JP2002244076A

JP2002244076A - 画像表示装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ

Info

Publication number: JP2002244076A
Application number: JP2001041799A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Yamazaki; 章市山崎
Original assignee: Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Current assignee: Mixed Reality Systems Laboratory Inc
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP3977021B2

Abstract

(57)【要約】【課題】反射型の表示素子を用いて、画像を拡大投影
する小型の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に好適な画像表示装置を得ること。【解決手段】反射型の表示手段と、該表示手段を照明
する照明手段と、該照明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側に導く
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互いに共有する透過兼反射の両作用
を有する光学面Ａを有し、該光学面Ａはローカル母線断
面上で曲率を有し、該光学面Ａの該表示手段と反対側に
曲面Ｂを有し、該光学面Ａと光学面Ｂとでレンズ体を形
成し、該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体の
該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段
からの反射光は、該光学面Ａを透過し、光学面Ｂを射出
して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれているこ
と。

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、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。

【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。

【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。

【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１１−１２
５７９１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例もある。こ
の場合は照明光源からの光束がけられないようにしなけ
ればならないため、照明光源と反射型液晶の間に大きな
スペースが必要になり、大型化しやすい。他の提案され
ている公報の実施例では、ほとんど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ため小
型化しやすい。しかしこの共有面が多ければ多いほど光
学系は複雑になり、光量ロスも多くなる。一方、ＨＭＤ
のコンパクトな表示光学系を本発明者は特開平７−３３
３５５１号公報で提案している。同公報では自由曲面プ
リズムを用いて装置全体の小型化を図っている。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２０００−１００４
１号公報で提案している。

【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。

【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。

【０００７】例えば照明光源からの光が反射型液晶を照
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。従って光量ロス、が少なく、表示光学系、照
明光学系ともコンパクトなＨＭＤが望まれている。

【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。

【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
照明手段と、該照明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側に導く表示
光学系を有した画像表示装置において、該照明光学系と
該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有
する光学面Ａを有し、該光学面Ａはローカル母線断面
（該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と瞳中
心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）上で曲率
を有し、該光学面Ａの該表示手段と反対側に曲面Ｂを有
し、該光学面Ａと光学面Ｂとでレンズ体を形成し、該照
明手段から発せられた光線は、該レンズ体の該光学面Ａ
で反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射
光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、光学
面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導か
れて、表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、該表
示光学系における該レンズ体の該光学面Ａのローカル母
線断面曲率半径を local_ryＡ、該曲面Ｂのローカル母
線断面曲率半径をlocal_ryＢとした時、local_ryＡとlo
cal_ryＢは同符号であり、０．４＜ local_ryＡ／ local_ryＢ＜２．０・・・（１）を満たすことを特徴としている。

【００１０】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記照明光学系と前記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面のみ存在すること
を特徴としている。

【００１１】請求項３の発明は請求項１の発明におい
て、前記表示手段からの反射光は、前記レンズ体を射出
した後、偏心曲率面である複数の反射面で反射し、瞳に
導かれることを特徴としている。

【００１２】請求項４の発明は請求項１、２又は３の発
明において、前記照明手段は複数の色光を時分割で放射
する時分割光源であり、該表示手段は該時分割光源から
放射される色光に合わせて各色光に基づく画像を時分割
表示することを特徴としている。

【００１３】請求項５の発明は請求項１、２、３又は４
の発明において、前記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、該表示光学系全体と
して正の屈折力を有することを特徴としている。

【００１４】請求項６の発明は請求項１の発明におい
て、前記レンズ体はガラス部材で構成されることを特徴
としている。

【００１５】請求項７の発明は請求項１の発明におい
て、前記光学面Ａと前記曲面Ｂはシリンドリカル面であ
ることを特徴としている。

【００１６】請求項８の発明は請求項１の発明におい
て、前記光学面Ａは金属のハーフミラーであることを特
徴としている。

【００１７】請求項９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手段と、該照
明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側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互
いに共有する透過兼反射の両作用を有する曲率光学面Ａ
を有し、該曲率光学面Ａと該表示手段と反対側に曲面Ｂ
を有し、該曲率光学面Ａと該曲面Ｂとでレンズ体を形成
し、該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体の曲
率光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段
からの反射光は、該曲率光学面Ａを透過し、該レンズ体
に入射し、該曲面Ｂを射出して、複数の反射面で反射し
た後、瞳に導かれて表示手段に表示した画像の拡大像を
形成し、該表示手段のローカル母線断面上（該照明手段
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
準光線の入射光と射出光を含む面）での最周辺画像のう
ち、眼球より遠いほう側の最周像高Ｆ３と眼球中心とを
通る光線をＦ３眼球中心光線、眼球より近いほう側の最
周辺像高Ｆ２と眼球中心とを通る光線をＦ２眼球中心光
線とした時、Ｆ３眼球中心光線のほうが、Ｆ２眼球中心
光線より表示光学系における該レンズ体内の光路長が長
いことを特徴としている。

【００１８】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て、前記表示光学系における前記レンズ体の前記曲率光
学面Ａのローカル母線断面曲率が、前記曲面Ｂのローカ
ル母線断面曲率より強いことを特徴としている。

【００１９】請求項１１の発明は請求項１０の発明にお
いて、前記表示手段のローカル母線断面上での各像高と
眼球中心とを通る各像高の眼球中心光線における表示光
学系中の該レンズ体内の光路長が、前記Ｆ２眼球中心光
線側から前記Ｆ３眼球中心光線側になるにつれて徐々に
長くなることを特徴としている。

【００２０】請求項１２の発明のヘッドマウントディス
プレイは、請求項１から１１のいずれか１項の画像表示
装置を有したことを特徴としている。

【００２１】

【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Ｅが位置している。

【００２２】２は自由曲面プリズム、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は光学面５と曲面１４を含
むブーメラン型レンズ、８，９は偏光板、１２は第１の
自由曲面ミラー、１３は第２の自由曲面ミラー（第２の
光学部材）である。

【００２３】符番４，５で示されるものは照明光学系の
一要素を構成し、符番３，５，１４，２又は符番３，
５，１４，１２，１３で示されるものは表示光学系の一
要素を構成している。

【００２４】本実施形態では、照明光源４からの光量の
ロスをなるべく少なくするために、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。例えば表示光学系に自由曲面プリズム２を
使用した場合は、自由曲面プリズム２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。また図５
に示すように、表示光学系に２枚の自由曲面ミラー１
２，１３を使用した場合は、自由曲面ミラー系（１２，
１３）と反射型液晶３との間に照明光学系を構成する部
材を設けている。

【００２５】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。

【００２６】表示手段の画像中心（外界を観察する為の
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。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項目で説明する。

【００２７】次に本発明の各実施形態について説明す
る。図１〜５は本発明の実施形態１〜５の光路断面図
（ローカル母線断面図）である。実施形態１〜２は反射
型ＬＣＤ３が照明光源４からの光束でほぼ垂直入射照明
されるタイプのものであり、本発明の実施形態３〜５は
反射型ＬＣＤ３が照明光源４からの光束で斜入射照明さ
れるタイプのものである。

【００２８】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
ことが知られている。

【００２９】実施形態１〜２はこれを解決するために、
反射型ＬＣＤ３を垂直入射の光束で照明させている。照
明光源４から発せられ、表示手段３の画像中心３ａと眼
球中心１ａとを通る基準光線の反射型表示手段３への入
射角度は０度±１０度としている。この範囲を超えると
コントラスト低下が目立ってしまう。また強誘電液晶
（ＦＬＣ）などは特性が異なり、かなりの斜め射出光で
もコントラストが落ちることはないため、ほとんどどの
角度からでも良質な画質が観察される。そこで実施形態
３〜５はこの液晶（ＦＬＣ）を想定し、反射型ＬＣＤ３
を斜入射の光束で照明させて光学系全体を薄型化し、か
つコントラスト落ちのない良質な画質を得ている。

【００３０】図１、図２（実施形態１，２）は反射型Ｌ
ＣＤ３（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、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、
緑色、赤色）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の液晶側の光学面Ａ（ハーフ
ミラー）５で反射され、反射型ＬＣＤ３にほぼ垂直（０
度±１０度）で入射する。そして反射型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。

【００３１】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ＯＦ
ＦまたはＯＮ）、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。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度ずれている場合は
（液晶内部の偏光方向の回転が９０度）、偏光板８で直
線偏光化された光が、光学面（ハーフミラー）５で反射
せず透過して行く光（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Ｌ
ＣＤ３が表示面側近傍に不図示の１枚偏光板で表示させ
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１１に
入射、全反射面（透過面Ｃ）６で全反射し、凹面鏡１０
で反射、今度は全反射面（透過面Ｃ）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。

【００３２】実施形態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
面を光学面Ａ（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。

【００３３】実施形態１ではブーメラン型レンズ７の両
面５，１４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ＬＣＤ３と光学面
５を近くすることができ、コンパクト化・広画角化を可
能としている。またブーメラン型レンズ７の他方の曲面
１４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。もちろんブ
ーメラン型レンズ７の両面に、ローカル子線断面方向の
パワーが弱く、ローカル母線断面方向にパワーが強い自
由曲面を使用すれば、同等の効果が得られ、さらに良好
な光学系性能が得られる。

【００３４】実施形態２ではブーメラン型レンズ７の両
面５，１４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。また他方の曲面１４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。

【００３５】本発明に係る表示系に含まれる自由曲面プ
リズムは（実施形態１〜４共通）、自由曲面プリズムの
メインパワーを持つ凹面鏡１０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する。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Ｃ）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。

【００３６】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１１を自由曲面化して
全体収差のバランスをとっている。

【００３７】全反射面（透過面Ｃ）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。

【００３８】図３、図４（本発明の実施形態３，４）は
反射型ＬＣＤ３と自由曲面プリズム２との間に、ブーメ
ラン型レンズ７を配置している。実施形態１，２と構成
的に違うのは反射型ＬＣＤ３への照明光線の入射角度が
垂直でなく、斜入射照明になっていることである。

【００３９】ＲＧＢ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の液晶側の光学面Ａ（ハ
ーフミラー）５で反射され、反射型ＬＣＤ３に斜入射
し、反射型ＬＣＤ３で斜め方向に反射された光は、光学
面５を今度は透過してブーメラン型レンズ７の面１４か
ら射出後、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ＯＮ）、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。

【００４０】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（ハーフミラー）５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１１に入射、全反射面
（透過面Ｃ）６で全反射し、凹面鏡１０で反射した後に
全反射面（透過面Ｃ）６を透過して眼球の瞳Ｅに導かれ
る。

【００４１】実施形態３，４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
面を光学面Ａ（ハーフミラー）５とすることにより、実
施形態１，２と同様に照明系と表示系をコンパクトなも
のにしている。また斜入射照明により、反射型ＬＣＤ３
のローカル母線断面上での下側最周辺像高Ｆ３側の反射
型ＬＣＤ３と自由曲面プリズム２との間隔を、実施形態
１，２よりもさらに短くできるため、反射型ＬＣＤ３の
出っ張りが少なくでき、光学系全体の薄型化及び表示系
の広画角化を容易にしている。

【００４２】実施形態３，４ではブーメラン型レンズ７
の両面を、母線断面のみパワーを持つシリンドリカル面
にして、ローカル子線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
ＬＣＤ３と光学面５を近くすることができ、コンパクト
化と広画角化の双方を容易にしている。また他方の曲面
１４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。もちろんロ
ーカル子線断面方向のパワーが弱く、ローカル母線断面
方向にパワーが強い自由曲面を使用すれば、同等の効果
が得られ、さらに良好な光学系性能が得られる。

【００４３】また実施形態４では、ブーメラン型レンズ
７の該光学面（シリンドリカル面）５のローカル母線断
面上での曲率を、実施形態３よりもゆるめに設定して、
反射型ＬＣＤ３と平面照明光源４が十分干渉しないよう
にしている。

【００４４】図５（実施形態５）は２つの自由曲面ミラ
ー１２，１３を用いている。そして反射型ＬＣＤ３と自
由曲面ミラー１３との間の光路中に、ブーメラン型レン
ズ７を配置している。

【００４５】実施形態３、４と同じように、反射型ＬＣ
Ｄ３への照明光線の入射角度は斜入射照明になってい
る。ＲＧＢ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の液晶側の光学面（ハーフミラ
ー）５で反射され、反射型ＬＣＤ３に斜入射し、反射型
ＬＣＤ３で斜め方向に反射された光は、光学面５を今度
は透過してブーメラン型レンズ7の面１４を射出後、偏
光板９に入射する。

【００４６】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ＯＮ）、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。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（ハーフミラー）５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、眼球の瞳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。

【００４７】偏光板９を射出後、光はハーフミラー面１
３ａを有する自由曲面ミラー１３に入射反射し、もう一
枚の自由曲面ミラー１２で反射、ハーフミラー面１３ａ
の自由曲面ミラー１３を透過して眼球の瞳Ｅに導かれ
る。

【００４８】実施形態５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、実施形
態１，２と同様に照明系（４，７）と表示系（３，７，
１２，１３）をコンパクトなものにしている。また斜入
射照明により、反射型ＬＣＤ３のローカル母線断面上で
の、チルト偏心量（時計回転方向）を大きくできるた
め、反射型ＬＣＤ３の出っ張りが少なくでき、光学系全
体の薄型化を容易にしている。

【００４９】実施形態５ではブーメラン型レンズ７の両
面５，１４を、母線断面のみパワーを持つシリンドリカ
ル面にして、ローカル子線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ＬＣＤ３と光学面５を近くすることができ、コンパ
クト化を容易にしている。また他方の曲面１４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。もちろんローカル子線断
面方向のパワーが弱く、ローカル母線断面方向にパワー
が強い自由曲面を使用すれば、同等の効果が得られ、さ
らに良好な光学系性能が得られる。

【００５０】本発明の画像表示装置では、反射型の表示
手段と、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（５）はローカル母線断面
（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の入射光と射出光を含む面）上
で曲率を有し、該光学面Ａの該表示手段と反対側に他方
の曲面Ｂ（１４）を有するレンズ体が存在し、該照明光
源手段から発せられた光線は、該レンズ体（ブーメラン
型レンズ）の該光学面Ａで反射して該表示手段を照明
し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを今度は透
過し、該レンズ体（ブーメラン型レンズ）を射出して、
複数の反射面で反射した後、眼球に導かれ表示手段に表
示した画像の拡大像を形成し、該表示光学系における該
レンズ体（ブーメラン型レンズ）の該光学面Ａのローカ
ル母線断面曲率半径を local_ryＡ、他方の曲面Ｂのロ
ーカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとした時、local_
ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、０．４＜ local_ryＡ／ local_ryＢ＜２．０・・・（１）を満たす。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に至る光路中に配置した各部材
より成っている。また照明光学系は、照明光源から表示
手段（反射型液晶）直前の面に至るころ中に配置した各
部材より成っている。なおローカル母線断面曲率半径の
説明は、後述の項目に記す。

【００５１】条件式（１）の下限値を下回ると、光学面
Ａと曲面Ｂよりなる該レンズ体（ブーメラン型レンズ）
の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像高Ｆ３側でのコバ肉
厚が厚くなり大型化する。上限値を上回った時は、実施
形態３〜５のような斜入射照明系における、光学面Ａと
曲面Ｂよりなる該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の眼
球側でのコバ肉厚が薄くなるため、レンズ体（ブーメラ
ン型レンズ）の全体の肉厚を厚くしなければならず、大
型化してしまう傾向がある。

【００５２】また実施形態１〜２（垂直入射照明系）の
該レンズ体（ブーメラン型レンズ）は、斜入射照明系よ
りも大きさが短いため、条件式（１）の上限値を（２）
式のようにするのが良い。ここで上限値１．３を超える
と眼球側でのコバ肉厚が足りなくなる。

【００５３】０．４＜ local_ryＡ／ local_ryＢ＜１．３・・・（２）本発明の画像表示装置はパワーを持った該光学面Ａが複
数面あっても構わないが、１面のみとすることにより照
明光源から反射型液晶までの光路長が短くできるため、
コンパクト化が容易となる。

【００５４】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Ａと光学面Ｂを透過し
て、複数の反射面（６，１０）で光線を折り畳むことに
より、表示光学系の水平方向の厚さを薄くしている。ま
た該複数の反射面を偏心曲率面とすると、該複数の反射
面自体がパワーを持つため、別体の屈折レンズ等を必要
とせず、曲率反射面の偏心量を適切に設定することによ
りコンパクトな表示光学系を得ている。尚、レンズ体７
はryＡ＝ryＢとし、ノンパワーであっても良い。

【００５５】又、本発明の画像表示装置では反射型の表
示手段と、照明光源手段と、該照明光学系と、該表示光
学系を有し、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曲率光学面Ａと、該曲率光学
面Ａの該表示手段と反対側に他方の曲面Ｂを有するレン
ズ体が存在し、該照明光源手段から発せられた光線は、
該レンズ体の曲率光学面Ａで反射して該表示手段を照明
し、該表示手段からの反射光は、該曲率光学面Ａを今度
は透過し、該レンズ体を射出して、複数の反射面で反射
した後、眼球に導かれ拡大像を形成する。

【００５６】このとき、該表示手段のローカル母線断面
上（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の入射光と射出光を含む面）
での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺像
高Ｆ３と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線と
し、眼球より近いほう側の最周辺像高Ｆ２と眼球中心と
を通る光線をＦ２眼球中心光線とした時、Ｆ３眼球中心
光線のほうが、Ｆ２眼球中心光線より表示光学系におけ
る該レンズ体内の光路長が長くなるようにしている。

【００５７】一般的に、自由曲面プリズムと透過型ＬＣ
Ｄのみの表示光学系では、自由曲面プリズムが広画角に
なる程、Ｆ３像高側の自由曲面プリズムとＬＣＤの間隔
（バックフォーカス）を十分確保するのが難しくなる。

【００５８】そこで反射型ＬＣＤのため、該レンズ体
（ブーメラン型レンズ）をこの間隔に挿入する必要があ
り、Ｆ３像高側の該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の
肉厚を、Ｆ２像高側の該レンズ体（ブーメラン型レン
ズ）の肉厚より厚くすると、自由曲面プリズムとＬＣＤ
の間隔のin airでの換算バックフォーカスが、Ｆ３像
高側のバックフォーカスほうが短くなり、広画角で良好
は光学性能が得られやすくなる。またこのような肉厚の
該レンズ体とすることにより、反射ＬＣＤ面と自由曲面
プリズムの入射面を平行配置にしやすくなり、反射型Ｌ
ＣＤに対しテレセントリック光学系が成り立ち（Ｆ３像
高とＦ２像高に関して）、垂直入射照明の光学系に最適
なものとしている。

【００５９】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以上を満足させるのが良い。
◎ 該照明光源手段は赤色、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
の画像を時分割表示することである。

【００６０】一般的に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反射型
液晶と３種類色のＬＥＤ（ＲＧＢ）の組み合わせを使用
すると、総画素数がカラーフィルター方式液晶の１／３
ですむため、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。 ◎ 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である。

【００６１】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
断面上の正の全系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。 ◎ レンズ体（ブーメラン型レンズ）をガラス部材で構
成することである。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１、表示光学系中に他の偏光板
を２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。

【００６２】そこで、この間に該レンズ体（ブーメラン
型レンズ）を入れるが、該レンズ体をガラス部材で構成
することにより、該レンズ体が全く複屈折性を持たなく
なり、材料の光弾性が目で観察されることがなく、良好
な表示系の画像が得られる。 ◎ レンズ体の光学面Ａに母線断面のみパワーを持つシ
リンドリカル面を採用するのが良い。これによれば子線
断面またはローカル子線断面方向のパワーがないため、
ローカル子線断面上での収差発生を極力少なくでき、か
つ子線断面またはローカル子線断面方向に面形状が湾曲
しないため、反射型ＬＣＤ３と光学面Ａを近くすること
ができ、コンパクト化と広画角化が容易となる。

【００６３】そしてレンズ体の他方の曲面Ｂも該光学面
Ａと同様にシリンドリカル面を採用するのが良い。これ
によれば表示光学系における該レンズ体（ブーメラン型
レンズ）での収差発生を抑えることが容易となる。 ◎ レンズ体の光学面Ａには金属のハーフミラーを採用
することである。これは多層の誘電体膜によるハーフミ
ラーだと、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率が異なり、どちらか
の位相遅れが生るため、照明光源からの光は該光学面Ａ
への入射角度によっては、偏光板１によって直線偏光化
された光が該光学面Ａでの反射で楕円偏光に変わってし
まい、反射型ＬＣＤで反射した後の偏光板で不要光を十
分カット出来ず、表示光学系のコントラスト落ちにつな
がる。しかしながら金属のハーフミラーならこのような
ことがないので、良好は画質を得ることができる。 ◎ 該表示光学系における該レンズ体の該曲率光学面Ａ
のローカル母線断面曲率が、他方の曲面Ｂのローカル母
線断面曲率より強くすることである。即ち曲率光学面Ａ
の曲率半径が曲面Ｂの曲率半径よりも短くすることであ
る。これによれば、Ｆ３像高側の肉厚も厚く、しかも照
明光学系も小さくすることができる。 ◎ 該表示手段のローカル母線断面上での、各像高と眼
球中心とを通る各像高の眼球中心光線における表示光学
系中の該レンズ体内の光路長が、該Ｆ２眼球中心光線側
からＦ３眼球中心光線側になるにつれて徐々に長くする
ことである。これによれば、全ての像高に関してテレセ
ントリック光学系が容易に成り立ち、垂直入射照明の光
学系に更に最適なものとなる。

【００６４】つぎに本発明で使っているローカル近軸に
ついて説明する。

【００６５】図１〜図５は各々本発明の後述する数値実
施形態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。

【００６６】なお前述した従来の母線断面、子線断面は
従来の近軸(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。

【００６７】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と眼球７の中心１ａを通る光
線を基準光線とし、従来の各面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。

【００６８】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。

【００６９】なお本発明の各数値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。

【００７０】本発明では５つの数値実施例をあげた。数
値実施例１〜５の数値データを表−１〜表−５（表１〜
１６）に示し、光路断面図を図１〜５に示した。

【００７１】表−１〜表−５の従来の近軸では（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は眼球１から液
晶３側へおよび照明光源への逆トレースの数値データで
ある。

【００７２】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*y
³+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）

【００７３】

【数１】

【００７４】子線断面は平面（rx=∞）である。

【００７５】ＡＬの定義式は回転対称非球面で（各面の
面頂点座標系で）

【００７６】

【数２】

【００７７】h² = x² + y², r = rx = ry である。

【００７８】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。

【００７９】

【表１】

【００８０】

【表２】

【００８１】

【表３】

【００８２】

【表４】

【００８３】

【表５】

【００８４】本発明のヘッドマウントディスプレイは、
図１〜図５に示す構成からなる装置を画像表示装置５
１，５２を図６に示すように観察者５０の左右の眼にそ
れぞれ設け、固定手段５３により観察者の頭部に着脱可
能に固定している。

【００８５】

【発明の効果】本発明によれば、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を達成することができる。

【００８６】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部断面図

【図２】本発明の実施形態２の要部断面図

【図３】本発明の実施形態３の要部断面図

【図４】本発明の実施形態４の要部断面図

【図５】本発明の実施形態５の要部断面図

【図６】本発明の画像表示装置をＨＭＤに適用したと
きの要部外略図

【符号の説明】

１眼球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Ａ６透過面Ｃ（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１９偏光板２１０自由曲面プリズムの凹面鏡１１自由曲面プリズムの入射面１２自由曲面ミラー１１３自由曲面ミラー２１４曲面Ｂ

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射型の表示手段と、該表示手段を照明す
る照明手段と、該照明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側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互いに共有する透過兼反
射の両作用を有する光学面Ａを有し、該光学面Ａはロー
カル母線断面（該照明手段から発せられ該表示手段の画
像中心と瞳中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む
面）上で曲率を有し、該光学面Ａの該表示手段と反対側
に曲面Ｂを有し、該光学面Ａと光学面Ｂとでレンズ体を
形成し、該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体
の該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手
段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に
入射し、光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した
後、瞳に導かれて、表示手段に表示した画像の拡大像を
形成し、該表示光学系における該レンズ体の該光学面Ａ
のローカル母線断面曲率半径を local_ryＡ、該曲面Ｂ
のローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとした時、lo
cal_ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、０．４＜ local_ryＡ／ local_ryＢ＜２．０・・・（１）を満たすことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】前記照明光学系と前記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
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】前記表示手段からの反射光は、前記レンズ
体を射出した後、偏心曲率面である複数の反射面で反射
し、瞳に導かれることを特徴とする請求項１の画像表示
装置。
【請求項４】前記照明手段は複数の色光を時分割で放射
する時分割光源であり、該表示手段は該時分割光源から
放射される色光に合わせて各色光に基づく画像を時分割
表示することを特徴とする請求項１，２又は３の画像表
示装置。
【請求項５】前記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、該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請求項１，２，３
又は４の画像表示装置。
【請求項６】前記レンズ体はガラス部材で構成されるこ
とを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項７】前記光学面Ａと前記曲面Ｂはシリンドリカ
ル面であることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項８】前記光学面Ａは金属のハーフミラーである
ことを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項９】反射型の表示手段と、該表示手段を照明す
る照明手段と、該照明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側に導く表
示光学系を有した画像表示装置において、該照明光学系
と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を
有する曲率光学面Ａを有し、該曲率光学面Ａと該表示手
段と反対側に曲面Ｂを有し、該曲率光学面Ａと該曲面Ｂ
とでレンズ体を形成し、該照明手段から発せられた光線
は、該レンズ体の曲率光学面Ａで反射して該表示手段を
照明し、該表示手段からの反射光は、該曲率光学面Ａを
透過し、該レンズ体に入射し、該曲面Ｂを射出して、複
数の反射面で反射した後、瞳に導かれて表示手段に表示
した画像の拡大像を形成し、該表示手段のローカル母線
断面上（該照明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の入射光と射出光を含む面）
での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周像高
Ｆ３と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線、眼球
より近いほう側の最周辺像高Ｆ２と眼球中心とを通る光
線をＦ２眼球中心光線とした時、Ｆ３眼球中心光線のほ
うが、Ｆ２眼球中心光線より表示光学系における該レン
ズ体内の光路長が長いことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】前記表示光学系における前記レンズ体の
前記曲率光学面Ａのローカル母線断面曲率が、前記曲面
Ｂのローカル母線断面曲率より強いことを特徴とする請
求項９の画像表示装置。
【請求項１１】前記表示手段のローカル母線断面上での
各像高と眼球中心とを通る各像高の眼球中心光線におけ
る表示光学系中の該レンズ体内の光路長が、前記Ｆ２眼
球中心光線側から前記Ｆ３眼球中心光線側になるにつれ
て徐々に長くなることを特徴とする請求項１０の画像表
示装置。
【請求項１２】請求項１から１１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。