JP2004333938A - 表示光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型・小型で広画角表示に適した表示光学系を実現する。
【解決手段】少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線Ｌ０に対して偏心した第１の面１１と、この第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面１３とを含み、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する第１の光学系１と、少なくとも１つの面が中心画角主光線に対して偏心した曲面形状を有する第２の光学系２とを有する。第１の光学系は、入射した光を観察者の眼Ｅに向かわせ、第２の光学系は、光源からの光を画像形成素子４に向かわせるとともに、該画像形成素子で反射および変調された光を第１の光学系に向かわせる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型の画像形成素子に形成された原画を観察するための、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と称される画像表示装置に用いられる表示光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の画像形成素子を用い、この画像表示素子に表示された原画を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（いわゆるヘッドマウントディスプレイ）が知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイは、観察者の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。また、重量バランスや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。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像を提示できることが望まれている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１〜４においては、透過型の画像形成素子と、透明体の表面に入射面と複数の反射面と射出面とを設けた非回転対称面を有する光学素子（いわゆる自由曲面プリズム）を用いて、装置全体の薄型化を図ったヘッドマウントディスプレイが提案されている。
【０００５】
一方、ＬＣＤ等の画像形成素子の高精細化も進んでおり、従来と同程度の画素数を有し、且つ従来より小型化された画像形成素子が開発されている。このような小型化・高精細化の進んだ画像形成素子としては、反射型の画像表示素子が有望視されている。
【０００６】
但し、このような小型化された画像形成素子を用いつつ、従来と同様の観察画角を達成するためには、表示光学系の倍率を上げる必要があるが、倍率を上げると表示光学系は大型化し易い。
【０００７】
また、反射型画像形成素子を用いる場合、表示面側から照明光を入射する照明系を設ける必要があるため、さらに装置全体が大型化し易い。
【０００８】
これらの問題に対応する画像表示装置として、下記特許文献５，６には以下のようなものが提案されている。
【０００９】
特許文献５にて提案された画像表示装置は、自由曲面プリズムを２つ有し、一方の自由曲面プリズムをリレー光学系として用い、一旦中間像を形成してから、他方の自由曲面プリズムを接眼光学系として該中間像を観察者に導くことで、パネルサイズに対して広画角化を図っている。
【００１０】
また、一方の自由曲面プリズム内に４の字状に交差する光路を形成して光路長に対して光学系を小型にし、前述のようにリレー光学系として用いるのに加え、該プリズムを照明光学系として兼用することで小型化を図っている。
【００１１】
また、特許文献６にて提案された画像表示装置は、自由曲面プリズムを３つ有した表示光学系を有し、リレー光学系となる２つの自由曲面プリズムにより一旦中間像を形成してから、残りの自由曲面プリズムを接眼光学系として該中間像を観察者の眼に導く。これにより、画像形成素子のサイズに対して広画角化を図っている。また、該３つの自由曲面プリズムと画像形成素子との間に結像に寄与しない照明光学系を挿入している。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−３３３５５１号公報（図１等）
【特許文献２】
特開平８−５０２５６号公報（図１等）
【特許文献３】
特開平８−１６０３４０号公報（図１等）
【特許文献４】
特開平８−１７９２３８号公報（図１等）
【特許文献５】
特開２０００−１８７１７７号公報（図１等）
【特許文献６】
特開２００２−９０６９２号公報（図１等）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献５にて提案の画像表示装置では、一方の自由曲面プリズムのみを照明光学系として用いているため、照明光学系若しくは表示光学系の設計の自由度が不足し、光源のサイズが大きくなり易いというの問題がある。
【００１４】
また、光路長に対して表示光学系をコンパクト化するため、一方の自由曲面プリズム内に４の字光路を形成しているため、該プリズムの構成が限定されることとなる。
【００１５】
さらに、プリズムにおける１つの光学面から照明光を透過入射させた後、この面に戻ってきた表示光（画像形成素子で変調された光）を全反射させたり、該光学面での照明光の入射領域と表示光の反射領域とを分けたりすることについて言及されているが、照明光の入射面を含むプリズム内に４の字光路を形成することが必須であるために、上記のような言及事項を小型のプリズム等を用いて達成することはきわめて困難である。
【００１６】
また、特許文献６にて提案の画像表示装置では、３つの自由曲面プリズムと画像形成素子との間に結像に寄与しない照明光学系を挿入しているために、表示光学系の設計の制約条件が増えてしまい、更なる広画角化や小型化を図ることが難しい。
【００１７】
本発明は、小型化と広画角化との両立を図ることができる表示光学系を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、光源と、該光源からの光により照明され、原画を形成する反射型画像形成素子と、該画像形成素子からの光を観察者の眼に導く光学系とを有する表示光学系において、上記光学系は、少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面およびこの第１の面で反射した光線を再度第１の面に向けて反射する第２の面を含み、第１の面は、第２の面から該第１の面に再度入射した中心画角主光線を、該第１の面における中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する第１の光学系と、少なくとも１つの面が中心画角主光線に対して偏心した曲面形状を有する第２の光学系とを有する。そして、第１の光学系は、入射した光を観察者の眼に向かわせ、第２の光学系は、光源からの光（照明光）を画像形成素子に向かわせるとともに、該画像形成素子で反射および変調された光（表示光）を第１の光学系に向かわせる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１および図２はそれぞれ、本発明の実施形態１である表示光学系を有する画像表示装置を説明するための断面図および光路図である。本実施形態の画像表示装置は、いわゆるヘッドマウントディスプレイ等と称される頭部装着型の画像表示装置である。
【００２０】
図中、１は第１の光学系を構成する第１光学素子、２は第２の光学系を構成する第２光学素子、３は第３の光学系を構成する第３光学素子である。
【００２１】
第１光学素子１は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つの光学面１１，１２，１３を有したプリズム状の光学素子である。第２光学素子２は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つの光学面２１，２２，２３を有したプリズム状の光学素子である。第３光学素子３は、屈折率が１より大きい透明媒質上に２つの光学面３１，３２を有するレンズ状の光学素子である。
【００２２】
第１および第２光学素子１，２は反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：反射型画像形成素子）４から観察者の眼球Ｅへの表示光の光路を形成するための光学系を構成しており、第２および第３光学素子２，３は光源５から反射型ＬＣＤ４への照明光の光路を形成するための光学系を構成している。
【００２３】
Ｓは第１および第２光学素子１，２により形成される表示光用の光学系の射出瞳位置である。Ｌ０は反射型ＬＣＤ４の表示面の中心から射出して瞳Ｓの中心に到る中心画角主光線（以下、単に光線ともいう）であり、本実施形態では、表示光学系の光軸に相当する基準軸上の光線として扱う。なお、図１は、光線Ｌ０ないし光路に対して偏心した反射面に入射し、該反射面で反射する光線Ｌ０を含む平面での断面図である。
【００２４】
ここで、瞳Ｓの中心を原点とし、瞳Ｓの中心への光線Ｌ０の入射方向と逆方向（観察者の視軸方向）にＺ軸をとり、図の断面上でＺ軸に垂直な方向にＹ軸をとり、図の断面に垂直な方向にＸ軸をとった座標をグローバル座標系として定義する。
【００２５】
図２も、図１と同じく光線Ｌ０を含む断面における光路図であり、太線で中心画角主光線Ｌ０を示すとともに、反射型ＬＣＤ４のＹＺ断面での有効表示領域の両端から射出瞳Ｓの中心に至るＹＺ断面における最大画角主光線を実線で、反射型ＬＣＤ４の表示面の中心から射出瞳ＳのＹＺ断面での両端に至る中心画角マージナル光線を点線で示している。
【００２６】
まず、本実施形態における光路と光学作用を簡単に説明する。光源５からの光（照明光）は、照明光用の光学系を構成する第３光学素子３の面３１，３２を透過した後、表示光用および照明光用の光学系を構成する第２光学素子２の面２２，２３を透過して反射型ＬＣＤ４を照明する。
【００２７】
図１に示すように、反射型ＬＣＤ４には、これを駆動する駆動回路１０１が電気的に接続されており、さらに駆動回路１０１には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ、テレビ等の画像情報供給装置１０２が電気的に接続されている。駆動回路１０１は、画像情報供給装置１０２から入力された画像情報に応じて反射型ＬＣＤ４を駆動し、これに原画を形成させる。画像形成装置と画像情報供給装置により画像表示システムが構成される。
【００２８】
反射型ＬＣＤ４で原画に応じて変調され、反射された光（表示光）は、面２３から再度第２光学素子２内に入射し、面２２で反射し、面２１から第２光学素子２を射出して第１光学素子１へと向かう。
【００２９】
第１光学素子１において、表示光は面１２から第１光学素子１内に入射し、面１１，面１３，面１１，面１２の順で反射した後、面１１から第１光学素子１を射出し、射出瞳Ｓに至る。
【００３０】
このような光路を辿る際に、表示光が第１光学素子１や第２光学素子２の曲面により受ける光学作用によって、射出瞳Ｓの近傍に眼球Ｅを置いた観察者は、反射型ＬＣＤ４上に形成された原画の拡大像を観察することができる。
【００３１】
次に、第１光学素子１の構成と該素子１内の表示光路について詳述する。第１光学素子１の面１２は、例えば金属や誘電体の半透過反射膜コーティングが施されたハーフミラー面である。
【００３２】
面１２は表示光の入射面であると共に表示光の最終反射面としても機能する透過と反射の両作用を兼ね備えた透過反射兼用面である。また、面１１は、例えば半透過反射膜コーティングが施されたハーフミラー面であり、面１２から入射した表示光を反射して面１３に導き、さらに面１３で反射した光を再度、面１２に戻すように反射する反射面であると共に、表示光を第１光学素子１から射出させる射出面でもある。従って、面１１は透過と２回の反射との両作用を兼ねた兼用面である。
【００３３】
さらに、面１３は、例えばアルミや銀の金属膜や誘電体の反射膜が施された反射面であり、反射面１１で反射された表示光を再度、反射面１１に戻すように反射する。
【００３４】
光線Ｌ０を用いて第１光学素子１内の光路について詳述する。面１２から第１光学素子１に入射した光線Ｌ０は、Ｙ軸への射影での進行方向が正となるように面１１に向かい、面１１上のポイントａにθａの角度をもって入射し、面１１で反射されてＹ軸射影の進行方向が正となる状態を保ったまま面１３に導かれる。
【００３５】
面１３は、光線Ｌ０が面１３まで辿った光路を略逆方向に戻るように光線Ｌ０を反射する。本実施形態では、面１３までＹ軸射影の進行方向が正となるように進行してきた光を、逆向き、即ちＹ軸射影の進行方向が負となって進行するように反射させる。このように、面１３での入射光と反射光とのなす角度θが所定角度よりも小さい値になるように反射させることによって、光線Ｌ０のＹ軸射影での進行方向を逆向きにして、面１１での１回目の反射位置（ヒットポイント）ａの近傍のポイントｂに再度入射することで、面１１→面１３→面１１の光路を略重複させることができる。
【００３６】
面１３で反射された光線Ｌ０は、再度、面１１上のポイントｂに角度θｂで入射し、Ｙ軸射影での進行方向は負の状態を保ったまま反射される。すなわち、面１１における光線Ｌ０のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する。
【００３７】
本実施形態では、折り返し反射面１３での折り返し反射の作用を説明するのに、Ｙ軸射影を例にとり、面１３での前後でＹ軸射影での光線進行方向の正負が逆になると説明したが、必ずしも折り返し反射で光線進行方向の正負が変えられる射影がＹ軸射影である必要は無く、適宜選択可能である。即ち、面１１での初回反射位置ａでの面法線に対する入射光線の向きと、面１１での２回目の反射位置ｂでの面法線に対する入射光線の向きとが逆になっていることが必要な条件である。例えば、図１におけるθａ及びθｂの向きをそれぞれのヒットポイントａ，ｂにおける法線から見た該ヒットポイントに対して入射する光線の方向をそれぞれ反時計まわりを正とする方向で表せば、θａは負であり、θｂは正となっている。
【００３８】
面１１で２回目の反射を受けた光線Ｌ０は、再度、面１２に向かい、面１２における第１光学素子１への光線Ｌ０の入射位置近傍に到達する。従って、本実施形態では、面１２→面１１→面１３を往路とし、逆に面１３→面１１→面１２と辿る復路よりなる面１２→面１１→面１３→面１１→面１２の往復光路を形成して、この間の光路を略重複させている。光線Ｌ０は更に面１２で反射されて、面１１上のポイントｃに角度θｃで入射し、第１光学素子１を射出して瞳Ｓに向かう。
【００３９】
以上の構成において、面１１（偏心反射面）で反射された光を再度、面１１に逆向きに戻るように反射させる面１３での反射を折り返し反射と呼び、該面１３を折り返し反射面と呼ぶ。第１光学素子１内に折り返し反射面を配置して表示光を折り返し反射させることで、第１光学素子１内に光路が略重複した往復光路を形成することにより、光路長に対して、光学系をコンパクトにすることが可能となる。
【００４０】
また、光線Ｌ０に対して偏心した反射面として作用する面１１により、上記往路中で面１２→面１１→面１３の光路を折り畳み、且つ、光線Ｌ０に対して偏心した反射面として作用する２つの面１１，１２により上記復路中で面１３→面１１→面１２→面１１の光路を折り畳むことによって、第１光学素子１のＺ軸方向の厚みを抑え、該第１光学素子１を薄型の光学素子としている。
【００４１】
ここで、折り返し反射面（面１３）での反射の前後の反射面、例えば面１１での反射に着目した場合、面１１への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルのなす外積の方向が往路と復路でそれぞれ略正反対方向となる。本実施形態では、面１１のみが往路と復路で反射面として機能しているが、同様な面を複数設けて光路を形成することも可能である。
【００４２】
このように特徴付けられる折り返し反射面での反射を利用することにより、通常の対向した二面間で行われるいわゆるジグザグの反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ、狭い空間に長い光路を収めることができる。また、本実施形態では、面１１での反射が２回行われる場合を示しているが、本発明の表示光学系はこれに限定されることなく、複数回の折り返し反射により特定の反射面で３回以上反射させ、該反射面の光学パワーを利用するようにしてもよい。
【００４３】
また、本実施形態においては、折り返し反射面（面１３）での入射光と反射光（光線Ｌ０）とを含む断面（図の紙面）に対し、該断面を唯一の対称面として持つ面対称な形状であることが好ましい。このようにすると、各面に対して基準となる対称面が存在することになり、組み立て等が容易になる。しかしながら、入射光と反射光とが図の紙面内に存在する必要はない。つまり、折り返し反射面で反射される光に図の紙面に垂直な方向の成分を該折り返し反射面により与えるようにしてもよい。この場合、例えば、折り返し反射面に向けて光線Ｌ０を反射し、折り返し反射面で反射した光線Ｌ０が入射する面１１に着目すると、面１１への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積の方向が、往路と復路のそれぞれで鈍角をなすこととなる。また、該外積間（外積同士）のなす内積が負になることによっても光路の構成を特徴付けることもできる。
【００４４】
さらに、折り返し反射面だけでなく、他の反射面においても、反射する光に図の紙面に垂直な方向の成分を与えてもよい。
【００４５】
このようにすることで、各反射面は光線Ｌ０に対して図の紙面と垂直方向の偏心も有することとなり、光学設計の自由度を増加させることができる。
【００４６】
次に、本実施形態において、前述した面１３による折り返し反射を行うのに好適な条件について述べる。
【００４７】
折り返し反射面である面１３に対する光線Ｌ０の入射・反射で形成される角度θの範囲は
｜θ｜＜４５° ・・・（１）
であることが望ましい。この条件を超えると、折り返し反射による往復光路を形成するためには、各面の配置が非常に限定されてしまうため、好ましくない。一方、（１）を満たすように構成すれば、その他の面の配置構成等に関わらず折り返し反射による往復光路が形成されるため、光路長に対する光学系のサイズの小型化が比較的容易となる。
【００４８】
更に望ましくは、
｜θ｜＜３０° ・・・（２）
であるとよい。この条件を満足すると、面１２での反射・透過並びに面１１での２回の反射で用いる領域の重複度が高くなるため、光学系をよりコンパクトにすることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、第１光学素子１の面１１，１２，１３の少なくとも１つの面を曲面として、光学パワー（焦点距離の逆数）を持たせることが必要である。これにより、面１１，１２，１３の少なくとも１つの面を反射型ＬＣＤ４に形成された原画の像を拡大して瞳に導く際の結像作用に寄与させている。
【００５０】
望ましくは、面１１，１２，１３の全ての面が光学パワーを有していることが好ましい。これにより、結像に寄与しない面をなくすることができ、収差補正の自由度を高く保ったまま、使用する光学面数を減らしてコスト低減が図れる。
【００５１】
また、少なくとも面１１，面１２は、光線Ｌ０に対して偏心した反射面となっていることが必要であるが、これら偏心反射面に光学パワーを持たせると、偏心収差が発生する。この偏心収差を補正するために、通常の回転対称な面形状ではなく、面１１，１２を非回転対称な形状とすることが必要である。本実施形態の構成では、面１２での反射の際は比較的偏心が大きく、また通常、面１１に対して面１２は強い光学パワーを有するため、面１２での偏心収差の発生が著しくなる。従って、面１２を非回転対称面とすることで、該面で発生する偏心収差を補正することが好ましい。
【００５２】
更に望ましくは、第１光学素子１の全ての面１１，１２，１３を非回転対称面とすることで、収差補正能力が増し、高い光学性能が得られるようになる。
【００５３】
また、本実施形態では、第１光学素子１の面１１を、金属や誘電体の半透過反射膜を形成したハーフミラー面として説明したが、面１１での光束の反射を内部全反射としてもよい。面１１での反射において光線Ｌ０を例にとれば、θａ，θｂが第１光学素子１の媒質と外部の媒質（空気）との間で臨界角を超える角度で入射するようにして内部全反射させ、θｃを臨界角より小さい角度にして光を透過させるように構成する。これが光線Ｌ０以外（全ての有効光束）でも満たされるように構成しておけば、半透過反射膜を施す必要がなくなり、コスト削減が図れるとともに、該面での光量損失がきわめて少なくなるため、光利用効率が大幅に向上する。
【００５４】
また、面１１における透過光束と反射光束との共用領域においては、反射光束が内部全反射するように構成してもよい。この場合は、反射光束のみで用いられる領域には金属や誘電体の通常の（透過光量が略０になる）反射膜を施すことが必要になるが、反射光束の全てに対して内部全反射させる場合と比較してほとんど光利用効率の低下がない。しかも、制限条件となる光線の入射角条件が一部光束で取り払われるため、設計における自由度が増し、光学性能の向上が図りやすくなる。
【００５５】
このように反射膜による反射と内部全反射との両方を行わせるようにする場合は、反射膜による反射領域から内部全反射領域に近づくにつれて反射率が低下するようなグラデーション反射膜を用いると、反射膜による反射領域と内部全反射領域との反射率変化による境目が観察時に目立たなくなるため、好ましい。
【００５６】
なお、第１光学素子１は以上説明した構成に限るものでなく、構成を変更することにより光路の重複度合いを変更することも可能である。これにより、残りの光路長をコントロールできるため、第２光学素子２の構成選択の幅を広くすることができる。従って、第１光学素子および第２光学素子の組み合わせが複数選択でき、要求仕様に合わせるための自由度が豊富となるため、高い光学性能を実現することが可能である。
【００５７】
次に、第２光学素子２について詳述する。本実施形態では、第２光学素子２は、照明光の射出面および表示光の入射面として作用する面２３と、照明光の入射面および表示光の反射面として作用する面２２と、表示光の射出面として作用する面２１とを有する。
【００５８】
面２２は、例えば金属や誘電体による半透過反射膜を形成することにより、ハーフミラー面として構成されている。光線Ｌ０を用いて表示光路を説明すると、反射型ＬＣＤ４の表示面の有効表示領域の中心から発した光線Ｌ０は、面２３から第２光学素子２に入射し、光線Ｌ０に対して偏心した反射面である面２２で反射し、面２１より射出して、第１光学素子１の光線Ｌ０の入射位置に導かれる。
【００５９】
本実施形態では、第２光学素子２も光線Ｌ０に対して偏心した曲面を有することが必要である。このため、第２光学素子２を有効的に結像作用に利用しながら、小型の光学素子とすることが可能である。本実施形態の第２光学素子２では、少なくとも面２２は光線Ｌ０に対して偏心した曲面の反射面である。
【００６０】
このように偏心反射面を用いることにより、有効光束を導く方向や面配置の自由度が高くなるために、第２光学素子２の小型化や表示光学系全体の小型化を図ることができる。勿論、面２１や面２３を光線Ｌ０に対して偏心させ、更に面の配置自由度を高めた構成としても構わない。
【００６１】
但し、偏心した曲面を用いると偏心収差が発生するため、該偏心曲面を非回転対称面で形成して偏心収差の発生を抑制し、光学性能を向上させることが好ましい。更に望ましくは、第２光学素子の全ての面を非回転対称面とすると、第１光学素子１の偏心曲面での残存偏心収差も含めた表示光用の光学系全系での偏心収差を補正することが可能となり、非常に高い光学性能を有する表示光学系とすることができる。
【００６２】
なお、第１光学素子１と第２光学素子２とから構成される表示光用の光学系は、その内部にて、反射型ＬＣＤ４に形成された原画の中間像を一旦形成し、該中間像を拡大して瞳に導く、１回結像光学系とすることが好ましい。図２においては、第１光学素子１内に点線Ａで示した位置の近辺に中間像が形成されるように構成されている。
【００６３】
このように構成すると、リレー光学系としての第１および第２光学素子１，２の結像倍率の自由度が増えることや、接眼光学系としての第１光学素子および第２光学素子１，２に対する反射型ＬＣＤ４の位置の制約条件が解消されること等により、反射型ＬＣＤ４のサイズに対して画角を広くすることが可能となる。
【００６４】
また、表示光用の光学系に非回転対称面を用いる場合には、図のＹＺ断面を唯一の対称面とした面対称形状の非回転対称面とすることが好ましい。対称性を持たせることで、組み立て時の基準を設けることができ、組み立て精度の向上や調整工数の削減によるコスト低減を図ることが可能となる。
【００６５】
次に、第２光学素子２での照明光路を説明する。光源５を発し、第３光学素子３を通った光の一部は、ハーフミラー面である面２２から第２光学素子２に入射し、透過面２３から第２光学素子２を射出して反射型ＬＣＤ４を照明する。照明光路に兼用されている面２２および面２３は、照明光路として用いる部分がトータルで正の光学パワーを有するように構成されることが好ましい。このように構成すると、照明光用の光学系としてのみ用いられる第３光学素子３の光学パワーを弱めることができるため、第３光学素子３が比較的小型で済む。
【００６６】
次に、第３光学素子３について説明する。第３光学素子３は、光源５からの光に対して集光作用を持ち、集光光を第２光学素子２に導く。このように集光作用を有した第３光学素子３を設けると、第２光学素子２のみにて照明光を導く構成に比べて、光源５から反射型ＬＣＤ４までの距離を短縮したり、光源５の発光面サイズを小型化したり、照明光用の光学系としての第２光学素子２が持つべき光学パワーの一部を第３光学素子３に分担させることによる表示光用の光学系の収差補正能力を向上させたりすることができる。
【００６７】
また、第３光学素子３の面３１，３２のうち少なくとも一方に非回転対称面を用いると、第２光学素子２の非対称性を補償できるため、光源５の発光面サイズを極めて小さくすることができる。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態では、表示光用の光学系としてのみ用いられる第１光学素子１に折り返し反射を用いた往復光路を形成することにより、光路の重複度を高め、光路長に対する光学系のサイズを極めて小さくできる。従って、第１光学素子１内の光路重複度を適宜変更することにより、表示光用の光学系の光路長に対して第２光学素子２が担うべき光路長を適宜変えることが可能である。このため、第２光学素子２のタイプの選択自由度が高くなり、仕様に応じて第２光学素子２での反射回数や第２光学素子２の形状を適宜選択でき、光学性能を高めることが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態では、第２光学素子２を表示光用の光学系と照明光用の光学系とで共用することにより、表示光学系全体をコンパクトな構成としている。また、照明光用の光学系のみに用いられる第３光学素子３を設けることで、光源と光学系の射出瞳Ｓとの共役関係を高めて、光利用効率を上げることが可能である。
【００７０】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２である表示光学系の光路図である。実施形態１では、照明光用の光学系に用いる第３光学素子３を、２つの光学面３１，３２を有するレンズ状の光学素子としたが、本実施形態では、光学面３１のみを有するミラー状の光学素子とし、第２光学素子２における照明光の入射面を面２１として面２２を透過作用のない反射面としている。他の構成は実施形態１と同様であり、共通する構成要素には同一の符号を用いている。
【００７１】
まず、本実施形態における光路と光学作用を簡単に説明する。光源５からの光（照明光）は、照明光用の光学系を構成する第３光学素子３の反射面３１で反射し、第２光学素子２の面２１から第２光学素子２に入射し、面２２で反射して、面２３から第２光学素子２を射出して反射型ＬＣＤ４を斜めに照明する。
【００７２】
反射型ＬＣＤ４で変調、反射された光（表示光）は、面２３から再度、第２光学素子２に入射し、面２２で反射し、面２１において照明光の入射領域とは異なる領域から第２光学素子２を射出して第１光学素子１へと向かう。更に、表示光は面１２から第１光学素子１に入射し、面１１，面１３，面１１，面１２の順で反射した後、面１１から第１光学素子１を射出して射出瞳Ｓに至る。
【００７３】
このような光路を辿る際に、表示光が第１光学素子１や第２光学素子２の曲面により受ける光学作用によって、射出瞳Ｓの近傍に眼球Ｅを置いた観察者は反射型ＬＣＤ４上に形成された原画の拡大像を観察することができる。
【００７４】
第３光学素子３と第２光学素子２により形成される照明光路および第２光学素子２と第１光学素子１により構成される表示光路の詳細については、上述した内容以外は実施形態１と同様である。
【００７５】
本実施形態によれば、第３光学素子３をミラー状の光学素子とし、実施形態１ではデッドスペースとなっていた第１光学素子１と第２光学素子２および反射型ＬＣＤ４との間のスペースに光源５および第３光学素子３を配置したことで、実施形態１に比べて、より小型の表示光学系を実現している。また、第２光学素子２への照明光の入射面を透過面２１とし、かつ反射型ＬＣＤ４に対して照明光を斜め入射させ（これにより、反射型ＬＣＤ４から射出される表示光も反射型ＬＣＤ４に対して斜めに射出することになる）、面２１における照明光と表示光が使用する領域を異ならせたことで、実施形態１のようにハーフミラー面である面２２を透過のない反射面として用いる場合に比べて、光量損失が激減し、光利用効率の高い表示光学系を実現することができる。
【００７６】
（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３である表示光学系の光路図である。本実施形態では、表示光用の光学系に用いる第１光学素子１および第２光学素子２内の光路が実施形態１と異なり、また第２光学素子２内の照明光路も実施形態１と異なる。他の構成は実施形態１と同様であり、共通する構成要素には同一の符号を用いている。
【００７７】
まず、本実施形態における光路と光学作用について簡単に説明する。光源５からの光（照明光）は、照明光用の光学系である第３光学素子３の面３１，３２を透過して集光され、更に第２光学素子２の面２３，２２を透過して反射型ＬＣＤ４を照明する。反射型ＬＣＤ４で変調、反射された光（表示光）は、面２２から再度、第２光学素子２に入射し、面２３で反射され、更に面２２で反射され、面２１から第２光学素子２を射出して第１光学素子１へと向かう。
【００７８】
次に、表示光は面１２から第１光学素子１に入射し、面１１，面１３，面１１，面１３，面１１，面１２の順で反射した後、面１１から第１光学素子１を射出して射出瞳Ｓに至る。
【００７９】
このように光路を辿る際に、表示光が第１光学素子１や第２光学素子２の曲面により受ける光学作用によって、射出瞳Ｓの近傍に眼球Ｅを置いた観察者は、反射型ＬＣＤ４上に形成された原画の拡大像を観察することができる。
【００８０】
次に、第１光学素子１の構成と該素子内の表示光路について詳述する。第１光学素子１の面１２は、例えば金属や誘電体の半透過反射膜コーティングが施されたハーフミラー面である。面１２は、表示光の入射面であると共に表示光の最終反射面としても機能する透過と反射の両作用を兼ね備えた透過反射兼用面である。
【００８１】
面１１は、例えば一部に半透過反射膜コーティングが施されたハーフミラー面であり、その一部には透過光量が略０となる反射膜がコーティングされた反射面である。この面１１は、面１２から入射した表示光を反射して面１３に導く面であるとともに、面１３で反射された光を再度、面１３に逆向きに戻すように反射する反射面でもある。さらに、面１１は、面１３で２回目に反射した光を再度、面１２に戻すように反射する反射面であるとともに、面１２で反射した表示光を第１光学素子から射出させる射出面でもある。従って、面１１は透過と３回の反射との両作用を兼ねた兼用面である。
【００８２】
面１３は、例えばアルミや銀の金属膜または誘電体膜のコーティングが施された反射面であり、面１１で反射された表示光を再び面１１に導く反射と、面１１で２回目の反射を受けた光を再度、反射面１１に戻す反射の２回の反射を行う反射面である。
【００８３】
光線Ｌ０を用いて第１光学素子１内の光路について詳述する。面１２から第１光学素子１に入射した光線Ｌ０は、Ｙ軸への射影での進行方向が正となるように面１１に向かい、面１１で反射されてＹ軸射影の進行方向が正の状態を保ったまま面１３に導かれる。面１３では、光線Ｌ０を再度、面１１に向かうよう反射する。面１３で反射された光線Ｌ０は、面１１に対して略垂直に面１１に入射し、ここで面１３からの進行方向に対して略逆向きに反射され、面１３での１回目の反射位置（ヒットポイント）の近傍に向かう。
【００８４】
面１１から面１３に向かった光は、面１３で反射されて、面１１での１回目の反射から面１３での１回目の反射の際に辿る光路とは略逆向きに、Ｙ軸射影の進行方向が負となるように面１１に向かう。すなわち、面１３における光線Ｌ０のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する。そして、面１３で反射した光線Ｌ０は、面１１での１回目の反射位置（ヒットポイント）の近傍に到達する。
【００８５】
本実施形態では、面１１での２回目の反射における入射光と反射光とのなす角度θが所定角度よりも小さい値になるように表示光を反射させることによって、光線Ｌ０の進行方向を逆向きにし、面１３を介して面１１での１回目の反射位置の近傍に再度入射させる。これにより、面１１→面１３→面１１→面１３→面１１の光路を略重複させることができる。
【００８６】
面１１で３回目に反射された光線Ｌ０は、Ｙ軸射影での進行方向が負の状態を保ったまま再度、面１２に向かう。すなわち、面１１で３回目に反射する光線Ｌ０は、面１１における光線Ｌ０の１回目のヒットポイント上での法線に対して略反対側に反射する。そして、面１２における第１光学素子１への光線Ｌ０の入射位置の近傍に到達する。
【００８７】
このように本実施形態では、面１２→面１１→面１３→面１１を往路とし、逆に面１１→面１３→面１１→面１２と辿る復路からなる面１２→面１１→面１３→面１１→面１３→面１１→面１２の往復光路を形成して、この間の光路を略重複させている。
【００８８】
面１１から面１２に向かった光線Ｌ０は、更に面１２で反射して、面１１に向かい、面１１を透過して第１光学素子１から射出し、瞳Ｓに向かう。
【００８９】
以上の構成において、面１１および面１３（偏心反射面）で反射された光を再度、面１１に逆向きに戻るように反射させる、面１１での２回目の反射を折り返し反射と呼び、該面１１を折り返し反射面と呼ぶ。本実施形態では、面１１を折り返し反射及び２回の偏心反射と透過の役割を第１光学素子１内に折り返し反射面を配置して表示光を折り返し反射させることで、第１光学素子１内に光路が略重複した往復光路を形成することにより、光路長に対して光学系をコンパクトにすることが可能となる。
【００９０】
また、光線Ｌ０に対して偏心した反射面として作用する２つの面１１，１３により上記往路中で面１２→面１１→面１３→面１１の光路を折り畳み、且つ、光線Ｌ０に対して偏心した反射面として作用する３つの面１１，１２，１３により上記復路中で面１１→面１３→面１１→面１２→面１１の光路を折り畳むことによって、第１光学素子１のＺ軸方向の厚みを抑え、第１光学素子１を薄型の光学素子とすることができる。
【００９１】
ここで、折り返し反射面（面１１）での反射の前後の反射面、例えば面１３での反射に着目した場合、面１３への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルのなす外積の方向が往路と復路でそれぞれ略正反対方向となる。
【００９２】
このように特徴付けられる折り返し反射面での反射を利用することにより、通常の対向した二面間で行われるいわゆるジグザグの反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ、狭い空間に長い光路を収めることができる。
【００９３】
また、本実施形態においては、折り返し反射面（面１１）での入射光と反射光（光線Ｌ０）とが同一面（図の紙面）内に存在する場合について説明したが、入射光と反射光とが同一面内に存在する必要はない。つまり、折り返し反射面で反射される光に図の紙面に垂直な方向の成分を該折り返し反射面により与えるようにしてもよい。この場合、例えば、折り返し反射面に向けて光線Ｌ０を反射し、折り返し反射面で反射した光線Ｌ０が入射する面１３に着目すると、面１３への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積の方向が、往路と復路のそれぞれで鈍角をなすこととなる。また、該外積間（外積同士）のなす内積が負になることによっても光路の構成を特徴付けることもできる。
【００９４】
なお、面１１での１回目の反射と３回目の反射においても同様の関係が成り立つ。
【００９５】
さらに、折り返し反射面だけでなく、他の反射面においても、反射する光に図の紙面に垂直な方向の成分を与えてもよい。
【００９６】
このようにすることで、各反射面は光線Ｌ０に対して図の紙面と垂直方向の偏心も有することとなり、光学設計の自由度を増加させることができる。
【００９７】
次に、面１１による折り返し反射（２回目の反射）を行うのに好適な条件について述べる。
【００９８】
折り返し反射面である面１１に対する光線Ｌ０の入射・反射で形成される角度θの範囲は
｜θ｜＜４５° ・・・（１）
であることが望ましい。この条件を超えると、折り返し反射による往復光路を形成するためには、各面の配置が非常に限定されてしまうため、好ましくない。一方、（１）を満たすように構成すれば、その他の面の配置構成等に関わらず折り返し反射による往復光路が形成されるため、光路長に対する光学系のサイズの小型化が比較的容易となる。
【００９９】
更に望ましくは、
｜θ｜＜３０° ・・・（２）
であるとよい。この条件を満足すると、面１２での反射・透過並びに面１１での折り返し反射以外の２回の反射および面１３での２回の反射で用いる領域の重複度が高くなるため、光学系を非常にコンパクトにすることができる。
【０１００】
また、本実施形態では、第１光学素子１の面１１，１２，１３のうち少なくとも１つの面を曲面として、光学パワーを持たせることが必要である。これにより、反射型ＬＣＤ４に形成された原画の像を拡大して瞳に導く際の結像作用に寄与させることができる。望ましくは、面１１，１２，１３の全ての面が光学パワーを有しているとよい。これにより、結像に寄与しない面をなくすることができ、収差補正の自由度を高く保ったまま、使用する光学面数を減らしてコスト低減が図れる。
【０１０１】
また、少なくとも面１１での折り返し反射以外の２回の反射および面１２での反射、さらに面１３での反射は光線Ｌ０に対して偏心した反射となっていることが必要であり、これらの反射に関して各面は偏心反射面となっている。これら偏心反射面に光学パワーを持たせると、偏心収差が発生するが、偏心収差を補正するためには、通常の回転対称な面形状ではなく、面を非回転対称な形状とすることが必要である。本実施形態では、面１２での反射の際は比較的偏心が大きく、また通常、面１１に対して面１２は強い光学パワーを有するため、面１２で偏心収差の発生が著しくなる。従って、面１２を非回転対称面とすることで、該面１２で発生する偏心収差を補正することが好ましい。
【０１０２】
更に望ましくは、第１光学素子１の全ての面１１，１２，１３を非回転対称面とすることで、収差補正能力が増し、高い光学性能が得られるようになる。
【０１０３】
また、本実施形態では、第１光学素子１の面１１を、金属や誘電体の半透過反射膜を施したハーフミラー面として説明したが、面１１での光束の反射を内部全反射としてもよい。面１１での折り返し反射以外の１回目および３回目の反射において、面１１に対する光線Ｌ０の入射角が第１光学素子１の媒質と外部の媒質（空気）との間で臨界角を超える角度で入射するようにして内部全反射させ、光路の最後における面１１への入射角を臨界角より小さい角度にして光を透過させるように構成する。これが全ての有効光束で満たされるように構成しておけば、面１１における折り返し反射領域の反射膜以外に半透過反射膜を施す必要がなくなり、コスト削減が図れるとともに、該面１１での光量損失がほとんどなくなるため、光利用効率が大幅に向上する。
【０１０４】
また、面１１における透過光束と反射光束との共用領域においてのみ、反射光束が内部全反射するように構成してもよい。この場合は、折り返し反射領域の金属や誘電体の通常の（透過光量が略０になる）反射膜を広げ、面１１の透過領域以外の全ての範囲に反射膜を施すことが必要になるが、１回目と３回目の反射光束の全てに対して内部全反射させるときと比較してほとんど光利用効率の低下がない。また、制限条件となる光線の入射角条件が一部光束で取り払われるため、設計における自由度が増し、光学性能の向上が図りやすくなる。このように反射膜による反射と内部全反射との両方を行わせるようにする場合は、反射膜による反射領域から内部全反射領域に近づくにつれて反射率が低下するようなグラデーション反射膜を用いると、反射膜による反射領域と内部全反射領域との反射率変化による境目が観察時に目立たなくなるため、好ましい。
【０１０５】
次に、第２光学素子２について詳述する。本実施形態の第２光学素子２は、照明光の入射面および表示光の反射面として作用する面２３と、照明光の射出面および表示光の入射面並びに反射面として作用する面２２と、表示光の射出面として作用する面２１とを有する。面２２および面２３は、例えば金属や誘電体による半透過反射膜が施されたハーフミラー面として構成されている。
【０１０６】
光線Ｌ０を用いて表示光路を説明すると、反射型ＬＣＤ４の表示面の有効表示領域の中心から発した光線Ｌ０は、面２２から第２光学素子２に入射し、光線Ｌ０に対して偏心した反射面である面２３で反射され、面２２を今度はＬ０に対して偏心した反射面として使用して反射され、面２１から第２光学素子２を射出して第１光学素子１の光線Ｌ０の入射位置に導かれる。
【０１０７】
本実施形態では、第２光学素子２も光線Ｌ０に対して偏心した曲面を有することが必要である。このため、第２光学素子２を有効的に結像作用に利用しながら、小型の光学素子とすることが可能である。
【０１０８】
本実施形態の第２光学素子２では、面２２および面２３は光線Ｌ０に対して偏心した反射面である。このように２つの偏心反射面を用いて光束を折り畳んでいるので、第２光学素子２を薄型にすることが可能である。また、有効光束を導く方向や面配置の自由度が高くなるため、第２光学素子自体の小型化や表示光学系全体の小型化を図ることができる。勿論、面２１も光線Ｌ０に対して偏心させ、更に配置自由度を高めた構成としてもよい。。
【０１０９】
但し、前述したように、偏心した曲面を用いると偏心収差が発生するため、少なくとも１つの偏心曲面を非回転対称面で形成して偏心収差の発生を抑制し、光学性能を向上させることが好ましい。更に望ましくは、第２光学素子の全ての面を非回転対称面とすると、第１光学素子１の偏心曲面での残存偏心収差も含めた表示光用の光学系全系での偏心収差を補正することが可能となり、非常に高い光学性能を有する表示光学系とすることができる。
【０１１０】
また、面２２での偏心反射の際に、表示有効光束を形成する各光線の面２２への入射角度を第２光学素子２と外部媒質との臨界角条件を超える角度とすることにより、該表示有効光束を内部全反射させるようにしてもよい。該反射を内部全反射とすると、面２２に半透過反射膜を施す必要がなくなり、コスト削減につながるとともに、面２２での光量損失がきわめて少なくなるため、光の利用効率が大幅に増大する。
【０１１１】
なお、第１光学素子１と第２光学素子２とから構成される表示光用の光学系は、その内部にて、反射型ＬＣＤ４に形成された原画の中間像を一旦形成し、該中間像を拡大して瞳に導く構成とする、１回結像光学系とすることが好ましい。このように構成すると、リレー光学系として第１および第２光学素子１，２の結像倍率の自由度が増えることや、接眼光学系としての第１および第２光学素子１，２に対する反射型ＬＣＤ４の位置の制約条件が解消されること等により、反射型ＬＣＤ４のサイズに対して画角を広くすることが可能となる。
【０１１２】
特に望ましくは、第１光学素子１内の折り返し光路中に中間像が形成されると、リレー光学系として作用する光学面数と中間像を観察者に導く接眼光学系として作用する光学面数とのバランスが良く、収差補正がし易くなる。
【０１１３】
次に、第２光学素子２での照明光路を説明する。光源５を発し、第３光学素子３を透過した光の一部は、ハーフミラー面である面２３から第２光学素子２に入し、更にハーフミラー面２２から第２光学素子２を射出した光が反射型ＬＣＤ４を照明する。
【０１１４】
表示光用のみならず照明光用の光学系に兼用されている面２２および面２３は、照明光用の光学系として用いる部分がトータルで正の光学パワーを有するように構成されることが好ましい。このように構成すると、照明光用の光学系としてのみ用いる第３光学素子３の光学パワーを弱めることができるため、第３光学素子３が比較的小型で済む。更に、表示光路の説明でも述べたように、面２２での光透過時に光束が臨界角以下の角度で入射し、面２２での反射時に臨界角以上の角度で光束が入射するようにして半透過反射膜を不要とすれば、該面２２での光損失が大幅に低減され、光利用効率を向上させることが可能である。
【０１１５】
第３光学素子３については、実施形態１と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１１６】
以上説明した本実施形態では、実施形態１に比べて、第１光学素子１内でより長い往復光路を形成して光路の重複度を高めたため、光路長に対する表示光学系のサイズを更に小型にすることができる。また、第２光学素子２に複数の偏心反射面を用いて光路を折り畳んだ構成としているため、第２光学素子２も薄型で光路長に対して小型の光学素子とすることができる。
【０１１７】
また、光学系サイズに対して光路長を長くとることができるため、各面の光学パワーを緩めて収差発生を抑制することができ、光学性能を高めやすい。
【０１１８】
従って、本実施形態では、実施形態１に比べて、さらに薄型・小型で高い光学性能を有する表示光学系を実現することができ、ひいてはこれを用いた画像表示装置の小型化・高画質化を図ることができる。
【０１１９】
（実施形態４）
図５は、本発明の実施形態４である表示光学系の光路図である。本実施形態は、第１光学素子１を面１１，１２，１３，１４の４面を有する光学素子とし、第１光学素子１および第２光学素子２内の光路を実施形態１とは変え、さらに第２光学素子２内の照明光路を実施形態１と変えている。他の構成は実施形態１と同様であり、共通する構成要素には同一の符号を付している。
【０１２０】
まず、本実施形態の表示光学系における光路と光学作用を簡単に説明する。光源５からの光（照明光）は、照明光用の光学系である第３光学素子３の面３１，３２を透過して集光され、更に第２光学素子２の面２２，２３を透過して反射型ＬＣＤ４を照明する。
【０１２１】
反射型ＬＣＤ４で変調、反射された光（表示光）は、面２３から再度、第２光学素子２に入射し、面２２で反射され、面２１から第２光学素子２を射出して第１光学素子１へと向かう。
【０１２２】
次に、表示光は面１２から第１光学素子１に入射し、面１１，面１３，面１４，面１３，面１１，面１２の順で反射した後、面１１から第１光学素子１を射出して射出瞳Ｓに至る。この光路を辿る際に表示光が第１光学素子１や第２光学素子２の曲面により受ける光学作用によって、射出瞳Ｓの近傍に眼球Ｅを置いた観察者は、反射型ＬＣＤ４上に形成された原画の拡大像を観察することができる。
【０１２３】
次に、第１光学素子１の構成と該素子内の表示光路について詳述する。第１光学素子１の面１２は、例えば金属や誘電体の半透過反射膜コーティングが施されたハーフミラー面である。また、面１２は表示光の入射面であると共に、表示光の最終反射面としても機能する透過と反射の両作用を兼ね備えた透過反射兼用面である。
【０１２４】
面１１は、例えば半透過反射膜コーティングがなされたハーフミラー面であり、面１２から入射した表示光を反射して面１３に導く面である。また、面１１は、面１３で２回目に反射した光を再度、面１２に戻すように反射する反射面であると共に、表示光を第１光学素子１から射出させる射出面でもある。従って、面１１は、透過と２回の反射との両作用を兼ねた兼用面である。
【０１２５】
面１３は、例えばアルミや銀の金属膜または誘電体膜のコーティングが施された、透過光量が略０の反射面であり、反射面１１で反射した表示光を面１４に導き、面１４で反射した光を再度、面１１に戻すように反射する、２回の反射を行う反射面である。
【０１２６】
面１４は、金属膜または誘電体膜のコーティングが施された透過光量が略０の反射面であり、面１３で反射された表示光を再度、面１３に戻すように反射する反射面である。
【０１２７】
次に、光線Ｌ０を用いて第１光学素子１内の光路について詳述する。面１２から第１光学素子１に入射した光線Ｌ０は、Ｙ軸への射影での進行方向が正となるように面１１に向かい、面１１で反射されてＹ軸射影の進行方向が正の状態を保ったまま面１３に導かれる。
【０１２８】
面１３では、光線をＹ軸射影の進行方向が正の状態を保ったまま面１４に向かうよう反射する。面１３で反射された光線Ｌ０は、面１４に対して略垂直に面１４に入射して反射され、面１３からの進行方向に対して略逆向きに進み、面１３での１回目の反射位置（ヒットポイント）の近傍に向かう。面１３に向かった光は、面１３で反射されて、面１１での１回目の反射から面１３での１回目の反射の際の光路と略逆向きに、Ｙ軸射影で進行方向が負となるように進行して面１１に向かう。すなわち、面１３における光線Ｌ０のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する。そして、面１３からの光線Ｌ０は、面１１での１回目の反射位置（ヒットポイント）の近傍に到達する。
【０１２９】
本実施形態によれば、光線Ｌ０を面１１での２回目の反射における入射光と反射光とのなす角度θが所定角度よりも小さい値になるように反射させることによって、光線Ｌ０の進行方向を逆向きにして、面１３を介して面１１での１回目の反射位置の近傍に再度入射させることで、面１１→面１３→面１４→面１３→面１１の光路を略重複させることができる。
【０１３０】
面１１で２回目に反射された光線Ｌ０は、Ｙ軸射影での進行方向が負の状態を保ったまま再度、面１２に向かう。すなわち、光線Ｌ０は、面１１における光線Ｌ０の１回目のヒットポイント上での法線に対して略反対側に反射する。そして、面１２における第１光学素子１への光線Ｌ０の入射位置近傍に到達する。
【０１３１】
このように本実施形態では、面１２→面１１→面１３→面１４を辿る往路と、面１４→面１３→面１１→面１２と辿る復路とからなる面１２→面１１→面１３→面１４→面１３→面１１→面１２の往復光路を形成して、この間の光路を略重複させている。
【０１３２】
面１１から面１２に向かった光線Ｌ０は更に面１２で反射されて、面１１を透過して第１光学素子１を射出し、瞳Ｓに向かう。
【０１３３】
以上の構成において、面１１および面１３（偏心反射面）で反射された光を再度、面１３および面１１に逆向きに戻るように反射させる面１４での反射を折り返し反射と呼び、該面１４を折り返し反射面と呼ぶ。第１光学素子１内に折り返し反射面を配置して表示光を折り返し反射させることで、第１光学素子１内に光路が略重複した往復光路を形成することにより、光路長に対して、光学系をコンパクトにすることが可能となる。
【０１３４】
また、光線Ｌ０に対して偏心した反射面として作用する２つの面１１，１３により上記往路中で面１２→面１１→面１３→面１４の光路を折り畳み、且つ、光線Ｌ０に対して偏心した反射面として作用する３つの面１１，１２，１３により上記復路中で面１４→面１３→面１１→面１２→面１１の光路を折り畳むことによって、第１光学素子１のＺ軸方向の厚みを抑え、第１光学素子１を薄型の光学素子としている。
【０１３５】
ここで、折り返し反射面（面１４）での反射の前後の反射面、例えば面１３での反射に着目した場合、面１３への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルのなす外積の方向が往路と復路でそれぞれ略正反対方向となる。
【０１３６】
このように特徴付けられる折り返し反射面での反射を利用することにより、通常の対向した二面間で行われるいわゆるジグザグの反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ、狭い空間に長い光路を収めることができる。
【０１３７】
また、本実施形態においては、折り返し反射面（面１４）及び他の反射面での光線Ｌ０の入射光と反射光とが同一面（図の紙面）内に存在する場合について説明したが、必ずしも全ての入射光と反射光とが同一面内に存在する必要はない。つまり、折り返し反射面で反射される光に図の紙面に垂直な方向の成分を該折り返し反射面により与えるようにしてもよい。この場合、例えば、折り返し反射面に向けて光線Ｌ０を反射し、折り返し反射面で反射した光線Ｌ０が入射する面１３に着目すると、面１３への入射方向を示すベクトルと反射方向を示すベクトルとのなす外積の方向が、往路と復路のそれぞれで鈍角をなすこととなる。また、該外積間（外積同士）のなす内積が負になることによっても光路の構成を特徴付けることもできる。
【０１３８】
さらに、折り返し反射面だけでなく、他の反射面においても、反射する光に図の紙面に垂直な方向の成分を与えてもよい。
【０１３９】
このようにすることで、各反射面は光線Ｌ０に対して図の紙面と垂直方向の偏心も有することとなり、光学設計の自由度を増加させることができる。
【０１４０】
次に、面１４による折り返し反射を行うのに好適な条件について述べる。折り返し反射面である面１４に対する光線Ｌ０の入射・反射で形成される角度θの範囲は、
｜θ｜＜４５° ・・・（１）
であることが望ましい。この条件を超えると、折り返し反射による往復光路を形成するためには、各面の配置が非常に限定されてしまうため、好ましくない。一方、（１）を満たすように構成すれば、その他の面の配置構成等に関わらず折り返し反射による往復光路が形成されるため、光路長に対する光学系のサイズの小型化が比較的容易となる。
【０１４１】
更に望ましくは、
｜θ｜＜３０° ・・・（２）
であるとよい。この条件を満足すると、面１２での反射・透過並びに面１１での折り返し反射以外の２回の反射、面１３での２回の反射で用いる領域の重複度が高くなるため、光学系を非常にコンパクトにすることができる。
【０１４２】
また、本実施形態では、第１光学素子１の面１１，１２，１３，１４の少なくとも１つの面を曲面として、光学パワーを持たせることが必要である。これにより、反射型ＬＣＤ４に形成された原画の像を拡大して瞳に導く際の結像作用に寄与させることができる。
【０１４３】
また、望ましくは、面１１，１２，１３，１４の全ての面が光学パワーを有していることがよい。これにより、結像に寄与しない面をなくすることでき、収差補正の自由度を高く保ったまま、使用する光学面数を減らしてコスト低減が図れる。
【０１４４】
また、少なくとも面１１での２回の反射、面１２での反射および面１３での２回の反射は、光線Ｌ０に対して偏心した反射となっていることが必要であり、これらの反射に関して各面は偏心反射面として構成されている。これら偏心反射面に光学パワーを持たせると偏心収差が発生するが、偏心収差を補正するためには、通常の回転対称な面形状ではなく、面を非回転対称な形状とすることが必要である。本実施形態では、これら偏心反射曲面の少なくとも１面を非回転対称面とすることで、該面で発生する偏心収差を補正することが好ましい。更に望ましくは、第１光学素子の各偏心反射面１１，１２，１３を非回転対称面とすることで、収差補正能力が増し、高い光学性能が得られるようになる。更に面１４も非回転対称面とすると、更に収差補正能力を向上させることができる。
【０１４５】
また、本実施形態では、第１光学素子１の面１１を、金属や誘電体の半透過反射膜を形成したハーフミラー面として説明したが、面１１での光束の反射を内部全反射としてもよい。面１１での２回の反射において、面１１に対する光線Ｌ０の入射角が第１光学素子１の媒質と外部の媒質（空気）との間で臨界角を超える角度となるようにして内部全反射させ、光路の最後における面１１への入射角を臨界角より小さい角度にして光を透過させるように構成する。これが全ての有効光束で満たされるように構成すれば、面１１に半透過反射膜を施す必要がなくなり、コスト削減ができる。また、該面１１での光量損失がきわめて少なくなるため、光の利用効率が大幅に向上する。
【０１４６】
また、面１１における透過光束と反射光束との共用領域においてのみ、反射光束が内部全反射するように構成してもよい。この場合は、金属や誘電体の通常の（透過光量が略０になる）反射膜を、面１１の透過領域以外の範囲に施すことが必要になるが、２回の反射において光束の全てを内部全反射させる場合と比較して、ほとんど光利用効率の低下がない。しかも、制限条件となる光線の入射角条件が一部光束で取り払われるため、設計における自由度が増し、光学性能の向上を図りやすくなる。
【０１４７】
このように反射膜による反射と内部全反射との両方を行わせるようにする場合は、反射膜による反射領域から内部全反射領域に近づくにつれて反射率が低下するようなグラデーション反射膜を用いると、反射膜による反射領域と内部全反射領域との反射率変化による境目が観察時に目立たなくなるため、好ましい。
【０１４８】
次に、第２光学素子２について詳述する。本実施形態の第２光学素子２は、照明光の射出面および表示光の入射面として作用する面２３と、照明光の入射面および表示光の反射面として作用する面２２と、表示光の射出面として作用する面２１とを有する。
【０１４９】
面２２は、例えば一部に金属または誘電体の透過光量が略０である反射膜が形成された面である。光線Ｌ０を用いて表示光路を説明すると、反射型ＬＣＤ４の表示面の有効表示領域の中心から発した光線Ｌ０は、面２３から第２光学素子２に入射し、面２２の反射膜形成部にて反射され、面２１より射出して第１光学素子１の光線Ｌ０入射位置に導かれる。
【０１５０】
本実施形態では、第２光学素子２も光線Ｌ０に対して偏心した曲面を有することが必要である。このため、第２光学素子２を結像作用に利用しながら、小型の光学素子とすることが可能である。
【０１５１】
本実施形態の第２光学素子２では、面２２は光線Ｌ０に対して偏心した反射面である。勿論、面２１，２３も光線Ｌ０に対して偏心させ、更に配置自由度を高めた構成としてもよい。
【０１５２】
但し、前述したように、偏心した曲面を用いると偏心収差が発生するため、少なくとも１つの偏心曲面を非回転対称面で形成して偏心収差の発生を抑制し、光学性能を向上させることが好ましい。
【０１５３】
更に望ましくは、第２光学素子の全ての面を非回転対称面とすると、第１光学素子１の偏心曲面での残存偏心収差も含めた表示光用の光学系全系での偏心収差を補正することが可能となり、非常に高い光学性能を有する表示光学系を実現することができる。
【０１５４】
また、光線Ｌ０に対して偏心した反射面である面２２に対して表示光束を構成する各光線が臨界角以上の角度で入射して内部全反射されるようにしてもよい。このように内部全反射されるようにすれば、面２２の一部に反射膜を施す必要がなくなり、コストを削減できる。
【０１５５】
なお、第１光学素子１と第２光学素子２とから構成される表示光用の光学系は、その内部にて反射型ＬＣＤ４に形成された原画の中間像を一旦形成し、該中間像を拡大して瞳に導く構成とする、１回結像光学系とすることが好ましい。
【０１５６】
こりれにより、リレー光学系としての第１および第２光学素子１，２の結像倍率の自由度が増えることや、接眼光学系としての第１および第２光学素子１，２に対する反射型ＬＣＤ４の位置の制約条件が解消されること等により、反射型ＬＣＤ４に対して画角を広くすることが可能となる。
【０１５７】
特に望ましくは、第１光学素子１内の折り返し光路中に中間像が形成されると、リレー光学系として作用する光学面数と中間像を観察者に導く接眼光学系として作用する光学面数とのバランスが良く、収差補正がし易くなる。
【０１５８】
次に、第２光学素子２での照明光路を説明する。光源５を発し、第３光学素子３を透過した光のうち一部は、面２２の表示光の反射位置とは異なる反射膜非形成部から第２光学素子２に入射する。第２光学素子２に入射した照明光は、さらに面２３から第２光学素子２を射出し、反射型ＬＣＤ４を照明する。
【０１５９】
表示光用の光学系のみならず、照明光用の光学系にも兼用されている面２２、面２３は、照明光用の光学系として用いる部分がトータルで正の光学パワーを有するように構成されることが好ましい。これにより、照明光用の光学系にのみ用いられる第３光学素子３の光学パワーを弱めることができるため、第３光学素子３が比較的小型で済む。
【０１６０】
また、本実施形態においては、面２２での表示光の反射領域と面２２への照明光の入射領域とを異ならせているため、表示光路における反射光束のみを内部全反射条件を満たすように構成することが容易であり、反射膜を不要とすることも可能である。
【０１６１】
第３光学素子３については、実施形態１と同様であるので、ここでの詳細説明は省略する。
【０１６２】
以上説明した本実施形態では、第１光学素子１に４つの面を形成して長い往復光路を形成し、光路の重複度を高めたため、実施形態１等に比べ、光路長に対する光学系のサイズを更に小型にすることができる。また、第１光学素子１に４つの面を形成したため、実施形態３等に比べて、収差補正に用いる面が増え、高い光学性能を出しやすくなる。
【０１６３】
また、面２２での表示光の反射領域と照明光の入射領域とを異ならせているため、第２光学素子２の面数を増やすことなく光利用効率を上げることができる。
【０１６４】
そして、以上説明した各実施形態によれば、第２の光学素子（第２の光学系）を用いて表示光路と照明光路の双方を形成する（第２の光学素子を表示光用および照明光用の光学素子として兼用する）ことにより、表示光学系全体の小型化を図り、さらに第１の光学素子（第１の光学系）内に概ね往復光路を形成することにより、光路長に対する光学系サイズの低減効果等により、薄型・小型で広画角に適した表示光学系を実現することができる。しかも、第１光学素子と第２光学素子の構成や組み合わせのバリエーションが豊富で、仕様に応じて組み合わせを変化させることが容易な表示光学系を実現することができる。
【０１６５】
さらに、上記各実施形態によれば、表示光用の光学系において、複数の非回転対称面を有することにより、偏心収差を補正して、光学性能の高い表示光学系を実現することができる。
【０１６６】
また、表示光用の光学系内に、反射型ＬＣＤに形成された原画の中間像が形成されるよう構成することにより、表示画像のサイズに対して画角設定の自由度を向上させ、広画角の表示光学系を実現することができる。
【０１６７】
また、第１光学素子１の少なくとも１つの面において、光束を透過する領域と光束を内部全反射する領域とを共有させた共有領域を有することにより、光利用効率を向上させ、明るい画像の表示が可能な表示光学系を実現することができる。
【０１６８】
また、照明光用の光学系にのみ用いられる第３光学素子（第３の光学系）を設けることにより、照明効率の向上や光源のサイズ低減を図ることができる。しかも、第３光学素子に非回転対称面を形成することにより、照明光を効率的に集光させ、より明るい画像の表示が可能な表示光学系を実現することができる。
【０１６９】
また、第２光学素子の透過面を照明光の入射面および表示光の射出面としたことにより、光利用効率を向上させることができる。
【０１７０】
また、第２光学素子の少なくとも１つの面を、照明光および表示光のうち一方を透過させ、他方を反射させる面としたことで、第２光学素子を小型の素子として構成し、小型の表示光学系を実現することができる。
【０１７１】
さらに、第２光学素子での反射を内部全反射とすることにより、明るい画像表示を可能にし、第２光学素子に反射膜を形成する必要をなくし、コストを削減して、安価な表示光学系を実現することができる。
【０１７２】
なお、以上の各実施形態では、反射型画像形成素子を単に反射型ＬＣＤとして説明したが、実際には、該ＬＣＤの直前に１枚の偏光板のみを有する１枚偏光板タイプの反射型ＬＣＤであることが望ましい。これにより、照明光路と表示光路の間に２枚の偏光板を用いるタイプに比べ、偏心曲面を有する第２光学素子２の媒質に多少の複屈折性や屈折率分布が生じても、偏光に影響を与えることがない。このため、プラスチックモールド部材などを用いても画質が損なわれることがなくなるため、媒質選択の自由度が向上する。
【０１７３】
また、反射型ＬＣＤの代わりに、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等、小型ミラー片を画素単位として駆動することで原画を形成する画像表示素子を用いてもよい。
【０１７４】
また、以上の実施形態では、第１光学素子１と第２光学素子２とを別体構成した場合について説明したが、第２光学素子２の表示光の射出面と、第１光学素子１の表示光の入射面とを略同一面形状とし、これらを透明接着剤などで接合することにより、第１光学素子１と第２光学素子２とを一体のものとしてもよい。このような両光学素子を接合すると、組み立て調整工程の簡素化によるコスト低減効果が得られる。また、間に空気層を挟む別体構成の場合に比べて、色収差の発生を抑制することができる。さらに、第１光学素子１と第２光学素子２の媒質を同一媒質として、これらと屈折力が略等しい接着剤で接合すると、表示光が第２光学素子２を射出し、第１光学素子１に入射する際の色収差の発生を完全に抑制することができる。
【０１７５】
また、上記各実施形態では、第１および第２の光学系をそれぞれプリズム状の第１および第２光学素子より構成した場合について説明したが、第１および第２の光学系をミラーやレンズの組み合わせによって構成してもよい。
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもある。また、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものでもある。
【０１７６】
〔発明１〕 光源と、
前記光源からの光により照明され、原画を形成する反射型画像形成素子と、
前記画像形成素子からの光を観察者の眼に導く光学系とを有し、
前記光学系は、
少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面およびこの第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面を含み、前記第１の面は、前記第２の面から該第１の面に再度入射した前記中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する第１の光学系と、
少なくとも１つの面が前記中心画角主光線に対して偏心した曲面形状を有する第２の光学系とを有し、
前記第１の光学系は、入射した光を前記観察者の眼に向かわせ、
前記第２の光学系は、該第２の光学系の少なくとも１つの面を、照明光および表示光のうち一方を透過させ、他方を反射させる面としたことを特徴とする表示光学系。
【０１７７】
〔発明２〕 光源と、
前記光源からの光により照明され、原画を形成する反射型画像形成素子と、
前記画像形成素子からの光を観察者の眼に導く光学系とを有し、
前記光学系は、
光路に対して偏心した反射面を有し、該反射面で光が複数回反射するとともに、該複数回の反射におけるそれぞれの入射光と反射光のベクトルの外積間の内積が負になる場合を含む第１の光学系と、
少なくとも１つの面が光路に対して偏心した曲面形状を有する第２の光学系とを有し、
前記第１の光学系は、入射した光を前記観察者の眼に向かわせ、
前記第２の光学系は、前記光源からの光を前記画像形成素子に向かわせるとともに、該画像形成素子で反射および変調された光を前記第１の光学系に向かわせることを特徴とする表示光学系。
【０１７８】
〔発明３〕 前記第２の光学系は、該第２の光学系の少なくとも１つの面を、照明光および表示光のうち一方を透過させ、他方を反射させる面としたことを特徴とする発明２に記載の表示光学系。
【０１７９】
〔発明４〕 前記第２の光学系において、前記反射面に入射する光は、該反射面に対して内部全反射条件を満たすことを特徴とする発明１から３（および請求項１）のいずれかに記載の表示光学系。
【０１８０】
〔発明５〕 前記光源から前記第２の光学系に向かう光に対して集光作用を及ぼす第３の光学系をさらに有することを特徴とする発明１から４（および請求項１）のいずれかに記載の表示光学系。
【０１８１】
〔発明６〕 この表示光学系を構成する面のうち複数の面が非回転対称面であることを特徴とする発明１から５（および請求項１）のいずれかに記載の表示光学系。
【０１８２】
〔発明７〕 この表示光学系内に、前記原画の中間像が形成されることを特徴とする発明１から６（および請求項１）のいずれかに記載の表示光学系。
【０１８３】
〔発明８〕 前記第３の光学系が、非回転対称面を有することを特徴とする発明５に記載の表示光学系。
【０１８４】
〔発明９〕 前記第２の光学系は、前記光源から前記画像形成素子に向かう光および前記画像形成素子から前記第１の光学系に向かう光が透過する透過面を含み、
該透過面における前記光源から前記画像形成素子に向かう光の入射角度および透過領域と、前記画像形成素子から前記第１の光学素子に向かう光の入射角度および透過領域とが異なることを特徴とする発明１から８（および請求項１）のいずれかに記載の表示光学系。
【０１８５】
〔発明１０〕 発明１から９（および請求項１）のいずれかに記載の表示光学系と、
入力された画像情報に応じて前記画像形成素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする画像表示装置。
【０１８６】
〔発明１１〕 発明１０に記載の画像表示装置と、
前記画像表示装置に画像情報を入力する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【０１８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の光学系を表示光用および照明光用の光学系として兼用することにより、表示光学系全体の小型化を図ることができる。さらに、第１の光学系内に概ね往復光路を形成することにより、光路長に対する光学系サイズの低減効果等により、薄型・小型で広画角表示に適した表示光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１である表示光学系（および画像表示装置）の断面図。
【図２】上記実施形態１の表示光学系の光路図。
【図３】本発明の実施形態２である表示光学系の光路図。
【図４】本発明の実施形態３である表示光学系の光路図。
【図５】本発明の実施形態４である表示光学系の光路図。
【符号の説明】
１ 第１光学素子
２ 第２光学素子
３ 第３光学素子
４ 反射型ＬＣＤ
５ 光源

Claims (1)

1. 光源と、
   前記光源からの光により照明され、原画を形成する反射型画像形成素子と、
   前記画像形成素子からの光を観察者の眼に導く光学系とを有し、
   前記光学系は、
   少なくとも反射作用を有し、中心画角主光線に対して偏心した第１の面およびこの第１の面で反射した光線を再度前記第１の面に向けて反射する第２の面を含み、前記第１の面は、前記第２の面から該第１の面に再度入射した前記中心画角主光線を、該第１の面における該中心画角主光線のヒットポイント上での法線に対して前回とは略反対側に反射する第１の光学系と、
   少なくとも１つの面が前記中心画角主光線に対して偏心した曲面形状を有する第２の光学系とを有し、
   前記第１の光学系は、入射した光を観察者の眼に向かわせ、
   前記第２の光学系は、前記光源からの光を前記画像形成素子に向かわせるとともに、該画像形成素子で反射および変調された光を前記第１の光学系に向かわせることを特徴とする表示光学系。

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