JP2008058703A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像表示素子に出力する画像に対して電気的な逆補正を行った場合のモアレ縞の発生を低減する。
【解決手段】画像表示装置は、画像表示素子１０と、該画像表示素子に表示された画像の観察を可能とする光学系６０と、入力画像に対して、光学系により生ずる歪曲とは逆方向の歪みを電気的に与える歪み処理を行い、該歪み処理後の画像を画像表示素子に表示させる処理手段２００と、光学系を通して観察される画像にローパスフィルタ効果を与えるフィルタ手段とを有する。フィルタ手段は、入力画像において第１の画素数を有する第１の画像領域が歪み処理により第２の画素数を有する第２の画像領域とされた場合に、第１の画素数と第２の画像数との関係に応じて異なるローパスフィルタ効果を、光学系を通して観察される第２の画像領域に対して与えることを特徴とする。
【選択図】図８Ａ

Description

本発明は、画像表示素子上の原画を拡大表示するヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置に関する。

ＣＲＴやＬＣＤ等の画像表示素子に表示された画像（原画）を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ：以下、ＨＭＤという）が用いられている。

このＨＭＤは、観察者の頭部に装着されるため、装置の小型化及び軽量化が求められる。一方、ＨＭＤには、光学性能が良好で、かつできるだけ大きな拡大画像が提示できることが望まれている。

ただし、光学系を小型にすると、歪曲収差や軸上色収差が発生し、光学性能を良好にすることが難しくなる。逆に、歪曲収差や諸収差の発生を低減するように光学系の設計を行うと、光学系を小型することが困難になる。このため、光学系の歪曲収差や色収差を電気的に補正することで、光学系での収差補正の負担を少なくし、光学系を小型化したＨＭＤが提案されている。

例えば、特許文献１には、２枚の液晶パネルに表示された画像を観察者の網膜上で合成することにより見かけの解像度を向上させるＨＭＤが開示されている。このＨＭＤでは、光学系で発生する歪曲収差の影響を打ち消すように液晶パネルに表示される画像を電気的に歪曲補正する。

また、特許文献２には、左右の映像信号を時間的に交互に切り替えて１つの画像表示素子に出力し、左右の映像信号の切り替えに同期して映像光が左右のいずれかの眼に入射するように構成したＨＭＤが提案されている。このＨＭＤでは、左右の光学系によって発生する歪曲収差を打ち消すように、左右の映像信号をそれぞれ電気的に歪曲補正している。
特開平６−２６５８１５号公報（段落００１７、図１等） 特開２００１−１８６４４２公報（段落００２２〜００２７、図１，８等）

上述した特許文献にて開示されたＨＭＤのように、光学系の歪曲収差を打ち消すように画像表示素子に出力する画像に対して電気的な歪曲補正（以下、逆補正という）を行うことで、歪曲収差を低減した画像を観察することができる。

しかしながら、高画素の画像表示素子に逆補正された画像を表示した場合に、規則正しく配列された画素と歪曲した画像とが干渉してモアレ縞（干渉縞）が観察されてしまうことがある。このため、解像力を向上させたとしても、モアレ縞によって観察者に不快感を与えてしまうことになる。

本発明は、画像表示素子に出力する画像に対して電気的な逆補正を行った場合のモアレ縞の発生を低減することができるようにした画像表示装置を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての画像表示装置は、画像表示素子と、該画像表示素子に表示された画像を観察するための光学系と、入力画像に対して、光学系により生ずる歪曲とは逆方向の歪みを電気的に与える歪み処理を行い、該歪み処理が行われた画像を画像表示素子に表示させる処理手段と、光学系を通して観察される画像にローパスフィルタ効果を与えるフィルタ手段とを有する。そして、フィルタ手段は、入力画像において第１の画素数を有する第１の画像領域が歪み処理により第２の画素数を有する第２の画像領域とされた場合に、第１の画素数と第２の画像数との関係に応じて異なるローパスフィルタ効果を、光学系を通して観察される第２の画像領域に対して与えることを特徴とする。

なお、上記画像表示装置と、該画像表示装置に画像情報を供給する画像供給装置とを含む画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、入力画像に対して電気的な歪み処理（逆補正）を行った場合に、その歪み処理前後での特定領域の画素数の関係に応じた最適なローパスフィルタ効果を設定することができる。このため、解像力の低下を抑えつつモアレ縞の発生を低減させることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の基本概念について図６を用いて説明する。画像表示素子から射出した光が光学系を通って観察者により観察される場合、図６Ｃに示すように歪曲がない良好な画像を提示できることが望ましい。

しかし、光学系が歪曲収差を持っていると、画像表示素子に歪曲のない画像を表示しただけでは、図６Ａに示すように観察者は歪曲した画像を観察することになる。このため、図６Ｂに示すように、光学系の歪曲収差を打ち消す、すなわち光学系の歪曲収差の発生方向とは逆方向の歪みを与えるように電気的な歪み処理（以下、逆補正という）を行った画像を画像表示素子に出力する。この逆補正後の画像を光学系を通して観察することで、観察者は、図６Ｃに示すように歪曲が低減若しくはない画像を観察することができる。

ただし、前述したように、高画素の画像表示素子に歪曲した画像を表示させると、モアレ縞が発生するおそれがある。このため、本発明では、光学系を通して観察される画像に対してローパスフィルタ効果を与える。

なお、ここにいう「光学系を通して観察される画像に対してローパスフィルタ効果を与える」は、以下に説明するように、画像表示素子から射出された光線により形成される画像に対して光学的なローパスフィルタ効果を与える場合を含む。また、画像表示素子に出力（表示）される画像に対して電気的処理によるローパスフィルタ効果を与える場合も含む。

ローパスフィルタ効果を考えるにあたり、本実施例では、画像の入力信号（入力画像）と画像表示素子のＨ（水平）×Ｖ（垂直）を基準とする。

画像表示素子に入力する画像の解像力を、
Ｈ（水平）×Ｖ（垂直）＝Ｘ画素×Ｙ画素
とする。入力画像を図６Ｄに示すように複数の領域（画像領域）に分割し、その領域の１つをＲ（ｍ画素（水平）×ｎ画素（垂直））とする。この場合、領域Ｒは、逆補正によって図６Ｅに示すような歪を持った領域Ｓに変換されて画像表示素子に出力される。このとき、領域Ｓを表しているＨ×Ｖの最大表示画素数をＭ画素×Ｎ画素とする。すなわち、入力画像の領域Ｒ（ｍ画素×ｎ画素）が逆補正によって領域Ｓ（Ｍ画素×Ｎ画素）に変換されて出力画像となる。

ここで、本実施例にいう「ローパスフィルタ効果」について定義する。画像表示素子に全面表示されるサイズを有し、Ｈ方向に白と黒の１画素ラインが交互に存在する入力画像（白黒ライン画像）を逆補正すると、白と黒のラインがある歪みを持った画像として出力される。このとき、画像表示素子を観察すると、画像表示素子の画素としては解像するのが確認できる（このときの空間周波数Ｅとする）が、白黒ラインが歪んだ状態で出力されているため、画像表示素子の画素と出力画像とが干渉し、領域によってはモアレ縞が発生する。また、逆補正後の白黒ラインの線は直線で表示されていないため、光学系を通してこの逆補正された白黒ライン画像を観察すると、モアレ縞以外にも、白黒ラインが階段状の線（例えば、濃淡が存在する白線）として観察されてしまう。これはエリアジングと呼ばれる。

ローパスフィルタ効果には、画像表示素子に逆補正をした画像を出力するときに、該画像の解像力を落とす「電気的ローパスフィルタ効果」がある。

具体的には、逆補正を行った白黒ライン画像を出力する場合に、ローパスフィルタ効果を与えたい領域において、ある信号を出力する１画素（Ａ画素）に注目する。この場合、Ａ画素とその近傍の周辺画素（Ｂ画素）を比較する比較手段と、比較結果に応じて加算値を算出する算出手段と、Ａ画素とＢ画素の周辺画素を加算値に置き換える置換手段とを設ける。これにより、光学系を通して画像表示素子に出力された画像を観察したときに、白黒ラインの解像力を落としつつも、モアレ縞の発生とエリアジングの発生を低減できる。

また、ローパスフィルタ効果には、「光学的ローパスフィルタ効果」もある。具体的には、液晶素子の複屈折性を利用して光線分離幅を変化させる方法や、液晶から光学系までの任意の位置に配置した、水晶やニオブ酸リチウムなどの光学材料の複屈折性を利用する方法がある。さらに、回折格子を持つ光学素子を用いる方法もある。

これらの光学的ローパスフィルタ効果では、画像表示素子で表示された画像の空間周波数Ｅ’（画像表示素子の解像力）を光学的に変化させて空間周波数をＦ’にしたことを示す。空間周波数Ｆ’は、液晶素子の複屈折性を利用する場合は、液晶から発せられた光線により形成される画像の解像力を示す、また、水晶等の光学材料を使用した場合は、画像表示素子から射出した光線が光学材料を通った直後の解像力を示す。なお、ローパスフィルタ効果が与えられても解像力が落ちない場合もあるが、この場合も、ローパスフィルタ効果は効いていると言える。

光学材料や回折光学素子は、特に画像表示素子に近い位置に配置したり、画素表示素子の受光面を保護する役割を有するカバーガラス上に接着したりする。これにより、逆補正された画像上に発生するモアレ縞やエリアジングに対し、良好なローパスフィルタ効果を発揮できる。

本実施例では、電気的及び光学的ローパスフィルタ効果を、本発明の基本概念における入力画像の領域分割を示した図６Ｄに示す領域Ｒの画素数と、図６Ｄの入力画像に対する逆補正画像を示した図６Ｅに示す領域Ｓの画素数との関係に応じて以下のように設定する。まず、Ｈ方向についての設定は以下の通りである。

１≦Ｍ／ｍの場合、ローパスフィルタ効果を、出力画像の空間周波数を１〜１／１．５倍する効果とする。

０．８≦Ｍ／ｍ＜１の場合、ローパスフィルタ効果を、出力画像の空間周波数を１〜１／２．３倍する効果とする。

Ｍ／ｍ＜０．８の場合、ローパスフィルタ効果を、出力画像の空間周波数を１／１．４〜１／２．５倍する効果とする。

一方、Ｖ方向についての設定は以下の通りである。

１≦Ｎ／ｎの場合、ローパスフィルタ効果を、出力画像の空間周波数を１〜１／１．５倍する効果とする。

０．８≦Ｎ／ｎ＜１の場合、ローパスフィルタ効果を、出力画像の空間周波数を１〜１／２．３倍する効果とする。

Ｎ／ｎ＜０．８の場合、ローパスフィルタ効果を、出力画像の空間周波数を１／１．４〜１／２．５倍する効果とする。

すなわち、逆補正後の領域Ｓの画素数（Ｍ又はＮ）が入力画像における領域Ｒの画像数（ｍ又はｎ）よりも少ない場合は、領域Ｓの画素数が領域Ｒの画素数以上である場合に比べて強いローパスフィルタ効果を領域Ｓに対して与える。また、領域Ｓの画素数が領域Ｒの画素数よりも少ない場合においては、領域Ｓの画素数と領域Ｒの画像数との差が大きい（より少ない）ほど強いローパスフィルタ効果を領域Ｓに対して与える。

以上の設定条件の下、Ｈ方向とＶ方向とでローパスフィルタ効果が強い方をＳ領域のローパスフィルタ効果として選択し、光学的又は電気的に領域Ｓに対して該ローパスフィルタ効果を与えることで、モアレ縞及びエリアジングを低減でき、良好な画像を提示することができる。

また、入力画像と画像表示素子とが非常に多くの画素数を有する場合、ローパスフィルタ効果によって一部の領域の空間周波数が悪くなっても、モアレ縞とエリアジングが少ないために、観察者にとってほとんど気にならない。さらに、出力画像の領域ごとにローパスフィルタ効果を異ならせているため、解像力をわざわざ落とす必要のない領域については解像力を落とさずに観察者に提示できる。観察者は、高解像力の領域と若干解像力が落ちた領域とを同時に観察することになるが、多少の解像力の差は気にならない。すなわち、全体的に解像力が落ちた画像を観察するよりは、歪みが少なく、かつモアレ縞やエリアジングが抑えられた画像を観察できる方が好ましい。また、光学系の歪曲収差を電気的に逆補正することで、光学系での収差補正の負担が減少するため、光学系の小型化と歪曲収差以外の収差の補正に寄与することができる。

なお、ここまでは、領域Ｒと領域ＳをＨ方向×Ｖ方向を基準としたが、任意の座標を基準にして領域を考えてもよい。

また、図６Ｄ及び図６Ｅでは、入力画像の領域Ｒを基準座標（Ｈ方向×Ｖ方向）に平行に仕切った場合を示している。しかし、図６Ｇに示すように、画像表示素子に出力する画像（逆補正後の画像）の領域Ｓ′を基準座標（Ｈ方向×Ｖ方向）に平行に仕切った領域としてもよい。このとき、入力画像の領域Ｒ′は、図６Ｆに示すようになる。

また、入力画像において上記基準座標に平行な領域でローパスフィルタ効果を考える場合は、図６Ｈに示すように、Ｖ方向に分割した複数のＨ方向領域Ｒ１〜Ｒ５の画素数（ｎ画素）が異なっていてもよい。一方、出力画像（逆補正後の画像）において基準座標に平行な領域でローパスフィルタの効果を考える場合は、図６Ｉに示すように、複数の領域Ｓ″のＭ画素数とＮ画素数とが異なっていてもよい。

さらに、これまで説明したように、入力画像と出力画像のうち一方において基準座標に平行に仕切った領域で考えてもよいが、両方の画像において歪曲した領域で考えてもよい。

光学材料を使用してローパスフィルタ効果を領域ごとに変化させる例を、図９Ａ〜図９Ｃに示す。
図９Ａは、出力画像をＶ方向に複数（この例では５つ）の領域に分割し、上述したローパスフィルタ効果の設定条件に当てはめたときの結果を示している。このとき、画像表示素子１上又はこれに近接した位置に光学材料である水晶からなるローパスフィルタ９０を配置し、各領域に適したローパスフィルタ効果が得られるようにしている。

図９Ｂは、画像表示素子１上又はこれに近接した位置に水晶ローパスフィルタ９０を配置した様子を示す。また、図９Ｃは、図９Ｂの画像表示素子１及び水晶ローパスフィルタ９０を側方から見た様子を示す。

これらの図に示すように、与えたいローパスフィルタ効果の強さに応じて水晶の厚みを変化させる。例えば、水晶を側方から見て階段状に切り出したり、斜めの直線状に切り出したり、曲線状に切り出したりする。また、曲線状の切り出し面は、出力画像の逆補正量に応じて回転対称面や非回転対称面で形成されている。なお、図９Ｃの最も右側の図に示すように、ローパスフィルタ効果が必要な一部の領域に対してのみ水晶が配置されるように、水晶を切り出してもよい。この場合、水晶が配置されていない領域についてはローパスフィルタ効果が与えられないことになるが、このような場合も本発明に含まれる。

以上説明した入力画像の電気的逆補正とローパスフィルタ効果の付与とを行う画像表示装置は、図８Ａに示すＨＭＤや図８Ｂに示すプロジェクタとして実施することができる。さらに、これらＨＭＤやプロジェクタに限らず、他の様々な画像表示装置として実施することができる。

図８Ａにおいて、１０は液晶パネル等の画像表示素子である。６０は該画像表示素子１からの光束を観察者の眼Ｅに導く接眼光学系である。このＨＭＤにおいて、入力画像を逆補正した出力画像（逆補正画像）が画像表示素子１０上に表示されている様子を図８Ａの右側に示す。

画像表示素子１０は、駆動回路（処理手段）２００と電気的に接続されている。駆動回路２００には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置２１０が電気的に接続されている。画像供給装置２１０は、画像表示装置に対して画像情報を供給する。駆動回路２００は、画像供給装置２１０から入力された画像（入力画像）に対して逆補正処理を行い、逆補正画像を画像表示素子１０に表示させる。また、逆補正画像に電気的なローパスフィルタ効果を与える場合は、その処理を行った画像を画像表示素子１０に表示させる。画像表示装置と画像供給装置２１０とにより画像表示システムが構成される。

図８Ｂにおいて、１０は画像表示素子であり、１００は該画像表示素子１からの光束をスクリーン７０に対して投射する投射光学系である。このプロジェクタにおいて、入力画像を逆補正した出力画像（逆補正画像）が画像表示素子１０上に表示されている様子を図８Ｂの下側に示す。

このプロジェクタにも、図示しないが、図８Ａに示した画像供給装置が接続され、これにより画像表示システムが構成される。

図１Ａには、本発明の実施例１であるＨＭＤの表示光学系の構成を示す。

光学素子１は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つ以上の光学面を有するプリズム体であり、本実施例では、面Ａ（Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６）、面Ｂ（Ｓ３、Ｓ７）及び面Ｃ（Ｓ５）を有する。

光学素子２は、屈折率が１より大きい透明媒質上に２つの光学面を有するプリズム体であり、面Ｓ８，Ｓ９を有する。

レンズ３は面Ｓ１０，Ｓ１１を有し、レンズ４は面Ｓ１２，Ｓ１３を有する。これらのレンズ３，４は、面Ｓ１１と面Ｓ１２とで互いに貼り合わされている。

レンズ５は面Ｓ１４，Ｓ１５を有し、平板６は面Ｓ１６，Ｓ１７を有する。偏心シリンドリカルレンズ８は、面Ｓ１８，Ｓ１９（Ｓ２３と同一面）を有する。該シリンドリカルレンズ８の面Ｓ１９（Ｓ２３）は、透過反射兼用面（ハーフミラー）である。また、１０は画像表示素子であり、本実施例では、反射型液晶パネルを用いている。面Ｓ２０（Ｓ２２），Ｓ２１は、画像表示素子１０（以下、ＬＣＤ１０という）に設けられたカバーガラスの面であり、Ｓ２１はＬＣＤ１０の表示面である。画像表示素子としては、反射型液晶パネル以外でも、ＣＲＴ、透過型液晶パネル、エレクトロルミネッセンス素子等を用いてもよい。このことは、後述する以下の実施例でも同じである。

また、照明光源３０（面ＳＩ）は、本実施例では平面照明光源を用いている。照明光源３０から発せられた光がＬＣＤ１０に入射する際に、シリンドリカルレンズ８は照明光学系としての役割を果たしている。７，１４は偏光板である。

なお、レンズ３，４は前述したように貼り合わせレンズであり、この貼り合わせレンズ３，４とシリンドリカルレンズ８を除く全ての光学面は、図１Ａの紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。

照明光源３０から発せられた光は、偏光板１４を透過して直線偏光に変換され、シリンドリカルレンズ８の面Ｓ２３で反射されてＬＣＤ１０に向かう。ＬＣＤ１０に斜めから入射して該ＬＣＤ１０の表示面Ｓ２１で斜め方向に反射された光は、シリンドリカルレンズ８に面Ｓ１９から入射し、面Ｓ１８から射出する。そして、偏光板７を透過して平板６に面Ｓ１７から入射し、Ｓ１６から射出してレンズ５に向かう。このとき、偏光板１４に入射した直線偏光は、その偏光方向がＬＣＤ１０内で回転するため、偏光板７はその偏光方向が回転した直線偏光を通すように設定されている。

偏光板７を透過する直線偏光の偏光方向が、ＬＣＤ１０での偏光回転角９０°に合わせて、偏光板１４を透過する直線偏光の偏光方向に対して９０°ずれている場合、偏光板１４で直線偏光とされた光が面Ｓ１９で反射せずに透過してゴースト光となる場合がある。しかし、偏光板７でこのゴースト光をカットできるため、観察者の眼にゴースト光が入ることを防止できる。

レンズ５に面Ｓ１５から入射した光は、面Ｓ１４から射出し、面Ｓ１３からレンズ４に入射する。そして、レンズ４の面Ｓ１２とレンズ３の面Ｓ１１を透過し、面Ｓ１０から射出して光学素子２に向かう。

面Ｓ９から光学素子２に入射した光は、光学素子２の面Ｓ８と光学素子１の面Ｓ７を透過して光学素子１に入射する。なお、光学素子２の面Ｓ８は光学素子１の面Ｓ７とは貼り合わせられている。

光学素子１において、面Ｂ（Ｓ７）から入射した光は、面Ａ（Ｓ６）で反射された後、面Ｃ（Ｓ５）に導かれる。面Ｃ（Ｓ５）に入射した光はほぼ反対側に「折り返し反射」（これについては後述する）されて、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。面Ｃ（Ｓ５）で反射された光は、面Ａ（Ｓ４）で再度反射され、さらに面Ｂ（Ｓ３）で再反射されて面Ａ（Ｓ２）から射出し、射出瞳Ｓ１に向かう。

このとき、光学素子１内で画像表示面（Ｓ２１）の両端からの光線が交わっており、表示された画像の中間結像面が形成されている。本実施例においては、面Ｓ４の反射から面Ｓ５の反射の間に中間像が形成されている。但し、必ずしもこの間に中間像が形成される必要はない。

本実施例は、中間結像面を通過する光束を平行光束として射出瞳Ｓ１に導くいわゆる接眼光学系部分を有する。そして、中間像は、接眼光学系部分での収差補正を容易にするために、該接眼光学系部分での像面湾曲や非点収差の発生する状況に合わせて、適宜湾曲したり非点隔差を有したりするように結像されていることが好ましい。

また、光束が面Ｓ５における反射から面Ｓ２を射出するまでに寄与する面は、接眼光学系部分に相当し、光学素子１でのそれ以外の部分とＬＣＤ１０のカバーガラスとの間に配置されている光学系とがリレー光学系に相当する。最終反射面として作用するときの面Ｓ３は、射出面として作用するときの面Ｓ２に対して非常に強いパワーを有した凹面鏡となっている。このため、接眼光学系部分では収差を完全に補正することが困難である。そこで、本実施例では、リレー光学系部分が接眼光学系部分での収差をキャンセルするような形の中間結像面ができるように中間像を形成している。これにより、最終的な像観察における画質を向上させることができる。

面Ｓ４における反射を光学素子１内での内部全反射とすると、光量ロスが少なくなり、好ましい。少なくとも面Ｓ２からの射出光束と面Ｓ４での反射光束とが共用する領域においては、反射が内部全反射となるようにすると、全ての反射を内部全反射とする場合に比べて設計自由度を上げつつ、同程度の明るさを確保できるので、好ましい。この場合、面Ｓ４において内部全反射ではない反射は、反射膜による反射とする。また、面Ｓ５における反射は、反射膜による反射とする。

光学素子１において、光は面Ｂ→面Ａ→面Ｃ→面Ａ→面Ｂ（→面Ａ）の順に各面を通過し、面Ｃでの反射を境に最終反射面Ｂに至るまで、それまでの光路を逆にたどり、面Ｂ→面Ａ→面Ｃの往路と、面Ｃ→面Ａ→面Ｂの復路を形成している。面Ｃのように往路から復路に切り換わる反射を折り返し反射といい、このような折り返し反射作用を持つ面を「折り返し面」と称する。このように、複数の偏心反射面Ａ，Ｂ，Ｃで光路を折り畳み、かつ面Ｃで折り返し反射して往路と復路をほぼ重複させることにより、長い光路長を小型の光学素子１内に収めることができる。これにより、図１Ａに示す表示光学系全体を小型にすることができる。

また、折り返し面に入射した光線がここで反射されて射出されるとき、折り返し面の前後で光線が所定の角度θをなして入射及び反射される場合、角度θは、
｜θ｜＜６０° …（１）
を満たすことが望ましい。この条件を外れると、折り返し反射後の光路（復路）が往路を逆戻りせず、往復光路というよりジグザグ光路になってしまい、光学系１が大型化する。

さらに、θは以下の条件を満足することが好ましい。

｜θ｜＜３０° …（２）
この（２）の条件を外れると、復路は往路を逆戻りするものの、往路と復路の重なり程度が少ない。したがって、光学系１が大型化し、表示光学系全体を小型化することが難しくなる。

さらに、θが以下の条件を満足すると、表示光学系全体をより小型化することができる。

｜θ｜＜２０° …（３）。

本実施例の表示光学系の数値例を表１に示す。

ここで、偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点を基準とした座標系で表される。すなわち、ｚ軸を光軸とし、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。しかし、本実施例の表示光学系は、偏心系であるので、ここでは、偏心系に対応したローカル母線断面とローカル子午線断面を新たに定義する。

逆補正によって画像表示素子上に表示した入力画像の中心に相当する位置から射出瞳の中心とを通る光線を中心画角主光線とするとき、該中心画角主光線の各面のヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とする。また、各面の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。

各面における中心画角主光線のヒットポイント近傍の曲率を計算し、各面の中心画角主光線に対するローカル母線断面における曲率半径をｒｙ、ローカル子線断面における曲率半径をｒｘと定義する。

以下、表１の光学データの見方を説明する。なお、光学データの見方は、後述する他の実施例でも同じである。

表示１において、最も左の項目ＳＵＲＦは面番号（Ｓｉのｉ）を示している。

Ｘ，Ｙ，Ｚ及びＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸と紙面に垂直なｘ軸とを有する座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と、図上で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りでの回転角ａ（単位：度）である。

ＴＹＰの項は、面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面、ＦＦＳは非回転対称面、ＣＹＬは母線断面においてのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズ面である。

実施例の非回転対称面は下記のＦＦＳの条件式に従う。また、ＹＴＯは母線断面が下記の非球面条件式で表され、子午線断面は平面（ｒｘ＝∞）である。

Ｒの項は曲率半径を表し、シリンドリカルレンズ面に関しては母線断面曲率半径ｒｙの値を表記している。

ＦＦＳ：
z=(1/R)*(x²+y²)/(1+(1-(1+k)*(1/R)²*(x²+y²))^(1/2))+c2+c4*y+c5*(x²-y²)
+c6*(-1+2*x²+2*y²)+c10*(-2*y+3*x²*y+3*y³)+c11*(3*x²*y-y³)
+c12*(x⁴-6*x²*y²+y⁴)+c13*(-3*x²+4*x⁴+3*y²-4*y⁴)
+c14*(1-6*x²+6*x⁴-6*y²+12*x²*y²+6*y⁴)
+c20*(3*y-12*x²*y+10*x⁴*y-12*y³+20*x²*y³+10*y⁵)
+c21*(-12*x²*y+15*x⁴*y+4*y³+10*x²*y³-5*y⁵)
+c22*(5*x⁴*y-10*x²*y³+y⁵)+c23*(x⁶-15*x⁴*y²+15*x²*y⁴-y⁶)
+c24*(-5*x⁴+6*x⁶+30*x²*y²-30*x⁴*y²-5*y⁴-30*x²*y⁴+6*y⁶)
+c25*(6*x²-20*x⁴+15*x⁶-6*y²+15*x⁴*y²+20*y⁴-15*x²*y⁴-15*y⁶)
+c26*(-1+12*x²-30*x⁴+20*x⁶+12*y²-60*x²*y²+60*x⁴*y²-30*y⁴+60*x²*y⁴+20*y⁶)
+・・・・・・。

また、ＴＹＰの欄でＦＦＳの横に記された数値は，その面の形状が同表の下側に記載された非球面係数ｋ及びｃ＊＊に対応する非回転対称形状であることを示している。但し、記載されていないｃ＊＊の値は０である。

Ｎｄ，νｄはそれぞれ面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．００００として表示し、アッベ数ｖｄは省略している。

表１での長さの単位はｍｍである。したがって、表１に示す光学系は、画像サイズが約１８ｍｍ×１４ｍｍで、水平画角６０°の画像をｚ軸方向での無限遠方に表示する表示光学系である。

本実施例では、光学系によって非常に大きな歪曲収差が発生している。このため、光学系で発生する歪曲収差とは逆方向に電気的に歪み補正処理（逆補正）を行った画像を画像表示素子に出力する。

本実施例では、入力画像を、図７に示すように、Ｈ方向×Ｖ方向＝８×８の領域に分割して考える。これについては、後述する他の実施例でも同じである。

また、本実施例では、入力画像と画像表示素子の画素数とが同じであるとする。これについても、後述する他の実施例でも同じである。

入力画像（図７）を逆補正した出力画像（逆補正画像）を、図１Ｂに示す。図１Ｂのように歪曲した出力画像における８×８の各領域について、前述したローパスフィルタ効果の設定条件に従ってローパスフィルタ効果を計算した結果を図１Ｃに示す。図１Ｃには、ローパスフィルタ効果が強い領域、中程度の領域及び弱い領域を示している。

そして、本実施例では、光学系では歪曲収差を補正していないため、歪曲収差以外の諸収差の補正や光学系の小型化に寄与するように光学系を構成することができる。本実施例では、小型でありながらも、光学性能がきわめて良好であり、歪の少ない画像を提示できる表示光学系（つまりは、画像表示装置）を実現している。

さらに、画像表示素子に出力する画像を歪曲させた上で、領域ごとに最適なローパスフィルタ効果が得られる構成とすることで、光学系を通して画像表示素子を観察したときに、歪みが少なく、モアレ縞やエリアジングも少ない良好な画像を観察することができる。

また、本実施例では、光学系の少なくとも１面を、画像表示素子１０からの光線に対して偏心した面としているので、光学系のより小型化を図ることができる。

また、本実施例では、光学系の少なくとも１面を、非回転対称面により構成しているので、光学系の更なる小型化と、光学系による諸収差（特に、色倍率収差や軸上色収差）を最小限に抑えることができる。

また、本実施例では、逆補正して画像表示素子１０に表示させる画像を、非回転対称な歪曲画像としている。これにより、光学系の諸収差補正への寄与を少なくし、無理なパワー設定をした光学系とはならないため、光学系の面に対する公差を緩くし、製造し易くすることができる。

なお、本実施例では、入力画像の画素数と画像表示素子の画素数とが同じである場合について説明したが、これらは互いに異なっていてもよい。この場合は、入力画像の画素数と画像表示素子の画素数との元々の違いに応じたローパスフィルタ効果の設定条件に従ってローパスフィルタ効果の強さを定めればよい。このことは、後述する他の実施例でも同様である。

なお、表１には、照明光源３０及び偏光板１４の光学データは示していない。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

図２Ａには、本発明の実施例２であるＨＭＤの表示光学系の構成を示す。

光学素子１は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つ以上の光学面を有するプリズム体であり、光学素子２は屈折率が１より大きい透明媒質上に２つの光学面を有するプリズム体である。３，４，５，９はそれぞれ２面を有するレンズ、８は偏心シリンドリカルレンズである。１０は画像表示素子（反射型ＬＣＤ）である。

シリンドリカルレンズ８のＬＣＤ１０に近い側の面は透過反射兼用面（ハーフミラー）である。

照明光源３０は、平面照明光源である。平面照明光源３０から発せられた光がＬＣＤ１０に入射する際に、シリンドリカルレンズ８は照明光学系としての役割も果たしている。本実施例では、光学素子１，２及びレンズ５を構成する全ての面を、図の紙面に平行な面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状としている。

平面照明光源３０から発せられた光は、偏光板１４を透過して直線偏光に変換され、シリンドリカルレンズ８で反射されてＬＣＤ１０に向かう。ＬＣＤ１０に斜めから入射し、ＬＣＤの画像表示面で斜め方向に反射された光は、シリンドリカルレンズ８を通り、偏光板７を透過してレンズ５に入射する。偏光板７，１４の機能は実施例１と同じである。

レンズ５を射出した光は、レンズ４とレンズ３を透過して光学素子２に入射する。さらに、光学素子２と光学素子１の接合面を透過して光学素子１に入射する。

光学素子１に面Ｂから入射した光は、面Ａで反射された後、面Ｃに導かれる。面Ｃに入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。面Ｃで反射された光は、面Ａで再度反射され、面Ｂで再反射され、面Ａにおいて光学素子１から射出して、レンズ９を通って射出瞳Ｓ１に向かう。

本実施例の数値例を表２に示す。

表２での長さの単位はｍｍである。したがって、表２に示す光学系は、画像サイズが約１８ｍｍ×１４ｍｍで、水平画角６０°の画像をｚ軸方向での無限遠方に表示する表示光学系である。

本実施例では、光学系によって非常に大きな歪曲収差が発生している。このため、光学系で発生する歪曲収差とは逆方向に電気的に歪み補正処理（逆補正）を行った画像を画像表示素子に出力する。入力画像（図７）を逆補正した出力画像（逆補正画像）を、図２Ｂに示す。

図２Ｂのように歪曲した出力画像における８×８の各領域について、前述したローパスフィルタ効果の設定条件に従ってローパスフィルタ効果を計算することで、ローパスフィルタ効果が強い領域、中程度の領域及び弱い領域が求められる。

そして、本実施例では、光学系では歪曲収差を補正していないため、歪曲収差以外の諸収差の補正や光学系の小型化に寄与するように光学系を構成することができる。本実施例では、小型でありながらも、光学性能がきわめて良好であり、歪の少ない画像を提示できる表示光学系（つまりは、画像表示装置）を実現している。

さらに、画像表示素子に出力する画像を歪曲させた上で、領域ごとに最適なローパスフィルタ効果が得られる構成とすることで、光学系を通して画像表示素子を観察したときに、歪みが少なく、モアレ縞やエリアジングも少ない良好な画像を観察することができる。

図３Ａには、本発明の実施例３であるＨＭＤの表示光学系の構成を示す。

光学素子１は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つ以上の光学面を有するプリズム体であり、光学素子２は屈折率が１より大きい透明媒質上に２つの光学面を有するプリズム体である。３，４は貼り合わせレンズ，５は２面を有するレンズ、８は偏心シリンドリカルレンズである。１０は画像表示素子（反射型ＬＣＤ）である。

シリンドリカルレンズ８のＬＣＤ１０に近い側の面は透過反射兼用面（ハーフミラー）である。

照明光源３０は、平面照明光源である。平面照明光源３０から発せられた光がＬＣＤ１０に入射する際に、シリンドリカルレンズ８は照明光学系としての役割も果たしている。本実施例では、光学素子１，２及びレンズ５を構成する全ての面を、図の紙面に平行な面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状としている。

平面照明光源３０から発せられた光は、偏光板１４を透過して直線偏光に変換され、シリンドリカルレンズ８で反射されてＬＣＤ１０に向かう。ＬＣＤ１０に斜めから入射し、ＬＣＤ１０の画像表示面で斜め方向に反射された光は、シリンドリカルレンズ８を通り、偏光板７を透過してレンズ５に入射する。

光学素子５を射出した光は、貼り合わせレンズ４，３を透過して光学素子２に入射する。そして、光学素子２と光学素子１の接合面を透過して光学素子１に入射する。光学素子１に面Ｂから入射した光は、面Ａで反射された後、面Ｃに導かれる。面Ｃに入射した光はほぼ反対側に折り返し反射され、面Ｃでの反射前の光と逆向きに進む。面Ｃで反射された光は面Ａで再度反射され、面Ｂで再反射され、面Ａにおいて光学素子１から射出して射出瞳Ｓ１に向かう。

本実施例の数値例を表３に示す。

表３での長さの単位はｍｍである。したがって、表３に示す光学系は、画像サイズが約１８ｍｍ×１４ｍｍで、水平画角６０°の画像をｚ軸方向での無限遠方に表示する表示光学系である。

本実施例では、光学系によって非常に大きな歪曲収差が発生している。このため、光学系で発生する歪曲収差とは逆方向に電気的に歪み補正処理（逆補正）を行った画像を画像表示素子に出力する。入力画像（図７）を逆補正した出力画像（逆補正画像）を、図３Ｂに示す。

図３Ｂのように歪曲した出力画像における８×８の各領域について、前述したローパスフィルタ効果の設定条件に従ってローパスフィルタ効果を計算することで、ローパスフィルタ効果が強い領域、中程度の領域及び弱い領域が求められる。

そして、本実施例では、光学系では歪曲収差を補正していないため、歪曲収差以外の諸収差の補正や光学系の小型化に寄与するように光学系を構成することができる。本実施例では、小型でありながらも、光学性能がきわめて良好であり、歪の少ない画像を提示できる表示光学系（つまりは、画像表示装置）を実現している。

さらに、画像表示素子に出力する画像を歪曲させた上で、領域ごとに最適なローパスフィルタ効果が得られる構成とすることで、光学系を通して画像表示素子を観察したときに、歪みが少なく、モアレ縞やエリアジングも少ない良好な画像を観察することができる。

図４Ａには、本発明の実施例４であるＨＭＤの表示光学系の構成を示す。

光学素子１は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つ以上の光学面を有するプリズム体であり、３，４，６はそれぞれ２面を有するレンズである。１０は画像表示素子（反射型ＬＣＤ）である。なお、本実施例では、照明光源を示していない。

本実施例では、光学素子１を構成する全ての面を、図の紙面に平行な面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状としている。

画像表示素子１０から射出した光は、レンズ６，４，３を透過して、光学素子１に面Ｃから入射する。光学素子１に入射した光は、面Ａで反射された後、面Ｂで反射され、面Ａにおいて光学素子１から射出して、射出瞳Ｓ１に向かう。

本実施例の数値例を表４に示す。

表４での長さの単位はｍｍである。したがって、表４に示す光学系は、画像サイズが約１８ｍｍ×１４ｍｍで、水平画角６０°の画像をｚ軸方向での無限遠方に表示する表示光学系である。

本実施例では、光学系によって非常に大きな歪曲収差が発生している。このため、光学系で発生する歪曲収差とは逆方向に電気的に歪み補正処理（逆補正）を行った画像を画像表示素子に出力する。入力画像（図７）を逆補正した出力画像（逆補正画像）を、図４Ｂに示す。

図４Ｂのように歪曲した出力画像における８×８の各領域について、前述したローパスフィルタ効果の設定条件に従ってローパスフィルタ効果を計算することで、ローパスフィルタ効果が強い領域、中程度の領域及び弱い領域が求められる。

そして、本実施例では、光学系では歪曲収差を補正していないため、歪曲収差以外の諸収差の補正や光学系の小型化に寄与するように光学系を構成することができる。本実施例では、小型でありながらも、光学性能がきわめて良好であり、歪の少ない画像を提示できる表示光学系（つまりは、画像表示装置）を実現している。

さらに、画像表示素子に出力する画像を歪曲させた上で、領域ごとに最適なローパスフィルタ効果が得られる構成とすることで、光学系を通して画像表示素子を観察したときに、歪みが少なく、モアレ縞やエリアジングも少ない良好な画像を観察することができる。

図５Ａには、本発明の実施例５であるＨＭＤの表示光学系の構成を示す。

光学素子１は、屈折率が１より大きい透明媒質上に３つ以上の光学面を有するプリズム体であり、面Ａ，面Ｂ，面Ｃ及び面Ｄを有する。光学素子２，３はそれぞれ、屈折率が１より大きい透明媒質上に２つの光学面を有するプリズム体である。４，５はそれぞれ２面を有するレンズであり、これらのレンズ４，５は互いに貼り合わされている。１０は画像表示素子（反射型ＬＣＤ）である。なお、本実施例では、照明光源を示していない。

本実施例では、光学素子１，２，３を形成する全ての面を、図の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状としている。

画像表示素子１０から射出した光は、レンズ５，４及び光学素子３，２を透過して光学素子１に面Ｄから入射する。光学素子１に入射した光は、面Ｃで反射された後、面Ａで反射され、更に面Ｂで反射され、面Ａにおいて光学素子１から射出し、射出瞳Ｓ１に向かう。

本実施例の数値例を表５に示す。

表５での長さの単位はｍｍである。したがって、表５に示す光学系は、画像サイズが約１８ｍｍ×１４ｍｍで、水平画角６０°の画像をｚ軸方向での無限遠方に表示する表示光学系である。

本実施例では、光学系によって非常に大きな歪曲収差が発生している。このため、光学系で発生する歪曲収差とは逆方向に電気的に歪み補正処理（逆補正）を行った画像を画像表示素子に出力する。入力画像（図７）を逆補正した出力画像（逆補正画像）を、図５Ｂに示す。

図５Ｂのように歪曲した出力画像における８×８の各領域について、前述したローパスフィルタ効果の設定条件に従ってローパスフィルタ効果を計算することで、ローパスフィルタ効果が強い領域、中程度の領域及び弱い領域が求められる。

そして、本実施例では、光学系では歪曲収差を補正していないため、歪曲収差以外の諸収差の補正や光学系の小型化に寄与するように光学系を構成することができる。本実施例では、小型でありながらも、光学性能がきわめて良好であり、歪の少ない画像を提示できる表示光学系（つまりは、画像表示装置）を実現している。

さらに、画像表示素子に出力する画像を歪曲させた上で、領域ごとに最適なローパスフィルタ効果が得られる構成とすることで、光学系を通して画像表示素子を観察したときに、歪みが少なく、モアレ縞やエリアジングも少ない良好な画像を観察することができる。

本発明の実施例１である光学系の構成を示す断面図。 実施例１における逆補正画像を示す図。 実施例１におけるローパスフィルタ効果の強さを示す図。 本発明の実施例２である光学系の構成を示す断面図。 実施例２における逆補正画像を示す図。 本発明の実施例３である光学系の構成を示す断面図。 実施例３における逆補正画像を示す図。 本発明の実施例４である光学系の構成を示す断面図。 実施例４における逆補正画像を示す図。 本発明の実施例５である光学系の構成を示す断面図。 実施例５における逆補正画像を示す図。 本発明の基本概念における入力画像を示す図。 図６Ａの入力画像に対する逆補正画像を示す図。 本発明の基本概念における観察画像を示す図。 本発明の基本概念における入力画像の領域分割を示す図。 図６Ｄの入力画像に対する逆補正画像を示す図。 本発明の基本概念における入力画像の領域分割を示す図。 図６Ｆの入力画像に対する逆補正画像を示す図。 本発明の基本概念における入力画像の領域分割を示す図。 本発明の基本概念における逆補正画像の領域分割を示す図。 本発明の実施例１〜５における入力画像の領域分割を示す図。 本発明を適用したＨＭＤの例を示す図。 本発明を適用したプロジェクタの例を示す図。 本発明により得られるローパスフィルタ効果の例を示す図。 本発明における光学ローパスフィルタと画像表示素子との関係を示す正面図。 本発明における光学ローパスフィルタと画像表示素子との関係を示す側面図。

符号の説明

１，２，３，４，５，６，９ 光学素子（レンズを含む）
７，１４ 偏光板
８ 偏心シリンドリカルレンズ
１０ 画像表示素子
３０ 光源

Claims (8)

1. 画像表示素子と、
   該画像表示素子に表示された画像を観察するための光学系と、
   入力画像に対して、前記光学系により生ずる歪曲とは逆方向の歪みを電気的に与える歪み処理を行い、該歪み処理が行われた画像を前記画像表示素子に表示させる処理手段と、
   前記光学系を通して観察される画像にローパスフィルタ効果を与えるフィルタ手段とを有し、
   前記フィルタ手段は、前記入力画像において第１の画素数を有する第１の画像領域が前記歪み処理により第２の画素数を有する第２の画像領域とされた場合に、前記第１の画素数と前記第２の画像数との関係に応じて異なるローパスフィルタ効果を、前記光学系を通して観察される前記第２の画像領域に対して与えることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記フィルタ手段は、前記第２の画素数が前記第１の画像数よりも少ない場合は、前記第２の画素数が前記第１の画素数よりも多い場合に比べて強いローパスフィルタ効果を、前記光学系を通して観察される前記第２の画像領域に対して与えることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記フィルタ手段は、前記第２の画素数が前記第１の画像数よりも少ない場合において、前記第１の画素数と前記第２の画像数との差が大きいほど強いローパスフィルタ効果を、前記光学系を通して観察される前記第２の画像領域に対して与えることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記フィルタ手段は、複数の前記第２の画像領域のうち該第２の画像領域ごとに、前記第１の画素数と前記第２の画像数との関係に応じて異なるローパスフィルタ効果を与えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
5. 前記フィルタ手段は、前記画像表示素子からの光線により形成される画像に対して光学的なローパスフィルタ効果を与えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
6. 前記フィルタ手段は、前記画像表示素子に表示される画像に対して電気的処理によるローパスフィルタ効果を与えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
7. 前記画像表示素子に表示される前記歪み処理後の画像は、非回転対称形状を有する歪曲画像であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の画像表示装置。
8. 請求項１から７のいずかれ１つに記載の画像表示装置と、
   該画像表示装置に画像情報を供給する画像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。