源手
段からの光を該表示手段に導く際に反射面、該表示手段
からの光を該観察位置に導く際に透過面として作用する
透過・反射兼用面である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は画像表示装置に関
し、特に反射型の表示素子に表示された画像情報を適切
に設定した光学系を介して拡大して観察させるようにし
たヘッドマウントディスプレイやメガネ型ディスプレイ
装置等に好適な画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりＣＲＴやＬＣＤ等の表示素子を
用い、これらの表示素子に表示された画像を光学系を介
して拡大して観察させるようにした頭部装着型の画像表
示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が良く知られて
いる。

【０００３】図１１は従来の共軸凹面鏡を用いた画像表
示装置の要部概略図である。同図では表示素子６１に表
示された画像からの光束をハーフミラー６２で反射さ
せ、凹面鏡６３に入射させている。凹面鏡６３で反射し
た光束をハーフミラー６２を介して観察者Ｅに導光して
いる。表示素子６１に表示した画像は凹面鏡６３によっ
て拡大した虚像として形成される。これにより、観察者
は表示素子６１に表示した画像の拡大虚像を観察してい
る。

【０００４】また、例えば特開平７−３３３５５１号公
報，特開平８−５０２５６号公報，特開平８−１６０３
４０号公報，特開平８−１７９２３８号公報等において
は、画像を表示する表示手段としてのＬＣＤ（液晶）と
観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体
の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。

【０００５】図１２は、特開平７−３３３５５１号公報
で提案している画像表示装置の要部概略図である。図１
１において、ＬＣＤ５１から発せられた光を、屈折力の
ある小型プリズム５２の入射面５３に入射させている。
そして該小型プリズム５２の一部に形成した曲率を有し
た全反射面５４、そして反射面５５との間で光束を折り
畳み、その後、面５４より小型プリズム５２を射出させ
て観察者Ｅに導光している。これによって表示手段（Ｌ
ＣＤ）５１に表示した画像の虚像を形成し、該虚像を観
察者Ｅが観察するようにしている。小型プリズム５２の
反射面５５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により
光学的パワーの異なる面、所謂自由曲面）で構成された
偏心自由曲面より成っている。

【０００６】図１２に示す光学系のタイプは図１１に示
した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体
の薄型化及び観察視野の広画角化が容易であるという特
徴を有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来よりヘッドマウン
トディスプレイやメガネ型ディスプレイ等の画像表示装
置は、これらの装置を頭部に装着するため、特に装置全
体の小型化，軽量化が要望されている。特に、重量バラ
ンス、外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型で
あることが好ましい。また、表示手段に表示した画像の
観察に迫力を持たせるために観察画角を広げることが重
要な課題となっている。

【０００８】図１２に示すようなタイプの薄型のヘッド
マウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置にお
いて、表示素子として開口効率が高く小型化に有利な反
射型の表示素子を用いて、照明光が表示素子に略垂直に
入射するように構成しようとすると、例えば図１３に示
すように反射型の表示素子７４と小型プリズム５２の入
射面５３との間に表示素子７４を照明するための照明系
７０を挿入する必要がある。

【０００９】ここで照明系７０は、例えば光源７１、光
源７１からの発散光束を集光するコンデンサーレンズ７
２、コンデンサーレンズ７２からの光束を反射させ表示
素子７４を照明する、表示素子５１の表示面と４５°の
角度をなすハーフミラー面７３ａを含むプリズム７３等
から構成される。画像表示装置において、反射型の表示
素子を用いると、それを照明するための照明系を表示素
子５１と小型プリズム５２との間に配置しなければなら
なく、図１３に示すようにプリズム５２と表示素子７４
との間隔を広くする必要があり、装置全体が大型化して
くる傾向がある。

【００１０】本発明は装置全体の小型化を図りつつ、反
射型の表示手段に表示した画像を広い観察視野において
良好なる画質で観察することができる画像表示装置の提
供を目的とする。

【００１１】この他本発明は、ＨＭＤ等の画像表示装置
において液晶ディスプレイ等の反射型の表示手段に表示
した画像情報を観察する際、表示手段を照明する照明光
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、例えば屈折作用を有するプリズム体
より成る光学手段等の構成を適切に設定することによっ
て、装置のコンパクト性と広画角とを両立させることの
できる画像表示装置の提供を目的としている。特に、照
明光学系における反射面の配置や照明光の入射角度を適
切に設定することで、コンパクトで、観察視野内におけ
るコントラスト低下や画面内でのコントラストむら等を
生じることなく良好なる画質で観察することができる画
像表示装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の画像表
示装置は反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表
示手段に導き、該表示手段からの光束を観察位置に導く
光学系を有する画像表示装置であって、該光学系は同一
の光学素子上に少なくとも２つの面Ａ，Ｂが形成された
第１光学素子を有し、該面Ａは該光源手段からの光を該
表示手段に導く際に反射面及び透過面として作用する反
射・透過兼用面であり、該面Ｂは該光源手段からの光を
該表示手段に導く際に反射面、該表示手段からの光を該
観察位置に導く際に透過面として作用する透過・反射兼
用面であることを特徴としている。

【００１３】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記光源手段から表示手段に至る光路において、該光源
手段からの光束は前記面Ａで少なくとも１回の内部全反
射することを特徴としている。

【００１４】請求項３の発明は請求項１または２の発明
において前記光源手段より前記表示手段の画像表示面中
心に入射し、該画像表示面中心を射出して前記光学系の
射出瞳中心に至る光線を中心画角主光線とするとき、該
中心画角主光線が、該画像表示面に対して略垂直に入射
・射出するよう構成したことを特徴としている。

【００１５】請求項４の発明は請求項１、２、又は３の
発明において前記光学系は、前記表示手段からの光を前
記観察位置に導き観察者に前記表示手段上に表示された
画像の拡大像を認識させる表示光学系を有し、前記面Ｂ
は該表示光学系のパワーを有する面に対向して配置され
ていることを特徴としている。

【００１６】請求項５の発明は請求項１から４のいずれ
か１項の発明において前記表示手段の画像表示面と前記
面Ｂ（前記面Ｂが曲面のときは中心画角主光線（前記光
源手段より前記表示手段の画像表示面中心に入射し、該
画像表示面中心を射出して前記光学系の射出瞳中心に至
る光線）との交点における接面）とのなす角度をβとし
たとき、β＜４５°を満たすことを特徴としている。

【００１７】請求項６の発明は１から５のいずれか１項
の発明において前記光源手段より前記画像表示面に入射
し、射出して前記光学系の形成する射出瞳中心に至る光
線を主光線とするとき、前記中心画角主光線が前記面Ａ
における内部全反射時に入射・射出する光線が形成する
面をｙｚ面とし、前記面Ａにおいて内部全反射する中心
画角主光線のヒットポイントにおける面Ａの法線方向に
ｚ軸、法線と直交方向にｙ軸をとり、該ｙｚ面に垂直方
向にｘ軸をとる面Ａ全反射ローカル座標系において、面
Ａにおいて内部全反射する各主光線をｘｚ面に射影した
際に、該射影された各主光線と前記面Ａとのヒットポイ
ントにおける法線とのなす角度がそれぞれ略等しくなる
よう構成したことを特徴としている。

【００１８】請求項７の発明は請求項６の発明において
前記面Ａ全反射ローカル座標系において、前記主光線を
ｙｚ面へ射影した場合に、ｙｚ面に射影した各主光線が
前記面Ａにそれぞれ略等しい入射角度で入射するよう構
成したことを特徴としている。

【００１９】請求項８の発明は請求項７の発明において
前記面Ａは少なくともｘ軸方向にパワーを有しない面で
あることを特徴としている。

【００２０】請求項９の発明は請求項１の発明において
前記光学系は前記光源手段からの光を直線偏光とする第
１の偏光子を有し、該第１の偏光子を透過し直線偏光と
なった光が前記面Ａ並びに前記面Ｂで反射されて前記表
示手段を照明することを特徴としている。

【００２１】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て前記光学系は前記第１の偏光子と透過軸が略直交した
第２の偏光子を有することを特徴としている。

【００２２】請求項１１の発明は請求項１０の発明にお
いて前記第２の偏光子は前記面Ｂと面Ｂに対向した表示
光学系のパワーを有する面との間に配置されていること
を特徴としている。

【００２３】請求項１２の発明は請求項９の発明におい
て前記光学系は正のパワーを有する光学要素を有し、該
光学要素を通過した光を前記第１の偏光子に入射させる
よう構成したことを特徴としている。

【００２４】請求項１３の発明は請求項１２の発明にお
いて前記正のパワーを有する光学要素が反射面を有して
いることを特徴としている。

【００２５】請求項１４の発明は請求項１から１３のい
ずれか１項の発明において前記光学系は、前記表示手段
からの光を観察者に導く光路中に、複数の偏心反射面を
有する第２のプリズムを有することを特徴としている。

【００２６】請求項１５の発明は請求項１４の発明にお
いて前記偏心反射面の少なくとも１面が、非回転対称面
であることを特徴としている。

【００２７】請求項１６の発明は請求項１から１５のい
ずれか１項の発明において前記光源手段より前記表示手
段の画像表示面中心に入射し、該画像表示面中心を射出
して前記光学系の形成する射出瞳中心に至る光線を中心
画角主光線とするとき、該中心画角主光線は、前記第１
光学素子の内部で交差していることを特徴としている。

【００２８】請求項１７の発明の画像表示装置は反射型
の表示素子と、光源手段からの光束を該表示手段の表示
面に入射させる照明光学系と、該表示手段からの光束を
観察者の瞳孔に導光し、該表示手段に表示した画像情報
を観察させる表示光学系とを有した画像表示装置におい
て、該照明光学系は同一の光学部材に面Ａ、と面Ｂを形
成した第１光学素子を有し、該光源手段からの光束は該
面Ａで全反射して面Ｂに入射し、該面Ｂで全反射して、
面Ａを透過する過程を介して該表示手段に入射してお
り、該表示光学系は該表示手段からの光束を該面Ａと面
Ｂを透過した光束を観察者の瞳孔に導光するパワーのあ
る第２光学素子を有していることを特徴としている。

【００２９】請求項１８の発明の画像表示装置は光源手
段、反射型の表示手段、該光源手段からの光束を該表示
手段に導く照明光学系、該表示手段により反射された光
束を観察者の瞳に導き形成される虚像を該表示手段上に
表示された画像の拡大像として観察者に認識させる表示
光学系を有し、該照明光学系は同一の光学部材に面Ａと
面Ｂそして１以上の面を形成した第１光学素子を有して
おり、該光源手段からの光束は該第１光学素子の少なく
とも１つの面で反射し、面Ａに入射し、該面Ａで全反射
し面Ｂに入射し、面Ｂで全反射して面Ａを透過する過程
を介して該表示手段に入射しており、該表示光学系は該
表示手段からの光束を該面Ａと面Ｂを透過した光束を観
察者の瞳孔に導光するパワーのある第２光学素子を有し
ていることを特徴としている。

【００３０】請求項１９の発明は請求項１７又は１８の
発明において前記光源手段より前記表示手段の画像表示
面中心に入射し、該画像表示面中心を射出して前記光学
系の形成する射出瞳中心に至る光線を中心画角主光線と
するとき、該中心画角主光線は、前記第１光学素子の内
部で交差していることを特徴としている。

【００３１】請求項２０の発明は、請求項１の発明にお
いて反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手
段に導き、該表示手段からの光束を観察位置に導く光学
系、を有する画像表示装置であって、該光学系は同一の
光学素子上に少なくとも２つの面Ａ，Ｂが形成された第
１光学素子を有し、該面Ａは該光源手段からの光を該表
示手段に導く際に反射面及び透過面として作用する反射
・透過兼用面であり、該面Ｂは該光源手段からの光を該
表示手段に導く際に反射面、該表示手段からの光を該観
察位置に導く際に透過面として作用する透過・反射兼用
面であることを特徴としている。

【００３２】請求項２１の発明のヘッドマウントディス
プレイ装置は請求項１から２０のいずれか１項に記載の
画像表示装置を用いていることを特徴としている。

【００３３】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は本発明の画
像表示装置の実施形態１の基本構成を示す要部概略図で
ある。本実施形態の画像表示装置は、例えばヘッドマウ
ントディスプレイに適用可能である。図中２は表示光学
系（拡大光学系）の一部を構成する第２光学素子であ
り、平面、曲面、非球面、または回転非対称面等から成
る光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓ２１、Ｓ２２、
Ｓ２３を有したプリズム体より成っている。尚、いずれ
の面も１つのＹＺ面（対称面、本実施形態においては紙
面がこれに相当）に対して対称な形状をしている。ま
た、３つ以上の面を有するようにしてもよい。Ｓは観察
者１の望ましき瞳孔位置である。

【００３４】５は反射型のＬＣＤより成る画像表示手段
（表示素子）であり、５ａはその表示面（液晶面）であ
る。

【００３５】３は光源手段であり、例えばＬＣＤ５が単
色用であれば単色光または白色光を放射する光源より成
り、または、ＬＣＤ５がカラー用であれば、例えばＲ，
Ｇ，Ｂ３色を発光するＬＥＤが１チップ上に形成された
光源を用いている。このときＲ，Ｇ，Ｂの３色を発光す
るＬＥＤは反射型のＬＣＤ５への画像の表示に同期して
発光を制御され、カラー表示を可能ならしめている。

【００３６】４はコンデンサーレンズであり、光源３か
らの光束を集光して偏光板６に導光している。１は第１
の光学素子であり、平面又は曲面の３つの面Ｓ１１、Ｓ
１２、Ｓ１３を有したプリズム体より成っている。

【００３７】７は偏光板であり、偏光板６と透過軸が略
直交するように配置している。

【００３８】本実施形態においては、図１の紙面をｙｚ
面とし、観察者１０２の視軸方向（観察者の瞳Ｅに入射
する後述する中心画角主光線Ｌ０の方向）にｚ軸をと
り、紙面内でこれに直交する方向にｙ軸をとり、紙面に
垂直方向にｘ軸をとったグローバル座標系を採用してい
る。各軸の正の向きはｙ，ｚ軸に関しては図示の通りで
あり、ｘ軸は紙面奥向きとしている。

【００３９】尚、光源手段３からの光をＬＣＤ５に導く
要素、即ちコンデンサレンズ４及び偏光板６、第１光学
素子１の面Ｓ１３，Ｓ１１，Ｓ１２は照明光学系１０１
を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を観察者１０２
の眼Ｅに導く要素、即ち第１光学素子１の面Ｓ１２，Ｓ
１１と偏光板７、第２光学素子２の面Ｓ２３，Ｓ２１，
Ｓ２２は本実施形態の表示光学系１０３の一要素を構成
している。

【００４０】また、光源手段３を発して反射型ＬＣＤ５
の画像表示面５ａ上の任意の点に入射し該表示面５ａ上
の任意の点を発して表示光学系１０３の射出瞳Ｓの中心
に至る光線を主光線と呼び、特に光源手段３を発して反
射型ＬＣＤ５の画像表示面５ａ上の中心ｐ５ａに入射
し、ＬＣＤ５の表示面５ａの中心ｐ５ａを発して表示光
学系の射出瞳Ｓの中心に至る光線Ｌ０を中心画角主光線
Ｌ０と呼ぶ。

【００４１】光源手段３は面光源であり、３３ａは該光
源手段３の発光面である。光源手段３は、例えば図４に
示すような光源３１及び光源３１からの光束を集光する
レンズ３２，入射光を拡散して出射させる拡散板３３に
よって面光源を形成してもよいし、導光板の側面より光
を入射させるサイドライトタイプやその他の構成をとる
ことも可能である。

【００４２】第２光学素子２は、光束を透過及び反射さ
せる面Ｓ２１、反射膜の形成された反射面Ｓ２２、透過
面Ｓ２３を有し、これら３面間を同一媒質で満たされた
プリズム形状より成っている。面Ｓ２３は反射型ＬＣＤ
５からの光束を第２光学素子２に入射させる入射面であ
り、面Ｓ２１及び面Ｓ２２は第２光学素子２の複数の反
射面であり、また、面Ｓ２１は光束を第２光学素子２か
ら射出させ観察者の瞳Ｅに導く射出面である。

【００４３】反射面として作用する面Ｓ２１及び面Ｓ２
２は、前記中心画角主光線Ｌ０に対して偏心して配置さ
れている。特に、第２光学素子２の材質の屈折率をｎ１
とするとき、面Ｓ２３より入射した光線Ｌ０が面Ｓ２１
に対してａｒｃｓｉｎ（１／ｎ１）以上の入射角度で入
射するようにして、面Ｓ２１で全反射して面Ｓ２２へ向
かうようにしている。また、面Ｓ２２で反射された光線
はａｒｃｓｉｎ（１／ｎ１）未満の入射角度で面Ｓ２１
に入射し、第２光学素子２の面Ｓ２１から射出するよう
にしている。これにより、面数の削減と光利用効率の向
上を図っている。

【００４４】尚、最も強いパワーを有する面Ｓ２２をｙ
ｚ面に対してのみ対称性を有する非回転対称面とするこ
とで、２つの反射面Ｓ２１、Ｓ２２を偏心配置したこと
により発生する収差を補正している。更に好ましくは、
これらの面Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３を全てｙｚ面に対し
てのみ対称性を有する非回転対称面とすることで、収差
を良好に補正している。

【００４５】第１光学素子１は本実施形態においては全
て平面で構成され、光源手段３からの光束を表示手段５
に導く際に光束を反射し、該表示手段５からの光を観察
者１０２に導く際に透過させる透過・反射兼用面(反射
面Ｂ）Ｓ１１、光源手段３からの光束を表示手段５に導
く際に光束を反射又は透過させる透過・反射兼用面(反
射面Ａ）Ｓ１２、そして透過面Ｓ１３より成り、これら
３面間を同一媒質で満たされたプリズム形状より構成し
ている。光源３の発光面３３ａの一点より発した光束は
コンデンサレンズ４により集光され、偏光板６を透過し
た光のみが第１光学素子１の面Ｓ１３より第１光学素子
１内に導かれる。本実施形態においては、面Ｓ１３より
第１光学素子１に入射した光は、少なくとも前記主光線
がそれぞれ面Ｓ１２に対し第１光学素子１の材質の屈折
率をｎとしてａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角度で
入射し、面Ｓ１２で全反射するようにしている。

【００４６】このように構成することで、第１光学素子
１内での反射及び透過での有効領域を重複させ、第１光
学素子１をコンパクト化し、且つ、光利用効率を向上さ
せている。面Ｓ１２で全反射された光は、ハーフミラー
面である面Ｓ１１で一部が反射され、今度は面Ｓ１２に
ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）未満の入射角度で入射し、面Ｓ
１２を透過して第１光学素子１を射出し、ＬＣＤ５を照
明する。残りの面Ｓ１１を透過した光は偏光板６を透過
した偏光成分と略垂直な方向に偏光透過軸を持つ偏光板
７により吸収される。このとき、面Ｓ１２からＬＣＤ５
に向かう各主光線が表示面５ａに対して略垂直(９０°
±１０°)に入射するようにすると、ＬＣＤ５の視角特
性の良好な角度に発した光を有効に光学系の射出瞳に導
くことが出来る為、好ましい。特に、中心画角主光線Ｌ
０は表示面５ａに対して略垂直(９０°±５°)に入射さ
せることが好ましい。

【００４７】ＬＣＤ５に入射した光束は、そこで適宜光
変調され、反射された光は、面Ｓ１２より第１光学素子
１に入射し、一部の光がハーフミラー面Ｓ１１を透過し
て第１光学素子１より射出し、偏光板７で偏光状態に応
じて検光される。面Ｓ１１で反射した光は光源３の方向
に向かう。偏光板７を透過した光は、第２光学素子２の
面Ｓ２３を透過して第２光学素子２内に入射し、光束に
対して臨界角以上傾いた面Ｓ２１で全反射した後、面Ｓ
２２で反射され再度、面Ｓ２１に向かい、面Ｓ２１を今
度は透過して第２光学素子２より射出して射出瞳Ｓを形
成し、略射出瞳Ｓの位置に置かれた観察者の眼Ｅに導か
れ、観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せている。

【００４８】尚、本実施形態においては、偏光板７を除
いて考えると、反射面Ｂである面Ｓ１１を表示光学系１
０３のパワー分担面である曲面Ｓ２３に対向させて配置
し、表示面５ａと面Ｓ２３との間の光路長を短くしてお
り、広画角化に有利な構成としている。更に、ＬＣＤ５
の表示面５ａと反射面Ｂである面（面Ｂが曲面のときは
中心画角主光線との交点における接面）Ｓ１１とのなす
角度βをβ＜４５°として、表示面５ａと面Ｓ２３との
間の光路長を短くしており、広画角化に有利な構成とし
ている。

【００４９】更に望ましくは、角度βを１０°＜β＜４０°・・・（ａ）なる条件を満足するように構成することが好ましい。

【００５０】条件式（ａ）の下限値を超えると表示面５
ａの一端ｐ５ｃ側を照明した光束を十分に射出瞳Ｓに導
くことが難しくなり、上限値を超えると表示面５ａから
第２光学素子の面Ｓ２３までの光路長が長くなり、広画
角化が難しくなる。

【００５１】また、本実施形態においては、図１の紙面
であるｙｚ面内でＬＣＤ５の一方の最端点であるｐ５ｂ
を発して射出瞳Ｓの中心に至る主光線Ｌ１における表示
面５ａから面Ｓ２３までの距離即ち、点ｐ５ｂから点Ｓ
２３ｂまでの距離（ＬＬ１とする）と、他方の最端点で
あるｐ５ｃを発して射出瞳Ｓに導かれる主光線Ｌ２にお
ける表示面５ａから面Ｓ２３までの距離即ち、点ｐ５ｃ
から点Ｓ２３ｃまでの距離（ＬＬ２とする）とは、ＬＬ
１＞ＬＬ２の方が収差補正上好ましく、本発明において
は第１光学素子１の薄い方が点ｐ５ｃ寄りに、厚い方が
点ｐ５ｂ寄りになるように配置している。

【００５２】図２は、図１の第１光学素子１の面Ｓ１２
における全反射時のローカル座標系（ｘ１２ｔｒ，ｙ１
２ｔｒ，ｚ１２ｔｒの３軸により定義されている）にお
けるｘ１２ｔｒ−ｚ１２ｔｒ断面図である。また、図３
はＬＣＤ５の表示面５ａを正面から（中心画角主光線Ｌ
０方向から）見た図であり、図１に記したＬＣＤ５の表
示面５ａでのｘ５，ｙ５，ｚ５の各軸を有するローカル
座標系におけるｘ５−ｙ５断面図である。

【００５３】図２においては、光源３より第１光学素子
１を介しＬＣＤ５の有効表示画面中心ｐ５ａに入射し、
ＬＣＤ５で反射されて第２光学系２の射出瞳Ｓの中心を
通る中心画角主光線Ｌ０と、ＬＣＤ５の中心から水平方
向にずれて最端点ｐ５ｂ、点ｐ５ｃ（図３での点ｐ５
ｄ，ｐ５ｅ）に入射し、ＬＣＤ５で反射されて表示光学
系１０２により射出瞳Ｓの中心を通る主光線となる照明
主光線Ｌ３，Ｌ４(図１では主光線Ｌ１，Ｌ２に相当)と
を描いている。

【００５４】本実施形態においては、中心照明主光線Ｌ
０は図２の断面で面Ｓ１２の法線であるｚ１２ｔｒ軸に
射影されるように構成されている。また、本実施形態に
おいては、照明主光線Ｌ３，Ｌ４を図４の断面に射影し
たものはそれぞれの照明主光線の面Ｓ１２でのヒットポ
イントにおける法線と±θｘの角度をなしている。θｘ
＝０の場合を除き、偏光板６を透過した直線偏光の光
は、全反射面Ｓ１２において楕円偏光となるため、ＬＣ
Ｄ５で変調されることなく反射された場合でも、偏光板
７を一部透過して、コントラストむらを発生する。

【００５５】本発明においては、角度θｘを小さい値に
抑え、面Ｓ１２に各主光線Ｌ０，Ｌ３，Ｌ４が略等しい
角度で垂直に近い状態で入射するようにすると、画面内
の輝度むらが少なく、高コントラストが得られるので好
ましい。特にθｘを｜θｘ｜≦５°・・・（１）とすると、全反射における偏光状態変化が少なく、射出
瞳Ｓの位置近傍に眼球Ｅを置いた観察者に画面内の輝度
むらが少なく、且つコントラストが高い画像を見せるこ
とができ、望ましい。尚、図２においては、ＬＣＤ５の
表示面５ａ上でｐ５ｄ，ｐ５ｅより発して瞳Ｓの中心に
至る主光線となる照明主光線Ｌ３，Ｌ４で説明したが、
上記条件式（１）は任意の主光線（表示面５ａ上の任意
の点を出て、瞳Ｓの中心に導かれる光線）となる各照明
主光線全てに成り立つことが望ましい。

【００５６】また、面Ｓ１２での全反射時のローカル座
標系における図１の断面ｙ１２ｔｒ−ｚ１２ｔｒ断面図
で該断面に射影した各主光線の面Ｓ１２への入射角θｙ
についても、 arcsin(1/n)≦θy≦1.5*arcsin(1/n) ・・・（２）とすることで、角度θｙのばらつきに対するコントラス
ト低下を抑え、更に高コントラストを確保することが望
ましい。条件式（２）の下限を超えると全反射しなくな
り、上限を超えるとコントラストの低下が著しくなる。

【００５７】以上の条件式（１）、（２）を満足させる
ことで、高コントラストで観察者にＬＣＤ５上の画像を
拡大して見せることが容易になる。

【００５８】更に好ましくは、中心画角主光線Ｌ０の面
Ｓ１２への入射角をθｙ０とするとき、 θｙ０−５≦θｙ≦θｙ０＋５を満足させると、第１光学素子１を射出して画像表示面
５ａに入射する光線の角度のばらつきが小さくなり、Ｌ
ＣＤ５の視角特性の似通った方向の光を表示光学系１０
２を介して射出瞳Ｓに導くことが可能になる為、画角に
よるコントラストむらの発生を抑えることができ、好ま
しい。

【００５９】本実施形態では、以上の構成をとったこと
により、小型でありながら、広画角化を図ることがで
き、且つ、輝度むらが少なく高コントラストな高品位の
画像を観察することができる画像表示装置を達成してい
る。

【００６０】以上光束が反射するときの条件として全反
射面の場合の条件をつけたが、一般に反射面においては
ｓ偏光，ｐ偏光の複素振幅反射率は異なるため、金属ミ
ラー面，ハーフミラー面，誘電体多層膜コート面におい
ても上述のような現象が生じる。また、屈折面において
も強度振幅率の違いから偏光状態の変化が生じる為、光
源３から発した各主光線をコンデンサレンズ４によって
略平行にして偏光板６に入射させるようにすることが好
ましい。

【００６１】また、本発明の第１光学素子の媒質はガラ
ス等の複屈折性の少ないものを用いることが好ましい。
そうすることにより、光弾性等により生じる偏光状態変
化を防ぐことが出来、高画質の画像表示を可能にでき
る。

【００６２】（実施形態２）図５は本発明の実施形態２
を示す概略図である。本実施形態は、コリメータレンズ
４の代わりに反射面Ｓ４１を含むミラー４０を用いた
点、及び、第１光学素子１の照明光束を全反射する面Ａ
をｙｚ断面のみに曲率を有する曲面Ｓ１２で構成した点
が、実施形態１と異なる点であり、その他は同じであ
る。実施形態１と同じ構成要素は、同じ符号で表し、説
明を省略する。面Ｓ１２における全反射時のローカル座
標系を決めるｘ１２ｔｒ，ｙ１２ｔｒ，ｚ１２ｔｒの各
軸は、面Ｓ１２における中心画角主光線Ｌ０のヒットポ
イントでの法線方向にｚ１２ｔｒ軸をとり、紙面内接線
方向にｙ１２ｔｒ軸をとり、紙面に垂直にｘ１２ｔｒ軸
をとっている。

【００６３】尚、実施形態１と同様、光源３の発光面３
３ａからの光をＬＣＤ５に導く要素は本実施形態の照明
光学系１０１を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を
観察者の眼Ｅに導く要素は本実施形態の表示光学系１０
３を構成している。

【００６４】以下、本実施形態２における各要素の作用
を説明する。３３ａを発光面とする面光源３の一点より
発散した光線群はミラー４０の曲面反射面Ｓ４１により
反射し互いに略平行となった後、偏光板６に入射する。
偏光板６では、紙面に平行な直線偏光成分以外は吸収さ
れ、面Ｓ１３より第１光学素子１に入射する。第１光学
素子１に入射した直線偏光した光線群は、ｙｚ断面方向
にのみ曲率を有する曲面(反射面Ａ）Ｓ１２で全反射し
た後、金属もしくは誘電体の半透過の反射膜を施された
面Ｓ１１で一部が透過して偏光板７で吸収され、残りが
反射されて面Ｓ１２に向かい、面Ｓ１２を屈折・透過し
て第１光学素子１より射出し、ＬＣＤ５を照明する。

【００６５】ここで、各画角の主光線となる照明主光線
は、曲面Ｓ１２での全反射時のローカル座標系における
ｘ１２ｔｒ−ｚ１２ｔｒ断面に射影したときに曲面Ｓ１
２の法線とのなす角度θｘが略平行になるように、特に
｜θｘ｜≦５°となるように構成して、偏光板６による
直線偏光成分以外の成分が少ない状態でＬＣＤ５に入射
するようにし、ＬＣＤ５により受ける変調を理想状態に
近い状況としている。

【００６６】尚、本実施形態においては、第１光学素子
１の全反射面Ｓ１２をｙｚ断面で曲率を有する面として
いるため、角度θｙを各画角主光線となる各照明主光線
をｙｚ断面に射影した線と各照明主光線のヒットポイン
トでの面法線とのなす角度とした場合に、ａｒｃｓｉｎ
（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）を
満たすように構成することが好ましい。

【００６７】ＬＣＤ５に入射した光束は、そこで適宜光
変調され反射された光は、面Ｓ１２より再び第２光学素
子２に入射し、面Ｓ１１で一部が反射され光源３の方向
に戻り、残りは透過して偏光板７に導かれる。面Ｓ１２
における前記角度θｘの条件を｜θｘ｜≦５°として偏
光板６による直線偏光成分以外の成分が少なくなるよう
にしたため、ＬＣＤ５により変調を受けなかった光はほ
ぼ偏光板７で吸収され、ＬＣＤ５で位相をπ／２ずらさ
れた光は偏光板７を透過する。偏光板７を透過した光
は、面Ｓ２３で屈折・透過して第２光学素子２に入射し
て面Ｓ２１に向かい、これらの光に対して臨界角以上を
なすように傾いた面Ｓ２１で全反射した後、面Ｓ２２で
反射し、面Ｓ１１を今度は屈折・透過して第２光学素子
２より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に
置いた観察者の眼Ｅに導かれ、高コントラストで観察者
にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せることが可能にな
る。

【００６８】本実施形態においても、実施形態１と同様
に光源手段３の発光面３３ａの中心を発した光線がミラ
ー４０により少なくとも紙面に垂直な方向の断面におい
て互いに略平行となるように変換して偏光板６に導き、
偏光板６を透過後、第１光学素子の全反射面Ｓ１２に入
射するように構成したため、照明主光線Ｌ０の図５に垂
直な断面における全反射面への入射角度のばらつきが少
なく、従って該断面に射影された光線と面Ｓ１２の法線
とのなす角θｘのばらつきを少なくし、ＬＣＤ５の画面
内での輝度むらの発生を抑えている。

【００６９】特に、実施形態１と同様の理由で、｜θｘ
｜≦５°，ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊ａ
ｒｃｓｉｎ（１／ｎ）としたことで、ＬＣＤ５の画面内
での輝度むらが少なく、高コントラストな画像を観察者
に提示することが可能である。また、面Ｓ１２を曲面と
したことで、表示光学系１０３におけるパワーを有する
面を増やしており、表示光学系におけるパワー分担面を
増やし、各面のパワー配分を減らすことができるため、
収差補正が容易になる利点もある。

【００７０】但し、ｘｚ断面において曲率を有する面と
すると、偏光状態に影響を与え、コントラスト低下を招
くことがあるため、ｘｚ断面において曲率を有さない面
形状とすることが好ましく本実施形態もｘｚ断面の曲率
を有さない面形状としている。

【００７１】また、曲面を面Ｓ１２の代わりに面Ｓ１１
(反射面Ａ）としても良い。

【００７２】（実施形態３）図６は本発明の実施形態３
の要部概略図である。本実施形態は、コリメータレンズ
４の代わりに反射面Ｓ４２と透過面Ｓ４１，Ｓ４３を有
したプリズム４０を用いた点、及び、第１光学素子１の
ハーフミラー面（反射面Ｂ）をｙｚ断面のみに曲率を有
する曲面Ｓ１１で構成した点が、実施形態１と異なる点
であり、その他は同じである。実施形態１と同じ構成要
素は、同じ符号で表し、説明を省略する。

【００７３】尚、実施形態１と同様、光源３の発光面３
３ａからの光をＬＣＤ５に導く要素は本実施形態の照明
光学系１０１を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を
観察者１０２の眼Ｅに導く要素は本実施形態の表示光学
系１０３を構成している。

【００７４】以下、本実施形態における作用を説明す
る。光源３の発光面３３ａの一点より発散した光線群は
面Ｓ４１よりプリズム４０に入射し、曲面反射面Ｓ４２
で反射し互いに略平行となり、面Ｓ４３から出射した
後、偏光板６に入射する。偏光板６では、紙面に平行な
直線偏光成分以外は吸収され、第１光学素子１の面Ｓ１
３より第１光学素子１に入射する。面Ｓ１３より第１光
学素子１に入射した直線偏光した光線群は、面Ｓ１２で
全反射した後、ｙｚ断面方向にのみ曲率を有する曲面Ｓ
１１で一部が反射し、残りが透過する。透過した光は紙
面に垂直な方向に透過軸を有する偏光板７で吸収され
る。反射した光は面Ｓ１２を透過して第１光学素子１よ
り射出し、ＬＣＤ５を照明する。

【００７５】ＬＣＤ５に入射し、そこで適宜光変調され
反射された光は、面Ｓ１２より再び第１光学素子１に入
射し、面Ｓ１１で一部は反射して光源３の方向に戻り、
残りは透過して偏光板７に導かれる。ＬＣＤ５により変
調を受けなかった光はほぼ偏光板７で吸収され、ＬＣＤ
５で位相をπ／２ずらされた光は偏光板７を透過する。
透過した光は、面Ｓ２３を透過して第２光学素子２に入
射して面Ｓ２１に向かい、これらの光に対して臨界角以
上をなすように傾いた面Ｓ２１で全反射した後、面Ｓ２
２で反射し、面Ｓ２１を今度は屈折・透過して第２光学
素子２より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位
置に置いた観察者１０２の眼Ｅに導かれ、観察者１０２
にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せている。

【００７６】ここでも、各主光線は、面Ｓ１２での全反
射時のローカル座標系におけるｘ１２ｔｒ−ｚ１２ｔｒ
断面に射影したときに面Ｓ１２の法線とのなす角度θｘ
が略平行になるように、特に｜θｘ｜≦５°となるよう
に構成して、偏光板６による直線偏光成分以外の成分が
少ない状態でＬＣＤ５に入射するようにし、ＬＣＤ５に
より受ける変調を理想状態に近い状況とすることが好ま
しい。

【００７７】また、角度θｙについても同様に、ａｒｃ
ｓｉｎ（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊ａｒｃｓｉｎ（１／
ｎ）を満たすように構成することが好ましい。

【００７８】本実施形態においては、面Ｓ１１を曲面と
したことで、表示光学系１０３におけるパワーを有する
面を増やしており、表示光学系１０３におけるパワー分
担面を増やし、各面の分担配分を減らすことができるた
め、収差補正が容易になる利点がある。

【００７９】但し、実施形態２において説明したのと同
様の理由で、ｘｚ断面に曲率を有していない形状が好ま
しく、本実施形態においても、これを採用している。

【００８０】［実施形態４］以上の各実施形態として第
１光学素子１での反射回数が２回であったが、本発明に
係る第１光学素子１はこれに限定するものではない。図
７は、実施形態４の要部概略図である。本実施形態と実
施形態１との違いは、第１光学素子１を３つの反射面を
有するように即ち、３回反射するように構成した点であ
り、反射面Ｂである面Ｓ１１で、光源１からの光束を複
数回反射させるようにしたことであり、その他は同じで
あるので、符号の説明は省略する。本実施形態において
も、光源手段３からの光をＬＣＤ５に導く要素、即ちコ
ンデンサレンズ４及び偏光板６、第１光学素子１の面Ｓ
１３，Ｓ１１，Ｓ１２は照明光学系１０１を構成してい
る。

【００８１】光源手段３の発光面３３ａからの発散光束
をレンズ４で略平行光束とし、偏光板６を透過した特定
方向に直線偏光となった光束が、面Ｓ１３より第１光学
素子１に導かれ、反射面Ｂであるところの面Ｓ１１で反
射して反射面Ａであるところの面Ｓ１２に導かれ、面Ｓ
１２で全反射し、面Ｓ１１で一部が反射、残りが透過さ
れる。透過された光は偏光板７で吸収される。反射され
た光は面Ｓ１２を透過して第２光学素子１より射出し
て、反射型のＬＣＤ５を照明している。反射型ＬＣＤ５
に入射した光束は、そこで適宜光変調され、反射した光
は、面Ｓ１２より第１光学素子１に入射し、面Ｓ１１で
一部が反射、残りが透過する。反射した光は光源３の方
向に戻る。面Ｓ１１を透過して第１光学素子１より射出
した光は、偏光板６と偏光透過軸が略直交した偏光板７
で変調状態に応じて検光される。偏光板７を透過した光
は面Ｓ２３を透過して第２光学素子２に入射して面Ｓ２
１に向かい、これらの光に対して臨界角以上をなすよう
に傾いた面Ｓ２１で全反射した後、面Ｓ２２で反射し、
面Ｓ２１を今度は屈折・透過して第２光学素子２より射
出して表示光学系の射出瞳Ｓの位置に置かれた観察者１
０２の瞳Ｅに導かれ、観察者１０２にＬＣＤ５上に表示
された画像の拡大像を認識させている。

【００８２】本実施形態においても、前述した実施形態
と同様に、各主光線を面Ｓ１２の法線を含み図の紙面と
垂直な面に射影した線と面Ｓ１２の法線とのなす角θｘ
に関して、｜θｘ｜≦５°・・・（１）としている。

【００８３】また、各主光線を紙面に射影した線と面Ｓ
２１の法線とのなす角θｙに関して、 arcsin(1/n)≦θy≦１．５*arcsin(1/n) （但し、ｎは第１光学素子１の媒質の屈折率）として、
更に高コントラストな画像表示を行うことが好ましい。

【００８４】（実施形態５）図８は本発明の実施形態５
の要部概略図である。

【００８５】本実施形態は、図８に示すように第１光学
素子１を面Ｓ１１〜Ｓ１４の４つの面で構成し、面Ｓ１
１、Ｓ１２以外の面に反射作用を持たせている。ここで
は、光源３からの発散光束をレンズ４で略平行にして偏
光板６を透過した光束を面Ｓ１４から第１光学素子１に
入射させ、面Ｓ１３で反射させ面Ｓ１２で全反射した
後、面Ｓ１１で一部を反射させて面Ｓ１２から出射させ
てＬＣＤ５を照明している。この他の構成は実施形態１
と同様である。

【００８６】（実施形態６）図９は本発明の実施形態６
の要部概略図である。本実施形態は図９のように、光源
３からの発散光束をレンズ４で略平行にして偏光板６を
透過した光束を面Ｓ１４から第１光学素子１に入射さ
せ、面Ｓ１３で反射させ更に面Ｓ１１で反射した光を面
Ｓ１２で全反射させた後、面Ｓ１１で一部を反射させて
面Ｓ１２から出射させてＬＣＤ５を照明させ、面Ｓ１４
→Ｓ１３の光路と面Ｓ１１←→Ｓ１２の光路とが交差す
るようにして更なるコンパクト化を図っている。即ち中
心画角主光線が第１光学素子１の内部で交差するように
している。この他の構成は実施形態１と同様である。

【００８７】［実施形態７］以上、各実施形態として第
２光学素子２での反射回数が２回のもので説明してきた
が、本発明はこれに限定するものではない。図１０は、
第２光学素子２として３回の裏面反射を行うプリズム１
を用いた実施形態７の要部概略図である。本実施形態と
実施形態１との違いは、第２光学素子２に４つの面Ｓ２
０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４からなる光学系を
用いたことであり、また、第１光学素子１を３つの反射
面を有するように構成し、反射面Ｂである面Ｓ１１はこ
れまでと同様の働きをし、面Ｓ１３は反射面として作用
し、反射面Ａに光源からの光を入射させる入射面の役割
を兼用させた面Ｓ１２を用いたことであり、その他は同
じであるので、符号の説明は省略する。

【００８８】光源手段３の発光面からの発散光束をレン
ズ４で略平行光束とし、偏光板６を透過した特定方向に
直線偏光となった光束が、面Ｓ１２より第１光学素子１
に導かれ、面Ｓ１３で反射して反射面Ａであるところの
面Ｓ１２に導かれ、面Ｓ１２で全反射し、面Ｓ１１で一
部が反射、残りが透過される。透過された光は偏光板７
で吸収される。反射された光は面Ｓ１２を透過して第２
光学素子１より射出して、反射型ＬＣＤ５を照明してい
る。反射型ＬＣＤ５に入射した光束は、そこで適宜光変
調され、反射された光は、面Ｓ１２より第１光学素子１
に入射し、面Ｓ１１で一部が反射、残りが透過する。反
射した光は光源３の方向に戻る。面Ｓ１１を透過して第
１光学素子１より射出した光は、偏光板６と偏光透過軸
が略直交した偏光板７で変調状態に応じて検光される。
偏光板７を透過した光は面Ｓ２０４より第２光学素子２
に入射し、面Ｓ２０３で反射され、面Ｓ２０１に向か
う。第２光学素子２の屈折率をｎ１とするとき面Ｓ２０
１に対して面Ｓ２０３で反射された光がａｒｃｓｉｎ
（１／ｎ１）以上の角度で入射する様にして、全反射し
て面Ｓ２０２に向かう。面Ｓ２０２で反射された光は、
再度面Ｓ２０１へ向かい、今度はａｒｃｓｉｎ（１／ｎ
１）以下の角度で表示光学系の射出瞳Ｓの位置に置かれ
た観察者１０２の瞳Ｅに導かれ、観察者１０２にＬＣＤ
５上に表示された画像の拡大像を認識させている。

【００８９】このように、ＬＣＤ５上に表示された画像
を拡大して観察者１０２の瞳に導く表示光学系１０３
は、必ずしも特定のものに限定したものではない。

【００９０】また、第１光学素子と第２光学素子との組
み合わせも適宜可能である。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば、装置全体の小型化を図
りつつ、反射型の表示手段に表示した画像を広い観察視
野において良好なる画質で観察することができる画像表
示装置を達成することができる。

【００９２】この他本発明によればＨＭＤ等の画像表示
装置において液晶ディスプレイ等の反射型の表示手段に
表示した画像情報を観察する際、表示手段を照明する照
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、例えば屈折作用を有するプリズ
ム体より成る光学手段等の構成を適切に設定することに
よって、装置のコンパクト性と広画角とを両立させるこ
とのできる画像表示装置の提供を達成することができ
る。

【００９３】また、本発明によれば照明光学系における
反射面の配置や照明光の入射角度を適切に設定すること
で、コンパクトで、観察視野内におけるコントスト低下
や画面内でのコントラストむら等を生じることなく良好
なる画質で観察することができる画像表示装置を達成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概
略図

【図２】本発明の画像表示装置の実施形態１の第１光
学素子の全反射面Ａにおけるｘｚ断面図

【図３】本発明の実施形態１の反射型表示手段の表示
面を正面から見た図

【図４】本発明に係る面光源の構成例の図

【図５】本発明の画像表示装置の実施形態２の要部概
略図

【図６】本発明の画像表示装置の実施形態３の要部概
略図

【図７】本発明の画像表示装置の実施形態４の要部概
略図

【図８】本発明の画像表示装置の実施形態５の要部概
略図

【図９】本発明の画像表示装置の実施形態６の要部概
略図

【図１０】本発明の画像表示装置の実施形態７の要部
概略図

【図１１】従来例の画像表示装置の要部概略図

【図１２】従来例の画像表示装置の要部概略図

【図１３】従来例の画像表示装置の要部概略図

【符号の説明】

１第１光学素子２第２光学素子３光源４コンデンサレンズ５反射型ＬＣＤ６偏光板７偏光板１０１照明光学系１０２観察者１０３表示光学系

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

【手続補正書】

【提出日】平成１３年４月１３日（２００１．４．１
３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は本発明の画
像表示装置の実施形態１の基本構成を示す要部概略図で
ある。本実施形態の画像表示装置は、例えばヘッドマウ
ントディスプレイに適用可能である。図中２は表示光学
系（拡大光学系）の一部を構成する第２光学素子であ
り、平面、曲面、非球面、または回転非対称面等から成
る光学作用面（以下「面」ともいう）Ｓ２１、Ｓ２２、
Ｓ２３を有したプリズム体より成っている。尚、いずれ
の面も１つのＹＺ面（対称面、本実施形態においては紙
面がこれに相当）に対して対称な形状をしている。ま
た、３つ以上の面を有するようにしてもよい。Ｓは観察
者１０２の望ましき瞳孔位置である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射型の表示手段、光源手段からの光束
を該表示手段に導き、該表示手段からの光束を観察位置
に導く光学系、を有する画像表示装置であって、該光学系は同一の光学素子上に少なくとも２つの面Ａ，
Ｂが形成された第１光学素子を有し、該面Ａは該光源手
段からの光を該表示手段に導く際に反射面及び透過面と
して作用する反射・透過兼用面であり、該面Ｂは該光源
手段からの光を該表示手段に導く際に反射面、該表示手
段からの光を該観察位置に導く際に透過面として作用す
る透過・反射兼用面であることを特徴とする画像表示装
置。
【請求項２】前記光源手段から表示手段に至る光路に
おいて、該光源手段からの光束は前記面Ａで少なくとも
１回の内部全反射することを特徴とする請求項１の画像
表示装置。
【請求項３】前記光源手段より前記表示手段の画像表
示面中心に入射し、該画像表示面中心を射出して前記光
学系の射出瞳中心に至る光線を中心画角主光線とすると
き、該中心画角主光線が、該画像表示面に対して略垂直
に入射・射出するよう構成したことを特徴とする請求項
１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】前記光学系は、前記表示手段からの光を
前記観察位置に導き観察者に前記表示手段上に表示され
た画像の拡大像を認識させる表示光学系を有し、前記面Ｂは該表示光学系のパワーを有する面に対向して
配置されていることを特徴とする請求項１、２、又は３
に記載の画像表示装置。
【請求項５】前記表示手段の画像表示面と前記面Ｂ
（前記面Ｂが曲面のときは中心画角主光線（前記光源手
段より前記表示手段の画像表示面中心に入射し、該画像
表示面中心を射出して前記光学系の射出瞳中心に至る光
線）との交点における接面）とのなす角度をβとしたと
き、β＜４５°を満たすことを特徴とする請求項１から
４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】前記光源手段より前記画像表示面に入射
し、射出して前記光学系の形成する射出瞳中心に至る光
線を主光線とするとき、前記中心画角主光線が前記面Ａにおける内部全反射時に
入射・射出する光線が形成する面をｙｚ面とし、前記面
Ａにおいて内部全反射する中心画角主光線のヒットポイ
ントにおける面Ａの法線方向にｚ軸、法線と直交方向に
ｙ軸をとり、該ｙｚ面に垂直方向にｘ軸をとる面Ａ全反
射ローカル座標系において、面Ａにおいて内部全反射する各主光線をｘｚ面に射影し
た際に、該射影された各主光線と前記面Ａとのヒットポ
イントにおける法線とのなす角度がそれぞれ略等しくな
るよう構成したことを特徴とする請求項１から５のいず
れか１項に記載の画像表示装置。
【請求項７】前記面Ａ全反射ローカル座標系におい
て、前記主光線をｙｚ面へ射影した場合に、ｙｚ面に射
影した各主光線が前記面Ａにそれぞれ略等しい入射角度
で入射するよう構成したことを特徴とする請求項６の画
像表示装置。
【請求項８】前記面Ａは少なくともｘ軸方向にパワー
を有しない面であることを特徴とする請求項７の画像表
示装置。
【請求項９】前記光学系は前記光源手段からの光を直
線偏光とする第１の偏光子を有し、該第１の偏光子を透
過し直線偏光となった光が前記面Ａ並びに前記面Ｂで反
射されて前記表示手段を照明することを特徴とする請求
項１の画像表示装置。
【請求項１０】前記光学系は前記第１の偏光子と透過
軸が略直交した第２の偏光子を有することを特徴とする
請求項９の画像表示装置。
【請求項１１】前記第２の偏光子は前記面Ｂと面Ｂに
対向した表示光学系のパワーを有する面との間に配置さ
れていることを特徴とする請求項１０の画像表示装置。
【請求項１２】前記光学系は正のパワーを有する光学
要素を有し、該光学要素を通過した光を前記第１の偏光
子に入射させるよう構成したことを特徴とする請求項９
の画像表示装置。
【請求項１３】前記正のパワーを有する光学要素が反
射面を有していることを特徴とする請求項１２の画像表
示装置。
【請求項１４】前記光学系は、前記表示手段からの光
を観察者に導く光路中に、複数の偏心反射面を有する第
２のプリズムを有することを特徴とする請求項１から１
３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１５】前記偏心反射面の少なくとも１面が、
非回転対称面であることを特徴とする請求項１４の画像
表示装置。
【請求項１６】前記光源手段より前記表示手段の画像
表示面中心に入射し、該画像表示面中心を射出して前記
光学系の形成する射出瞳中心に至る光線を中心画角主光
線とするとき、該中心画角主光線は、前記第１光学素子
の内部で交差していることを特徴とする請求項１から１
５のいずれか１項の画像表示装置。
【請求項１７】反射型の表示素子と、光源手段からの
光束を該表示手段の表示面に入射させる照明光学系と、
該表示手段からの光束を観察者の瞳孔に導光し、該表示
手段に表示した画像情報を観察させる表示光学系とを有
した画像表示装置において、該照明光学系は同一の光学
部材に面Ａ、と面Ｂを形成した第１光学素子を有し、該
光源手段からの光束は該面Ａで全反射して面Ｂに入射
し、該面Ｂで全反射して、面Ａを透過する過程を介して
該表示手段に入射しており、該表示光学系は該表示手段
からの光束を該面Ａと面Ｂを透過した光束を観察者の瞳
孔に導光するパワーのある第２光学素子を有しているこ
とを特徴とする画像表示装置。
【請求項１８】光源手段、反射型の表示手段、該光源
手段からの光束を該表示手段に導く照明光学系、該表示
手段により反射された光束を観察者の瞳に導き形成され
る虚像を該表示手段上に表示された画像の拡大像として
観察者に認識させる表示光学系を有し、該照明光学系は同一の光学部材に面Ａと面Ｂそして１以
上の面を形成した第１光学素子を有しており、該光源手段からの光束は該第１光学素子の少なくとも１
つの面で反射し、面Ａに入射し、該面Ａで全反射し面Ｂ
に入射し、面Ｂで全反射して面Ａを透過する過程を介し
て該表示手段に入射しており、該表示光学系は該表示手段からの光束を該面Ａと面Ｂを
透過した光束を観察者の瞳孔に導光するパワーのある第
２光学素子を有していることを特徴とする画像表示装
置。
【請求項１９】前記光源手段より前記表示手段の画像
表示面中心に入射し、該画像表示面中心を射出して前記
光学系の形成する射出瞳中心に至る光線を中心画角主光
線とするとき、該中心画角主光線は、前記第１光学素子
の内部で交差していることを特徴とする請求項１７又は
１８の画像表示装置。
【請求項２０】前記第１光学素子は低複屈折媒質を用
いて構成されていることを特徴とする請求項１の画像表
示装置。
【請求項２１】請求項１から２０のいずれか１項に記
載の画像表示装置を用いていることを特徴とするヘッド
マウントディスプレイ装置。