JP4846931B2 - Binocular image display device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両眼画像表示装置に関し、特に、画像表示素子に表示された左右の眼用の画像あるいは左右の眼用の空中像を左右の眼に導いて立体像等の観察が可能な画像表示装置であって、持ち歩ける小型の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、１つの表示素子に表示された画像を観察者両眼に導く光学系素子として、特開平９−１８１９９９号のものが知られている。この分割素子は、１つのプリズムを使って異なる方向に進む２つの光路に分割するものである。
【０００３】
しかしながら、この分割素子を用いる画像表示装置においては、画像表示素子を小さくすると、アイリリーフを確保しながら光学系の焦点距離を短くする必要があるため、広画角の観察系を構成することは難しい。
【０００４】
また、特開平９−０６１７４８号のようにハーフミラーを用いて光路を分割す画像表示素子も提案されている。
【０００５】
さらに、特開昭５１−２４１１６号、特開昭５１−５８３５５号では、左右一対の表示素子に表示された左右の眼用の画像を左右の凹面鏡と両眼共通の凹面鏡を経て観察者両眼に導いて立体像を観察可能にする画像表示装置が提案されている。
【０００６】
また、特開昭５８−５８５１７号では、ＣＲＴに表示された画像を投影レンズと回転楕円鏡とを経て透過型スクリーンに投影する画像投写装置が提案されている。
【０００７】
また、特開昭６０−１３８５０９号では、１つの表示素子に表示された画像をマイクロプリズムアレイによって異なる方向に進む２つの光路に分割し観察者両眼に導くようにした両眼画像表示装置が提案されている。
【０００８】
また、特開昭６０−２５６１１７号では、単一対物レンズでスクリーン上に投影された物体像を左右の双眼接眼レンズで観察可能にする双眼投影観察装置が提案されている。
【０００９】
また、特開平１−１１８８１４号では、左右一対の表示素子に表示された左右の眼用の画像を、左右の平面鏡と両眼共通の凹面鏡を経て凹面鏡と観察者両眼の間の空間の同じ位置に重ねて結像させ、その左右の像を両眼で立体像として観察可能にする画像表示装置が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の異なる方向に進む２つの光路に分割するものでは、光路分割素子が大型になってしまい、画像表示装置を構成した場合に大きくて重い装置になってしまう。また、上記のハーフミラーを用いて光路を分割する方法は、光量がそれぞれの光路で半分になってしまい、暗い観察像を観察せざるを得ない問題がある。
【００１１】
本発明は従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、両眼で立体像等が観察可能で、小型なで部品点数の少なく携帯可能な両眼画像表示装置を提供することである。
【００１２】
【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両眼画像表示装置は、画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれ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に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するものからなり、前記空中像は同一面に重ねて結像された両眼視差のある空中像からなり、
前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された画像又は前記空中像を物点としてその物点から発する光束を２つの光路に分割すると共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成する光学系からなり、
前記接眼光学系は、前記リレー光学系で分割された２つの光路を観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導くと共に、前記リレー光学系によって形成された左右の射出瞳を観察者両眼に対応する左右の射出瞳位置に投影する少なくとも正のパワーを有することを特徴とするものである。
【００１３】
以下、本発明において上記構成をとる理由と作用について説明する。
【００１４】
両眼で観察するためには、両眼に光線が入射するような広い射出瞳径を確保するように光学系を構成することが必要であるが、装置を小型にするためには小型の画像表示素子を用いて光学系で拡大表示することが好ましい。しかし、光学系を用いると、光学系の射出瞳径は通常小さく、両眼での観察はできない。
【００１５】
そこで、本発明では、まず、画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれを投影するリレー光学系と、そのリレー光学系からの光束を観察者の眼に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有する画像表示装置において、画像表示素子として両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するものとし、また、空中像としては同一面に重ねて結像された両眼視差のある空中像とする。そして、リレー光学系としては、そのような画像表示素子に表示された画像又は空中像を物点として、その物点から発する光束を２つの光路に分割すると共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成する光学系を用いる。
【００１６】
小型投影型の画像表示装置では、表示画面が小さいことから、両眼で観察できる単一の広い射出瞳を持つリレー光学系を用いると、リレー光学系が大きく重くなってしまい、小型の画像表示装置を構成することができない。
【００１７】
本発明では、観察者の左右眼球に対応する２つの光束を共通の単一の画像表示素子から取り出すことのできる光学系により、両眼観察が可能でも、消費電力の少ない光学系を提供することができる。
【００１８】
このように小型の画像表示装置を実現するには、小型の画像表示素子を小型のリレー光学系で１回拡大投影し、この投影像を接眼光学系で拡大すると共に、リレー光学系での射出瞳を観察者の両眼に対応する射出瞳に投影する構成にすることが好ましい。しかし、小型のリレー光学系では、前記のように単一の広い射出瞳を作れないために、両眼に画像を供給することは難しかった。
【００１９】
そのため、本発明では、画像表示素子に表示された画像又は空中像を物点として、その物点から発する光束を２つの光路に分割すると共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成するリレー光学系を用い、かつ、それぞれの光束を観察者の両眼に向け射出し、両眼観察が行える小型の画像表示装置を提供するものである。
【００２０】
このような構成の場合、画像表示素子を照明する光源を２つ配置し、一方の光源からの光束は画像表示素子を透過し、リレー光学系を経てその左右の射出瞳の一方に導かれ、他方の光源からの光束は画像表示素子を透過し、リレー光学系を経てその左右の射出瞳の他方に導かれるように配置することにより、照明光を有効に利用して明るい表示が可能になり、その結果、消費電力の少ない画像表示装置を提供することができる。
【００２１】
また、リレー光学系は、画像表示素子に表示された両眼視差のある左右の眼用の画像又は両眼視差のある空中像の像を接眼光学系近傍に結像するように構成することが望ましい。
【００２２】
そのように構成すると、接眼光学系近傍に指向性の拡散性を持つ光学面を配置して、光束を太くすることにより接眼光学系による左右の射出瞳の範囲を拡大して両眼で画像を観察できる範囲を広げることができる。
【００２３】
また、リレー光学系による左右の射出瞳各々の形を左右に長い楕円にして瞳径を大きくすると同時に、指向性の拡散性を持つ光学面をその楕円の長軸に直交する上下方向のみに拡散作用を有する光学面とすることにより、暗くならずに両眼で観察できる範囲を広げることができる。
【００２４】
そして、さらに好ましくは、接眼光学系から観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導かれる２つの光路の光軸が、接眼光学系より観察者両眼側で交差するように構成することにより、接眼光学系より手前のその交差位置に立体像が表示されているように観察され、あたかも空中に立体像が表示されているように見え、立体感の強い表示装置が可能となる。もちろん、その交差点を接眼光学系近傍にしてリレー光学系による結像位置とその交差点を略一致するようにしてもよい。
【００２５】
また、リレー光学系としては、偏心反射光学系を用いることが望ましい。このような偏心反射光学系を使用することにより、収差の発生が少ない小型の光学系を構成することが知られている。
【００２６】
より具体的には、リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成されたプリズム部材を有し、そのプリズム部材が、物点から発せら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、かつ、少なくとも１つの回転非対称面を有し、少なくとも１つの光学作用面は隣接する少なくとも２つの面からなる不連続面で構成され、他の光学作用面は分割された少なくとも２つの光路内に共通に配置されてなるものとすることが望ましい。
【００２７】
片方の光路だけで見ると、例えば、特開２０００−２２１４４０のように、画像表示素子あるいは空中像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、その少なくとも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偏心プリズムであり、他の片方の光路についても同様な構成のものである。
【００２８】
レンズのような屈折光学素子は、その境界面に曲率を付けることにより始めてパワーを持たせることができる。そのため、レンズの境界面で光線が屈折する際に、屈折光学素子の色分散特性による色収差の発生が避けられない。その結果、色収差を補正する目的で別の屈折光学素子が付加されるのが一般的である。
【００２９】
一方、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、反射面しかも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。
【００３３】
また、観察光学系のような光学系は、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。
【００３４】
そこで、画像表示素子あるいは空中像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偏心プリズムをリレー光学系として用い、かつ、光束にパワーを与えかつ偏心により発生する収差を補正する回転非対称な曲面形状にて構成されている接眼光学系と組み合わせて、偏心収差をお互いに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が可能になる。１つの偏心プリズムのみあるいは１つの接眼光学系のみの配置だと、偏心収差を完全に補正することは困難である。
【００３５】
したがって、本発明では、このような偏心プリズムの一部の面を隣接する少なくとも２つの面からなる不連続面として構成することにより、光路分割作用をリレー光学系の偏心プリズムに与えることに成功したものである。この不連続面は、画像表示素子あるいは空中像から発せられた光束を少なくとも２つの分け、それぞれ少なくとも２つの光学作用面で個別の収差補正を行うと同時に、任意の光軸間隔、任意の角度で光軸を分けることが可能となる。
【００３６】
このようなリレー光学系に用いる偏心プリズムとしては、プリズム内に光を入射する入射面と、その光をプリズム内で反射する１つ以上の反射面と、反射光をプリズム外に射出する射出面とを有する反射回数が１回以上の公知の種々のものが何れも使用可能である。ただし、その場合でも、光路分割作用を与えるために、その偏心プリズムの一部の面を隣接する少なくとも２つの面からなる不連続面として構成する。
【００３７】
このような偏心プリズムの例としては、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、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ようになっているものがある。
【００３８】
このような偏心プリズムの他の例としては、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が画像表示素子又は空中像からの光を入射させる入射面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼用した面にて形成されているものがある。
【００３９】
さらに、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなる偏心プリズム、あるいは、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなる偏心プリズムを例示することができる。
【００４０】
さらに好ましくは、偏心プリズムは、対称面を１面のみ有する自由曲面からなり、プリズムを構成する各面は略同一面内の対称面を有していることが好ましい。この構成により、対称面と直交する方向には比較的有効径を広く取ることが可能となり、縦横比が２以上の横方向に大きな射出瞳径を取ることが可能となる。
【００４１】
なお、ここで、自由曲面とは、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。
【００４２】
また、本発明の両眼画像表示装置においては、接眼光学系の働きにより、リレー光学系により投影された像を観察者の両眼に無駄なく供給することが可能となると同時に、分割された光路により両眼で観察することが可能となる。光路の分割のさせ方により、画像表示装置の左右の射出瞳を隣接して配置することが可能となり、観察者が多少眼球を動かしてもケラレの生じない画像表示装置を提供することができる。
【００４３】
また、このように画像表示装置を構成する場合に、接眼光学系は傾いて配置されるために（特に、接眼光学系を反射光学系とする場合に）、偏心収差が大きく発生する。特に瞳の投影における偏心収差は瞳収差を発生させ、像の歪みや観察領域を狭くしてしまう。
【００４４】
そこで、接眼光学系には、このような偏心によって発生する収差を補正する回転非対称面を１面以上有するように構成することにより、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正することが可能となる。
【００４５】
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。
【００４６】
ここで、接眼光学系としては、凹面鏡、フレネル反射面のような少なくとも反射作用を有するものであることが好ましい。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、接眼光学系として反射作用を有する反射光学系を用いると、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。
【００４７】
同時に、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。
【００４８】
もちろん、接眼光学系として、透過レンズ、フレネル透過面のような透過屈折作用を有するものであってもよい。また、透過型回折光学素子、透過型ホログラム素子、反射型回折光学素子、反射型ホログラム素子のような回折作用を有するものであってもよい。
【００４９】
特に、接眼光学系を、回折光学素子、ホログラム素子、フレネルレンズ、フレネル反射面等で製作することにより、薄型の接眼光学系を構成することが可能となる。
【００５０】
また、回折光学素子やホログラム素子で接眼光学系を構成する場合に、その面に指向性の拡散性を持たせることができ、接眼光学系を経た光束を太くさせて画像を観察できる左右の射出瞳の範囲を拡大するようにすることができる。
【００５１】
以上は、単一の画像表示素子に両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するか、あるいは同一面に重ねて両眼視差のある空中像が結像され、それに対応して、リレー光学系が、画像表示素子に表示された画像又は空中像を物点としてその物点から発する光束を２つの光路に分割すると共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成する光学系からなる場合であったが、両眼画像表示装置として、画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれ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に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有する画像表示装置において、前記画像表示素子は両眼視差のある左右の眼用の画像を表示する一対の画像表示素子からなり、前記空中像は並列に結像された両眼視差のある一対の空中像からなり、前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された一対の画像又は前記並列された一対の空中像各々を物点としてそれら物点から発する光束を別々の光路に導くと共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成する光学系からなり、前記接眼光学系は、前記リレー光学系を経た２つの光路を観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導くと共に、前記リレー光学系によって形成された左右の射出瞳を観察者両眼に対応する左右の射出瞳位置に投影する少なくとも正のパワーを有するものであっても、以上の議論は当てはまる。
【００５２】
この場合に、その一対の画像表示素子を照明する光源を２つ有し、一方の光源からの光束は一方の画像表示素子を透過し、リレー光学系を経てその左右の射出瞳の一方に導かれ、他方の光源からの光束は他方の画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の他方に導かれるように配置することにより、照明光を有効に利用して明るい表示が可能になり、その結果、消費電力の少ない画像表示装置を提供することができる。
【００５３】
また、リレー光学系は、一対の画像表示素子に表示された両眼視差のある左右の眼用の画像又は並列に結像された両眼視差のある空中像の像を接眼光学系近傍に結像するように構成構成することが望ましい。
【００５４】
そのように構成すると、接眼光学系近傍に指向性の拡散性を持つ光学面を配置して、光束を太くすることにより接眼光学系による左右の射出瞳の範囲を拡大して両眼で画像を観察できる範囲を広げることができる。
【００５５】
また、リレー光学系による左右の射出瞳各々の形を左右に長い楕円にして瞳径を大きくすると同時に、指向性の拡散性を持つ光学面をその楕円の長軸に直交する上下方向のみに拡散作用を有する光学面とすることにより、暗くならずに両眼で観察できる範囲を広げることができる。
【００５６】
そして、さらに好ましくは、接眼光学系から観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導かれる２つの光路の光軸が、接眼光学系より観察者両眼側で交差するように構成することにより、接眼光学系より手前のその交差位置に立体像が表示されているように観察され、あたかも空中に立体像が表示されているように見え、立体感の強い表示装置が可能となる。もちろん、その交差点を接眼光学系近傍にしてリレー光学系による結像位置とその交差点を略一致するようにしてもよい。
【００５７】
また、リレー光学系としては、偏心反射光学系を用いることが望ましい。このような偏心反射光学系を使用することにより、収差の発生が少ない小型の光学系を構成することが知られている。
【００５８】
より具体的には、リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された一対の偏心プリズムを有し、各偏心プリズムは、対応する画像表示素子又は空中像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、その少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える回転非対称面からなることものとすることが望ましい。
【００５９】
このような偏心プリズムの例としては、前記の場合と同様に、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、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ようになっているものがある。
【００６０】
このような偏心プリズムの他の例としては、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が画像表示素子又は空中像からの光を入射させる入射面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼用した面にて形成されているものがある。
【００６１】
さらに、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなる偏心プリズム、あるいは、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなる偏心プリズムを例示することができる。
【００６２】
さらに好ましくは、偏心プリズムは、対称面を１面のみ有する自由曲面からなり、プリズムを構成する各面は略同一面内の対称面を有していることが好ましい。この構成により、対称面と直交する方向には比較的有効径を広く取ることが可能となり、縦横比が２以上の横方向に大きな射出瞳径を取ることが可能となる。
【００６３】
なお、接眼光学系の形態としては、前記の場合と同様である。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の両眼画像表示装置の実施例を説明する。
【００６５】
具体的な数値実施例１〜３を説明する前に本発明の両眼画像表示装置の基本形態と使用形態の例について説明する。
【００６６】
本発明の両眼画像表示装置の基本形態は、図１に示すように、本体３０上にリレー光学系３１を配置し、その物体の位置に単一あるいは一対の画像表示素子を配置して、リレー光学系３１の射出側に正のパワーを有する接眼光学系３２を配置し、画像表示素子から出た光線はリレー光学系３１を経て２つの光軸２Ｌ、２Ｒに沿って進み、接眼光学系３２により観察者両眼近傍に左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを形成する。この際、左右の光軸２Ｌ、２Ｒは、接眼光学系３２の手前の射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の点Ｐで交差するように配置されている。
【００６７】
このようにリレー光学系３１により画像表示素子からの光線を左右の光軸２Ｌ、２Ｒに沿って導き、画像表示装置の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに投影するようにすることにより、照明光を無駄なく両眼に投影することができ、明るく効率の良い立体像を拡大表示できる。
【００６８】
なお、図１の場合、リレー光学系３１から出た左右の光軸２Ｌ、２Ｒは、反射面３３で折り返し、透過型（屈折型）の接眼光学系３２で観察者両眼に導くように構成されている。また、図１の場合、表示装置の本体３０上に、観察者側から見て、操作ボタン３４をリレー光学系３１より手前に配置している。この配置により、操作ボタン３４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。
【００６９】
また、接眼光学系３２の働きにより、リレー光学系３１により投影された左右の像を観察者の両眼に眼球に無駄なく供給することが可能となる。
【００７０】
そして、リレー光学系３１により左右の光軸２Ｌ、２Ｒに沿って画像表示素子に表示された両眼視差のある左右の眼用の画像の像が接眼光学系３２の近傍に結像するように構成されている。
【００７１】
ところで、リレー光学系３１の形態としては、図２に示すように、単一の偏心プリズム１０から構成する場合と、図３に示すように、左右同一の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒから構成する場合がある。図２の場合の単一の偏心プリズム１０の場合は、図４にその１例を模式的に示すように、入射面１１と射出面１４と２つの内部反射面１２、１３とを持ち、画像表示素子３から出た光軸（軸上主光線）２Ｌ、２Ｒが光学系内で略交差する構成のものであり、射出面１４を隣接する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる不連続面で構成している。もちろん、他の光学面１１〜１３の１面あるいは複数面をこのような２つの面からなる不連続面で構成してもよい。
【００７２】
このように、接眼光学系３２の近傍に両眼視差のある左右の眼用の画像の像を結像させ、かつ、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒへ入射する左右の光軸２Ｌ、２Ｒが接眼光学系３２の手前の点Ｐで交差するようにすることにより、その交差位置Ｐに立体像が表示されているように観察され、あたかも空中に立体像が表示されているように見え、立体感の強く臨場感のある像が観察できるようになる。
【００７３】
そして、図２のように、リレー光学系３１として、少なくとも１つの光学作用面（反射面あるいは屈折面）を隣接する２つの面からなる不連続面を持つ単一の偏心プリズム１０で構成する場合には、画像表示素子としては、単一の画像表示素子をその物体面に配置し、両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するようにする。
【００７４】
また、図３のように、リレー光学系３１として、左右同一の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを用いる場合は、それぞれの偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの物体面に別々の画像表示素子を配置し、それぞれに両眼視差のある左右の眼用の画像を表示するようにする。
【００７５】
ところで、リレー光学系３１により両眼視差のある左右の眼用の画像の像が結像される位置近傍に配置される接眼光学系３２には、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを混在（重複）させない範囲で抑制された指向性を持つ拡散性の光学面を配置して、射出瞳１Ｌ、１Ｒへ向かう光束を太くすることにより、射出瞳１Ｌ、１Ｒの範囲を拡大して両眼で画像を観察できる範囲を広げるようにすることができる。
【００７６】
この場合に、拡散性がない場合の接眼光学系３２により射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置に結像されるリレー光学系３１の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの形は、図５に示すように、左右に長い楕円にして左右方向の射出瞳１Ｌ、１Ｒの径を大きいものとすることが望ましく、そして、接眼光学系３２に配置される拡散性の光学面を、図６（ａ）に示すように上下方向に拡散作用を持ち、図６（ｂ）に示すように左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面とすると、光量を無駄にせずに暗くならず、かつ、射出瞳１Ｌ、１Ｒの範囲を上下左右に拡大して両眼で画像を観察できる範囲が広がる。
【００７７】
なお、本発明の接眼光学系３２を構成する光学素子は回転非対称面を用いて構成されているため、特に、物体中心を射出して観察者の虹彩中心を通過し、眼底中心に到達する軸上主光線が接眼光学系３２に対して偏心して入射する偏心光学系の場合、接眼光学系３２を回転非対称な面で構成することにより、偏心によって発生する像の台形歪みや、像面の傾き等の偏心収差を補正することが可能となる。また、リレー光学系３１を偏心プリズム光学系で構成する場合には、リレー光学系３１と偏心収差の補正を分担することが可能となり、さらに好ましい。
【００７８】
次に、リレー光学系３１について説明する。本発明によるリレー光学系３１には、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１〜３の偏心プリズムのように、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、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ようになっているものを用いることができる。
【００７９】
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。
【００８０】
また、図２７（ａ）に示すように、画像表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第２面１２と、第３面１３からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した画像表示素子３からの光線は、第２面１２で全反射し、その反射光は第３面１３で反射し、その反射光は今度は第１面１１で全反射し、その反射光は今度は第２面１２で屈折してプリズム外に射出するもので、第１面１１が入射面と第３反射面を、第２面１２が第１反射面と射出面を兼用しており、プリズム内で光線が１回転する偏心プリズム１０であってもよい。この偏心プリズム１０は、３つの反射面を有するために３回の反射面にパワーを分散することが可能であり、収差発生を少なくすることが可能である。また、光路がプリズム内で交差する構成のために、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ある。
【００８１】
また、図２７（ｂ）に示すように、画像表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第２面１２と、第３面１３からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した画像表示素子３からの光線は、第２面１２で全反射し、その反射光は第３面１３で反射し、その反射光は今度は第２面１２で屈折してプリズム外に射出するもので、第２面１２が第１反射面と射出面を兼用している偏心プリズム１０であってもよい。第１反射面と射出面を兼用するこのこの偏心プリズム１０は、第１反射面で大きく光線を屈曲させ、さらに第２反射面は少ない屈曲角で光線を射出面へと反射するために、プリズム光学系の射出光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００８２】
また、図２７（ｃ）に示すように、画像表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第２面１２と、第３面１３からなり、第１面１１で屈折してプリズム内に入射した画像表示素子３からの光線は、第３面１３で反射し、その反射光は今度は第１面１１で全反射し、その反射光は第２面１２で屈折してプリズム外に射出するもので、第１面１１が入射面と第２反射面を兼用している偏心プリズム１０であってもよい。第２反射面と入射面とを兼用するこのこの偏心プリズム１０は、第２反射面で光線を大きく屈曲させ、第１反射面は少ない屈曲角で光線を第２反射面へと反射するために、プリズム光学系の入射光線方向の厚さを薄くすることが可能なものである。
【００８３】
以上の何れの偏心プリズム１０も、図２のように、単一の偏心プリズム１０から構成する場合には、少なくとも１つの光学作用面（反射面あるいは屈折面）を隣接する２つの面からなる不連続面として構成することにより、画像表示素子３からの光束を２つの光路に分割するようにする。
【００８４】
なお、本発明の両眼画像表示装置は、図１〜図３の接眼光学系３２及び反射面３３を表示装置の本体３０から開閉する機構を設けて、携帯時はポケット等に収納するように構成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。
【００８５】
また、このような携帯型の使用形態に限らず、図７に示すように、手持ちビュワータイプの形態にも構成できる。
【００８６】
次に、本発明の両眼画像表示装置に用いられる光学系の数値実施例１〜３について説明する。
【００８７】
実施例１〜３の構成パラメータは後記するが、座標系は、図８〜図２０に示すように、２つ形成される左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒ（図１）（観察者瞳）間の中心を通り、射出瞳１Ｌ、１Ｒの中心を結ぶ直線に垂直であって、光学系の対称面を構成する平面をＹ−Ｚ面として、射出瞳１Ｌ、１Ｒの中心から接眼光学系３２に向かう方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とし、画像表示素子３が位置する側に向かう方向をＹ軸負方向とし、Ｙ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成するＸ軸の方向をＸ軸正方向とする。そして、光学系の原点を接眼光学系３２の射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の面の面頂位置とする。
【００８８】
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、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】

Figure 0004846931
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。
【００９２】
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。
【００９３】
以下に示す数値実施例１〜３は、上記の一方の射出瞳１Ｌから画像表示素子３、３Ｌに向う逆光線追跡で表されている。
【００９４】
実施例１は、片側瞳径横４０ｍｍ、上下１５ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。画像表示素子３としては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００９５】
図８に実施例１のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図９にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１０にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図、図１１に図１０の光源４Ｌ、４Ｒ、照明光学系５、画像表示素子３、リレー光学系３１の偏心プリズム１０近傍の拡大図、図１２、図１３は図８、図９に対応する結像光路図であり、光源４Ｌと照明光学系５を省いた図を示す。
【００９６】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３を経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３を経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００９７】
この実施例において、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の第４面１４（数値データ中の５面）は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称な不連続面からなり、左側の射出瞳１Ｌの形成に関与する一方の面１４Ｌのみの面形状を示してある。この面１４ＬはＹ−Ｚ面よりＸ軸負側に設けられ、Ｙ−Ｚ面よりＸ軸正側にはそれと面対称な他方の面１４Ｒが設けられる（図１１）。第４面１４を対称面に対称な２つの光学面１４Ｌ、１４Ｒよりなる不連続面として形成することにより、本実施例の光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）を中心に相互に７５ｍｍは離れた横４０ｍｍ、上下１５ｍｍの瞳径の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを持った光学系が構成できる。
【００９８】
実施例１の光学系は、図８〜図１３に示すように、図２の形態に対応する両眼画像表示装置用の光学系で、射出瞳１Ｌ（１Ｒ）に面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、その反射面３３に面してリレー光学系３１が配置されている。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１０は、画像表示素子３に面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、第４面１４は光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な不連続面を構成する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる。
【００９９】
また、画像表示素子３は透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、照明光学系５として両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３近傍に配置され、その前側焦点面近傍に左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【０１００】
この実施例においては、画像表示素子３に両眼視差のある左右の眼用の画像が交互に表示され、その切り換えに同期して左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが選択的に点灯され、時分割で射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像が表示され立体像として表示される。
【０１０１】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、照明光学系５のフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる画像表示素子３を背面から照明し、表示光は偏心プリズム１０の第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４の２つの面１４Ｌ、１４Ｒで別々の光路に沿った光束として屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に画像表示素子３の左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で屈折された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【０１０２】
なお、この実施例において、接眼光学系３２の平面（数値データ中の３面）近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【０１０３】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、接眼光学系３２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【０１０４】
実施例２は、片側瞳径横１５ｍｍ、上下１０ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒとしては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【０１０５】
図１４に実施例２のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１５にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１６にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図を示す。
【０１０６】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３Ｌを経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３Ｒを経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【０１０７】
実施例２の光学系は、図１４〜図１６に示すように、図３の形態に対応する両眼画像表示装置用の光学系で、リレー光学系３１は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを用い、それぞれの入射面１１に面して左右別々の画像表示素子３Ｌ、３Ｒを配置し、そのための照明光学系５Ｌ、５Ｒと光源４Ｌ、４Ｒも別々にした例である。
【０１０８】
この実施例の光学系は、図１４〜図１６に示すように、射出瞳１Ｌ、１Ｒに面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、その反射面３３に面して一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒからなるリレー光学系３１が配置されている。この実施例の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ画像表示素子３Ｌ、３Ｒに面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒは光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な形状になっている。
【０１０９】
また、画像表示素子３Ｌ、３Ｒは透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、それぞれ照明光学系５Ｌ、５Ｒとして両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３Ｌ、３Ｒに接して配置され、それらの前側焦点近傍に左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【０１１０】
この実施例においては、左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒに両眼視差のある左右の眼用の画像を表示し、左右の照明光学系５Ｌ、５Ｒを介して左右の光源４Ｌ、４Ｒで照明し、左右の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒで共通の接眼光学系３２近傍に左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒの像を投影し、射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像を立体像として表示するものである。
【０１１１】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、左右の照明光学系５Ｌ、５Ｒのフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒを背面から照明し、表示光は左右の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４で屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒの左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で屈折された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【０１１２】
なお、この実施例においても、接眼光学系３２の平面（数値データ中の３面）近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【０１１３】
この実施例においては、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、接眼光学系３２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【０１１４】
実施例３は、片側瞳径１０ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。画像表示素子３としては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【０１１５】
図１７に実施例３のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１８にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１９にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図、図２０に図１９の光源４Ｌ、４Ｒ、照明光学系５、画像表示素子３、リレー光学系３１の偏心プリズム１０近傍の拡大図を示す。
【０１１６】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３を経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３を経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【０１１７】
この実施例は、実施例１に対して、接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面が自由曲面の透過面２１、反対側の面がフレネル反射面２２からなるフレネル反射鏡２０を用い、光路折り返し用の反射面３３を省いた例であり、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の第４面１４（数値データ中の５面）は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称な不連続面からなり、左側の射出瞳１Ｌの形成に関与する一方の面１４Ｌのみの面形状を示してある。この面１４ＬはＹ−Ｚ面よりＸ軸負側に設けられ、Ｙ−Ｚ面よりＸ軸正側にはそれと面対称な他方の面１４Ｒが設けられる（図２０）。第４面１４を対称面に対称な２つの光学面１４Ｌ、１４Ｒよりなる不連続面として形成することにより、本実施例の光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）を中心に相互に７５ｍｍは離れた瞳径１０ｍｍの左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを持った光学系が構成できる。
【０１１８】
実施例３の光学系は、図１７〜図２０に示すように、射出瞳１Ｌ（１Ｒ）に面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面が自由曲面の透過面２１、反対側の面がフレネル反射面２２からなるフレネル反射鏡２０からなり、その反射側にリレー光学系３１が配置されている。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１０は、画像表示素子３に面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、第４面１４は光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な不連続面を構成する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる。
【０１１９】
また、画像表示素子３は透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、照明光学系５として両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３近傍に配置され、その前側焦点面近傍に左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【０１２０】
この実施例においては、画像表示素子３に両眼視差のある左右の眼用の画像が交互に表示され、その切り換えに同期して左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが選択的に点灯され、時分割で射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像が表示され立体像として表示される。
【０１２１】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、照明光学系５のフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる画像表示素子３を背面から照明し、表示光は偏心プリズム１０の第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４の２つの面１４Ｌ、１４Ｒで別々の光路に沿った光束として屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は接眼光学系３２のフレネル反射鏡２０の透過面２１上に画像表示素子３の左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で反射された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、フレネル反射鏡２０の透過面２１上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【０１２２】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、フレネル反射鏡２０の透過面２１に自由曲面を用いており、フレネル反射鏡２０のフレネル反射面２２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【０１２３】
以下に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、“ＬＣＤ”は画像表示面、“ＥＩＭ”は結像面をそれぞれ示す。
【０１２４】
Figure 0004846931
Figure 0004846931
Figure 0004846931
【０１２５】
Figure 0004846931
Figure 0004846931
Figure 0004846931
【０１２６】
Figure 0004846931
Figure 0004846931
Figure 0004846931
【０１２７】
上記実施例１の片側の光学系の横収差を図２１に示す。こ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。
【０１２８】
次に、本発明の両眼画像表示装置において、１個あるいは２個の画像表示素子３、３Ｌ、３Ｒを照明する２個の光源４Ｌ、４Ｒについて説明する。以下の説明では、これらの用いる光源を符号４で表し、また、画像表示素子３、３Ｌ、３Ｒも画像表示素子３で表し、さらに、照明光学系５、５Ｌ、５Ｒのフレネルレンズをフレネルレンズ５で表す。
【０１２９】
図２２に示すように、光源４からの照明光束でフレネルレンズ５を介して画像表示素子３を照明するようにしてもよいが、図に示すように、光源４からのフレネルレンズ５に向かわない光ａは無駄になり、照明光が無駄になるため明るい表示が困難になると共に、消費電力が多くなってしまう。
【０１３０】
そこで、図２３に示すように、光源４と照明光学系のフレネルレンズ５の間に、画像表示素子３の形状に対応する形状の断面を持つ多角柱状であってその側面が反射面となっているインテグレータロッド６を配置し、その一端から光源４からの照明光を入射させ、光源４からフレネルレンズ５に直接入射する光だけでなく、図２２の無駄な光ａをインテグレータロッド６の側面の反射面で反射させてフレネルレンズ５に入射するようにすることにより、照明光を有効に利用することができることになる。この側面での反射光により、図２３中、符号４’で示したような光源４の像が形成され、光源４からの光だけでなく、その光源４の像４’からの光もフレネルレンズ５に入射するようになるため、照明光が有効に利用されることになるのである。
【０１３１】
インテグレータロッド６としては、図２４（ａ）に示すように、角柱状の透明体６０の側面６１を全反射面とするかあるいはミラーコートして反射面とすることにより構成できる。また、図２４（ｂ）に示すように、内面６３が反射面となっている板状体６２を貼り合わせて多角形筒体をして構成してもよい。
【０１３２】
ところで、インテグレータロッド６として、図２３のような単純な多角柱状のものとすると、光源４とその像４’の間の間隔は、図２５（ａ）に示すように、比較的離れたものとなる。図２５（ｂ）に示すように、光源４とその像４’の間に光源４の別の像４”が形成されるように、インテグレータロッド６の入射端側に斜面６’を形成して多角錐状にすると、密度の高い光源４及びその像４’、４”からの光がフレネルレンズ５に入射するようになるため、照明光をより有効に利用して明るい照明が可能になる。
【０１３３】
さて、以上の説明では、本発明の両眼画像表示装置は、１個あるいは２個の画像表示素子３、３Ｌ、３Ｒに表示された両眼視差のある左右の眼用の画像を立体像として拡大観察するものとして説明してきたが、その代わりに、他の光学系によって結像された両眼視差のある空中像を立体像として拡大観察する両眼画像表示装置としても構成することもできる。図２６に、図２に示すような形態を用いて、双眼実体観察装置として構成する例を示す。立体物Ｏは左右の瞳３６Ｌ、３６Ｒを持つ対物レンズ３５を経て、同じ像面３’上に両眼視差のある左右の空中像として結像される。その両眼視差のある左右の空中像は、例えば実施例１に示したような偏心プリズム１０からなるリレー光学系３１と接眼光学系３２とから構成された本発明の光学系を経て、例えば接眼光学系３２上に重畳して結像され、それぞれの光束は左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに別々に入射するので、この射出瞳１Ｌ、１Ｒに両眼を位置させることにより、立体物Ｏの拡大立体像を観察することができるようになる。
【０１３４】
なお、本発明の両眼画像表示装置のリレー光学系に用いる偏心プリズム光学系としては、以上の実施例１〜３で用いたタイプ及び図２７に示した内部反射回数２〜３回のタイプのプリズムに限定されず、他のタイプの偏心プリズム単体あるいはそれらの偏心プリズムの組み合わせからなる光学系を用いることができる。
【０１３５】
以上の本発明の両眼画像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【０１３６】
〔１〕 画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれ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に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するものからなり、前記空中像は同一面に重ねて結像された両眼視差のある空中像からなり、
前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された画像又は前記空中像を物点としてその物点から発する光束を２つの光路に分割すると共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成する光学系からなり、
前記接眼光学系は、前記リレー光学系で分割された２つの光路を観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導くと共に、前記リレー光学系によって形成された左右の射出瞳を観察者両眼に対応する左右の射出瞳位置に投影する少なくとも正のパワーを有することを特徴とする両眼画像表示装置。
【０１３７】
〔２〕 前記画像表示素子を照明する光源を２つ有し、一方の光源からの光束は前記画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の一方に導かれ、他方の光源からの光束は前記画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の他方に導かれるように配置されていることを特徴とする上記１記載の両眼画像表示装置。
【０１３８】
〔３〕 前記一方の光源は前記画像表示素子に両眼視差のある左右の眼用の画像の一方が表示されたときに点灯され、前記他方の光源は前記画像表示素子に両眼視差のある左右の眼用の画像の他方が表示されたときに点灯されるように構成されていることを特徴とする上記２記載の両眼画像表示装置。
【０１３９】
〔４〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された両眼視差のある左右の眼用の画像又は両眼視差のある空中像の像を前記接眼光学系近傍に結像するように構成されていることを特徴とする上記１から２の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１４０】
〔５〕 前記接眼光学系近傍に指向性の拡散性を持つ光学面が配置されていることを特徴とする上記４記載の両眼画像表示装置。
【０１４１】
〔６〕 前記リレー光学系による左右の射出瞳各々の形が左右に長い楕円であり、前記指向性の拡散性を持つ光学面がその楕円の長軸に直交する上下方向のみに拡散作用を有する光学面であることを特徴とする上記５記載の両眼画像表示装置。
【０１４２】
〔７〕 前記接眼光学系から観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導かれる２つの光路の光軸は、前記接眼光学系より前記観察者両眼側で交差するように配置されていることを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１４３】
〔８〕 前記リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを有し、その偏心プリズムが、前記物点から発せら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、かつ、少なくとも１つの回転非対称面を有し、少なくとも１つの光学作用面は隣接する少なくとも２つの面からなる不連続面で構成され、他の光学作用面は分割された少なくとも２つの光路内に共通に配置されてなることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１４４】
〔９〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、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ようになっていることを特徴とする上記８記載の両眼画像表示装置。
【０１４５】
〔１０〕 前記偏心プリズムが、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が前記画像表示素子又は前記空中像からの光を入射させる入射面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼用した面にて形成されていることを特徴とする上記８記載の両眼画像表示装置。
【０１４６】
〔１１〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなることを特徴とする上記８記載の両眼画像表示装置。
【０１４７】
〔１２〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなることを特徴とする上記８記載の両眼画像表示装置。
【０１４８】
〔１３〕 前記偏心プリズムは、対称面を１面のみ有する自由曲面からなり、前記不連続面以外のプリズムを構成する各面は略同一面内の対称面を有していることを特徴とする上記８から１２の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１４９】
〔１４〕 前記接眼光学系は、少なくとも１つの回転非対称面を有することを特徴とする上記１から１３の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１５０】
〔１５〕 前記接眼光学系は、反射光学系からなることを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１５１】
〔１６〕 前記接眼光学系は、フレネル反射面を有することを特徴とする上記１５記載の両眼画像表示装置。
【０１５２】
〔１７〕 前記接眼光学系は、屈折光学系からなることを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１５３】
〔１８〕 前記接眼光学系は、フレネル透過面を有することを特徴とする上記１７記載の両眼画像表示装置。
【０１５４】
〔１９〕 前記接眼光学系は、回折光学系からなることを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１５５】
〔２０〕 画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれ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に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は両眼視差のある左右の眼用の画像を表示する一対の画像表示素子からなり、前記空中像は並列に結像された両眼視差のある一対の空中像からなり、
前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された一対の画像又は前記並列された一対の空中像各々を物点としてそれら物点から発する光束を別々の光路に導くと共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成する光学系からなり、
前記接眼光学系は、前記リレー光学系を経た２つの光路を観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導くと共に、前記リレー光学系によって形成された左右の射出瞳を観察者両眼に対応する左右の射出瞳位置に投影する少なくとも正のパワーを有することを特徴とする画像表示装置。
【０１５６】
〔２１〕 前記一対の画像表示素子を照明する光源を２つ有し、一方の光源からの光束は一方の画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の一方に導かれ、他方の光源からの光束は他方の画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の他方に導かれるように配置されていることを特徴とする上記２０記載の両眼画像表示装置。
【０１５７】
〔２２〕 前記リレー光学系は、前記一対の画像表示素子に表示された両眼視差のある左右の眼用の画像又は並列に結像された両眼視差のある空中像の像を前記接眼光学系近傍に結像するように構成されていることを特徴とする上記２０又は２１記載の両眼画像表示装置。
【０１５８】
〔２３〕 前記接眼光学系近傍に指向性の拡散性を持つ光学面が配置されていることを特徴とする上記２２記載の両眼画像表示装置。
【０１５９】
〔２４〕 前記リレー光学系による左右の射出瞳各々の形が左右に長い楕円であり、前記指向性の拡散性を持つ光学面がその楕円の長軸に直交する上下方向のみに拡散作用を有する光学面であることを特徴とする上記２３記載の両眼画像表示装置。
【０１６０】
〔２５〕 前記接眼光学系から観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導かれる２つの光路の光軸は、前記接眼光学系より前記観察者両眼側で交差するように配置されていることを特徴とする上記２０から２４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１６１】
〔２６〕 前記リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された一対の偏心プリズムを有し、各偏心プリズムは、対応する画像表示素子又は空中像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、その少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える回転非対称面からなることを特徴とする上記２０から２５の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１６２】
〔２７〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、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ようになっていることを特徴とする上記２６記載の両眼画像表示装置。
【０１６３】
〔２８〕 前記偏心プリズムが、３つの反射面を備え、その内の第３反射面が対応する画像表示素子又は空中像からの光を入射させる入射面を兼用した面にて形成され、第１反射面が射出面を兼用した面にて形成されていることを特徴とする上記２６記載の両眼画像表示装置。
【０１６４】
〔２８〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面と、射出面を兼用した第１反射面と、第２反射面とからなることを特徴とする上記２６記載の両眼画像表示装置。
【０１６５】
〔２９〕 前記偏心プリズムが、２つの反射面を備え、入射面を兼用した第２反射面と、第１反射面と、射出面とからなることを特徴とする上記２６記載の両眼画像表示装置。
【０１６６】
〔３０〕 前記偏心プリズムは、対称面を１面のみ有する自由曲面からなり、前記不連続面以外のプリズムを構成する各面は略同一面内の対称面を有していることを特徴とする上記２６から２９の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１６７】
〔３１〕 前記接眼光学系は、少なくとも１つの回転非対称面を有することを特徴とする上記２０から３０の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１６８】
〔３２〕 前記接眼光学系は、反射光学系からなることを特徴とする上記２０から３１の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１６９】
〔３３〕 前記接眼光学系は、フレネル反射面を有することを特徴とする上記３２記載の両眼画像表示装置。
【０１７０】
〔３４〕 前記接眼光学系は、屈折光学系からなることを特徴とする上記２０から３１の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１７１】
〔３５〕 前記接眼光学系は、フレネル透過面を有することを特徴とする上記３４記載の両眼画像表示装置。
【０１７２】
〔３６〕 前記接眼光学系は、回折光学系からなることを特徴とする上記２０から３１の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【０１７３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、両眼で立体像等が観察可能で、小型なで部品点数の少なく携帯可能な両眼画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の両眼画像表示装置の基本形態を示す模式的斜視図である。
【図２】リレー光学系を単一の偏心プリズムから構成する場合の両眼画像表示装置の構成を示す模式的斜視図である。
【図３】リレー光学系を一対の偏心プリズムから構成する場合の両眼画像表示装置の構成を示す模式的斜視図である。
【図４】リレー光学系を構成する単一の偏心プリズムの構成を示す模式的斜視図である。
【図５】左右に長い楕円にして形成される射出瞳を示す図である。
【図６】接眼光学系に配置される拡散性の光学面の拡散性を説明するための図である。
【図７】手持ちビュワータイプの形態に構成された本発明の両眼画像表示装置を示す模式的斜視図である。
【図８】本発明の実施例１の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図９】実施例１の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１０】実施例１の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１１】図１０の光源、照明光学系、画像表示素子、リレー光学系の偏心プリズム近傍の拡大図である。
【図１２】図８に対応する結像光路図である。
【図１３】図９に対応する結像光路図である。
【図１４】実施例２の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１５】実施例２の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１６】実施例２の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１７】実施例３の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１８】実施例３の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１９】実施例３の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図２０】図１９の光源、照明光学系、画像表示素子、リレー光学系の偏心プリズム近傍の拡大図である。
【図２１】実施例１の片側の光学系の横収差を示す図である。
【図２２】画像表示素子の単純な照明方式の配置を示す図である。
【図２３】画像表示素子をインテグレータロッドを介して照明する場合の配置を示す図である。
【図２４】インテグレータロッドの構成例を示す斜視図である。
【図２５】インテグレータロッドの変形例の構成と作用を説明するための図である。
【図２６】本発明に基づき双眼実体観察装置として構成する例を示す光路図である。
【図２７】本発明の両眼画像表示装置のリレー光学系に使用可能な偏心プリズムのいくつかの例を示す図である。
【符号の説明】
１Ｌ、１Ｒ…射出瞳
２Ｌ、２Ｒ…光軸
３、３Ｌ、３Ｒ…画像表示素子
３’…像面
４、４Ｌ、４Ｒ…光源
４’、４”…光源の像
５、５Ｌ、５Ｒ…照明光学系（フレネルレンズ）
６…インテグレータロッド
６’…インテグレータロッドの入射端側の斜面
１０、１０Ｌ、１０Ｒ…偏心プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１４Ｌ、１４Ｒ…不連続面を構成する光学面
２０…フレネル反射鏡
２１…接眼光学系の射出瞳側の透過面
２２…接眼光学系の反対側のフレネル反射面
３０…表示装置本体
３１…リレー光学系
３２…接眼光学系
３３…反射面（平面鏡）
３４…操作ボタン
３５…対物レンズ
３６Ｌ、３６Ｒ…瞳
６０…透明体
６１…透明体の側面
６２…板状体
６３…内面の反射面
Ｐ…左右光軸の交差点
Ｏ…立体物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a binocular image display device, and in particular, an image capable of observing a stereoscopic image or the like by guiding left and right eye images or left and right eye aerial images displayed on an image display element to left and right eyes. The present invention relates to a small-sized image display device that can be carried.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an optical system element for guiding an image displayed on one display element to both eyes of an observer, one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-181999 is known. This splitting element splits two optical paths that travel in different directions using a single prism.
[0003]
However, in an image display apparatus using this dividing element, if the image display element is made small, it is necessary to shorten the focal length of the optical system while ensuring eye relief. difficult.
[0004]
Also, an image display element that divides an optical path using a half mirror has been proposed as disclosed in JP-A-9-061748.
[0005]
Further, in Japanese Patent Laid-Open Nos. 51-24116 and 51-58355, left and right eye images displayed on a pair of left and right display elements are passed through left and right concave mirrors and a binocular common concave mirror. There has been proposed an image display device that can be used to observe a stereoscopic image.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 58-58517 proposes an image projection apparatus that projects an image displayed on a CRT onto a transmission screen through a projection lens and a spheroid mirror.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-138509 discloses a binocular image display device in which an image displayed on one display element is divided into two optical paths that travel in different directions by a microprism array and guided to the viewer's eyes. Proposed.
[0008]
Japanese Patent Laid-Open No. 60-256117 proposes a binocular projection observation apparatus that allows an object image projected on a screen with a single objective lens to be observed with left and right binocular eyepieces.
[0009]
In Japanese Patent Laid-Open No. 1-181814, the left and right eye images displayed on the pair of left and right display elements are passed through the left and right plane mirrors and the concave mirror common to both eyes, and the same space between the concave mirror and the observer's eyes. An image display device has been proposed in which images are superimposed at positions and the left and right images can be observed as a stereoscopic image with both eyes.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of splitting into the two optical paths that proceed in the different directions described above, the optical path splitting element becomes large, and when the image display device is configured, it becomes a large and heavy device. In addition, the method of dividing the optical path using the above-described half mirror has a problem that the amount of light is halved in each optical path, and a dark observation image must be observed.
[0011]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a compact binocular image display apparatus that can observe a stereoscopic image or the like with both eyes, is small, and has a small number of parts. Is to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The binocular image display device of the present invention that achieves the above object includes a relay optical system that projects an image displayed on an image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point, and the relay In an image display apparatus having an eyepiece optical system having a converging action for converging a light beam from an optical system toward an observer's eye,
The image display element is configured to alternately display images for right and left eyes having binocular parallax, and the aerial image is an aerial image having binocular parallax formed on the same plane,
The relay optical system splits a light beam emitted from an object displayed on the image display element or the aerial image into two optical paths and forms left and right exit pupils on the two optical paths. An optical system that
The eyepiece optical system guides the two optical paths divided by the relay optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes, and the left and right exit pupils formed by the relay optical system to the observer's eyes It has at least a positive power to project to the left and right exit pupil positions corresponding to.
[0013]
Hereinafter, the reason and effect | action which take the said structure in this invention are demonstrated.
[0014]
In order to observe with both eyes, it is necessary to configure the optical system so as to ensure a wide exit pupil diameter so that light rays are incident on both eyes. It is preferable to perform enlarged display with an optical system using a display element. However, when an optical system is used, the exit pupil diameter of the optical system is usually small and observation with both eyes is not possible.
[0015]
Therefore, in the present invention, first, a relay optical system that projects an image displayed on an image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point, and a light beam from the relay optical system are observed. In an image display device having an eyepiece optical system that converges toward a person's eye, the left and right eye images with binocular parallax are alternately displayed as an image display element, and an aerial image Is an aerial image with binocular parallax formed on the same plane. As a relay optical system, an image or an aerial image displayed on such an image display element is used as an object point, and a light beam emitted from the object point is divided into two optical paths, and left and right on the two optical paths. An optical system that forms an exit pupil is used.
[0016]
Since the small projection type image display device has a small display screen, if a relay optical system having a single wide exit pupil that can be observed with both eyes is used, the relay optical system becomes large and heavy. The device cannot be configured.
[0017]
The present invention provides an optical system that consumes less power even though binocular observation is possible by an optical system that can extract two light beams corresponding to the left and right eyeballs of an observer from a common single image display element. Can do.
[0018]
In order to realize such a small image display device, a small image display element is enlarged and projected once by a small relay optical system, and this projection image is enlarged by an eyepiece optical system, and is emitted from the relay optical system. It is preferable to project the pupil onto the exit pupil corresponding to both eyes of the observer. However, in a small relay optical system, it is difficult to supply an image to both eyes because a single wide exit pupil cannot be formed as described above.
[0019]
Therefore, in the present invention, an image displayed on the image display element or an aerial image is used as an object point, and a light beam emitted from the object point is divided into two optical paths, and left and right exit pupils are formed on the two optical paths. The present invention provides a compact image display apparatus that uses a relay optical system and emits each light beam toward both eyes of an observer to perform binocular observation.
[0020]
In the case of such a configuration, two light sources for illuminating the image display element are arranged, and a light beam from one light source passes through the image display element and is guided to one of the left and right exit pupils via a relay optical system, By arranging the light flux from the other light source to pass through the image display element and be guided to the other of the left and right exit pupils via the relay optical system, a bright display can be achieved by effectively using the illumination light. As a result, an image display device with low power consumption can be provided.
[0021]
Further, the relay optical system may be configured to form an image for left and right eyes having binocular parallax or an aerial image having binocular parallax displayed on the image display element in the vicinity of the eyepiece optical system. desirable.
[0022]
With such a configuration, an optical surface having directional diffusivity is arranged in the vicinity of the eyepiece optical system, and the range of the left and right exit pupils by the eyepiece optical system is expanded by thickening the light beam, so that an image can be obtained with both eyes. The range that can be observed can be expanded.
[0023]
In addition, the right and left exit pupils of the relay optical system have a long ellipse to the left and right to increase the pupil diameter, and at the same time, the diffusive optical surface is diffused only in the vertical direction perpendicular to the long axis of the ellipse. By using an optical surface having an action, it is possible to widen the range that can be observed with both eyes without darkening.
[0024]
More preferably, the optical axes of the two optical paths guided from the eyepiece optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes are configured to intersect on the observer's eyes side with respect to the eyepiece optical system. The stereoscopic image is observed to be displayed at the crossing position before the eyepiece optical system, and it appears as if the stereoscopic image is displayed in the air, and a display device with a strong stereoscopic effect is possible. Of course, the intersection may be set near the eyepiece optical system so that the image formation position by the relay optical system and the intersection substantially coincide.
[0025]
Further, it is desirable to use an eccentric reflection optical system as the relay optical system. By using such a decentered reflection optical system, it is known to construct a small optical system with less aberration.
[0026]
More specifically, the relay optical system has a prism member formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1), and the prism member emits a light beam emitted from an object point. An incident surface that enters the prism, at least one reflecting surface that reflects the light beam inside the prism, an exit surface that emits the light beam outside the prism, and at least one rotationally asymmetric surface; It is desirable that at least one optical action surface is constituted by a discontinuous surface composed of at least two adjacent surfaces, and the other optical action surface is commonly arranged in at least two divided optical paths.
[0027]
When viewed from only one optical path, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-212440, an incident surface on which a light beam emitted from an image display element or an aerial image enters the prism, and at least one that reflects the light beam in the prism Having at least one reflecting surface and a curved surface shape that gives power to the light beam, and the curved surface shape corrects an aberration caused by decentration. This is a decentered prism configured with a rotationally asymmetric surface shape, and the other optical path has the same configuration.
[0028]
A refractive optical element such as a lens can be given power only by giving a curvature to its boundary surface. For this reason, when light rays are refracted at the boundary surface of the lens, the occurrence of chromatic aberration due to the chromatic dispersion characteristics of the refractive optical element is inevitable. As a result, another refractive optical element is generally added for the purpose of correcting chromatic aberration.
[0029]
On the other hand, reflective optical elements such as mirrors and prisms do not generate chromatic aberration in principle even if power is given to their reflecting surfaces, and it is necessary to add another optical element only for the purpose of correcting chromatic aberration. There is no. Therefore, the optical system using the reflective optical element can reduce the number of constituent elements of the optical element from the viewpoint of chromatic aberration correction, compared to the optical system using the refractive optical element.
[0030]
At the same time, since the reflection optical system using the reflection optical element folds the optical path, the optical system itself can be made smaller than the refractive optical system.
[0031]
Moreover, since the reflecting surface has a higher eccentricity error sensitivity than the refracting surface, high accuracy is required for assembly adjustment. However, among the reflective optical elements, since the relative positional relationship between the prisms is fixed, it is only necessary to control the eccentricity of the prism alone, and unnecessary assembly accuracy and adjustment man-hours are unnecessary.
[0032]
Furthermore, the prism has an entrance surface and an exit surface, which are refracting surfaces, and a reflecting surface, and has a higher degree of freedom in correcting aberrations than a mirror having only a reflecting surface. In particular, by sharing most of the desired power to the reflecting surface and reducing the power of the entrance surface and exit surface, which are refracting surfaces, the degree of freedom of aberration correction can be kept large compared to mirrors, etc. Compared with such a refractive optical element, the occurrence of chromatic aberration can be made very small. In addition, since the inside of the prism is filled with a transparent body having a refractive index higher than that of air, the optical path length can be made longer than that of air, and the optical system is more effective than lenses and mirrors arranged in the air. Thinning and miniaturization are possible.
[0033]
Further, an optical system such as an observation optical system is required to have good imaging performance to the periphery as well as the center performance. In the case of a general coaxial optical system, the sign of the off-axis light beam height is reversed before and after the stop, so that the symmetry of the optical element with respect to the stop is broken, and the off-axis aberration is deteriorated. Therefore, it is common to correct the off-axis aberration by sufficiently satisfying the symmetry with respect to the stop by arranging the refracting surface across the stop.
[0034]
Therefore, there is an incident surface on which the light beam emitted from the image display element or the aerial image enters the prism, at least one reflecting surface that reflects the light beam inside the prism, and an emission surface that emits the light beam outside the prism. The decentered prism having at least one reflecting surface having a curved surface shape that gives power to the light flux, and the curved surface shape correcting the aberration caused by decentering is a relay optical system. In combination with an eyepiece optical system that is configured with a rotationally asymmetric curved surface that gives power to the luminous flux and corrects aberrations caused by decentration, by correcting each other decentration aberrations, not only the center The off-axis aberration can be corrected well. If only one decentered prism or only one eyepiece optical system is arranged, it is difficult to completely correct decentration aberrations.
[0035]
Therefore, in the present invention, by constructing a part of the surface of such an eccentric prism as a discontinuous surface comprising at least two adjacent surfaces, the optical path splitting action has been successfully provided to the eccentric prism of the relay optical system. Is. This discontinuous surface divides at least two luminous fluxes emitted from the image display element or the aerial image, and individually corrects aberrations by at least two optical action surfaces, and at the same time, at any optical axis interval and at any angle. It is possible to divide the optical axis.
[0036]
As an eccentric prism used in such a relay optical system, an incident surface for entering light into the prism, one or more reflecting surfaces for reflecting the light within the prism, and an exit surface for emitting the reflected light out of the prism Any of various known ones having a reflection count of 1 or more can be used. However, even in that case, in order to provide an optical path dividing action, a part of the surface of the decentered prism is configured as a discontinuous surface composed of at least two adjacent surfaces.
[0037]
As an example of such a decentered prism, there are two reflecting surfaces, which are composed of an incident surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface, and an exit surface, and the optical path connecting the incident surface and the first reflecting surface is the second reflecting surface. Some optical paths connecting the surface and the exit surface intersect in the prism.
[0038]
As another example of such an eccentric prism, it is provided with three reflecting surfaces, and the third reflecting surface among them is formed by a surface that also serves as an incident surface on which light from an image display element or an aerial image is incident, In some cases, the first reflecting surface is formed as a surface also serving as an exit surface.
[0039]
Furthermore, a second prism that includes two reflecting surfaces and includes an incident prism, a first reflecting surface that also serves as an exit surface, and a second reflecting surface, or two reflecting surfaces that also serve as an incident surface. An eccentric prism composed of a reflecting surface, a first reflecting surface, and an exit surface can be exemplified.
[0040]
More preferably, the decentered prism is formed of a free-form surface having only one plane of symmetry, and each plane constituting the prism preferably has a plane of symmetry within substantially the same plane. With this configuration, it is possible to have a relatively large effective diameter in the direction orthogonal to the symmetry plane, and a large exit pupil diameter in the horizontal direction with an aspect ratio of 2 or more.
[0041]
Here, the free-form surface is a free-form surface defined by, for example, the equation (a) of US Pat. No. 6,124,989 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-66105), and the Z-axis of the definition equation is free. It becomes the axis of the curved surface.
[0042]
Further, in the binocular image display device of the present invention, the image projected by the relay optical system can be supplied to both eyes of the observer without waste by the action of the eyepiece optical system, and at the same time, the divided optical paths This makes it possible to observe with both eyes. By dividing the optical path, the left and right exit pupils of the image display device can be arranged adjacent to each other, and an image display device that does not cause vignetting even if the observer moves the eyeball somewhat can be provided.
[0043]
Further, when the image display apparatus is configured in this manner, the ocular optical system is inclined and is particularly inclined (especially when the eyepiece optical system is a reflective optical system), and thus large decentration aberrations occur. In particular, decentration aberrations in pupil projection cause pupil aberrations, resulting in image distortion and a narrowed observation area.
[0044]
Therefore, the ocular optical system is configured to have one or more rotationally asymmetric surfaces for correcting aberrations caused by such decentering, so that not only the center but also off-axis aberrations can be corrected well. Become.
[0045]
The rotationally asymmetric curved surface shape is not limited, but it is desirable to use a free curved surface.
[0046]
Here, it is preferable that the eyepiece optical system has at least a reflecting action such as a concave mirror and a Fresnel reflecting surface. The reflective optical element does not generate chromatic aberration in principle even if the reflecting surface is given power, and it is not necessary to add another optical element only for the purpose of correcting the chromatic aberration. Therefore, when a reflective optical system having a reflecting action is used as the eyepiece optical system, the number of constituent elements of the optical element can be reduced from the viewpoint of correcting chromatic aberration as compared with an optical system using a refractive optical element.
[0047]
At the same time, since the reflection optical system folds the optical path, the optical system itself can be made smaller than the refractive optical system.
[0048]
Of course, the eyepiece optical system may have a refracting action such as a transmissive lens and a Fresnel transmissive surface. Further, it may have a diffractive action such as a transmissive diffractive optical element, a transmissive hologram element, a reflective diffractive optical element, or a reflective hologram element.
[0049]
In particular, a thin eyepiece optical system can be configured by manufacturing the eyepiece optical system with a diffractive optical element, a hologram element, a Fresnel lens, a Fresnel reflection surface, and the like.
[0050]
In addition, when an eyepiece optical system is composed of a diffractive optical element and a hologram element, the right and left emission can be given directivity diffusivity on the surface, and the light beam passing through the eyepiece optical system can be thickened to observe an image. The range of the pupil can be enlarged.
[0051]
As described above, left and right eye images with binocular parallax are alternately displayed on a single image display element, or an aerial image with binocular parallax is formed on the same plane, correspondingly An optical system in which a relay optical system splits a light beam emitted from an object displayed on an image display element or an aerial image into two optical paths and forms left and right exit pupils on the two optical paths. A relay optical system that projects an image displayed on an image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point as a binocular image display device, In an image display apparatus having an eyepiece optical system having a converging action for converging a light beam from a relay optical system toward an observer's eye, the image display element displays images for right and left eyes having binocular parallax. It consists of a pair of image display elements, The aerial image includes a pair of aerial images with binocular parallax formed in parallel, and the relay optical system includes a pair of images displayed on the image display element or the pair of aerial images arranged in parallel. It consists of an optical system that guides light beams emitted from these object points to separate optical paths as object points and forms left and right exit pupils on the two optical paths. To the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes, and at least positive power to project the left and right exit pupils formed by the relay optical system to the left and right exit pupil positions corresponding to the observer's eyes Even if it is a thing, the above argument is applicable.
[0052]
In this case, there are two light sources that illuminate the pair of image display elements, and the light flux from one light source passes through one image display element and is guided to one of the left and right exit pupils via a relay optical system. The light beam from the other light source passes through the other image display element and is guided to the other of the left and right exit pupils via the relay optical system, so that the illumination light is effectively used and brightened. As a result, an image display device with low power consumption can be provided.
[0053]
In addition, the relay optical system connects the images for the left and right eyes with binocular parallax displayed on the pair of image display elements or the aerial image with binocular parallax formed in parallel in the vicinity of the eyepiece optical system. It is desirable to configure so as to image.
[0054]
With such a configuration, an optical surface having directional diffusivity is arranged in the vicinity of the eyepiece optical system, and the range of the left and right exit pupils by the eyepiece optical system is expanded by thickening the light beam, so that an image can be obtained with both eyes. The range that can be observed can be expanded.
[0055]
In addition, the right and left exit pupils of the relay optical system have a long ellipse to the left and right to increase the pupil diameter, and at the same time, the diffusive optical surface is diffused only in the vertical direction perpendicular to the long axis of the ellipse. By using an optical surface having an action, it is possible to widen the range that can be observed with both eyes without darkening.
[0056]
More preferably, the optical axes of the two optical paths guided from the eyepiece optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes are configured to intersect on the observer's eyes side with respect to the eyepiece optical system. The stereoscopic image is observed to be displayed at the crossing position before the eyepiece optical system, and it appears as if the stereoscopic image is displayed in the air, and a display device with a strong stereoscopic effect is possible. Of course, the intersection may be set in the vicinity of the eyepiece optical system so that the image formation position by the relay optical system and the intersection substantially coincide.
[0057]
Further, it is desirable to use an eccentric reflection optical system as the relay optical system. By using such a decentered reflection optical system, it is known to construct a small optical system with less aberration.
[0058]
More specifically, the relay optical system has a pair of decentered prisms formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1), and each decentered prism has a corresponding image display element or An incident surface for entering the light beam emitted from the aerial image into the prism; at least one reflecting surface for reflecting the light beam within the prism; and an exit surface for emitting the light beam out of the prism. It is desirable that the reflecting surface be a rotationally asymmetric surface that gives power to the light beam.
[0059]
As an example of such an eccentric prism, similarly to the case described above, it includes two reflecting surfaces, and includes an incident surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface, and an exit surface, and the incident surface, the first reflecting surface, and the like. There is an optical path that connects the second reflecting surface and the exit surface in the prism.
[0060]
As another example of such an eccentric prism, it is provided with three reflecting surfaces, and the third reflecting surface among them is formed by a surface that also serves as an incident surface on which light from an image display element or an aerial image is incident, In some cases, the first reflecting surface is formed as a surface also serving as an exit surface.
[0061]
Furthermore, a second prism that includes two reflecting surfaces and includes an incident prism, a first reflecting surface that also serves as an exit surface, and a second reflecting surface, or two reflecting surfaces that also serve as an incident surface. An eccentric prism composed of a reflecting surface, a first reflecting surface, and an exit surface can be exemplified.
[0062]
More preferably, the decentered prism is formed of a free-form surface having only one plane of symmetry, and each plane constituting the prism preferably has a plane of symmetry within substantially the same plane. With this configuration, it is possible to have a relatively large effective diameter in the direction orthogonal to the symmetry plane, and a large exit pupil diameter in the horizontal direction with an aspect ratio of 2 or more.
[0063]
The form of the eyepiece optical system is the same as that described above.
[0064]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the binocular image display device of the present invention will be described below.
[0065]
Before describing specific numerical examples 1 to 3, examples of the basic form and usage of the binocular image display apparatus of the present invention will be described.
[0066]
As shown in FIG. 1, the basic form of the binocular image display device of the present invention is that a relay optical system 31 is arranged on a main body 30, and a single or a pair of image display elements are arranged at the position of the object. An eyepiece optical system 32 having a positive power is disposed on the exit side of the relay optical system 31, and light rays emitted from the image display element travel along the two optical axes 2 </ b> L and 2 </ b> R via the relay optical system 31. 32, left and right exit pupils 1L and 1R are formed in the vicinity of the observer's eyes. At this time, the left and right optical axes 2L, 2R are arranged so as to intersect at a point P on the exit pupil 1L, 1R side in front of the eyepiece optical system 32.
[0067]
In this way, the light beam from the image display element is guided by the relay optical system 31 along the left and right optical axes 2L and 2R, and projected onto the left and right exit pupils 1L and 1R of the image display device, so that the illumination light can be projected. It can be projected onto both eyes without waste, and a bright and efficient stereoscopic image can be enlarged and displayed.
[0068]
In the case of FIG. 1, the left and right optical axes 2L and 2R emitted from the relay optical system 31 are folded back by the reflecting surface 33 and guided to the observer's eyes by the transmission type (refractive type) eyepiece optical system 32. Has been. In the case of FIG. 1, the operation button 34 is disposed on the main body 30 of the display device in front of the relay optical system 31 when viewed from the observer side. With this arrangement, it is possible to avoid the problem of blocking the image every time the button is operated without blocking the light path by the hand operating the operation button 34.
[0069]
Further, the function of the eyepiece optical system 32 makes it possible to supply the left and right images projected by the relay optical system 31 to the eyes of the observer without waste.
[0070]
The images of the left and right eye images with binocular parallax displayed on the image display elements along the left and right optical axes 2L and 2R by the relay optical system 31 are formed in the vicinity of the eyepiece optical system 32. It is configured.
[0071]
By the way, as a form of the relay optical system 31, as shown in FIG. 2, the relay optical system 31 is composed of a single decentered prism 10, and as shown in FIG. 3, it is composed of a pair of left and right decentered prisms 10L and 10R. There is a case. In the case of the single decentered prism 10 in the case of FIG. 2, as schematically shown in FIG. 4 as an example, it has an entrance surface 11, an exit surface 14, and two internal reflection surfaces 12 and 13, and an image. The optical axes (axial principal rays) 2L, 2R emitted from the display element 3 are configured to substantially intersect in the optical system, and the exit surface 14 is configured by a discontinuous surface composed of two adjacent surfaces 14L, 14R. is doing. Of course, one or more of the other optical surfaces 11 to 13 may be formed of a discontinuous surface composed of such two surfaces.
[0072]
As described above, the left and right optical axes 2L and 2R incident on the left and right exit pupils 1L and 1R are formed in the vicinity of the eyepiece optical system 32, and the left and right optical axes 2L and 2R enter the left and right exit pupils 1L and 1R. By crossing at a point P in front of the optical system 32, it is observed that a stereoscopic image is displayed at the intersecting position P, and it appears as if the stereoscopic image is displayed in the air. A strong and realistic image can be observed.
[0073]
As shown in FIG. 2, the relay optical system 31 includes at least one optical action surface (reflection surface or refracting surface) composed of a single decentered prism 10 having a discontinuous surface composed of two adjacent surfaces. In this case, as the image display element, a single image display element is arranged on the object plane, and images for right and left eyes having binocular parallax are alternately displayed.
[0074]
As shown in FIG. 3, when the same pair of left and right decentered prisms 10L and 10R are used as the relay optical system 31, separate image display elements are arranged on the object surfaces of the decentered prisms 10L and 10R, respectively. The left and right eye images with binocular parallax are displayed.
[0075]
By the way, the left and right exit pupils 1L and 1R are mixed (overlapped) in the eyepiece optical system 32 arranged in the vicinity of the position where the image of the left and right eye images having binocular parallax is formed by the relay optical system 31. By disposing a diffusive optical surface with directivity suppressed in a range that is not allowed to increase and thickening the light flux toward the exit pupils 1L and 1R, the range of the exit pupils 1L and 1R can be expanded to display an image with both eyes. The range that can be observed can be expanded.
[0076]
In this case, the shapes of the left and right exit pupils 1L and 1R of the relay optical system 31 imaged at the positions of the exit pupils 1L and 1R by the eyepiece optical system 32 when there is no diffusibility are as shown in FIG. It is desirable that the left and right elliptical exit pupils 1L and 1R be large in the left and right ellipses, and the diffusive optical surface disposed in the eyepiece optical system 32 is as shown in FIG. If the surface has a diffusing action in the up and down direction and hardly has a diffusing action in the left and right direction as shown in FIG. 6 (b), it will not be darkened without wasting the amount of light, and the exit pupils 1L and 1R The range in which the image can be observed with both eyes is expanded by expanding the range vertically and horizontally.
[0077]
Since the optical element constituting the eyepiece optical system 32 of the present invention is configured using a rotationally asymmetric surface, in particular, an axis that exits the object center, passes through the iris center of the observer, and reaches the fundus center. In the case of a decentered optical system in which the upper principal ray is decentered with respect to the eyepiece optical system 32, by constructing the eyepiece optical system 32 with a rotationally asymmetric surface, the trapezoidal distortion of the image caused by the decentering or the tilt of the image surface It is possible to correct decentration aberrations such as the above. Further, when the relay optical system 31 is configured by a decentered prism optical system, it is possible to share the correction of decentration aberrations with the relay optical system 31, which is more preferable.
[0078]
Next, the relay optical system 31 will be described. For the relay optical system 31 according to the present invention, various decentered prism optical systems having a number of internal reflections of one or more, which have already been proposed by the present inventors, can be used. Among them, as a typical example, it includes two reflecting surfaces like the decentered prisms of Examples 1 to 3 described later, and includes an incident surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface, and an exit surface. An optical path connecting the incident surface and the first reflecting surface intersects with the optical path connecting the second reflecting surface and the exit surface in the prism.
[0079]
The decentered prism having such a shape has a high degree of freedom in correcting aberrations and generates less aberrations. Further, since the arrangement of the two reflecting surfaces is highly symmetric, the aberration generated on the two reflecting surfaces is corrected between the two reflecting surfaces, and the occurrence of aberration is small. In addition, because the optical path forms a crossed optical path in the prism, the optical path length can be made longer compared to a prism with a structure that simply folds the optical path, and the prism is downsized for the length of the optical path length. can do.
[0080]
In addition, as shown in FIG. 27A, the first surface 11 facing the image display element 3, the second surface 12 facing the eyepiece optical system 32, and the third surface 13 are formed. The light rays from the image display element 3 refracted and incident on the prism are totally reflected by the second surface 12, the reflected light is reflected by the third surface 13, and this reflected light is now totally reflected by the first surface 11. The reflected light is then refracted by the second surface 12 and exits from the prism. The first surface 11 exits from the incident surface and the third reflecting surface, and the second surface 12 exits from the first reflecting surface. An eccentric prism 10 that also serves as a surface and in which the light beam makes one rotation in the prism may be used. Since the decentered prism 10 has three reflecting surfaces, it is possible to disperse power over three reflecting surfaces and reduce the occurrence of aberrations. Further, since the optical paths intersect in the prism, the optical path length can be made longer than that of a prism having a structure in which the optical path is simply folded.
[0081]
In addition, as shown in FIG. 27B, the first surface 11 that faces the image display element 3, the second surface 12 that faces the eyepiece optical system 32, and the third surface 13, The light beam from the image display element 3 refracted and incident on the prism is totally reflected by the second surface 12, the reflected light is reflected by the third surface 13, and the reflected light is now refracted by the second surface 12. The second surface 12 may be an eccentric prism 10 that serves as both the first reflecting surface and the exit surface. This decentered prism 10 which serves both as a first reflecting surface and an exit surface is designed to bend the light rays largely at the first reflecting surface, and the second reflecting surface reflects the light rays to the exit surface with a small bending angle. It is possible to reduce the thickness of the optical system in the direction of the emitted light.
[0082]
Further, as shown in FIG. 27C, the first surface 11 facing the image display element 3, the second surface 12 facing the eyepiece optical system 32, and the third surface 13 are formed. The light beam from the image display element 3 refracted and incident on the prism is reflected by the third surface 13, and the reflected light is totally reflected by the first surface 11, and the reflected light is refracted by the second surface 12. The first surface 11 may be an eccentric prism 10 that serves both as an incident surface and a second reflecting surface. The decentered prism 10 that serves as both the second reflecting surface and the incident surface is configured to bend the light beam largely at the second reflecting surface, and the first reflecting surface reflects the light beam to the second reflecting surface with a small bending angle. It is possible to reduce the thickness of the prism optical system in the incident light direction.
[0083]
When any of the above decentered prisms 10 is composed of a single decentered prism 10 as shown in FIG. 2, at least one optical action surface (reflecting surface or refracting surface) is not formed of two adjacent surfaces. By constituting as a continuous surface, the light beam from the image display element 3 is divided into two optical paths.
[0084]
The binocular image display device of the present invention is provided with a mechanism for opening and closing the eyepiece optical system 32 and the reflecting surface 33 of FIGS. 1 to 3 from the main body 30 of the display device, and is stored in a pocket or the like when carried. It can be configured. At this time, if a function of cutting off the power supply is added, the power saving effect is high.
[0085]
Further, the present invention is not limited to such a portable usage mode, and can be configured as a hand-held viewer type as shown in FIG.
[0086]
Next, numerical examples 1 to 3 of the optical system used in the binocular image display device of the present invention will be described.
[0087]
Although the configuration parameters of Examples 1 to 3 will be described later, the coordinate system is between two left and right exit pupils 1L and 1R (FIG. 1) (observer pupil) as shown in FIGS. A plane that passes through the center and is perpendicular to a straight line connecting the centers of the exit pupils 1L and 1R and that forms a symmetry plane of the optical system is defined as a YZ plane, and travels from the center of the exit pupils 1L and 1R toward the eyepiece optical system 32. The direction is the Z-axis positive direction, the direction orthogonal to the Z-axis direction is the Y-axis direction, the direction toward the image display element 3 side is the Y-axis negative direction, and the direction orthogonal to the YZ plane is the X-axis Direction, and the Y-axis, Z-axis and the X-axis direction constituting the right-handed orthogonal coordinate system are defined as the X-axis positive direction. The origin of the optical system is set as the top position of the surface of the eyepiece optical system 32 on the exit pupil 1L, 1R side.
[0088]
For the eccentric surface, the amount of eccentricity from the center of the origin of the optical system to the top position of the surface (X, Y, and Z directions are X, Y, and Z, respectively) and the center axis of the surface (free For curved surfaces, the Z-axis in the above equation (a), and for aspherical surfaces, the Z-axis in the later-described equation (b))) is tilted around the X-axis, Y-axis, and Z-axis (α, β respectively) , Γ (°)). In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis. Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by first rotating the central axis of the surface and its XYZ orthogonal coordinate system by α counterclockwise around the X axis, and then rotating the rotation. The center axis of the surface is rotated β counterclockwise around the Y axis of the new coordinate system, and the coordinate system rotated once is also rotated β counterclockwise around the Y axis and then rotated twice. The center axis of the surface is rotated γ clockwise around the Z axis of the new coordinate system.
[0089]
Further, the shape of the surface of the free-form surface used in the present invention is a free-form surface defined by, for example, the equation (a) of US Pat. No. 6,124,989 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-66105). The Z-axis is the axis of the free-form surface.
[0090]
An aspherical surface is a rotationally symmetric aspherical surface given by the following definition.
[0091]
Figure 0004846931
However, Z is an optical axis (axial principal ray) with the light traveling direction being positive, and y is a direction perpendicular to the optical axis. Here, R is a paraxial radius of curvature, K is a conic constant, A, B, C, D,... Are fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspherical coefficients, respectively. The Z axis of this defining formula is the axis of a rotationally symmetric aspherical surface.
[0092]
Note that terms relating to free-form surfaces and aspheric surfaces for which no data is described are zero. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm).
The unit of length is mm.
[0093]
Numerical examples 1 to 3 shown below are expressed by back ray tracing from the one exit pupil 1L to the image display elements 3 and 3L.
[0094]
Example 1 has a one-sided pupil diameter of 40 mm and an upper and lower side of 15 mm, and an observation image is formed on the eyepiece optical system 32 having a horizontal size of 55 mm and a vertical size of 41.25 mm, 400 mm forward from the pupil position, and the left and right optical axes are inward. It exits from the eyepiece optical system 32 with an angle, and its inward angle intersects the eyepiece optical system 32 side from the pupil position at a position of 320 mm. As the image display element 3, a display element of 8.94 mm × 6.71 mm is used.
[0095]
FIG. 8 is an optical path diagram from one light source 4L projected onto the YZ plane of the first embodiment to one exit pupil 1L, FIG. 9 is an optical path diagram projected onto the XZ plane, and FIG. 10 is an XZ plane. FIG. 11 shows light paths 4L, 4R, illumination optical system 5, image display element 3, and decentered prisms of relay optical system 31 in FIG. FIG. 12 and FIG. 13 are image-forming optical path diagrams corresponding to FIG. 8 and FIG. 9, and show diagrams in which the light source 4L and the illumination optical system 5 are omitted.
[0096]
The numerical data described later is data from the left exit pupil 1L through the image display element 3 to one light source 4L, and optical system data from the right exit pupil 1R through the image display element 3 to the other light source 4R. Is arranged in a plane-symmetrical position with the YZ plane as the plane of symmetry.
[0097]
In this embodiment, the fourth surface 14 (five surfaces in the numerical data) of the decentering prism 10 constituting the relay optical system 31 is a discontinuous surface that is symmetrical with respect to the YZ plane, and is emitted on the left side. Only the surface shape of one surface 14L involved in the formation of the pupil 1L is shown. The surface 14L is provided on the negative side of the X axis from the YZ plane, and the other surface 14R that is plane-symmetric with respect to the positive side of the X axis is provided from the YZ plane (FIG. 11). By forming the fourth surface 14 as a discontinuous surface composed of two optical surfaces 14L and 14R that are symmetrical with respect to the symmetry plane, 75 mm can be obtained around the symmetry surface (YZ surface) of the optical system of the present embodiment. An optical system having left and right exit pupils 1L, 1R having a pupil diameter of 40 mm apart and 15 mm above and below can be configured.
[0098]
The optical system of Example 1 is an optical system for a binocular image display device corresponding to the form of FIG. 2 as shown in FIGS. 8 to 13, and an eyepiece optical system 32 facing the exit pupil 1L (1R) is The exit pupil 1L (1R) side surface is a Fresnel transmission surface, and the opposite surface is a flat Fresnel lens. A reflection surface (plane mirror) 33 for returning the optical path is disposed on the incident side. Thus, the relay optical system 31 is arranged. The relay optical system 31 includes a decentered prism 10 facing the image display element 3, and the decentered prism 10 of this embodiment includes a first surface 11 facing the image display element 3 and a fourth surface facing the reflecting surface 33. 14 and the second surface 12 and the third surface 13 of the two reflecting surfaces arranged between the first surface 11 and the fourth surface 14, and as described above, the fourth surface 14 is symmetrical with the optical system. It consists of two surfaces 14L and 14R that constitute a discontinuous plane that is plane-symmetric with respect to the plane (YZ plane).
[0099]
Further, the image display element 3 is composed of a transmissive liquid crystal display element, and on the side opposite to the relay optical system 31 side, a Fresnel lens comprising a double-sided Fresnel transmissive surface as the illumination optical system 5 is disposed in the vicinity of the image display element 3. In the vicinity of the front focal plane, the light sources 4L and 4R for the left and right optical paths are arranged in plane symmetry with respect to the symmetry plane (YZ plane).
[0100]
In this embodiment, left and right eye images with binocular parallax are alternately displayed on the image display element 3, and the light sources 4L and 4R for the left and right optical paths are selectively lit in synchronization with the switching, The right and left eye images with parallax are displayed on the left and right eyes located at the exit pupils 1L and 1R in a time-sharing manner and displayed as a stereoscopic image.
[0101]
That is, the light beams emitted from the light sources 4L and 4R are made substantially parallel by the Fresnel lens of the illumination optical system 5, respectively, illuminate the image display element 3 composed of a transmissive liquid crystal display element from the back, and the display light is decentered prism 10. The first surface 11 is refracted and incident on the prism, the internal reflection is repeated on the second surface 12 and the third surface 13, and the two surfaces 14L and 14R of the fourth surface 14 as light beams along different optical paths. The two light beams are refracted and emitted out of the prism, and the two light fluxes are folded back by the reflecting surface 33. The enlarged images for the left and right eyes of the image display element 3 are formed as double images on the Fresnel lens surface of the eyepiece optical system 32. The light beams from the light sources 4L and 4R refracted by the eyepiece optical system 32 converge on the left and right exit pupils 1L and 1R, respectively (the light sources 4L and 4R and the exit pupils 1L and 1R are conjugate). At that time, since the left and right optical axes 2L and 2R intersect at a point P of 320 mm from the position of the exit pupils 1L and 1R to the eyepiece optical system 32 side, an image is formed on the Fresnel lens surface of the eyepiece optical system 32. The enlarged images for the left and right eyes with binocular parallax are fused in the vicinity of this point P, and it looks as if a stereoscopic image is displayed in the air.
[0102]
In this embodiment, a lenticular sheet having diffusivity in the vertical direction is arranged near the plane of the eyepiece optical system 32 (three surfaces in the numerical data), and the pupil is enlarged only in the vertical direction for wider observation. A range can be secured.
[0103]
In this embodiment, all of the first surface 11 to the fourth surface 14 of the decentered prism 10 are free-form surfaces, and aspheric surfaces are used for the Fresnel transmission surfaces of the Fresnel lenses of the eyepiece optical system 32 and the illumination optical system 5. ing.
[0104]
In Example 2, the unilateral pupil diameter is 15 mm wide and 10 mm vertically, and the observation image is formed on the eyepiece optical system 32 having a horizontal size of 55 mm and a vertical size of 41.25 mm, 400 mm forward from the pupil position, and the left and right optical axes are inward. It exits from the eyepiece optical system 32 with an angle, and its inward angle intersects the eyepiece optical system 32 side from the pupil position at a position of 320 mm. As the left and right image display elements 3L and 3R, display elements of 8.94 mm × 6.71 mm are used.
[0105]
FIG. 14 is an optical path diagram from one light source 4L projected onto the YZ plane of the second embodiment to one exit pupil 1L, FIG. 15 is an optical path diagram projected onto the XZ plane, and FIG. 16 is an XZ plane. The optical path diagram which goes to both the exit pupils 1L and 1R from the light sources 4L and 4R on both sides projected on FIG.
[0106]
The numerical data described later is data of the optical system from the left exit pupil 1L through the image display element 3L to one light source 4L, and from the right exit pupil 1R through the image display element 3R to the other light source 4R. Is arranged in a plane-symmetrical position with the YZ plane as the plane of symmetry.
[0107]
The optical system of Example 2 is an optical system for a binocular image display device corresponding to the form of FIG. 3 as shown in FIGS. 14 to 16, and the relay optical system 31 has a YZ plane as a symmetry plane. A pair of plane-symmetric decentering prisms 10L and 10R are used, and left and right image display elements 3L and 3R are arranged facing each incident surface 11, and the illumination optical systems 5L and 5R and the light sources 4L and 4R are also separately provided. This is an example.
[0108]
In the optical system of this embodiment, as shown in FIGS. 14 to 16, the eyepiece optical system 32 facing the exit pupils 1L and 1R has a Fresnel transmission surface on the exit pupil 1L and 1R side, and a plane on the opposite side. The reflecting surface (plane mirror) 33 for returning the optical path is disposed on the incident side, and the relay optical system 31 including the pair of decentering prisms 10L and 10R is disposed facing the reflecting surface 33. . The decentered prisms 10L and 10R of this embodiment include a first surface 11 facing the image display elements 3L and 3R, a fourth surface 14 facing the reflecting surface 33, and between the first surface 11 and the fourth surface 14, respectively. The decentering prisms 10L and 10R are plane-symmetric with respect to the symmetry plane (YZ plane) of the optical system as described above. It has a shape.
[0109]
The image display elements 3L and 3R are transmissive liquid crystal display elements. On the opposite side of the relay optical system 31 side, Fresnel lenses each having a double-sided Fresnel transmission surface are provided as the image display elements 3L as illumination optical systems 5L and 5R, respectively. The light sources 4L and 4R for the left and right optical paths are arranged in a plane symmetrical with respect to the symmetry plane (YZ plane) in the vicinity of the front focal point thereof.
[0110]
In this embodiment, left and right eye images with binocular parallax are displayed on the left and right image display elements 3L and 3R, and illuminated by the left and right light sources 4L and 4R via the left and right illumination optical systems 5L and 5R. The left and right decentering prisms 10L and 10R project the images of the left and right image display elements 3L and 3R in the vicinity of the common eyepiece optical system 32, and the left and right eyes located at the exit pupils 1L and 1R have parallax. Are displayed as a three-dimensional image.
[0111]
That is, the light beams emitted from the light sources 4L and 4R are made approximately parallel by the Fresnel lenses of the left and right illumination optical systems 5L and 5R, respectively, and illuminate the left and right image display elements 3L and 3R composed of transmissive liquid crystal display elements from the back. The display light is refracted by the first surfaces 11 of the left and right decentered prisms 10L and 10R, enters the prism, repeats internal reflection on the second surface 12 and the third surface 13, and is refracted by the fourth surface 14. The two light beams are emitted from the prism, and the two light fluxes are folded back by the reflecting surface 33, and the left and right eye enlarged images of the left and right image display elements 3L and 3R are formed on the Fresnel lens surface of the eyepiece optical system 32 as a double image. The light beams from the light sources 4L and 4R that are imaged and refracted by the eyepiece optical system 32 converge on the left and right exit pupils 1L and 1R, respectively (the light sources 4L and 4R and the exit pupils 1L and 1R are conjugate). At that time, since the left and right optical axes 2L and 2R intersect at a point P of 320 mm from the position of the exit pupils 1L and 1R to the eyepiece optical system 32 side, an image is formed on the Fresnel lens surface of the eyepiece optical system 32. The enlarged images for the left and right eyes with binocular parallax are fused in the vicinity of this point P, and it looks as if a stereoscopic image is displayed in the air.
[0112]
Also in this embodiment, a lenticular sheet having diffusivity in the vertical direction is arranged near the plane (three surfaces in the numerical data) of the eyepiece optical system 32, and the pupil is enlarged only in the vertical direction. An observation range can be secured.
[0113]
In this embodiment, free-form surfaces are used for the first surface 11 to the fourth surface 14 of the decentering prisms 10L and 10R, and the Fresnel transmission surfaces of the Fresnel lenses of the eyepiece optical system 32 and the illumination optical system 5 are aspherical surfaces. Is used.
[0114]
In Example 3, the unilateral pupil diameter is 10 mm, the observation image is formed on the eyepiece optical system 32 having a horizontal size of 55 mm and a vertical size of 41.25 mm, 400 mm forward from the pupil position, and the left and right optical axes have inward angles. It exits from the eyepiece optical system 32, and its inward angle intersects the eyepiece optical system 32 side from the pupil position at a position of 320 mm. As the image display element 3, a display element of 8.94 mm × 6.71 mm is used.
[0115]
FIG. 17 is an optical path diagram from one light source 4L projected onto the YZ plane of the third embodiment to one exit pupil 1L, FIG. 18 is an optical path diagram projected onto the XZ plane, and FIG. 19 is an XZ plane. FIG. 20 shows light paths 4L, 4R, illumination optical system 5, image display element 3, and decentered prisms of relay optical system 31 from both light sources 4L, 4R projected on both sides to the exit pupils 1L, 1R. The enlarged view of 10 vicinity is shown.
[0116]
The numerical data described later is data from the left exit pupil 1L through the image display element 3 to one light source 4L, and optical system data from the right exit pupil 1R through the image display element 3 to the other light source 4R. Is arranged in a plane-symmetrical position with the YZ plane as the plane of symmetry.
[0117]
In this embodiment, the eyepiece optical system 32 is different from the first embodiment in that the exit pupil 1L (1R) side surface is a free-form transmission surface 21, and the opposite surface is a Fresnel reflection surface 22. In this example, the reflecting surface 33 for turning back the optical path is omitted, and the fourth surface 14 (five surfaces in the numerical data) of the decentered prism 10 constituting the relay optical system 31 is a surface with the YZ plane as a symmetry plane. Only the one surface 14L, which is formed of a symmetrical discontinuous surface and is involved in the formation of the left exit pupil 1L, is shown. The surface 14L is provided on the negative side of the X axis from the YZ plane, and the other surface 14R that is plane-symmetric with respect to the positive side of the X axis is provided from the YZ plane (FIG. 20). By forming the fourth surface 14 as a discontinuous surface composed of two optical surfaces 14L and 14R that are symmetrical with respect to the symmetry plane, 75 mm can be obtained around the symmetry surface (YZ surface) of the optical system of the present embodiment. An optical system having left and right exit pupils 1L and 1R having a pupil diameter of 10 mm can be configured.
[0118]
As shown in FIGS. 17 to 20, the eyepiece optical system 32 facing the exit pupil 1L (1R) is opposite to the transmission surface 21 having a free-form surface on the exit pupil 1L (1R) side. The side surface is composed of the Fresnel reflecting mirror 20 including the Fresnel reflecting surface 22, and the relay optical system 31 is disposed on the reflecting side. The relay optical system 31 includes a decentered prism 10 facing the image display element 3, and the decentered prism 10 of this embodiment includes a first surface 11 facing the image display element 3 and a fourth surface facing the reflecting surface 33. 14 and the second surface 12 and the third surface 13 of the two reflecting surfaces arranged between the first surface 11 and the fourth surface 14, and as described above, the fourth surface 14 is symmetrical with the optical system. It consists of two surfaces 14L and 14R that constitute a discontinuous plane that is plane-symmetric with respect to the plane (YZ plane).
[0119]
Further, the image display element 3 is composed of a transmissive liquid crystal display element, and on the side opposite to the relay optical system 31 side, a Fresnel lens comprising a double-sided Fresnel transmissive surface as the illumination optical system 5 is disposed in the vicinity of the image display element 3. In the vicinity of the front focal plane, the light sources 4L and 4R for the left and right optical paths are arranged in plane symmetry with respect to the symmetry plane (YZ plane).
[0120]
In this embodiment, left and right eye images with binocular parallax are alternately displayed on the image display element 3, and the light sources 4L and 4R for the left and right optical paths are selectively lit in synchronization with the switching, The right and left eye images with parallax are displayed on the left and right eyes located at the exit pupils 1L and 1R in a time-sharing manner and displayed as a stereoscopic image.
[0121]
That is, the light beams emitted from the light sources 4L and 4R are made substantially parallel by the Fresnel lens of the illumination optical system 5, respectively, illuminate the image display element 3 composed of a transmissive liquid crystal display element from the back, and the display light is decentered prism 10. The first surface 11 is refracted and incident on the prism, the internal reflection is repeated on the second surface 12 and the third surface 13, and the two surfaces 14L and 14R of the fourth surface 14 as light beams along different optical paths. The two light beams are refracted and emitted outside the prism, and the enlarged images for the left and right eyes of the image display element 3 are formed as double images on the transmission surface 21 of the Fresnel reflecting mirror 20 of the eyepiece optical system 32, The light beams from the light sources 4L and 4R reflected by the eyepiece optical system 32 converge on the left and right exit pupils 1L and 1R, respectively (the light sources 4L and 4R and the exit pupils 1L and 1R are conjugate). At that time, since the left and right optical axes 2L and 2R intersect at a point P of 320 mm from the position of the exit pupils 1L and 1R to the eyepiece optical system 32 side, an image is formed on the transmission surface 21 of the Fresnel reflector 20. The enlarged images for the left and right eyes with binocular parallax are fused in the vicinity of this point P, and it looks as if a stereoscopic image is displayed in the air.
[0122]
In this embodiment, a free curved surface is used for all of the first surface 11 to the fourth surface 14 of the eccentric prism 10, a free curved surface is used for the transmitting surface 21 of the Fresnel reflecting mirror 20, and the Fresnel of the Fresnel reflecting mirror 20. An aspherical surface is used for the reflection surface 22 and the Fresnel transmission surface of the Fresnel lens of the illumination optical system 5.
[0123]
Numerical data of each example is shown below. In the table below, “FFS” is a free-form surface, “ASS” is an aspheric surface, “RE” is a reflective surface, “FR” is a Fresnel surface, and “LCD” is an image. The display surface, “EIM”, indicates the image plane.
[0124]
Figure 0004846931
Figure 0004846931
Figure 0004846931
[0125]
Figure 0004846931
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[0126]
Figure 0004846931
Figure 0004846931
Figure 0004846931
[0127]
The lateral aberration of the optical system on one side of Example 1 is shown in FIG. In this lateral aberration diagram, the numbers shown in parentheses represent (horizontal field angle, vertical field angle), and represent lateral aberration at that field angle.
[0128]
Next, in the binocular image display device of the present invention, two light sources 4L and 4R that illuminate one or two image display elements 3, 3L, and 3R will be described. In the following description, the light source used is represented by reference numeral 4, the image display elements 3, 3L, and 3R are also represented by the image display element 3, and the Fresnel lenses of the illumination optical systems 5, 5L, and 5R are represented by the Fresnel lens 5 as well. Represented by
[0129]
As shown in FIG. 22, the image display element 3 may be illuminated with the illumination light beam from the light source 4 via the Fresnel lens 5, but as shown in the figure, it does not face the Fresnel lens 5 from the light source 4. The light a is wasted, and the illumination light is wasted, so that bright display is difficult and power consumption is increased.
[0130]
Therefore, as shown in FIG. 23, between the light source 4 and the Fresnel lens 5 of the illumination optical system, it is a polygonal column having a cross section corresponding to the shape of the image display element 3, and its side surface is a reflection surface. 22, the illumination light from the light source 4 is incident from one end thereof, and not only the light directly incident on the Fresnel lens 5 from the light source 4 but also the wasted light a in FIG. By reflecting the light on the reflecting surface and entering the Fresnel lens 5, the illumination light can be used effectively. The reflected light from this side surface forms an image of the light source 4 as shown by reference numeral 4 ′ in FIG. 23, and not only the light from the light source 4 but also the light from the image 4 ′ of the light source 4 is a Fresnel lens. Therefore, the illumination light is effectively used.
[0131]
As shown in FIG. 24A, the integrator rod 6 can be configured by making the side surface 61 of the prismatic transparent body 60 a total reflection surface or mirror-coating it as a reflection surface. Further, as shown in FIG. 24B, a plate-like body 62 having an inner surface 63 as a reflection surface may be bonded to form a polygonal cylinder.
[0132]
If the integrator rod 6 is a simple polygonal column as shown in FIG. 23, the distance between the light source 4 and its image 4 ′ is relatively far away as shown in FIG. 25 (a). Become. As shown in FIG. 25 (b), an inclined surface 6 ′ is formed on the incident end side of the integrator rod 6 so that another image 4 ″ of the light source 4 is formed between the light source 4 and its image 4 ′. When the polygonal pyramid shape is used, light from the high-density light source 4 and its images 4 ′ and 4 ″ is incident on the Fresnel lens 5. Therefore, bright illumination can be achieved by using illumination light more effectively.
[0133]
In the above description, the binocular image display device according to the present invention uses the binocular parallax image displayed on one or two image display elements 3, 3L, 3R as a stereoscopic image. Although it has been described as magnifying observation, instead, it can be configured as a binocular image display device that magnifies and observes an aerial image with binocular parallax imaged by another optical system as a stereoscopic image. FIG. 26 shows an example in which the binocular entity observation apparatus is configured using the configuration shown in FIG. The three-dimensional object O is formed as a left and right aerial image with binocular parallax on the same image plane 3 ′ through the objective lens 35 having the left and right pupils 36L and 36R. The left and right aerial images with binocular parallax pass through the optical system of the present invention including the relay optical system 31 composed of the decentered prism 10 and the eyepiece optical system 32 as shown in the first embodiment, for example. Since the images are superimposed on the optical system 32 and the respective light beams are separately incident on the left and right exit pupils 1L and 1R, the stereoscopic object O is enlarged by positioning both eyes on the exit pupils 1L and 1R. A stereoscopic image can be observed.
[0134]
As the decentered prism optical system used for the relay optical system of the binocular image display device of the present invention, the type used in Examples 1 to 3 above and the type of internal reflections of 2 to 3 shown in FIG. The optical system is not limited to a prism, and other types of decentered prisms or combinations of these decentered prisms can be used.
[0135]
The binocular image display device of the present invention described above can be configured as follows, for example.
[0136]
[1] A relay optical system that projects an image displayed on an image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point, and a light beam from the relay optical system toward an observer's eye In an image display device having an eyepiece optical system having a convergence action that converges in
The image display element is configured to alternately display images for right and left eyes having binocular parallax, and the aerial image is an aerial image having binocular parallax formed on the same plane,
The relay optical system splits a light beam emitted from an object displayed on the image display element or the aerial image into two optical paths and forms left and right exit pupils on the two optical paths. An optical system that
The eyepiece optical system guides the two optical paths divided by the relay optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes, and the left and right exit pupils formed by the relay optical system to the observer's eyes A binocular image display device having at least positive power for projecting to the left and right exit pupil positions corresponding to.
[0137]
[2] Two light sources for illuminating the image display element are provided, and light beams from one light source are transmitted through the image display element, guided to one of the right and left exit pupils through the relay optical system, and the other 2. The binocular image display device according to claim 1, wherein the light beam from the light source is disposed so as to pass through the image display element and to be guided to the other of the left and right exit pupils through the relay optical system. .
[0138]
[3] The one light source is turned on when one of the left and right eye images having binocular parallax is displayed on the image display element, and the other light source has binocular parallax on the image display element. 3. The binocular image display device according to claim 2, wherein the binocular image display device is configured to be lit when the other of the left and right eye images is displayed.
[0139]
[4] The relay optical system forms an image for left and right eyes with binocular parallax or an aerial image with binocular parallax displayed on the image display element in the vicinity of the eyepiece optical system. 3. The binocular image display device according to claim 1, wherein the binocular image display device is configured.
[0140]
[5] The binocular image display device as described in 4 above, wherein an optical surface having directional diffusivity is disposed in the vicinity of the eyepiece optical system.
[0141]
[6] The shape of each of the left and right exit pupils by the relay optical system is an ellipse that is long to the left and right, and the optical surface having the directional diffusibility has a diffusing action only in the vertical direction perpendicular to the long axis of the ellipse. 6. The binocular image display device according to 5 above, which is an optical surface.
[0142]
[7] The optical axes of the two optical paths guided from the eyepiece optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes are arranged so as to intersect on the observer's eyes side with respect to the eyepiece optical system. 7. The binocular image display device according to any one of 1 to 6 above, wherein
[0143]
[8] The relay optical system has a decentered prism formed of a medium having a refractive index (n) larger than 1 (n> 1), and the decentered prism prisms a light beam emitted from the object point. A light incident surface, at least one reflecting surface for reflecting the light beam inside the prism, an exit surface for emitting the light beam outside the prism, and at least one rotationally asymmetric surface, One optical action surface is composed of a discontinuous surface composed of at least two adjacent surfaces, and the other optical action surface is commonly arranged in at least two divided optical paths. The binocular image display device according to claim 7.
[0144]
[9] The decentered prism includes two reflecting surfaces, and includes an incident surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface, and an exit surface, and an optical path connecting the incident surface and the first reflecting surface is the second reflecting surface. 9. The binocular image display device according to 8 above, wherein an optical path connecting the exit surface intersects within the prism.
[0145]
[10] The decentered prism includes three reflecting surfaces, and the third reflecting surface is formed by a surface that also serves as an incident surface on which light from the image display element or the aerial image is incident. 9. The binocular image display device according to 8 above, wherein the reflecting surface is formed as a surface that also serves as an exit surface.
[0146]
[11] The binocular image display according to item 8, wherein the decentered prism includes two reflecting surfaces, and includes an incident surface, a first reflecting surface that also serves as an exit surface, and a second reflecting surface. apparatus.
[0147]
[12] The binocular image display according to item 8, wherein the decentered prism includes two reflecting surfaces, and includes a second reflecting surface that also serves as an incident surface, a first reflecting surface, and an exit surface. apparatus.
[0148]
[13] The decentered prism is a free-form surface having only one plane of symmetry, and each of the surfaces constituting the prism other than the discontinuous plane has a plane of symmetry substantially in the same plane. 13. The binocular image display device according to any one of 8 to 12 above.
[0149]
[14] The binocular image display device according to any one of 1 to 13, wherein the eyepiece optical system has at least one rotationally asymmetric surface.
[0150]
[15] The binocular image display device according to any one of 1 to 14, wherein the eyepiece optical system is a reflection optical system.
[0151]
[16] The binocular image display device as described in 15 above, wherein the eyepiece optical system has a Fresnel reflecting surface.
[0152]
[17] The binocular image display device according to any one of 1 to 14, wherein the eyepiece optical system is a refractive optical system.
[0153]
[18] The binocular image display device as described in 17 above, wherein the eyepiece optical system has a Fresnel transmission surface.
[0154]
[19] The binocular image display device according to any one of 1 to 14, wherein the eyepiece optical system is a diffractive optical system.
[0155]
[20] A relay optical system that projects an image displayed on the image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point, and a light beam from the relay optical system directed toward the observer's eyes. In an image display device having an eyepiece optical system having a convergence action that converges in
The image display element includes a pair of image display elements that display images for left and right eyes with binocular parallax, and the aerial image includes a pair of aerial images with binocular parallax formed in parallel.
The relay optical system uses a pair of images displayed on the image display element or the pair of aerial images arranged in parallel as object points, and guides light beams emitted from these object points to separate optical paths, and on the two optical paths. Consists of an optical system that forms left and right exit pupils,
The eyepiece optical system guides the two optical paths that have passed through the relay optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes, and the left and right exit pupils formed by the relay optical system correspond to the observer's eyes An image display device having at least positive power for projecting to left and right exit pupil positions.
[0156]
[21] There are two light sources that illuminate the pair of image display elements, and light beams from one light source pass through one image display element and are guided to one of the left and right exit pupils via the relay optical system. 21. Both of the above items 20, wherein the light beam from the other light source passes through the other image display element and is guided to the other of the left and right exit pupils through the relay optical system. Eye image display device.
[0157]
[22] The relay optical system converts the image for the left and right eyes having binocular parallax displayed on the pair of image display elements or an aerial image having binocular parallax formed in parallel with the eyepiece optical. 22. The binocular image display device according to the above 20 or 21, wherein the binocular image display device is configured to form an image in the vicinity of the system.
[0158]
[23] The binocular image display device as described in 22 above, wherein an optical surface having directional diffusivity is disposed in the vicinity of the eyepiece optical system.
[0159]
[24] The shape of each of the left and right exit pupils by the relay optical system is an ellipse that is long to the left and right, and the optical surface having the directional diffusibility has a diffusing action only in the vertical direction perpendicular to the long axis of the ellipse. 24. The binocular image display device as described in 23 above, which is an optical surface.
[0160]
[25] The optical axes of the two optical paths guided from the eyepiece optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes are arranged so as to intersect the observer's eyes with respect to the eyepiece optical system. 25. The binocular image display device as described in any one of 20 to 24 above.
[0161]
[26] The relay optical system includes a pair of decentered prisms formed of a medium having a refractive index (n) greater than 1 (n> 1), and each decentered prism includes a corresponding image display element or aerial image. And at least one reflecting surface for reflecting the light beam in the prism, and an exit surface for emitting the light beam outside the prism, and at least one reflecting surface. 26. The binocular image display device according to any one of 20 to 25, characterized in that comprises a rotationally asymmetric surface that gives power to the luminous flux.
[0162]
[27] The decentered prism includes two reflecting surfaces, and includes an incident surface, a first reflecting surface, a second reflecting surface, and an exit surface, and an optical path connecting the incident surface and the first reflecting surface is the second reflecting surface. 27. The binocular image display device as described in 26 above, wherein the optical path connecting the exit surface intersects within the prism.
[0163]
[28] The decentered prism includes three reflecting surfaces, and the third reflecting surface is formed of a surface that also serves as an incident surface on which light from a corresponding image display element or aerial image is incident. 27. The binocular image display device as described in 26 above, wherein the reflecting surface is formed as a surface also serving as an exit surface.
[0164]
[28] The binocular image display according to [26], wherein the decentered prism includes two reflecting surfaces, and includes an incident surface, a first reflecting surface that also serves as an exit surface, and a second reflecting surface. apparatus.
[0165]
[29] The binocular image display according to [26], wherein the decentered prism includes two reflecting surfaces, and includes a second reflecting surface also serving as an incident surface, a first reflecting surface, and an exit surface. apparatus.
[0166]
[30] The decentered prism is formed of a free-form surface having only one plane of symmetry, and each plane constituting the prism other than the discontinuous plane has a plane of symmetry within substantially the same plane. 30. The binocular image display device according to any one of 26 to 29 above.
[0167]
[31] The binocular image display device according to any one of 20 to 30, wherein the eyepiece optical system has at least one rotationally asymmetric surface.
[0168]
[32] The binocular image display device according to any one of [20] to [31], wherein the eyepiece optical system is a reflection optical system.
[0169]
[33] The binocular image display device as described in 32 above, wherein the eyepiece optical system has a Fresnel reflecting surface.
[0170]
[34] The binocular image display device according to any one of items 20 to 31, wherein the eyepiece optical system is a refractive optical system.
[0171]
[35] The binocular image display device as described in 34 above, wherein the eyepiece optical system has a Fresnel transmission surface.
[0172]
[36] The binocular image display device according to any one of 20 to 31, wherein the eyepiece optical system is a diffractive optical system.
[0173]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention can provide a binocular image display device that can observe a stereoscopic image or the like with both eyes, is small, and has a small number of parts and is portable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a basic form of a binocular image display device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a configuration of a binocular image display device when a relay optical system is configured by a single decentered prism.
FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating a configuration of a binocular image display device in a case where a relay optical system includes a pair of decentered prisms.
FIG. 4 is a schematic perspective view showing a configuration of a single decentered prism constituting the relay optical system.
FIG. 5 is a diagram showing an exit pupil formed in a long ellipse on the left and right.
FIG. 6 is a diagram for explaining the diffusibility of a diffusive optical surface arranged in an eyepiece optical system.
FIG. 7 is a schematic perspective view showing a binocular image display device of the present invention configured in a handheld viewer type configuration.
FIG. 8 is an optical path diagram from one light source projected onto the YZ plane of the optical system according to the first embodiment of the present invention toward one exit pupil.
9 is an optical path diagram projected onto the XZ plane of the optical system of Example 1. FIG.
FIG. 10 is an optical path diagram from the light sources on both sides projected to the XZ plane of the optical system of Example 1 toward both exit pupils.
11 is an enlarged view in the vicinity of a decentered prism of the light source, illumination optical system, image display element, and relay optical system of FIG.
12 is an imaging optical path diagram corresponding to FIG.
FIG. 13 is an imaging optical path diagram corresponding to FIG. 9;
14 is an optical path diagram from one light source projected onto the YZ plane of the optical system of Example 2 toward one exit pupil. FIG.
15 is an optical path diagram projected onto the XZ plane of the optical system of Example 2. FIG.
FIG. 16 is an optical path diagram from the light sources on both sides projected onto the XZ plane of the optical system of Example 2 toward both exit pupils.
FIG. 17 is an optical path diagram from one light source projected onto the YZ plane of the optical system of Example 3 toward one exit pupil.
FIG. 18 is an optical path diagram projected onto the XZ plane of the optical system of Example 3.
FIG. 19 is an optical path diagram from the light sources on both sides projected onto the XZ plane of the optical system of Example 3 toward both exit pupils.
20 is an enlarged view of the vicinity of a decentered prism of the light source, illumination optical system, image display element, and relay optical system of FIG.
21 is a diagram showing lateral aberration of the optical system on one side of Example 1. FIG.
FIG. 22 is a diagram showing an arrangement of a simple illumination method of an image display element.
FIG. 23 is a diagram showing an arrangement in the case where an image display element is illuminated through an integrator rod.
FIG. 24 is a perspective view showing a configuration example of an integrator rod.
FIG. 25 is a view for explaining the configuration and operation of a modified example of the integrator rod.
FIG. 26 is an optical path diagram showing an example of a binocular entity observation device according to the present invention.
FIG. 27 is a diagram showing several examples of decentered prisms that can be used in the relay optical system of the binocular image display device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1L, 1R ... exit pupil
2L, 2R ... Optical axis
3, 3L, 3R ... Image display element
3 '... Image plane
4, 4L, 4R ... Light source
4 ', 4 "... Image of light source
5, 5L, 5R ... Illumination optical system (Fresnel lens)
6 ... Integrator rod
6 '... Slope on the incident end side of the integrator rod
10, 10L, 10R ... Eccentric prism
11 ... first side
12 ... the second side
13 ... Third surface
14 ... Fourth side
14L, 14R: Optical surfaces constituting discontinuous surfaces
20 ... Fresnel reflector
21 ... Transmission surface on the exit pupil side of the eyepiece optical system
22 ... Fresnel reflecting surface on the opposite side of the eyepiece optical system
30 ... Display device body
31 ... Relay optical system
32 ... Eyepiece optical system
33 ... Reflecting surface (plane mirror)
34 ... Operation buttons
35 ... Objective lens
36L, 36R ... Pupil
60 ... Transparent body
61 ... Side of transparent body
62 ... Plate-shaped body
63 ... Internal reflection surface
P: Intersection of left and right optical axes
O ... Solid objects

Claims (8)

画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれ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に向って収束する収束作用を有する接眼光学系と
を有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するものからなり、
前記空中像は同一面に重ねて結像された両眼視差のある空中像からなり、
前記リレー光学系は、プリズム部材を有し、前記画像表示素子に表示された画像又は前記空中像を物点としてその物点から発する光束を２つの光路に分割すると共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成し、
前記プリズム部材の少なくとも１つの光学作用面は、隣接する２つの面からなる不連続面で構成され、
前記プリズム部材の少なくとも１つの光学作用面は、偏心によって発生する収差を補正する回転非対称面で構成され、
前記接眼光学系は、前記リレー光学系で分割された２つの光路を観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導くと共に、前記リレー光学系によって形成された左右の射出瞳を観察者両眼に対応する左右の射出瞳位置に投影する少なくとも正のパワーを有する
ことを特徴とする両眼画像表示装置。A relay optical system that projects an image displayed on an image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point;
In an image display device having an eyepiece optical system having a convergence function of converging a light beam from the relay optical system toward an observer's eye,
The image display element is configured to alternately display images for left and right eyes with binocular parallax,
The aerial image is composed of an aerial image with binocular parallax formed on the same plane,
The relay optical system includes a prism member , divides a light beam emitted from an object displayed on the image display element or the aerial image as an object point into two optical paths, and on the two optical paths. Forming left and right exit pupils ,
At least one optical action surface of the prism member is composed of a discontinuous surface composed of two adjacent surfaces,
At least one optical working surface of the prism member is composed of a rotationally asymmetric surface that corrects aberrations caused by decentration,
The eyepiece optical system guides the two optical paths divided by the relay optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes, and the left and right exit pupils formed by the relay optical system to the observer's eyes A binocular image display device having at least positive power for projecting to the left and right exit pupil positions corresponding to. 前記画像表示素子を照明する光源を２つ有し、一方の光源からの光束は前記画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の一方に導かれ、他方の光源からの光束は前記画像表示素子を透過し、前記リレー光学系を経てその左右の射出瞳の他方に導かれるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の両眼画像表示装置。  Two light sources for illuminating the image display element are provided, and light beams from one light source are transmitted through the image display element, guided to one of the left and right exit pupils through the relay optical system, and from the other light source. 2. The binocular image display device according to claim 1, wherein the binocular image display device is arranged so as to pass through the image display element and be guided to the other of the left and right exit pupils through the relay optical system. 前記一方の光源は前記画像表示素子に両眼視差のある左右の眼用の画像の一方が表示されたときに点灯され、前記他方の光源は前記画像表示素子に両眼視差のある左右の眼用の画像の他方が表示されたときに点灯されるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の両眼画像表示装置。  The one light source is turned on when one of the left and right eye images having binocular parallax is displayed on the image display element, and the other light source is the left and right eye having binocular parallax on the image display element. The binocular image display device according to claim 2, wherein the binocular image display device is configured to be lit when the other of the images for use is displayed. 前記リレー光学系によって形成された前記左右の射出瞳は、各々の形が左右に長い楕円であり、前記接眼光学系近傍に指向性の拡散性を持つ光学面が配置され、前記指向性の拡散性を持つ光学面が、その楕円の長軸に直交する上下方向に拡散作用を持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の両眼画像表示装置。  The left and right exit pupils formed by the relay optical system are ellipses each having a long left and right shape, and an optical surface having directional diffusivity is disposed in the vicinity of the eyepiece optical system. The optical surface having a property has a diffusing action in the vertical direction perpendicular to the major axis of the ellipse and has almost no diffusing action in the left-right direction. The binocular image display device according to item. 本体部と反射面をさらに有し、前記本体部の一端側から他端側に向かって、前記接眼光学系、前記リレー光学系、前記反射面の順に配置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。  The main body part and a reflection surface are further included, and the eyepiece optical system, the relay optical system, and the reflection surface are arranged in this order from one end side to the other end side of the main body part. The binocular image display device according to any one of 1 to 4. 画像表示素子に表示された画像又は他の光学系によって結像された空中像を物点としてこれ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に向って収束する収束作用を有する接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は両眼視差のある左右の眼用の画像を表示する一対の画像表示素子からなり、前記空中像は並列に結像された両眼視差のある一対の空中像からなり、
前記リレー光学系は、プリズム部材を有し、前記画像表示素子に表示された一対の画像又は前記並列された一対の空中像各々を物点としてそれら物点から発する光束を別々の光路に導くと共に、その２つの光路上に左右の射出瞳を形成し、
前記プリズム部材の少なくとも１つの光学作用面は、隣接する２つの面からなる不連続面で構成され、
前記プリズム部材の少なくとも１つの光学作用面は、偏心によって発生する収差を補正する回転非対称面で構成され、
前記接眼光学系は、前記リレー光学系を経た２つの光路を観察者両眼に対応する左右の射出瞳に導くと共に、前記リレー光学系によって形成された左右の射出瞳を観察者両眼に対応する左右の射出瞳位置に投影する少なくとも正のパワーを有する
ことを特徴とする画像表示装置。A relay optical system that projects an image displayed on an image display element or an aerial image formed by another optical system as an object point, and a light beam from the relay optical system converges toward an observer's eye In an image display apparatus having an eyepiece optical system having a convergence action,
The image display element includes a pair of image display elements that display images for left and right eyes with binocular parallax, and the aerial image includes a pair of aerial images with binocular parallax formed in parallel.
The relay optical system includes a prism member, and guides a light beam emitted from each of the pair of images displayed on the image display element or the pair of aerial images arranged in parallel as an object point to separate optical paths. , Form left and right exit pupils on the two optical paths ,
At least one optical action surface of the prism member is composed of a discontinuous surface composed of two adjacent surfaces,
At least one optical working surface of the prism member is composed of a rotationally asymmetric surface that corrects aberrations caused by decentration,
The eyepiece optical system guides the two optical paths that have passed through the relay optical system to the left and right exit pupils corresponding to the observer's eyes, and the left and right exit pupils formed by the relay optical system correspond to the observer's eyes An image display device having at least positive power for projecting to left and right exit pupil positions. 前記リレー光学系によって形成された前記左右の射出瞳は、各々の形が左右に長い楕円であり、前記接眼光学系近傍に指向性の拡散性を持つ光学面が配置され、前記指向性の拡散性を持つ光学面が、その楕円の長軸に直交する上下方向に拡散作用を持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であることを特徴とする請求項６記載の両眼画像表示装置。  The left and right exit pupils formed by the relay optical system are ellipses each having a long left and right shape, and an optical surface having directional diffusivity is disposed in the vicinity of the eyepiece optical system. 7. The binocular image display according to claim 6, wherein the optical surface having a diffusive property is a surface having a diffusing action in a vertical direction perpendicular to the major axis of the ellipse and hardly having a diffusing action in the left-right direction. apparatus. 本体部と反射面をさらに有し、前記本体部の一端側から他端側に向かって、前記接眼光学系、前記リレー光学系、前記反射面の順に配置されていることを特徴とする請求項６又は７記載の両眼画像表示装置。  The main body part and a reflection surface are further included, and the eyepiece optical system, the relay optical system, and the reflection surface are arranged in this order from one end side to the other end side of the main body part. The binocular image display device according to 6 or 7.
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