(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無偏光の映像光束を形成する映像表示素子と、
前記映像表示素子の光軸と観察者の視軸の交点を挟んで観察者の瞳と対向するように配され少なくとも一つの反射面を含み正のパワーを有する第１の接眼光学系と、  前記交点を挟んで前記映像表示素子と対向するようにかつ前記交点からの光路長が前記交点から第１の接眼光学系までの光路長とほぼ等しくなる位置に配され少なくとも一つの反射面を含み第１の接眼光学系とほぼ等しい正のパワーを有する第２の接眼光学系と、
前記交点近傍に傾斜配置され前記映像表示素子からの映像光束を反射、透過することにより第１の接眼光学系方向と第２の接眼光学系方向に導くようになす第１の偏光半透過面と、
第１の偏光半透過面近傍の第２の接眼光学系側に第１の偏光半透過面と略平行に配された第２の偏光半透過面と、
第１の偏光半透過面で反射されて第１の接眼光学系で反射された後第１の偏光半透過面に再入射する映像光束を第１の偏光半透過面で透過される偏光の映像光束とする第１の偏光変換手段と、
第２の偏光半透過面で透過されて第２の接眼光学系で反射された後第２の偏光半透過面に再入射する映像光束を第２の偏光半透過面で反射される偏光の映像光束とする第２の偏光変換手段とを備えたことを特徴とする映像表示光学系。
【請求項２】
第１の偏光変換手段は第１の偏光半透過面と第１の接眼光学系の間に配された４分の１波長板であり、
第２の偏光変換手段は第２の偏光半透過面と第２の接眼光学系の間に配された４分の１波長板であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示光学系。
【請求項３】
前記二つの接眼光学系は裏面反射面を有する接眼レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像を観察者の瞳に投影して表示する映像表示光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
観察者の眼球に映像を表示する映像表示光学系の従来例としては、例えば特開平７−１４０４１４号公報に記載されたもの（従来例１）があり、図３は前記公報に記載の光学系の断面図を示す図である。図３の映像表示光学系は、映像を形成する映像表示素子である液晶表示素子（ＬＣＤ）５１と、ＬＣＤ５１により形成された映像光束を観察者の眼球に導くためＬＣＤ５１の光軸と観察者の視軸の交点近傍に傾斜配置されるハーフミラー５２と、正のパワーを有しハーフミラー５２を介してＬＣＤ５１と対向配置される拡大反射鏡５３とを備えて成る。
【０００３】
従来例１は、ＬＣＤ５１からの映像光束の内のハーフミラー５２を透過した映像光束が拡大反射鏡５３で反射して再びハーフミラー５２に導かれた後、ハーフミラー５２で反射された映像光束が観察者の瞳位置５４に導かれるようになっている。
【０００４】
従来例１は、上述のようにＬＣＤ５１からの映像光束が観察者の瞳位置５４に到達するまでにハーフミラー５２を２回通過するので、最終的に観察者の瞳に導かれる光量はＬＣＤ５１において発生された光量の（１／２）２＝２５％にしかならず、光の利用効率が低い。光の利用効率の向上を図った映像表示光学系として、例えば特開平６−３２４２８６号公報、米国特許第５，３８３，０５３号に記載されたものがある。
【０００５】
図４は、特開平６−３２４２８６号公報に記載の光学系（従来例２）を示すものである。図４の映像表示光学系は、映像を形成する映像表示素子であるＬＣＤ６２と、ＬＣＤ６２により形成された映像光束を観察者の眼球６６に導くためＬＣＤ６２の光軸と観察者の視軸の交点近傍に傾斜配置されたハーフミラー６３とハーフミラー６３の透過側と反射側にそれぞれ配置された正のパワーを有する拡大反射鏡６４、６５とを備えて成る。
【０００６】
従来例２においては、ＬＣＤ６２から出射された映像光束はまずハーフミラー６３に与えられる。映像光束の内、ハーフミラー６３で透過された光束は拡大反射鏡６４に与えられここで反射され、ハーフミラー６３に再入射する。そして、ハーフミラー６３で反射された光束が観察者の眼球６６に与えられる。ＬＣＤ６２からの映像光束の内、ハーフミラー６３で反射された光束は拡大反射鏡６５に与えられここで反射され、ハーフミラー６３に再入射する。そして、ハーフミラー６３で透過された光束が観察者の眼球６６に与えられる。
【０００７】
ハーフミラー６３の透過側と反射側にそれぞれ拡大反射鏡６４、６５が設けられている上記のような構成の光学系においては、一方しか設けられていない例えば従来例１の光学系と比較して光の利用効率が原理的には２倍となる。
【０００８】
図５は、米国特許第５，３８３，０５３号に記載の光学系（従来例３）を示すものである。図５の映像表示光学系は、映像を形成する映像ソース５５と、映像ソース５５により形成された映像光束を観察者の眼球６１に導くため映像ソース５５の光軸と観察者の視軸の交点近傍に傾斜配置されたビームスプリッタ５７と、正のパワーを有しビームスプリッタ５７を介して観察者の眼球６１と対向配置された凹レンズ５９と、さらに映像ソース５５とビームスプリッタ５７の間に配置されたリレーレンズ５６と、ビームスプリッタ５７と凹レンズ５９の間に配置された４分の１波長板５８とを備えて成る。尚、ビームスプリッタ５７はＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するものである。
【０００９】
従来例３において、映像ソース５５から出射されたＳ偏光よりなる映像光束はリレーレンズ５６を介してビームスプリッタ５７に与えられ、ここで反射される。ビームスプリッタ５７で反射されたＳ偏光光束は、４分の１波長板５８を介して凹レンズ５９に与えられ、ここで反射され再び４分の１波長板５８を介してビームスプリッタ５７に与えられる。
【００１０】
映像光束はビームスプリッタ５７を出射してからここに再入射するまでに、４分の１波長板５８を２回通過するので位相が１８０度ずれる。つまり、Ｐ偏光光束よりなる映像光束がビームスプリッタ５７に再入射される。Ｐ偏光は、ビームスプリッタ５７で透過され観察者の眼球６１に与えられる。観察者は与えられた映像光束により虚像６０を観察することになる。ビームスプリッタ５７で、完全に全てのＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過することは困難であり、また映像ソース５５より出射される映像光束も特定の偏光状態のもののみが有効であるために、幾分光の損失はあるものの、光の利用効率は従来例１と比較して大幅に改善されている。
【００１１】
しかしながら、従来例２、３の映像表示光学系は、従来例１に示した映像表示光学系と比較して光の利用効率の向上は図られているものの、瞳径の拡大に関しては考慮されていない。瞳径の拡大に関して考慮されていないのは、従来例１も同様である。瞳径が大きいほど観察者は映像を観察しやすいことになる。
【００１２】
米国特許第５，５０６，７２８号においては、瞳径の拡大を図った映像表示光学系が記載されている。図６は、米国特許第５，５０６，７２８号の光学系（従来例４）を示す図である。図６に示す映像表示光学系は、映像を形成する映像ソース６７と、映像ソース６７により形成された映像光束を観察者の眼球７１に導くため映像ソース６７の光軸と観察者の視軸の交点近傍に傾斜配置された平行な二つのハーフミラー６８、６９と、正のパワーを有しハーフミラー６８、６９を介して映像ソース６７と対向配置されたコリメータミラー７０とを備えて成る。
【００１３】
映像ソース６７で形成された映像光束のうち、ハーフミラー６８、６９を透過した光束はコリメータミラー７０で反射されてハーフミラー６９に与えれられる。ハーフミラー６９で反射された光束は観察者の眼球７１に導かれる。また、ハーフミラー６９で透過された光束のうちハーフミラー６８で反射された光束も同じく観察者の眼球７１に導かれる。
【００１４】
このような構成においては、２つのハーフミラー６８、６９により反射された光束が観察者の眼球７１の異なる位置に入射されることにより、瞳径の拡大が図られる。従って、図３に示した光学系と同様なコンパクトさを保ったまま瞳径の拡大が図られることになる。尚、図３に示した光学系においては、外部７２からの光束も観察者の眼球７１に導かれるように構成されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例４においては、光の利用効率の低さと、二つのハーフミラー６８、６９での面間反射に起因するゴーストが生じるという問題点がある。図７に従来例４の光学系を簡略化して示し、光の利用効率の低さについて説明する。図７においては、観察者の眼球７１に与えられることなく捨てられる光束を点線で示す。
【００１６】
図をみるとわかるように、映像光束は観察者の眼球７１に与えられるまでに、ハーフミラー６８、６９を３回または４回通過しており、通過する度に光量が半分となるので、結果的に観察者に与えられる映像光束は映像ソース６７で出射された映像光束の光量の約１０％となり、光の利用効率が大変低い。光の利用効率が低いと、小出力の映像ソース６７を用いた場合には所望の光量を確保できないので、所望の光量を確保するためには大出力（大型）の映像ソース６７を用いなければならず、映像表示装置が大型化してしまう。
【００１７】
次に、図８を用いてゴーストに関して説明する。図８も図７と同じく従来例４の光学系を簡略化して示した図である。ゴーストに起因する光線を点線で示す。観察者に与えられる映像光束として、コリメータミラー７０に与えられる前に、ハーフミラー６９で反射されハーフミラー６８に与えられ、ここでも同じく反射された後コリメータミラー７０に与えられた光束も含まれてしまう。この光束は図中点線で示したものであるが、実線で示した光束とは異なる角度で観察者の眼球７１に与えられ、ゴーストとして観察されることになる。
【００１８】
本発明は、上記問題点に鑑み、コンパクトで光量の損失が少なく、面間反射によるゴーストを解消した瞳径の大きな映像表示光学系を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の映像表示光学系は、無偏光の映像光束を形成する映像表示素子と、前記映像表示素子の光軸と観察者の視軸の交点を挟んで観察者の瞳と対向するように配され少なくとも一つの反射面を含み正のパワーを有する第１の接眼光学系と、前記交点を挟んで前記映像表示素子と対向するようにかつ前記交点からの光路長が前記交点から第１の接眼光学系までの光路長とほぼ等しくなる位置に配され少なくとも一つの反射面を含み第１の接眼光学系とほぼ等しい正のパワーを有する第２の接眼光学系と、前記交点近傍に傾斜配置され前記映像表示素子からの映像光束を反射、透過することにより第１の接眼光学系方向と第２の接眼光学系方向に導くようになす第１の偏光半透過面と、第１の偏光半透過面近傍の第２の接眼光学系側に第１の偏光半透過面と略平行に配された第２の偏光半透過面と、第１の偏光半透過面で反射されて第１の接眼光学系で反射された後第１の偏光半透過面に再入射する映像光束を第１の偏光半透過面で透過される偏光の映像光束とする第１の偏光変換手段と、第２の偏光半透過面で透過されて第２の接眼光学系で反射された後第２の偏光半透過面に再入射する映像光束を第２の偏光半透過面で反射される偏光の映像光束とする第２の偏光変換手段とを備えた構成とする。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の映像表示光学系において、第１の偏光変換手段は第１の偏光半透過面と第１の接眼光学系の間に配された４分の１波長板であり、第２の偏光変換手段は第２の偏光半透過面と第２の接眼光学系の間に配された４分の１波長板である構成とする。
【００２１】
上記構成において、各半透過面から出射された光束はそれぞれ４分の１波長板を２回通過して各半透過面に再入射することになる。よって、各半透過面において出射時と再入射時で光束の偏光方向は９０度異なる。従って、出射時に半透過面で反射された光束は再入射時には透過され、出射時に半透過面で透過された光束は再入射時には反射されることになる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の映像表示光学系において、前記二つの接眼光学系は裏面反射面を有する接眼レンズである構成とする。
【００２３】
接眼光学系として裏面反射面を有する接眼レンズを用いると、像面性が良い。これと同程度の性能を達成するためには、屈折系では正と負のレンズが必要となる。また、反射鏡１枚では、同程度の性能を達成できない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施形態の映像表示光学系を模式的に示す。図１の映像表示光学系は、映像光束を形成する映像形成部材（映像表示素子）２と、映像形成部材２の光軸２ａと所定位置における観察者の瞳１０の視軸１０ａの交点１を挟んで観察者の瞳１０と対向するように配され反射面を含み正のパワーを有する第１の接眼レンズ７と、交点１を挟んで映像形成部材２と対向するようにかつ交点１からの光路長が交点１から第１の接眼レンズ７までの光路長とほぼ等しくなる位置に配され反射面を含み第１の接眼レンズ７とほぼ等しい正のパワーを有する第２の接眼レンズ９と、交点１近傍に傾斜配置され映像表示部材２からの映像光束を反射・透過することにより第１の接眼レンズ７方向と第２の接眼レンズ８方向に導くようになす第１の半透過面４と、第１の半透過面４近傍の第２の接眼レンズ９側に第１の半透過面４と略平行に配された第２の半透過面５と、第１の半透過面４と第１の接眼レンズ７の間に配された４分の１波長板６と、第２の半透過面５と第２の接眼レンズ９の間に配された４分の１波長板８とからなる。
【００２５】
前記映像形成部材２は、ＤＶＤやＣＲＴなどの無偏光の映像光束を形成する映像表示素子である。第１、第２の半透過面４、５は入射光束の偏光方向によって選択的に反射、透過を行う偏光半透過面であり、ここではＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するものであるとする。
【００２６】
映像形成部材２で形成された映像光束は第１の半透過面４に与えられる。ここで、映像光束のうちＳ偏光光束は反射され、Ｐ偏光光束は透過される。反射されたＳ偏光光束は４分の１波長板６を介して接眼レンズ７に与えられ、ここで反射された後再び４分の１波長板６を介して第１の半透過面４に与えられる。映像光束は往復で２回４分の１波長板６を透過することにより位相が１８０度ずれ偏光方向が９０度回転する。よって、第１の半透過面４に再入射する映像光束はＰ偏光光束よりなる。このＰ偏光光束は第１の半透過面４、第２の半透過面５で透過され観察者の瞳１０に与えられる。
【００２７】
映像形成部材２から第１の半透過面４に与えられ、ここで透過されたＰ偏光光束は第２の半透過面５でも透過され、４分の１波長板８を介して接眼レンズ９に与えられ、ここで反射された後再び４分の１波長板８を介して第２の半透過面５に与えられる。映像光束は往復で２回４分の１波長板８を透過することにより位相が１８０度ずれ偏光方向が９０度回転する。よって、第２の半透過面５に再入射する映像光束はＳ偏光光束よりなる。このＳ偏光光束は第２の半透過面５で反射され観察者の瞳１０に与えられる。
【００２８】
第１の半透過面４で分割された映像光束は、上記のようにどちらも観察者の瞳１０に導かれる。このとき、第１の半透過面４と第２の半透過面５のずれ分だけ、分割光束の射出位置がずらされることになる。この射出位置のずれ量が適当な値となるように二つの半透過面４、５を配置することで、半透過面が一つである場合と比較して瞳径の引き延ばしが図られる。図中では、ｄに示した分だけ瞳径が引き延ばされることになる。
【００２９】
本実施形態では、原理的には半透過面４、５での反射、透過により失われる映像光束がないため、映像形成部材２から出射された全ての映像光束が観察者の瞳１０に導かれる。よって、損失光量はない。また、映像形成部材２において形成される映像光束の偏光方向も限定されることがなく、ある特定の偏光方向の光束のみからなる映像光束を形成する場合のように映像光束形成時での損失光量もない。
【００３０】
また、本実施形態では二つの半透過面４、５を有するように構成されているが、面間反射に起因するゴーストが生じることはない。なぜなら、二つの半透過面４、５は偏光半透過面であり、第１の半透過面４を透過する光束はＰ偏光光束のみからなり第２の半透過面５での反射成分を含まない。よって、二つの半透過面４、５間の反射は発生せず面間反射に起因するゴーストが生じることはない。
【００３１】
図２は、図１に示した光学系の具体的な構成を示した図である。第１、第２の接眼レンズ７、９はそれぞれ裏面反射面７ａ、９ａを有する構成である。第１、第２の半透過面４、５はプリズム３内に形成されており、第１、第２の半透過面４、５の法線と映像形成部材２の光軸のなす角度が４５度以上となるように形成されている。４５度より小さくなると、第２の接眼レンズ９の観察者側の端面が観察者側に突き出した構成となり、第１、第２の半透過面４、５と瞳１０との距離が増大し、ひいては第１の接眼レンズが瞳１０から遠ざかり、第１、第２の接眼レンズ７、９の径が増大し、光学系全体のコンパクトさを損なうことになるからである。二つの４分の１波長板６、８はそれぞれプリズム３の側面に貼り付けられている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光学系によると、瞳径の拡大が図られることになる。瞳径が大きいので、観察者が観察可能な瞳位置の領域が広くなり、観察しやすいことになる。尚、本発明の光学系は二つの半透過面を有する構成であるが、上述のように面間反射に起因するゴーストは発生しない。また、原理的には、損失光量がないので、最初に発生させる映像光束の光量が少なくてよく、映像表示素子の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の映像表示光学系の模式図。
【図２】本発明の実施形態の映像表示光学系の具体的な構成図。
【図３】従来例１の光学系を示した図。
【図４】従来例２の光学系を示した図。
【図５】従来例３の光学系を示した図。
【図６】従来例４の光学系を示した図。
【図７】従来例４の光学系における光の利用効率の低さを説明するための図。
【図８】従来例４の光学系において発生するゴーストについて説明するための図。
【符号の説明】
２      映像形成部材
４      第１の半透過面
５      第２の半透過面
６、８  ４分の１波長板
７      第１の接眼レンズ
９      第２の接眼レンズ
１０    瞳
【図１】
0003603930.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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