JP2004341324A

JP2004341324A - 光学系および画像表示装置

Info

Publication number: JP2004341324A
Application number: JP2003139037A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Matsunaga; 智美松永; Shoichi Yamazaki; 章市山崎; Kazutaka Inoguchi; 和隆猪口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】小型且つ軽量でありながら諸収差の少ない広画角の表示が可能な画像表示装置および当該画像表示装置に用いる光学系を提供することを目的とする。
【解決手段】表示手段に表示した画像を観察者の観察眼に導く光学系であって、画像を表示する表示手段と観察者の観察眼にそれぞれ最も近接して配置される接眼光学素子を有し、光路中に前記表示手段に表示した画像の中間像を形成する光学系において、前記表示手段の中心を発して前記光学系の射出瞳の中心を通る中心画角主光線について、前記表示手段と前記接眼光学素子間の光路長Ｙと、前記接眼光学素子内での全光路長Ｘが以下の関係を満たすことを特徴とする光学系を提供する。
０．１＜｜Ｙ／Ｘ｜＜１０．０
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者の頭部に装着して、観察者に表示素子に表示された原画を拡大表示した画像を提供する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）に関し、特に薄型でありながら広画角の表示が可能な頭部装着型の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表示させる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）がよく知られている。
【０００３】
このヘッドマウント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、広画角の表示を行って大きな拡大像を観察者に提供することが望まれる。
【０００４】
これらの要求を満たすために、例えば特開２０００−１８７１７７号公報には、表示素子に表示された画像を観察者に導く光学系においてプリズム状の光学素子を使用し、表示素子と観察者間の光学系内において中間結像を形成させることで、広画角の表示を可能としていた画像表示装置が記載されている。しかし、リレー系分の光路長が長くなるため、当該プリズム内で光路を折り畳むことによって光学系の小型化を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に説明した従来の画像表示装置の光学系は、光学系を構成する各光学要素に強い光学的パワーを持たせることで、光路長を短くしつつも広画角表示を行っている。しかしながら、このような強い光学的パワーを有する光学要素により光学系を構成した場合には、さまざまな光学的な収差を発生し易くなり、観察者に提示される画像の劣化を生じやすくなる。特にカラー表示を行う場合には、色収差を生じて観察者に提示される画像の色分離を生じることとなる。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決して、小型且つ軽量でありながら諸収差の少ない広画角の表示が可能な光学系および当該光学系を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る光学系は表示手段に表示した画像を観察者の観察眼に導く光学系であって、画像を表示する表示手段と観察者の観察眼にそれぞれ最も近接して配置される接眼光学素子を有し、光路中に前記表示手段に表示した画像の中間像を形成する光学系において、前記表示手段の中心を発して前記光学系の射出瞳の中心を通る中心画角主光線について、前記表示手段と前記接眼光学素子間の光路長Ｙと、前記接眼光学素子内での全光路長Ｘが以下の関係を満たすことを特徴としている。
【０００８】
０．１＜｜Ｙ／Ｘ｜＜１０．０
また、本発明に係る光学系は表示手段に表示した画像を観察者の左右眼に導く光学系であって、画像を表示する表示手段と観察者の左右眼にそれぞれ最も近接して配置される接眼光学素子を有し、光路中に前記表示手段に表示した画像の中間像を形成する光学系において、前記表示手段の中心を発して前記光学系の左右眼用の射出瞳の中心を通る左右眼についての中心画角主光線が前記表示手段と接眼光学素子間において交差するように配置されることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係る画像表示装置は上記の光学系を用いることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る頭部装着型の画像表示装置、及びそれに用いられる光学系についてその実施形態にそって具体的に説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る画像表示装置を構成する光学系の概念的な構成例を示す概略図である。本発明に係る画像表示装置においては、画像表示素子１、１’に表示された画像を接眼光学素子３、３’を含む光学系により観察者の観察眼ＥＬ、ＥＲに導光し、観察者が観察可能としている。図１内に示した、画像表示素子１、１’の表示面の中心を発し、左右眼用光学系のそれぞれの射出瞳ＳＬＳ、ＳＲＳの中心Ｑ、Ｐに到る実線は本発明に係る画像表示装置を構成する光学系の中心画角主光線を示す。
【００１２】
図１に示すように、本発明に係る画像表示装置の第一の特徴は、画像表示素子１、１’から射出した光束が観察者の眼球に最も近い接眼光学素子３、３’内で反射を受ける以前に比較的長い光路を有することにある。また、本発明に係る画像表示装置の第二の特徴は、観察者の眼球に最も近い接眼光学素子３、３’がプリズム状の光学素子であって、その内部で光路を折り畳み、プリズム面を構成する各光学面による反射を用いた往復経路を形成させることで、長い光路長を小型のプリズム内に形成することにある。また、本発明に係る画像表示装置の第三の特徴は、図１には図示されていないが、画像表示素子１、１’に表示された像の中間像を前記プリズム内、又は前記プリズムに入射する以前に形成するように各光学要素が配置されている点にある。
【００１３】
以上の特徴を有する結果として画像表示素子１、１’から観察者の観察眼までの光路長を長くすることにより、以下に説明するように光学系を構成する各光学要素の光学的パワーを緩くすることが可能となる。このため、光学的パワーの存在に起因する諸収差を軽減し、良好な画像を観察者に提示することが可能となる。特に、カラー表示を行う場合には、色収差の発生を抑えることができる。
【００１４】
頭部装着型の画像表示装置に適用される比較的光路長の短い光学系において、画像表示素子に表示された像を拡大して観察者に提示するためには、その光学系中において中間像を結ばせることが有効である。しかしながら、光学系中に中間像を結像させるためには、中間像を結像させない場合と比較して光路長が長くなる。そのため光学系全体に強い光学パワーを付与することで、全体の光路長を短くしているが、光学的な諸収差を生じる原因にもなっている。
【００１５】
図１においては、主に接眼光学素子３、３’から構成される光学系により、画像表示素子１、１’に表示された像からの表示光束に光学的作用を与え、表示された像を拡大された虚像として観察者が観察可能とさせている。この時、表示光束に与える光学的作用を強めるために光学系を構成する各光学要素の光学パワーを強めた場合には光学的な諸収差を発生しやすくなる。
【００１６】
これに対し、図１に示すように、画像表示素子１、１’から射出した光束が接眼光学素子３、３’内の反射面により反射されるまでの距離を大きくすることにより、接眼光学素子３、３’に付与すべき光学パワーを減少させることが可能となる。つまり、画像表示素子１、１’と接眼光学素子３、３’の間隔を大きくすることにより、画像表示素子１、１’として比較的大きな広がり角を有する発散光を射出する素子を使用した場合でも、接眼光学素子３、３’内で反射を受ける際には表示光束の広がり角が小さくなり平行光に近づくため、発散光を集光させるために必要とされる光学的パワーを省略することが可能となり、その分だけ光学系全体に必要とされる光学的パワーを減少することができる。
【００１７】
また、接眼光学素子３、３’内の最初の反射面と画像表示素子１、１’の間隔を大きく取ることにより、観察者に画像を提示するために使用する表示光束は当該表示素子をほぼ垂直に射出した光束のみにより構成させることができるため、画像表示素子１、１’として視野角の小さな液晶表示素子を用いた場合であっても良好な画像の提示が可能となる。
【００１８】
接眼光学素子３、３’内の最初の反射面と画像表示素子１、１’の間隔は、中心画角主光線が光学素子３に入射してから射出するまでの光路長Ｘに対し、中心画角主光線が画像表示素子を発してから光学素子３に入射するまでの光路長Ｙが（１）を満たすことが望ましい。
０．１＜｜Ｙ／Ｘ｜＜１０．０（１）
ここで｜Ｙ／Ｘ｜が、０．１以下の場合は、光学系全体を小型に出来るが、光学系全体のパワーが強いため諸収差の発生を低減しにくく、観察者に良好な画像を提供することが出来ない。また、｜Ｙ／Ｘ｜が１０．０以上の場合は、接眼光学素子３、３’と画像表示素子１、１’の間隔が大きくなるため光学系全体のパワーを緩くでき、諸収差の発生を低減し、観察者に良好な画像を提供することが出来るが、頭部装着型の画像表示装置の筐体内に光学系を収納することが困難になる。図８は、接眼光学素子３、３’と画像表示素子１、１’の間隔を大きくした場合の光学系の配置の一例を示す図である。図８に示すような光学系の配置をした場合には、光学系が観察者の前方に大きく張り出すこととなり、実際の使用上に問題を生じる。
【００１９】
このような場合には、図１に示すように、画像表示素子１、１’の表示面中心から光学系の射出瞳に至る光路を略水平面上に形成し、且つ左右それぞれの観察眼に提示される画像を表示する画像表示素子をそれぞれ反対側の接眼光学素子３、３’の前方に配置して、左右眼に導かれる表示光束を交差させることにより、各光路が利用する空間を共用することにより表示装置全体をコンパクトに保ったまま、長い光路長を筐体に収めることが可能となる。
【００２０】
また、図１においては、前記右眼用光学系の射出瞳中心Ｐと前記左眼用光学系の射出瞳中心Ｑを通る直線に垂直で、且つＰとＱの中心を含む平面をＹ面とした場合、前記左右光学系において、表示手段から各々左右眼に導かれる光線が光学系中少なくとも１回以上Ｙ面上で交差している。このように光学系全体を左右対称に配置することで、左右眼用のプリズムも対称に出来るため、製造コストが低下できる
表示光束を交差させるにあたっては、実際に表示光束が交差する必要はなく、光学系全体を上方から見た際に光路が重なるように配置することでも小型化には有効である。
【００２１】
図１に示すような左右の表示光束を交差させて配置をする場合、左右眼用の接眼光学素子３、３’を一体に成型して、その内部で左右の表示光束を交差させることも可能である。一方、図１に示すように左右眼用の接眼光学素子３、３’を別体にした場合には、光学系を構成する光学素子の全体積を減少することにより、軽量化を図ることができる。
【００２２】
また、任意の光学系２、２’を画像表示素子１、１’と接眼光学素子３、３’との間に補助的に配置することも光学系の最適化に望ましい。つまり、補助的な光学系２、２’に光学的パワーを分担させることで、接眼光学素子３、３’に必要とされる光学的パワーを減少し、収差発生の軽減が可能となる。また、光学系２、２’に適切な集光作用を持たせることで、接眼光学素子３、３’に設けられる光束の入射面の面積を小型化し、また画像表示素子１、１’から射出する光の利用効率を高めることができる。
【００２３】
さらに、光学系２、２’を反射を利用したものとすることで、色収差を生じることなく表示光束に対して集光作用を持たせ、且つ光路を適宜折り畳むことで小型化にも有効となる。
【００２４】
一方、接眼光学素子３、３’内において、表示光束は面ＳＲ６（透過）→面ＳＲ５（反射）→面ＳＲ４（反射）→面ＳＲ３（反射）→面ＳＲ２（反射）の順に各面を通過し、面４での折返し反射により、当該折返し反射面の前後の往路の光路と復路の光路を略一致するように接眼光学素子３、３’が構成されている。つまり、面ＳＲ４で反射を生じる前後で、往路での面ＳＲ５上の表示光束の中心画角主光線のヒットポイントでの面の法線に関して、復路では往路と略反対側に反射して進む折り返し光路が形成される。所定の光学面においてこのような折返し反射を生じさせることで、実際には非常に小型の光学系内に長い光路長を形成することが可能である。また、そのような構成においては、同一の光学面を複数回利用できるため、必要な光学面の数を減少することが可能となり、また各光学面が有する光学的パワーを減少させることが可能である。
【００２５】
上記のような構成の接眼光学素子３、３’を用いることにより、光路長が短い場合に比較して弱い光学的パワーによっても有効な像の拡大作用を得ることができる。また、利用できる反射の回数を増やすことができるために、一回の反射で与えられる光学的作用を弱めることが可能となり、諸収差の発生を抑制することができる。このような折返し反射の前後の反射面、例えば面ＳＬ３とＳＬ５での反射に着目した場合、表示光束の中心画角主光線の面ＳＬ３とＳＬ５へのそれぞれ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成す外積の方向が往路（ＳＬ５）と復路（ＳＬ３）でそれぞれ略正反対方向となる。このように特徴付けられる折返し面での反射を利用することにより、通常の略対向した二面間でのジグザグ反射に比べて、歪みの発生を抑制しつつ狭い空間に長い光路を納めることが可能となる。また、本実施形態では、例えば面ＳＬ３とＳＬ５で略同一の面における反射が二回行われる様子を示しているが、本発明はこれに限定されることはなく、複数回の折返しにより所定の反射面を３回以上反射させてその光学パワーを利用してもよい。
【００２６】
また、図１においては、折返し面への入射光と反射光が紙面内にある場合を示しているが、必ずしもこのように設定される必要はない。つまり、折返し面で反射される光に紙面に垂直な方向の成分を折返し面により与えられてもよい。この場合には、例えば面ＳＬ３とＳＬ５での反射に着目した場合、各面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成す外積の方向が往路と復路でそれぞれ鈍角である角度を成すこととなる。また、当該外積同士の成す内積が負になることによっても光路の構成が特徴づけられる。さらに、折返し面だけでなく、他の反射面においても紙面に垂直な方向の成分を反射される光に与えてもよい。このようにすることで、各反射面は光線に対して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向上することができる。
【００２７】
このように、光路を折り返して往路と復路をほぼ重複させることにより、実質的に同一の光学面を複数回使用し、光学系を大型化することなく光学パワーを多数の光学面に分担させることで収差の発生を抑制することが可能となる。
【００２８】
更に、折り畳まれた光路を形成する反射面ＳＬ２〜５を偏心反射面とすることで、薄型の光学素子内で光路を折り畳むことが可能となり、更に小型且つ薄型の光学系内に長い光路長をとることができる。
【００２９】
また、反射面ＳＬ４は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を略垂直に反射するような角度で配置されているため、必ずしも中心画角主光線に対して偏心している必要はない。ここで略垂直に反射とあるのは、ＳＬ３で反射されてＳＬ４に入射して反射され、ＳＬ５に向かう光束の中心画角主光線について、ＳＬ１への入射光線と射出光線のなす角度θ（絶対値）がθ＜６０°となることをいう。この条件を超えると、往復光路の形成が困難となり従来のジグザグ光路と等価になってしまい、光学系の小型化が困難となる。
【００３０】
ＳＬ４への入射光線と射出光線のなす角度は、更に望ましくはθ＜３０°を満たすことが好ましい。この条件を満たすことで、ＳＬ４は十分に折り返し反射の機能を果たし、光学系全体をコンパクトに構成することが可能になる。このため、面ＳＬ４は中心画角主光線に対して、全く偏心しておらずにθ＝０°となる状態から、上述の条件式範囲内に入る程度の偏心反射面であることが望ましい。
【００３１】
また、この折り返し反射面である面ＳＬ４を曲面で構成すると、結像乃至収差補正に寄与しない光学要素を削減することが出来るため、コスト削減若しくは光学性能向上をもたらすことができる。このように偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった非回転対称な収差、所謂偏心収差が発生する。従って、これらの偏心反射面のうち、少なくとも１面に非回転対称形状を適用して、偏心収差を補正することが好ましい。非回転対称の面を増やせばそれだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を非回転対称面とすると良い。更に望ましくは、全ての偏心反射曲面を非回転対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。また、面ＳＬ４を非回転対称形状としても、更に偏心収差補正の自由度が高めることができるため、良好な光学性能を提供できる。
【００３２】
また、このような構成を利用することで、光学系の射出瞳から表示手段への逆追跡光線で最初の反射面（ＳＲ２）で眼より外側へ反射する構成にできるため、光路長を長く取れ、広画角にすることが可能になる。
【００３３】
往復光路を形成していれば、接眼光学素子３、３’は全体がプリズム体でなくても、一部がミラー反射部材で構成されていても構わない。
【００３４】
また、接眼光学素子３、３’の各光学面における光束の反射は、反射膜による反射にすることにより光量ロスを生じることなく反射面の設計の自由度を広くできるが、面Ａについては透過面ＳＬ１としても機能するため、ハーフミラー又は内部全反射面とすることが望ましい。特にＳＬ３、ＳＬ５による反射を内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり好ましい。また、面Ａにおいて透過面ＳＬ１として機能する部分ではＳＬ３、ＳＬ５による反射は内部全反射で行い、透過面として機能しない部分では反射膜による反射としても良い。これによりＳＬ３、ＳＬ５による反射のすべてを内部全反射とする場合に対して設計の自由度を上げつつ同程度の明るさを確保することができる。
【００３５】
図１に示すように、右眼用光学系と左眼用光学系の構成を鏡面対称となるように配置することで、コストを削減することができる。
【００３６】
このように接眼光学素子３、３’内に往復光路を形成させる小型の光学素子内に長い光路を収納し、また接眼光学素子３、３’と画像表示素子１、１’間の右左眼用の光路を交差させることにより長い光路長をコンパクトに収めることで、良好な光学特性を確保しつつ光学系全体を小型にすることが可能となる。更には射出瞳から表示手段への逆追跡光線で最初の反射面で眼より外側で反射される光学系の構成とすることで、光学系全体を小型にしたまま広画角を可能にしている。
【００３７】
（実施例１）
図２は、第一の実施例に係る頭部装着型の画像表示装置の光学系の概略を説明するための図である。図中の実線は、画像表示素子１の表示面中心から光学系の射出瞳ＳＲＳの中心に至る中心画角主光線を示している。第一の実施例に係る画像表示装置においては、右眼用の画像表示素子１を発した表示光束は、光学面ＳＲ７、ＳＲ８を持つ光学素子２１を経て、接眼光学素子３に入射して右眼用の射出瞳ＳＲＳに導かれる。射出瞳ＳＲＳの中心位置は観察者の右眼の瞳の中心と略一致するように設定される。
【００３８】
また、図２中には示していないが、画像表示素子１から光学系の射出瞳ＳＲＳに至る光学系中に中間結像を形成するように、各光学要素の光学的パワーが設定されている。これにより、光学系全体での倍率を高め、小型な表示素子を用いて広画角化を可能にすることが出来る。また、中間結像を形成させることで画像表示素子１と接眼光学素子３との間のリレー光学系の光路長を長くとることが可能となり、各光学要素に付与する光学的パワーを弱くした場合であっても広画角の表示を行うことが可能となる。
【００３９】
本実施例に係る画像表示装置においては、左右眼用の光学系は鏡面対称となるように配置されるため、以下の説明は主に右眼用光学系について行う。
【００４０】
画像表示素子１としては、ＣＲＴ、ＬＣＤ、エレクトロルミネッセン等の表示素子が用いられる。先に説明したように、本実施例の光学系においては画像表示素子１と接眼光学素子３との間のリレー光学系の光路長を長くしているため、特に視野角の狭い表示素子を用いた場合にも良好に画像を観察者に提示することが可能である。
【００４１】
接眼光学素子３は透過面ＳＲ１、反射面ＳＲ３、反射面ＳＲ５の各面を含む面Ａ、反射面ＳＲ２、透過面ＳＲ６の各面を含む面Ｂ、反射面ＳＲ４を含む面Ｃを同一媒質上に有するプリズム状の光学素子である。面Ａ〜Ｃは、それぞれ光学的作用の連続しない独立した面であってもよく、また互いに共通の光学面を利用する重複した面であっても良い。
【００４２】
透過面ＳＲ６から接眼光学素子３に入射した表示光束は、反射面ＳＲ５で反射された後に折返し反射面として機能する反射面ＳＲ４で反射され、反射面ＳＲ５と略同一の面である反射面ＳＲ３で再反射された後、反射面ＳＲ２で反射されて透過面ＳＲ１より光学素子３を射出して射出瞳ＳＲＳに到達する。接眼光学素子３内において、このような折返し光路を形成することで、先に説明したように、小型の光学素子の内部に長い光路を収納することが可能となる。
【００４３】
先に説明したように、面Ａは透過面と反射面の両方の機能を有するため、面Ａには反射膜を設けることなく、面Ａでの反射は内部全反射を利用することが望ましい。但し、面Ａのうちで透過面として機能しない領域については、反射膜を設けることで反射を生じるようにすることで、設計の自由度を向上することが可能である。
【００４４】
面Ｂについても透過面と反射面の両方の機能を有するため、面Ｂでの反射も内部全反射によることが望ましい。一方、特に反射面ＳＲ２での反射は比較的入射角が小さくなり易く、また広画角の表示を行うために所定の広がりを持った光束を反射させるために、反射面ＳＲ２の部分には反射膜を設けることが表示性能上は望ましい。このため、光学素子２１により画像表示素子１からの表示光束を適切に集光して、透過面ＳＲ６の面積を小さくすることが望ましい。更に面Ｂの全面に半透過反射膜（ハーフミラー）を形成して用いることも可能である。この場合には、光の利用効率が低下するが光路の設計の自由度を向上することができる。
【００４５】
面Ｃは反射面としてのみ機能する面であるため、反射膜を形成して反射を生じることが望ましい。
【００４６】
接眼光学素子３又は光学素子２１を構成する面について、少なくとも１面以上を非回転対称面とするとすることで偏心収差発生を低減し、且つ小型な光学系を提供することが出来る。また、少なくとも１面以上を回折光学面とすることで偏心収差発生又は色収差を抑制し、良好な光学性能をもたらすことが出来る。
【００４７】
また、図２に示すように、本実施例においても画像表示素子１の表示面中心から光学系の射出瞳ＳＲＳの中心に至る光路を略水平面上に形成し、且つ右眼用の画像を表示する画像表示素子１を左眼用の接眼光学素子３’の前方に配置している。このように配置することにより左右眼用の各画像表示素子１、１’からの表示光束が交差し、左右の光路を共通の空間内に形成できるため、長い光路長をコンパクトに収め、光学系全体を小型にすることが可能である。
【００４８】
（実施例２）
図３は、第二の実施例に係る頭部装着型の画像表示装置の光学系の概略を説明するための図である。第二の実施例に係る画像表示装置の光学系は、第一の実施例として説明したものと同様な画像表示素子と接眼光学素子を用いて類似の構成を成しているため、対応する部分には図面中で同じ符号を用いると共に、主に第一の実施例との違いについて説明をする。
【００４９】
本実施例に係る画像表示装置の特徴は、画像表示素子１と接眼光学素子３との間のリレー光学系中に設ける光学素子２２を左右眼用の光学系で共通に用いる点にある。先に説明したように、左右眼用の光学系の光路を略水平面上に形成し、且つ左右眼用の画像表示素子をそれぞれ反対側の接眼光学素子の前方に配置することにより、左右眼用の表示光束を共通の空間内に交差して形成できるため、長い光路長をコンパクトに収め光学系全体を小型にすることが可能である。
【００５０】
本実施例に係る画像表示装置においては、リレー光学系中に設ける光学素子２２を左右眼用の表示光束の交差する位置に配置することにより、単一の光学素子を左右眼用の光学系で共通に使用している。光学素子２２を右眼用と左眼用で共通化することにより、光学系全体の小型化に寄与し、また光学系全体の重量を軽くすることが出来る。また、比較的スペースに余裕のある中央位置に配置できるために、光学素子２２の設計に自由度を持たせることができる。
【００５１】
（実施例３）
図４は、第三の実施例に係る頭部装着型の画像表示装置の光学系の概略を説明するための図である。第三の実施例に係る画像表示装置の光学系は、第一の実施例として説明したものと同様な接眼光学素子を用いて類似の構成を成しているため、対応する部分には図面中で同じ符号を用いると共に、主に第一の実施例との違いについて説明をする。
【００５２】
本実施例に係る画像表示装置の特徴は、左右眼用の画像を表示する画像表示素子１を左右で共通に使用し、また接眼光学素子３との間のリレー光学系中にミラー面を有する光学素子２３、２３’を使用している点にある。
【００５３】
画像表示素子１を左右で共通に使用することで、表示装置全体を小型軽量化できると共に大幅なコストダウンを図ることが出来る。また、光学素子２３、２３’をミラー面で構成することで光学系全体の重量を非常に軽くすることが出来る。
【００５４】
画像表示素子１としては透過型のＬＣＤを用いて、その背面にそれぞれ左右眼用の照明光源を配置することで、左右眼用の表示光束を得ることができる。また、左右眼用の照明手段を交互に点灯し、それに同期してＬＣＤの表示内容を切り替えることにより、一枚の画像表示素子によっても左右眼の視差を利用した立体視を行うことが可能である。
【００５５】
また、画像表示素子１として比較的視野角の広い表示素子を用いることで、同時に左右眼用の表示光束を得ることができる。この場合であっても、左右眼用の各光路中に図示しない電気的な遮光手段を設置して左右の光路を交互に遮光し、それに同期して表示内容を切り替えることで立体視を行うことが可能である。
【００５６】
画像表示素子１を左右で共通に使用する場合であっても、図４に示すように左右の表示光束が交差するように各光学要素を配置することで長い光路長をコンパクトに収め、光学系全体を小型にすることが可能である。更に、光学素子２３、２３’より画像表示素子１側の光路について、光学素子２３、２３’により上下方向に折り曲げることで、光学系の前方への張出を減少し、全体を小型化することが可能である。
【００５７】
（実施例４）
図５は、第四の実施例に係る頭部装着型の画像表示装置の光学系の概略を説明するための図である。第四の実施例に係る画像表示装置の光学系は、第三の実施例として説明したものと同様な接眼光学素子を用いて類似の構成を成しているため、対応する部分には図面中で同じ符号を用いると共に、主に第三の実施例との違いについて説明をする。
【００５８】
第三の実施例との比較において本実施例に係る画像表示装置の特徴は、画像表示素子１と接眼光学素子３との間のリレー光学系中に内部反射を利用したプリズム状の光学素子２４を使用している点にある。
【００５９】
図４に示した第三の実施例で用いたミラー面を構成する光学素子２３、２３’を用いた場合と比較して、プリズム状の光学素子２４を使用することにより、光学素子２４への入射面（ＳＬ９、ＳＲ９）及び射出面（ＳＬ７、ＳＲ７）にも光学的パワーを付与できるために、諸収差の抑制に有効である。また、組み立て時の精度の確保が容易になる。
【００６０】
光学素子２４の内部での反射面（ＳＬ８、ＳＲ８）では内部全反射で行うことが射出面（ＳＬ７、ＳＲ７）の配置の関係上好ましい。また、反射面と射出面が分離して設置できる場合には、反射面（ＳＬ８、ＳＲ８）は反射膜による反射を用いることも可能である。
【００６１】
（実施例５）
図６は、第五の実施例に係る頭部装着型の画像表示装置の光学系の概略を説明するための図である。第五の実施例に係る画像表示装置の光学系は、第一の実施例として説明したものと同様な画像表示素子と接眼光学素子を用いて類似の構成を成しているため、対応する部分には図面中で同じ符号を用いると共に、主に第一の実施例との違いについて説明をする。
【００６２】
本実施例に係る画像表示装置の特徴は、左右眼用の画像表示素子１、１’と接眼光学素子３、３’との間の各リレー光学系中にミラー面を有する光学素子２５、２５’を使用している点にある。また、左右眼用の画像表示素子１、１’をそれぞれ対応する接眼光学素子３、３’の前方に配置すると共に、当該光学素子２５、２５’により光路を折り畳むことにより、第一の実施例と比較した場合にも画像表示素子１、１’と接眼光学素子３、３’との間隔を更に大きくし、光路長を長くすることが可能である。
【００６３】
本実施例においても左右の表示光束を交差させて配置することで長い光路長をコンパクトに収め、光学系全体を小型にしている。更に、第四の実施例で説明したと同様に、光学素子２５、２５’より画像表示素子１側の光路について、光学素子２５、２５’により上下方向に折り曲げることで、光学系の前方への張出を減少し、全体を小型化することが可能である。
【００６４】
（実施例６）
図７は、第六の実施例に係る頭部装着型の画像表示装置の光学系の概略を説明するための図である。第六の実施例に係る画像表示装置の光学系は、第三の実施例として説明したものと同様な画像表示素子と接眼光学素子を用いて類似の構成を成しているため、対応する部分には図面中で同じ符号を用いると共に、主に第三の実施例との違いについて説明をする。
【００６５】
第三の実施例との比較において本実施例に係る画像表示装置の特徴は、左右眼用に共通に用いる画像表示素子１を観察者側に配置する点にある。このような配置をすることで、左右眼用の接眼光学素子３、３’の間のスペースを活用して光学系の小型化を図っている。
【００６６】
更に図７は、接眼光学素子３、３’内に形成される折返し光路について、他の実施例とは異なる構成の例について示している。他の実施例においては、対応する接眼光学素子内に形成される折返し光路により光路の往路と復路で共用される反射面が１面であったのに対し、図７に示す構成においては２面の反射面が共用されている。共用される面が増加するほど、長い光路を当該接眼光学素子内に収めることが可能となり、また光束の形成に必要な光学的パワーを多数の面に分担させることが可能となるために、収差の発生の抑制にも有効である。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、長い光路長を小型の光学系にコンパクトに収めつつも諸収差の少ない広画角の表示が可能な画像表示装置および当該画像表示装置に用いる光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像表示装置を構成する光学系の概念的な構成例を示す概略図。
【図２】第一の実施例に係る画像表示装置の光学系の概略の説明図。
【図３】第二の実施例に係る画像表示装置の光学系の概略の説明図。
【図４】第三の実施例に係る画像表示装置の光学系の概略の説明図。
【図５】第四の実施例に係る画像表示装置の光学系の概略の説明図。
【図６】第五の実施例に係る画像表示装置の光学系の概略の説明図。
【図７】第六の実施例に係る画像表示装置の光学系の概略の説明図。
【図８】従来の画像表示装置用光学系の一例を示す図。
【符号の説明】
１画像表示素子
２、２１、２２、２３、２４、２５、２６光学素子
３接眼光学素子

Claims

表示手段に表示した画像を観察者の観察眼に導く光学系であって、画像を表示する表示手段とプリズム状の光学素子を有し、光路中に前記表示手段に表示した画像の中間像を形成する光学系において、
前記表示手段の中心を発して前記光学系の射出瞳の中心を通る中心画角主光線について、前記表示手段と前記プリズム状の光学素子間の光路長Ｙと、前記プリズム状の光学素子内での全光路長Ｘが以下の関係を満たすことを特徴とする光学系。
０．１＜｜Ｙ／Ｘ｜＜１０．０
請求項１に記載の光学系が観察者の左右眼についてそれぞれ設けられた光学系であって、当該左右眼用の光学系の中心画角主光線が前記表示手段と前記プリズム状の光学素子間において略交差するように配置されることを特徴とする光学系。
表示手段に表示した画像を観察者の左右眼に導く光学系であって、画像を表示する表示手段と観察者の左右眼にそれぞれ最も近接して配置される光学素子を有し、光路中に前記表示手段に表示した画像の中間像を形成する光学系において、
前記表示手段の中心を発して前記光学系の左右眼用の射出瞳の中心を通る左右眼についての中心画角主光線が、前記表示手段と観察者の左右眼にそれぞれ最も近接して配置される光学素子間において略交差するように配置されることを特徴とする光学系。
前記接眼光学素子は、少なくとも１つの偏心した反射面を有するプリズム体であることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
前記プリズム状の光学素子は、少なくても反射作用を有する第一の面と、該第一の面で反射した光線を再度該第一の面に向けて反射する第二の面とを有し、前記第一の面に再度入射した光線の中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に関して、前回とは略反対側に反射して進む折り返し光路を含むことを特徴とする請求項１乃至２に記載の光学系。
前記プリズム状の光学素子は、光路に対して偏心した所定の反射面での複数回の反射を含み、且つ当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ことを特徴とする請求項１乃至２に記載の光学系。
前記接眼光学素子は、少なくても反射作用を有する第一の面と、該第一の面で反射した光線を再度該第一の面に向けて反射する第二の面とを有し、前記第一の面に再度入射した光線の中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に関して、前回とは略反対側に反射して進む折り返し光路を含むことを特徴とする請求項３乃至４に記載の光学系。
前記接眼光学素子は、光路に対して偏心した所定の反射面での複数回の反射を含み、且つ当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ことを特徴とする請求項３乃至４に記載の光学系。
請求項１乃至８に記載の光学系を有することを特徴とする画像表示装置。