【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、反射型の液晶表示素子に表示された画像情報を接眼光学系を介して拡大して観察する電子ビューファインダやヘッドマウントディスプレイ等に好適な画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、画像表示装置の一分野として、画像表示素子に表示された画像情報を、観察者が接眼光学系を介して虚像として観察するものが知られている。例えば、デジタルカメラの電子ビューファインダや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がこのような装置である。
これらの画像表示装置では、装置を観察者の頭部に装着する必要性や装置の利便性向上のために、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。画像表示装置の照明光学系では、例えばプロジェクタ装置等にはフライアイレンズを用いた照明光学系がよく知られているが、部材数が多くサイズも重量も大きくなるため、この分野の装置の照明光学系としては適さない。
【０００３】
また、画像表示素子としては、近年、ＴＦＴ液晶表示素子よりも解像度を高くすることのできる強誘電液晶を使用した反射型液晶表示素子が利用され始めている。基板にシリコン基板を使用している反射型のため、それを照明するためにバックライトでなくフロントライトを配する装置構成となる。反射型の液晶表示素子を用いた場合、装置全体の小型化を図るには、このフロントライトを装置内に適切に組み込む必要がある。
【０００４】
図３は、従来よりある、反射型液晶表示素子に表示された画像情報を接眼光学系を介して観察を行なうタイプの画像表示装置の概略構成を示している。点光源２０より発せられた光は、発散光束として偏光分離素子２３に入射されるが、偏光分離素子２３が曲面状の偏光分離面を有しているので、反射型液晶表示素子２４に入射される照明光は略平行光束とされる。一般に液晶表示素子は、光線の入射角度が変わるとコントラストが変化するという特性を有しているので、テレセントリック性が重要となることはよく知られたとおりである。
【０００５】
図３においては、偏光分離素子２３は放物面状の反射面を有しており、点光源２０がその焦点位置に配されている。偏光分離素子２３は点光源２０からの入射光のうち所定の偏光成分（例えばＳ偏光成分）のみを反射し、液晶表示素子２４に導く。この液晶表示素子２４において所定の画像情報に応じて変調された反射光（投映光）は、入射した偏光成分と直交する偏光成分（例えばＰ偏光成分）とされて偏光分離素子２３に再入射するので、偏光分離素子２３を透過して接眼光学系２５に入射される。
【０００６】
反射型液晶表示素子に対し垂直方向から照明光を入射させる構成においては、偏光分離素子を配して照明光と投映光を分離させる構成が一般的であるので、このような構成によれば、偏光分離素子２３を曲面状に形成することにより、部材点数を増加させることなく発散光束を略平行光束に変換して液晶表示素子２４に入射させることができる。したがって、画像表示装置全体の小型化に適した構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この構成は、画像表示素子に表示された画像情報を良好に観察できるかという点では、問題がある。図３に示されるとおり、この構成では液晶表示素子２４から接眼光学系２５を介して観察者の瞳までの光路中に、偏光分離素子２３という曲面を持った素子が挿入されていることになる。そのため、液晶表示素子２４からの投映光が偏光分離素子２３を透過する際に、この曲面の影響を受け、収差が増大したり、像が歪む等の悪影響がでる虞がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、反射型の画像表示素子に表示された画像情報を接眼光学系を介して拡大して観察する画像表示装置において、少ない部材数でありながら発散光束を集光させて画像表示素子に入射させ、かつ画像表示素子に表示された画像情報を良好に観察できる画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像表示装置は、光源からの光が、反射型画像表示素子において所定の画像情報に応じて変調され、投映光として射出されて接眼光学系を介し観察者の瞳に導かれる画像表示装置において、
前記光源からの光が発散される位置に配された、集光作用を有する照明光学系と、
この照明光学系により形成された照明光のうち所定の偏光成分を持つ光のみを反射または透過して、前記反射型画像表示素子へ導き、かつ、該反射型画像表示素子からの前記投映光のうち前記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光のみを透過または反射して、前記接眼光学系へ導く、屈折力がほぼ１とされた偏光分離素子とを備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記照明光学系により形成された前記照明光が略平行光束とされていることが好ましい。
【００１１】
また、前記照明光学系は１枚または複数枚のレンズにより構成されていてもよく、非球面ミラーにより構成されていてもよい。また、前記照明光学系はレンズとミラーを組み合わせて構成されていてもよい。
【００１２】
なお、上記「照明光のうち所定の偏光成分を持つ光のみを反射または透過して、前記反射型画像表示素子へ導き、かつ、該反射型画像表示素子からの前記投映光のうち前記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光のみを透過または反射して、前記接眼光学系へ導く」とは、照明光のうち所定の偏光成分を持つ光のみを反射して前記反射型画像表示素子へ導き、該反射型画像表示素子からの前記投映光のうち前記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光のみを透過して前記接眼光学系へ導くか、または、照明光のうち所定の偏光成分を持つ光のみを透過して前記反射型画像表示素子へ導き、該反射型画像表示素子からの前記投映光のうち前記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光のみを反射して前記接眼光学系へ導くかの、いずれかであることを示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の２つの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。
【００１４】
光源１０より発せられた光は、発散された状態で、集光作用を有する照明光学系としてのレンズ１１に入射される。このレンズ１１により集光された照明光のうち所定の偏光成分を持つ光のみが偏光分離素子１３により反射されて、反射型画像表示素子としての反射型液晶表示素子１４へ導かれる。照明光は液晶表示素子１４において所定の画像情報に応じて変調されて反射され、投映光として射出される。この投映光は液晶表示素子１４において反射され上記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光とされている。この上記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光のみが偏光分離素子１３により透過されて、接眼光学系１５を介し観察者の瞳に導かれる。偏光分離素子１３は屈折力がほぼ１とされた、光学的にパワーを有さない平面状の部材である。偏光分離素子１３の偏光分離面は、例えば、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するものとすることができる。
【００１５】
本実施形態によれば、液晶表示素子１４から接眼光学系１５を介して観察者の瞳までの光路中には、屈折力がほぼ１とされた、光学的にパワーを有さない平面状の偏光分離素子１３が配されているので、この面により収差が増大したり像が歪む等の悪影響が生ずる虞はなく、良好な光学性能を有した装置とすることができる。また、偏光分離素子１３の前段で発散光束を集光させるための部材としては、光源１０と偏光分離素子１３との間にレンズ１１を配しているだけであるので、従来タイプと比較すれば装置サイズは若干大きくなるが、十分用途に適った小型なものとすることができる。
【００１６】
なお、本実施形態においては反射型画像表示素子は液晶表示素子１４であるので、照明光は略平行光束であることが望ましく、レンズ１１は、入射する発散光束を集光し略平行光束として出射するようなレンズ１１とされていることが望ましい。また、レンズ１１は、必ずしも１枚のレンズからなるものに限られず、複数枚のレンズにより構成されていてもよい。また、照明光学系としては、レンズ１１の他に、光路を変向するためのミラーを備えることも可能である。
【００１７】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る画像表示装置と同様の部分については同様の符号を付している。光源１０より発せられた光は、発散された状態で、集光作用を有する照明光学系としての非球面ミラー１２に入射され、反射される。この非球面ミラー１１により集光された照明光のうち所定の偏光成分を持つ光のみが偏光分離素子１３により反射されて、反射型画像表示素子としての液晶表示素子１４へ導かれる。その後は第１の実施形態と同様である。
【００１８】
本実施形態においても、液晶表示素子１４から接眼光学系１５を介して観察者の瞳までの光路中には、屈折力がほぼ１とされた、光学的にパワーを有さない平面状の偏光分離素子１３が配されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、偏光分離素子１３の前段で発散光束を集光させるための部材としては、光源１０と偏光分離素子１３との間に非球面ミラー１２を配しているだけであるので、従来タイプと比較すれば装置サイズは若干大きくなるが、十分用途に適った小型なものとすることができる。
【００１９】
なお、本実施形態においては反射型画像表示素子は液晶表示素子１４であるので、照明光は略平行光束であることが望ましく、非球面ミラー１２は、入射する発散光束を集光し略平行光束として出射するように構成されていることが望ましい。放物面ミラーからなる非球面ミラー１２と、その焦点位置に配された光源１０とにより、このような構成が可能となる。また、集光作用を有する照明光学系としての非球面ミラー１２としては、このほか例えば、楕円面ミラーや双曲面ミラーを用いることも可能である。
【００２０】
なお、本発明に係る画像型表示装置としては、上記実施形態のものに対し種々の態様の変更が可能である。例えば、反射型画像表示素子としては、液晶表示素子に限られるものではない。一例としては、複数の微小鏡面素子を配列してなる微小鏡面素子パネル（ＤＭＤ素子）を用いることができる。
【００２１】
また、光源と接眼光学系との位置関係は上記実施形態として図示したものに限られない。光源から照明光学系を介し偏光分離素子に入射した光束のうち、所定の偏光成分を持つ光が透過されて反射型画像表示素子に入射され、その反射光のうちの上記所定の偏光成分と直交する偏光成分を持つ光が偏向分離素子で反射されて接眼光学系へ導かれるように構成することもできる。
【００２２】
また、光源としては、発散光が出力される点光源に限られるものではなく、照明光学系に入射される時点で発散光とされている場合には、本発明を適用可能である。具体的な光源としては、例えば、ＬＥＤやレーザを用いることができ、電球に比べ小型で長寿命の光源を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明の画像表示装置によれば、反射型の画像表示素子に表示された画像情報を、観察者が接眼光学系を介して拡大して観察する画像表示装置において、偏光分離素子の前段で発散光束を集光させているので、液晶表示素子から接眼光学系を介して観察者の瞳までの光路中には、平面状の偏光分離素子を配することができ、良好な光学性能を有した装置とすることができる。また、発散光束を集光させるための照明光学系も簡易な構成であるので、小型な画像表示装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置の概略構成図
【図３】従来の画像表示装置の概略構成図
【符号の説明】
１０、２０ 光源
１１ レンズ
１２ 非球面ミラー
１３、２３ 偏光分離素子
１４、２４ 反射型画像表示素子
１５、２５ 接眼光学系[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device, and more particularly, to an image display device suitable for an electronic viewfinder, a head-mounted display, or the like for enlarging and observing image information displayed on a reflective liquid crystal display element via an eyepiece optical system. It is.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as one field of an image display device, a device in which an observer observes image information displayed on an image display element as a virtual image via an eyepiece optical system is known. For example, an electronic viewfinder of a digital camera, a head mounted display (HMD), and a glasses type display are such devices.
In these image display devices, it is important to reduce the size and weight of the entire device in order to mount the device on the observer's head and to improve the convenience of the device. As an illumination optical system of an image display device, for example, an illumination optical system using a fly-eye lens is well known in a projector device or the like. However, since the number of members is large and the size and the weight are large, the illumination optical system in this field is used. Not suitable as an optical system.
[0003]
In recent years, as an image display element, a reflection type liquid crystal display element using a ferroelectric liquid crystal which can have a higher resolution than a TFT liquid crystal display element has begun to be used. Since it is a reflection type using a silicon substrate as the substrate, an apparatus configuration in which a front light is provided instead of a backlight to illuminate the reflection type is used. When a reflective liquid crystal display device is used, it is necessary to appropriately incorporate the front light into the device in order to reduce the size of the entire device.
[0004]
FIG. 3 shows a schematic configuration of a conventional image display device of a type that observes image information displayed on a reflective liquid crystal display element through an eyepiece optical system. The light emitted from the point light source 20 is incident on the polarization separation element 23 as a divergent light beam, but is incident on the reflection type liquid crystal display element 24 because the polarization separation element 23 has a curved polarization separation surface. Illumination light is substantially a parallel light flux. In general, a liquid crystal display element has a characteristic that the contrast changes when the incident angle of a light beam changes, so that it is well known that telecentricity is important.
[0005]
In FIG. 3, the polarization separation element 23 has a parabolic reflection surface, and the point light source 20 is disposed at the focal position. The polarization separation element 23 reflects only a predetermined polarization component (for example, an S-polarization component) of the incident light from the point light source 20 and guides it to the liquid crystal display element 24. The reflected light (projection light) modulated according to the predetermined image information in the liquid crystal display element 24 is converted into a polarization component (for example, a P-polarization component) orthogonal to the incident polarization component and re-enters the polarization separation element 23. Therefore, the light passes through the polarization beam splitter 23 and enters the eyepiece optical system 25.
[0006]
In a configuration in which illumination light is incident on a reflective liquid crystal display element from a vertical direction, a configuration in which a polarization splitting element is arranged to separate illumination light and projection light is generally used. By forming the polarization separation element 23 into a curved surface, the divergent light beam can be converted into a substantially parallel light beam and incident on the liquid crystal display element 24 without increasing the number of members. Therefore, the configuration is suitable for reducing the size of the entire image display device.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, this configuration has a problem in that the image information displayed on the image display element can be favorably observed. As shown in FIG. 3, in this configuration, an element having a curved surface called a polarization splitting element 23 is inserted in the optical path from the liquid crystal display element 24 to the pupil of the observer via the eyepiece optical system 25. . Therefore, when the projection light from the liquid crystal display element 24 is transmitted through the polarization separation element 23, the projection surface is affected by the curved surface, which may cause an adverse effect such as an increase in aberration or an image distortion.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and in an image display apparatus for enlarging and observing image information displayed on a reflection-type image display element via an eyepiece optical system, the image display apparatus diverges with a small number of members. It is an object of the present invention to provide an image display device capable of condensing a light beam and making it incident on an image display element, and capable of satisfactorily observing image information displayed on the image display element.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The image display device according to the present invention is an image display device in which light from a light source is modulated according to predetermined image information in a reflective image display element, emitted as projection light, and guided to an observer's pupil via an eyepiece optical system. In the display device,
An illumination optical system having a light condensing function, which is arranged at a position where light from the light source diverges,
Of the illumination light formed by this illumination optical system, only light having a predetermined polarization component is reflected or transmitted, guided to the reflection-type image display element, and of the projection light from the reflection-type image display element. And a polarizing beam splitter having a refractive power of approximately 1, which transmits or reflects only light having a polarization component orthogonal to the predetermined polarization component and guides the light to the eyepiece optical system. Things.
[0010]
Further, it is preferable that the illumination light formed by the illumination optical system is a substantially parallel light beam.
[0011]
Further, the illumination optical system may be constituted by one or a plurality of lenses, or may be constituted by an aspherical mirror. Further, the illumination optical system may be configured by combining a lens and a mirror.
[0012]
In addition, the above-mentioned "only light having a predetermined polarization component of the illumination light is reflected or transmitted, and guided to the reflection-type image display element, and the predetermined light of the projection light from the reflection-type image display element. Transmitting or reflecting only light having a polarization component orthogonal to the polarization component and guiding the light to the eyepiece optical system "means that only the light having a predetermined polarization component in the illumination light is reflected and the reflection type image display element is reflected. To the eyepiece optical system by transmitting only light having a polarization component orthogonal to the predetermined polarization component of the projection light from the reflection type image display element, or a predetermined one of the illumination light. Only the light having the polarization component is transmitted and guided to the reflection-type image display device, and only the light having the polarization component orthogonal to the predetermined polarization component is reflected out of the projection light from the reflection-type image display device. Whether to lead to the eyepiece optical system It is intended to indicate that is how.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, two embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of the image display device according to the first embodiment of the present invention.
[0014]
The light emitted from the light source 10 is diverged and incident on a lens 11 as an illumination optical system having a condensing action. Of the illumination light condensed by the lens 11, only light having a predetermined polarization component is reflected by the polarization separation element 13 and guided to a reflection type liquid crystal display element 14 as a reflection type image display element. The illumination light is modulated in the liquid crystal display element 14 according to predetermined image information, reflected, and emitted as projection light. The projection light is reflected by the liquid crystal display element 14 and has a polarization component orthogonal to the predetermined polarization component. Only light having a polarization component orthogonal to the predetermined polarization component is transmitted by the polarization separation element 13 and guided to the observer's pupil via the eyepiece optical system 15. The polarization beam splitter 13 is a planar member having a refractive power of approximately 1 and having no optical power. The polarization splitting surface of the polarization splitting element 13 may reflect, for example, S-polarized light and transmit P-polarized light.
[0015]
According to the present embodiment, in the optical path from the liquid crystal display element 14 to the pupil of the observer via the eyepiece optical system 15, a flat optically non-powered flat surface having a refractive power of almost 1 is provided. Since the polarization splitting element 13 is provided, there is no possibility that this surface will cause an adverse effect such as an increase in aberration or image distortion, and a device having good optical performance can be obtained. Further, as a member for condensing the divergent light beam in the previous stage of the polarization separation element 13, only the lens 11 is disposed between the light source 10 and the polarization separation element 13. Although the device size is slightly large, it can be made small enough for use.
[0016]
In this embodiment, since the reflection type image display device is the liquid crystal display device 14, the illumination light is desirably a substantially parallel light beam, and the lens 11 condenses the incident divergent light beam and emits it as a substantially parallel light beam. It is desirable that the lens 11 be such that Further, the lens 11 is not necessarily limited to a single lens, and may be configured by a plurality of lenses. Further, as the illumination optical system, a mirror for changing the optical path can be provided in addition to the lens 11.
[0017]
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of an image display device according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those of the image display device according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The light emitted from the light source 10 is diverged and is incident on an aspheric mirror 12 as an illumination optical system having a light condensing function, and is reflected. Of the illumination light condensed by the aspherical mirror 11, only light having a predetermined polarization component is reflected by the polarization separation element 13 and guided to a liquid crystal display element 14 as a reflection type image display element. Subsequent steps are the same as in the first embodiment.
[0018]
Also in the present embodiment, in the optical path from the liquid crystal display element 14 through the eyepiece optical system 15 to the pupil of the observer, a planar polarized light having an optical power of almost 1 and having no optical power. Since the separation element 13 is provided, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained. Further, as a member for condensing the divergent light beam before the polarization separation element 13, only the aspherical mirror 12 is arranged between the light source 10 and the polarization separation element 13, so that it is compared with the conventional type. If this is done, the size of the device will increase slightly, but it can be made small enough for use.
[0019]
In the present embodiment, since the reflection type image display device is the liquid crystal display device 14, the illumination light is desirably a substantially parallel light beam, and the aspherical mirror 12 condenses the incident divergent light beam to generate a substantially parallel light beam. It is desirable to be configured to emit light. Such a configuration becomes possible by the aspherical mirror 12 composed of a parabolic mirror and the light source 10 arranged at the focal position. Further, as the aspherical mirror 12 as an illumination optical system having a condensing function, for example, an elliptical mirror or a hyperboloidal mirror can also be used.
[0020]
It should be noted that the image display device according to the present invention can be modified in various ways with respect to the above embodiment. For example, the reflective image display device is not limited to a liquid crystal display device. As an example, a micro mirror element panel (DMD element) in which a plurality of micro mirror elements are arranged can be used.
[0021]
Further, the positional relationship between the light source and the eyepiece optical system is not limited to that shown in the above embodiment. Light having a predetermined polarization component of the light beam incident on the polarization splitting element from the light source via the illumination optical system is transmitted and incident on the reflective image display element, and is orthogonal to the predetermined polarization component of the reflected light. It is also possible to adopt a configuration in which light having a polarized component is reflected by the deflection / separation element and guided to the eyepiece optical system.
[0022]
Further, the light source is not limited to a point light source that outputs divergent light, and the present invention can be applied to a case where the light is divergent at the time of entering the illumination optical system. As a specific light source, for example, an LED or a laser can be used, and a light source having a smaller size and a longer life than a light bulb can be obtained.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the image display device of the present invention, in the image display device in which the observer enlarges and observes the image information displayed on the reflective image display device via the eyepiece optical system, Since the divergent light beam is condensed in front of the separation element, a planar polarization separation element can be arranged in the optical path from the liquid crystal display element through the eyepiece optical system to the pupil of the observer. A device having excellent optical performance can be obtained. Further, the illumination optical system for condensing the divergent light beam has a simple configuration, so that a small-sized image display device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image display device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an image display device according to a second embodiment of the present invention; FIG. Schematic configuration diagram of the device [Description of reference numerals]
10, 20 Light source 11 Lens 12 Aspherical mirror 13, 23 Polarization separation element 14, 24 Reflection type image display element 15, 25 Eyepiece optical system
