JP4166479B2 - 表示光学系及び表示光学系を用いた携帯端末装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示光学系に関し、特に、反射型表示素子を用いて小型で持ち運べて消費電力の小さい表示装置用の光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示装置としては、携帯電話や携帯端末として直視型の液晶表示装置が多く用いられていた。しかし、画素数の多い高精細な表示や動画像を表示するには、表示速度が速く高価なアクティブ・マトリックス液晶を使う必要があり、表示装置が高価になる問題があった。また、消費電力も大きく、長時間の表示を行うためには大きな容量を持った電池を必要とし、大きく重い電池を必要とした。さらに、表示内容を周りの人から覗かれる心配があった。
【０００３】
一方、小型の表示素子を用いて光学系により拡大表示するのもとして、特開昭４８−１０２５２７号のものや、本出願人よる特開平５−３０３０５４号のものがある。これらは、表示装置を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものである。特に、後者は、非回転対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るものである。しかし、表示素子に必要とされる大きさが比較的大きいものが必要であり、直視型の表示装置に比べて特に小型の表示素子が使える訳ではなく、当初の目的を達成することはできない。
【０００４】
次に、本出願人による特開平５−３０３０５５号、特開２０００−２２１４４０に示される投影光学系により、表示素子の映像を空中に１回投影し、その像を凹面鏡によりさらに拡大表示する方法が提案されている。装置としては、特開平７−２７０７８１号、特開平９−１３９９０１号のものがある。
【０００５】
さらに、本出願人は、特願２００１−６６６６９において、表示素子に表示された映像又はその中間像を偏心プリズム光学系からなるリレー光学系により投影し、そのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼球に向けて収束する小型で低消費電力の表示装置を提案している。この表示装置は、リレー光学系で投影像を接眼光学系近傍に投影し、リレー光学系の射出瞳を観察者眼球に投影するものである。
【０００６】
ところで、反射型の液晶表示素子は、透過型液晶表示素子において配線や電極等の駆動回路を表示面内に配置していたものを、背面に配置させることができるため、開口率が高い。そのため、映像が明るく、高密度化が容易であり、高画素な表示装置を提供することができている。また、反射型の表示素子として、ＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）があり、さらに明るい表示装置も提供されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特願２００１−６６６６９で提案されている、リレー光学系で投影像を接眼光学系近傍に投影し、リレー光学系の射出瞳を観察者眼球に投影する表示装置においては、表示素子として透過型表示素子を使用しているため、別に照明光学系を必要とし、必ずも十分に小型化できているとは言い難い。
【０００８】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたもので、その目的は、リレー光学系とそのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼に向けて映像観察が可能な小型で低消費電力の表示装置用の光学系において、画像表示素子として反射型画像表示素子を用いて明るく小型で高解像な画像を表示できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の表示光学系は、映像を表示する反射型表示素子と、前記反射型表示素子を照明する照明光源と、前記照明光源の光を前記反射型表示素子まで導く照明光学系と、前記反射型表示素子に表示された映像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成され、前記リレー光学系による投影像が前記接眼光学系近傍に結像されることを特徴とするものである。
【００１０】
以下、本発明において上記構成を採用する理由と作用について説明する。
【００１１】
小型の表示素子は生産性が良いことから、安価に高画素のものを入手することが可能である。できれば表示画像の対角の長さが１インチ以下の表示素子を用いることが望ましく、さらに好ましくは、０．５インチ以下の表示素子を使うことが、安価な表示装置を構成する場合に有利となる。
【００１２】
このように小型の表示素子を用いる場合には、虫眼鏡のような光学系で拡大するだけでは拡大倍率が不足であり、十分な大きさの映像として観察することはできなかった。そこで、リレー光学系で表示素子の映像を一度拡大投影し、リレー光学系で投影された像をさらに接眼光学系で拡大すると同時に、リレー光学系からの光束を観察者眼球に収束する作用を有する接眼光学系により構成することが重要である。
【００１３】
この場合に、表示素子に表示された映像を接眼光学系近傍に拡大投影するようにすることにより、小型で高性能な表示光学系を構成することが可能となる。
【００１４】
そして、表示素子として反射型表示素子を用いることにより、透過型表示素子において配線や電極等の駆動回路を表示面内に配置していたものを、背面に配置させることができるため、１画素当たりの開口率が大きくなる。そのため、映像が明るく、また、高密度化が容易であり、高画素な表示装置を提供することができる。
【００１５】
さらに、照明光源を面順次発光させ、反射型表示素子の映像と同期させることによりより高画素な映像を提供することができる。
【００１６】
この場合に、リレー光学系として、少なくとも１つの反射面を備え、その反射面が光束にパワーを与える曲面形状であって、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成された偏心プリズム光学系が用いられていることが望ましい。
【００１７】
ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００１８】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００１９】
また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００２０】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しか持たないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２１】
また、表示光学系は、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。
【００２２】
本発明では、表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されているプリズム部材を用いて、偏心収差を補正することにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。
【００２３】
なお、回転非対称な曲面形状としては、限定的でないが、自由曲面を用いることが望ましい。自由曲面は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２４】
本発明は、以上の理由から、プリズム部材を用いた偏心プリズム光学系をリレー光学系として用い、表示素子に表示された映像を接眼光学系近傍に拡大投影するようにすることにより、小型で高性能なリレー光学系を構成することが可能となる。
【００２５】
この場合、そのリレー光学系によって投影される１次像を結像する光束は、リレー光学系から発散しながら１次像を形成する。接眼光学系は、この発散する光束を効率良く観察者の眼に収束させる収束作用を有することが必要である。接眼光学系にこの収束作用がない場合には、１次像を形成する光束は発散しながら観察者に届くために、眼球に入射して映像として認識される光束は、表示素子を射出した光線の中で極一部の光束となってしまい、非常に暗い像しか観察できなくなってしまう。
【００２６】
以上の構成により、反射型表示素子を射出し、リレー光学系を通過した光束は有効に観察者眼球に集まるようになり、照明効率の良い表示が得られると同時に、電車の中等でも隣りの人に表示内容を覗かれる心配がないものとなる。
【００２７】
このような構成の場合、照明光源の光を反射型表示素子まで導く照明光学系は、リレー光学系の偏心プリズム光学系の光学面の中の少なくとも１つの光学面を共有することが望ましい。
【００２８】
リレー光学系の偏心プリズム光学系を構成する光学面の中、少なくとも１つの光学面を照明光学系と共有することにより、部品点数を減らすことができ、各々の光路も同一領域を重複して利用できることから、表示光学系を小型化できて望ましい。
【００２９】
また、反射型表示素子から射出する軸上主光線のその反射型表示素子の表示面の中心を通る法線からの傾き角度をθとするとき、次の条件式（１）を満足することが望ましい。
【００３０】
０°≦θ＜４５° ・・・（１）
この角度がその条件式（１）の上限の４５°を越えて大きくなるときは、反射型表示素子の有効視野角を越えるため、輝度やコントラストの反転等が原因で正常な像が得られなくなる。
【００３１】
さらに好ましくは、
０°≦θ＜３０° ・・・（１−１）
を満たすことが望ましく、さらには、
０°≦θ＜２０° ・・・（１−２）
を満たすことがより望ましい。
【００３２】
なお、後記の実施例１においては、θ＝１２．６°、実施例２においては、θ＝１３．４°、実施例３においては、θ＝２．３°、実施例４においては、θ＝５．４°である。
【００３３】
また、リレー光学系の偏心プリズム光学系が対称面を有する場合には、プリズム加工、各々の部材の位置合わせ等、製作組立上単純になり好ましい。
【００３４】
また、その偏心プリズム光学系は対称面を持たないものでもよい。この場合は、特に、偏心プリズム光学系への照明光の入射方向を自由に設定することができるようになるため、表示光学系をより小型化できると共に、収差補正上有利になる。
【００３５】
その場合に、照明光源からの照明光束中の反射型表示素子の表示面の中心に至る光線であって照明光束の中心光線を照明光光軸とし、偏心プリズム光学系の反射型表示素子から投影光線の通る順に数えて１番目の反射面に入射する照明光光軸が、その１番目の反射面において反射される投影光軸上主光線と表示面の中心とを通る平面に含まれないように、照明光源を配置することが望ましい。
【００３６】
このような照明光光軸の意味は、リレー光学系として構成される偏心プリズム光学系は、特別な偏心構成の場合を除き、その反射面の偏心方向は、その反射面において反射される投影光軸上主光線と表示面中心とを通る平面の方向になる。この面内にその反射面に入射する照明光光軸が存在すると、その反射面の偏心方向の有効面は、照明光路用と投影光路用に大きくしなければならなくなり、偏心プリズム光学系が大型化するか、あるいは、光束の一部がケラレることになってしまい、明るく均一な投影が困難になる。
【００３７】
これに対して、その１番目の反射面に入射する照明光光軸が、その反射面において反射される投影光軸上主光線と表示面の中心とを通る平面に含まれないようにすると、その反射面において照明光路用と投影光路用に大きくしなければならない有効面方向は、一般に偏心方向と交差する方向となるため、偏心プリズム光学系の大型化には繋がらない。
【００３８】
また、このような配置により、偏心プリズム光学系に照明光束が入射する屈折面と、その屈折面近傍で投影光束が反射する反射面とが共有面である場合に、その共有面内で分離することができ、反射面をハーフミラーで構成する必要がなくなり、明るい表示が可能になる。
【００３９】
次に、接眼光学系については、フレネル面を有する光学素子で構成することが薄型・軽量化できて好ましい。そのフレネル面は反射面であっても透過面であってもよい。フレネル面が反射面である光学素子はフレネル反射鏡、フレネル面が透過面である光学素子はフレネルレンズである。
【００４０】
そして、そのフレネル面が回転対称な面からなると、作製が容易である。また、フレネル面が自由曲面からなる場合には、偏心によるディストーション等が補正でき望ましい。
【００４１】
また、リレー光学系の偏心プリズム光学系において、投影光路の反射作用と照明光路の透過作用を兼ねる共有面には、例えば、ハーフミラー、偏光ビームスプリッターを用いることができる。
【００４２】
また、その投影光路の反射作用と照明光路の透過作用を兼ねる共有面において、その反射作用に全反射作用を利用するように構成すると、照明光、投影光のロスを少なくできて望ましい。
【００４３】
また、その投影光路の反射作用と照明光路の透過作用を兼ねる共有面において、照明光束の有効径と投影光束の有効径が重ならないように配置すれば、その共有面において反射領域と透過領域を分離することで、照明光、投影光のロスを少なくできて望ましい。
【００４４】
さらに、表示光学系の射出瞳と光学的に共役な位置近傍に照明光源を配置すると、表示光学系の射出瞳位置に照明光源の像が生じるため、ケーラー照明となり、一様な明るさの像が観察できて好ましい。
【００４５】
さらに、リレー光学系の瞳位置が偏心プリズム光学系の内部にあれば、反射面の有効径が小さくなり、そこでの偏心収差発生量が小さくなることから、光学性能上好ましい。
【００４６】
なお、本発明において、リレー光学系に用いる偏心プリズム光学系としては、本発明者等がすでに提案している内面反射回数が１回以上の種々の偏心プリズム単体あるいは複数からなる偏心プリズム光学系を用いることができる。その中、代表的なものを例示すると、後記の実施例１〜４の偏心プリズムのように、２つの反射面を備え、投影光線の入射面と第１反射面と第２反射面と投影光線の射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差する（対称面を持たない偏心プリズムの場合は、一方の光路を他方の光路を含む面に投影した場合にプリズム内で両光路が交差する）ようになっているものを用いることができる。
【００４７】
このような形状の偏心プリズムは、収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００４８】
【発明の実施形態】
以下、本発明の表示光学系の実施例に基づいて説明する。
【００４９】
まず、以下の実施例の座標の取り方は、図１〜図３に示すように、表示光学系２０の射出瞳１（観察者瞳）位置から反射型表示素子３を経て照明光源５に向う逆光線追跡で、投影光光軸２を、表示光学系２０の射出瞳１の中心を垂直に通り、反射型表示素子３の中心に至る光線で定義する。また、照明光光軸４を、同様に逆光線追跡で、反射型表示素子３の中心から照明光源５の中心に至る光線で定義する。
【００５０】
そして、逆光線追跡において、射出瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、その原点から表示光学系２０の射出瞳１に面した最終面（図１〜図３では接眼光学系２２の射出面３１）に投影光光軸２が向かう方向をＺ軸正方向とし、図１の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、図１の紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００５１】
実施例１
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。
【００５２】
図１は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面に沿った断面図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図２は図１の表示光学系２０部分の部分拡大図、図３は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００５３】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０がＹ−Ｚ面を対称面として有する形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第３面１３の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とはプリズム内で交差する構成になっている。
【００５４】
そして偏心プリズム１０の第３面１３の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００５５】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第３面１３の反射層を設けていない部分を経て偏心プリズム１０内に入り、第１反射面１２で反射され、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００５６】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２も照明光学系とリレー光学系の反射面として共有しており、第３面１３は、照明光の透過領域と投影光の反射領域とを偏心プリズム１０の対称面（Ｙ−Ｚ面）方向で分離させることで透過面と反射面を兼ねた共有面となっている。
【００５７】
そして、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、対称面のＹ−Ｚ面内に存在している。
【００５８】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００５９】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００６０】
実施例２
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。この実施例は、実施例１における偏心プリズム１０の対称面に垂直な方向にも偏心を与えること、すなわち、３次元的に偏心を与えることにより、偏心プリズム１０の第３面１３における照明光の光束有効径と投影光の光束有効径とを対称面に垂直な方向に分離させることで、第３面１３を透過面と反射面を兼ねた共有面としている例である。
【００６１】
図４は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図５は図４の表示光学系２０部分の部分拡大図、図６は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００６２】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０は対称面を持たない形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第３面１３の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とは一方の光軸を含む面に他方の光軸を投影した場合にプリズム内で交差する構成になっている。
【００６３】
そして偏心プリズム１０の第３面１３の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００６４】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第３面１３の反射層を設けていない部分を経て偏心プリズム１０内に入り、第１反射面１２で反射され、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００６５】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２も照明光学系とリレー光学系の反射面として共有しており、第３面１３は、照明光の透過領域と投影光の反射領域とを偏心プリズム１０のＹ−Ｚ面と垂直な方向で分離させることで透過面と反射面を兼ねた共有面となっている。
【００６６】
この実施例では、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、同一面内には存在していない。
【００６７】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００６８】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００６９】
実施例３
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。この実施例は、実施例１における偏心プリズム１０の第２面１２をリレー光学系の反射面と照明光学系の透過面として共有している例であり、この面をハーフミラー又は偏光ビームスプリッターとするものである。
【００７０】
図７は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面に沿った断面図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図８は図７の表示光学系２０部分の部分拡大図、図９は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００７１】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０がＹ−Ｚ面を対称面として有する形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第２面１２の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とはプリズム内で交差する構成になっている。
【００７２】
そして偏心プリズム１０の第２面１２の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００７３】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第２面１２の例えばハーフミラーを設けた部分を経て偏心プリズム１０内に入り、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００７４】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２は照明光学系の透過面としまたリレー光学系の反射面として共有している。
【００７５】
そして、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、対称面のＹ−Ｚ面内に存在している。
【００７６】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００７７】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００７８】
実施例４
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。この実施例は、実施例１における偏心プリズム１０の対称面に垂直な方向にも偏心を与えること、すなわち、３次元的に偏心を与えることにより、偏心プリズム１０の第４面１４における照明光の光束有効径と投影光の光束有効径とを対称面に垂直な方向に分離させることで、第４面１４を透過面として共有させている例である。
【００７９】
図１０は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図１１は図１０の表示光学系２０部分の部分拡大図、図１２は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００８０】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０は対称面を持たない形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第４面１４の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とは一方の光軸を含む面に他方の光軸を投影した場合にプリズム内で交差する構成になっている。
【００８１】
そして偏心プリズム１０の第４面１４の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００８２】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第４面１４の一部を経て偏心プリズム１０内に入り、第２反射面１３、第１反射面１２の順で反射され、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００８３】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２、第２面１３も照明光学系とリレー光学系の反射面として共有しており、第４面１４は、照明光の透過領域と投影光の透過領域とを偏心プリズム１０のＹ−Ｚ面と垂直な方向で分離させることで透過面として共有している。
【００８４】
この実施例では、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、同一面内には存在していない。
【００８５】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００８６】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００８７】
次に、上記実施例１〜４の表示光学系２０の構成パラメータを示す。各実施例の構成パラメータにおいては、図１〜図３に示すように、表示光学系２０の射出瞳１（観察者瞳）位置から反射型表示素子３を経て照明光源５に向う逆光線追跡で、投影光光軸２を、表示光学系２０の射出瞳１の中心を垂直に通り、反射型表示素子３の中心に至る光線で定義する。また、照明光光軸４を、同様に逆光線追跡で、反射型表示素子３の中心から照明光源５の中心に至る光線で定義する。
【００８８】
そして、逆光線追跡において、射出瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、その原点から表示光学系２０の射出瞳１に面した最終面（図１〜図３では接眼光学系２２の射出面３１）に投影光光軸２が向かう方向をＺ軸正方向とし、図１の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、図１の紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００８９】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、後記の引用文献の（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００９０】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００９１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００９２】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００９３】
ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００９４】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００９５】
以下に上記各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＦＲ”はフレネル面をそれぞれ示す。なお、物体面はリレー光学系２１の投影像面、像面は反射型表示素子３の表示面である。
【００９６】
【００９７】
【００９８】
【００９９】
【０１００】
上記実施例１〜４の横収差をそれぞれ図１３〜図１６に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１０１】
ところで、実施例１〜４に例示したような表示光学系を用いる表示装置は、例えば、図１７、図１８に示すような携帯情報端末や、図１９、図２０に示すような携帯電話の形態にも適用することができ、安価で消費電力の少ない、極めて携帯性に優れた装置を提供することができる。
【０１０２】
図１７の場合は、接眼光学系２２をフレネル反射鏡３０のような反射作用を有する光学素子３４で構成する例である。この場合、表示装置の本体４０上に、観察者側から見て、操作ボタン４１をリレー光学系２１より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン４１のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系２１は接眼光学系２２の手前に配置することにより、接眼光学系２２で反射された映像を無理なく観察することが可能となる。なお、図１７において、観察者眼球位置をＥで示し、この表示装置の射出瞳１の位置に観察者の両眼あるいは片眼Ｅを一致させることにより、表示映像を無理なく観察することができる。なお、反射型表示素子３（図１〜図１２）は、リレー光学系２１の本体４０側に配置されるが、図示を省く。
【０１０３】
さらに、図１８の場合、接眼光学系２２は、本体４０から開閉する機構にすることによって、携帯時はポケット等に収納することが可能となる。また、このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高い。
【０１０４】
さらに、開閉は観察者側を本体４０から持ち上げて開閉する方向にすることによって、接眼光学系２２の光学面が収納時に表面に露出することがなく、光学系の光学面に汚れ等が付着し難くなりより好ましい。
【０１０５】
また、図１８の場合は、接眼光学系２２を少なくともフレネルレンズのような透過作用を有する光学素子３５で構成するものである。この場合、表示装置の本体４０上に、観察者側から見て、操作ボタン４１を接眼光学系２２より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン４１のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系２１の手前に接眼光学系２２を配置することにより、無理なく映像を観察することが可能となる。
【０１０６】
また、図１８の場合は、接眼光学系２２をリレー光学系２１側に倒して収納するようにすることが好ましい。これにより、リレー光学系２１を保護するカバーの役目を接眼光学系２２表面で代用することが可能となる。
【０１０７】
さらに、図１７、図１８のどちらの使用形態においても、リレー光学系２１と接眼光学系２２の間に反射鏡３７（図１８）を配置し、光路を折り曲げることにより、リレー光学系２１から接眼光学系２２までの距離を短くすることが可能となる。さらに好ましくは、その反射鏡３７にパワーを持たせることにより、接眼光学系２２の持つパワーを分散することが可能となり、より大画面の映像を鮮明に表示することが可能となる。また、その反射鏡３７は接眼光学系２２の下に収納するようにすることにより、その光学素子が露出することが防げ、防塵性が向上する。
【０１０８】
図１９、図２０は携帯電話３８に接眼光学系２２をリレー光学系２１からなる表示装置を設けてその射出瞳１の位置でその表示映像を無理なく観察できるようにしたものであり、携帯電話３８には、操作者の声を情報として入力するマイク部５１と、通話相手の声を出力するスピーカ部５２と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ５３と、操作者が情報を入力する操作ボタン４１と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を投影表示する本発明の表示装置が設けられている。図１９は、図１７に対応する構成で、接眼光学系２２を携帯電話３８に対して開閉する機構を持っており、携帯時は折り畳んでポケット等に収納することが可能となる。また、図２０は、図１８に対応する構成であるが、接眼光学系２２は携帯電話３８の本体表面に固定され、その内部にリレー光学系２１と反射鏡３７が取り付けられており、折り畳まずにそのままポケット等に収納するものである。
【０１０９】
以上の本発明の表示光学系は例えば次のように構成することができる。
【０１１０】
〔１〕 映像を表示する反射型表示素子と、前記反射型表示素子を照明する照明光源と、前記照明光源の光を前記反射型表示素子まで導く照明光学系と、前記反射型表示素子に表示された映像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成され、前記リレー光学系による投影像が前記接眼光学系近傍に結像されることを特徴とする表示光学系。
【０１１１】
〔２〕 前記リレー光学系として、少なくとも１つの反射面を備え、その反射面が光束にパワーを与える曲面形状であって、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成された偏心プリズム光学系が用いられていることを特徴とする上記１記載の表示光学系。
【０１１２】
〔３〕 前記照明光学系は、前記リレー光学系の偏心プリズム光学系の光学面の中、少なくとも１つの光学面を共有することを特徴とする上記２記載の表示光学系。
【０１１３】
〔４〕 前記反射型表示素子から射出する軸上主光線の前記反射型表示素子の表示面の中心を通る法線からの傾き角度をθとするとき、次の条件式（１）を満足することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１４】
０°≦θ＜４５° ・・・（１）
〔５〕 前記偏心プリズム光学系は対称面を有することを特徴とする上記２から４の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１５】
〔６〕 前記偏心プリズム光学系は対称面を持たないことを特徴とする上記２から４の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１６】
〔７〕 前記照明光源からの照明光束中の前記反射型表示素子の表示面の中心に至る光線であって照明光束の中心光線を照明光光軸とし、前記偏心プリズム光学系の前記反射型表示素子から投影光線の通る順に数えて１番目の反射面に入射する照明光光軸が、その１番目の反射面において反射される投影光軸上主光線と前記表示面の中心とを通る平面に含まれないように、前記照明光源が配置されていることを特徴とする上記６記載の表示光学系。
【０１１７】
〔８〕 前記偏心プリズム光学系は、２つの反射面を備え、投影光線の入射面と第１反射面と第２反射面と投影光線の射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路と第２反射面と射出面とを結ぶ光路とが一方の光路を含む面に他方の光路を投影した場合にプリズム内で交差する偏心プリズムからなることを特徴とする上記２から７の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１８】
〔９〕 前記接眼光学系はフレネル面を有する光学素子で構成されていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、リレー光学系とそのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼に向けて映像観察が可能な小型で低消費電力の表示装置用の光学系において、画像表示素子として反射型画像表示素子を用いて明るく小型で高解像な画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の表示光学系の全体の断面図である。
【図２】図１の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図３】実施例１の表示光学系部分の投影光路図である。
【図４】本発明の実施例２の表示光学系の全体の投影光路図である。
【図５】図４の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図６】実施例２の表示光学系部分の投影光路図である。
【図７】本発明の実施例３の表示光学系の全体の断面図である。
【図８】図７の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図９】実施例３の表示光学系部分の投影光路図である。
【図１０】本発明の実施例４の表示光学系の全体の投影光路図である。
【図１１】図１０の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図１２】実施例４の表示光学系部分の投影光路図である。
【図１３】実施例１の横収差を示す図である。
【図１４】実施例２の横収差を示す図である。
【図１５】実施例３の横収差を示す図である。
【図１６】実施例４の横収差を示す図である。
【図１７】本発明の表示光学系を携帯情報端末に適用した場合の斜視図である。
【図１８】本発明の表示光学系を携帯情報端末に適用した別の場合の斜視図である。
【図１９】本発明の表示光学系を携帯電話に適用した場合の斜視図である。
【図２０】本発明の表示光学系を携帯電話に適用した別の場合の斜視図である。
【符号の説明】
１…射出瞳
２…投影光光軸
３…反射型表示素子
４…照明光光軸
５…照明光源
１０…偏心プリズム
１１…偏心プリズムの第１面
１２…偏心プリズムの第２面
１３…偏心プリズムの第３面
１４…偏心プリズムの第４面
１５…照明光導入透明体
１６…フレネル透過面
２０…表示光学系
２１…リレー光学系
２２…接眼光学系
３０…フレネル反射鏡
３１…フレネル反射鏡の屈折面
３２…フレネル反射鏡のフレネル反射面
３４…反射作用を有する光学素子
３５…透過作用を有する光学素子
３７…反射鏡
３８…携帯電話
４０…表示装置の本体
４１…操作ボタン
５１…マイク部
５２…スピーカ部
５３…アンテナ
Ｅ…観察者眼球位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示光学系に関し、特に、反射型表示素子を用いて小型で持ち運べて消費電力の小さい表示装置用の光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示装置としては、携帯電話や携帯端末として直視型の液晶表示装置が多く用いられていた。しかし、画素数の多い高精細な表示や動画像を表示するには、表示速度が速く高価なアクティブ・マトリックス液晶を使う必要があり、表示装置が高価になる問題があった。また、消費電力も大きく、長時間の表示を行うためには大きな容量を持った電池を必要とし、大きく重い電池を必要とした。さらに、表示内容を周りの人から覗かれる心配があった。
【０００３】
一方、小型の表示素子を用いて光学系により拡大表示するのもとして、特開昭４８−１０２５２７号のものや、本出願人よる特開平５−３０３０５４号のものがある。これらは、表示装置を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものである。特に、後者は、非回転対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るものである。しかし、表示素子に必要とされる大きさが比較的大きいものが必要であり、直視型の表示装置に比べて特に小型の表示素子が使える訳ではなく、当初の目的を達成することはできない。
【０００４】
次に、本出願人による特開平５−３０３０５５号、特開２０００−２２１４４０に示される投影光学系により、表示素子の映像を空中に１回投影し、その像を凹面鏡によりさらに拡大表示する方法が提案されている。装置としては、特開平７−２７０７８１号、特開平９−１３９９０１号のものがある。
【０００５】
さらに、本出願人は、特願２００１−６６６６９において、表示素子に表示された映像又はその中間像を偏心プリズム光学系からなるリレー光学系により投影し、そのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼球に向けて収束する小型で低消費電力の表示装置を提案している。この表示装置は、リレー光学系で投影像を接眼光学系近傍に投影し、リレー光学系の射出瞳を観察者眼球に投影するものである。
【０００６】
ところで、反射型の液晶表示素子は、透過型液晶表示素子において配線や電極等の駆動回路を表示面内に配置していたものを、背面に配置させることができるため、開口率が高い。そのため、映像が明るく、高密度化が容易であり、高画素な表示装置を提供することができている。また、反射型の表示素子として、ＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）があり、さらに明るい表示装置も提供されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特願２００１−６６６６９で提案されている、リレー光学系で投影像を接眼光学系近傍に投影し、リレー光学系の射出瞳を観察者眼球に投影する表示装置においては、表示素子として透過型表示素子を使用しているため、別に照明光学系を必要とし、必ずも十分に小型化できているとは言い難い。
【０００８】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたもので、その目的は、リレー光学系とそのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼に向けて映像観察が可能な小型で低消費電力の表示装置用の光学系において、画像表示素子として反射型画像表示素子を用いて明るく小型で高解像な画像を表示できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の表示光学系は、映像を表示する反射型表示素子と、前記反射型表示素子を照明する照明光源と、前記照明光源の光を前記反射型表示素子まで導く照明光学系と、前記反射型表示素子に表示された映像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成され、前記リレー光学系による投影像が前記接眼光学系近傍に結像されることを特徴とするものである。
【００１０】
以下、本発明において上記構成を採用する理由と作用について説明する。
【００１１】
小型の表示素子は生産性が良いことから、安価に高画素のものを入手することが可能である。できれば表示画像の対角の長さが１インチ以下の表示素子を用いることが望ましく、さらに好ましくは、０．５インチ以下の表示素子を使うことが、安価な表示装置を構成する場合に有利となる。
【００１２】
このように小型の表示素子を用いる場合には、虫眼鏡のような光学系で拡大するだけでは拡大倍率が不足であり、十分な大きさの映像として観察することはできなかった。そこで、リレー光学系で表示素子の映像を一度拡大投影し、リレー光学系で投影された像をさらに接眼光学系で拡大すると同時に、リレー光学系からの光束を観察者眼球に収束する作用を有する接眼光学系により構成することが重要である。
【００１３】
この場合に、表示素子に表示された映像を接眼光学系近傍に拡大投影するようにすることにより、小型で高性能な表示光学系を構成することが可能となる。
【００１４】
そして、表示素子として反射型表示素子を用いることにより、透過型表示素子において配線や電極等の駆動回路を表示面内に配置していたものを、背面に配置させることができるため、１画素当たりの開口率が大きくなる。そのため、映像が明るく、また、高密度化が容易であり、高画素な表示装置を提供することができる。
【００１５】
さらに、照明光源を面順次発光させ、反射型表示素子の映像と同期させることによりより高画素な映像を提供することができる。
【００１６】
この場合に、リレー光学系として、少なくとも１つの反射面を備え、その反射面が光束にパワーを与える曲面形状であって、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成された偏心プリズム光学系が用いられていることが望ましい。
【００１７】
ミラーやプリズム等のような反射光学素子は、その反射面にパワーを持たせても原理的に色収差の発生はなく、色収差を補正する目的だけのために別の光学素子を付加する必要はない。そのため、反射光学素子を用いた光学系は、屈折光学素子を用いた光学系に比べて、色収差補正の観点から光学素子の構成枚数の削減が可能である。
【００１８】
同時に、反射光学素子を用いた反射光学系は、光路を折り畳むことになるために、屈折光学系に比べて光学系自身を小さくすることが可能である。
【００１９】
また、反射面は屈折面に比して偏心誤差感度が高いため、組み立て調整に高い精度を要求される。しかし、反射光学素子の中でも、プリズムはそれぞれの面の相対的な位置関係が固定されているので、プリズム単体として偏心を制御すればよく、必要以上の組み立て精度、調整工数が不要である。
【００２０】
さらに、プリズムは、屈折面である入射面と射出面、それと反射面を有しており、反射面しか持たないミラーに比べて、収差補正の自由度が大きい。特に、反射面に所望のパワーの大部分を分担させ、屈折面である入射面と射出面のパワーを小さくすることで、ミラーに比べて収差補正の自由度を大きく保ったまま、レンズ等のような屈折光学素子に比べて、色収差の発生を非常に小さくすることが可能である。また、プリズム内部は空気よりも屈折率の高い透明体で満たされているために、空気に比べ光路長を長くとることができ、空気中に配置されるレンズやミラー等よりは、光学系の薄型化、小型化が可能である。
【００２１】
また、表示光学系は、中心性能はもちろんのこと周辺まで良好な結像性能を要求される。一般の共軸光学系の場合、軸外光線の光線高の符号は絞りの前後で反転するため、光学素子の絞りに対する対称性が崩れることにより軸外収差は悪化する。そのため、絞りを挟んで屈折面を配置することで絞りに対する対称性を十分満足させ、軸外収差の補正を行っているのが一般的である。
【００２２】
本発明では、表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、少なくとも１つの反射面が、光束にパワーを与える曲面形状を有し、その曲面形状が偏心によって発生する収差を補正する回転非対称な面形状にて構成されているプリズム部材を用いて、偏心収差を補正することにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することを可能にしている。
【００２３】
なお、回転非対称な曲面形状としては、限定的でないが、自由曲面を用いることが望ましい。自由曲面は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００２４】
本発明は、以上の理由から、プリズム部材を用いた偏心プリズム光学系をリレー光学系として用い、表示素子に表示された映像を接眼光学系近傍に拡大投影するようにすることにより、小型で高性能なリレー光学系を構成することが可能となる。
【００２５】
この場合、そのリレー光学系によって投影される１次像を結像する光束は、リレー光学系から発散しながら１次像を形成する。接眼光学系は、この発散する光束を効率良く観察者の眼に収束させる収束作用を有することが必要である。接眼光学系にこの収束作用がない場合には、１次像を形成する光束は発散しながら観察者に届くために、眼球に入射して映像として認識される光束は、表示素子を射出した光線の中で極一部の光束となってしまい、非常に暗い像しか観察できなくなってしまう。
【００２６】
以上の構成により、反射型表示素子を射出し、リレー光学系を通過した光束は有効に観察者眼球に集まるようになり、照明効率の良い表示が得られると同時に、電車の中等でも隣りの人に表示内容を覗かれる心配がないものとなる。
【００２７】
このような構成の場合、照明光源の光を反射型表示素子まで導く照明光学系は、リレー光学系の偏心プリズム光学系の光学面の中の少なくとも１つの光学面を共有することが望ましい。
【００２８】
リレー光学系の偏心プリズム光学系を構成する光学面の中、少なくとも１つの光学面を照明光学系と共有することにより、部品点数を減らすことができ、各々の光路も同一領域を重複して利用できることから、表示光学系を小型化できて望ましい。
【００２９】
また、反射型表示素子から射出する軸上主光線のその反射型表示素子の表示面の中心を通る法線からの傾き角度をθとするとき、次の条件式（１）を満足することが望ましい。
【００３０】
０°≦θ＜４５° ・・・（１）
この角度がその条件式（１）の上限の４５°を越えて大きくなるときは、反射型表示素子の有効視野角を越えるため、輝度やコントラストの反転等が原因で正常な像が得られなくなる。
【００３１】
さらに好ましくは、
０°≦θ＜３０° ・・・（１−１）
を満たすことが望ましく、さらには、
０°≦θ＜２０° ・・・（１−２）
を満たすことがより望ましい。
【００３２】
なお、後記の実施例１においては、θ＝１２．６°、実施例２においては、θ＝１３．４°、実施例３においては、θ＝２．３°、実施例４においては、θ＝５．４°である。
【００３３】
また、リレー光学系の偏心プリズム光学系が対称面を有する場合には、プリズム加工、各々の部材の位置合わせ等、製作組立上単純になり好ましい。
【００３４】
また、その偏心プリズム光学系は対称面を持たないものでもよい。この場合は、特に、偏心プリズム光学系への照明光の入射方向を自由に設定することができるようになるため、表示光学系をより小型化できると共に、収差補正上有利になる。
【００３５】
その場合に、照明光源からの照明光束中の反射型表示素子の表示面の中心に至る光線であって照明光束の中心光線を照明光光軸とし、偏心プリズム光学系の反射型表示素子から投影光線の通る順に数えて１番目の反射面に入射する照明光光軸が、その１番目の反射面において反射される投影光軸上主光線と表示面の中心とを通る平面に含まれないように、照明光源を配置することが望ましい。
【００３６】
このような照明光光軸の意味は、リレー光学系として構成される偏心プリズム光学系は、特別な偏心構成の場合を除き、その反射面の偏心方向は、その反射面において反射される投影光軸上主光線と表示面中心とを通る平面の方向になる。この面内にその反射面に入射する照明光光軸が存在すると、その反射面の偏心方向の有効面は、照明光路用と投影光路用に大きくしなければならなくなり、偏心プリズム光学系が大型化するか、あるいは、光束の一部がケラレることになってしまい、明るく均一な投影が困難になる。
【００３７】
これに対して、その１番目の反射面に入射する照明光光軸が、その反射面において反射される投影光軸上主光線と表示面の中心とを通る平面に含まれないようにすると、その反射面において照明光路用と投影光路用に大きくしなければならない有効面方向は、一般に偏心方向と交差する方向となるため、偏心プリズム光学系の大型化には繋がらない。
【００３８】
また、このような配置により、偏心プリズム光学系に照明光束が入射する屈折面と、その屈折面近傍で投影光束が反射する反射面とが共有面である場合に、その共有面内で分離することができ、反射面をハーフミラーで構成する必要がなくなり、明るい表示が可能になる。
【００３９】
次に、接眼光学系については、フレネル面を有する光学素子で構成することが薄型・軽量化できて好ましい。そのフレネル面は反射面であっても透過面であってもよい。フレネル面が反射面である光学素子はフレネル反射鏡、フレネル面が透過面である光学素子はフレネルレンズである。
【００４０】
そして、そのフレネル面が回転対称な面からなると、作製が容易である。また、フレネル面が自由曲面からなる場合には、偏心によるディストーション等が補正でき望ましい。
【００４１】
また、リレー光学系の偏心プリズム光学系において、投影光路の反射作用と照明光路の透過作用を兼ねる共有面には、例えば、ハーフミラー、偏光ビームスプリッターを用いることができる。
【００４２】
また、その投影光路の反射作用と照明光路の透過作用を兼ねる共有面において、その反射作用に全反射作用を利用するように構成すると、照明光、投影光のロスを少なくできて望ましい。
【００４３】
また、その投影光路の反射作用と照明光路の透過作用を兼ねる共有面において、照明光束の有効径と投影光束の有効径が重ならないように配置すれば、その共有面において反射領域と透過領域を分離することで、照明光、投影光のロスを少なくできて望ましい。
【００４４】
さらに、表示光学系の射出瞳と光学的に共役な位置近傍に照明光源を配置すると、表示光学系の射出瞳位置に照明光源の像が生じるため、ケーラー照明となり、一様な明るさの像が観察できて好ましい。
【００４５】
さらに、リレー光学系の瞳位置が偏心プリズム光学系の内部にあれば、反射面の有効径が小さくなり、そこでの偏心収差発生量が小さくなることから、光学性能上好ましい。
【００４６】
なお、本発明において、リレー光学系に用いる偏心プリズム光学系としては、本発明者等がすでに提案している内面反射回数が１回以上の種々の偏心プリズム単体あるいは複数からなる偏心プリズム光学系を用いることができる。その中、代表的なものを例示すると、後記の実施例１〜４の偏心プリズムのように、２つの反射面を備え、投影光線の入射面と第１反射面と第２反射面と投影光線の射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差する（対称面を持たない偏心プリズムの場合は、一方の光路を他方の光路を含む面に投影した場合にプリズム内で両光路が交差する）ようになっているものを用いることができる。
【００４７】
このような形状の偏心プリズムは、収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００４８】
【発明の実施形態】
以下、本発明の表示光学系の実施例に基づいて説明する。
【００４９】
まず、以下の実施例の座標の取り方は、図１〜図３に示すように、表示光学系２０の射出瞳１（観察者瞳）位置から反射型表示素子３を経て照明光源５に向う逆光線追跡で、投影光光軸２を、表示光学系２０の射出瞳１の中心を垂直に通り、反射型表示素子３の中心に至る光線で定義する。また、照明光光軸４を、同様に逆光線追跡で、反射型表示素子３の中心から照明光源５の中心に至る光線で定義する。
【００５０】
そして、逆光線追跡において、射出瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、その原点から表示光学系２０の射出瞳１に面した最終面（図１〜図３では接眼光学系２２の射出面３１）に投影光光軸２が向かう方向をＺ軸正方向とし、図１の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、図１の紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００５１】
実施例１
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。
【００５２】
図１は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面に沿った断面図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図２は図１の表示光学系２０部分の部分拡大図、図３は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００５３】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０がＹ−Ｚ面を対称面として有する形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第３面１３の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とはプリズム内で交差する構成になっている。
【００５４】
そして偏心プリズム１０の第３面１３の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００５５】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第３面１３の反射層を設けていない部分を経て偏心プリズム１０内に入り、第１反射面１２で反射され、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００５６】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２も照明光学系とリレー光学系の反射面として共有しており、第３面１３は、照明光の透過領域と投影光の反射領域とを偏心プリズム１０の対称面（Ｙ−Ｚ面）方向で分離させることで透過面と反射面を兼ねた共有面となっている。
【００５７】
そして、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、対称面のＹ−Ｚ面内に存在している。
【００５８】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００５９】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００６０】
実施例２
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。この実施例は、実施例１における偏心プリズム１０の対称面に垂直な方向にも偏心を与えること、すなわち、３次元的に偏心を与えることにより、偏心プリズム１０の第３面１３における照明光の光束有効径と投影光の光束有効径とを対称面に垂直な方向に分離させることで、第３面１３を透過面と反射面を兼ねた共有面としている例である。
【００６１】
図４は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図５は図４の表示光学系２０部分の部分拡大図、図６は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００６２】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０は対称面を持たない形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第３面１３の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とは一方の光軸を含む面に他方の光軸を投影した場合にプリズム内で交差する構成になっている。
【００６３】
そして偏心プリズム１０の第３面１３の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００６４】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第３面１３の反射層を設けていない部分を経て偏心プリズム１０内に入り、第１反射面１２で反射され、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００６５】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２も照明光学系とリレー光学系の反射面として共有しており、第３面１３は、照明光の透過領域と投影光の反射領域とを偏心プリズム１０のＹ−Ｚ面と垂直な方向で分離させることで透過面と反射面を兼ねた共有面となっている。
【００６６】
この実施例では、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、同一面内には存在していない。
【００６７】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００６８】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００６９】
実施例３
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。この実施例は、実施例１における偏心プリズム１０の第２面１２をリレー光学系の反射面と照明光学系の透過面として共有している例であり、この面をハーフミラー又は偏光ビームスプリッターとするものである。
【００７０】
図７は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面に沿った断面図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図８は図７の表示光学系２０部分の部分拡大図、図９は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００７１】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０がＹ−Ｚ面を対称面として有する形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第２面１２の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とはプリズム内で交差する構成になっている。
【００７２】
そして偏心プリズム１０の第２面１２の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００７３】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第２面１２の例えばハーフミラーを設けた部分を経て偏心プリズム１０内に入り、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００７４】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２は照明光学系の透過面としまたリレー光学系の反射面として共有している。
【００７５】
そして、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、対称面のＹ−Ｚ面内に存在している。
【００７６】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００７７】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００７８】
実施例４
この実施例は、観察画角水平２０°、垂直１５°、射出瞳径φ１０ｍｍ、観察者眼球位置に当たる射出瞳１からリレー光学系２１により結像された映像までの距離が４０ｃｍ、横縦３．９×２．９ｍｍの反射型表示素子３を使用するものである。この実施例は、実施例１における偏心プリズム１０の対称面に垂直な方向にも偏心を与えること、すなわち、３次元的に偏心を与えることにより、偏心プリズム１０の第４面１４における照明光の光束有効径と投影光の光束有効径とを対称面に垂直な方向に分離させることで、第４面１４を透過面として共有させている例である。
【００７９】
図１０は、この実施例の射出瞳１から表示光学系２０に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図（ただし、照明光源５からリレー光学系２１の偏心プリズム１０に至る照明光路は省いてある。）、図１１は図１０の表示光学系２０部分の部分拡大図、図１２は表示光学系２０部分のＸ−Ｚ面への投影光路図である。
【００８０】
この実施例の表示光学系２０は、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０は対称面を持たない形態の実施例であり、射出瞳１側から逆光線追跡の順に、接眼光学系２２を構成するフレネル反射鏡３０、リレー光学系２１を構成する偏心プリズム１０、偏心プリズム１０の第１面１１に面して配置された反射型表示素子３、偏心プリズム１０の第４面１４の一部に接着された照明光導入透明体１５、照明光導入透明体１５に面して配置された照明光源５からなっており、フレネル反射鏡３０は、射出瞳１側の屈折面３１が自由曲面からなり、裏面３２のフレネル反射面は回転対称非球面からなるものである。偏心プリズム１０は、反射型表示素子３に面した入射面の第１面１１、第１面１１からプリズム内に入射した表示光を反射させる第１反射面の第２面１２、第２面１２で反射した表示光を反射させる第２反射面の第３面１３、第３面１３で反射した表示光をプリズム外に射出させる射出面の第４面１４の４面からなり、第１面１１から第２面１２へ向かう投影光光軸２と、第３面１３から第４面１４へ向かう投影光光軸２とは一方の光軸を含む面に他方の光軸を投影した場合にプリズム内で交差する構成になっている。
【００８１】
そして偏心プリズム１０の第４面１４の一部には照明光導入透明体１５が接着一体化されており、照明光導入透明体１５の照明光源５に面する面１６は球面からなるフレネル透過面になっている。
【００８２】
このような配置において、照明光源５から出た照明光は、照明光導入透明体１５のフレネル透過面１６を経て照明光導入透明体１５を通り、偏心プリズム１０の第４面１４の一部を経て偏心プリズム１０内に入り、第２反射面１３、第１反射面１２の順で反射され、第１面１１からプリズム外に出て反射型表示素子３を照明する。反射型表示素子３の表示状態に応じて変調された反射型表示素子３からの正反射光は、偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入り、第２面１２、第３面１３で順に反射され、第４面１４から出て、その偏心プリズム１０の正パワーにより、フレネル反射鏡３０のフレネル反射面３２近傍に反射型表示素子３の表示像を結像する。そして、接眼光学系２２のフレネル反射鏡３０の正パワーにより偏心プリズム１０の射出瞳の像を射出瞳１に結像する。偏心プリズム１０の射出瞳は照明光源５と共役になるように、その間の光学系のパワーが設定されているので、射出瞳１と照明光源５の間も共役関係になっている。したがって、照明光源５から出て反射型表示素子３で変調を受けた光は全て射出瞳１に収束されるので、少ない消費電力でも明るい映像が観察可能となる。
【００８３】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１は照明光学系とリレー光学系の透過面として共有しており、第２面１２、第２面１３も照明光学系とリレー光学系の反射面として共有しており、第４面１４は、照明光の透過領域と投影光の透過領域とを偏心プリズム１０のＹ−Ｚ面と垂直な方向で分離させることで透過面として共有している。
【００８４】
この実施例では、照明光源５から反射型表示素子３に至る照明光光軸４と、反射型表示素子３から射出瞳１に至る投影光光軸２とは、同一面内には存在していない。
【００８５】
そして、本実施例の偏心プリズム１０の各面１１〜１４は何れも偏心した自由曲面からなっている。
【００８６】
この実施例の表示光学系２０の構成パラメータは後記する。
【００８７】
次に、上記実施例１〜４の表示光学系２０の構成パラメータを示す。各実施例の構成パラメータにおいては、図１〜図３に示すように、表示光学系２０の射出瞳１（観察者瞳）位置から反射型表示素子３を経て照明光源５に向う逆光線追跡で、投影光光軸２を、表示光学系２０の射出瞳１の中心を垂直に通り、反射型表示素子３の中心に至る光線で定義する。また、照明光光軸４を、同様に逆光線追跡で、反射型表示素子３の中心から照明光源５の中心に至る光線で定義する。
【００８８】
そして、逆光線追跡において、射出瞳１の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点として、その原点から表示光学系２０の射出瞳１に面した最終面（図１〜図３では接眼光学系２２の射出面３１）に投影光光軸２が向かう方向をＺ軸正方向とし、図１の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、図１の紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００８９】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、後記の引用文献の（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００９０】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００９１】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００９２】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００９３】
【００９４】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００９５】
以下に上記各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＦＲ”はフレネル面をそれぞれ示す。なお、物体面はリレー光学系２１の投影像面、像面は反射型表示素子３の表示面である。
【００９６】
上記実施例１〜４の横収差をそれぞれ図１３〜図１６に示す。これらの横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【０１０１】
ところで、実施例１〜４に例示したような表示光学系を用いる表示装置は、例えば、図１７、図１８に示すような携帯情報端末や、図１９、図２０に示すような携帯電話の形態にも適用することができ、安価で消費電力の少ない、極めて携帯性に優れた装置を提供することができる。
【０１０２】
図１７の場合は、接眼光学系２２をフレネル反射鏡３０のような反射作用を有する光学素子３４で構成する例である。この場合、表示装置の本体４０上に、観察者側から見て、操作ボタン４１をリレー光学系２１より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン４１のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系２１は接眼光学系２２の手前に配置することにより、接眼光学系２２で反射された映像を無理なく観察することが可能となる。なお、図１７において、観察者眼球位置をＥで示し、この表示装置の射出瞳１の位置に観察者の両眼あるいは片眼Ｅを一致させることにより、表示映像を無理なく観察することができる。なお、反射型表示素子３（図１〜図１２）は、リレー光学系２１の本体４０側に配置されるが、図示を省く。
【０１０３】
さらに、図１８の場合、接眼光学系２２は、本体４０から開閉する機構にすることによって、携帯時はポケット等に収納することが可能となる。また、このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高い。
【０１０４】
さらに、開閉は観察者側を本体４０から持ち上げて開閉する方向にすることによって、接眼光学系２２の光学面が収納時に表面に露出することがなく、光学系の光学面に汚れ等が付着し難くなりより好ましい。
【０１０５】
また、図１８の場合は、接眼光学系２２を少なくともフレネルレンズのような透過作用を有する光学素子３５で構成するものである。この場合、表示装置の本体４０上に、観察者側から見て、操作ボタン４１を接眼光学系２２より手前に配置することが望ましい。この配置により、操作ボタン４１のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。また、リレー光学系２１の手前に接眼光学系２２を配置することにより、無理なく映像を観察することが可能となる。
【０１０６】
また、図１８の場合は、接眼光学系２２をリレー光学系２１側に倒して収納するようにすることが好ましい。これにより、リレー光学系２１を保護するカバーの役目を接眼光学系２２表面で代用することが可能となる。
【０１０７】
さらに、図１７、図１８のどちらの使用形態においても、リレー光学系２１と接眼光学系２２の間に反射鏡３７（図１８）を配置し、光路を折り曲げることにより、リレー光学系２１から接眼光学系２２までの距離を短くすることが可能となる。さらに好ましくは、その反射鏡３７にパワーを持たせることにより、接眼光学系２２の持つパワーを分散することが可能となり、より大画面の映像を鮮明に表示することが可能となる。また、その反射鏡３７は接眼光学系２２の下に収納するようにすることにより、その光学素子が露出することが防げ、防塵性が向上する。
【０１０８】
図１９、図２０は携帯電話３８に接眼光学系２２をリレー光学系２１からなる表示装置を設けてその射出瞳１の位置でその表示映像を無理なく観察できるようにしたものであり、携帯電話３８には、操作者の声を情報として入力するマイク部５１と、通話相手の声を出力するスピーカ部５２と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ５３と、操作者が情報を入力する操作ボタン４１と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を投影表示する本発明の表示装置が設けられている。図１９は、図１７に対応する構成で、接眼光学系２２を携帯電話３８に対して開閉する機構を持っており、携帯時は折り畳んでポケット等に収納することが可能となる。また、図２０は、図１８に対応する構成であるが、接眼光学系２２は携帯電話３８の本体表面に固定され、その内部にリレー光学系２１と反射鏡３７が取り付けられており、折り畳まずにそのままポケット等に収納するものである。
【０１０９】
以上の本発明の表示光学系は例えば次のように構成することができる。
【０１１０】
〔１〕 映像を表示する反射型表示素子と、前記反射型表示素子を照明する照明光源と、前記照明光源の光を前記反射型表示素子まで導く照明光学系と、前記反射型表示素子に表示された映像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成され、前記リレー光学系による投影像が前記接眼光学系近傍に結像されることを特徴とする表示光学系。
【０１１１】
〔２〕 前記リレー光学系として、少なくとも１つの反射面を備え、その反射面が光束にパワーを与える曲面形状であって、偏心収差補正機能を有した回転非対称な曲面反射面にて構成された偏心プリズム光学系が用いられていることを特徴とする上記１記載の表示光学系。
【０１１２】
〔３〕 前記照明光学系は、前記リレー光学系の偏心プリズム光学系の光学面の中、少なくとも１つの光学面を共有することを特徴とする上記２記載の表示光学系。
【０１１３】
〔４〕 前記反射型表示素子から射出する軸上主光線の前記反射型表示素子の表示面の中心を通る法線からの傾き角度をθとするとき、次の条件式（１）を満足することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１４】
０°≦θ＜４５° ・・・（１）
〔５〕 前記偏心プリズム光学系は対称面を有することを特徴とする上記２から４の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１５】
〔６〕 前記偏心プリズム光学系は対称面を持たないことを特徴とする上記２から４の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１６】
〔７〕 前記照明光源からの照明光束中の前記反射型表示素子の表示面の中心に至る光線であって照明光束の中心光線を照明光光軸とし、前記偏心プリズム光学系の前記反射型表示素子から投影光線の通る順に数えて１番目の反射面に入射する照明光光軸が、その１番目の反射面において反射される投影光軸上主光線と前記表示面の中心とを通る平面に含まれないように、前記照明光源が配置されていることを特徴とする上記６記載の表示光学系。
【０１１７】
〔８〕 前記偏心プリズム光学系は、２つの反射面を備え、投影光線の入射面と第１反射面と第２反射面と投影光線の射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路と第２反射面と射出面とを結ぶ光路とが一方の光路を含む面に他方の光路を投影した場合にプリズム内で交差する偏心プリズムからなることを特徴とする上記２から７の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１８】
〔９〕 前記接眼光学系はフレネル面を有する光学素子で構成されていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の表示光学系。
【０１１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、リレー光学系とそのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼に向けて映像観察が可能な小型で低消費電力の表示装置用の光学系において、画像表示素子として反射型画像表示素子を用いて明るく小型で高解像な画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の表示光学系の全体の断面図である。
【図２】図１の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図３】実施例１の表示光学系部分の投影光路図である。
【図４】本発明の実施例２の表示光学系の全体の投影光路図である。
【図５】図４の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図６】実施例２の表示光学系部分の投影光路図である。
【図７】本発明の実施例３の表示光学系の全体の断面図である。
【図８】図７の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図９】実施例３の表示光学系部分の投影光路図である。
【図１０】本発明の実施例４の表示光学系の全体の投影光路図である。
【図１１】図１０の表示光学系部分の部分拡大図である。
【図１２】実施例４の表示光学系部分の投影光路図である。
【図１３】実施例１の横収差を示す図である。
【図１４】実施例２の横収差を示す図である。
【図１５】実施例３の横収差を示す図である。
【図１６】実施例４の横収差を示す図である。
【図１７】本発明の表示光学系を携帯情報端末に適用した場合の斜視図である。
【図１８】本発明の表示光学系を携帯情報端末に適用した別の場合の斜視図である。
【図１９】本発明の表示光学系を携帯電話に適用した場合の斜視図である。
【図２０】本発明の表示光学系を携帯電話に適用した別の場合の斜視図である。
【符号の説明】
１…射出瞳
２…投影光光軸
３…反射型表示素子
４…照明光光軸
５…照明光源
１０…偏心プリズム
１１…偏心プリズムの第１面
１２…偏心プリズムの第２面
１３…偏心プリズムの第３面
１４…偏心プリズムの第４面
１５…照明光導入透明体
１６…フレネル透過面
２０…表示光学系
２１…リレー光学系
２２…接眼光学系
３０…フレネル反射鏡
３１…フレネル反射鏡の屈折面
３２…フレネル反射鏡のフレネル反射面
３４…反射作用を有する光学素子
３５…透過作用を有する光学素子
３７…反射鏡
３８…携帯電話
４０…表示装置の本体
４１…操作ボタン
５１…マイク部
５２…スピーカ部
５３…アンテナ
Ｅ…観察者眼球位置
Claims (10)
- 映像を表示する反射型表示素子と、前記反射型表示素子を照明する照明光源と、前記照明光源の光を前記反射型表示素子まで導く照明光学系と、前記反射型表示素子に表示された映像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を観察者の眼球に向けて収束する収束作用を有する接眼光学系とから構成された表示光学系において、
前記リレー光学系による投影像が前記接眼光学系近傍に結像され、
前記リレー光学系として、複数の光学面からなる偏心プリズム光学系が用いられ、
前記偏心プリズム光学系は、前記光学面として少なくとも１つの反射面を備え、
その反射面が回転非対称な曲面形状であり、
逆光線追跡において、前記表示光学系の射出瞳中心を垂直に通り、前記反射型表示素子の表示面中心に到る光線を投影光光軸、前記反射型表示素子の表示面中心から前記照明光源の中心に到る光線を照明光光軸としたとき、
前記偏心プリズム光学系内における前記投影光光軸と前記照明光光軸が同一面内に存在しないように、前記反射型表示素子と前記照明光源が配置されていることを特徴とする表示光学系。 - 前記照明光学系は、前記複数の光学面のうち、少なくとも１つの光学面を共有することを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
- 前記反射型表示素子から射出する軸上主光線の前記反射型表示素子の表示面の中心を通る法線からの傾き角度をθとするとき、次の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の表示光学系。
０°≦θ＜４５° ・・・（１） - 前記偏心プリズム光学系は、前記複数の光学面として、第１透過面、第２透過面、第１反射面及び第２反射面を有し、
前記第１透過面は、前記反射型表示素子から光が入射する位置に設けられ、
前記第２透過面は、前記第１透過面から入射した光を、前記接眼光学系に向けて射出する位置に設けられ、
前記第１反射面は、前記第１透過面から入射した光が入射する位置であって、入射した光を前記第２反射面に向けて反射する位置に設けられ、
前記第２反射面は、前記第１反射面から反射した光が入射する位置であって、入射した光を前記第２透過面に向けて反射する位置に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の表示光学系。 - 前記第１透過面と前記第１反射面とを結ぶ光路を第１の光路、前記第２反射面と前記第２透過面とを結ぶ光路を第２の光路としたとき、
一方の光路を含む面に他方の光路を投影した場合に、前記第１の光路と前記第２の光路がプリズム内で交差するように、前記第１透過面、前記第２透過面、前記第１反射面及び前記第２反射面が設けられていることを特徴とする請求項４記載の表示光学系。 - 前記第２透過面、前記第１反射面及び前記第２反射面の何れか１面に向かって、前記照明光源が配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の表示光学系。
- 前記何れか１面において、前記照明光源からの光の少なくとも一部が前記反射型表示素子からの光と異なる場所を通過するように、前記照明光源が配置されていることを特徴とする請求項６記載の表示光学系。
- 前記何れか１面と前記照明光源の間に、プリズムが配置されていることを特徴とする請求項６又は７記載の表示光学系。
- 請求項１から８の何れか１項記載の表示光学系と、
操作ボタンと、
前記表示光学系と前記操作ボタンを保持する本体部とを備え、
前記操作ボタン、前記リレー光学系及び前記接眼光学系が、前記本体部の一端から他端に向かってこの順番で配置されていることを特徴とする携帯端末装置。 - 請求項１から８の何れか１項記載の表示光学系と、
操作ボタンと、
反射鏡と、
前記表示光学系、前記操作ボタン及び前記反射鏡を保持する本体部とを備え、
前記操作ボタン、前記接眼光学系、及び前記リレー光学系及び前記反射鏡が、前記本体部の一端から他端に向かってこの順番で配置されていることを特徴とする携帯端末装置。
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