(57)【要約】【課題】観察者の頭部あるいは顔面に装着し映像を観察するＨＭＤにおいて、１枚の画像表示素子からの光線を左眼用光学系と右眼用光学系に導き両眼で観察可能とする。【解決手段】基準軸光線と画像表示素子法線と成る角のおよび基準軸光線と射出瞳法線と成す角βは次式を満たす［｜α｜≠０，｜β｜≠０］。２つの観察光学系の射出瞳中心から画像表示素子中心法線断面に下ろした垂線の長さをＥＷとした時、［２７≦ＥＷ≦３５］を満たす画像観察装置。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの画像表示素子上に形成された画像を、観察者の眼球に導くための観察光学系を有する画像観察装置において、
観察光学系の射出瞳中心と画像表示素子中心を結んだ光線を基準軸光線とする時、
基準軸光線と画像表示素子法線とが互いの交点で成す角αおよび基準軸光線と射出瞳法線とが互いの交点で成す角βは次式を満たすことを特徴とし
｜α｜≠０　（１）
｜β｜≠０　（２）
２つの該観察光学系が、該画像表示素子中心を通り、かつ該画像表示素子入射面と該基準軸光線を含む面に垂直な直（以下、左右観察光学系対称面）に対称に配置することを特徴とする画像観察装置。
【請求項２】
２つの該観察光学系の射出瞳中心から該左右観察光学系対称直に下ろした垂線の長さをＥＷとした時、次式を満たすことを特徴とする請求項１の画像観察装置。
２７≦ＥＷ≦３５　　　　　（３）
【請求項３】
２つの該観察光学系のうち少なくとも１つの光学作用面を共通化して形成したことを特徴とする請求項１又は２の画像観察装置。
【請求項４】
２つの該観察光学系のうち少なくとも１つの光学部位を一体で形成したことを特徴とする請求項１、２又は３の画像観察装置。
【請求項５】
該観察光学系は凹面反射面を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の画像観察装置。
【請求項６】
該観察光学系は偏心凹面反射面を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の画像観察装置。
【請求項７】
該観察光学系は偏心凹面反射面と全反射面を含み、これらの光学作用面のうち少なくとも１つは自由曲面であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の画像観察装置。
【請求項８】
該観察光学系は偏心凹面反射面と全反射面と４つの透過面を含み、これらの光学作用面のうち少なくとも１つは自由曲面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項の画像観察装置。
【請求項９】
偏心凹面反射面・全反射面・２つの透過面からなる屈折率が１以上の媒質で満たされる光学部位１と２つの透過面からなる屈折率が１以上の媒質で満たされる光学部位２からなることを特徴とする請求項８の画像観察装置。
【請求項１０】
該観察光学系の光学作用面のうち少なくとも１つは回折素子であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項の画像観察装置。
【請求項１１】
該光学部位１該光学部位２は異なる波長分散を有することを特徴とする請求項９の画像観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者が両眼で画像を観察する画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、従来までの画像表示装置の外観図を示す。観察者は図５に示すように、画像表示装置７０１を観察者の頭部、あるいは顔面に装着し、映像・音声を楽しみ、高い没人感が得られるようになっている。
【０００３】
図６は、画像表示装置を形成する単眼用観察光学系の基準軸光線Ａを含む垂直な断面図である。ここで、基準軸光線ＡはＬＣＤ等の画像表示素子３１中心と観察者の眼球３５の中心を結んだ光線とする。３２は前記ＬＣＤ３１を照明するためのバックライト、３４は光学素子である。
【０００４】
ＬＣＤ３１に表示された画像は、光学素子３４を介して拡大され、観察者はその拡大画像を光学素子３４の背面に見ることができる。
【０００５】
以上単眼用観察光学系に関して説明を行ったが両眼で観察する画像表示装置では、２つの単眼用観察光学系を左右眼の前に配置し同一部材で保持したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、ＬＣＤ及び、結像プリズムを各２個用いることから、装置の小型化・軽量化の上で限界があった。上記問題点に鑑み、特開平０７−２８７１８８のような一つ画像表示素子の画像を両眼に導く光学系が提案されている。しかしながら、画像表示素子から左右眼への光路が複雑であり、装置の大型化が問題であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像観察装置は特許請求の範囲のように構成することで、１つの画像表示素子で両眼で画像観察することが可能となり、大幅な小型化、及び軽量化が実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１は本発明の第一の実施例を説明する画像表示装置の断面図である。
【０００９】
図１において１は２次元映像を表示するための素子であるＬＣＤ，２はＬＣＤ１を照明するためのバックライトである。３はＬＣＤ１に表示された映像を観察者右眼球に導く右眼用観察光学系を形成している光学プリズム、４はＬＣＤ１に表示された映像を観察者左眼球に導く左眼用観察光学系を形成している光学プリズムである。５は右眼用観察光学系の一部である補助レンズであり、左眼用観察光学系の一部である補助レンズと同一部品で構成されている。
【００１０】
図２は図１の観察光学系をさらに詳しく説明するために右眼用観察光学系のみの拡大図である。
【００１１】
図中ＡはＬＣＤの中心と観察者の眼球中心（観察光学系の射出瞳）を結んだ光線であり、以下基準軸光線と呼ぶ。光学プリズム３は透過面３ｃ，全反射面及び透過面３ａ、ＡＬ蒸着が施された反射面３ｂからなり、屈折率が１より大きい媒質を挟んで一体成形されたプラスチック素子である。３ａ，３ｂ，３ｃの少なくとも１つは各面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面からなる。補助レンズ５は透過面５ａ，透過面５ｂからなり、屈折率が１より大きい媒質を挟んで一体成形されたプラスチック素子である。本実施例においては光学プリズム３と補助レンズ５は互いに異なる波長分散を有し、観察光学系が有する色収差を押さえる効果をもつものである。
【００１２】
本実施例の光学的作用について説明する。ＬＣＤ１で表示した画像から射出する光束はまず光学作用面５ｂ、５ａ、３ｃを透過して光学作用面３ａへ向かい、この面３ａで全反射して光学作用面３ｂへ向かい、この面３ｂで反射して収束光となり、再び光学作用面３ａへ向かい、今度はこの面３ａを透過して画像の虚像を形成すると共に観察者の眼球表面ｓに達して観察者に虚像を視認させる。ここでは観察者の眼球表面ｓと観察光学系の射出瞳は一致している。
【００１３】
本実施例の光学系は偏心面で構成しているので、光学系の形状を表す為に絶対座標系とローカル座標系を設定する。絶対座標系の原点は観察者の望ましき瞳孔位置Ｓの中心Ｏに設定し、Ｚ軸は点Ｏを通り瞳孔面に垂直な直線であり、前記平面上にある。Ｙ軸は原点Ｏを通り前記平面上でＺ軸に対して反時計回りに９０°の角度をなす直線である。Ｘ軸は原点Ｏを通り、Ｙ，Ｚ軸に対して直交する直線である。
【００１４】
ローカル座標の原点Ｏｉは絶対座標（Ｓｘｉ，ＳＹｉ，ＳＺｉ）で各面毎に設定する。ローカル座標のｚ軸はＹＺ平面内で原点Ｏｉを通り、絶対座標系のＺ軸と角度Ａｉをなす直線である。ｙ軸は原点Ｏｉを通りｚ軸に対して反時計回りに９０°の角度をなす直線である。ｘ軸は原点Ｏｉを通り、ｙ軸及びｚ軸に直交する直線である。
【００１５】
各面の形状はローカル座標で表す。本発明の各実施例において光学作用面の形状は、円錐係数で定義される円錐関数にゼルニケ多項式による非球面項を有する形状をしており、以下に示す関数により表す。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
ここにｃは曲率であり、ｃ＝１／ｒ、ただしｒは各面の基本曲率半径である。又、ｋは各面の円錐係数、ｃｊは各面におけるｊ番目のゼルニケ多項式の非球面係数である。本実施例の光学データを表１に示す。
【００１８】
本実施例では光学プリズム３のプラスチック材料の屈折率ｎｄは１．５７，補助レンズ５のプラスチック材料の屈折率ｎｄは１．４９とする。
【００１９】
本実施例において、基準軸光線と画像表示素子法線とが互いの交点で成す角αは４２．７°である。射出瞳中心から観察像面（画像表示素子を光学手段を介して拡大した像面であり、像中心の合焦点を含む面とする）に下した垂線の長さＬは２０００ｍｍ、射出瞳中心から、該画像表示素子中心を通りかつ該画像表示素子入射面と該基準軸光線を含む面に垂直な面（以下、左右観察光学系対称面）に下ろした垂線の長さＥＷは３２．５ｍｍ，射出瞳面上で基準軸光線と射出瞳法線との成す角βは０．９°である。
【００２０】
本実施例のように｜α｜≠０を満たす場合、液晶の任意の点からの左右の観察光学系に向かう光線は液晶出射時から分離されており、従来例（特開平０７−２８７１８８）のような｜α｜＝０の装置と比較してハーフミラーやダイクロフィルター等の光束分離手段を別途設ける必要がない。またβは輻輳角ｔａｎ−１（ＥＷ／Ｌ）に等しく設定されているため、観察像面において輻輳ずれのない正常な両眼視が可能となる。
【００２１】
本実施例のように構成することで、１つの画像表示素子からの画像を両眼で観察することが可能となり、小型でかつ軽量な画像表示装置の提供が実現できる。
【００２２】
また、本実施例の観察光学系は２回の反射面を有することから観察者眼球と画像表示素子は観察光学系を挟んで逆側に配置しているため観察者の鼻と画像表示素子との干渉の心配のない構成となっており、装置外装設計等の自由度が高くできる。
【００２３】
（第２実施例）
図３は本発明の第二実施例を説明する画像表示装置の断面図である。本実施例においては第一実施例の補助レンズ５の光学作用面５ａを回折素子で構成したものである。ただし、回折素子を形成する基板面はＸトロイダル非球面（ｘｚ面内では非球面、ｙｚ面内では円）としている。
【００２４】
本実施例の光学データを表２に示す。ただし、回折素子は波面位相差量を下記のようなＸＹ多項式で表している。
【００２５】
ＣＩ　Ｘ
Ｃ２　Ｙ
Ｃ３　Ｘ２
Ｃ４　ＸＹ
Ｃ５　Ｙ２
本実施例では光学プリズム３のプラスチック材料の屈折率ｎｄは１．５７，補助レンズ５のプラスチック材料の屈折率ｎｄは１．５７、α＝２．８°、β＝０．９°、ＥＷ＝３２．５ｍｍとする。
【００２６】
実施例のように構成することで第一実施例同様の効果が得られる。
【００２７】
（第３実施例）
４は本発明の第三実施例を説明する画像表示装置の断面図である。本実施例においては第一実施例の補助レンズ５の光学作用面５ａを光学素子と張り合わせて構成したものである。
【００２８】
本実施例の光学データを表３に示す。
【００２９】
本実施例では光学プリズム３のプラスチック材料の屈折率ｎｄは１．５７，補助レンズ５のプラスチック材料の屈折率ｎｄは１．４９、α＝５６．０°、β＝０．９°、ＥＷ＝３２．５ｍｍとする。
【００３０】
本実施例のように構成することで第一実施例同様の効果が得られる。
【００３１】
以上説明した実施例では全て右眼用の観察光学系に関して説明したが、左眼用の観察光学素子は，該左右観察光学系対称面に対して折り返したものであり、説明を省略する。また、上記実施例では画像表示素子としてＬＣＤとしたが、それに限るものではない。また、上記実施例ではバックライトに関する詳細な記載はないが、白色蛍光等やＬＥＤ等が望ましい。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
【表３】
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【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、上記実施例のように構成することで小型で軽量な画像表示装置の実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図２】本発明の第一の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図３】本発明の第二の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図４】本発明の第三の実施例を説明する画像表示装置の断面図
【図５】従来の画像表示装置の断面図
【図６】従来の画像表示装置の断面図
【符号の説明】
１．ＬＣＤ
２．バックライト
３．光学プリズム
４．光学プリズム
５．補助レンズ
【図１】
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【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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