JP3658295B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は
画像表示装置に関し、特に表示素子として反射型の液晶表示素子に表示された画像情報を適切に設定した自由曲面を有する光学素子を介して拡大して観察させるようにした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。
【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して観察させるようにした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）が良く知られている。
図１０は従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置の要部概略図である。同図では表示素子６１に表示された画像からの光束をハーフミラー６２で反射させ、凹面鏡６３に入射させている。凹面鏡６３で反射した光束をハーフミラー６２を介して観察者Ｅに導光している。表示素子６１に表示した画像は凹面鏡６３によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子６１に表示した画像の拡大虚像を観察している。
【０００３】
また、例えば特開平7-333551号公報，特開平８-50256号公報，特開平8-160340号公報，特開平8-179238号公報等においては、画像を表示する表示手段としてのＬＣＤ（液晶）と観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００４】
図１１は、特開平7-333551号公報で提案している画像表示装置の要部概略図である。図１１において、ＬＣＤ５１から発せられた光を、小型プリズム５２の入射面５３に入射させている。そして該小型プリズム５２に形成した曲率を有した全反射面５４、そして反射面５５との間で光束を折り畳み、その後、面５４より小型プリズム５２を射出させて観察者Ｅに導光している。これによって表示手段（ＬＣＤ）５１に表示した画像の虚像を形成し、該虚像を観察者Ｅが観察するようにしている。小型プリズム５２の反射面５５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面、所謂自由曲面）で構成された偏心自由曲面より成っている。
【０００５】
図１１に示す光学系のタイプは図１０に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化及び観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来より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，軽量化が要望されている。特に、重量バランス、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。また、表示手段に表示した画像の観察に迫力を持たせるために観察画角を広げることが重要な課題となっている。
【０００７】
図１１に示すようなタイプの薄型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置において、表示素子として開口効率が高く小型化に有利な反射型の表示素子を用いて構成しようとすると、例えば図１２に示すように反射型表示素子７４と小型プリズム５２の入射面５３との間に表示素子７４を照明するための照明系７０を挿入する必要がある。
【０００８】
ここで照明系７０は、例えば光源７１、光源７１からの発散光束を集光するコンデンサーレンズ７２、コンデンサーレンズ７２からの光束を反射させ表示素子７４を照明する、表示素子７４の表示面と４５°の角度をなすハーフミラー面７３ａを含むプリズム７３等を有している。画像表示装置において、反射型の表示素子を用いると、それを照明するための照明系を表示素子７４と小型プリズム５２との間に配置しなければならなく、図１２に示すようにプリズム５２と表示素子７４との間隔を広くする必要があり、このタイプの特徴を生かせず画角の低下等を引き起こすという問題が生じてくる。
【０００９】
本発明は、ＨＭＤ等の画像表示装置において液晶ディスプレイ等の反射型の表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段を照明する照明光学系及び表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための表示光学系、例えば屈折作用を有するプリズム体より成る光学手段等の構成を適切に設定することによって、装置のコンパクト性と広画角とを両立させることができ、特に、照明光学系における照明光の入射角度を適切に設定することで、観察視野内においてコントラスト低下、画面内でのコントラストむら等を生じることなく良好なる画質で観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、
該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線としたときに、
該表示光学系は該中心画角主光線に対して偏心し、且つパワーを有する１つ又は複数の偏心反射面を有しており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明主光線の表示面への入射角と対応する主光線の表示面からの射出角とが所定の角度をなしており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたとき、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし，該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記反射面Ａは、前記光源手段からの光束を前記表示手段に導く際には光束を全反射し、該表示手段からの光束を観察位置に導く際には光束を透過させるよう作用することを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明は請求項２の発明において、前記反射面Ａを有する光学部材が少なくとも１つの曲面を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１の発明において、前記反射面Ａは少なくともｘ軸方向にパワーを有しない面であることを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明は請求項１の発明において、前記照明光学系は正のパワーを有する光学要素を有し、該光学要素を通過した光を前記第１の偏光子に入射させるよう構成したことを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明は請求項５の発明において、前記正のパワーを有する光学要素が反射面を有していることを特徴としている。
【００１６】
請求項７の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線としたとき、
該表示光学系は該中心画角主光線に対して偏心し、且つパワーを有する１つ又は複数の偏心反射面を有しており、該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線とし、
該反射面Ａと該表示手段の表示面とのなす角度をβとするとき、
β＜４５°
を満たし、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたとき、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし，該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１７】
請求項８の発明は請求項１から７のいずれか１項の発明において、前記複数の偏心反射面のうち少なくとも１面が非回転対称面であることを特徴としている。
【００１８】
請求項９の発明は請求項８の発明において、前記表示光学系が前記複数の偏心反射面と入射面、射出面とを一体に形成した光学素子を有することを特徴としている。
【００１９】
請求項１０の発明は請求項１，２又は７のいずれか１項の発明において、前記照明光学系が複数の反射面を有し、前記反射面Ａは光源手段からの光束を前記表示手段に導く光路における最終反射面であることを特徴としている。
【００２０】
請求項１１の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、
該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線、該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明主光線の表示面への入射角と対応する主光線の表示面からの射出角とが所定の角度をなしており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたときに、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし、該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２１】
請求項１２の発明は請求項１１の発明において、該反射面Ａが、前記光源手段からの光束を該表示手段に導く際には光束を全反射し、該表示手段からの光束を観察位置に導く際には光束を透過させるよう作用することを特徴としている。
【００２２】
請求項１３の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段と、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系と、該表示手段からの光束を観察位置に導く表示光学系を有する画像表示装置であって、該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明光学系により、該表示手段の表示面中心に入射して該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る中心照明主光線が、該反射面Ａの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし、該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、
各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１は、本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概略図である。
【００３１】
図中、１は第１光学素子、２は第２光学素子、３は光源手段、４はコンデンサレンズ、５は反射型の表示手段であるＬＣＤ、６，７はそれぞれ透過軸が略直交した偏光板であり、これらは本実施形態の画像表示装置の一要素を構成している。
【００３２】
本実施形態においては、紙面をｙｚ面とし、観察者の視軸方向（観察者の瞳Ｅに入射する後述する中心画角主光線Ｌ０の方向）にｚ軸をとり、紙面内でこれに直交する方向にｙ軸をとり、紙面に垂直にｘ軸をとったグローバル座標系を採用している。各軸の正の向きはｙ，ｚ軸に関しては図示の通りであり、ｘ軸は紙面奥向きとしている。
【００３３】
尚、光源手段３からの光をＬＣＤ５に導く要素、即ちコンデンサレンズ４及び偏光板６、第２光学素子２の面Ｓ２３，Ｓ２１，Ｓ２２は照明光学系を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を観察者の眼Ｅに導く要素、即ち第２光学素子２の面Ｓ２２，Ｓ２１と偏光板７、第１光学素子１の面Ｓ１３，Ｓ１１，Ｓ１２は本実施形態の表示光学系を構成している。
【００３４】
また、ＬＣＤ５の表示面５ａ上の任意の点から発して表示光学系の射出瞳Ｓの中心に至る光線を主光線と呼び、特にＬＣＤ５の表示面５ａの中心点ｐ５ａを発して表示光学系の射出瞳Ｓの中心に至る光線Ｌ０を中心画角主光線と呼ぶ。更に、光源手段３を発して反射型のＬＣＤ５の画像表示面５ａ上の任意の点に入射し該主光線となる光線を照明主光線と呼び、特に光源手段３を発して反射型ＬＣＤ５の画像表示面５ａ上の中心点Ｐ５ａに入射し、該中心画角主光線Ｌ０となる光線Ｌ００を中心照明主光線と呼ぶ。
【００３５】
光源手段３は光源３１及びレンズ３２，拡散板３３によって面光源を形成しており、３３ａは該光源手段３の発光面である。
【００３６】
第１光学素子１は、光束を透過及び反射（全反射）させる面Ｓ１１、反射膜の形成された反射面Ｓ１２、透過面Ｓ１３を有し、これら３面間を同一媒質で満たされたプリズム形状である。面Ｓ１３は反射型ＬＣＤ５からの光束を第１光学素子１に入射させる入射面であり、面Ｓ１１及び面Ｓ１２は第１光学素子１の複数の反射面であり、また、面Ｓ１１は光束を第１光学素子から射出させ観察者の瞳Ｅに導く射出面を兼用している。
【００３７】
反射面として作用する面Ｓ１１及び面Ｓ１２は、該中心画角主光線Ｌ０に対して偏心して配置されている。特に、第１光学素子１の材質の屈折率をｎ１とするとき、面Ｓ１３より入射した光線Ｌ０が面Ｓ１１に対してarcsin(１／ｎ１)以上の入射角度で入射するようにして、面Ｓ１１で全反射して面Ｓ１２へ向かうようにしている。また、面Ｓ１２で反射された光線はarcsin(１／ｎ１)未満の入射角度で面Ｓ１１に入射し、面Ｓ１１を通過して第１光学素子１を射出するようにしている。これにより、面数の削減と光の利用効率の向上を図っている。
【００３８】
尚、最も強いパワーを有する面Ｓ１２をｙｚ面に対してのみ対称性を有する非回転対称面とすることで、２つの反射面Ｓ１１、Ｓ１２を偏心配置したことにより発生する収差を補正することが好ましい。更に好ましくは、これらの面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を全てｙｚ面に対してのみ対称性を有する非回転対称面とすることで、収差を良好に補正することができる。
【００３９】
第２光学素子２は本実施形態においては全て平面で構成され、光束を透過及び反射させる面Ｓ２１、透過面Ｓ２２、透過面Ｓ２３より成り、これら３面間を同一媒質で満たされたプリズム形状をしている。尚、面Ｓ２１は光源手段からの光束を表示手段に導く反射面である。発光面３３ａの一点より発した光束はコンデンサレンズ（コリメーターレンズ）４により集光され、偏光板６を透過した光のみが第２光学素子２に導かれる。本実施形態においては、第２光学素子２の材質の屈折率をｎとするとき、該照明主光線がそれぞれ面Ｓ２１に対してarcsin(１／ｎ)以上の入射角度で入射し、全反射するようにしている。面Ｓ２１で全反射された光は、面Ｓ２２を透過して第２光学素子２を射出し、表示面５ａに対して所定の入射角度をなして斜めにＬＣＤ５を照明する。ＬＣＤ５で適宜変調され、反射された光は、面Ｓ２２より第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１に対してarcsin(１／ｎ)以下の入射角度で入射して面Ｓ２１を通過し、第２光学素子２より射出し、偏光板７で偏光状態に応じて検光される。偏光板７を通過した光は、面Ｓ１３を透過して第１光学素子に入射し、光束に対して臨界角以上傾いた面Ｓ１１で全反射した後、面Ｓ１２で反射され再度面Ｓ１１に向かい、面Ｓ１１を今度は透過して第１光学素子より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に置いた観察者の眼Ｅに導かれ、観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せている。
【００４０】
尚、本実施形態においては、ＬＣＤ５の表示面５ａと反射面である面Ｓ２１とのなす角度βをβ＜４５°として、表示面５ａと面Ｓ１３との光路長を短くしており、広画角化に有利な構成としている。
本実施形態において更に望ましくは、
１０°＜β＜４０°…・（１ａ）
を満足することが好ましい。条件式（１ａ）の下限値を超えると表示面５ａの片側の領域ｐ５ｃ側を照明した光束を十分に射出瞳Ｓに導くことが難しくなり、上限値を超えると表示面５ａから第１光学素子１の面Ｓ１３までの光路長が長くなり、広画角化が難しくなる。
【００４１】
また、本実施形態においては、図１の紙面であるｙｚ面内でＬＣＤ５の一方の最端点である点ｐ５ｂを発して射出瞳Ｓの中心に至る主光線Ｌ１における表示面５ａから面Ｓ１３までの距離（ＬＬ１とする）と、他方の最端点である点ｐ５ｃを発して射出瞳Ｓに導かれる主光線Ｌ２における表示面５ａから面Ｓ１３までの距離（ＬＬ２とする）とは、ＬＬ１＞ＬＬ２の方が収差補正上好ましく、本発明においては第２光学素子２の薄い方が点ｐ５ｃ寄りに、厚い方がｐ５ｂ寄りになるように配置している。
【００４２】
また、本実施形態においては、第２光学素子２の面Ｓ２２とＬＣＤ５の表示面５ａとを略平行としており、第２光学素子の頂角もβである。本実施形態においては、ＬＣＤ５の表示面５ａから射出する主光線が所定の角度を有して発するようにしており、表示面５ａから第１光学素子１の面Ｓ１３に至る光路長が短くなるように頂角βと表示面５ａからの主光線の出射角度の関係を設定して、更に広画角化に有利な構成としている。
【００４３】
特に、点ｐ５ｃに入射する照明主光線Ｌ０２と点ｐ５ｃを発する主光線Ｌ２とのなす角度をγとするとき、
２・arcsin(0.1・ｎ)≦γ
であることが好ましい。この下限を超えると、上述の光路長ＬＬ２が長くなり、収差補正上、若しくは広画角化に不利になる。尚、この条件は、本実施形態のように表示面５ａでの反射の前後の媒質が空気層の場合であり、後述する数値実施例のように表示面の前にカバーガラスなどがある場合には、γはカバーガラスに入射する照明主光線の延長線とカバーガラスを出射した主光線の延長線とのなす角度である。
【００４４】
図２は、図１の第２光学素子２の面Ｓ２１における光束の全反射時のローカル座標系（ｘ21tr，ｙ21tr，ｚ21trの３軸により定義されている）におけるｘ2 1tr−ｚ21tr断面図である。また、図１３はＬＣＤ５の表示面５ａを正面から見た図であり、図１に記したＬＣＤ５の表示面５ａでのx5，y5，z5の各軸を有するローカル座標系におけるx5-y5断面図である。
【００４５】
図２においては、ＬＣＤ５の有効表示画面中心ｐ５ａに入射し、ＬＣＤ５で反射されて表示光学系により射出瞳Ｓの中心を通る中心画角主光線になる中心照明主光線Ｌ００と、ＬＣＤ５の中心から水平方向にずれて最端（図１３での点ｐ５ｄ，点ｐ５ｅ）に入射し、ＬＣＤ５で反射されて表示光学系により射出瞳Ｓの中心を通る主光線となる照明主光線Ｌ０３，Ｌ０４とを描いている。
【００４６】
本実施形態においては、中心照明主光線Ｌ００は図２の断面で面Ｓ２１の法線であるｚ21tr軸に射影されるように構成されている。また、本実施形態においては、照明主光線Ｌ０３，Ｌ０４を図２の断面に射影したものはそれぞれの照明主光線の面Ｓ２１でのヒットポイントにおける法線と±θｘの角度をなしている。本発明の主旨は、θｘを適切な値に抑えることで表示光学系の射出瞳Ｓの位置に眼球Ｅを置いた観察者に画面内の輝度むらが少ない、且つコントラストが高い画像を見せることにあり、
｜θｘ｜≦５°・・・（１）
としている。尚、図２においては、ＬＣＤ５の表示面５ａ上で点ｐ５ｄ，点ｐ５ｅより発して瞳Ｓの中心に至る主光線となる照明主光線Ｌ０３，Ｌ０４で説明したが、上記条件式（１）は任意の主光線（表示面５ａ上の任意の点を出て、瞳Ｓの中心に導かれる光線）となる各照明主光線全てに成り立つべき条件である。
【００４７】
次に、この角度θｘの増大に伴いコントラストが低下する原理を図３，４，５を用いて説明する。
【００４８】
図３，４，５は偏光状態変化の原理を説明するための図である。
【００４９】
図３は原理説明の系を説明するための断面図であり、Ｐ１，Ｐ２は偏光の透過軸がそれぞれ直交した偏光板で図１の偏光板６，７に相当している。Ｐｒ１は面Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｐ３を有するプリズムであり、本図の断面における面Ｓｐ１とＳｐ３との長さが等しい２等辺三角形状をしている。プリズムＰｒ１は図１の第２光学素子２に相当している。
【００５０】
ここでは、簡単のため、面Ｓｐ１と面Ｓｐ３における屈折の偏光に対する影響は無視する。
【００５１】
図３において、プリズムＰｒ１の各面Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｐ３の中心を通る光線がこの系の偏光板Ｐ１の外側から入射するものを基準に考え、図示のＹ軸，Ｚ軸に、紙面手前向きにＸ軸をとった座標系をグローバル座標系とする。また、面Ｓｐ２の中心点における法線方向をｒとし、以下、面Ｓｐ２の中心点に入射する光線を用いて偏光状態の変化を説明する。偏光板Ｐ１はY軸方向に透過軸を有し、偏光板Ｐ２はＸ軸方向に透過軸を有する。
【００５２】
図４，５はそれぞれ基準の光線に対し、ＹＺ面内で異なる傾きを持って面Ｓｐ２の中心に入射する光線、ＸＺ面内で異なる傾きを持って面Ｓｐ２の中心に入射する光線における偏光状態変化を説明するための図である。
【００５３】
図４（ａ），（ｂ）において、偏光板Ｐ１はＹ軸方向に透過軸を有する。ここで、光線方向ベクトルｋとY軸を含む平面の法線方向をｉ軸，光線方向ベクトルｋとｉ軸を含む面の法線方向をｊ軸とすると、偏光板Ｐ１を通過した光線はｊ軸方向に振動方向をもつ直線偏光となる。
【００５４】
反射面の面法線ベクトルｒは、ＹＺ平面内にある。反射面の面法線ベクトルｒと光線方向ベクトルｋを含む面の法線方向がｓ軸，光線方向ベクトルｋとｓ軸を含む面の法線方向がｐ軸となる。ｓ軸方向に振動方向をもつ直線偏光がいわゆるｓ偏光であり、ｐ軸方向に振動方向をもつ直線偏光がいわゆるｐ偏光である。
【００５５】
反射面への入射光線方向ベクトルｋを、ＸＺ平面へ射影した時の傾き角をθｘとする。θｘ＝０の場合は、図４（ａ）に示すように光線方向ベクトルｋがＹＺ平面内に存在する。このため、光線方向ベクトルｋ，Ｙ軸，面法線ベクトルｒが全てＹＺ平面内に存在することから，ｉ軸とｓ軸，ｊ軸とｐ軸はそれぞれ一致する。よって入射光線はｐ偏光成分のみとなる。反射光線方向ベクトルｋ’もＹＺ平面内に存在するため、ｉ’軸とｓ軸，ｊ’軸とｐ軸はそれぞれ一致し、反射光線はｊ’軸方向に振動方向をもつ直線偏光となる。図４（ｂ）は，光線方向ベクトルの向きを紙面に垂直な方向に取り、この時のそれぞれの軸及び入射光、反射光の偏光状態を表したものである。
【００５６】
一方、θｘ≠０の場合は、図５（ａ）に示すように光線方向ベクトルｋはＹＺ平面内に存在しない。このためｉ軸とｓ軸，ｊ軸とｐ軸は一致せず、ｓ，ｐ軸はｉ，ｊ軸に対し角度αだけ回転した状態になる。よって入射光線はｓ偏光及びｐ偏光成分の両方を持つこととなる。各成分の大きさは、入射光線の振幅をＡとすると、Ａｓ＝Ａ×ｃｏｓα，Ａｐ＝Ａ×ｓｉｎαである。全反射面における強度反射率はｓ偏光，ｐ偏光とも１で同じであるが、複素振幅反射率は異なり反射光は位相差δを有する。位相差δの量は次式によって与えられる。ここで、ｎはプリズムの材質の屈折率、θは反射面への入射角である。
【００５７】
【数１】
【００５８】
このため反射光は一般に楕円偏光となる。反射光線方向ベクトルｋ’もＹＺ平面内に存在しないため、ｉ’軸とｓ軸，ｊ’軸とｐ軸は一致しない。反射光は図５（ｂ）に示すようにｉ’軸，ｊ’軸にそれぞれＡｉ’，Ａｊ’の大きさの成分をもつ楕円偏光となる。図５（ｂ）は，光線方向ベクトルの向きを紙面に垂直な方向に取り、この時のそれぞれの軸及び入射光、反射光の偏光状態を表したものである。
【００５９】 図４（ａ）、図５（ａ）において、偏光板Ｐ２はＸ軸方向に透過軸を有し、ｉ’軸方向に振動方向を有する成分のみ透過する。よってθｘ＝０の場合は、偏光板Ｐ２への入射光はｊ’軸方向に振動方向をもつ直線偏光であるため、偏光板Ｐ２で遮断（吸収）される。θｘ≠０の場合は、偏光板Ｐ２への入射光は図５（ｂ）に示すような楕円偏光であるため、ｉ’軸成分が偏光板Ｐ２を通過するため、（Ａｉ’）２の強度の光量が通過する。このように偏光板Ｐ１及びＰ２をその透過軸が直交するように配置しても、２つの偏光板の間の光路中に反射面が存在し、その反射面への入射光が偏光板Ｐ１の透過軸と反射面の法線を含む面に存在しない場合、光漏れが生じてしまう。厳密には、面Ｓｐ１及び面Ｓｐ３における屈折においても強度透過率の違いから偏光状態の変化が生じ、より複雑な振る舞いとなる。
【００６０】
次に、反射型液晶５の照明系に反射面を含む光学素子を用いた場合について図６を用いて説明する。
【００６１】
光源からの光束は偏光板６を通過し直線偏光となり、面Ｓ２３からプリズム２に入射し、臨界角よりも大きい角度で面Ｓ２１に入射し反射され、面Ｓ２２からプリズム２を射出し、反射型液晶５に入射する。反射型液晶５で反射された光束は、面Ｓ２２から再びプリズム２に入射し、臨界角以下の角度で面Ｓ２１に入射して屈折し、プリズム２から射出して、偏光板７に入射する。偏光板７を通過した光束は、表示光学系へと導かれる。偏光板６及び７はその透過軸が直交するように配置されている。
【００６２】
表示のＯＮ，ＯＦＦは、液晶の状態を変化させることにより、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させて行う。例として液晶に強誘電性液晶を用いた場合について述べる。液晶のリタデーション量を１／４波長（反射による往復で１／２波長）に設定し、ＯＦＦ表示の場合には液晶５のダイレクタの方向を偏光板６の透過軸の方向に一致させ、ＯＮ表示の場合はダイレクタの方向を偏光板６の透過軸に対し４５度傾いた状態になるように設定する。ＯＦＦ表示時には、入射光の偏光状態が保存されたまま反射されるため、反射光は偏光板６の透過軸方向に振動方向をもつ直線偏光であるため、偏光板７で遮断される。ＯＮ表示時には、直線偏光の振動方向が９０度回転し、反射光はその振動方向が偏光板７の透過軸に一致するため、偏光板７を通過する。
【００６３】
しかしこのように設定しても、全反射面への入射光が、偏光板６の透過軸と全反射面の法線を含む面に存在しない場合（θｘ≠０）は、図５（ａ），（ｂ）に示した理由により液晶への入射光が直線偏光ではなくなるため、ＯＦＦ表示時においても偏光板７を一部通過してしまう。これによりコントラストの低下が生じてしまうという問題が生じる。
【００６４】
以上の説明においては反射面が全反射面の場合であるが、一般に反射面においてはｓ偏光，ｐ偏光の複素振幅反射率は異なるため、金属ミラー面、ハーフミラー面、誘電体多層膜コート面においても上述のような現象が生じる。
【００６５】
図７は図６に示したプリズム２の面Ｓ２１と面Ｓ２２とのなす角度を３０°、面Ｓ２２と面Ｓ２３とのなす角度を９０°、面Ｓ２３と面Ｓ２１とのなす角度を６０°としたときの偏光板６から偏光板７に至る光線の経路において、偏光板７を通過する光線についてθｘとの関係をシュミレーションした図である。尚、本シミュレーションにおいては、ＬＣＤ５を理想的なリタデーション量１／４波長（反射による往復で１／２波長）のリターダと定義しており、偏光板６の透過軸に対し、ＯＦＦのときダイレクタが０°の方向を、ＯＮのときダイレクタが４５°傾いた方向をとるものとして、ＯＦＦ時とＯＮ時との偏光板７を透過する光の光量比をコントラストとしている。また、プリズム２の媒質は屈折率１．５としている。図よりθｘが増加するに従って、コントラストが低下することがわかる。即ち、θｘが増加するに従って、ＯＦＦの透過光量が増加し、ＯＮの透過光量が減少するため、全画面白表示または全画面黒表示などの均一な画像表示において画面内に輝度むらが生じることを意味している。
【００６６】
また、図７には、θｙの変化に伴う複数の曲線を描いており、照明主光線をｙｚ面（図１等の紙面）に射影したときに面Ｓ２１の法線となす角θｙが変化することによってコントラストが変化することを示している。図より、θｘの変化に対してθｙの変化は鈍感であることがわかる。θｙの状況により多少の変化はあるが、θｘが±５°以内であればある程度のコントラストが確保でき、画面内の輝度むら等が目立たない、高コントラストな画像表示装置を達成できる。従って、本発明の実施形態においては、｜θｘ｜≦５°となるように光学系を構成し、各照明主光線をｘｚ面への射影したものが略平行に入射するように構成した。これを超えるとコントラスト低下が著しくなるため、好ましくない。
また、さらに望ましくは、arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin (1/n)とすることで、θｙの変化に対するコントラスト低下を抑え、更に高コントラストを確保することができる。下限を超えると全反射しなくなり、上限を超えるとコントラストの低下が著しくなる。
【００６７】
次に図１を用いて、本実施形態の光学作用を説明する。
【００６８】
光源３１及びレンズ３２，拡散板３３によって形成した発光面３３ａの一点より発散した光線群はコンデンサレンズ４により互いに略平行（略とは±５°以内）になり偏光板６を透過して直線偏光した光となり第２光学素子２に導かれる。
【００６９】
直線偏光した光線群は、面Ｓ２３より第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１で全反射した後、面Ｓ２２を屈折・透過して第２光学素子２より射出し、ＬＣＤ５を照明する。ここで、表示光学系（２，７，１）において主光線となる照明主光線は、面Ｓ２１での全反射時のローカル座標系におけるｘ21tr−ｚ21tr断面に射影したときの面Ｓ２１法線とのなす角度θｘが略平行になるように、特に｜θｘ｜≦５°となるように構成されているため、偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少ない状態でＬＣＤ５に入射され、理想状態に近い状況でＬＣＤ５による変調を受ける。ＬＣＤ５で適宜変調され反射された光は、面Ｓ２２より再び第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１を今度は透過して偏光板７に導かれる。
【００７０】
｜θｘ｜≦５°として偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少なくなるようにしたため、ＬＣＤ５により変調を受けなかった光はほぼ偏光板７で吸収され、ＬＣＤ５で位相をπ／２ずらされた光は偏光板７でほぼ透過される。透過された光は、面Ｓ１３を透過して第１光学素子１に入射して面Ｓ１１に向かい、これらの光に対して臨界角以上をなすように傾いた面Ｓ１１で全反射した後、面Ｓ１２で反射し、面Ｓ１１を今度は屈折・透過して第１光学素子１より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に置いた観察者の眼Ｅに導かれ、高コントラストで観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せている。
［実施例２］
図８は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は、実施形態１に比べてコリメータレンズ４の代わりに反射面Ｓ４２と透過面Ｓ４１，Ｓ４３を有したプリズム４０を用い、プリズム４０と偏光板６と第２光学素子２とをそれぞれ接合した構成とした点、及び、第２光学素子２の照明光束を全反射する面（反射型ＬＣＤ５からの光束を屈折・透過させて第２光学素子より射出させる面）をｙｚ断面のみに曲率を有する曲面Ｓ２１' で構成した点が、異なる点であり、その他は同じである。実施形態１と同じ構成要素は、同じ符号で表し、説明を省略する。面Ｓ２１における全反射時のローカル座標系を決めるｘ21tr，ｙ21tr，ｚ21trの各軸は、面Ｓ２１における中心照明主光線のヒットポイントでの法線方向にｚ21tr軸をとり、紙面内接線方向にｙ21tr軸をとり、紙面に垂直にｘ21tr軸をとっている。
【００７１】
尚、実施形態１と同様、発光面３３ａからの光をＬＣＤ５に導く要素は本実施形態の照明光学系を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を観察者の眼Ｅに導く要素は本実施形態の表示光学系を構成している。本実施形態の照明光学系は２つの反射面を有しているが、光源手段３からの光束を表示手段に導く反射面は、光源手段３から反射型ＬＣＤ５への光路における最終反射面であるＳ２１' である。
【００７２】
以下、本実施形態における光学作用を説明する。
【００７３】
光源３１及びレンズ３２，拡散板３３によって形成した発光面３３ａを発光面とする面光源３の一点より発散した光線群は面Ｓ４１よりプリズム４０に入射し、曲面反射面４２で反射し互いに略平行となった後、偏光板６との接合面Ｓ４３より偏光板６に入射する。偏光板６では、紙面に平行な直線偏光成分以外は吸収され、第２光学素子２との接合面Ｓ２３より第２光学素子２に入射する。面Ｓ２３より第２光学素子に入射した直線偏光した光線群は、ｙｚ断面方向にのみ曲率を有する曲面Ｓ２１' で全反射した後、面Ｓ２２を屈折・透過して第２光学素子より射出し、ＬＣＤ５を照明する。ここで、各画角の主光線となる照明主光線は、曲面Ｓ２１' での全反射時のローカル座標系におけるｘ21tr−ｚ21tr断面に射影したときに曲面Ｓ２１' 法線とのなす角度θｘが略平行になるように、特に｜θｘ｜≦５°となるように構成して、偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少ない状態でＬＣＤ５に入射するようにし、ＬＣＤ５により受ける変調を理想状態に近い状況としている。
【００７４】
尚、本実施形態においては、第２光学素子の全反射面Ｓ２１' をｙｚ断面で曲率を有する面としているため、各画角主光線となる各照明主光線をｙｚ断面に射影した線と各照明主光線のヒットポイントでの面法線とのなす角度をθｙとした場合に、arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/n)を満たすように構成することが好ましい。
【００７５】
ＬＣＤ５で適宜変調され反射された光は、面Ｓ２２より再び第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１' を今度は透過して偏光板７に導かれる。面Ｓ２１' における該角度θｘの条件を｜θｘ｜≦５°として偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少なくなるようにしたため、ＬＣＤ５により変調を受けなかった光はほぼ偏光板７で吸収され、ＬＣＤ５で位相をπ／２ずらされた光は偏光板７でほぼ透過される。透過された光は、面Ｓ１３を透過して第１光学素子に入射して面Ｓ１１に向かい、これらの光に対して臨界角以上をなすように傾いた面Ｓ１１で全反射した後、面Ｓ１２で反射し、面Ｓ１１を今度は屈折・透過して第１光学素子より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に置いた観察者の眼Ｅに導かれ、高コントラストで観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せることが可能になる。
【００７６】 本実施形態においても、実施形態１と同様に光源手段３の発光面３３ａの中心を発した光線がプリズム体４０により少なくとも紙面に垂直な方向の断面において互いに略平行となるように変換して偏光板６に導き、偏光板６を透過後、第２光学素子の全反射面Ｓ２１’に入射するように構成したため、照明主光線の図８に垂直な断面における全反射面への入射角度のばらつきが少なく、従って該断面に射影された光線と面Ｓ２１’法線とのなす角θｘのばらつきを少なくし、画面内での輝度むらの発生を抑えている。
【００７７】
特に、実施形態１と同様の理由で、｜θｘ｜≦５°，arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/n)としたことで、画面内での輝度むらが少なく、高コントラストな画像を観察者に提示することが可能である。また、面Ｓ２１' を曲面としたことで、表示光学系におけるパワーを有する面を増やしており、表示光学系におけるパワー分担面を増やし、各面の分担配分を減らすことができるため、収差補正が容易になる利点もある。
［実施形態３］
以上、実施形態１，２として第１光学素子１を表示光学系の一部に用いたもので説明してきたが、本発明はこれに限定するものではない。図１４は、本発明の特徴である光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面を有した照明光学系を別の光学系と組み合わせた実施形態３の要部概略図である。本実施形態と実施形態１との違いは、第１光学素子１の代わりに１つのミラー面Ｓ１０１からなる光学系を用いたことであり、その他は同じであるので、符号の説明は省略する。本実施形態においても、光源手段３からの光をＬＣＤ５に導く要素、即ちコンデンサレンズ４及び偏光板６、第２光学素子２の面Ｓ２３，Ｓ２１，Ｓ２２は照明光学系を構成している。
【００７８】
面Ｓ１０１は、例えば、球面形状のミラーを中心画角主光線Ｌ０に対して偏心させたものであり、ＬＣＤ５からの反射光を観察者の眼Ｅに導く要素、即ち第２光学素子２の面Ｓ２２，Ｓ２１と該面Ｓ１０１によって表示光学系を構成している。
【００７９】
光源手段３の発光面３ａからの発散光束をレンズ４で略平行光束とし、偏光板６を透過した特定方向に直線偏光となった光束が、面Ｓ２３より第２光学素子２に導かれ、反射面Ａであるところの面Ｓ２１で全反射し、面Ｓ２２を透過して第２光学素子２より射出して、反射型ＬＣＤ５を照明している。反射型ＬＣＤ５で適宜変調され、反射された光は、面Ｓ２２より第２光学素子２に入射し、今度は面Ｓ２１を透過して第２光学素子２より射出し、偏光板６と偏光の透過軸が略直交した偏光板７で変調状態に応じて検光される。偏光板７を透過した光は面Ｓ１０１で反射され、表示光学系の射出瞳Ｓの位置に置かれた観察者の瞳Ｅに導かれ、観察者にＬＣＤ５上に表示された画像の拡大像を認識させている。
【００８０】
本実施形態においても、前述した実施形態と同様に、各照明主光線が面Ｓ２１に略平行に入射する様にして高コントラストな画像表示を達成している。特に、各照明主光線を面Ｓ２１の法線を含み図の紙面と垂直な面に射影した線と面Ｓ２１の法線とのなす角θｘに関して、
｜θｘ｜≦５°・・・（１）
としている。
【００８１】
また、各照明主光線を紙面に射影した線と面Ｓ２１の法線とのなす角θｙに関して、
arcsin(1/ｎ)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/ｎ)
（但し、ｎは第２光学素子２の媒質の屈折率）として、更に高コントラストな画像表示を行うことが好ましい。
【００８２】
尚、本実施形態では面Ｓ１０１を球面としたが、紙面に対して対称な非回転対称面で構成すると収差補正上好ましい。
【００８３】
また、図１５に示すように、更に非回転対称面を含む面Ｓ１０２、Ｓ１０３よりなる補正のレンズ１０を光路中の一部に用いることで、収差を良好に補正し、より一層高画質な画像表示を行うことも可能である。
【００８４】
また、本発明の画像表示装置は、必ずしも光源を装置内に有することが必須ではなく、例えば、図１６に示すように外光を光源として用いることも可能である。
［数値実施例］
図９は本発明の画像表示装置における光学系の数値実施例を示す図である。図中、表示光学系（２，７，１）により形成される射出瞳STOの中心を原点（０，０，０）とし、図示のようにｙ，ｚ軸をとり、ｘ軸を紙面に垂直に奥向きを正と表示光学系のデータを表１に示す。表中、SURFは面番号を、ｘｓｃ，ｙｓｃ，ｚｓｃはそれぞれ該当面の面頂点の上述の座標系における座標値を示す。ａｓｃはｘ軸まわりに紙面において反時計周りを正とする回転量（単位：度）である。ＲＤＹ，Ｎｄ，Ｖｄはそれぞれ曲率半径，屈折率（ｄ線），アッベ数を示している。
【００８５】
また、本実施例における非球面形状は、次の式を用いて表現している。
z = (1/RDY)*(x^2+y^2)/(1+(1-(1+c1)* (1/RDY)^2*(x^2+y^2))^(1/2))+c2+c4*y+c5*(x^2-y^2)+c6*(-1+2*x^2+2*y^2)+c10*(-2*y+3*x^2*y+3*y^3)+c11*(3*x^2*y-y^3)+c12*(x^4-6*x^2*y^2+y^4)+c13*(-3*x^2+4*x^4+3*y^2-4*y^4)+c14*(1-6*x^2+6*x^4-6* y^2+12*x^2*y^2+6*y^4)+c20*(3*y-12*x^2*y+10*x^4*y-12*y^3+20*x^2*y^3+10*y^5)+c21*(-12*x^2*y+15*x^4*y+4*y^3+10*x^2*y^3-5*y^5)+c22*(5*x^4*y-10*x^2*y^3+y^5)+c23*(x^6-15*x^4*y^2+15*x^2*y^4-y^6)+c24*(-5*x^4+6*x^6+30*x^2*y^2-30*x^4*y^2-5*y^4-30*x^2*y^4+6*y^6)+c25 * (6*x^2-20*x^4+15*x^6-6*y^2+15*x^4*y^2+20*y^4-15*x^2*y^4-15*y^6)+c26*(-1+12*x^2-30*x^4+20*x^6+12*y^2-60*x^2*y^2+60*x^4*y^2-30*y^4+60*x^2*y^4+20*y^6)
以下、光学作用を説明する。
【００８６】
光源手段３の発光面であるＳ１７を出た光は、屈折面Ｓ１６により集光され、面Ｓ１５より偏光板Ｐ１に入る。その後、面Ｓ１４よりプリズムＬ２に入射し、Ｓ１３（Ｓ７と同一面）で全反射して、面Ｓ１２（Ｓ８と同一面）よりプリズムＬ２を射出してＬＣＤ５に向かう。カバーガラス前面Ｓ１１（Ｓ９と同一面）を通過して液晶面Ｓ１０で反射された光はカバーガラス前面Ｓ９を射出し、Ｓ８より再度プリズムＬ２に入射し、今度は面Ｓ７を屈折・透過して射出し、偏光板Ｐ２の前後の面Ｓ６，Ｓ５を検光されて通過し、プリズムＬ１に面Ｓ４より入射する。その後、面Ｓ３（Ｓ１）と同一面で全反射し、面Ｓ２で反射した後、面Ｓ１を透過して瞳ＳＴＯに導かれる。
【００８７】
このときの面Ｓ１３での全反射時の各画角主光線のθｘ、θｙを表２に示す。ここでは、波長５２５ｎｍの光を主波長としている。
表より｜θｘ｜≦５°である。
【００８８】
また、
arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/n)
即ち、
４１．１°≦θｙ≦６１．７°である。
【００８９】
以上のようにθｘ，θｙを設定したことで、コントラスト低下、画面内でのコントラストむら等の少ない、良好な画質で観察することができる画像表示装置を達成している。
【００９０】
【表１】
【００９１】
【００９２】
【表２】
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、
照明光学系中の反射面への照明光束の入射角度を適切に設定することで、装置全体の小型化を図りつつ、反射型の表示手段に表示した画像を広い観察視野においてコントラスト低下、画面内でのコントラストむら等を生じることなく良好なる画質で観察することができる画像表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概略図
【図２】本発明の画像表示装置の実施形態１の第２光学素子におけるｘｚ断面図
【図３】本発明における偏光状態変化の原理を説明するための光学系の図
【図４】本発明におけるｙ方向に傾いた光線での偏光状態変化を説明するための図
【図５】本発明におけるｘ方向に傾いた光線での偏光状態変化を説明するための図
【図６】反射型液晶の照明系に反射面を用いた場合についての偏光状態変化を説明する図
【図７】反射型液晶の照明系の反射面と光線とのなす角θｘに対するシミュレーション結果図
【図８】本発明の第２の実施形態の要部概略図
【図９】本発明の数値実施例の光学系の要部概略図
【図１０】従来の画像表示装置の構成を示す図
【図１１】従来の画像表示装置の構成を示す図
【図１２】従来の画像表示装置の構成を示す図
【図１３】本発明の実施形態１の反射型表示手段の表示面を正面から見た概略図
【図１４】本発明の画像表示装置の実施形態３の要部概略図
【図１５】本発明の画像表示装置の実施形態３の他の実施形態の要部概略図
【図１６】本発明の画像表示装置の実施形態３の他の実施形態の要部概略図
【符号の説明】
１・・・第１光学素子
２・・・第２光学素子
３・・・光源
４・・・コンデンサレンズ
５・・・反射型ＬＣＤ
６・・・偏光板
７・・・偏光板
３１・・光源
３２・・レンズ
３３・・拡散板
４０・・プリズム
【発明の属する技術分野】
本発明は
画像表示装置に関し、特に表示素子として反射型の液晶表示素子に表示された画像情報を適切に設定した自由曲面を有する光学素子を介して拡大して観察させるようにした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。
【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して観察させるようにした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）が良く知られている。
図１０は従来の共軸凹面鏡を用いた画像表示装置の要部概略図である。同図では表示素子６１に表示された画像からの光束をハーフミラー６２で反射させ、凹面鏡６３に入射させている。凹面鏡６３で反射した光束をハーフミラー６２を介して観察者Ｅに導光している。表示素子６１に表示した画像は凹面鏡６３によって拡大した虚像として形成される。これにより、観察者は表示素子６１に表示した画像の拡大虚像を観察している。
【０００３】
また、例えば特開平7-333551号公報，特開平８-50256号公報，特開平8-160340号公報，特開平8-179238号公報等においては、画像を表示する表示手段としてのＬＣＤ（液晶）と観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図った画像表示装置が提案されている。
【０００４】
図１１は、特開平7-333551号公報で提案している画像表示装置の要部概略図である。図１１において、ＬＣＤ５１から発せられた光を、小型プリズム５２の入射面５３に入射させている。そして該小型プリズム５２に形成した曲率を有した全反射面５４、そして反射面５５との間で光束を折り畳み、その後、面５４より小型プリズム５２を射出させて観察者Ｅに導光している。これによって表示手段（ＬＣＤ）５１に表示した画像の虚像を形成し、該虚像を観察者Ｅが観察するようにしている。小型プリズム５２の反射面５５は、偏心非回転対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面、所謂自由曲面）で構成された偏心自由曲面より成っている。
【０００５】
図１１に示す光学系のタイプは図１０に示した従来の共軸凹面鏡を用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化及び観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来より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，軽量化が要望されている。特に、重量バランス、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。また、表示手段に表示した画像の観察に迫力を持たせるために観察画角を広げることが重要な課題となっている。
【０００７】
図１１に示すようなタイプの薄型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置において、表示素子として開口効率が高く小型化に有利な反射型の表示素子を用いて構成しようとすると、例えば図１２に示すように反射型表示素子７４と小型プリズム５２の入射面５３との間に表示素子７４を照明するための照明系７０を挿入する必要がある。
【０００８】
ここで照明系７０は、例えば光源７１、光源７１からの発散光束を集光するコンデンサーレンズ７２、コンデンサーレンズ７２からの光束を反射させ表示素子７４を照明する、表示素子７４の表示面と４５°の角度をなすハーフミラー面７３ａを含むプリズム７３等を有している。画像表示装置において、反射型の表示素子を用いると、それを照明するための照明系を表示素子７４と小型プリズム５２との間に配置しなければならなく、図１２に示すようにプリズム５２と表示素子７４との間隔を広くする必要があり、このタイプの特徴を生かせず画角の低下等を引き起こすという問題が生じてくる。
【０００９】
本発明は、ＨＭＤ等の画像表示装置において液晶ディスプレイ等の反射型の表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段を照明する照明光学系及び表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための表示光学系、例えば屈折作用を有するプリズム体より成る光学手段等の構成を適切に設定することによって、装置のコンパクト性と広画角とを両立させることができ、特に、照明光学系における照明光の入射角度を適切に設定することで、観察視野内においてコントラスト低下、画面内でのコントラストむら等を生じることなく良好なる画質で観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、
該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線としたときに、
該表示光学系は該中心画角主光線に対して偏心し、且つパワーを有する１つ又は複数の偏心反射面を有しており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明主光線の表示面への入射角と対応する主光線の表示面からの射出角とが所定の角度をなしており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたとき、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし，該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記反射面Ａは、前記光源手段からの光束を前記表示手段に導く際には光束を全反射し、該表示手段からの光束を観察位置に導く際には光束を透過させるよう作用することを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明は請求項２の発明において、前記反射面Ａを有する光学部材が少なくとも１つの曲面を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１の発明において、前記反射面Ａは少なくともｘ軸方向にパワーを有しない面であることを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明は請求項１の発明において、前記照明光学系は正のパワーを有する光学要素を有し、該光学要素を通過した光を前記第１の偏光子に入射させるよう構成したことを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明は請求項５の発明において、前記正のパワーを有する光学要素が反射面を有していることを特徴としている。
【００１６】
請求項７の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線としたとき、
該表示光学系は該中心画角主光線に対して偏心し、且つパワーを有する１つ又は複数の偏心反射面を有しており、該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線とし、
該反射面Ａと該表示手段の表示面とのなす角度をβとするとき、
β＜４５°
を満たし、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたとき、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし，該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００１７】
請求項８の発明は請求項１から７のいずれか１項の発明において、前記複数の偏心反射面のうち少なくとも１面が非回転対称面であることを特徴としている。
【００１８】
請求項９の発明は請求項８の発明において、前記表示光学系が前記複数の偏心反射面と入射面、射出面とを一体に形成した光学素子を有することを特徴としている。
【００１９】
請求項１０の発明は請求項１，２又は７のいずれか１項の発明において、前記照明光学系が複数の反射面を有し、前記反射面Ａは光源手段からの光束を前記表示手段に導く光路における最終反射面であることを特徴としている。
【００２０】
請求項１１の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、
該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線、該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明主光線の表示面への入射角と対応する主光線の表示面からの射出角とが所定の角度をなしており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたときに、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし、該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００２１】
請求項１２の発明は請求項１１の発明において、該反射面Ａが、前記光源手段からの光束を該表示手段に導く際には光束を全反射し、該表示手段からの光束を観察位置に導く際には光束を透過させるよう作用することを特徴としている。
【００２２】
請求項１３の発明の画像表示装置は、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段と、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系と、該表示手段からの光束を観察位置に導く表示光学系を有する画像表示装置であって、該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明光学系により、該表示手段の表示面中心に入射して該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る中心照明主光線が、該反射面Ａの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし、該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、
各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１は、本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概略図である。
【００３１】
図中、１は第１光学素子、２は第２光学素子、３は光源手段、４はコンデンサレンズ、５は反射型の表示手段であるＬＣＤ、６，７はそれぞれ透過軸が略直交した偏光板であり、これらは本実施形態の画像表示装置の一要素を構成している。
【００３２】
本実施形態においては、紙面をｙｚ面とし、観察者の視軸方向（観察者の瞳Ｅに入射する後述する中心画角主光線Ｌ０の方向）にｚ軸をとり、紙面内でこれに直交する方向にｙ軸をとり、紙面に垂直にｘ軸をとったグローバル座標系を採用している。各軸の正の向きはｙ，ｚ軸に関しては図示の通りであり、ｘ軸は紙面奥向きとしている。
【００３３】
尚、光源手段３からの光をＬＣＤ５に導く要素、即ちコンデンサレンズ４及び偏光板６、第２光学素子２の面Ｓ２３，Ｓ２１，Ｓ２２は照明光学系を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を観察者の眼Ｅに導く要素、即ち第２光学素子２の面Ｓ２２，Ｓ２１と偏光板７、第１光学素子１の面Ｓ１３，Ｓ１１，Ｓ１２は本実施形態の表示光学系を構成している。
【００３４】
また、ＬＣＤ５の表示面５ａ上の任意の点から発して表示光学系の射出瞳Ｓの中心に至る光線を主光線と呼び、特にＬＣＤ５の表示面５ａの中心点ｐ５ａを発して表示光学系の射出瞳Ｓの中心に至る光線Ｌ０を中心画角主光線と呼ぶ。更に、光源手段３を発して反射型のＬＣＤ５の画像表示面５ａ上の任意の点に入射し該主光線となる光線を照明主光線と呼び、特に光源手段３を発して反射型ＬＣＤ５の画像表示面５ａ上の中心点Ｐ５ａに入射し、該中心画角主光線Ｌ０となる光線Ｌ００を中心照明主光線と呼ぶ。
【００３５】
光源手段３は光源３１及びレンズ３２，拡散板３３によって面光源を形成しており、３３ａは該光源手段３の発光面である。
【００３６】
第１光学素子１は、光束を透過及び反射（全反射）させる面Ｓ１１、反射膜の形成された反射面Ｓ１２、透過面Ｓ１３を有し、これら３面間を同一媒質で満たされたプリズム形状である。面Ｓ１３は反射型ＬＣＤ５からの光束を第１光学素子１に入射させる入射面であり、面Ｓ１１及び面Ｓ１２は第１光学素子１の複数の反射面であり、また、面Ｓ１１は光束を第１光学素子から射出させ観察者の瞳Ｅに導く射出面を兼用している。
【００３７】
反射面として作用する面Ｓ１１及び面Ｓ１２は、該中心画角主光線Ｌ０に対して偏心して配置されている。特に、第１光学素子１の材質の屈折率をｎ１とするとき、面Ｓ１３より入射した光線Ｌ０が面Ｓ１１に対してarcsin(１／ｎ１)以上の入射角度で入射するようにして、面Ｓ１１で全反射して面Ｓ１２へ向かうようにしている。また、面Ｓ１２で反射された光線はarcsin(１／ｎ１)未満の入射角度で面Ｓ１１に入射し、面Ｓ１１を通過して第１光学素子１を射出するようにしている。これにより、面数の削減と光の利用効率の向上を図っている。
【００３８】
尚、最も強いパワーを有する面Ｓ１２をｙｚ面に対してのみ対称性を有する非回転対称面とすることで、２つの反射面Ｓ１１、Ｓ１２を偏心配置したことにより発生する収差を補正することが好ましい。更に好ましくは、これらの面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を全てｙｚ面に対してのみ対称性を有する非回転対称面とすることで、収差を良好に補正することができる。
【００３９】
第２光学素子２は本実施形態においては全て平面で構成され、光束を透過及び反射させる面Ｓ２１、透過面Ｓ２２、透過面Ｓ２３より成り、これら３面間を同一媒質で満たされたプリズム形状をしている。尚、面Ｓ２１は光源手段からの光束を表示手段に導く反射面である。発光面３３ａの一点より発した光束はコンデンサレンズ（コリメーターレンズ）４により集光され、偏光板６を透過した光のみが第２光学素子２に導かれる。本実施形態においては、第２光学素子２の材質の屈折率をｎとするとき、該照明主光線がそれぞれ面Ｓ２１に対してarcsin(１／ｎ)以上の入射角度で入射し、全反射するようにしている。面Ｓ２１で全反射された光は、面Ｓ２２を透過して第２光学素子２を射出し、表示面５ａに対して所定の入射角度をなして斜めにＬＣＤ５を照明する。ＬＣＤ５で適宜変調され、反射された光は、面Ｓ２２より第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１に対してarcsin(１／ｎ)以下の入射角度で入射して面Ｓ２１を通過し、第２光学素子２より射出し、偏光板７で偏光状態に応じて検光される。偏光板７を通過した光は、面Ｓ１３を透過して第１光学素子に入射し、光束に対して臨界角以上傾いた面Ｓ１１で全反射した後、面Ｓ１２で反射され再度面Ｓ１１に向かい、面Ｓ１１を今度は透過して第１光学素子より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に置いた観察者の眼Ｅに導かれ、観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せている。
【００４０】
尚、本実施形態においては、ＬＣＤ５の表示面５ａと反射面である面Ｓ２１とのなす角度βをβ＜４５°として、表示面５ａと面Ｓ１３との光路長を短くしており、広画角化に有利な構成としている。
本実施形態において更に望ましくは、
１０°＜β＜４０°…・（１ａ）
を満足することが好ましい。条件式（１ａ）の下限値を超えると表示面５ａの片側の領域ｐ５ｃ側を照明した光束を十分に射出瞳Ｓに導くことが難しくなり、上限値を超えると表示面５ａから第１光学素子１の面Ｓ１３までの光路長が長くなり、広画角化が難しくなる。
【００４１】
また、本実施形態においては、図１の紙面であるｙｚ面内でＬＣＤ５の一方の最端点である点ｐ５ｂを発して射出瞳Ｓの中心に至る主光線Ｌ１における表示面５ａから面Ｓ１３までの距離（ＬＬ１とする）と、他方の最端点である点ｐ５ｃを発して射出瞳Ｓに導かれる主光線Ｌ２における表示面５ａから面Ｓ１３までの距離（ＬＬ２とする）とは、ＬＬ１＞ＬＬ２の方が収差補正上好ましく、本発明においては第２光学素子２の薄い方が点ｐ５ｃ寄りに、厚い方がｐ５ｂ寄りになるように配置している。
【００４２】
また、本実施形態においては、第２光学素子２の面Ｓ２２とＬＣＤ５の表示面５ａとを略平行としており、第２光学素子の頂角もβである。本実施形態においては、ＬＣＤ５の表示面５ａから射出する主光線が所定の角度を有して発するようにしており、表示面５ａから第１光学素子１の面Ｓ１３に至る光路長が短くなるように頂角βと表示面５ａからの主光線の出射角度の関係を設定して、更に広画角化に有利な構成としている。
【００４３】
特に、点ｐ５ｃに入射する照明主光線Ｌ０２と点ｐ５ｃを発する主光線Ｌ２とのなす角度をγとするとき、
２・arcsin(0.1・ｎ)≦γ
であることが好ましい。この下限を超えると、上述の光路長ＬＬ２が長くなり、収差補正上、若しくは広画角化に不利になる。尚、この条件は、本実施形態のように表示面５ａでの反射の前後の媒質が空気層の場合であり、後述する数値実施例のように表示面の前にカバーガラスなどがある場合には、γはカバーガラスに入射する照明主光線の延長線とカバーガラスを出射した主光線の延長線とのなす角度である。
【００４４】
図２は、図１の第２光学素子２の面Ｓ２１における光束の全反射時のローカル座標系（ｘ21tr，ｙ21tr，ｚ21trの３軸により定義されている）におけるｘ2 1tr−ｚ21tr断面図である。また、図１３はＬＣＤ５の表示面５ａを正面から見た図であり、図１に記したＬＣＤ５の表示面５ａでのx5，y5，z5の各軸を有するローカル座標系におけるx5-y5断面図である。
【００４５】
図２においては、ＬＣＤ５の有効表示画面中心ｐ５ａに入射し、ＬＣＤ５で反射されて表示光学系により射出瞳Ｓの中心を通る中心画角主光線になる中心照明主光線Ｌ００と、ＬＣＤ５の中心から水平方向にずれて最端（図１３での点ｐ５ｄ，点ｐ５ｅ）に入射し、ＬＣＤ５で反射されて表示光学系により射出瞳Ｓの中心を通る主光線となる照明主光線Ｌ０３，Ｌ０４とを描いている。
【００４６】
本実施形態においては、中心照明主光線Ｌ００は図２の断面で面Ｓ２１の法線であるｚ21tr軸に射影されるように構成されている。また、本実施形態においては、照明主光線Ｌ０３，Ｌ０４を図２の断面に射影したものはそれぞれの照明主光線の面Ｓ２１でのヒットポイントにおける法線と±θｘの角度をなしている。本発明の主旨は、θｘを適切な値に抑えることで表示光学系の射出瞳Ｓの位置に眼球Ｅを置いた観察者に画面内の輝度むらが少ない、且つコントラストが高い画像を見せることにあり、
｜θｘ｜≦５°・・・（１）
としている。尚、図２においては、ＬＣＤ５の表示面５ａ上で点ｐ５ｄ，点ｐ５ｅより発して瞳Ｓの中心に至る主光線となる照明主光線Ｌ０３，Ｌ０４で説明したが、上記条件式（１）は任意の主光線（表示面５ａ上の任意の点を出て、瞳Ｓの中心に導かれる光線）となる各照明主光線全てに成り立つべき条件である。
【００４７】
次に、この角度θｘの増大に伴いコントラストが低下する原理を図３，４，５を用いて説明する。
【００４８】
図３，４，５は偏光状態変化の原理を説明するための図である。
【００４９】
図３は原理説明の系を説明するための断面図であり、Ｐ１，Ｐ２は偏光の透過軸がそれぞれ直交した偏光板で図１の偏光板６，７に相当している。Ｐｒ１は面Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｐ３を有するプリズムであり、本図の断面における面Ｓｐ１とＳｐ３との長さが等しい２等辺三角形状をしている。プリズムＰｒ１は図１の第２光学素子２に相当している。
【００５０】
ここでは、簡単のため、面Ｓｐ１と面Ｓｐ３における屈折の偏光に対する影響は無視する。
【００５１】
図３において、プリズムＰｒ１の各面Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｐ３の中心を通る光線がこの系の偏光板Ｐ１の外側から入射するものを基準に考え、図示のＹ軸，Ｚ軸に、紙面手前向きにＸ軸をとった座標系をグローバル座標系とする。また、面Ｓｐ２の中心点における法線方向をｒとし、以下、面Ｓｐ２の中心点に入射する光線を用いて偏光状態の変化を説明する。偏光板Ｐ１はY軸方向に透過軸を有し、偏光板Ｐ２はＸ軸方向に透過軸を有する。
【００５２】
図４，５はそれぞれ基準の光線に対し、ＹＺ面内で異なる傾きを持って面Ｓｐ２の中心に入射する光線、ＸＺ面内で異なる傾きを持って面Ｓｐ２の中心に入射する光線における偏光状態変化を説明するための図である。
【００５３】
図４（ａ），（ｂ）において、偏光板Ｐ１はＹ軸方向に透過軸を有する。ここで、光線方向ベクトルｋとY軸を含む平面の法線方向をｉ軸，光線方向ベクトルｋとｉ軸を含む面の法線方向をｊ軸とすると、偏光板Ｐ１を通過した光線はｊ軸方向に振動方向をもつ直線偏光となる。
【００５４】
反射面の面法線ベクトルｒは、ＹＺ平面内にある。反射面の面法線ベクトルｒと光線方向ベクトルｋを含む面の法線方向がｓ軸，光線方向ベクトルｋとｓ軸を含む面の法線方向がｐ軸となる。ｓ軸方向に振動方向をもつ直線偏光がいわゆるｓ偏光であり、ｐ軸方向に振動方向をもつ直線偏光がいわゆるｐ偏光である。
【００５５】
反射面への入射光線方向ベクトルｋを、ＸＺ平面へ射影した時の傾き角をθｘとする。θｘ＝０の場合は、図４（ａ）に示すように光線方向ベクトルｋがＹＺ平面内に存在する。このため、光線方向ベクトルｋ，Ｙ軸，面法線ベクトルｒが全てＹＺ平面内に存在することから，ｉ軸とｓ軸，ｊ軸とｐ軸はそれぞれ一致する。よって入射光線はｐ偏光成分のみとなる。反射光線方向ベクトルｋ’もＹＺ平面内に存在するため、ｉ’軸とｓ軸，ｊ’軸とｐ軸はそれぞれ一致し、反射光線はｊ’軸方向に振動方向をもつ直線偏光となる。図４（ｂ）は，光線方向ベクトルの向きを紙面に垂直な方向に取り、この時のそれぞれの軸及び入射光、反射光の偏光状態を表したものである。
【００５６】
一方、θｘ≠０の場合は、図５（ａ）に示すように光線方向ベクトルｋはＹＺ平面内に存在しない。このためｉ軸とｓ軸，ｊ軸とｐ軸は一致せず、ｓ，ｐ軸はｉ，ｊ軸に対し角度αだけ回転した状態になる。よって入射光線はｓ偏光及びｐ偏光成分の両方を持つこととなる。各成分の大きさは、入射光線の振幅をＡとすると、Ａｓ＝Ａ×ｃｏｓα，Ａｐ＝Ａ×ｓｉｎαである。全反射面における強度反射率はｓ偏光，ｐ偏光とも１で同じであるが、複素振幅反射率は異なり反射光は位相差δを有する。位相差δの量は次式によって与えられる。ここで、ｎはプリズムの材質の屈折率、θは反射面への入射角である。
【００５７】
【数１】
このため反射光は一般に楕円偏光となる。反射光線方向ベクトルｋ’もＹＺ平面内に存在しないため、ｉ’軸とｓ軸，ｊ’軸とｐ軸は一致しない。反射光は図５（ｂ）に示すようにｉ’軸，ｊ’軸にそれぞれＡｉ’，Ａｊ’の大きさの成分をもつ楕円偏光となる。図５（ｂ）は，光線方向ベクトルの向きを紙面に垂直な方向に取り、この時のそれぞれの軸及び入射光、反射光の偏光状態を表したものである。
【００５９】 図４（ａ）、図５（ａ）において、偏光板Ｐ２はＸ軸方向に透過軸を有し、ｉ’軸方向に振動方向を有する成分のみ透過する。よってθｘ＝０の場合は、偏光板Ｐ２への入射光はｊ’軸方向に振動方向をもつ直線偏光であるため、偏光板Ｐ２で遮断（吸収）される。θｘ≠０の場合は、偏光板Ｐ２への入射光は図５（ｂ）に示すような楕円偏光であるため、ｉ’軸成分が偏光板Ｐ２を通過するため、（Ａｉ’）２の強度の光量が通過する。このように偏光板Ｐ１及びＰ２をその透過軸が直交するように配置しても、２つの偏光板の間の光路中に反射面が存在し、その反射面への入射光が偏光板Ｐ１の透過軸と反射面の法線を含む面に存在しない場合、光漏れが生じてしまう。厳密には、面Ｓｐ１及び面Ｓｐ３における屈折においても強度透過率の違いから偏光状態の変化が生じ、より複雑な振る舞いとなる。
【００６０】
次に、反射型液晶５の照明系に反射面を含む光学素子を用いた場合について図６を用いて説明する。
【００６１】
光源からの光束は偏光板６を通過し直線偏光となり、面Ｓ２３からプリズム２に入射し、臨界角よりも大きい角度で面Ｓ２１に入射し反射され、面Ｓ２２からプリズム２を射出し、反射型液晶５に入射する。反射型液晶５で反射された光束は、面Ｓ２２から再びプリズム２に入射し、臨界角以下の角度で面Ｓ２１に入射して屈折し、プリズム２から射出して、偏光板７に入射する。偏光板７を通過した光束は、表示光学系へと導かれる。偏光板６及び７はその透過軸が直交するように配置されている。
【００６２】
表示のＯＮ，ＯＦＦは、液晶の状態を変化させることにより、入射光に対し反射光の偏光状態を変化させて行う。例として液晶に強誘電性液晶を用いた場合について述べる。液晶のリタデーション量を１／４波長（反射による往復で１／２波長）に設定し、ＯＦＦ表示の場合には液晶５のダイレクタの方向を偏光板６の透過軸の方向に一致させ、ＯＮ表示の場合はダイレクタの方向を偏光板６の透過軸に対し４５度傾いた状態になるように設定する。ＯＦＦ表示時には、入射光の偏光状態が保存されたまま反射されるため、反射光は偏光板６の透過軸方向に振動方向をもつ直線偏光であるため、偏光板７で遮断される。ＯＮ表示時には、直線偏光の振動方向が９０度回転し、反射光はその振動方向が偏光板７の透過軸に一致するため、偏光板７を通過する。
【００６３】
しかしこのように設定しても、全反射面への入射光が、偏光板６の透過軸と全反射面の法線を含む面に存在しない場合（θｘ≠０）は、図５（ａ），（ｂ）に示した理由により液晶への入射光が直線偏光ではなくなるため、ＯＦＦ表示時においても偏光板７を一部通過してしまう。これによりコントラストの低下が生じてしまうという問題が生じる。
【００６４】
以上の説明においては反射面が全反射面の場合であるが、一般に反射面においてはｓ偏光，ｐ偏光の複素振幅反射率は異なるため、金属ミラー面、ハーフミラー面、誘電体多層膜コート面においても上述のような現象が生じる。
【００６５】
図７は図６に示したプリズム２の面Ｓ２１と面Ｓ２２とのなす角度を３０°、面Ｓ２２と面Ｓ２３とのなす角度を９０°、面Ｓ２３と面Ｓ２１とのなす角度を６０°としたときの偏光板６から偏光板７に至る光線の経路において、偏光板７を通過する光線についてθｘとの関係をシュミレーションした図である。尚、本シミュレーションにおいては、ＬＣＤ５を理想的なリタデーション量１／４波長（反射による往復で１／２波長）のリターダと定義しており、偏光板６の透過軸に対し、ＯＦＦのときダイレクタが０°の方向を、ＯＮのときダイレクタが４５°傾いた方向をとるものとして、ＯＦＦ時とＯＮ時との偏光板７を透過する光の光量比をコントラストとしている。また、プリズム２の媒質は屈折率１．５としている。図よりθｘが増加するに従って、コントラストが低下することがわかる。即ち、θｘが増加するに従って、ＯＦＦの透過光量が増加し、ＯＮの透過光量が減少するため、全画面白表示または全画面黒表示などの均一な画像表示において画面内に輝度むらが生じることを意味している。
【００６６】
また、図７には、θｙの変化に伴う複数の曲線を描いており、照明主光線をｙｚ面（図１等の紙面）に射影したときに面Ｓ２１の法線となす角θｙが変化することによってコントラストが変化することを示している。図より、θｘの変化に対してθｙの変化は鈍感であることがわかる。θｙの状況により多少の変化はあるが、θｘが±５°以内であればある程度のコントラストが確保でき、画面内の輝度むら等が目立たない、高コントラストな画像表示装置を達成できる。従って、本発明の実施形態においては、｜θｘ｜≦５°となるように光学系を構成し、各照明主光線をｘｚ面への射影したものが略平行に入射するように構成した。これを超えるとコントラスト低下が著しくなるため、好ましくない。
また、さらに望ましくは、arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin (1/n)とすることで、θｙの変化に対するコントラスト低下を抑え、更に高コントラストを確保することができる。下限を超えると全反射しなくなり、上限を超えるとコントラストの低下が著しくなる。
【００６７】
次に図１を用いて、本実施形態の光学作用を説明する。
【００６８】
光源３１及びレンズ３２，拡散板３３によって形成した発光面３３ａの一点より発散した光線群はコンデンサレンズ４により互いに略平行（略とは±５°以内）になり偏光板６を透過して直線偏光した光となり第２光学素子２に導かれる。
【００６９】
直線偏光した光線群は、面Ｓ２３より第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１で全反射した後、面Ｓ２２を屈折・透過して第２光学素子２より射出し、ＬＣＤ５を照明する。ここで、表示光学系（２，７，１）において主光線となる照明主光線は、面Ｓ２１での全反射時のローカル座標系におけるｘ21tr−ｚ21tr断面に射影したときの面Ｓ２１法線とのなす角度θｘが略平行になるように、特に｜θｘ｜≦５°となるように構成されているため、偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少ない状態でＬＣＤ５に入射され、理想状態に近い状況でＬＣＤ５による変調を受ける。ＬＣＤ５で適宜変調され反射された光は、面Ｓ２２より再び第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１を今度は透過して偏光板７に導かれる。
【００７０】
｜θｘ｜≦５°として偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少なくなるようにしたため、ＬＣＤ５により変調を受けなかった光はほぼ偏光板７で吸収され、ＬＣＤ５で位相をπ／２ずらされた光は偏光板７でほぼ透過される。透過された光は、面Ｓ１３を透過して第１光学素子１に入射して面Ｓ１１に向かい、これらの光に対して臨界角以上をなすように傾いた面Ｓ１１で全反射した後、面Ｓ１２で反射し、面Ｓ１１を今度は屈折・透過して第１光学素子１より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に置いた観察者の眼Ｅに導かれ、高コントラストで観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せている。
［実施例２］
図８は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は、実施形態１に比べてコリメータレンズ４の代わりに反射面Ｓ４２と透過面Ｓ４１，Ｓ４３を有したプリズム４０を用い、プリズム４０と偏光板６と第２光学素子２とをそれぞれ接合した構成とした点、及び、第２光学素子２の照明光束を全反射する面（反射型ＬＣＤ５からの光束を屈折・透過させて第２光学素子より射出させる面）をｙｚ断面のみに曲率を有する曲面Ｓ２１' で構成した点が、異なる点であり、その他は同じである。実施形態１と同じ構成要素は、同じ符号で表し、説明を省略する。面Ｓ２１における全反射時のローカル座標系を決めるｘ21tr，ｙ21tr，ｚ21trの各軸は、面Ｓ２１における中心照明主光線のヒットポイントでの法線方向にｚ21tr軸をとり、紙面内接線方向にｙ21tr軸をとり、紙面に垂直にｘ21tr軸をとっている。
【００７１】
尚、実施形態１と同様、発光面３３ａからの光をＬＣＤ５に導く要素は本実施形態の照明光学系を構成しており、ＬＣＤ５からの反射光を観察者の眼Ｅに導く要素は本実施形態の表示光学系を構成している。本実施形態の照明光学系は２つの反射面を有しているが、光源手段３からの光束を表示手段に導く反射面は、光源手段３から反射型ＬＣＤ５への光路における最終反射面であるＳ２１' である。
【００７２】
以下、本実施形態における光学作用を説明する。
【００７３】
光源３１及びレンズ３２，拡散板３３によって形成した発光面３３ａを発光面とする面光源３の一点より発散した光線群は面Ｓ４１よりプリズム４０に入射し、曲面反射面４２で反射し互いに略平行となった後、偏光板６との接合面Ｓ４３より偏光板６に入射する。偏光板６では、紙面に平行な直線偏光成分以外は吸収され、第２光学素子２との接合面Ｓ２３より第２光学素子２に入射する。面Ｓ２３より第２光学素子に入射した直線偏光した光線群は、ｙｚ断面方向にのみ曲率を有する曲面Ｓ２１' で全反射した後、面Ｓ２２を屈折・透過して第２光学素子より射出し、ＬＣＤ５を照明する。ここで、各画角の主光線となる照明主光線は、曲面Ｓ２１' での全反射時のローカル座標系におけるｘ21tr−ｚ21tr断面に射影したときに曲面Ｓ２１' 法線とのなす角度θｘが略平行になるように、特に｜θｘ｜≦５°となるように構成して、偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少ない状態でＬＣＤ５に入射するようにし、ＬＣＤ５により受ける変調を理想状態に近い状況としている。
【００７４】
尚、本実施形態においては、第２光学素子の全反射面Ｓ２１' をｙｚ断面で曲率を有する面としているため、各画角主光線となる各照明主光線をｙｚ断面に射影した線と各照明主光線のヒットポイントでの面法線とのなす角度をθｙとした場合に、arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/n)を満たすように構成することが好ましい。
【００７５】
ＬＣＤ５で適宜変調され反射された光は、面Ｓ２２より再び第２光学素子２に入射し、面Ｓ２１' を今度は透過して偏光板７に導かれる。面Ｓ２１' における該角度θｘの条件を｜θｘ｜≦５°として偏光板６による直線偏光成分以外の成分が少なくなるようにしたため、ＬＣＤ５により変調を受けなかった光はほぼ偏光板７で吸収され、ＬＣＤ５で位相をπ／２ずらされた光は偏光板７でほぼ透過される。透過された光は、面Ｓ１３を透過して第１光学素子に入射して面Ｓ１１に向かい、これらの光に対して臨界角以上をなすように傾いた面Ｓ１１で全反射した後、面Ｓ１２で反射し、面Ｓ１１を今度は屈折・透過して第１光学素子より射出して射出瞳Ｓを形成し、略射出瞳Ｓの位置に置いた観察者の眼Ｅに導かれ、高コントラストで観察者にＬＣＤ５上の画像を拡大して見せることが可能になる。
【００７６】 本実施形態においても、実施形態１と同様に光源手段３の発光面３３ａの中心を発した光線がプリズム体４０により少なくとも紙面に垂直な方向の断面において互いに略平行となるように変換して偏光板６に導き、偏光板６を透過後、第２光学素子の全反射面Ｓ２１’に入射するように構成したため、照明主光線の図８に垂直な断面における全反射面への入射角度のばらつきが少なく、従って該断面に射影された光線と面Ｓ２１’法線とのなす角θｘのばらつきを少なくし、画面内での輝度むらの発生を抑えている。
【００７７】
特に、実施形態１と同様の理由で、｜θｘ｜≦５°，arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/n)としたことで、画面内での輝度むらが少なく、高コントラストな画像を観察者に提示することが可能である。また、面Ｓ２１' を曲面としたことで、表示光学系におけるパワーを有する面を増やしており、表示光学系におけるパワー分担面を増やし、各面の分担配分を減らすことができるため、収差補正が容易になる利点もある。
［実施形態３］
以上、実施形態１，２として第１光学素子１を表示光学系の一部に用いたもので説明してきたが、本発明はこれに限定するものではない。図１４は、本発明の特徴である光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面を有した照明光学系を別の光学系と組み合わせた実施形態３の要部概略図である。本実施形態と実施形態１との違いは、第１光学素子１の代わりに１つのミラー面Ｓ１０１からなる光学系を用いたことであり、その他は同じであるので、符号の説明は省略する。本実施形態においても、光源手段３からの光をＬＣＤ５に導く要素、即ちコンデンサレンズ４及び偏光板６、第２光学素子２の面Ｓ２３，Ｓ２１，Ｓ２２は照明光学系を構成している。
【００７８】
面Ｓ１０１は、例えば、球面形状のミラーを中心画角主光線Ｌ０に対して偏心させたものであり、ＬＣＤ５からの反射光を観察者の眼Ｅに導く要素、即ち第２光学素子２の面Ｓ２２，Ｓ２１と該面Ｓ１０１によって表示光学系を構成している。
【００７９】
光源手段３の発光面３ａからの発散光束をレンズ４で略平行光束とし、偏光板６を透過した特定方向に直線偏光となった光束が、面Ｓ２３より第２光学素子２に導かれ、反射面Ａであるところの面Ｓ２１で全反射し、面Ｓ２２を透過して第２光学素子２より射出して、反射型ＬＣＤ５を照明している。反射型ＬＣＤ５で適宜変調され、反射された光は、面Ｓ２２より第２光学素子２に入射し、今度は面Ｓ２１を透過して第２光学素子２より射出し、偏光板６と偏光の透過軸が略直交した偏光板７で変調状態に応じて検光される。偏光板７を透過した光は面Ｓ１０１で反射され、表示光学系の射出瞳Ｓの位置に置かれた観察者の瞳Ｅに導かれ、観察者にＬＣＤ５上に表示された画像の拡大像を認識させている。
【００８０】
本実施形態においても、前述した実施形態と同様に、各照明主光線が面Ｓ２１に略平行に入射する様にして高コントラストな画像表示を達成している。特に、各照明主光線を面Ｓ２１の法線を含み図の紙面と垂直な面に射影した線と面Ｓ２１の法線とのなす角θｘに関して、
｜θｘ｜≦５°・・・（１）
としている。
【００８１】
また、各照明主光線を紙面に射影した線と面Ｓ２１の法線とのなす角θｙに関して、
arcsin(1/ｎ)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/ｎ)
（但し、ｎは第２光学素子２の媒質の屈折率）として、更に高コントラストな画像表示を行うことが好ましい。
【００８２】
尚、本実施形態では面Ｓ１０１を球面としたが、紙面に対して対称な非回転対称面で構成すると収差補正上好ましい。
【００８３】
また、図１５に示すように、更に非回転対称面を含む面Ｓ１０２、Ｓ１０３よりなる補正のレンズ１０を光路中の一部に用いることで、収差を良好に補正し、より一層高画質な画像表示を行うことも可能である。
【００８４】
また、本発明の画像表示装置は、必ずしも光源を装置内に有することが必須ではなく、例えば、図１６に示すように外光を光源として用いることも可能である。
［数値実施例］
図９は本発明の画像表示装置における光学系の数値実施例を示す図である。図中、表示光学系（２，７，１）により形成される射出瞳STOの中心を原点（０，０，０）とし、図示のようにｙ，ｚ軸をとり、ｘ軸を紙面に垂直に奥向きを正と表示光学系のデータを表１に示す。表中、SURFは面番号を、ｘｓｃ，ｙｓｃ，ｚｓｃはそれぞれ該当面の面頂点の上述の座標系における座標値を示す。ａｓｃはｘ軸まわりに紙面において反時計周りを正とする回転量（単位：度）である。ＲＤＹ，Ｎｄ，Ｖｄはそれぞれ曲率半径，屈折率（ｄ線），アッベ数を示している。
【００８５】
また、本実施例における非球面形状は、次の式を用いて表現している。
z = (1/RDY)*(x^2+y^2)/(1+(1-(1+c1)* (1/RDY)^2*(x^2+y^2))^(1/2))+c2+c4*y+c5*(x^2-y^2)+c6*(-1+2*x^2+2*y^2)+c10*(-2*y+3*x^2*y+3*y^3)+c11*(3*x^2*y-y^3)+c12*(x^4-6*x^2*y^2+y^4)+c13*(-3*x^2+4*x^4+3*y^2-4*y^4)+c14*(1-6*x^2+6*x^4-6* y^2+12*x^2*y^2+6*y^4)+c20*(3*y-12*x^2*y+10*x^4*y-12*y^3+20*x^2*y^3+10*y^5)+c21*(-12*x^2*y+15*x^4*y+4*y^3+10*x^2*y^3-5*y^5)+c22*(5*x^4*y-10*x^2*y^3+y^5)+c23*(x^6-15*x^4*y^2+15*x^2*y^4-y^6)+c24*(-5*x^4+6*x^6+30*x^2*y^2-30*x^4*y^2-5*y^4-30*x^2*y^4+6*y^6)+c25 * (6*x^2-20*x^4+15*x^6-6*y^2+15*x^4*y^2+20*y^4-15*x^2*y^4-15*y^6)+c26*(-1+12*x^2-30*x^4+20*x^6+12*y^2-60*x^2*y^2+60*x^4*y^2-30*y^4+60*x^2*y^4+20*y^6)
以下、光学作用を説明する。
【００８６】
光源手段３の発光面であるＳ１７を出た光は、屈折面Ｓ１６により集光され、面Ｓ１５より偏光板Ｐ１に入る。その後、面Ｓ１４よりプリズムＬ２に入射し、Ｓ１３（Ｓ７と同一面）で全反射して、面Ｓ１２（Ｓ８と同一面）よりプリズムＬ２を射出してＬＣＤ５に向かう。カバーガラス前面Ｓ１１（Ｓ９と同一面）を通過して液晶面Ｓ１０で反射された光はカバーガラス前面Ｓ９を射出し、Ｓ８より再度プリズムＬ２に入射し、今度は面Ｓ７を屈折・透過して射出し、偏光板Ｐ２の前後の面Ｓ６，Ｓ５を検光されて通過し、プリズムＬ１に面Ｓ４より入射する。その後、面Ｓ３（Ｓ１）と同一面で全反射し、面Ｓ２で反射した後、面Ｓ１を透過して瞳ＳＴＯに導かれる。
【００８７】
このときの面Ｓ１３での全反射時の各画角主光線のθｘ、θｙを表２に示す。ここでは、波長５２５ｎｍの光を主波長としている。
表より｜θｘ｜≦５°である。
【００８８】
また、
arcsin(1/n)≦θｙ≦１．５＊arcsin(1/n)
即ち、
４１．１°≦θｙ≦６１．７°である。
【００８９】
以上のようにθｘ，θｙを設定したことで、コントラスト低下、画面内でのコントラストむら等の少ない、良好な画質で観察することができる画像表示装置を達成している。
【００９０】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、
照明光学系中の反射面への照明光束の入射角度を適切に設定することで、装置全体の小型化を図りつつ、反射型の表示手段に表示した画像を広い観察視野においてコントラスト低下、画面内でのコントラストむら等を生じることなく良好なる画質で観察することができる画像表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概略図
【図２】本発明の画像表示装置の実施形態１の第２光学素子におけるｘｚ断面図
【図３】本発明における偏光状態変化の原理を説明するための光学系の図
【図４】本発明におけるｙ方向に傾いた光線での偏光状態変化を説明するための図
【図５】本発明におけるｘ方向に傾いた光線での偏光状態変化を説明するための図
【図６】反射型液晶の照明系に反射面を用いた場合についての偏光状態変化を説明する図
【図７】反射型液晶の照明系の反射面と光線とのなす角θｘに対するシミュレーション結果図
【図８】本発明の第２の実施形態の要部概略図
【図９】本発明の数値実施例の光学系の要部概略図
【図１０】従来の画像表示装置の構成を示す図
【図１１】従来の画像表示装置の構成を示す図
【図１２】従来の画像表示装置の構成を示す図
【図１３】本発明の実施形態１の反射型表示手段の表示面を正面から見た概略図
【図１４】本発明の画像表示装置の実施形態３の要部概略図
【図１５】本発明の画像表示装置の実施形態３の他の実施形態の要部概略図
【図１６】本発明の画像表示装置の実施形態３の他の実施形態の要部概略図
【符号の説明】
１・・・第１光学素子
２・・・第２光学素子
３・・・光源
４・・・コンデンサレンズ
５・・・反射型ＬＣＤ
６・・・偏光板
７・・・偏光板
３１・・光源
３２・・レンズ
３３・・拡散板
４０・・プリズム
Claims (13)
- 入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、
該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線としたときに、
該表示光学系は該中心画角主光線に対して偏心し、且つパワーを有する１つ又は複数の偏心反射面を有しており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明主光線の表示面への入射角と対応する主光線の表示面からの射出角とが所定の角度をなしており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたとき、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし，該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 前記反射面Ａは、前記光源手段からの光束を前記表示手段に導く際には光束を全反射し、該表示手段からの光束を観察位置に導く際には光束を透過させるよう作用することを特徴とする請求項１の画像表示装置。
- 前記反射面Ａを有する光学部材が少なくとも１つの曲面を有することを特徴とする請求項２の画像表示装置。
- 前記反射面Ａは少なくともｘ軸方向にパワーを有しない面であることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
- 前記照明光学系は正のパワーを有する光学要素を有し、該光学要素を通過した光を前記第１の偏光子に入射させるよう構成したことを特徴とする請求項１の画像表示装置。
- 前記正のパワーを有する光学要素が反射面を有していることを特徴とする請求項５の画像表示装置。
- 入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線としたとき、
該表示光学系は該中心画角主光線に対して偏心し、且つパワーを有する１つ又は複数の偏心反射面を有しており、該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線とし、
該反射面Ａと該表示手段の表示面とのなす角度をβとするとき、
β＜４５°
を満たし、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたとき、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし，該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 前記複数の偏心反射面のうち少なくとも１面が非回転対称面であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
- 前記表示光学系が前記複数の偏心反射面と入射面、射出面とを一体に形成した光学素子を有することを特徴とする請求項８の画像表示装置。
- 前記照明光学系が複数の反射面を有し、前記反射面Ａは光源手段からの光束を前記表示手段に導く光路における最終反射面であることを特徴とする請求項１，２又は７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
- 入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系、該表示手段からの光束を観察者の観察位置に導く表示光学系を有し、該表示手段に表示した画像情報を観察する画像表示装置であって、
該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る光線を中心画角主光線、該光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明主光線の表示面への入射角と対応する主光線の表示面からの射出角とが所定の角度をなしており、
該光源手段を発して該照明光学系により該表示面中心に入射して該中心画角主光線となる光線を中心照明主光線としたときに、該中心照明主光線が該反射面Ａへの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし、該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 該反射面Ａが、前記光源手段からの光束を該表示手段に導く際には光束を全反射し、該表示手段からの光束を観察位置に導く際には光束を透過させるよう作用することを特徴とする請求項１１の画像表示装置。
- 入射光に対し反射光の偏光状態を変化させることで画像情報を形成する反射型の表示手段と、光源手段からの光束を該表示手段に導く反射面Ａと、該反射面Ａより光源手段側に配置され、該光源手段からの光を直線偏光とする第１の偏光子と、該表示手段からの光束を偏光状態に応じて検光する第２の偏光子とを有する照明光学系と、該表示手段からの光束を観察位置に導く表示光学系を有する画像表示装置であって、該表示手段の表示面より射出し射出瞳中心に到達する光線を主光線、光源手段を発して該照明光学系により該表示面に入射して該主光線となる光線を照明主光線としたとき、該照明光学系により、該表示手段の表示面中心に入射して該表示手段の表示面中心より射出し該表示光学系の射出瞳中心を通る中心照明主光線が、該反射面Ａの入射、射出により形成する面をｙｚ面とし、該ｙｚ面内で該反射面Ａの法線方向をｚ軸とし、接線方向をｙ軸とし、該ｙｚ面に垂直な方向にｘ軸をとる座標系において、
各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｘｚ面へ射影した線とのなす角度をθｘ、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した場合に、各照明主光線の反射面Ａでのヒットポイントにおける面法線と、各照明主光線を該座標系のｙｚ面へ射影した線とのなす角度をθｙとするとき、θｘのとる角度範囲よりもθｙのとる角度範囲の幅の方が広く、該反射面Ａでの反射前後の媒質の屈折率をｎとしたとき、
｜θｘ｜≦５°
arcsin（１／ｎ）≦θｙ≦１．５＊arcsin（１／ｎ）
なる条件を満足することを特徴とする画像表示装置。
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