WO2006025317A1 - 光束径拡大光学系及び画像表示装置 - Google Patents

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WO2006025317A1
WO2006025317A1 PCT/JP2005/015648 JP2005015648W WO2006025317A1 WO 2006025317 A1 WO2006025317 A1 WO 2006025317A1 JP 2005015648 W JP2005015648 W JP 2005015648W WO 2006025317 A1 WO2006025317 A1 WO 2006025317A1
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light beam
optical
light
expanding
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PCT/JP2005/015648
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Yoshikazu Hirayama
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Nikon Corporation
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    • G02B27/017—Head mounted
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Definitions

  • the present invention relates to a light beam diameter expanding optical system applied to illumination of a liquid crystal display element.
  • the present invention also relates to an image display device that is mounted on an optical device such as an eyeglass display, a head-mounted display, a camera, a mobile phone, a binocular, a microscope, and a telescope, and forms a virtual image of a display screen in front of an observation eye.
  • an optical device such as an eyeglass display, a head-mounted display, a camera, a mobile phone, a binocular, a microscope, and a telescope, and forms a virtual image of a display screen in front of an observation eye.
  • An optical system for expanding an exit pupil has been proposed as an optical system for an eyeglass display (Patent Document 1, etc.).
  • a plurality of half mirrors are arranged in series with respect to the respective transmission optical paths, and each reflecting surface is inclined by a predetermined angle ⁇ ° with respect to the surface of the substrate.
  • ⁇ ° is inclined by a predetermined angle ⁇ ° with respect to the surface of the substrate.
  • the display light beam emitted from the display screen enters the half mirror of this optical system through the objective lens at an incident angle (90-0) °.
  • exit pupil the exit pupil
  • the optical system described in Fig. 2 of Patent Document 1 enlarges the exit pupil by enlarging the diameter of the display light beam.
  • this optical system is used as an illumination optical system for liquid crystal display elements,
  • the area where the lines are superimposed and incident, that is, the illumination area can be enlarged.
  • the optical system disclosed in Fig. 13 of Patent Document 1 expands the exit pupil in a two-dimensional direction.
  • the illumination area can be expanded in a two-dimensional direction.
  • Patent Document 1 Japanese Translation of Special Publication 2003-536102
  • the arrangement interval of the mirrors 22a, 22b, and 22c cannot be made smaller than the arrangement interval shown in FIG. 13 unless the size of the individual mirrors 22a, 22b, and 22c is reduced.
  • an object of the present invention is to provide a light beam diameter expanding optical system that can expand the light beam diameter in a two-dimensional direction and is advantageous in space saving.
  • the optical system for expanding the light beam diameter of the present invention reflects a light beam introduced from the outside on the inner surface of the first optical member and propagates it in the first direction, and transmits the light beam propagated in the first direction at each position.
  • a first optical system that deflects the light beam in a predetermined direction and expands the diameter of the light beam in the first direction, and the light beam whose diameter is expanded in the first direction is different from the first optical member.
  • the first optical system includes a plurality of reflections having normals arranged on a plane of existence of an optical axis determined by a light beam propagating through the first optical member.
  • the second optical system has a plurality of reflecting surfaces with normals arranged on a plane of existence of an optical axis determined by a light beam propagating in the second optical member.
  • the plurality of reflecting surfaces of the first optical system generate a plurality of light beams arranged in the first direction from the light beams propagating in the first direction
  • the second optical system The plurality of reflecting surfaces may generate a plurality of light beams arranged in the second direction from the light beams propagating in the second direction.
  • the first optical system is formed in close contact with a predetermined region on one surface of the first optical member that is used for reflection, and a part of the light flux that reaches each position in the predetermined region.
  • An optical surface that emits light to the outside of the first optical member, and a plurality of micro-reflecting surfaces that deflect the light beam emitted from the first optical member in a predetermined direction, and the second optical system includes: A part of the light beam that is formed in close contact with a predetermined area of one surface of the second optical member that is used for reflection and reaches each position in the predetermined area is emitted to the outside of the second optical member. And an optical surface to be deflected and a plurality of minute reflecting surfaces that deflect the light beam emitted from the second optical member in a predetermined direction.
  • the optical surface of the first optical system and the optical surface of the second optical system have different transmittance reflectance characteristics with respect to incident light depending on the incident angle, and the transmittance with respect to normal incident light is obliquely incident. It has higher light transmittance than light transmittance.
  • the minute reflection surface of the first optical system has different transmission and reflection characteristics with respect to incident light depending on the incident angle, and the incident light in the same propagation direction as the perpendicular incident light with respect to the optical surface of the first optical system.
  • the transmittance is higher than the transmittance for incident light in the same propagation direction as the oblique incident light with respect to the optical surface
  • the minute reflecting surface of the second optical system transmits the incident light.
  • One reflection characteristic varies depending on the incident angle, and the transmittance for incident light in the same propagation direction as the perpendicular incident light to the optical surface of the second optical system is incident light in the same propagation direction as the oblique incident light to the optical surface. It has higher properties than the transmittance for, and so on.
  • the first optical system includes a plurality of partial reflection surfaces formed in the first optical member.
  • the second optical system may have a plurality of partial reflection surfaces formed in the second optical member.
  • the light beam deflected by the first optical system and deviating from the propagation path in the first optical member is introduced into the propagation path in the second optical member.
  • the reflective surface for introduction may be further provided.
  • the image display device of the present invention includes an image display element and any one of the light beams of the present invention that expands the exit pupil by enlarging the diameter of the display light beam at each angle of view introduced from the image display element. It is provided with a diameter-enlarging optical system.
  • a light beam diameter enlarging optical system that can expand the light beam diameter in a two-dimensional direction and is advantageous for space saving is realized.
  • FIG. 1 is an external view of an eyeglass display according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded view of the optical system portion of the eyeglass display of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the optical path of the image introduction unit 2, substrates l lh, 12h and their surroundings.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing substrates l lv and 12v and their surrounding optical paths.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of multi-mirrors 12ha and 12va.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of multi-mirrors 12ha,, 12va according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the action of multi-mirrors 12ha ′ and 12va according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an eyeglass display according to a third embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of multi-mirrors 12ha “, 12va” according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an eyeglass display according to a fourth embodiment.
  • FIG. 11 is an external view of an eyeglass display according to a fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic sectional view showing details of the layout of the eyeglass display of the fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a projector to which the present invention is applied.
  • FIG. 1 is an embodiment of an eyeglass display.
  • this eyeglass display also has forces such as an image display optical system 1, an image introduction unit 2, a cable 3, and a support member 4.
  • the image display optical system 1 corresponds to the light beam diameter enlarging optical system in the claims
  • the image display optical system 1 and the image introduction unit 2 correspond to the image display device in the claims.
  • the support member 4 is used to mount the image display optical system 1 and the image introduction unit 2 on the head of the observer, and includes a temple 4a, a rim 4b, a bridge 4c, and the like similar to a frame of glasses.
  • the cable 3 is a cable for supplying a video signal and power from the external device to the image introduction unit 2.
  • the image display optical system 1 is disposed in front of one eye of the observer (here, the right eye is referred to as “observation eye”) e.
  • the image introduction unit 2 is disposed in the lower right part of the image display optical system 1.
  • the image display optical system 1 is formed by sequentially arranging the substrates 12h, l lh, 13, l lv, and 12v in close contact with each other in the order of the side force of the observer.
  • the substrates l lh and l lv correspond to the first optical member and the second optical member in the claims.
  • Each of the substrates 12h, l lh, 13, l lv, and 12v is at least a visible light component of the external light flux directed to the observation eye e from the external environment (region on the side opposite to the observer of the image display optical system 1). It is a transparent substrate.
  • Boards 13, l lv, and 12v are approximately the same size and size as eyeglass lenses. Boards 12h and l lh are placed in a small space at the right end of board 13, l lv, and 12v that is smaller in width than board 12h and l lh. Yes.
  • the substrates 12h, l lh, and l lv are parallel plates, the substrate 13 is a lens having a curved surface 13-2 on the observer side, and the substrate 12v is a surface 12v on the counter-observer side.
  • —L is a lens with a curved surface. These curved surfaces are responsible for diopter correction.
  • An introduction mirror 1 lha and a folding mirror 1 lhb are formed below and above the inside of the substrate 1 lh, and an introduction mirror l lva and a folding mirror 1 l lvb are formed on the right and left sides inside the substrate l lv. It is formed.
  • This introduction mirror l lva force corresponds to the introduction reflecting surface in the claim.
  • a multi-mirror 12ha is provided on the outer surface 12h-1 of the substrate 12h.
  • a multi-mirror 12va is provided on the surface 12v-2 on the viewer side of the substrate 12v.
  • the surface l lh-2 on the viewer side of the substrate l lh is provided with a reflection transmitting surface 12a-1 that plays a part of the role of the multi-mirror 12ha.
  • the optical system composed of the reflection / transmission surface 12a-1 and the multi-mirror 12ha is referred to as a multi-mirror 12ha.
  • the surface l lv-1 on the outside world side of the substrate l lv is provided with a reflection / transmission surface 12a-1 that plays a part of the role of the multi-mirror 12va.
  • a multi-mirror 12va an optical system composed of the reflection / transmission surface 12a-1 and the multi-mirror 12va is referred to as a multi-mirror 12va.
  • a reflection / transmission surface 13b is provided on the surface l lv-2 on the viewer side of the substrate l lv.
  • These reflective and transmissive surfaces 12a-1 and 13b exhibit different transmission and reflectance characteristics depending on the incident angle. Specifically, the reflective and transmissive surfaces 12a-1 and 13b exhibit high reflectivity with respect to light incident at a relatively large incident angle and are small. High transparency to incident light at an incident angle (substantially perpendicular).
  • the difference between the reflection / transmission surface 12a-1 and the reflection / transmission surface 13b is that the reflection / transmission surface 12a- for light having a larger incident angle than the transmittance of the reflection / transmission surface 13b for light having a large incident angle.
  • the transmittance of 1 is higher.
  • the multi-mirror 12ha and the substrate l lh correspond to the first optical system in the claims, and the multi-mirror 12va and the substrate l lv correspond to the second optical system in the claims (details will be described later).
  • a liquid crystal display element that displays an image based on an image signal 21 and an objective lens 22 having a focal point in the vicinity of the liquid crystal display element 21 are arranged.
  • the liquid crystal display element 21 corresponds to the image display element in the claims.
  • the display light beam L emitted from each position on the display screen of the liquid crystal display element 21 in the image introducing unit 2 is converted into a parallel light beam by the objective lens 22.
  • the actual display light flux L is composed of the light flux at each angle of view.
  • the display light beam L is also incident on the lower force of the surface l lh-1 on the outside l side of the substrate l lh and is incident on the introduction mirror l lha.
  • the placement angle l lha of the substrate l lh with respect to the surface of the substrate l lh is the introduction mirror l lha m
  • the critical angle ⁇ 39.9 ° at the reflective / transmissive surface 12a-1.
  • the display light beam L Due to the reflecting action of the introduction mirror l lha, the display light beam L is totally reflected on the surface 1 lh-2 on the viewer l side of the substrate l lh, and is almost totally reflected on the surface l lh-1 on the outside. While satisfying the angle condition of reflecting and transmitting part of the light, it repeatedly reflects the inner surface alternately, propagates upward, and enters the folding mirror l lb. This propagation direction (from bottom to top) corresponds to the first direction in the claims.
  • the normal of the folding mirror l lhb is in the same direction as the light beam traveling at the central angle of view of the display beam L, so the folding mirror l lhb folds the display beam L propagated through the substrate l lh, It works to reverse the optical path when incident. Due to the reflecting action of the folding mirror l lhb, the display light beam L reciprocates inside the substrate l lh.
  • an air gap is provided between the substrate 13 (see FIG. 2) and the substrate l lh, and an area of the substrate 13 facing the substrate l lh has optical power for the display light flux L.
  • the plane is not given.
  • the display light beam L emitted from the substrate l lh is directed to the substrate l lv through the substrate 13.
  • the schematic shape of the entrance pupil (pupil of the objective lens 22) is shown by a dotted line on the left side of the image introduction unit 2, and the pupil formed on the multimirror 12ha is shown on the right side of the substrate 12h.
  • the approximate shape is indicated by a dotted line.
  • the word “pupil” is used to mean a region where light beams of various angles of view of the display light beam L are superimposed.
  • a plurality of pupils are formed on the multi-mirror 12ha so as to be shifted in the vertical direction.
  • the plurality of pupil powers of the emitted display light beam L are substantially directed toward the substrate l lv and wide in the upward and downward direction to form a pupil.
  • the vertical width d of each pupil in the multi-mirror 12ha is determined by the following equation (1) by the diameter d r 0 of the entrance pupil and the placement angle ⁇ of the introduction mirror l lha with respect to the surface of the substrate l lh in m
  • interval W between adjacent pupils on the multi-mirror 12ha is expressed by the following equation (2) depending on the thickness d of the substrate l lh.
  • W is preferably set slightly larger than d based on the equations (1) and (2).
  • d the force that creates gaps between the individual pupils on the multi-mirror 12ha.
  • the entire display beam L emitted from those pupils can form a large pupil at a position away from the multi-mirror 12ha. It ’s Kato et al.
  • the display light beam L whose diameter is increased in the vertical direction is incident on the inside of the substrate l lv through the substrate 13 as shown in FIG.
  • the incident display light beam L is incident on an introduction mirror l lva provided inside the substrate l lv.
  • the placement angle 0 of the introduction mirror l lva with respect to the surface of the substrate l lv is the introduction mirror l lva m
  • the display light beam L reflected at is set so as to be incident on the surface 1 lv-2 on the observer side of the substrate 1 lv at a predetermined incident angle ⁇ .
  • the incident angle ⁇ i is larger than the critical angle ⁇ of the substrate l lv.
  • the critical angle ⁇ of the reflecting surface transmitting surface 13b is set to 39.9 °
  • the display light beam L is changed to the surface l lv on the outside of the substrate l lv.
  • Reflection is repeated at 1 and the surface l lv-2 on the viewer's side, and the inner surface is alternately reflected, propagates to the left, and enters the folding mirror l lvb.
  • This propagation direction (right force direction to the left) corresponds to the second direction in the claims.
  • the normal of the folding mirror l lvb is in the same direction as the light beam traveling at the central angle of view of the display beam L, so the folding mirror l lvb folds the display beam L propagated through the substrate l lv, It works to reverse the optical path when incident. Due to the reflecting action of the folding mirror l lvb, the display light beam L reciprocates inside the substrate l lv.
  • the display light beam L incident on the multi-mirror 12va is deflected toward the observer by the multi-mirror 12va and is emitted from the substrate llv (details of the multi-mirror 12va will be described later).
  • the schematic shape of the entrance pupil is indicated by a dotted line on the lower side of the substrate 12v
  • the schematic shape of the pupil formed on the multimirror 12va is indicated by a dotted line on the upper side of the substrate 12v.
  • a plurality of pupils (9 pupils in FIG. 4) are formed shifted in the vertical direction and the horizontal direction.
  • a plurality of pupil powers of the emitted display light beam L is directed substantially in the direction of the observation eye e, and a wide pupil can be formed in the vertical and horizontal directions. This pupil is the exit pupil E of the image display optical system 1.
  • the observer can display the liquid crystal display. A virtual image on the display screen of the element 21 can be observed.
  • These multi-mirrors 12ha and 12va exhibit high reflectivity for light with an incident angle of 39.9 ° or more on the reflection / transmission surface 12a-1 and are incident substantially perpendicular to the reflection / transmission surface 12a-1. High transmittance for light.
  • the multi-mirrors 12ha and 12va are composed of the same elements. Further, the relationship between the multi-mirror 12 ha and the substrates l lh and 12 h and the display light beam L is the same as the relationship between the multi-mirror 12 va and the substrates l lv and 12 v and the display light beam L.
  • FIG. 5 these multi-mirrors 12ha and 12va are shown together.
  • the direction indicated by the arrow without parentheses is the direction related to the multi-mirror 12ha
  • the direction indicated by the arrow with parentheses is the direction related to the multi-mirror 12va.
  • the multi-mirror 12ha (12va) has a reflection / transmission surface 12a-1 (hereinafter referred to as a first reflection / transmission surface 12a-) formed on the surface of the substrate l lh (l lv). 1) and the substrate 12h (l
  • It consists of a plurality of minute second reflecting / transmitting surfaces 12a-2, 12a-2 'that are formed in rows in the vertical direction (left-right direction) of the viewer alternately without gaps on the surface of 2v).
  • the first reflection / transmission surface 12a-1 corresponds to the optical surface of the claims
  • the posture of the second reflecting / transmitting surface 12a-2 is a posture inclined toward the upper back force (lower left hand force right back) of the observation eye e, and the second reflecting / transmitting surface 12a-2 'is The posture is inclined at an equal angle in the opposite direction to the second reflection / transmission surface 12a-2.
  • the second reflection / transmission surface 12a-2 and the second reflection / transmission surface 12a-2 ′ are both planes where the optical axis exists in the substrate l lh (substrate l lv) (the paper surface of FIG. 5). Is perpendicular to.
  • optical axis refers to the optical path of the principal ray of the luminous flux having the central field angle of the display luminous flux L.
  • the angle formed between the second reflection / transmission surface 12a-2 and the normal of the substrate 12h (12v) and the angle formed between the second reflection / transmission surface 12a-2 'and the normal of the substrate 12h (12v) are 60 °, respectively. It is.
  • the cross-sectional shape becomes an isosceles triangle shape with a base angle of 30 °.
  • the first reflection / transmission surface 12a-1 is used to transmit light incident at an incident angle near 60 ° (40 ° to 80 °). It has the property of reflecting part of it and transmitting the other part, and also has the property of transmitting all incident light at an incident angle near 0 ° (-20 ° to + 20 °).
  • Each of the second reflection / transmission surfaces 12a-2 and 12a-2 has a property of reflecting a part of incident light at an incident angle near 30 ° (10 ° to 50 °) and transmitting the others. ing.
  • the substrate 12h (12v) is made of an optical glass 'optical resin' crystal or the like, the first reflective / transmissive surface 1
  • the angle characteristics of the reflection transmittance of the first reflection / transmission surface 12a-1 and the second reflection / transmission surface 12a-2, 12a-2 ' are determined by the number of internal reflections and the incidence on the exit pupil E. It is optimized in consideration of the balance (see-through property) of the intensity of the external light flux to be displayed and the display light flux L.
  • 5 (a) and 5 (b) show the first reflection / transmission surface 12a-1 and the second reflection / transmission surface 12a-2, 12a.
  • a method for forming the multi-mirror 12ha (12va) is, for example, as follows.
  • a plurality of minute grooves having a V-shaped cross section are formed side by side without a gap.
  • Optical multilayer films to be the second reflective / transmissive surfaces 12a-2, 12a-2 are formed on one inner wall and the other inner wall of the groove, respectively, and the groove is filled with the same material as the original, and the first reflection is formed on the surface.
  • An optical multilayer film to be the transmission surface 12a-1 is formed.
  • the light beams L 1, L 2, and L that internally reflect the substrate 1 lh (l lv) at an incident angle near 60 ° (40 ° to 80 °) are In both cases, the substrate l lh (l lv) and the first reflection transparent
  • the incident light beams L 1, L 2, L are reflected by the second reflection / transmission surface 12a-2.
  • Part of L and L is reflected by the second reflection / transmission surface 12a-2 and is reflected on the first reflection / transmission surface 12a-1.
  • the incident light beams L 1, L 2, L are about 30 ° (10 ° ⁇
  • the luminance of the display light beam L deflected by the multi-mirror 12ha (12va) during the forward path is repeated every time internal reflection is repeated. Weakens.
  • the luminance of the display light beam L deflected by the multi-mirror 12ha (12va) becomes weaker every time the internal reflection is repeated during the return path.
  • the brightness of the display beam L that exits the substrate llh (llv) force while traveling in the forward path decreases as it approaches the folding mirror llhb (llvb), and exits from the substrate llh (llv) while traveling in the backward path.
  • the brightness of the display light beam L decreases as the distance from the folding mirror llhb (llvb) increases.
  • the multi-mirror 12ha (12va) has a second reflection / transmission surface 12a-2 and a second reflection / transmission surface 12a-2 'having the same characteristics, and is arranged without gaps, and is directed from the outside to the observer side. Since uniform characteristics are shown with respect to the external light flux, uneven brightness of the external light flux can be suppressed.
  • the vertical width of the exit pupil E is expanded by the substrates l lh and 12h, and the lateral width of the exit pupil E is expanded by the substrates l lv and 12v.
  • the first deflecting optical unit and the second deflecting optical unit in the claims play the main role of the multiple reflecting surfaces of the multi-mirror 12ha (second reflecting / transmitting surfaces 12a-2, 12a-2) And a plurality of reflecting surfaces (second reflecting / transmitting surfaces 12a-2, 12a-2 ') of the multi-mirror 12va (see FIG. 5).
  • the plurality of reflecting surfaces (second reflecting / transmitting surfaces 12a-2, 12a-2 ') are perpendicular to the plane where the optical axis exists (a plane parallel to the plane of FIG. 5). It is. Incidentally, the mirrors 22a, 22b, and 22c of Patent Document 1 are non-perpendicular to the plane where the optical axis exists (the plane perpendicular to the paper surface of Fig. 13).
  • the angle formed by the plurality of reflection surfaces (second reflection / transmission surfaces 12a-2, 12a-2 ′) with the surface of the substrate l lh or the substrate l lv is the angle of internal reflection (that is, angle 0). In this case, it can be set to an angle other than 45 ° (30 ° in Fig. 5) according to 60 °.
  • the angle formed by the mirrors 22a, 22b, and 22c with the surface of the substrate l lh or the substrate l lv is 45 ° regardless of the angle of internal reflection (that is, angle 0, here 60 °). It cannot be an angle other than.
  • the degree of freedom of arrangement of the multiple reflecting surfaces (second reflection / transmission surfaces 12a-2, 12a-2 ') of the multi-mirrors 12ha, 12va is higher than the degree of freedom of arrangement of the mirrors 22a, 22b, 22c of Patent Document 1. It is advantageous for space saving.
  • a plurality of reflecting surfaces (second reflecting / transmitting surfaces 12a-2, 12a-2 ') are formed on the surface of the substrate l lh or the substrate l lv.
  • the angle is set to 30 ° (see Fig.
  • the image display optical system 1 requires a large space in the surface direction of the substrates l lh and l lv, but requires a small space in the normal direction of the substrates l lh and l lv.
  • the size of the image display optical system 1 is housed in a compact size that is almost the same as that of eyeglasses for a large exit pupil magnification (see Fig. 1).
  • the shape of the multi-mirrors 12ha and 12va is a simple shape that can also be repeated with minute unit shapes, it is not necessary to cut the substrates 12h and 12v in large numbers when forming on the substrates 12h and 12v. None (As mentioned above, it is possible to apply manufacturing techniques such as resin molding and vapor deposition that are easily mass-produced.) O
  • the multi-mirrors 12ha and 12va use a plurality of minute reflection / transmission surfaces (second reflection / transmission surfaces 12a-2, 12a-2 '), but the diffraction effect on these minute reflection / transmission surfaces. It is not a reason to use, so chromatic aberration hardly occurs.
  • the reflection / transmission surface 13b having the same function as the air gap is provided between the substrate llv and the substrate 13 (see FIG. 2), but may be replaced with the air gap. However, it is desirable to apply the reflection / transmission surface 13b in that the strength of the image display optical system 1 is increased.
  • see-through is imparted to both the pair of substrates l lh and 12h and the pair of substrates l lv and 12v. Since the field of view is almost unobstructed (see Fig. 1), see-through performance equivalent to that when using ordinary spectacle lenses may not be provided.
  • a metal film or dielectric multilayer film having a high reflectivity at an incident angle smaller than a critical angle determined by the refractive index difference between the substrate and air is applied to a part or all of the optical surfaces of the substrates l lh and 12h. Can be used.
  • the pupil can be enlarged while reducing). However, if the angle ⁇ is decreased, the width d is also decreased.
  • the light source of the liquid crystal display element 21 has narrow-band spectral characteristics such as LEDs, etc.
  • the reflection characteristics of the multi-mirror 12ha, 12va for the first reflection / transmission surface 12a—1, the second reflection / transmission surface 12a—2, 12a—2 'with respect to the wavelength or polarization direction When determining the spectral characteristics, the spectral characteristics and polarization components should be taken into consideration. In this way, when the wavelength range and polarization direction are limited, the degree of freedom in designing the film to be used for the first reflection / transmission surface 12a-1 and the second reflection / transmission surface 12a-2, 12a-2 ' Rise.
  • the place where the display light beam L is introduced by the image introduction unit 2 is set to the lower right of the observation eye e, but may be set to the upper right of the observation eye e.
  • the observation eye e is set to the observer's right eye, but may be set to the left eye. In that case, the place where the display light beam L is introduced by the image introduction unit 2 may be set to the lower left or upper left of the observation eye e.
  • the arrangement location of the image introduction unit 2 is set on the outside side of the substrate 1 lh, but may be set on the observer side.
  • the image display optical system 1 of the eyeglass display may be rotated by 90 °, or the layout of each element may be changed in various ways.
  • the layout of each element is selected as appropriate in consideration of the appearance design of the eyeglass display and the shape (aspect ratio) of the image to be displayed.
  • This embodiment is an embodiment of an eyeglass display. Here, only differences from the first embodiment will be described.
  • the difference is that the folding mirror l lhb in the substrate l lh is omitted, and the folding mirror l lvb in the substrate l lv is omitted.
  • This board is provided with multi-mirrors 12ha 'and 12va' as shown in FIG.
  • the multi-mirrors 12ha ′ and 12va ′ are the same as the multi-mirrors 12 ha and 12va of the first embodiment, except that the second reflection / transmission surface 12a-2 ′ is omitted and the second reflection / transmission is correspondingly omitted. Surface 12a-2 is densely arranged. In this case, the same effect as the first embodiment can be obtained.
  • the multi-mirrors 12ha ′ and 12va ′ are shown collectively.
  • the direction indicated by the arrow without parentheses is the direction related to the multi-mirror 12ha ′
  • the direction indicated by the parenthesized arrow is the direction related to the multi-mirror 12va ′.
  • a region B that is substantially half on the side away from the first reflection / transmission surface 12a-2 is viewed from the observer. It is behind the second reflective / transmissive surface 12a-2 adjacent to the lower side (right side).
  • multi-mirrors 12ha, and 12va ′ are collectively shown.
  • the direction indicated by the arrow without parentheses is the direction related to the multi-mirror 12ha ′
  • the direction indicated by the arrow with parentheses is the direction related to the multi-mirror 12va ′.
  • the amount of the display light beam L that reaches the region B is smaller than the light amount of the display light beam L that reaches the region A. Therefore, the light amount of the display light beam L that is emitted from the region B to the outside. Is smaller than the amount of the display light beam L emitted outside the area A force. For this reason, periodic luminance unevenness occurs.
  • the unit shapes of multi-mirrors 12ha ′ (12va ′) can be arranged at high density. If it can be arranged for several to 10 cycles within the same size as the pupil diameter (about 6 mm) of the observation eye e, there will be almost no sense of incongruity on the observation eye e, although periodic luminance unevenness will occur.
  • the ratio of the reflectance B of the region B far from 1 to RB is 1: 2.
  • the ratio of the display light beam L reflected from the region A and the display light beam L reflected from the region B on the exit pupil E is completely uniform. It is desirable to adjust according to the difference in the optical path of the reflected light.
  • the luminance of the display light beam L incident on the exit pupil E can be made uniform. Also, stray light can be prevented by setting the deflection efficiency of the last incident area to 100%.
  • a force that gives a difference in the reflectivity of the second reflection / transmission surface 12a-2 at each position, or the first reflection A distribution may be given to the transmittance of the transmitting surface 1 2a-1.
  • the transmissivity of the multi-mirror 12ha '(12va') with respect to the external light flux incident on the viewer side from the outside may become non-uniform. In that case, it must be allowed that uneven brightness occurs in the external light flux.
  • both the folding mirrors l lhb and l lvb are omitted, and both the multi-mirrors 12ha and 12va are replaced with the multi-mirrors 12ha and 12va.
  • This embodiment is an embodiment of an eyeglass display. Here, only differences from the second embodiment will be described.
  • FIG. 8 (a) a multi-mirror 12ha "is provided instead of the multi-mirror 12ha, and as shown in FIG. 8 (b), a multi-mirror 12va 'is used instead of the multi-mirror 12va'. Is in the point provided.
  • the outer surface side surface l lh-1 is formed
  • the multi-mirror 12ha, ..., 12va, as well as the multi-mirror 12ha, ... 12va, consists of the first reflective / transmissive surface 12a-1 and the second reflective / transmissive surface 12a-2.
  • multi-mirrors 12ha “and 12va” are shown collectively.
  • the direction indicated by the arrow without parentheses is the direction related to the multi-mirror 12ha ", and the direction indicated by the parenthesized arrow is the direction related to the multi-mirror 12va”.
  • the angle formed by the second reflection / transmission surface 12a-2 and the normal line of the substrate 13 is set to 30 °.
  • the second reflection / transmission surface 12a-2 has reflection / transmission properties with respect to light incident at an incident angle in the vicinity of 60 ° (40 ° to 80 °).
  • the light beams L 1, L 2, L that internally reflect the substrate l lh (l lv) at an incident angle near 60 ° (40 ° to 80 °) are all the substrate l lh (l lv) and the first reflection / transmission surface 12a-1
  • a part of the light is transmitted through the first reflection / transmission surface 12a-1 without being totally reflected at the boundary surface.
  • the transmitted light beams L, L, and L are near 60 ° (40 ° to the second reflection / transmission surface 12a-2).
  • the incident angle is 0 °).
  • Part of the display light fluxes L 1, L 2, L incident on the second reflection / transmission surface 12 a-2 is reflected by the second reflection / transmission surface 12 a-2 and emitted to the outside.
  • Such a multi-mirror 12ha “(12va”) also has the same action as the multi-mirror 12ha, (12va,).
  • both of the multi-mirrors 12ha, 12va are replaced with multi-mirrors 12ha ", 12va", but only one of them may be replaced. Needless to say.
  • This embodiment is an embodiment of an eyeglass display. Here, only differences from the second embodiment will be described.
  • the substrates 12h and 12 V for providing the multimirrors 12ha and 12va in the first embodiment are not essential.
  • the substrate 13 the substrate responsible for diopter correction
  • each half mirror HM provided in the substrate l lh is on the plane (paper surface in FIG. 10) where the optical axis exists in the substrate 1 lh. It is perpendicular to it.
  • the noise mirror HM provided inside the substrate l lv is perpendicular to the plane in which the optical axis exists (the paper surface in FIG. 10) in the substrate 11V. is there.
  • the vertical width of the exit pupil E can be expanded by the substrate 1 lh, and the lateral width of the exit pupil E can be expanded by the substrate llv.
  • the angle of the half mirror HM with respect to the surface of the substrate l lh, l lv is the angle of internal reflection (that is, angle 0, in this case 60 ° ) Can be set to an angle other than 45 ° (60 ° in Fig. 10). That is, the degree of freedom of arrangement of the plurality of half mirrors HM is advantageous for saving space.
  • a plurality of half mirrors HM are densely provided on each of the substrates l lh and l lv by utilizing the high degree of freedom of arrangement.
  • both the multi-mirror 12ha and 12va are replaced with a plurality of half mirrors HM, but it goes without saying that only one of them may be replaced. .
  • This embodiment is an embodiment of an eyeglass display. Here, only differences from the first embodiment will be described.
  • the entire image display optical system 1 is arranged in an L shape (see the dotted line in Fig. 11), and the wearability on the observer's face is improved. is there. If such an arrangement is adopted, the eyeglass display can be made a goggle type.
  • FIG. 12 is a schematic sectional view showing details of the layout of the eyeglass display.
  • the substrates 12h, l lh, etc. described in the first embodiment are stored in the right temporal region of the observer.
  • the optical path of the display light beam L emitted from the substrate l lh is deflected by the bending mirror 71 and then incident on the substrate l lv.
  • the deflection angle by the folding mirror 71 is set to an appropriate angle in consideration of the design and wearability of the eyeglass display.
  • this embodiment is a modification of the first embodiment, the second embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment may be similarly modified.
  • each element is arranged so as to enlarge the diameter in the left-right direction after the diameter in the vertical direction of the display light beam L is enlarged, but each element is arranged so that the order of enlargement is reversed. Elements can also be placed.
  • the order of enlargement is appropriately selected in consideration of the appearance design of the eyeglass display and the aspect ratio of the image to be displayed. In that case, it is desirable that the viewing angle be selected to be as wide as possible.
  • the virtual image on the display screen is only one eye (right eye). However, it can be configured to display both left and right. If a stereo image is displayed on the left and right display screens, the eyeglass display can be used as a stereoscopic display.
  • the eyeglass display of each embodiment is configured as a see-through type, a part or all thereof may be configured as a non-see-through type.
  • the transmittance of the deflecting optical unit (multi-mirror, etc.) with respect to the external light beam can be set to 0 (in the case of multi-mirror, the second reflection / transmission surface 12a-2, the second reflection / transmission surface 12a-2 ' Set the transmittance to 0.)
  • a non-see-through eyeglass display is called a head-mounted display.
  • the polarization direction of the display light beam L may be limited to s-polarized light.
  • the polarized liquid crystal display element 21 to optimize its arrangement, or install a phase plate in front of the liquid crystal display element 21 and adjust this phase plate. Good.
  • the display light flux is limited to s-polarized light, it becomes easy to impart the aforementioned characteristics to each optical surface of the eyeglass display.
  • the film configuration of the optical multilayer film becomes simple.
  • each embodiment is an embodiment of an eyeglass display.
  • the optical system portion of the eyeglass display (image display optical system, reference numeral 1 in FIG. 1 and the like) is used in an optical device other than an eyeglass display. Is also applicable.
  • the image display optical system 1 may be applied to a projector that displays a virtual image on a large screen in front of an observer as shown in FIG. In this case, the illumination area is expanded in the left-right direction and the up-down direction of the observer.
  • the present invention can also be applied to an image display device that displays an image in front of the user's eyes in an optical device such as a camera, a mobile phone, binoculars, a microscope, or a telescope.
  • an optical device such as a camera, a mobile phone, binoculars, a microscope, or a telescope.

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Abstract

　光束径を２次元方向に拡大することができ、しかも省スペース化に有利な光束径拡大光学系を提供することを目的とする。そのために、本発明の光束径拡大光学系は、外部から導入される光束を第１光学部材の内面で反射して第１方向に伝播させ、その第１方向に伝播する前記光束を各位置で所定方向に偏向してその光束の前記第１方向の径を拡大する第１光学系（１２ｈａ）と、前記第１方向に径の拡大された前記光束を第２光学部材の内面で反射して前記第１方向とは異なる第２方向に伝播させ、その第２方向に伝播する前記光束を各位置で所定方向に偏向してその光束の前記第２方向の径を拡大する第２光学系（１２ｖａ）とを備え、前記第１光学系は、前記第１光学部材内を伝播する光束から定まる光軸の存在平面上に法線を配した複数の反射面を有し、前記第２光学系は、前記第２光学部材内を伝播する光束から定まる光軸の存在平面上に法線を配した複数の反射面を有することを特徴とする。                                                                             

Description

明 細 書
光束径拡大光学系及び画像表示装置
技術分野
[0001] 本発明は、液晶表示素子の照明などに適用される光束径拡大光学系に関する。
また、本発明は、アイグラスディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、カメラ、携帯電 話、双眼鏡、顕微鏡、望遠鏡などの光学機器に搭載され、表示画面の虚像を観察眼 の前方に形成する画像表示装置に関する。
背景技術
[0002] アイグラスディスプレイの光学系として射出瞳を拡大するものが提案されている（特 許文献 1など)。
特許文献 1の Fig. 2等に開示された光学系は、複数のハーフミラーを、それぞれの 透過光路に対して直列に、かつ各反射面が基板の表面に対し所定角度 θ ° だけ傾 斜するように透過性の基板内に配置してなる。
[0003] 表示画面から射出した表示光束は、対物レンズを介してこの光学系のハーフミラー に対し入射角度（90— 0 )° で入射する。
表示光束が最初のハーフミラーに入射すると、その表示光束の一部はそのハーフミ ラーにて反射し、他の一部は透過する。そのハーフミラーを透過した表示光束の一 部は次のハーフミラーにて反射し、他の一部は透過する。これが各ハーフミラーにて 繰り返され、各ハーフミラーにて反射した各表示光束は、それぞれ基板外へ射出す る。
[0004] 基板外には、表示画面の各位置力 射出した各画角の光束が重畳して入射する比 較的広い領域が存在する。この領域は、射出瞳と等価な働きをする（以下、「射出瞳」 という。）。
つまり、特許文献 1の Fig. 2に記載された光学系は、表示光束の径を拡大すること によって射出瞳を拡大して 、る。
[0005] このように射出瞳が拡大されると、観察眼の瞳の位置の自由度が高まる。
因みに、この光学系を液晶表示素子の照明光学系に用いれば、様々な角度の光 線が重畳して入射する領域、すなわち照明領域を拡大することができる。
特に、特許文献 1の Fig. 13に開示された光学系は、射出瞳を 2次元方向に亘り拡 大するものである。
[0006] この光学系を液晶表示素子の照明に用いれば、照明領域を二次元方向に亘り拡 大することができる。
特許文献 1：特表 2003 - 536102号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] ここで、射出瞳拡大の効果 (又は照明領域拡大の効果)を確実に得るためには、各 画角の光束が重畳して入射する領域を十分に確保しなければならな 、ので、特許文 献 1の Fig. 13に開示された光学系においては、例えば、ミラー 22a、 22b、 22cのサ ィズ及び数を共に十分に確保する必要がある。
しかしながら、この光学系においては、個々のミラー 22a、 22b、 22cのサイズを小さ くしない限り、ミラー 22a、 22b、 22cの配置間隔を Fig. 13に図示された配置間隔より も狭めることはできない。
[0008] このようにミラー 22a、 22b、 22cの配置自由度が低いと、拡大率の向上に伴い大き なスペースを要することになる。
そこで本発明は、光束径を 2次元方向に拡大することができ、し力も省スペースィ匕 に有利な光束径拡大光学系を提供することを目的とする。
また、本発明は、射出瞳を 2次元方向に拡大することができ、し力も省スペース化に 有利な画像表示装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明の光束径拡大光学系は、外部から導入される光束を第 1光学部材の内面で 反射して第 1方向に伝播させ、その第 1方向に伝播する前記光束を各位置で所定方 向に偏向してその光束の前記第 1方向の径を拡大する第 1光学系と、前記第 1方向 に径の拡大された前記光束を、前記第 1光学部材とは異なる第 2光学部材の内面で 反射して前記第 1方向とは異なる第 2方向に伝播させ、その第 2方向に伝播する前記 光束を各位置で所定方向に偏向してその光束の前記第 2方向の径を拡大する第 2 光学系とを備えた光束径拡大光学系であって、前記第 1光学系は、前記第 1光学部 材内を伝播する光束によって定まる光軸の存在平面上に法線を配した複数の反射 面を有し、前記第 2光学系は、前記第 2光学部材内を伝播する光束によって定まる光 軸の存在平面上に法線を配した複数の反射面を有することを特徴とする。
[0010] なお、前記第 1光学系の前記複数の反射面は、前記第 1方向に伝播する前記光束 から、前記第 1方向に並ぶ複数の光束を生成するものであり、前記第 2光学系の前記 複数の反射面は、前記第 2方向に伝播する前記光束から、前記第 2方向に並ぶ複数 の光束を生成するものであってもよ 、。
また、前記第 1光学系は、前記第 1光学部材の前記反射に供される一方の面の所 定領域に密着して形成され、かつその所定領域の各位置に到達する前記光束の一 部を前記第 1光学部材の外部に射出させる光学面と、その第 1光学部材から射出し た前記光束を所定方向に偏向する複数の微小反射面とを有し、前記第 2光学系は、 前記第 2光学部材の前記反射に供される一方の面の所定領域に密着して形成され 、かつその所定領域の各位置に到達する前記光束の一部を前記第 2光学部材の外 部に射出させる光学面と、その第 2光学部材から射出した前記光束を所定方向に偏 向する複数の微小反射面とを有してもょ ヽ。
[0011] また、前記第 1光学系の前記光学面及び前記第 2光学系の前記光学面は、入射光 に対する透過 反射率特性がその入射角度により異なり、垂直入射光に対する透過 率が、斜入射光に対する透過率よりも高!ヽと ヽぅ特性を有してもょ ヽ。
また、前記第 1光学系の前記微小反射面は、入射光に対する透過一反射特性がそ の入射角度により異なり、前記第 1光学系の前記光学面に対する垂直入射光と同じ 伝搬方向の入射光に対する透過率が、前記光学面に対する斜入射光と同じ伝搬方 向の入射光に対する透過率よりも高いという特性を有しており、前記第 2光学系の前 記微小反射面は、入射光に対する透過一反射特性がその入射角度により異なり、前 記第 2光学系の前記光学面に対する垂直入射光と同じ伝搬方向の入射光に対する 透過率が、前記光学面に対する斜入射光と同じ伝搬方向の入射光に対する透過率 よりも高 、と 、う特性を有してもょ 、。
[0012] また、前記第 1光学系は、前記第 1光学部材内に形成された複数の部分反射面を 有し、前記第 2光学系は、前記第 2光学部材内に形成された複数の部分反射面を有 してちよい。
また、本発明の光束径拡大光学系においては、前記第 1光学系により偏向され前 記第 1光学部材内の伝播路から外れた前記光束を前記第 2光学部材内の伝播路に 導入するための導入用反射面がさらに備えられてもよい。
[0013] また、本発明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子から導入さ れる各画角の表示光束の径を拡大して射出瞳を拡大する本発明の何れかの光束径 拡大光学系とを備えたことを特徴とする。
発明の効果
[0014] 本発明によれば、光束径を 2次元方向に拡大することができ、し力も省スペース化 に有利な光束径拡大光学系が実現する。
また、本発明によれば、射出瞳を 2次元方向に拡大することができ、しかも省スぺー ス化に有利な画像表示装置が実現する。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
[図 2]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の分解図である。
[図 3]画像導入ユニット 2,基板 l lh, 12h及びその周辺の光路を示す概略断面図で ある。
[図 4]基板 l lv, 12v及びその周辺の光路を示す概略断面図である。
[図 5]マルチミラー 12ha, 12vaの構成を説明する概略断面図である。
[図 6]第 2実施形態のマルチミラー 12ha， , 12va，の構成を説明する概略断面図であ る。
[図 7]第 2実施形態のマルチミラー 12ha'， 12va，の作用を説明する概略断面図であ る。
[図 8]第 3実施形態のアイグラスディスプレイを説明する図である。
[図 9]第 3実施形態のマルチミラー 12ha", 12va"の構成を説明する概略断面図であ る。
[図 10]第 4実施形態のアイグラスディスプレイを説明する図である。 [図 11]第 5実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
[図 12]第 5実施形態のアイグラスディスプレイのレイアウトの詳細を示す概略断面図 である。
[図 13]本発明が適用されたプロジェクタの例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、本発明の最良の形態 (実施形態)を説明する。
[第 1実施形態]
以下、図 1、図 2、図 3、図 4、図 5に基づき本発明の第 1実施形態を説明する。 本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。
先ず、アイグラスディスプレイの構成を説明する。
[0017] 図 1に示すように、本アイグラスディスプレイは、画像表示光学系 1、画像導入ュニッ ト 2、ケーブル 3、支持部材 4など力もなる。このうち、画像表示光学系 1が、請求項に おける光束径拡大光学系に対応し、画像表示光学系 1及び画像導入ユニット 2が、 請求項における画像表示装置に対応する。
支持部材 4は、画像表示光学系 1及び画像導入ユニット 2を観察者の頭部に装着 するものであり、眼鏡のフレームと同様のテンプル 4a、リム 4b、ブリッジ 4cなどからな る。ケーブル 3は、外部機器から画像導入ユニット 2に対し映像信号及び電力を供給 するためのケーブルである。
[0018] 以下、装着時のアイグラスディスプレイを、観察眼 eから見た「上下」「左右」「手前奥 」などの表現を用いて説明する (各図中の矢印参照)。
画像表示光学系 1は、観察者の一方の眼 (ここでは、右眼とし「観察眼」という。）eの 前に配置される。画像導入ユニット 2は、画像表示光学系 1の右下部に配置される。 画像表示光学系 1は、図 2に示すように、観察者の側力も順に、基板 12h、 l lh、 1 3, l lv, 12vを密着して重ねて配置してなる。基板 l lh, l lvが、請求項における第 1光学部材及び第 2光学部材に対応する。
[0019] 基板 12h、 l lh、 13, l lv, 12vの各々は、外界 (画像表示光学系 1の反観察者側 の領域)から観察眼 eに向力う外界光束の少なくとも可視光成分に対し透過性を有し た基板である。 基板 13、 l lv、 12vは、眼鏡レンズと略同型同大であり、基板 12h、 l lhは、それよ りも横幅が小さぐ基板 13、 l lv、 12vの右端の小さいスペースに納められている。
[0020] 基板 12h、 l lh、 l lvは、平行平板であり、基板 13は、観察者側の面 13— 2が曲面 となったレンズであり、基板 12vは、反観察者側の面 12v—lが曲面となったレンズで ある。これらの曲面は、視度補正の働きを担う。
基板 1 lhの内部の下方及び上方には、導入ミラー 1 lha及び折り返しミラー 1 lhbが 形成され、基板 l lvの内部の右方及び左方には、導入ミラー l lva及び折り返しミラ 一 l lvbが形成される。この導入ミラー l lva力 請求項における導入用反射面に対 応する。
[0021] 基板 12hの外界側の面 12h— 1には、マルチミラー 12haが設けられる。基板 12vの 観察者側の面 12v— 2には、マルチミラー 12vaが設けられる。
基板 l lhの観察者側の面 l lh— 2には、マルチミラー 12haの役割の一部を担う反 射透過面 12a— 1が設けられる。以下、この反射透過面 12a— 1とマルチミラー 12ha とからなる光学系を、マルチミラー 12haと称す。
[0022] 基板 l lvの外界側の面 l lv— 1には、マルチミラー 12vaの役割の一部を担う反射 透過面 12a— 1が設けられる。以下、この反射透過面 12a— 1とマルチミラー 12vaと からなる光学系を、マルチミラー 12vaと称す。
基板 l lvの観察者側の面 l lv— 2には、反射透過面 13bが設けられる。 これらの反射透過面 12a— 1, 13bは、入射角度に応じて異なる透過 反射率特性 を示し、具体的には、比較的大きい入射角度で入射する光に対して高い反射性を示 し、小さ!ヽ入射角度で (略垂直に)入射する光に対して高!ヽ透過性を示す。
[0023] なお、反射透過面 12a— 1と反射透過面 13bとの相違は、入射角が大きい光に対 する反射透過面 13bの透過率よりも、入射角が大きい光に対する反射透過面 12a— 1の透過率の方が高い点にある。
以上のマルチミラー 12ha及び基板 l lhが、請求項における第 1光学系に対応し、 マルチミラー 12va及び基板 l lvが、請求項における第 2光学系に対応する（詳細は 後述)。
[0024] 画像導入ユニット 2の内部には、映像信号に基づき映像を表示する液晶表示素子 21と、液晶表示素子 21の近傍に焦点を有した対物レンズ 22とが配置される。液晶 表示素子 21が、請求項における画像表示素子に対応する。
次に、アイグラスディスプレイの各光学面の配置及び構成を光の振る舞いに基づき 説明する。
[0025] 図 3に示すように、画像導入ユニット 2内の液晶表示素子 21の表示画面の各位置 から射出した表示光束 Lは、対物レンズ 22において平行光束に変換される。
なお、図 3では、中心画角の光束し力示していないが、実際の表示光束 Lは、各画 角の光束からなる。
表示光束 Lは、基板 l lhの外界側の面 l lh— 1の下部力もその内部に入射し、導 入ミラー l lhaに入射する。
[0026] 導入ミラー l lhaの基板 l lhの表面に対する配置角度 0 は、その導入ミラー l lha m
にて反射した表示光束 Lが、基板 1 lhの外界側の面 1 lh— 1に対し所定の入射角度 (=反射透過面 12a— 1で所定の透過 反射率特性が得られるような所定の入射角 度）以上で入射するよう設定されている。この入射角度を、臨界角度 Θ とする。ここで は、反射透過面 12a— 1での臨界角度 Θ = 39. 9° とした。
[0027] この導入ミラー l lhaの反射作用により、表示光束 Lは、基板 l lhの観察者側の面 1 lh— 2で全反射条件となり、かつ外界側の面 l lh— 1にて殆どを反射し、かつ一部を 透過する角度条件を満たしながら、繰り返し交互に内面反射し、上方向へ伝播して 折り返しミラー l lhbに入射する。この伝播方向（下から上への方向）が、請求項にお ける第 1方向に対応する。
[0028] 因みに、液晶表示素子 21からのあらゆる光束が臨界角度 0 ( = 39. 9° )以上で ある場合に、表示光束 Lの中心画角の光束の入射角度 Θ =60° であるとき、観察 者の上下方向の画角 20° 〜+ 20° までの光束 L 〜L が伝播される。
-20 +20
折り返しミラー l lhbの法線は、表示光束 Lの中心画角の光束の進行方向と同じ方 向に向いているので、折り返しミラー l lhbは、基板 l lhを伝播した表示光束 Lを折り 返し、入射時の光路を逆進させる働きをする。この折り返しミラー l lhbの反射作用に より、表示光束 Lは基板 l lhの内部を往復する。
[0029] この表示光束 Lは、往路及び復路において内面反射する毎に、その一部の光束は 基板 12hと基板 1 lhとの間に形成されたマルチミラー 12haへ入射する。 マルチミラー 12haに入射した表示光束 Lは、そのマルチミラー 12haによって外界 側へ偏向され、基板 l lhから射出する（マルチミラー 12haの詳細は後述)。
なお、基板 13 (図 2参照）と基板 l lhとの間には、エアギャップが設けられており、基 板 13のうち基板 l lhに対向する領域は、表示光束 Lに対し光学的パワーを付与しな い平面となっている。基板 l lhから射出した表示光束 Lは、基板 13を介して基板 l lv に向力う。
[0030] 図 3において、画像導入ユニット 2の左側には、入射瞳 (対物レンズ 22の瞳）の概略 形状を点線で示し、基板 12hの右側には、マルチミラー 12ha上に形成される瞳の概 略形状を点線で示した。なお、本明細書においては、文言「瞳」を、表示光束 Lの各 画角の光束が重畳して入射する領域の意味で使用する。
このように、マルチミラー 12ha上には、複数の瞳（図 3では 3つの瞳）が上下方向に ずれて形成される。
[0031] それらの複数の瞳力 射出した表示光束 Lの略全体が基板 l lvに向力 、、上下方 向に幅の広!、瞳を形成する。
ここで、マルチミラー 12haにおける個々の瞳の上下方向の幅 dは、入射瞳の径 d r 0、 導入ミラー l lhaの基板 l lhの表面に対する配置角度 Θ によって、以下の式（1)で m
表される。
[0032] d =d /cos2 0 · · · (1)
r 0 m
また、マルチミラー 12ha上で互いに隣接する瞳同士の間隔 Wは、基板 l lhの厚み dによって、以下の式（2)で表される。
W = 2dtan2 0 （
r m … 2)
本実施形態では、式（1)に基づき d >dに設定されることが望ましい。 d >dのとき r 0 r 0
、マルチミラー 12ha上の個々の瞳を上下方向に拡張することができるからである。
[0033] さらに、式（1) , (2)に基づき Wは dよりも若干大きく設定されることが望ましい。 d < Wのとき、マルチミラー 12ha上の個々の瞳の間に隙間ができる力 それらの瞳から 射出した表示光束 Lの全体は、マルチミラー 12haから離れた位置に大きな瞳を形成 することができるカゝらである。 次に、上下方向に径の拡大された表示光束 Lは、図 4に示すとおり、基板 13を介し て基板 l lvの内部に入射する。入射した表示光束 Lは、基板 l lvの内部に設けられ た導入ミラー l lvaに入射する。
[0034] 導入ミラー l lvaの基板 l lvの表面に対する配置角度 0 は、その導入ミラー l lva m
にて反射した表示光束 Lが、基板 1 lvの観察者側の面 1 lv— 2に対し所定の入射角 度 Θで入射するよう設定されている。入射角度 Θ iは、基板 l lvの臨界角度 Θ よりも 大きい角度である。ここでも、反射面透過面 13bの臨界角度 Θ = 39. 9° 、表示光 束 Lの中心画角の光束の入射角度 0 =60° とする。
[0035] この導入ミラー 11 vaの反射作用により、表示光束 Lは、基板 l lvの外界側の面 l lv
1及び観察者側の面 l lv— 2にて反射を繰り返し交互に内面反射し、左方向へ伝 播して折り返しミラー l lvbに入射する。この伝播方向（右力 左への方向）が、請求 項における第 2方向に対応する。
折り返しミラー l lvbの法線は、表示光束 Lの中心画角の光束の進行方向と同じ方 向に向いているので、折り返しミラー l lvbは、基板 l lvを伝播した表示光束 Lを折り 返し、入射時の光路を逆進させる働きをする。この折り返しミラー l lvbの反射作用に より、表示光束 Lは基板 l lvの内部を往復する。
[0036] この表示光束 Lは、往路及び復路において内面反射する毎に、その光束の一部は 基板 12vと基板 1 lvとの間に形成されたマルチミラー 12vaへ入射する。
マルチミラー 12vaに入射した表示光束 Lは、そのマルチミラー 12vaによって観察 者側へ偏向され、基板 l lvから射出する（マルチミラー 12vaの詳細は後述)。
図 4において、基板 12vの下側には、入射瞳の概略形状を点線で示し、基板 12v の上側には、マルチミラー 12va上に形成される瞳の概略形状を点線で示した。
[0037] このように、マルチミラー 12va上には、複数の瞳（図 4では 9個の瞳）が上下方向及 び左右方向にずれて形成されることになる。
それらの複数の瞳力 射出した表示光束 Lの略全体が観察眼 eの方向に向力ぃ、 上下方向及び左右方向に幅の広い瞳を形成することができる。この瞳が、画像表示 光学系 1の射出瞳 Eである。
[0038] この射出瞳 Eの何れかの位置に観察眼 eの瞳を配置すれば、観察者は、液晶表示 素子 21の表示画面の虚像を観察することができる。
次に、マルチミラー 12ha, 12vaの構成を説明する。このマルチミラー 12ha, 12va は、反射透過面 12a— 1への入射角度が 39. 9° 以上の光に対して高い反射率を示 し、反射透過面 12a— 1に対して略垂直に入射する光に対して高!ヽ透過率を示す。
[0039] なお、マルチミラー 12ha, 12vaは互いに同じ要素からなる。また、マルチミラー 12 haと基板 l lh, 12h及び表示光束 Lとの関係と、マルチミラー 12vaと基板 l lv、 12v 及び表示光束 Lとの関係とは互いに同じである。
よって、図 5では、これらのマルチミラー 12ha, 12vaを一括して示した。図 5におい て、括弧無しの矢印で示す方向は、マルチミラー 12haに関する方向であり、括弧付 きの矢印で示す方向は、マルチミラー 12vaに関する方向である。
[0040] マルチミラー 12ha (12va)は、図 5 (a)に示すように、基板 l lh (l lv)の表面に形成 された反射透過面 12a— 1 (以下、第 1反射透過面 12a— 1と称す。）と、基板 12h (l
2v)の表面において観察者の上下方向（左右方向）に交互に隙間無く列状に形成さ れた複数の微小な第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2'とからなる。
[0041] このうち、第 1反射透過面 12a— 1が請求項の光学面に対応し、第 2反射透過面 12 a— 2, 12a— 2'が、請求項の微小反射面に対応する。
第 2反射透過面 12a— 2の姿勢は、観察眼 eの上奥力 手前下 (左手前力 右奥） に向力つて傾斜した姿勢であり、第 2反射透過面 12a— 2'の姿勢は、第 2反射透過 面 12a— 2と反対方向に等角度だけ傾斜した姿勢である。
[0042] つまり、第 2反射透過面 12a— 2、第 2反射透過面 12a— 2'は、何れも基板 l lh (基 板 l lv)内において光軸の存在する平面（図 5の紙面）に対し垂直である。
なお、本明細書において、文言「光軸」は、表示光束 Lの中心画角の光束の主光線 の光路を指す。
第 2反射透過面 12a— 2と基板 12h (12v)の法線とが成す角度、及び第 2反射透過 面 12a— 2'と基板 12h (12v)の法線とが成す角度は、それぞれ 60° である。
[0043] このようなマルチミラー 12ha (12va)の単位形状を図 5の紙面と平行な面で切断す ると、その断面形状は、底角が 30° の二等辺三角形状となる。
第 1反射透過面 12a— 1は、 60° 近傍 (40° 〜80° )の入射角度で入射する光の 一部を反射しその他を透過する性質を有し、かつ 0° 近傍（— 20° 〜+ 20° )の入 射角度で入射する光を全て透過する性質を有して!/、る。
[0044] 第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2，は、それぞれ 30° 近傍（10° 〜50° )の入射 角度で入射する光の一部を反射しその他を透過する性質を有している。
基板 12h (12v)が光学ガラス'光学榭脂 '結晶などカゝらなる場合、第 1反射透過面 1
2a- l,第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2'には、例えば異なる屈折率を有する誘電 体 ·金属'有機材料などを組み合わせた光学多層膜を適用できる。
[0045] なお、設計時、第 1反射透過面 12a— 1,第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2'の反 射透過率の角度特性は、内面反射の回数、射出瞳 Eに入射させるべき外界光束と表 示光束 Lとの強度のバランス (シースルー性)などを考慮して最適化される。
また、図 5 (a) , (b)には、第 1反射透過面 12a— 1と、第 2反射透過面 12a— 2, 12a
- 2'とが近接している例を示した力 間隔が設けられていてもよい。
[0046] 次に、このマルチミラー 12ha (12va)の形成方法は、例えば次のとおりである。
基板 12h (12v)の一方の面上に、 V字状の断面をした複数の微小溝を隙間無く並 ベて形成する。
その溝の一方の内壁及び他方の内壁に第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2，となる 光学多層膜をそれぞれ成膜し、原型と同じ材料により溝を埋め、その表面に第 1反射 透過面 12a— 1となる光学多層膜を成膜する。
[0047] 溝の形成及び光学多層膜の成膜には、それぞれ榭脂成形及び蒸着などの技術が 適用可能である。
次に、基板 l lh (l lv)内を伝播する表示光束 Lに対するマルチミラー 12ha (12va) の作用を説明する。ここでは、中心画角の光束（ Θ = 60° ) L、周辺画角の光束（ Θ
Ϊ 0
=40° ) L 、周辺画角の光束（θ = 80° ) L に対する作用を代表して説明する。
-20 i +20
[0048] 往路進行中、図 5 (a)に示すように、 60° 近傍 (40° 〜80° )の入射角度で基板 1 lh (l lv)を内面反射する光束 L , L , L は、何れも基板 l lh (l lv)と第 1反射透
0 -20 +20
過面 12a— 1との境界面において全反射せずに、その一部が第 1反射透過面 12a— 1を透過し、基板 12h (12v)の内部に進入する。
進入した光束 L , L , L は、第 2反射透過面 12a— 2
n -9.n +9.n に対し 30° 近傍（10° 〜5 0° )の入射角度でそれぞれ入射する。第 2反射透過面 12a— 2に入射した光束 L ,
0
L , L の一部は、第 2反射透過面 12a— 2にて反射し、第 1反射透過面 12a— 1に
-20 +20
対し 0° 近傍（一 20° 〜+ 20° )の入射角度で入射し、第 1反射透過面 12a— 1を 透過して基板 llh(llv)に入射する。このときの入射角度は、臨界角度 0 よりも小さ いので、光束し , L , L は、基板 llh(llv)を内面反射することなく透過し外部に
0 -20 +20
射出する。
[0049] 復路進行中、図 5(b)に示すように、 60° 近傍 (40° 〜80° )の入射角度で基板 1 lh(llv)を内面反射する光束 L , L , L は、何れも基板 llh(llv)と第 1反射透
0 -20 +20
過面 12a— 1との境界面において全反射せずに、その一部が第 1反射透過面 12a— 1を透過し、基板 12h(12v)の内部に進入する。
進入した光束 L , L , L は、第 2反射透過面 12a— 2'に対し 30° 近傍（10° 〜
0 -20 +20
50° )の入射角度でそれぞれ入射する。第 2反射透過面 12a— 2'に入射した光束 L , L , L の一部は、第 2反射透過面 12a— 2'にて反射し、第 1反射透過面 12a—
0 -20 +20
1に対し 0° 近傍（一 20° 〜+ 20° )の入射角度で入射し、第 1反射透過面 12a— 1 を透過して基板 llh(llv)に入射する。このときの入射角度は、臨界角度 0 よりも小 さいので、光束し , L , L は、基板 llh(llv)を内面反射することなく透過し外部
0 -20 +20
に射出する。
[0050] ところで、マルチミラー 12ha(12va)の偏向効率が一様であるならば、往路進行中 、マルチミラー 12ha(12va)によって偏向される表示光束 Lの輝度は、内面反射を繰 り返す毎に弱くなる。同様に、復路進行中、マルチミラー 12ha(12va)によって偏向 される表示光束 Lの輝度は、内面反射を繰り返す毎に弱くなる。
よって、往路進行中に基板 llh(llv)力 外部に射出する表示光束 Lの輝度は、 折り返しミラー llhb(llvb)に近づくほど弱くなり、復路進行中に基板 llh(llv)か ら外部に射出する表示光束 Lの輝度は、折り返しミラー llhb(llvb)から遠ざかるほ ど弱くなる。
[0051] したがって、基板 llh(llv)力 外部に射出する表示光束 L (つまり、往路進行中 に射出する表示光束 Lと復路進行中に射出する表示光束 Lとの和）の輝度ムラは、抑 えられる。 また、このマルチミラー 12ha (12va)は、互いに同じ特性を有した第 2反射透過面 1 2a— 2と第 2反射透過面 12a— 2'とを隙間無く配置し、外界から観察者側へ向かう外 界光束に対して一様な特性を示すので、外界光束の輝度ムラも、抑えられる。
[0052] 次に、本アイグラスディスプレイの効果を説明する。
本実施形態のアイグラスディスプレイは、基板 l lh, 12hにより射出瞳 Eの上下方向 の幅を拡大し、基板 l lv, 12vにより射出瞳 Eの左右方向の幅を拡大している。
このうち、請求項における第 1偏向光学部及び第 2偏向光学部の主たる役割を果た すのは、マルチミラー 12haの複数の反射面（第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2，）と 、マルチミラー 12vaの複数の反射面 (第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2' )である（図 5参照)。
[0053] 図 5に示したとおり、複数の反射面 (第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2' )は、光軸 の存在する平面（図 5の紙面と平行な平面）に対し垂直である。因みに、特許文献 1 のミラー 22a、 22b、 22cは、光軸の存在する平面（Fig. 13の紙面に垂直な平面）に 対し非垂直である。
このような本実施形態では、複数の反射面 (第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2' )が 基板 l lh又は基板 l lvの表面と成す角度を、内面反射の角度（つまり角度 0、ここで は 60° )に応じて 45° 以外の角度（図 5では 30° )に設定することができる。
[0054] 因みに、特許文献 1では、ミラー 22a、 22b、 22cが基板 l lh又は基板 l lvの表面と 成す角度を、内面反射の角度（つまり角度 0 ,ここでは 60° )に依らず 45° 以外の 角度にすることはできない。
つまり、マルチミラー 12ha, 12vaの複数の反射面（第 2反射透過面 12a— 2, 12a — 2' )の配置自由度は、特許文献 1のミラー 22a、 22b、 22cの配置自由度よりも高く 、省スペース化に有利である。
[0055] その配置自由度の高さを利用し、本実施形態では、複数の反射面 (第 2反射透過 面 12a— 2, 12a— 2' )が基板 l lh又は基板 l lvの表面と成す角度を 30° に設定す る（図 5参照）と共に、それら複数の反射面 (第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2' )をマ ルチミラー 12ha, 12vaとして、基板 l lh, l lvの内部ではなくその表面の近傍に設 [0056] このとき、画像表示光学系 1は、基板 l lh, l lvの面方向に広いスペースを要する ものの、基板 l lh, l lvの法線方向には小さなスペースしか要しない。
したがって、射出瞳の拡大率が大きい割に、画像表示光学系 1のサイズは眼鏡と略 同等のコンパクトに納められている（図 1参照)。
しかも、マルチミラー 12ha, 12vaの形状は、微小な単位形状の繰り返し力もなるシ ンプルな形状なので、基板 12h, 12v上に形成する際にも、その基板 12h, 12vを多 数に切断する必要は無 、 (上述したごとく榭脂成形や蒸着など、量産化が容易な製 造技術を適用することが可能である。 ) o
[0057] また、マルチミラー 12ha, 12vaは、複数の微小な反射透過面 (第 2反射透過面 12 a- 2, 12a— 2' )を用いているものの、それら微小な反射透過面における回折効果 を利用して 、る訳ではな 、ので、色収差が殆ど発生しな 、。
(第 1実施形態の変形例）
なお、本実施形態では、基板 l lvと基板 13との間にエアギャップと同等の働きをす る反射透過面 13bが設けられたが（図 2参照）、エアギャップに代えてもよい。但し、画 像表示光学系 1の強度が高まる点において、反射透過面 13bを適用する方が望まし い。
[0058] また、本実施形態では、基板 l lh, 12hのペアと、基板 l lv, 12vのペアとの双方に シースルー性が付与されて 、るが、前者につ 、ては観察眼 eの視界を殆ど遮らな ヽ ので（図 1参照）、通常の眼鏡レンズを使用したときと同等のシースルー性が付与され ていなくてもよい。
その場合、基板 l lh, 12hの光学面の一部又は全部に、基板と空気との屈折率差 力 決まる臨界角度よりも小さい入射角度で高い反射率を有する金属膜や誘電体多 層膜を使用することができる。
[0059] この場合には、角度 Θ (図 3参照）を小さくすることができるので、間隔 W (図 3参照
m r
)を小さくしながら瞳を大きくすることができる。但し、角度 Θ を小さくすると、幅 dも小
m r さくなる傾向にあるので、光学系全体の寸法などを考慮してこれらの値を最適化する ことが望ましい。
また、液晶表示素子 21の光源が、 LEDなどの狭帯域なスペクトル特性を有する場 合や、特定の偏光成分のみから成る場合には、マルチミラー 12ha, 12vaの第 1反射 透過面 12a— 1,第 2反射透過面 12a— 2, 12a— 2'の波長又は偏光方向に対する 反射特性を決定する際に、そのスペクトル特性や偏光成分を考慮するとよい。このよ うに、波長域や偏光方向が限定されているときには、第 1反射透過面 12a— 1,第 2反 射透過面 12a— 2, 12a— 2 'に使用すべき膜の設計の自由度が高まる。
[0060] また、本アイグラスディスプレイは、画像導入ユニット 2による表示光束 Lの導入箇所 が観察眼 eの右下方に設定されたが、観察眼 eの右上方に設定してもよい。
また、本アイグラスディスプレイは、観察眼 eが観察者の右眼に設定されたが、左眼 に設定されてもよい。その場合、画像導入ユニット 2による表示光束 Lの導入箇所は、 その観察眼 eの左下方又は左上方に設定されるとよい。
[0061] また、本アイグラスディスプレイは、画像導入ユニット 2の配置箇所が基板 1 lhよりも 外界側に設定されたが、観察者側に設定されてもよい。
その他、本アイグラスディスプレイの画像表示光学系 1を 90° 回転させたり、各要 素のレイアウトを各種に変更してもよい。各要素のレイアウトは、アイグラスディスプレ ィの外観デザインや、表示すべき画像の形状 (アスペクト比)などを勘案して適宜選 択される。
[0062] [第 2実施形態]
以下、図 6、図 7に基づき本発明の第 2実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 1実施形態 との相違点についてのみ説明する。
相違点は、基板 l lh内の折り返しミラー l lhbが省略され、基板 l lv内の折り返しミ ラー l lvbが省略された点にある。
[0063] これ【こ伴!ヽ、基板 12h, 12v【こ ίま、マノレチミラー 12ha, 12va【こ代免て、図 6【こ示す ようなマルチミラー 12ha'， 12va'が設けられる。
図 6に示すとおり、マルチミラー 12ha'， 12va'は、第 1実施形態のマルチミラー 12 ha, 12vaにおいて、第 2反射透過面 12a— 2'を省略すると共に、その分だけ第 2反 射透過面 12a— 2を密に配置したものである。この場合も、第 1実施形態と略同様の 効果が得られる。 [0064] なお、図 6では、マルチミラー 12ha' , 12va'を一括して示した。図 6において、括 弧無しの矢印で示す方向は、マルチミラー 12ha'に関する方向であり、括弧付きの 矢印で示す方向は、マルチミラー 12va'に関する方向である。
以上の本実施形態においても、第 1実施形態と略同様の効果が得られる。 但し、折り返しミラー l lhb, l lvbの省略された本実施形態では、基板 l lh (l lv) 力 射出する表示光束 Lに輝度ムラが生じる。
[0065] また、図 7に拡大して示すとおり、第 2反射透過面 12a— 2のうち、第 1反射透過面 1 2a— 1から離れた側の略半分の領域 Bは、観察者から見て下側 (右側）に隣接する 第 2反射透過面 12a— 2の陰になる。
なお、図 7では、マルチミラー 12ha，， 12va'を一括して示した。図 7において、括 弧無しの矢印で示す方向は、マルチミラー 12ha'に関する方向であり、括弧付きの 矢印で示す方向は、マルチミラー 12va'に関する方向である。
[0066] この陰があると、領域 Bに到達する表示光束 Lの光量が、領域 Aに到達する表示光 束 Lの光量よりも少なくなるので、領域 Bから外部に射出する表示光束 Lの光量は、 領域 A力 外部に射出する表示光束 Lの光量よりも少なくなる。このため、周期的な 輝度ムラが生じる。
周期的な輝度ムラを回避する方法としては、マルチミラー 12ha' (12va' )の単位形 状を高密度に配置することが挙げられる。観察眼 eの瞳径 (約 6mm)と同サイズ内に 、数周期〜 10周期程度配置できれば、周期的な輝度ムラは生じるものの観察眼 eに 与える違和感は殆ど無い。
[0067] 周期的な輝度ムラをさらに確実に回避する方法としては、第 2反射透過面 12a— 2 のうち、第 1反射透過面 12a— 1に近い側の領域 Aの反射率 RAと、第 1反射透過面 1 2a— 1から遠い側の領域 Bの反射率 RBとの比を、 1： 2にすることが挙げられる。この 場合、領域 Aを透過した表示光束 Lが領域 Bに入射するので、周期的な輝度ムラは 略無くなる。
[0068] なお、比は、完全に 1： 2にするのではなぐ領域 Aにて反射した表示光束 Lと領域 B にて反射した表示光束 Lとの射出瞳 E上での輝度が完全に均一になるよう、それら反 射光の光路の差異などに応じて調整されることが望ましい。また、マルチミラー 12ha' (12va' )の単位形状を高密度に配置することを組み合わせれば、さらに効果が高ま る。
[0069] 一方、段階的な輝度ムラを回避する方法としては、マルチミラー 12ha' (12va' )の 表示光束 Lに対する偏向効率に対し分布を付与することが挙げられる。
このような分布を付与すると、射出瞳 Eに入射する表示光束 Lの輝度を、均一化す ることができる。また、最後の入射領域の偏向効率を 100%に設定すれば、迷光の発 生が防止される。
[0070] なお、マルチミラー 12ha' (12va' )の偏向効率に分布を付与するためには、各位 置の第 2反射透過面 12a— 2の反射率に差異を与える力、或いは、第 1反射透過面 1 2a— 1の透過率に分布を付与すればよい。
但し、マルチミラー 12ha' (12va' )の偏向効率に分布を付与すると、外界から観察 者側に入射する外界光束に対するマルチミラー 12ha' (12va' )の透過率が非一様 になる可能性があり、その場合、外界光束に輝度ムラが生じることを許容しなければ ならない。
[0071] (第 2実施形態の変形例）
なお、本実施形態では、第 1実施形態のアイグラスディスプレイにおいて、折り返し ミラー l lhb, l lvbの双方を省略し、かつマルチミラー 12ha, 12vaの双方をマルチミ ラー 12ha，， 12va，に代えたものである力 折り返しミラー l lhb, l lvbの一方のみを 省略し、力つマルチミラー 12ha, 12vaの一方のみを代えてもよいことは言うまでもな い。
[0072] [第 3実施形態]
以下、図 8、図 9に基づき本発明の第 3実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 2実施形態 との相違点についてのみ説明する。
相違点は、図 8 (a)に示すように、マルチミラー 12ha，に代えてマルチミラー 12ha" が備えられ、図 8 (b)に示すように、マルチミラー 12va'に代えてマルチミラー 12va" が備えられた点にある。
[0073] マルチミラー 12ha"の形成箇所は、第 2実施形態のそれとは反対、つまり基板 l lh の外界側の面 l lh— 1であり、マルチミラー 12va"の形成箇所は、第 2実施形態のそ れとは反対、つまり基板 1 lvの観察者側の面 1 lv— 2である。
マルチミラー 12ha，，， 12va，，も、マルチミラー 12ha，， 12va，と同様、図 9に示すよう に、第 1反射透過面 12a— 1,第 2反射透過面 12a— 2からなる。
[0074] なお、図 9では、マルチミラー 12ha", 12va"を一括して示した。図 9において、括 弧無しの矢印で示す方向は、マルチミラー 12ha"に関する方向であり、括弧付きの 矢印で示す方向は、マルチミラー 12va"に関する方向である。
但し、第 2反射透過面 12a— 2と基板 13の法線とが成す角度は、 30° に設定され る。
[0075] また、第 2反射透過面 12a— 2は、 60° 近傍 (40° 〜80° )の入射角度で入射す る光に対して反射透過性を有して 、る。
次に、基板 l lh (l lv)内を伝播する表示光束 Lに対するマルチミラー 12ha" (12va ")の作用を説明する。ここでは、中心画角の光束（0 = 60° ) L
i 0、周辺画角の光束（
Θ =40° ) L 、周辺画角の光束（θ = 80° ) L に対する作用を代表して説明す i -20 i +20
る。
[0076] 図 9に示すように、 60° 近傍 (40° 〜80° )の入射角度で基板 l lh (l lv)を内面 反射する光束 L , L , L は、何れも基板 l lh (l lv)と第 1反射透過面 12a— 1との
0 -20 +20
境界面において全反射せずに、その一部が第 1反射透過面 12a— 1を透過する。 透過した光束 L , L , L は、第 2反射透過面 12a— 2に対し 60° 近傍 (40°
0 -20 +20 〜8
0° )の入射角度でそれぞれ入射する。第 2反射透過面 12a— 2に入射した表示光 束 L , L , L の一部は、第 2反射透過面 12a— 2にて反射し、外部に射出する。
0 -20 +20
[0077] このようなマルチミラー 12ha" (12va")も、マルチミラー 12ha，（12va，）と同じ作用 をする。
したがって、本実施形態においても、第 2実施形態と同じ効果が得られる。 なお、本実施形態は、第 2実施形態のアイグラスディスプレイにおいて、マルチミラ 一 12ha，， 12va，の双方をマルチミラー 12ha", 12va"に代えたものであるが一方の みを代えてもょ 、ことは言うまでもな 、。
[0078] また、本実施形態は、第 2実施形態の変形例であるが、第 1実施形態を同様に変形 してもよ！、ことは言うまでもな!/、。
[第 4実施形態]
以下、図 10に基づき本発明の第 4実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 2実施形態 との相違点についてのみ説明する。
[0079] 相違点は、図 10 (a)に示すように、マルチミラー 12ha'に代えて複数のハーフミラ 一 HMが備えられ、図 10 (b)に示すように、マルチミラー 12va，に代えて複数のハー フミラー HMが備えられた点にある。これら複数のハーフミラー HM力 請求項の部分 反射面に対応する。
これら複数のハーフミラー HMは、基板 l lhの内部、基板 l lvの内部に設けられる ので、第 1実施形態においてマルチミラー 12ha, 12vaを設けるための基板 12h, 12 Vは、非必須となる。なお、図 10においては、基板 12h, 12vの他に、基板 13 (視度 補正の働きを担う基板）についても省略した。
[0080] 図 10 (a)に示すように、基板 l lhの内部に設けられたハーフミラー HMは、何れも 基板 1 lh内にお 、て光軸の存在する平面（図 10の紙面）に対し垂直である。
図 10 (b)に示すように、基板 l lvの内部に設けられたノヽーフミラー HMは、何れも 基板 11 V内にお 、て光軸の存在する平面（図 10の紙面）に対し垂直である。
このような本実施形態のアイグラスディスプレイにおいても、基板 1 lhにより射出瞳 Eの上下方向の幅を拡大し、基板 l lvにより射出瞳 Eの左右方向の幅を拡大すること ができる。
[0081] また、ハーフミラー HMが光軸の存在する平面に対し垂直なので、ハーフミラー H Mの基板 l lh, l lvの表面に対する角度を、内面反射の角度（つまり角度 0、ここで は 60° )に応じて 45° 以外の角度（図 10では 60° )に設定することができる。つまり 、複数のハーフミラー HMの配置自由度は高ぐ省スペース化に有利である。
その配置自由度の高さを利用し、本実施形態では、複数のハーフミラー HMを基 板 l lh, l lvのそれぞれに対し密に設けている。
[0082] したがって、射出瞳の上下方向及び左右方向の拡大率が大きい割に、画像表示光 学系 1のサイズはコンパクトに収められて 、る。 なお、本実施形態は、第 2実施形態のアイグラスディスプレイにおいて、マルチミラ 一 12ha, 12vaの双方を複数のハーフミラー HMに代えたものであるが、一方のみを 代えてもょ 、ことは言うまでもな 、。
[0083] また、本実施形態は、第 2実施形態の変形例であるが、第 1実施形態を同様に変形 してもよ！、ことは言うまでもな!/、。
[第 5実施形態]
以下、図 11、図 12に基づき本発明の第 5実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 1実施形態 との相違点についてのみ説明する。
[0084] 相違点は、図 11に示すように、画像表示光学系 1の全体を L字状に配置し（図 11 中点線部参照）、観察者の顔面への装用性を向上した点にある。このような配置を採 用すれば、アイグラスディスプレイをゴーグルタイプにすることができる。
図 12は、このアイグラスディスプレイのレイアウトの詳細を示す概略断面図である。 第 1実施形態で述べた基板 12h, l lh等が観察者の右方の側頭部に納められてい る。その基板 l lhから射出した表示光束 Lの光路は、折り曲げミラー 71によって偏向 してから、基板 l lvへと入射する。
[0085] なお、折り曲げミラー 71による偏向角度は、アイグラスディスプレイのデザインや装 用性を勘案して、適当な角度に設定される。
また、本実施形態は、第 1実施形態の変形例であるが、第 2実施形態、第 3実施形 態、第 4実施形態を同様に変形してもよい。
[その他の各実施形態]
なお、各実施形態のアイグラスディスプレイは、表示光束 Lの上下方向の径を拡大 した後に左右方向の径を拡大するよう各要素が配置されているが、その拡大の順序 が逆になるよう各要素を配置することもできる。拡大の順序については、アイグラスデ イスプレイの外観デザインや、表示すべき画像のアスペクト比などを勘案して適宜選 択される。また、その際には、視野角がなるべく広く保たれるよう選択されることが望ま しい。
[0086] また、各実施形態のアイグラスディスプレイは、表示画面の虚像を片眼 (右眼）のみ に表示するよう構成されて 、るが、左右両方に対し表示するよう構成することもできる 。また、左右の表示画面にステレオ画像を表示すれば、アイグラスディスプレイを立 体視ディスプレイとして使用することができる。
また、各実施形態のアイグラスディスプレイは、シースルー型に構成されているが、 その一部又は全部が非シースルー型に構成されてもよい。その場合、偏向光学部（ マルチミラーなど）の外界光束に対する透過率を 0に設定すればよ 、 (マルチミラー の場合、第 2反射透過面 12a— 2,第 2反射透過面 12a— 2'の透過率を 0に設定す ればよい。 )。因みに、非シースルー型のアイグラスディスプレイは、ヘッドマウントディ スプレイなどと称される。
[0087] また、各実施形態のアイグラスディスプレイにお!/、て、表示光束 Lの偏光方向を s偏 光に限定してもよい。 s偏光に限定するには、液晶表示素子 21として偏光したものを 用いてその配置を最適化する力、或いは、液晶表示素子 21の前面に位相板を設置 すると共に、この位相板を調整すればよい。
表示光束 が s偏光に限定されれば、アイグラスディスプレイの各光学面に対し前述 した各特性を付与することが容易になる。光学面に光学多層膜を用いる場合には、 その光学多層膜の膜構成がシンプルになる。
[0088] また、各実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である力 アイグラスデイス プレイの光学系部分 (画像表示光学系、図 1の符号 1など）は、アイグラスディスプレイ 以外の光学機器にも適用可能である。例えば、画像表示光学系 1は、図 13に示すよ うに観察者の前方に大画面で虚像を表示するプロジェクタに適用されてもょ 、。その 場合、観察者の左右方向と上下方向とに照明領域が拡大される。
[0089] その他にも、カメラ、携帯電話、双眼鏡、顕微鏡、望遠鏡などの光学機器において ユーザの眼の前方に画像を表示する画像表示装置にも適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 外部力 導入される光束を第 1光学部材の内面で反射して第 1方向に伝播させ、そ の第 1方向に伝播する前記光束を各位置で所定方向に偏向してその光束の前記第 1方向の径を拡大する第 1光学系と、
前記第 1方向に径の拡大された前記光束を、前記第 1光学部材とは異なる第 2光学 部材の内面で反射して前記第 1方向とは異なる第 2方向に伝播させ、その第 2方向 に伝播する前記光束を各位置で所定方向に偏向してその光束の前記第 2方向の径 を拡大する第 2光学系と
を備えた光束径拡大光学系であって、
前記第 1光学系は、
前記第 1光学部材内を伝播する光束によって定まる光軸の存在平面上に法線を配 した複数の反射面を有し、
前記第 2光学系は、
前記第 2光学部材内を伝播する光束によって定まる光軸の存在平面上に法線を配 した複数の反射面を有する
ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[2] 請求項 1に記載の光束径拡大光学系において、
前記第 1光学系の前記複数の反射面は、
前記第 1方向に伝播する前記光束から、前記第 1方向に並ぶ複数の光束を生成す るものであり、
前記第 2光学系の前記複数の反射面は、
前記第 2方向に伝播する前記光束から、前記第 2方向に並ぶ複数の光束を生成す るものである
ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[3] 請求項 1又は請求項 2に記載の光束径拡大光学系にお 、て、
前記第 1光学系は、
前記第 1光学部材の前記反射に供される一方の面の所定領域に密着して形成さ れ、かつその所定領域の各位置に到達する前記光束の一部を前記第 1光学部材の 外部に射出させる光学面と、その第 1光学部材から射出した前記光束を所定方向に 偏向する複数の微小反射面とを有し、
前記第 2光学系は、
前記第 2光学部材の前記反射に供される一方の面の所定領域に密着して形成さ れ、かつその所定領域の各位置に到達する前記光束の一部を前記第 2光学部材の 外部に射出させる光学面と、その第 2光学部材から射出した前記光束を所定方向に 偏向する複数の微小反射面とを有する
ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[4] 請求項 3に記載の光束径拡大光学系において、
前記第 1光学系の前記光学面及び前記第 2光学系の前記光学面は、 入射光に対する透過 反射率特性がその入射角度により異なり、垂直入射光に対 する透過率が斜入射光に対する透過率よりも高 ヽと ヽぅ特性を有して ヽる
ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[5] 請求項 3又は請求項 4に記載の光束径拡大光学系にお 、て、
前記第 1光学系の前記微小反射面は、
入射光に対する透過一反射特性がその入射角度により異なり、前記第 1光学系の 前記光学面に対する垂直入射光と同じ伝搬方向の入射光に対する透過率が、前記 光学面に対する斜入射光と同じ伝搬方向の入射光に対する透過率よりも高いという 特性を有しており、
前記第 2光学系の前記微小反射面は、
入射光に対する透過一反射特性がその入射角度により異なり、前記第 2光学系の 前記光学面に対する垂直入射光と同じ伝搬方向の入射光に対する透過率が、前記 光学面に対する斜入射光と同じ伝搬方向の入射光に対する透過率よりも高いという 特性を有している
ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[6] 請求項 1又は請求項 2に記載の光束径拡大光学系にお 、て、
前記第 1光学系は、
前記第 1光学部材内に形成された複数の部分反射面を有し、 前記第 2光学系は、
前記第 2光学部材内に形成された複数の部分反射面を有する
ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[7] 請求項 1〜請求項 6の何れか一項に記載の光束径拡大光学系において、
前記第 1光学系により偏向され前記第 1光学部材内の伝播路から外れた前記光束 を前記第 2光学部材内の伝播路に導入するための導入用反射面をさらに備えた ことを特徴とする光束径拡大光学系。
[8] 画像表示素子と、
前記画像表示素子力 導入される各画角の表示光束の径を拡大して射出瞳を拡 大する請求項 1〜請求項 7の何れか一項に記載の光束径拡大光学系と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
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