JP2009134087A - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】照明光学系１２をコンパクトに構成して装置全体をコンパクトに構成する。観察者の使用負担を軽減する。
【解決手段】照明光学系１２には、第１の反射面としての面２１ａが配置されており、接眼光学系４には、第２の反射面としての面３１ｂ・３１ｃが配置されている。したがって、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路は、照明光学系１２の面２１ａと、接眼光学系４の面３１ｂ・３１ｃとで折り曲げられる。このとき、面２１ａおよび面３１ｂ・３１ｃのそれぞれに対して、入射する中心画角主光線と射出する中心画角主光線とで作られる第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とは交差しているので、これらの面により、中心画角主光線の光路は３次元的に折りたたまれる。これにより、光源１１および照明光学系１２を１つの系と考えたときの重心と接眼光学系４の重心とを３次元的に近づけることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。

従来から、表示素子よりも光源側にある照明光学系の光路を折りたたみながら表示素子を照明し、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して観察者の瞳に導く映像表示装置が種々提案されている。例えば特許文献１〜３では、中心画角主光線の光路が、照明光学系と接眼光学系とで同一面内で折りたたまれている。なお、中心画角主光線とは、光源から表示素子の中心を通り、接眼光学系（例えばプリズム）によって形成される光学瞳の中心に入射する光線を指すものとする。

特開２００３−１４００８０号公報 特開２００１−２３５７０５号公報 特開２０００−３９５８２号公報

ところが、上記のように中心画角主光線の光路を照明光学系と接眼光学系とで同一面内で折りたたむ構成では、例えば、光源に対する光学瞳の倍率を小さくするなど、照明光学系の焦点距離を比較的長く確保する必要がある場合には、光源が表示素子から遠く離れたり、照明光学系における反射面の法線方向の幅が大きくなる。その結果、光源が上下方向や前後方向に大きく飛び出るレイアウトとなったり、照明光学系自体が大型化することによって、映像表示装置が大型化するという問題が生ずる。また、光源が上下方向や前後方向に大きく飛び出る構成となると、装置のバランスが崩れて、装置を不安定に使用することになり、観察者への使用負担が増大するという問題も生ずる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、照明光学系での光路の折りたたみ方を工夫することにより、装置全体をコンパクトに構成することができるとともに、観察者の使用負担を軽減することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。

本発明の映像表示装置は、光源と、映像を表示する表示素子と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの映像光を光学瞳に導く導光部材を有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、光源から光学瞳に向かう光の光路を折り曲げる第１の反射面および第２の反射面を備えており、第１の反射面は照明光学系中に配置されている一方、第２の反射面は接眼光学系中に配置されており、光源の中心から射出されて表示素子の表示面の中心を通り、光学瞳の中心に入射する光線を中心画角主光線とし、第１の反射面に入射する中心画角主光線と第１の反射面から射出される中心画角主光線とを含む平面を第１の平面とし、第２の反射面に入射する中心画角主光線と第２の反射面から射出される中心画角主光線とを含む平面を第２の平面とすると、第１の平面と第２の平面とは、交差していることを特徴としている。

上記の構成によれば、光源からの光は、照明光学系を介して表示素子に入射し、映像光として表示素子から射出される。その映像光は、接眼光学系の導光部材に入射し、光学瞳まで導光される。したがって、光学瞳の位置では、観察者は表示素子に表示された映像（虚像）を観察することが可能となる。

また、照明光学系中には第１の反射面が配置されており、接眼光学系中には第２の反射面が配置されているので、光源から光学瞳に向かう光の光路は、照明光学系（第１の反射面）と接眼光学系（第２の反射面）とで折り曲げられる。ここで、入射する中心画角主光線と射出する中心画角主光線とで作られる第１の平面と第２の平面とは交差しているので、結局、第１の反射面および第２の反射面により、中心画角主光線の光路は３次元的に折りたたまれる。

これにより、光源および照明光学系を１つの系（以下では、照明系と称する）と考えたときの重心と、接眼光学系の重心とを３次元的に（３次元空間を利用して）近づけることが可能となる。したがって、例えば照明光学系の焦点距離を長く確保する必要がある場合でも、光源が接眼光学系に対して例えば上下方向や前後方向に飛び出る構成となるのを回避することができる。その結果、照明系をコンパクトに構成して、装置全体をコンパクトにすることができる。

また、照明系と接眼光学系の重心同士を３次元的に近づけてその距離を短くできるので、本発明の映像表示装置をＨＭＤに適用したときでも、映像表示装置のバランスが安定する。したがって、観察者はＨＭＤを長時間安定して使用することができ、観察者への使用負担を軽減することができる。

本発明の映像表示装置は、第１の平面と第２の平面とのなす角をθとすると、
４５°≦θ≦９０°
であることが望ましい。

この場合、照明光学系のＮＡが大きい場合でも（照明光学系の焦点距離が短い場合でも）、θが４５°以上となるように中心画角主光線の光路を折りたためば、照明系と接眼光学系の重心同士を３次元的に近づけることが可能であり、上述の本発明の効果を十分に得ることができる。

本発明の映像表示装置において、第１の平面と第２の平面とのなす角θは、９０°であってもよい。この場合、照明系の重心と接眼光学系の重心とを３次元的に最も近づけることができ、上述の本発明の効果を最大限に得ることができる。

本発明の映像表示装置において、光源は、光学瞳と共役な位置関係となるように配置されていることが望ましい。この場合、光源からの光を効率よく光学瞳に導くことができ、観察者は明るい映像を観察することができる。

本発明の映像表示装置において、第２の平面は、表示素子の表示面の短辺に平行な平面であることが望ましい。この場合、接眼光学系において、第２の平面内、つまり、表示素子の表示面の短辺に平行な平面内で中心画角主光線が折り曲げられるので、導光部材を薄くすることが可能となる。

本発明の映像表示装置において、照明光学系は、光源から光学瞳に向かう光の光路を折り曲げる第３の反射面をさらに備えていてもよい。そして、第３の反射面に入射する中心画角主光線と第３の反射面から射出される中心画角主光線とを含む平面を第３の平面とすると、第３の平面は、第２の平面と平行であってもよい。

照明光学系内では、第１の平面内で光路が折りたたまれるのみならず、接眼光学系での光路の折りたたみ面（第２の平面）と平行な面（第３の平面）でも光路が折りたたまれるので、例えば照明光学系の焦点距離が長い場合でも、照明系と接眼光学系との重心ずれを極力小さくすることができ、光路分離をうまく図りながら、照明系をコンパクトに構成することが可能となる。

本発明の映像表示装置において、第１の反射面は、平面であってもよい。この場合、平面反射面と回転対称光学系（例えば集光レンズ）とで照明光学系を構成することができる。つまり、簡易な光学構成で照明光学系を構成することができる。

本発明の映像表示装置において、第１の反射面は、光学パワーを有していてもよい。この場合、照明光学系をよりコンパクトにすることができる。

本発明の映像表示装置において、第１の反射面は、第１の平面内でのみ光学パワーを有していてもよい。このような第１の反射面を用いることにより、簡単な照明構成で、光学瞳を例えば横長（長方形、楕円）にすることができる。この場合、横方向には瞳が大きいので映像を観察しやすくなり、縦方向には瞳が小さいので明るい映像を観察することが可能となる。

本発明の映像表示装置において、接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導く構成であってもよい。体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、反射波長域が狭く、外光の透過率が高いので、表示映像（虚像）を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。

本発明によれば、第１の平面と第２の平面とは交差しているので、第１の反射面および第２の反射面により、中心画角主光線の光路は３次元的に折りたたまれる。これにより、光源と照明光学系とからなる照明系の重心と、接眼光学系の重心とを３次元的にさらに近づけることが可能となり、光源が上下方向や前後方向に飛び出ることがなくなる。その結果、照明系ひいては装置全体をコンパクトにすることができるとともに、本発明の映像表示装置をＨＭＤに適用したときでも、観察者はＨＭＤを長時間安定して使用することができ、観察者への使用負担を軽減することができる。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（１．ＨＭＤの構成）
図２は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２とで構成されている。

映像表示装置１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。この映像表示装置１は、後述する光源１１や表示素子１３（ともに図１参照）などを収容する筐体３に接眼光学系４を一体化させて構成されている。光源１１や表示素子１３を制御するための信号や各部の駆動電力は、筐体３を貫通するケーブル５を介して各部に供給される。接眼光学系４は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をなしている。なお、眼鏡の左眼用レンズに相当するレンズ６は、ダミーレンズである。

支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持部材であり、例えば眼鏡のフレーム、テンプル、鼻当てに相当する部材の集合で構成されている。なお、本実施形態では、支持手段２は、観察者の右眼に対応して１個の映像表示装置１を支持しているが、観察者の両眼に対応して２個の映像表示装置１を支持してもよい。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。

（２．映像表示装置について）
図１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す斜視図である。また、図３は、映像表示装置１の上面図であり、図４は、映像表示装置１の側面図である。これらの図に示すように、映像表示装置１は、光源１１と、照明光学系１２と、表示素子１３と、接眼光学系４とを有している。

なお、以下での説明の便宜上、光源１１の中心から射出されて表示素子１３の表示面の中心を通り、接眼光学系４によって形成される光学瞳Ｅの中心に入射する光線（図１では一点鎖線で示す光線）を、中心画角主光線（中心画角の主光線）と称することとする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときに中心画角主光線が進行する方向をＺ方向とする。また、接眼光学系４の後述するホログラム光学素子３３の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。したがって、光学瞳Ｅの位置では、Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向は、それぞれ観察者の前後方向、左右方向、上下方向に対応する。なお、ホログラム光学素子３３の入射面とは、ホログラム光学素子３３に入射する中心画角主光線とホログラム光学素子３３から射出される中心画角主光線とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。また、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の正負は問わないものとする。

光源１１は、例えば、ＲＧＢの３原色に対応する波長の光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。ＲＧＢの各発光部は、例えばＸ方向に沿って配置されている。光源１１は、光学瞳Ｅと共役な位置関係となるように配置されている。これにより、光源１１からの光を効率よく光学瞳Ｅに導くことができ、観察者は明るい映像を観察することができる。言い換えれば、低消費電力の映像表示装置１を実現することができる。

照明光学系１２は、光源１１から射出された光を表示素子１３に導くものであり、反射ミラー２１と、集光レンズ２２とで構成されている。反射ミラー２１は、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路を折り曲げる反射面としての面２１ａを有している。面２１ａは、例えば平面となっており、照明光学系１２の中に配置されて上記光路を折り曲げる第１の反射面を構成している。集光レンズ２２は、光源１１から反射ミラー２１を介して得られる光を集光して表示素子１３に導くものである。

なお、照明光学系１２は、入射光を一方向（例えばＸ方向）に拡散する一方向拡散板をさらに備えていてもよい。一方向拡散板を配置することにより、光源１１からのＲＧＢの各色光をＸ方向で混ぜることができるので、各発光部の位置が異なることに起因する色ムラを低減することができるとともに、一方向拡散板での拡散によって光学瞳Ｅを一方向に拡大することができる。

なお、一方向拡散板を配置した場合、光源１１と光学瞳Ｅとは、位置関係が共役であっても、Ｘ方向では光学的に共役とはならないが、Ｙ方向では依然として光学的に共役である。したがって、Ｙ方向については、光源１１からの光を効率よく光学瞳Ｅに導くことができる。

なお、照明光学系１２は、上記の一方向拡散板の代わりに、入射光を全方向に拡散する通常の拡散板を備えていてもよい。この場合、拡散板の位置を光源位置（２次光源位置）と考え、その光源位置と光学瞳Ｅとを共役な位置関係に設定してもよい。

表示素子１３は、入射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。表示素子１３は、矩形の表示画面の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。

接眼光学系４は、表示素子１３からの映像光を光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光（外光）を光学瞳Ｅに導く光学系であり、ＹＺ面に対して面対称に形成されている。この接眼光学系４は、接眼プリズム３１と、偏向プリズム３２とホログラム光学素子３３（図２、図４参照）とを有して構成されている。

接眼プリズム３１は、表示素子１３からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子３３を介して光学瞳Ｅに導く一方、外光を透過させて光学瞳Ｅに導く導光部材であり、偏向プリズム３２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム３１は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にした形状で構成されている。

接眼プリズム３１の上端面は、映像光の入射面としての面３１ａとなっており、前後方向に位置する２面は、互いに平行な面３１ｂ・３１ｃとなっている。面３１ｂ・３１ｃは、接眼光学系３１の中に配置されて光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路を折り曲げる第２の反射面をそれぞれ構成している。

偏向プリズム３２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２参照）、接眼プリズム３１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム３１と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム３２は、ホログラム光学素子３３を挟むように接眼プリズム３１と接着して設けられている。これにより、観察者が接眼プリズム３１を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

つまり、例えば、偏向プリズム３２を設けない場合、外光は接眼プリズム３１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム３１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム３１に偏向プリズム３２を接合して一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム３１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム３２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

ホログラム光学素子３３は、表示素子１３からの映像光を回折反射させて光学瞳Ｅに導くと同時に、外光を透過させて光学瞳Ｅに導く体積位相型の反射型ホログラム光学素子であり、接眼プリズム３１において偏向プリズム３２との接合面に設けられている。体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、反射波長域が狭く、外光の透過率が高いので、これをホログラム光学素子３３として用いることにより、観察者は、表示映像（虚像）を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。また、ホログラム光学素子３３は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。

次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から射出された光は、照明光学系１２の反射ミラー２１の面２１ａで反射され、集光レンズ２２で集光されて表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子１３からの映像光は、接眼光学系４の接眼プリズム３１の内部に面３１ａから入射し、面３１ｂ・３１ｃの間で複数回全反射されて、ホログラム光学素子３３に入射する。ホログラム光学素子３３に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１３に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。

一方、接眼プリズム３１、偏向プリズム３２およびホログラム光学素子３３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子１３に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。

（３．光路の折りたたみについて）
上記のように、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光は、照明光学系１２では反射ミラー２１の面２１ａで反射され、接眼光学系４では接眼プリズム３１の面３１ｂ・３１ｃで全反射されるので、上記光の光路は、照明光学系１２および接眼光学系４のそれぞれで折りたたまれる。ただし、本実施形態では、照明光学系１２での光路の折りたたみ方が従来とは大きく異なっている。以下、この点について図１に基づいて説明する。

なお、以下での説明の便宜上、面２１ａに入射する中心画角主光線と面２１ａから射出される中心画角主光線とを含む平面を、第１の平面Ｐ１とする。また、面３１ｂに入射する中心画角主光線と面３１ｂから射出される中心画角主光線とを含む平面を、第２の平面Ｐ２とする。なお、面３１ｂの代わりに面３１ｃを考えてもよい。

本実施形態では、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とが交差するように、照明光学系１２の反射ミラー２１が配置されている。本実施形態では、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とのなす角θは、９０°となっている。

このように、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とが交差しているので、照明光学系１２の反射ミラー２１の面２１ａ、および接眼光学系４の接眼プリズム３１の面３１ｂ・３１ｃにより、中心画角主光線の光路は３次元的に折りたたまれる。つまり、中心画角主光線の光路は、照明光学系１２と接眼光学系４とで、平行でない異なる面内でそれぞれ折りたたまれる。これにより、中心画角主光線の光路を照明光学系１２と接眼光学系４とで同一面内で折りたたむ構成よりも、光源１１および照明光学系１２を１つの照明系と考えたときの重心と、接眼光学系４の重心とを３次元的に、つまり、３次元空間を利用して近づけることが可能となる。

例えば、接眼光学系４は、ＹＺ面に対して面対称であることから、接眼光学系４の重心は、第２の平面Ｐ２上に位置する。このとき、中心画角主光線の光路を照明光学系１２と接眼光学系４とで同一面内で折りたたむ構成とすると、照明系の重心は、接眼光学系４の重心と同じ第２の平面Ｐ２上に位置し、照明光学系１２での光路の折りたたみにより、照明系の重心は第２の平面Ｐ２内でのみ接眼光学系４の重心に近づく、すなわち、２次元の平面内で近づくだけである。

これに対して、本実施形態の構成では、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とが交差するレイアウトであることから、光源１１が第２の平面Ｐ２に対して一方の側に配置されていることは明らかである（図１参照）。したがって、光源１１および照明光学系１２からなる照明系の重心は、第２の平面Ｐ２よりも光源１１の配置方向にシフトしており、第２の平面Ｐ２上には位置していない。しかし、このようなレイアウトとすることにより、３次元的な光路の折り曲げによって、照明系の重心と接眼光学系４の重心とを３次元的に近づけることができ、照明光学系１２の焦点距離を一定とした場合には、中心画角主光線の光路を照明光学系１２と接眼光学系４とで同一面内で折りたたむ構成よりも、互いの重心の直線的な距離をさらに狭めることができる。

したがって、光源１１が接眼光学系４に対して例えば上下方向や前後方向に飛び出る構成とはならず、照明光学系１２自体の大型化も回避されるので、照明系をコンパクトに構成して、装置全体をコンパクトにすることができる。また、光源１１が極端に飛び出ないので、視覚的にもデザイン性のよい装置を実現することができる。

また、照明系と接眼光学系４の重心同士を３次元的に近づけることができるので、本実施形態の映像表示装置１をＨＭＤに適用したときでも、映像表示装置１のバランスが安定する。これにより、観察者はＨＭＤを長時間安定して使用することができ、また、観察者への使用負担も軽減することができる。

つまり、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とを交差させるように映像表示装置１を構成することにより、小型、コンパクトで、デザイン性、装着性に優れた映像表示装置を実現することができる。

また、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とのなす角θを９０°とすることにより、照明系の重心と接眼光学系４の重心とを３次元的に最も近づけることができる。その結果、装置全体をコンパクトにできる効果や、観察者の使用負担を軽減できる効果をはじめ、上述した本発明の効果を最大限に得ることができる。

また、本実施形態では、第２の平面Ｐ２は、接眼光学系４の接眼プリズム３１の面３１ｂ・３１ｃに垂直なＹＺ平面となるが、これは表示素子１３の表示面の短辺に平行な平面でもある。接眼光学系４では、中心画角主光線の光路は上記平面内で折り曲げられるので、観察者の前後方向における接眼プリズム３１の厚さを薄くすることができる。

また、本実施形態では、第１の反射面である反射ミラー２１の面２１ａは平面であるので、このような単純な平面反射面と回転対称な光学系（例えば集光レンズ２２）とを組み合わせて、簡単に照明光学系１２を構成することができる。

ところで、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とのなす角θは、上記の９０°に限定されるわけではない。図５は、上記のなす角θを４５°とした映像表示装置１の構成を示す斜視図であり、図６は、その映像表示装置１の上面図であり、図７は、その映像表示装置１の側面図である。このように４５°の角度で第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とを交差させても（上記の角度で交差するように照明系を構成しても）、光路分離を行いながら中心画角主光線（図５で一点鎖線で示す）の光路を３次元的に折りたたむことができる。

また、照明光学系１２のＮＡ（numerical aperture）が大きい場合でも、つまり、照明光学系１２の焦点距離が短い場合でも、θが４５°以上となるように中心画角主光線の光路を折りたためば、照明系と接眼光学系４の重心同士を３次元的に近づけることが可能である。以上のことから、少なくとも、４５°≦θ≦９０°であれば、上述した本発明の効果を十分に得ることができると言える。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図８（ａ）は、本実施形態の映像表示装置４１の概略の構成を示す上面図であり、図８（ｂ）は、この映像表示装置４１の、観察者とは反対側（外界側）からの正面図である。本実施形態の映像表示装置４１は、接眼プリズム３１を横置きとし、光源１１からの光を接眼プリズム３１内で水平方向に伝播して光学瞳Ｅに導く構成となっている。したがって、光学瞳Ｅの位置では、Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向は、それぞれ観察者の前後方向、上下方向、左右方向に対応する。以下、本実施形態の映像表示装置４１について具体的に説明する。

本実施形態の映像表示装置４１は、照明光学系１２において、反射ミラー２１の代わりに反射ミラー２３を用い、この反射ミラー２３を集光レンズ２２に対して光源１１とは反対側に配置し、反射ミラー２３と表示素子１３との間の光路中に別の反射ミラー２４を配置した点で実施の形態１とは異なっている。なお、図８（ａ）では、便宜上、反射ミラー２３よりも光源１１側の光学部材の図示を省略している。

反射ミラー２３は、例えばシリンドリカル形状の凹面反射面からなる面２３ａを有している。面２３ａは、ＸＹ平面内でのみ正の光学パワーを有しており、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路をＸＹ平面内で折り曲げる第１の反射面を構成している。一方、反射ミラー２４は、平面反射面からなる面２４ａを有している。面２４ａは、ＸＹ平面と平行となるように配置されており、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路をＹＺ平面内で折り曲げる第３の反射面を構成している。

上記の構成によれば、光源１１から光が下方に射出されると、その光は集光レンズ２２にて集光された後、反射ミラー２３に入射し、面２３ａで反射されて水平方向に進行方向を変えて（ＸＹ平面内で光路が折り曲げられて）反射ミラー２４に入射する。反射ミラー２４に入射した光は、面２４ａでの反射によって水平面内で進行方向を変え（ＹＺ平面内で光路が折り曲げられて）表示素子１３に入射する。表示素子１３に入射した光は、そこで変調されて映像光として出射され、面３１ａから接眼プリズム３１の内部に入射する。接眼プリズム３１内では、入射光が面３１ｂ・３１ｃ間での全反射により水平方向に導光され、ホログラム光学素子３３にて回折反射されて光学瞳Ｅに導かれる。

ここで、反射ミラー２４の面２４ａに入射する中心画角主光線と、面２４ａから射出される中心画角主光線とを含む平面を第３の平面Ｐ３とすると、第３の平面Ｐ３はＹＺ平面となる。したがって、結局、照明光学系１２内では、中心画角主光線の光路は、ＸＹ平面からなる第１の平面Ｐ１内で折りたたまれた後、ＹＺ平面からなる第３の平面Ｐ３でも折りたたまれることになる。また、第３の平面Ｐ３はＹＺ平面であるが、これは、接眼光学系４での光路の折りたたみ面である第２の平面Ｐ２と平行（同一を含む）である。

以上のように、本実施形態では、照明光学系１２内では、第１の平面Ｐ１内で光路が折りたたまれるのみならず、第２の平面Ｐ２と平行な面からなる第３の平面Ｐ３でも光路が折りたたまれるので、例えば照明光学系１２の焦点距離が長い場合でも、照明系と接眼光学系４との重心ずれを極力小さくすることができ、光路分離をうまく図りながら、照明系をコンパクトに構成することが可能となる。

また、本実施形態では、第１の反射面である面２３ａは、光学パワーを有しているので、照明光学系１２をコンパクトに構成することが可能となる。特に、面２３ａは、ＸＹ平面、つまり、第１の平面Ｐ１内でのみ光学パワーを有しているので、簡単な照明構成で、例えば縦方向（Ｘ方向）に光学瞳Ｅを小さくして光学瞳Ｅを横長（長方形、楕円を含む）に構成することが可能となる。これにより、横方向には光学瞳Ｅが大きいので、観察者は映像を観察しやすくなり、縦方向には光学瞳Ｅが小さいので、光源１１からの光が無駄なく集光し、観察者は明るい映像を観察することが可能となる。

なお、本実施形態では、面２３ａは、シリンドリカル形状となっているが、第１の平面Ｐ１内でのみ光学パワーを有する形状であればよく、例えば第１の平面Ｐ１と平行な断面内での形状が放物線形状、楕円形状、非球面形状であってもよい。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１・２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図９は、本実施形態の映像表示装置５１の概略の構成を示す側面図であり、図１０は、この映像表示装置５１の光学瞳Ｅ側からの正面図を示している。映像表示装置５１は、表示素子１３の代わりに表示素子１３’を用い、照明光学系１２および接眼光学系４の構成を若干異ならせた以外は、実施の形態１と同様である。

なお、説明の便宜上、本実施形態においては、表示素子１３’の表示面の長辺方向および短辺方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、全体の光路を展開したときの中心画角主光線の進行方向をＺ方向とする。

表示素子１３’は、反射型の表示素子である。このような表示素子１３’としては、例えば反射型のＬＣＤや、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）を考えることができる。

照明光学系１２は、実施の形態１の反射ミラー２１の代わりに反射ミラー２５を備え、さらにプリズム２６および偏光板２７・２８を備えている。反射ミラー２５は、集光レンズ２２に対して光源１１とは反対側に配置されている。反射ミラー２５の反射面である面２５ａは、平面からなり、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路を照明光学系１２にてＸＹ平面内で折り曲げる第１の反射面を構成している。

プリズム２６は、反射ミラー２５と表示素子１３’との間の光路中に配置され、入射面２６ａ、反射面兼射出面２６ｂおよび表示素子１３’との対向面２６ｃを有している。特に、反射面兼射出面２６ｂは、平面からなり、光源１１から光学瞳Ｅに向かう光の光路を照明光学系１２にてＹＺ平面内で折り曲げる第３の反射面を構成している。偏光板２７・２８は、偏光方向が互いに直交しており、プリズム２６の入射面２６ａ側、反射面兼射出面２６ｂ側にそれぞれ配置されている。

接眼光学系４は、自由曲面プリズム３４で構成されている。自由曲面プリズム３４は、入射面３４ａ、全反射面兼射出面３４ｂおよび反射面３４ｃを備えており、これらの各面が回転非対称な自由曲面で構成されたものである。

上記の構成によれば、光源１１から水平方向に射出された光は集光レンズ２２にて集光された後、反射ミラー２５に入射し、面２５ａで反射されてほぼ下方に進行方向を変え、（ＸＹ平面内で光路が折り曲げられ）、偏光板２７に入射する。偏光板２７に入射した光のうち、所定の偏光方向の光のみが偏光板２７を透過し、入射面２６ａよりプリズム２６の内部に入射し、反射面兼射出面２６ｂで反射された後（ＹＺ平面内で光路が折り曲げられた後）、対向面２６ｃを介して表示素子１３’に入射する。表示素子１３’では入射光が変調されて映像光として出射され、再び対向面２６ｃを介してプリズム２６に入射する。そして、その映像光は、反射面兼射出面２６ｂから射出されて偏光板２８を透過し、接眼光学系４の自由曲面プリズム３４に入射面３４ａから入射する。自由曲面プリズム３４に入射した映像光は、全反射面兼射出面３４ｂおよび反射面３４ｃで反射された後、全反射面兼射出面３４ｂを介して射出され、光学瞳Ｅに導かれる。

ここで、第１の反射面である面２５ａに入射する中心画角主光線と、面２５ａから射出される中心画角主光線とを含む平面を第１の平面とすると、面２５ａに入射した光はＸＹ平面内で光路が折り曲げられることから、第１の平面はＸＹ平面となる。一方、第３の反射面である反射面兼射出面２６ｂに入射する中心画角主光線と、反射面兼射出面２６ｂで反射されて射出される中心画角主光線とを含む平面を第３の平面とすると、反射面兼射出面２６ｂに入射した光はＹＺ平面内で光路が折り曲げられることから、第３の平面はＹＺ平面となる。また、接眼光学系４の接眼プリズム３４の全反射面兼射出面３４ｂまたは反射面３４ｃに対して、入射する中心画角主光線と射出する中心画角主光線とを含む平面を第２の平面とすると、第２の平面は、図９および図１０より、ＹＺ平面であることは明らかである。

したがって、本実施形態でも、実施の形態２と同様に、照明光学系１２内では、中心画角主光線の光路は、ＸＹ平面（第１の平面）内で折りたたまれた後、ＹＺ平面（第２の平面と平行な面である第３の平面）でも折りたたまれることになる。よって、反射型の表示素子１３’を用いる本実施形態の構成においても、照明系と接眼光学系４との重心ずれを極力小さくすることができ、光路分離をうまく図りながら、照明系をコンパクトに構成することが可能となる。

本発明は、ＨＭＤに利用可能である。

本発明の実施の一形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置を有するＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置の上面図である。 上記映像表示装置の側面図である。 他の映像表示装置の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置の上面図である。 上記映像表示装置の側面図である。 （ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の外界側からの正面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す側面図である。 上記映像表示装置の光学瞳側からの正面図である。

符号の説明

１ 映像表示装置
２ 支持手段
４ 接眼光学系
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ 表示素子
１３’ 表示素子
２１ａ 面（第１の反射面）
２３ａ 面（第１の反射面）
２４ａ 面（第３の反射面）
２５ａ 面（第１の反射面）
２６ｂ 反射面兼射出面（第３の反射面）
３１ 接眼プリズム（導光部材）
３１ｂ 面（第２の反射面）
３１ｃ 面（第２の反射面）
３３ ホログラム光学素子
Ｅ 光学瞳
Ｐ１ 第１の平面
Ｐ２ 第２の平面
Ｐ３ 第３の平面

Claims (11)

1. 光源と、
   映像を表示する表示素子と、
   光源からの光を表示素子に導く照明光学系と、
   表示素子からの映像光を光学瞳に導く導光部材を有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
   光源から光学瞳に向かう光の光路を折り曲げる第１の反射面および第２の反射面を備えており、
   第１の反射面は照明光学系中に配置されている一方、第２の反射面は接眼光学系中に配置されており、
   光源の中心から射出されて表示素子の表示面の中心を通り、光学瞳の中心に入射する光線を中心画角主光線とし、第１の反射面に入射する中心画角主光線と第１の反射面から射出される中心画角主光線とを含む平面を第１の平面とし、第２の反射面に入射する中心画角主光線と第２の反射面から射出される中心画角主光線とを含む平面を第２の平面とすると、
   第１の平面と第２の平面とは、交差していることを特徴とする映像表示装置。
2. 第１の平面と第２の平面とのなす角をθとすると、
   ４５°≦θ≦９０°
   であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 第１の平面と第２の平面とのなす角θは、９０°であることを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
4. 光源は、光学瞳と共役な位置関係となるように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
5. 第２の平面は、表示素子の表示面の短辺に平行な平面であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置。
6. 照明光学系は、光源から光学瞳に向かう光の光路を折り曲げる第３の反射面をさらに備えており、
   第３の反射面に入射する中心画角主光線と第３の反射面から射出される中心画角主光線とを含む平面を第３の平面とすると、
   第３の平面は、第２の平面と平行であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の映像表示装置。
7. 第１の反射面は、平面であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置。
8. 第１の反射面は、光学パワーを有していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置。
9. 第１の反射面は、第１の平面内でのみ光学パワーを有していることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
10. 接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、
    上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の映像表示装置。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の映像表示装置と、
    上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

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