(57)【要約】【課題】  眼球を動かした時に発生する水晶体の接眼レンズ中心からのずれに対しても、その時の色収差においても、十分に良好な画像を提供できる画像表示装置を提供する。【解決手段】  光束の偏向角度が大きい眼球の瞳Ｈに近い凸レンズのレンズ（Ｌ２１、Ｌ２２）の１面をコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面とする一方、色収差を補正するために互いに異なる硝材を組み合わせた貼り合せレンズ（Ｌ２３，Ｌ２４）を設けるようにしている。貼り合わせレンズは、少なくとも２枚のレンズで構成され、かつ、貼り合せレンズの貼り合せ部は瞳側に凹面とし、かつ、貼り合せレンズの色分散は瞳Ｈ側のレンズの方が小さく、色収差補正効果が高い、凸凹凸の形状にしている。【選択図】  図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凸面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が大きくされていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凹面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が小さくされていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は少なくとも２箇所あり、前記光拡散体に近い貼り合せ面が、前記光拡散体側に凹面とされ、もう一方の貼り合せ面は、前記光拡散体側に凸面とされ、前記貼り合せ部真ん中のレンズの色分散は、両サイドのレンズの色分散よりも大きくされていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は少なくとも２箇所あり、前記光拡散体に近い貼り合せ面が、前記光拡散体側に凸面とされ、もう一方の貼り合せ面は、前記光拡散体側に凹面とされ、前記貼り合せ部真ん中のレンズの色分散は両サイドのレンズの色分散より小さくされていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜−１のコーニック面であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凸面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が大きくされ、さらに、前記拡散体は前記貼り合せレンズ方向に凹面形状の曲面とされていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凹面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が小さくされ、さらに、前記拡散体は前記貼り合せレンズ方向に凹面形状の曲面とされていることを特徴とした画像表示装置。
【請求項８】
前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜−１のコーニック面であることを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び前記第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされていることを特徴とする請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記リレー光学系が、前記第１光電素子の前記拡散体への投影倍率を可変とするものであり、前記光拡散体へ入射する各光束の主光線は、は拡大からび縮小の段階で、拡散の方向から収束の方向へ変化する非テレセントリックであり、かつ、前記拡散体から放出され、前記眼球の瞳まで達する主光線は、前記拡散体から放出されるときに収束方向に傾いていることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記光を拡散する光拡散体が、金属酸化物や金属炭化物のミクロングレードで精密に粒径が管理された砥粒を透過板上にコーティングした透過型拡散板であることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記砥粒が、シリコンカーバイド、酸化クロム、酸化スズ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムのうちの少なくとも一つであり、前記透過板はポリエステルフィルムであることを特徴とする請求項１２項に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
前記第１光電素子と光束が直交するように設置された２次元発光型の第２光電素子を有すると共に、前記第１光電素子から放出された光を前記光拡散体へ投影する前記リレー光学系の中に、前記第１、第２の光拡散体に光束を分割して導く光分割器を有し、前記光分割器には、前記第第２光電素子からの光束が、前記第１光電素子から放出された光束と直交して入射するようにされ、かつ、前記光分割器は、前記第１光電素子、前記第２光電素子からの光を分割すると共に、分割された前記第１光電素子と前記第２光電素子の光束を合成して、それぞれ、前記第１、第２の光拡散体に導く機能を有することを特徴とする請求項１から請求項１３のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記第１光学素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の眼に至るまでのミラーの反射回数と、前記第２光学素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の眼球に至るまでのミラーの反射回数との差が、０又は偶数であることを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記第１光電素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の右眼に至るまでのミラーの反射回数と、ミラーで反射されて使用者の左眼に至るまでのミラーの反射回数との差が、０又は偶数であり、かつ、前記第２光電素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の右眼に至るまでのミラーの反射回数と、ミラーで反射されて使用者の左眼に至るまでのミラーの反射回数との差が、０又は偶数であることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び前記第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされ、かつ、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔を調整した場合に、前記第１光電素子から使用者の眼に至る光学距離、及び前記第の光学素子から使用者の眼に至る光学距離が、それぞれ変化しないように調整する、光学距離調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１４から請求項１６のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記第１光電素子から放出された光を前記光拡散体へ投影する前記リレー光学系が、前記光拡散体に投影する光束の前記拡散体への投影倍率を可変とするものであり、かつ、倍率を変化させた際の前記第１光電素子及び、前記第２光電素子からそれぞれ前記拡散体に投影された画面の照度をほぼ一致させるための照度可変機構を有していることを特徴とする請求項１４から請求項１７のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１９】
前記第１光電素子は透過型又は反射型の液晶デバイス素子であり、Ｇ，Ｂ，Ｒの色に応じた３枚の液晶素子と当該液晶素子を照明する照明系を有し、当該照明系はＧ，Ｂ，Ｒの発光ＬＥＤの出力を均一化する均一化光学系であることを特徴とする請求項１から請求項１８のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項２０】
前記均一化光学系は高輝度ＬＥＤをそれぞれＧ，Ｂ，ＲのＬＥＤ毎に複数個有し、これら複数個のＬＥＤ発光部よりの光を、光ファイバーを用いて集光し、集光した光で前記液晶素子を照明することを特徴とする請求項１９に記載の画像表示装置。
【請求項２１】
前記第１光電素子は透過型又は反射型の液晶デバイス素子であり、Ｇ，Ｂ，Ｒの色に応じた３枚の液晶素子と当該液晶素子を照明する照明系を有し、当該照明系はＧ，Ｂ，Ｒの冷陰極管であることを特徴とする請求項１から請求項１８のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項２２】
前記均一化光学系は冷陰極管をそれぞれＧ，Ｂ，Ｒの色毎に複数個有し、これら複数個の冷陰極管よりの光を、光ファイバーを用いて集光し、集光した光で前記液晶素子を照明することを特徴とする請求項２１に記載の画像表示装置。
【請求項２３】
前記画像表示装置の少なくとも一部が、使用者以外の部分に支持されており、前記使用者の顔面にも接触し、前記使用者の顔面の動きに応じて移動可能とされていることを特徴とする請求項１から請求項２２のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項２４】
左右両方の眼球に対応して、少なくともそれぞれ独立した部分を有する光学系を有し、画像を前記左右のそれぞれの眼球内に投影させる画像表示装置であって、前記光学系の独立した部分は、前記眼球側から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合わせレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズうち最も眼球側の凸レンズの眼球から遠い方の面は、コーニック定数Ｋ＜０のコーニック面とされていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２５】
前記貼り合わせレンズは、前記光学系の独立した部分の、最も前記画像を形成する画像形成面側に設けられていることを特徴とする請求項２４に記載の画像表示装置。
【請求項２６】
請求項１から請求項１３、及び請求項１９から請求項２２のうちいずれか１項に記載の第１光電素子の代わりに、２個の光束放出方向に直交した２次元発光型光電素子を有し、前記第１光電素子から放出された光を前記リレー光学系を介して左右両目に対し独立した前記第１、第２の光拡散体に投影する代わりに、前記２個の光電素子から放出された光を、それぞれ前記リレー光学系を介して左右両目に対し独立した前記第１、第２の光拡散体に投影するようにしたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２７】
前記第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び前記第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２つの接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされ、かつ、これら２つの接眼光学系及び投影画像中心の間隔を調整した場合に、前記２個の光電素子から使用者の眼に至る光学距離が、それぞれ変化しないように調整する、光学距離調整機構が設けられていることを特徴とする請求項２６に記載の画像表示装置。
【請求項２８】
前記２個の光電素子から放出された光を前記光拡散体へ投影する前記リレー光学系が、前記光拡散体に投影する光束の前記拡散体への投影倍率を、それぞれ可変とするものであり、かつ、倍率を変化させた際の前記２つの光電素子からそれぞれ前記拡散体に投影された画面の照度をほぼ一致させるための照度補正機構を有していることを特徴とする請求項２６又は請求項２７に記載の画像表示装置。
【請求項２９】
２個の、光束放出方向に直交した２次元発光型の光電素子から放出された光を、それぞれリレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記２個の２次元発光型の光電素子が反射型の液晶デバイス素子であり、１個の光源と、当該光源より放出された光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、Ｐ偏光とＳ偏光をそれぞれ、前記２個の２次元発光型の光電素子に導いて前記２次元発光型光電素子を照明し、その反射光を前記リレー光学系に導く光学系を有し、当該光学系は、前記Ｐ偏光、Ｓ偏光を、第２の偏光ビームスプリッタとλ／４板とを介して、前記２次元発光型の光電素子に導き、その反射光を前記λ／４板と第２の偏光ビームスプリッタとを介して前記リレー光学系に導くものであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３０】
２組の、光束放出方向に直交した２次元発光型の光電素子から放出された光を、それぞれリレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記２組の２次元発光型の光電素子が、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ光に対応した３個の反射型の液晶デバイス素子からなり、１個の光源と、当該光源より放出された光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、Ｐ偏光とＳ偏光をそれぞれ、前記２組の２次元発光型の光電素子に導いて前記２次元発光型光電素子を照明し、その反射光を前記リレー光学系に導く光学系を有し、当該光学系は、前記Ｐ偏光、Ｓ偏光を、第２の偏光ビームスプリッタとλ／４板と、ＲＧＢ光束分割合成プリズムを介して、Ｒ，Ｇ，Ｂ光に対応した前記２次元発光型の光電素子に導き、その反射光を、前記ＲＧＢ光束分割合成プリズム、前記λ／４板と第２の偏光ビームスプリッタとを介して前記リレー光学系に導くものであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３１】
前記光源が複数の白色ＬＥＤをアレイ状に複数２次元配置したものであることを特徴とする請求項２９又は請求項３０に記載の画像表示装置。
【請求項３２】
前記光源が、それぞれアレイ状に複数２次元配置された、Ｒ色ＬＥＤ、Ｇ色ＬＥＤ群、Ｂ色ＬＥＤ群と、これらから発光される光を合成するＲＧＢ光束合成プリズムを有することを特徴とする請求項２９又は請求項３０に記載の画像表示装置。
【請求項３３】
前記光源より放出された光を、前記２次元発光型の光電素子に導く光学系が、照明均一化手段を有することを特徴とする請求項２９から請求項３２のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項３４】
前記照明均一化手段が少なくとも一つのロッドであり、前記ロッドの最終射出面と前記２次元発光型の光電素子の面が、ほぼ共役とされていることを特徴とする請求項３３に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は眼球に近接させて使用する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像表示装置には、テレビ、パソコン、プロジェクター、ビデオカメラ、携帯電話等多くの種類が存在するが、これら従来の画像表示のディスプレイは大きさに制限があり、実際に人の眼で見るような広域の画像をディスプレイから得ることはできなかった。
【０００３】
一方、人が持ち運び可能なディスプレイとしては、ウェアラブルディスプレイと呼ばれる眼鏡型ディスプレイや頭部支持型ディスプレイが知られている。ウェアラブルディスプレイとしては、図２８（ａ）に示すような視界の一部に小さいハーフミラー４０を配置し、プラズマディスプレイや液晶等の画像出力素子３９から出力された画像を、投影光学系３８を介して前記ハーフミラー４０により偏向し、眼球の網膜に投影する方法が知られている。この方法はハーフミラーを用いているので、視界の一部に画像出力素子３９から出力された画像が浮かんで見えるような方式（第１タイプ）である。しかし、視界角度としては数°程度しか得られない。このタイプのウェアラブルディスプレイの用途としては、携帯電話の画面情報の提示等が考えられている。
【０００４】
一方、もう少し大きい画像情報を得る手法としては、図２８（ｂ）に示すようなものがある。これは、眼球の手前に大きな光学素子４１を配置し、複数の反射面及び投影光学系４２を介して、画像出力素子３９から出力された画像を眼球の網膜に投影するものである。このようなタイプでは、比較的大きな視界角度（１５〜２２．５°程度）が得られるが、視界を完全に遮るタイプのものしか提案されていない。従って、使用方法として、片方の眼の前に脱着可能なように設置し、ウェアラブルパソコンとしてのディスプレイに用いる方式のもの（第２タイプ）か、両眼に独立に同画像表示装置を設置して、テレビやプロジェクターの代わりとして使用する方式のもの（第３タイプ）が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２４４２４６号公報
【特許文献２】特開２００１−３１１９１０号公報
【特許文献３】特開平７−１２８６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術における３タイプは、それぞれ携帯電話、ノートパソコン、テレビやプロジェクターに代わるウェアラブルディスプレイとして期待されていた。しかし、実際にはウェアラブルというメリットはあるものの、ディスプレイの視野の大きさでは従来のディスプレイとあまり差がなく、装備するときの面倒や視界を遮られることによる眼の疲れ、耳や頭に搭載する重量等を考えると、デメリットが目立つという欠点があった。更に、大きな視野角度を有するものでも±１５〜２２．５°程度であり、臨場感を得ることはできなかった。
【０００７】
一方、重量が大きくなることを前提として、複数のレンズを接眼レンズとして用い、大きな視野角度を得る方法を記載した方法としては、特開平７−２４４２４６号公報や特開２００１−３１１９１０号公報に記載されるもの等があり、これらのものでは、±２２．５°以上の視野角を得ることができる。しかし、これらのものは、あくまでも眼球を動かさない状態で広い視野角度が取れるというものであり、眼球を動かした時に発生する水晶体の接眼レンズ中心からのずれや、そのときの色収差について十分に考慮されてはいない。
【０００８】
また、この種の大きな視野角を有する装置では、接眼光学系が大きい形状となるため、重量も増し、もはや頭部にディスプレイを搭載するＨＭＤ型やメガネのように鼻と耳で重量を支えるメガネ型ディスプレイでは重量的に整合しないという不都合がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、人間が見る視界に近い、大きな視界角度を有し、更に、眼球を動かした時に発生する水晶体の接眼レンズ中心からのずれに対しても、その時の色収差においても、十分に良好な画像を提供できる画像表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための第１の手段は、光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凸面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が大きくされていることを特徴とする画像表示装置（請求項１）である。
【００１１】
後に発明を実施するための最良の形態の欄で詳しく説明するが、左右の眼に画像を伝達し、かつ、左右の眼用の光学系の位置が干渉しないようにするためには、第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内とする必要がある。この条件下で、従来不可能であった視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させることを実現させるためには、なるべく水晶体に近い位置に凸レンズを置いて、比較的近い範囲からのそれぞれの光束の主光線が、凸レンズの作用により大きな角度差を持って水晶体に入るようにすることが必要である。よって、本手段においては、水晶体に近い場所に、１枚又は複数枚の凸レンズを配置する構成とし、この部分には凹レンズを設けないようにする。
【００１２】
そして、この場合に、瞳の横シフト（以下「キョロ目」、「キョロ目動作」と呼ぶことがある。）を行っても、良好な像を得るために、凸レンズの周辺で発生する非点収差を改善する必要がある。そのために、凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面を、コーニック定数Ｋ＜０のコーニック面としている。さらにこの構成によって発生する色収差を改善するために、凸レンズの光拡散体側に貼り合わせレンズを設けている。
【００１３】
特に、第１、第２の接眼光学系では、眼球側に非球面の凸レンズを配置して、眼球の瞳に大きな角度で各主光線が入射するようにしているので、光拡散体における各光束の主光線の傾きは、比較的小さい。そこで、光拡散体に近い所に貼り合わせレンズを使用することで、貼り合せ面における入射角度も差ほど大きくなくなり、良好に色収差を補正できるようになる。
【００１４】
貼り合わせレンズにより色収差を改善するためには、色分散の大きなレンズ側に向かって貼り合せ面を凸とする必要があるので、本手段においては、貼り合せレンズの貼り合せ部を、前記光拡散体側に凸面し、貼り合せレンズの色分散は、前記光拡散体側のレンズの方が大きくなるようにされている。
【００１５】
これにより、光学系の大きさを大きくせず、視野角を大きくすることができ、かつ、非点収差、色収差をはじめ、各収差の小さい光学系とすることができる。又、貼り合わせレンズに入射する光を非テレセントリックとして、視野角を広げた場合に、像が観察可能なようにするために、第１光電素子からの光を、一旦光拡散体上に結像させ、中間像から拡散した光が眼球に入るようにしている。
【００１６】
前記課題を解決するための第２の手段は、光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凹面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が小さくされていることを特徴とする画像表示装置（請求項２）である。
【００１７】
本手段においては、貼り合せレンズの貼り合せ部を前記光拡散体側に凹面としているので、これに伴い、貼り合せレンズの色分散は、前記光拡散体側のレンズの方を小さくしていることが異なるのみであり、作用効果は前記第１の手段と同じである。
【００１８】
前記課題を解決するための第３の手段は、光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は少なくとも２箇所あり、前記光拡散体に近い貼り合せ面が、前記光拡散体側に凹面とされ、もう一方の貼り合せ面は、前記光拡散体側に凸面とされ、前記貼り合せ部真ん中のレンズの色分散は、両サイドのレンズの色分散よりも大きくされていることを特徴とする画像表示装置（請求項３）である。
【００１９】
本手段においては、色収差のさらなる改善を図るために、貼り合せレンズの貼り合せ部は少なくとも２箇所設けているだけで、前記第１の手段、第２の手段と基本的な作用効果は異ならない。この場合、貼り合せ部真ん中のレンズの色分散を、両サイドのレンズの方よりも大きくしていることに伴い、貼り合せ面は真ん中のレンズに向かって凸面となるように、すなわち真ん中のレンズが凹レンズとなるようにされている。通常、貼り合わせレンズは３枚十分であるが、４枚以上を使用する場合は、両端のレンズを除くレンズの組み合わせを上記１枚の真ん中のレンズと等価なレンズ系とすればよい。
【００２０】
前記課題を解決するための第４の手段は、光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であり、かつ、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は少なくとも２箇所あり、前記光拡散体に近い貼り合せ面が、前記光拡散体側に凸面とされ、もう一方の貼り合せ面は、前記光拡散体側に凹面とされ、前記貼り合せ部真ん中のレンズの色分散は、両サイドのレンズの色分散より小さくされていることを特徴とする画像表示装置（請求項４）である。
【００２１】
本手段においては、貼り合せ部真ん中のレンズの色分散を、両サイドのレンズの色分散より小さくしているので、それに伴い、貼り合せ面は真ん中のレンズに向かって凹面となるように、すなわち真ん中のレンズが凸レンズとなるようにされていることが、第３の手段と異なるのみであり、作用効果は、前記第３の手段と同じである。
【００２２】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜−１のコーニック面であることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２３】
本手段においては、凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面を、コーニック定数Ｋ＜−１のコーニック面としているので、レンズ周辺での収差をさらに改善することができる。よって、凸レンズの曲率を上げることができるようになり、凸レンズとして屈折率が低いもので色分散の小さいものを使用可能となる。これにより、色消し用の貼り合わせレンズの設計が容易になる。
【００２４】
前記課題を解決するための第６の手段は、光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凸面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が大きくされ、さらに、前記拡散体は前記貼り合せレンズ方向に凹面形状の曲面とされていることを特徴とする画像表示装置（請求項６）である。
【００２５】
本手段においては、拡散体が貼り合せレンズ方向のある方向から見て凹面形状の曲面とされていることが最大の特徴である。拡散体をこのような曲面とすることで、拡散体から貼り合わせレンズに向かう光束が収束方向となる場合であっても、拡散体の寸法を大きくしなくて済む。よって、拡散体から貼り合わせレンズに向かう光束が収束方向となるような光束を使用することができ、その分、凸レンズの像倍率を小さくすることができる。これにより、ディストーションや収差の発生を小さくすることができ、又、屈折率が小さく色分散の小さい硝材を凸レンズとして使用することができるので、色消しも容易となる。
【００２６】
前記課題を解決するための第７の手段は、光束放出方向に直交した２次元発光型の第１光電素子から放出された光を、リレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記第１、第２光拡散体像の中心間距離は５．５〜７．５ｃｍ内であり、前記第１、第２の接眼光学系は、それぞれ眼球の水晶体から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合せレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記貼り合せレンズの貼り合せ部は前記光拡散体側に凹面とされ、かつ、前記貼り合せレンズの色分散は前記光拡散体側のレンズの方が小さくされ、さらに、前記拡散体は前記貼り合せレンズ方向に凹面形状の曲面とされていることを特徴とした画像表示装置（請求項７）である。
【００２７】
本手段においては、貼り合わせレンズの構成が前記第６の手段と異なるのみであり、前記第６の手段と同じ作用効果を奏する。
【００２８】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第６の手段又は第７の手段であって、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面であることを特徴とするもの（請求項８）である。
【００２９】
本手段においては、凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面とされているので、凸レンズの周辺で発生する非点収差を改善することができる。
前記課題を解決するための第９の手段は、前記第８の手段であって、前記凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜−１のコーニック面であることを特徴とするもの（請求項９）である。
【００３０】
本手段においては、凸レンズのレンズ面の内少なくとも１面がコーニック定数Ｋ＜−１のコーニック面とされているので、凸レンズの周辺で発生する非点収差を、さらに改善することができる。
【００３１】
前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第１の手段から第９の手段のいずれかであって、前記第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び前記第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされていることを特徴とするもの（請求項１０）である。
【００３２】
本手段においては、第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされているので、使用者の眼幅に応じて調整を行うことにより、常に、使用者の両目の中心に、第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び第１、第２の光拡散体への投影画像中心を位置させることが可能となる。なお、本明細書、請求の範囲で言う「眼幅」とは、両眼の間隔である。
【００３３】
前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第１の手段から第１０の手段のいずれかであって、前記リレー光学系が、前記第１光電素子の像の前記拡散体への投影倍率を可変とするものであり、前記光拡散体へ入射する各光線の主光線は拡大から縮小の段階で拡散の方向から収束の方向へ変化する非テレセントリックであり、かつ、前記拡散体から射出され、前記眼球の瞳まで達する主光線は、前記拡散体から射出されるときに収束方向に傾いていることを特徴とするもの（請求項１１）である。
【００３４】
本手段においては、リレー光学系が、光拡散体に投影する光束の拡散体への投影倍率を可変とすることができるので、第１光電素子の像の倍率を変えて使用者の眼に投影することができる。その際、リレー光学系の投影倍率に応じて、拡散体への各光束の主光線は、拡散方向から収束方向まで非テレセントリックに変化するが、拡散板の働きにより、接眼光学系を、拡散体から射出され、眼球の瞳まで達する主光線が、前記拡散体から射出されるときに収束方向に傾いているようにすることができる。よって、リレー光学系の主光線による制約を受けることなく、接眼光学系を設計できる。
【００３５】
前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第１の手段から第１１の手段のいずれかであって、前記光を拡散する光拡散体が、金属酸化物や金属炭化物のミクロングレードで精密に粒径が管理された砥粒を透過板上にコーティングした透過型拡散板であることを特徴とするもの（請求項１２）である。
【００３６】
このような拡散板を用いることにより、拡散角を±６０°以上に大きくすることができ、キョロ眼を考慮した場合でも、±２２．５°以上の視野角を確保することができる。又、このような砥粒をコーティングした拡散板は、ＤＶＤ映像、ハイビジョン相当の画質を観測する場合であっても、砥粒間を感じさせず、自然な画質を得ることができる。
【００３７】
前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第１２の手段であって、前記砥粒が、シリコンカーバイド、酸化クロム、酸化スズ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムのうちの少なくとも一つであり、前記透過板はポリエステルフィルムであることを特徴とするもの（請求項１３）である。
【００３８】
これらの物質の砥粒は、ミクロングレードの粒子とするのに都合がよく、又、ポリエステルフィルムは強靱であるので、高い耐久性が得られる。
【００３９】
前記課題を解決するための第１４の手段は、前記第１の手段から第１３の手段のいずれかであって、前記第１光電素子と光束が直交するように設置された２次元発光型の第２光電素子を有すると共に、前記第１光電素子から放出された光を前記光拡散体へ投影する前記リレー光学系の中に、前記第１、第２の光拡散体に光束を分割して導く光分割器を有し、前記光分割器には、前記第第２光電素子からの光束が、前記第１光電素子から放出された光束と直交して入射するようにされ、かつ、前記光分割器は、前記第１光電素子、前記第２光電素子からの光を分割すると共に、分割された前記第１光電素子と前記第２光電素子の光束を合成して、それぞれ、前記第１、第２の光拡散体に導く機能を有することを特徴とするもの（請求項１４）である。
【００４０】
本手段においては、光分割器が、第１光電素子から放出された光を第１（右眼用）、第２（左眼用）の光拡散体に光束を分割して導くと共に、第２光電素子からの光を受け、これを分割し、さらに第１光電素子の光束とを合成させ、第１、第２の光拡散体に導く。よって、第１光電素子の画像と、第２光電素子の画像の合成画像が、左右の眼用の光拡散体に投影され、接眼光学系によって、左右の眼の網膜に投影される。
【００４１】
前記課題を解決するための第１５の手段は、前記第１４の手段であって、前記第１光学素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の眼に至るまでのミラーの反射回数と、前記第２光学素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の眼に至るまでのミラーの反射回数との差が、０又は偶数であることを特徴とするもの（請求項１５）である。
【００４２】
本手段においては、このような構成とすることにより、第１光学素子と第２光学素子から射出された光束の左右が同一の状態で使用者の眼に投影される。
【００４３】
前記課題を解決するための第１６の手段は、前記第１４の手段又は第１５の手段であって、前記第１光電素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の右眼に至るまでのミラーの反射回数と、ミラーで反射されて使用者の左眼に至るまでのミラーの反射回数との差が、０又は偶数であり、かつ、前記第２光電素子から射出された光束が、ミラーで反射されて使用者の右眼に至るまでのミラーの反射回数と、ミラーで反射されて使用者の左眼に至るまでのミラーの反射回数との差が、０又は偶数であることを特徴とするもの（請求項１６）である。
【００４４】
このような構成をとることにより、第１光電素子の画像、第２光電素子の画像とも、右眼と左目とで左右が逆転することなく、使用者の眼に投影される。
【００４５】
前記課題を解決するための第１７の手段は、前記第１４の手段から第１６の手段のいずれかであって、前記第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び前記第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされ、かつ、これら２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整した場合に、前記第１光電素子から使用者の眼に至る光学距離、及び前記第２光電素子から使用者の眼に至る光学距離が、それぞれ変化しないように調整する、光学距離調整機構が設けられていることを特徴とするもの（請求項１７）である。
【００４６】
本手段においては、２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔を調整した場合でも、光学距離調整機構によって、第１の光電素子から使用者の眼に至る光学距離、及び前記第２の光電素子から使用者の眼に至る光学距離が、それぞれ変化しないように調整することができるので、像倍率、結像位置を変化させることなく、２個の接眼光学系及び投影画像中心の間隔を調整することができる。
【００４７】
前記課題を解決するための第１８の手段は、前記第１４の手段から第１７の手段のいずれかであって、前記第１光電素子から放出された光を前記光拡散体へ投影する前記リレー光学系が、前記光拡散体に投影する光束の前記拡散体への投影倍率を可変とするものであり、かつ、倍率を変化させた際の前記第１光電素子及び、前記第２光電素子からそれぞれ前記拡散体に投影された画面の照度をほぼ一致させるための照度可変機構を有していることを特徴とするもの（請求項１８）である。
【００４８】
本手段においては、倍率を変化させた際の第１光電素子及び、第２光電素子からそれぞれ拡散体に投影された画面の照度をほぼ一致させるための照度可変機構を有しているので、像倍率を変化させても観察される画像の照度をほぼ一定に保つことができる。
【００４９】
前記課題を解決するための第１９の手段は、前記第１の手段から第１８の手段のいずれかであって、前記第１光電素子は透過型又は反射型の液晶デバイス素子であり、Ｇ，Ｂ，Ｒの色に応じた３枚の液晶素子と当該液晶素子を照明する照明系を有し、当該照明系はＧ，Ｂ，Ｒの発光ＬＥＤの出力を均一化する均一化光学系であることを特徴とするもの（請求項１９）である。
【００５０】
本手段においては、照明系が、Ｇ，Ｂ，Ｒの発光ＬＥＤの出力を均一化する均一化光学系とされているので、液晶素子が均一照明され、輝度むらが発生しない。
【００５１】
前記課題を解決するための第２０の手段は、前記第１９の手段であって、前記均一化光学系は高輝度ＬＥＤをそれぞれＧ，Ｂ，ＲのＬＥＤ毎に複数個有し、これら複数個のＬＥＤ発光部よりの光を、光ファイバーを用いて集光し、集光した光で前記液晶素子を照明することを特徴とするもの（請求項２０）である。
【００５２】
本手段においては、複数個のＬＥＤの出力を光ファイバーを用いて集光し、集光した光で液晶素子を照明するようにしているので、高照度の均一な照明が得られる。
【００５３】
前記課題を解決するための第２１の手段は、前記第１の手段から第１８の手段のいずれかであって、前記第１光電素子は透過型又は反射型の液晶デバイス素子であり、Ｇ，Ｂ，Ｒの色に応じた３枚の液晶素子と当該液晶素子を照明する照明系を有し、当該照明系はＧ，Ｂ，Ｒの冷陰極管であることを特徴とするもの（請求項２１）である。
【００５４】
冷陰極間は小型化が容易であり、かつ消費電力が少なく、超寿命であるので、液晶デバイスの照明光として適している。
【００５５】
前記課題を解決するための第２２の手段は、前記第２１の手段であって、前記均一化光学系は冷陰極管をそれぞれＧ，Ｂ，Ｒの色毎に複数個有し、これら複数個の冷陰極管よりの光を、光ファイバーを用いて集光し、集光した光で前記液晶素子を照明することを特徴とするもの（請求項２２）である。
【００５６】
本手段においては、複数個の冷陰極管の出力を光ファイバーを用いて集光し、集光した光で液晶素子を照明するようにしているので、高照度の均一な照明が得られる。
【００５７】
前記課題を解決するための第２３の手段は、前記第１の手段から第２２の手段のいずれかであって、前記画像表示装置の少なくとも一部が、使用者以外の部分に支持されており、前記使用者の顔面にも接触し、前記使用者の顔面の動きに応じて移動可能とされていることを特徴とするもの（請求項２３）である。
【００５８】
本手段においては、画像表示装置の少なくとも一部が、使用者以外の部分に支持されているので、使用者の負担を軽くすることができる。又、使用者の顔面の動きに応じて移動可能とされているので、楽な姿勢で画像を観察することができる。
【００５９】
前記課題を解決するための第２４の手段は、左右両方の眼球に対応して、少なくともそれぞれ独立した部分を有する光学系を有し、画像を前記左右のそれぞれの眼球内に投影させる画像表示装置であって、前記光学系の独立した部分は、前記眼球側から１枚又は複数枚の凸レンズ、貼り合わせレンズの順で少なくとも２枚のレンズで構成され、前記凸レンズうち最も眼球側の凸レンズの眼球から遠い方の面は、コーニック定数Ｋ＜０のコーニック面とされていることを特徴とする画像表示装置（請求項２４）である。
【００６０】
本手段においては、水晶体に近い場所に、１枚又は複数枚の凸レンズを配置する構成とし、この部分には凹レンズを設けないようにする。
【００６１】
そして、この場合に、瞳の横シフトを行っても、良好な像を得るために、凸レンズの周辺で発生する非点収差を改善する必要がある。そのために、凸レンズうち最も眼球側の凸レンズの眼球から遠い方の面はコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面としている。さらにこの構成によって発生する色収差を改善するために、凸レンズの光拡散体側に貼り合わせレンズを設けている。
【００６２】
すなわち、眼球側に非球面の凸レンズを配置して、眼球の瞳に大きな角度で各主光線が入射するようにしているので、光拡散体における各光束の主光線の傾きは、比較的小さい。そこで、光拡散体に近い側に貼り合わせレンズを使用することで、貼り合せ面における入射角度も差ほど大きくなくなり、良好に色収差を補正できるようになる。
【００６３】
これにより、光学系の大きさを大きくせず、視野角を大きくすることができ、かつ、非点収差、色収差をはじめ、各収差の小さい光学系とすることができる。
【００６４】
前記課題を解決するための第２５の手段は、前記第２４の手段であって、前記貼り合わせレンズは、前記光学系の独立した部分の、最も前記画像を形成する画像形成面側に設けられていることを特徴とするもの（請求項２５）である。
【００６５】
本手段においては、貼り合わせレンズを、光学系の独立した部分の、最も画像を形成する画像形成面側に設けているので、色収差を特に効率的に補正することができる。
【００６６】
前記課題を解決するための第２６の手段は、前記第１の手段から第１３の手段、及び第１９の手段から第２２の手段のいずれかの第１光電素子の代わりに、２個の光束放出方向に直交した２次元発光型光電素子を有し、前記第１光電素子から放出された光を前記リレー光学系を介して左右両目に対し独立した前記第１、第２の光拡散体に投影する代わりに、前記２個の光電素子から放出された光を、それぞれ前記リレー光学系を介して左右両目に対し独立した前記第１、第２の光拡散体に投影するようにしたことを特徴とする画像表示装置（請求項２６）である。
【００６７】
本手段においては、光電素子を左右の眼に共通にせず、左右の眼毎に独立した光電素子を使用しているところが、前記第１の手段から第１３の手段、第１９の手段から第２２の手段と異なっているのみであり、本質的な作用効果は、それぞれの手段と同じである。
【００６８】
前記課題を解決するための第２７の手段は、前記第２６の手段であって、前記第１、第２の接眼光学系の光学的中心及び前記第１、第２の光拡散体への投影画像中心の間隔が、眼幅と等しくなるように、これら２つの接眼光学系及び投影画像中心の間隔が調整可能とされ、かつ、これら２つの接眼光学系及び投影画像中心の間隔を調整した場合に、前記２個の光電素子から使用者の眼に至る光学距離が、それぞれ変化しないように調整する、光学距離調整機構が設けられていることを特徴とするもの（請求項２７）である。
【００６９】
前記課題を解決する第２８の手段は、前記第２６の手段又は第２７の手段であって、前記２個の光電素子から放出された光を前記光拡散体へ投影する前記リレー光学系が、前記光拡散体に投影する光束の前記拡散体への投影倍率を、それぞれ可変とするものであり、かつ、倍率を変化させた際の前記２つの光電素子からそれぞれ前記拡散体に投影された画面の照度をほぼ一致させるための照度補正機構を有していることを特徴とするもの（請求項２８）である。
【００７０】
本手段においては、リレー光学系の倍率によって変化する照度を一定にする照度補正機構を有しているので、像の拡大縮小を行っても常に適当な明るさの像を表示することができ、使用者を疲れさせない画像表示装置とすることができる。
【００７１】
前記課題を解決するための第２９の手段は、２個の、光束放出方向に直交した２次元発光型の光電素子から放出された光を、それぞれリレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記２個の２次元発光型の光電素子が反射型の液晶デバイス素子であり、１個の光源と、当該光源より放出された光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、Ｐ偏光とＳ偏光をそれぞれ、前記２個の２次元発光型の光電素子に導いて前記２次元発光型光電素子を照明し、その反射光を前記リレー光学系に導く光学系を有し、当該光学系は、前記Ｐ偏光、Ｓ偏光を、第２の偏光ビームスプリッタとλ／４板とを介して、前記２次元発光型の光電素子に導き、その反射光を前記λ／４板と第２の偏光ビームスプリッタとを介して前記リレー光学系に導くものであることを特徴とする画像表示装置（請求項２９）である。
【００７２】
本手段においては、２次元発光型の光電素子として反射型の液晶デバイス素子を使用している。そして、その照明用として共通に１個の光源を使用しているが、液晶デバイス素子を照明し、その反射光を別の光路に導く際にハーフミラー等を使用すると、その都度約半分の光が失われてしまう。
【００７３】
本手段においては、これを防ぐために、左右の眼用として使用する光を、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光とし、偏光ビームスプリッタとλ／４板を使用することにより、この光量のロスを防ぐようにしている。具体的な方法については、実施の形態において説明する。
【００７４】
前記課題を解決するための第３０の手段は、２組の、光束放出方向に直交した２次元発光型の光電素子から放出された光を、それぞれリレー光学系を介して左右両目に対し独立した第１、第２の光拡散体に投影し、同光拡散体の透過像をそれぞれに対応した第１、第２の接眼光学系を介して視野角±２２．５°以上の広域像で眼球内の網膜上に投影し結像させる画像表示装置であって、前記２組の２次元発光型の光電素子が、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ光に対応した３個の反射型の液晶デバイス素子からなり、１個の光源と、当該光源より放出された光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、Ｐ偏光とＳ偏光をそれぞれ、前記２組の２次元発光型の光電素子に導いて前記２次元発光型光電素子を照明し、その反射光を前記リレー光学系に導く光学系を有し、当該光学系は、前記Ｐ偏光、Ｓ偏光を、第２の偏光ビームスプリッタとλ／４板と、ＲＧＢ光束分割合成プリズムを介して、Ｒ，Ｇ，Ｂ光に対応した前記２次元発光型の光電素子に導き、その反射光を、前記ＲＧＢ光束分割合成プリズム、前記λ／４板と第２の偏光ビームスプリッタとを介して前記リレー光学系に導くものであることを特徴とする画像表示装置（請求項３０）である。
【００７５】
本手段においては、光源からの光をＲＧＢ光束分割合成プリズムによって、Ｒ、Ｇ、Ｂ光に分割し、それぞれの光により、反射型の液晶デバイス素子を照明する。各反射型の液晶デバイス素子で反射された光は、ＲＧＢ光束分割合成プリズムによって一つの光束にされる。よって、Ｒ、Ｇ、Ｂ光に対応して異なるパターンの反射光を得ることができる。
【００７６】
前記課題を解決するための第３１の手段は、前記第２９の手段又は第３０の手段であって、前記光源が複数の白色ＬＥＤをアレイ状に複数２次元配置したもの（請求項３１）である。
【００７７】
白色ＬＥＤは、他の光源に比べて照度が大きく、光への変換効率が高いので、発熱が少なく、消費電力が少ないという特長を有し、光源として優れている。
【００７８】
前記課題を解決するための第３２の手段は、前記第２９の手段又は第３０の手段であって、前記光源が、それぞれアレイ状に複数２次元配置された、Ｒ色ＬＥＤ、Ｇ色ＬＥＤ群、Ｂ色ＬＥＤ群と、これらから発光される光を合成するＲＧＢ光束合成プリズムを有することを特徴とするもの（請求項３２）である。
【００７９】
白色ＬＥＤは簡単な光学系であり省スペース化には優れているが、ＬＥＤの規格により色波長条件や強度が決まってしまうので、色具合の微調整を行なうには不具合が多い。そこで、本手段においては、ＬＥＤをそれぞれ３つのＲ−ＬＥＤ群、Ｇ−ＬＥＤ群、Ｂ−ＬＥＤ群に分け、ＲＧＢ光束合成プリズムにより各光束を合成するようにしている。これにより、光源の色の調整が可能となる。
【００８０】
前記課題を解決するための第３３の手段は、前記第２９の手段から第３２の手段のいずれかであって、前記光源より放出された光を、前記２次元発光型の光電素子に導く光学系が、照明均一化手段を有することを特徴とするもの（請求項３３）である。
【００８１】
特にＬＥＤを２次元に配置した場合、照明むらが発生することがある。本手段においては、光源より放出された光を、２次元発光型の光電素子に導く光学系が、照明均一化手段を有するので、照明むらを緩和することができる。
【００８２】
前記課題を解決するための第３４の手段は、前記第３３の手段であって、前記照明均一化手段が少なくとも一つのロッドであり、前記ロッドの最終射出面と前記２次元発光型の光電素子の面が、ほぼ共役とされていることを特徴とするもの（請求項３４）である。
【００８３】
ロッドとは、内面が鏡面となっている筒である。ロッドを通過する光は、その内面で多重反射を受けることにより均一化され、その最終射出面が均一な２次光元とみなせるようになる。この面と２次元発光型の光電素子の面が、ほぼ共役とすることにより、次元発光型の光電素子を均一照明できる。「ほぼ共役」とは、必要な均一照明度が得られる程度であれば、共役である位置からずれていても良いことを意味する。
【発明の効果】
【００８４】
以上説明したように、本発明によれば、人間が見る視界に近い、大きな視界角度を有し、更に、眼球を動かした時に発生する水晶体の接眼レンズ中心からのずれに対しても、その時の色収差においても、十分に良好な画像を提供できる画像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８５】
以下、本発明実施の形態の例を、図を用いて説明する。まず、理解を深めるために、ウェアラブルディスプレイとして、視野角±２２．５°以上の光学系を実現することが何故難しいかを簡単に説明していく。図２６Ａ〜図２６Ｄは広視野角度を得るために設計された光学系の１例を示すものである。これは、図２６Ａの光学系の概要図に示すように、発光画面Ｇ（ここでは発光画面と呼んでいるが、それ自身が発光したり光を反射して画像を形成したりするもののみならず、スクリーンのように、画像が投影され、そこから出る光が眼に観測されるものをも含むものである。）に対し、人間の目の瞳をＨとしたとき、屈折率は低いが色分散が小さい硝材ＬＡＣ７からなり、曲率が２２０ｃｍの３枚の凸レンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３を使用した場合の例であり、図２６Ａの光束は、それぞれ、視野角−６０°、−４５°、−３０°、−１５°、０°、１５°、３０°、４５°、６０°を示している。
【００８６】
図２６Ｂでは左から順に球面収差、非点収差、ディストーションを示しているが、非点収差が視野角±３０°付近で１０ｍｍ、ディストーションが１２．６％発生している。更に図２６Ｃでは色収差が視野角±１５°のところでも１５０μｍ程度発生しているのが確認できる。
【００８７】
一般に色収差を補正するために、色分散の異なる２種類以上の硝材を組み合わせて使用することが知られており、瞳の大きさを５ｍｍ程度に設定し、±３０°の範囲で色収差を含む諸収差を補正したルーペ光学系のようなものは存在する。このような光学系の設計が容易な理由は、このような光学系においては、光学系と眼球の位置を固定して使用する必要が無いので、光学系の光軸と眼球の瞳の位置が常に最適になるように調整できるためである。
【００８８】
しかし、ディスプレイと目の位置を固定してそれぞれ別々の接眼光学系を用いて画像観察を行うウェアラブルディスプレイの接眼光学系としては、最大でも視野角±２２．５°程度のものしか無い。図２６Ｄに、視野角が０°、７．５°、１５°、２２．５°、３０°の場合の、図２６Ａに示す光学系の諸収差を示す。レンズの組み合わせで色収差を補正したとしても、視野角２２．５°の位置では色収差２００μｍ、諸収差４００μｍとなっており、人間の目で確認できる大きさを１００μｍ程度とすると、これでは不十分であることが分かる。よって、人間の目で確認できる程度に収差を小さくするためには、凸レンズのみの組み合わせでは不十分であり、凸レンズと凹レンズの組み合わせが必要なことが推定される。
【００８９】
しかし、凸レンズと凹レンズの組み合わせを考えると、凹レンズでは、発光画面からの各光束の主光線のそれぞれは、傾きの差を小さくし、眼球の瞳における各主光線のそれぞれの傾きを大きくするように、効率良く広視野角度で発散する光束を偏向できず、従ってレンズ径を大きくせざるを得ないことになる。一方、凸レンズのみで構成した図２６Ａの光束を見ても明らかなように、左右の目にそれぞれこのような接眼レンズを設置した場合、眼幅（左右の目の間隔）を６．５ｃｍとすると、凸レンズのみを使用した場合でも、左右両方の接眼光学系が鼻側で重なってしまい、鼻側の視野として３０°程度までしか得られないことになる。凸レンズと凹レンズの組み合わせで収差を取ることを考えると、目から出た各光束の主光線が凹レンズで広げられるので、更に鼻側の視野が取れないことになり、２２．５°程度が限界の視野角度となってしまう。
【００９０】
次に、視野をもっと大きく取ることを考えていく。臨場感の高い画像を得るためには、人間がメガネをかけた視界と同等以上の視界を得る必要があり、接眼レンズ径に制限のある鼻側の視野角度を十分に取らなければならない。鼻側の視野角度をもっと得るためには、更に凸レンズの曲率を大きくしたり、屈折率の高い硝材を用いることになる。
【００９１】
ここで、より広い視野を得るために、眼球側から曲率１００ｃｍ、２００ｃｍ、２２０ｃｍの３枚の凸レンズＬ１’、Ｌ２’、Ｌ３’を用いた例を図２７Ａ〜図２７Ｃに示す。図２７Ａにおいて、Ｇは発光画面、Ｈは人間の目の瞳であり、図２６Ａと同じように、レンズには屈折率は低いが色分散が小さい硝材ＬＡＣ７を使用している。図２７Ａの光束を見ると、鼻側に６５ｍｍの範囲内で４５°程度の広視野が得られているのがわかる。しかし、図２６Ｂに対応する図２７Ｂでは、視野角±３０°付近で非点収差が３．５ｍｍと改善しているものの、ディストーションが１３．５％と大きくなっている。更に、図２６Ｃに対応する図２７Ｃでは、視野角±１５°のところでも、色収差が１５０μｍ程度発生しているのが確認できる。このように、視野角を±２２．５°以上に広げる光学系で、色収差を含む諸収差を補正した上に、光学系の直径を眼幅以内に制限するのは非常に難しいことがわかる。
【００９２】
以上、従来の技術では視野角が±２２．５°以上ある接眼光学系を設計することが難しいことがわかったので、このような認識の下に、発明者が本発明を着想するに至る段階を説明していく。
【００９３】
従来の考え方で、図２７Ａのように収差が改善しないのは、レンズ周辺を光束路とする視野角度の大きい部分に該当する光束において、レンズの曲率が大き過ぎるることが原因であり、普通はレンズの曲率を下げたり、凹レンズとの組み合わせにより収差を改善し、更にはレンズ枚数を多くする設計を行う。しかし、両目に別々の接眼系を有する機構の場合、前述のようにレンズ径を６５ｍｍ以上にすることができない。
【００９４】
そこで、発明者は、凸レンズの少なくとも１枚の面をコーニック面とすることにより改善を図ることを着想した。その１例を図１に示す。図１Ａに示す光学系においては、発光画面Ｇからの光束を、３枚の凸レンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３を用いて、人間の目の瞳Ｈに集光しているが、このうち、眼球に一番近いレンズＬ１１の裏面（目から遠い側の面）をコーニック面とし、これによりコマ収差や非点収差を抑え、キョロ目動作により瞳位置が変わっても、良好な像を眼球内に投影できるようにしている。光軸をｚ軸とするｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、コーニック面の曲面Ｚ（ｒ）は、ｃを曲率を表す定数、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２として、
【００９５】
【数１】
2005134867.tif 000003
【００９６】
で表される。ｋはコーニック定数であり、ｋ＜０を用いている。その光学設計値を表１に示す。なお、表１をはじめ、以下の表に示す面の曲率半径は、各レンズの面の位置に対し、曲率中心が瞳側にあるときは負、発光画面Ｇ側にあるときは正としている。又、曲率半径、光軸上の面間隔の単位は、特に断らない限りｍｍである。
【００９７】
【表１】
2005134867.tif 000004
【００９８】
このような光学系における、球面収差、非点収差、ディストーションを図１Ｂに示す。図１Ｂを見ると分かるように、視野角±３０°付近で、非点収差が３ｍｍと改善されており、ディストーションも9.5％と小さくなっている。この光学系の色収差を示す図１Ｃでは、色収差が視野角±１５°のところでも200μｍ程度発生しており、反対に悪化しているのが確認できる。
【００９９】
しかし、図１Ａの接眼レンズ系は、色収差以外の収差については非常に良い特性を持っていることがわかったので、本発明の第１の実施の形態としては、図２Ａに示すように、光束の偏向角度が大きい眼球の瞳Ｈに近い凸レンズのレンズ（Ｌ２１、Ｌ２２）の１面をコーニック定数Ｋ＜０のコーニック面とする一方、色収差を補正するために互いに異なる硝材を組み合わせた貼り合せレンズ（Ｌ２３，Ｌ２４）を設けるようにしている。貼り合わせレンズは、少なくとも２枚のレンズで構成され、かつ、貼り合せレンズの貼り合せ部は瞳側に凹面とし、かつ、貼り合せレンズの色分散は瞳Ｈ側のレンズの方が小さく、色収差補正効果が高い、凸凹凸の形状にしている（ここでいう凸と凹の定義は瞳方向に凸の形状を凸、反対方向の凸の形状を凹として表すことにする。このことは、特に断らない限り、本明細書において同じである。）。図２Ａに示す光学系の光学設計値を表２に示す。
【０１００】
【表２】
2005134867.tif 000005
【０１０１】
このような構成にした理由は以下の通りである。すなわち、前述のように、一般の接眼レンズとは異なり、視野角度が広い上に両眼別々に接眼レンズがあるため、眼幅６５ｍｍの半分の半径以下で接眼レンズを構成する必要がある。よって、瞳Ｈに近いレンズは、できるだけ曲率の大きい凸レンズで光束を光軸側に大きく偏向させ、それぞれの光束の主光線が平行に近づいている物体側に近いところで色消しのための貼り合せレンズを組み込み、更に、発光画面Ｇに近いレンズ面は、発光画面Ｇに向かって、発散方向に光束が傾くような凸面とする。
【０１０２】
（なお、以上の説明においては、説明の都合上光束が瞳Ｈから出て発光画面Ｇに到達するように説明しているが、実際の光束はこの逆をたどる。今後、説明の都合上、光束が実際とは逆に瞳Ｈから出ているように説明をすることがある。）
これにより、瞳Ｈ側のコーニック面を有する凸レンズはレンズ周辺で発生する非点収差やコマ収差を改善し、貼り合せレンズで色収差補正を行い、貼り合わせレンズの最終面でディストーションを軽減し、かつ、レンズ径を大きくしないレンズ構成とすることができる。この構成は、レンズ径を大きくせずに諸収差を補正する大きな効果があり、ウェアラブルディスプレイのように、レンズ径に制約がある場合に有効である。
【０１０３】
この光学系の球面収差、非点収差、ディストーションを図２Ｂに示す。図２Ｂでは鼻側に４５°程度の広視野が得られており、更に非点収差が視野角±３０°付近で３ｍｍと図１Ｂと同様に改善しており、ディストーションは図１Ｂと比べても９％と小さくなっている。図２Ｃに、この光学系の色収差を示すが、色収差は、視野角±１５°のところでも８０μｍ以下に大きく改善されているのが確認できる。
【０１０４】
但し、図２Ａの構成では、
(1) 眼幅６５ｍｍを考えると、鼻側には４５°までの視野角しか得られてなく、メガネ視界で考えられる±６０°には達していない。左右の目で見える領域が異なり違和感があるので、±６０°の広視野角度を目指す。
(2) 色収差が８０μｍでは肉眼で確認できる可能性があり、もっと小さくする必要がある。人間の目の解像力を５０μｍ程度とすると、色収差も５０μｍ以下を目指す。
という課題がまだ残っている。
【０１０５】
その上に、広視野画像を得るためには、人間の目で行う動作についても把握し、あくまでも自然に近い状態で画像を観察できる光学系にする必要がある。そこで人間の目で行う動作について検討してみることにした。
【０１０６】
人間の目は、メガネ視界で±３０°程度までは眼球を横シフトして周辺の物を確認することが自然に行われている。しかしながら、従来技術を調べても、±３０°で収差が良い光学系は、あくまでも瞳位置を動かさない±３０°について良好な数値を出しているだけであり、実際の眼球の横シフト動作についての検討を行っているものは無い。そこで、人間の眼球の横シフト動作でどの程度瞳が移動し、どのような条件で収差を取る必要があるかを調べた。その方法を図３により説明する。
【０１０７】
調査方法としては眼球と光学系を固定し、眼球を０〜４５°まで動かした時の収差を調べる方法で行った。まず、視点中心が０°から４５°まで動いた時、瞳位置は、図３に示すように眼球の真ん中を中心として回転するので、１５°で３．８８ｍｍ、３０°で７．５ｍｍ、４５°で１０．６ｍｍ移動した位置から所定角度方向に向けて接眼レンズを介して画面像を観察することになる。また、人間の目は視点中心では高い視力を持つが、視点中心から±５°の視力は１／２に悪化、±１０°の視力は１／４に悪化、±１５°の視力は１／８に悪化することがわかっている。
【０１０８】
よって、接眼レンズの視野角は、広視野角全てに対し、良好な収差を持つ必要は無く、視点中心移動角±３０°で視点中心の±１０°の範囲を良好にしておけば良いと推定される。本発明による第１の実施の形態（図２Ａ）では、視野角±４５°程度までは良好な収差となるように設計していたが、これ以降は視点中心移動角を３０°とした場合の視点中心−１０°、−５°、０°、５°、１０°の収差がどのようになっているかを調べることとした。
【０１０９】
図２Ｄは第１の実施の形態の光学系における、３０°キョロ目動作時の光束を図示したものであるが、図を見てもわかるように、画面Ｇの位置で大きな収差が発生している。図２Ｅは視点中心３０°でそこから−１０°、−５°、０°、５°、１０°の色収差がどのようになっているかを調べた結果を示したものであり、縦軸が横収差、横軸が絞り面（瞳位置）での光軸に対する高さを示している。色収差が２００μｍ、その他の収差も２００μｍ程度発生しており、収差のスポットダイヤグラム（諸収差をスポットでプロットしたＲＭＳ値）は４００μｍとなって、キョロ目時には明らかに劣化した像となってしまうことがわかる。（なお、図２Ａと図２Ｄでは、レンズ系が異なるように見えるが、これは説明の都合上、光線を図示する必要のある範囲のみレンズを図示しているためであり、両者は同じ光学系である。今後も、このように、同じレンズ系を、説明に必要な光線の広がりに応じて異なった形状に図示することがあるが、レンズの符号が同じであるものは同じレンズを示す。）
即ち、第３の課題として、
(3) 視点中心角±３０°の範囲でそこから−１０°、−５°、０°、５°、１０°の収差が良好であること。視野中心での収差を５０μｍ程度とした場合、±５°で１００μｍ以下、±１０°で２００μｍ以下の性能を出す。
という課題を加え、前記（１）〜（３）の課題を同時にクリアすることにより、完全に人間の自然な観察像と等価の画像を提供できることになる。
【０１１０】
そこで図４Ａ〜図４Ｄに示す本発明の第２の実施の形態においては、色収差を小さくするために、瞳近傍の凸レンズの硝材として屈折率が低いものの、色分散も低いものを使用することで色収差を改善し、コーニック係数をｋ≦−１にすることでレンズ周辺の曲率を落とし、諸収差を改善する方法を考案した。この光学系は、図４Ａに示すように、凸レンズＬ３１、Ｌ３２と、凸レンズＬ３３と凹レンズＬ３４を貼り合わせた貼り合わせレンズからなる。その光学設計値を表３に示す。
【０１１１】
【表３】
2005134867.tif 000006
【０１１２】
その結果、図４Ａ図４Ｂを見てわかるように、瞳が中心部にある場合のレンズ周辺を通る光束の収差は、図２Ａに示した第１の実施の形態に比して悪化しているものの、図４Ｃ、図４Ｄのキョロ目３０°時の諸収差は大きく改善し、スポットダイヤグラムは０°で１００μｍ、±５°で１５０μｍ、±１０°で２００μｍ程度と明らかに改善していることが確認できる。
【０１１３】
このような考えの下に設計された、本発明の第３の実施の形態を図５Ａ〜図５Ｃに示す。この光学系は図５Ａに示されるように、光束の偏向角度が大きい眼球の瞳Ｈに近い凸レンズのレンズ（Ｌ５１、Ｌ５２）の１面をコーニック定数Ｋ≦−１のコーニック面とする一方、色収差を補正するために互いに異なる硝材を組み合わせた貼り合せレンズ（Ｌ５３，Ｌ５４）は、少なくとも２枚のレンズで構成し、かつ、貼り合せレンズの貼り合せ部は瞳Ｈ側に凸面とし、さらに、貼り合せレンズの色分散は瞳Ｈ側のレンズの方が大きく、色収差補正効果が高い、凸凸凸の形状にしている。図４Ａと図５Ａを比べると分かるように、第３の実施の形態においては、貼り合せレンズの貼り合せ部が瞳Ｈ側に凸面とされている点が、第２の実施の形態との主たる違いである。
【０１１４】
第３の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様、発光画面Ｇ側のコーニック面を有する凸レンズＬ５１でレンズ周辺で発生する非点収差を改善し、貼り合せレンズ（Ｌ５３，Ｌ５４）で色収差補正を行い、かつ、最終面を発散方向に光束が傾くような凸面とすることにより、ディストーションを軽減し、キョロ目動作時の収差の改善を図っている。表４に、図５Ａに示された光学系の光学設計値を示す。
【０１１５】
【表４】
2005134867.tif 000007
【０１１６】
その結果、図５Ａを見てわかるように、瞳が中心部にある場合のレンズ周辺を通る光束の収差は、図２Ａに示す実施の形態に比して悪化しているものの、図５Ｂ、図５Ｃの眼球の横シフトが３０°のときの諸収差は大きく改善し、スポットダイヤグラムは０°で２００μｍ、±５°で２００μｍ、±１０°で２５０μｍ程度と第１実施例よりは改善していることが確認できる。但し、今回の貼り合せレンズは上記理由（最終面を発散方向に光束が傾くような凸面とする）により凸凸凸の形状にしているので、第２の実施の形態と比べると、色収差については補正効果が低く完全に補正できず、１５０μｍ程度のオフセットが発生してしまっている。
【０１１７】
以上に示した本発明の第１の実施の形態〜第３の実施の形態により、本発明による効果を確認してきた。そして、前述の課題である
(1) 眼幅６５ｍｍを考えると、鼻側には４５°までの視野角しか得られてなく、メガネ視界で考えられる±６０°には達していない。左右の目で見える領域が異なり違和感がある。
(2) 色収差が８０μｍでは肉眼で確認できる可能性があり、もっと小さくする必要がある。
(3)人間の目で見たメガネ視界でのキョロ目動作時に良好な画像を提供する。
の（３）についての改善ができることは説明してきたが、（１）、（２）の課題については十分クリアできていない。第１の実施の形態〜第３の実施の形態で（１）と（２）が改善できない理由としては、（３）の課題を達成するためのコーニック面の使用及び、色収差を小さく抑えるための瞳側凸レンズに色分散の低い硝材を用いることでレンズ周辺の光束偏向角度を小さくしてしまい、最終的な発光画面Ｇの大きさを眼幅の６５ｍｍ以内に抑えることができなくなっていることが挙げられる。更に、ディストーションや収差を抑えるための発光画面Ｇ側レンズが凸であることも、最終的な発光画面Ｇの大きさを大きくする原因の一つになっている。
【０１１８】
そこで、本発明の第４の実施の形態では、図６Ａに示すように画面Ｇ自体を凹面にすることとした。図６Ａに示す光学系の光学設計値を表５に示す。
【０１１９】
【表５】
2005134867.tif 000008
【０１２０】
発光画面Ｇを凹面にすることを前提にして諸収差を計算したところ、色収差を小さく抑えるための瞳側凸レンズ（Ｌ６１，Ｌ６２）に色分散の低い硝材を用いなくても、比較的大きな屈折率と色分散を持つ硝材で図６Ｂに示す良好な収差がえられ、図６Ｃ、図６Ｄに示すキョロ目のときも第３の実施の形態と同等の性能が得られることがわかった。
【０１２１】
最も特徴的なことは、発光画面Ｇ自体を凹面にしたことで、レンズ周辺を通る光束が広がる前に発光画面Ｇに達し、コーニック定数を−１．１と更に小さくすることで、眼球の横シフト後でも諸収差を改善することが可能となる上に、結果的に眼幅６５ｍｍ以内にレンズ径及び発光画面Ｇを抑えられることである。この方法により、左右の両目で±６０°の視野を確保し、その上キョロ目時にも良好な像を得ることが可能となる。
【０１２２】
しかしここで問題となるのが発光画面Ｇの構造である。もし、発光画面Ｇを液晶素子等で構成する場合は、液晶画面自体を湾曲させる必要があり、もし、発光画面Ｇをスクリーンとして裏面より像を形成する場合はその投影光学系のフォーカスやテレセン性についても考慮する必要がでてくる。
【０１２３】
これらの問題を解決することができる、本発明の第５の実施の形態を図７Ａ〜図７Ｅに示す。その光学系は、図７Ａに示すように、前述の各実施の形態の貼り合せレンズによる色収差補正不足を、２面の貼り合せレンズ（Ｌ７３，Ｌ７４，Ｌ７５）を導入することで解消し、それによる光学系の他の収差の悪化を、瞳側の凸レンズ（Ｌ７１，Ｌ７２）に屈折率の高い硝材を用いるとともに、コーニック定数を更に小さいｋ＜−１．１とすることにより補正している。図７Ａに示す光学系の光学設計値を表６に示す。
【０１２４】
【表６】
2005134867.tif 000009
【０１２５】
貼り合せレンズはＬ７３，Ｌ７４，７５の３枚のレンズで構成され、Ｌ７３，Ｌ７５のレンズ硝材より、Ｌ７４のレンズ硝材の色分散を大きくし、貼り合せ面を瞳Ｈ側に凹面凸面の順となるように構成している。そのため、大きな色収差を補正できる。また、瞳側の凸レンズ（Ｌ７１，Ｌ７２）についても屈折率の高い硝材を用い、レンズ周辺を通過する光束の偏向角を大きくすることができている。
【０１２６】
この方法で、レンズ径を眼幅の６５ｍｍ以下にすることが可能となるが、このままではキョロ目動作時の収差が悪化する。そこで、この実施の形態においては、レンズ径が６５ｍｍ以上にならない範囲で、コーニック定数を更に小さいｋ＝−１．４５まで下げ、レンズＬ７５の発光画面Ｇ側の面も凸面で構成することで、諸収差を抑える構成としている。
【０１２７】
これにより、図７Ｂに示すように良好な収差がえられ、図７Ｃ、図７Ｄに示すように、キョロ目の時も視野中心３０°の位置で収差２５μｍ以内、中心から±５°でも収差５０μｍ以内、±１０°でも収差１００μｍ以内に抑ることができ、かつ、±６０°の視野角度が得られる。
【０１２８】
更に、第５の実施の形態では、１５°に視野中心がある場合の、コーニック面と色収差補正レンズを組み合わせた最適フォーカス位置でのＭＴＦ（所定の空間周波数を有する像について空間周波数を変化させた場合のライン／スペースでの振幅の(MAX-MIN)/(MAX+MIN)を％で示したもの）と、従来技術で最適フォーカス位置でのＭＴＦを比べている。その結果を図７Ｅに示す。図において、Ｔはタンデンシャル、Ｒはラディアルの理論的な最大値を示す。Ｘは水平方向、Ｙは垂直方向のＭＴＦである。この例を見ても明らかなように、本実施の形態では各周波数でのＭＴＦへの依存度が小さく、きれいな周波数特性を持っていることがわかる。これは、本実施の形態においては、画像を観察した時、像の浮き上がりや最良フォーカス位置が周波数により異なることで違和感を発生させることを防止し、良好な画像を提供することができることを意味する。
【０１２９】
以上、図７Ａにおいて、第５の実施の形態の光学系を示したが、実際の製造では色々な問題が発生する。すなわち、光学素子に用いる硝材自体、大きな屈折率を持った硝材であり、安定した条件で硝材の大きさを確保したり、加工したりすることが容易ではなく、コスト増を引き起こす可能性がある。よって、非球面加工が必要なコーニック定数＜０の硝材としてはＴＡＦＤ５よりはＳＬＡＨ６６のように硬質な材料を用いた方が加工し易い。
【０１３０】
又、ＳＮＰＨ２等の硝材は硝材の品質管理上所定の厚さを確保するのが難しいという間題がある。そこで第５の実施の形態の第１の変形例として、図７Ｆに示すように、非球面レンズＬ７１の硝材をＴＡＦＤ５からＳＬＡＨ６６に変更し、貼り合せレンズＬ７３，Ｌ７４，Ｌ７５のＬ７４をＬ７４ＡとＬ７４Ｂの２枚に分けた場合について以下に説明する。図７Ｆに示す光学系の光学設計値を表７に示す。レンズ径は、Ｌ７１が51.0ｍｍ、Ｌ７２が58.9ｍｍ、その他のレンズが58.6ｍｍである。
【０１３１】
【表７】
2005134867.tif 000010
【０１３２】
図７Ｆに示す光学系（第５の実施の形態の変形例）の場合、僅かにレンズ曲率を変えるだけで、第５の実施の形態とほぼ同等の性能を得ることができる。Ｌ７４ＡとＬ７４Ｂは共に中心厚３ｍｍであり、図７ＡにおけるＬ７４では硝材として２５ｍｍ程度の厚みが必要だったのに対し、Ｌ７４Ａ、Ｌ７４Ｂでは共に１５ｍｍ以下の硝材厚が取れればよく、硝材の安定した供給を可能とする。
【０１３３】
ここでＬ７４ＡとＬ７４Ｂの間はフラット面の貼り合せであるが、同一硝材なので、便宜上ここでは１枚として数えることとする。なお、Ｌ７４ＡとＬ７４Ｂを硝材の屈折率を僅かに変えたり、Ｌ７４ＡとＬ７４Ｂの貼り合わせ面が僅かに曲面を有するようにしたり等の変形を行った場合でも、無論同様の効果が得られるので、ここではこの様な手法を用いた貼り合せレンズについても、全て３枚貼り合せレンズとして定義するものである。
【０１３４】
第５の実施の形態の変形例として、貼り合せレンズの組み合わせを変えた例を第６の実施の形態として図８Ａ〜図８Ｄに示す。すなわち、図８Ａに示すように、今まで貼り合せレンズによる色収差補正不足を２面の貼り合せレンズ（Ｌ８３，Ｌ８４，Ｌ８５）を導入することで解消し、それによる光学系の他の収差の悪化を、瞳側の凸レンズ（Ｌ８１，Ｌ８２）に屈折率の高い硝材を用いるとともに、Ｌ８１の非球面のコーニック定数を更に小さいｋ＜−１．１とすることにより補正している。この実施の形態においても、第５の実施の形態と同じ効果が得られる。この光学系の光学設計値を表８に示す。
【０１３５】
【表８】
2005134867.tif 000011
【０１３６】
貼り合せレンズはＬ８３，Ｌ８４，８５の３枚のレンズで構成され、Ｌ８３，Ｌ８５のレンズ硝材より、Ｌ８４のレンズ硝材の色分散を小さくし、貼り合せ面を瞳Ｈ側に凸面凹面の順となるように構成している。そのため、大きな色収差を補正できるようになり、瞳側の凸レンズ（Ｌ８１，Ｌ８２）についても屈折率の高い硝材を用い、レンズ周辺を通過する光束の偏向角を大きくすることができている。この方法で、レンズ径を眼幅の６５ｍｍ以下にすることが可能となる。
【０１３７】
しかし、このままではキョロ目動作時の収差が悪化する。そこで、レンズ径が６５ｍｍ以上にならない範囲で、コーニック定数を更に小さいｋ＝−１．３まで下げ、レンズＬ８５の最終面も凸面で構成することで、諸収差を抑える構成としている。
【０１３８】
これにより、図８Ｂに示す良好な収差がえられ、図８Ｃ、図８Ｄに示すように、眼球の横シフトの後も、視野中心３０°の位置で収差２５μｍ以内、中心から±５°でも収差５０μｍ以内、±１０°でも、ほぼ収差を100μｍ以内に抑え、かつ、±６０°の視野角度が得られる。
【０１３９】
次に、発光画面Ｇについて説明する。発光画面Ｇとして最も理想的なものは、液晶ディスプレイ等に代表される発光型の２次元画像出力素子である。しかしながら、現時点の技術には６０ｍｍ角程度のディスプレイで上記接眼光学系により拡大されても十分な画像の分解能を得るのに必要なドットサイズを有する２次元画像出力素子は存在しない。よって、２次元画像出力素子からの画像を、±６０°の視野角度で瞳に投影する場合、プロジェクターのような微小ドットサイズの発光型の２次元画像出力素子像の拡大像を得ることで、高画質とする必要がある。現在、存在しているプロジェクターはＱＶＧＡと呼ばれる解像度縦横が320×240のものから、ＳＸＧＡと呼ばれる解像度縦横が1980×1024程度のものを用いて、ＧＲＢの各色で合計３枚の液晶表示素子でカラー像を別々に形成し、合成してその解像度を３倍とするのものまでさまざまである。
【０１４０】
もし、本発明の実施の形態として解像度が低いものを利用すると、映画館クラスの大きさの画面では、その液晶表示素子の画素の継ぎ目が目で見えてしまい、臨場感が失われてしまう。よって、プロジェクター以上の画質を得る場合は、ＳＸＧＡと呼ばれる解像度縦横が1980×1024以上のものを用い、ＧＲＢの各色で合計３枚の液晶表示素子で各色の像を別々に形成し、それらの像を合成してその解像度を３倍とする技術を導入することが不可欠である。
【０１４１】
また、前述の接眼光学系としては本発明の全てが発光画面Ｇに対し、非テレセントリックな構成とすることで、良好なディストーション及び、収差補正を行っているため、前述のプロジェクターのような微小ドットサイズの発光型の２次元画像出力素子のテレセン条件を前記接眼光学系のテレセン条件と合わせる必要がある。
【０１４２】
しかし、例えば第６の実施の形態で考えると、±６０°の視野角度光束の主光線が発光画面Ｇの位置から接眼光学系のレンズＬ８５に達するときに、画面Ｇの法線となす角度は最大２０°であり、発光型の２次元画像出力素子から発光画面Ｇまでの拡大倍率を３倍とすると、発光型の２次元画像出力素子から放射される各画素の光束のＮＡは、この３倍の６０°で射出される非テレセントリック光学系でなければならない。このような２次元画像出力素子の照明機構を設計するのは液晶表示素子等の有効照明角度から考えても厳しい条件となる。
【０１４３】
そこで、発光画面Ｇの位置にスクリーンを設け、発光型の２次元画像出力素子から射出された光束をリレー系にて同スクリーンに投影し、その投影像がスクリーンを透過した裏面像を前記接眼光学系にて眼球の網膜まで再投影する方法を取ることが考えられる。この方法は従来例としても特開平７−１２８６１２号公報（特許文献３）に開示されているが、上記のような±22.5°以上で発生する収差を改善するための手法については何ら記載されていない。
【０１４４】
今回のスクリーン導入においては、前記目標を達成した非テレセントリックな接眼レンズとして２０°の傾きを持った接眼光学系に像を提供し、且つ、ＳＸＧＡと呼ばれる解像度縦横が1280×1024の微小ドットよりも小さい粒子で形成された拡散透過型スクリーンを提供する必要がある。
【０１４５】
以下、上記スクリーンとして、拡散ガラスを使用した例について説明する。図８Ｃを見ると、眼球の横シフトが３０°のとき、最大±１０°程度テレセンが傾いている（主光線が傾いている）ことがわかる。よって、スクリーンとしては、このキョロ目に対応して、視線の方向が変わっても、眼球の瞳に入射する光線が存在するように、各位置の光束の発散角が、十分に大きい角度になるようにし、かつ、人間の目で見てもその荒さが見えないレベル、即ち、スリガラスでいうと荒さ７００以上の拡散角Ａタイプに相当するものを用いればよい。もちろん、人間のキョロ目角度は±３０°程度まで考慮する必要があるので、±２０°程度で光強度分布が大きく変わらないものを使用することが望ましい。なお、図８Ａにおいては、視野角６０°の位置でのテレセンの傾き（主光線の傾き）はさらに大きいが、この部分は人間の眼の解像度が低い部分であるので考慮しなくてもよい。
【０１４６】
そこで、スクリーンとして、厚みが均一で表面が平滑なポリエステルフィルムに接着剤を塗布し、そして、ミクロングレードで精密に粒径が管理された砥粒をクリーンルームでコーティングしたものを使用する。なお、砥粒としてはシリコンカーバイド、酸化クロム、酸化スズ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムなどの炭化物、酸化物が最適で、0.3〜４０μｍ程度の均一な超精密仕上げで製造したものを採用している。
【０１４７】
このようにして形成されたスクリーンは、不透明ではあるが均一な砥粒をランダムに所定の厚さで積層させることが可能で、発散角を±６０°以上に大きくすることができ、ＤＶＤ映像やハイビジョン映像であっても全く粒状感を感じさせず、±22.5°以上の視野角を確保することができる。また、このスクリーンは安く製造できる点でも好ましい。なお、この砥粒層は投影像の焦点深度以内の厚さにすることが好ましく、照度を得るためにできるだけ薄いことが望ましい。
【０１４８】
なお、砥粒の大きさはメッシュナンバー＃320〜＃15000までが選択可能であり、強靭なポリエステルフィルムを用いているので、耐久性が高くなる。なお、シリコンカーバイド、酸化クロム、酸化スズ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムなどは、ミクロンオーダの砥粒を使用すると、不透明に見えてしまう。この際には、スクリーンへの投影照度を高くする必要がある。
【０１４９】
上記スクリーンを利用した場合、拡散角が広くスクリーン上の粒子も見えないので鮮明な画像を得られる効果はあるものの、光量が１／１０程度に低下する。よって、その分投影照度を上げる工夫が必要である。勿論、プロジェクターのようなハロゲンランプを用いれば十分な照度が得られるが、後述の本発明での装置概観からすると、できるだけ照明系は小さく、且つ寿命の長い光源を用いる必要がある。そこで本発明の各実施の形態では図８−１、図８−２に示すような２つの照明系を採用している。
【０１５０】
図８−１は青色（Ｂ）、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）を発光する高輝度ＬＥＤ１６６を用いた照明光学系を示す図である。この照明光学系として、ＲＧＢの３色の高輝度ＬＥＤ１６６と、個々の高輝度ＬＥＤ１６６毎に設けられた光ファイバーバンドルと、光ファイバーバンドルの射出端を瞳位置としたバックライト照明系１６３と、液晶表示素子１６９と、３色合成プリズム１６２が図示されている。
【０１５１】
色合成プリズム１６２のほかの２つの側面には、同様に液晶表示素子、照明光学系、光ファイバーバンドル、高輝度ＬＥＤが設けられている。しかし、それぞれの高輝度ＬＥＤは、それぞれ異なる色が発色するものが配置されている。そして、色合成プリズム１６２の残りの一つの側面には、後述する図示するリレー光学系が設けられている。
【０１５２】
最近のＬＥＤの進歩は目覚しく、１［ｌｍ］程度の光出力を出すものが販売されており、将来的にはその１０倍程度の出力を出せる超高輝度ＬＥＤの開発も行われている。また、消費電力及び寿命の点からも優れた性能がある。しかしながら、その光の指向性は１５°程度であり、分布も均一では無い。その上、液晶表示素子の像をスクリーンに投影するためのズーム光学系（後述）としてはＮＡが0.02〜0.03程度の光束が望ましく、前記液晶表示素子のバックライトに高輝度ＬＥＤの光を効率良く用いることは容易ではない。
【０１５３】
そこで本実施の形態では、高輝度ＬＥＤの青色（Ｂ）、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）それぞれ１個以上の高輝度ＬＥＤ１６６を用意し、各ＬＥＤの射出位置に光ファイバー１６５を設け、同光ファイバー１６５を集めて丸く束ね、前記液晶素子のバックライト照明系１６３の瞳位置から射出する構成としている。一般にＬＥＤの発光チップの発光面積は２００μｍ程度であり、それ以上の直径のコアを持つ光ファイバーを発光面に設置する。例えば、ＬＥＤの照度を１［ｌｍ］とすると、バックライト照明１６３の瞳の大きさは、設計上４ｍｍφ程度であり、この大きさの照明系を設計する場合は、０．８ｍｍφの光ファイバーならば約２０本程度の束を瞳面に配置できる。よって、同照明系瞳位置に２０［ｌｍ］の照度を持つ均一面発光照明光を射出することが可能となる。
【０１５４】
ここで光ファイバー１６５内では所定の角度を持つ光束が繰り返し全反射して光ファイバー１６５内を進むので、光ファイバー射出部（瞳面）ではその射出角度は入射角度と一致しているる。このため、光学ロッドと同じ効果で、光ファイバーの射出部では、光ファイバーへの入射光のＮＡと同じＮＡの光が射出されるため、無用に光束が広がることが無く、ズーム光学系（後述）に光を供給することができる。従って、均一度が向上する照度均一光学系の役割も果たす。例えば、この瞳面での射出角度は液晶素子１６９の照射面積を決定するので、ＬＥＤの指向特性と照明系の倍率調整、ファイバー本数により調整が可能となる。
【０１５５】
更に、一つのＬＥＤから導くファイバーは１本である必要はなく、より径の小さいファイバーを束ねて使用することも考えられる。この場合は瞳上で束ねられたファイバー本数が多くなるので、瞳面の形状を円に近づけることが可能となる。更に、ファイバー径が小さい場合、ＬＥＤの指向性に合わせた配置が可能となり、瞳面での射出角度を小さくすることが可能となる。
【０１５６】
図８−２は青色、赤色、緑色を発光する冷陰極管１６７を用いた照明光学系を示す図である。なお、図８−２において、図８−１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略することがある。冷陰極管は熱陰極管と比べて小型化することが可能であり、消費電力、長寿命の点からもＣＲＴ等のバックライトとして用いられている。しかしこれらのディスプレイバックライトは冷陰極管からの光束を拡散板等で拡散することで使用するのが一般的であり、この実施の形態のように、液晶素子からスクリーンまでのズーム光学系（後述）としてＮＡが0.02〜0.03程度の光束に制限されたものに使用することは難しい。
【０１５７】
そこで本発明では、青色、赤色、緑色それぞれ１個以上の冷陰極管１６７を用意し、各冷陰極管の射出位置に光ファイバー１６４を設け、同光ファイバー１６４を集めて丸く束ね、前記液晶素子のバックライト照明系１６３の瞳位置から射出する構成としている。冷陰極管としては一般に２ｍｍφ×４０ｍｍ程度が最小のものであり、同冷陰極管に指向性を持たせるための反射ミラー１６８を設置し、ファイバーを４０ｍｍの間に敷き詰めるようにする。例えば１ｍｍφのファイバーなら４０本敷き詰め、同ファイバーをほぼ隙間無く束ねると１０ｍｍφ程度の円形状にでき、同照明系瞳位置から高い照度を持つ均一照明光を射出することが可能となる。光量が冷陰極管一本で足りない場合は、複数本の冷陰極管を用いることも可能となる。
【０１５８】
このように高輝度ＬＥＤ１６６や冷陰極管１６７をバックライトとして使用することで消費電力を抑え、長寿命で光源交換のわずらわしさが無くなり、ハロゲンランプを用いる場合のファン等も必要がなく、シンプルな装置構成にすることができる。
【０１５９】
図８−１、図８−２においては、透過型の液晶表示素子１６９を用いた場合について説明しているが、反射型の液晶表示素子を用いた場合には、高輝度ＬＥＤや冷陰極管共に白色光を発光するタイプを用い、図８−１、図８−２で示した方法と同様にして、照明光学系の瞳位置に発光面を形成する。
【０１６０】
透過型液晶表示素子を用いた場合も、反射型液晶表示素子を用いた場合も、白色光の光源を用いた場合には、その後３色ビームスプリッターにより光束を赤、青、緑に分離して各反射型液晶素子にて反射された光束を再び３色合成プリズムで合成しズーム光学系に合成光束を射出する構成となる。
【０１６１】
このように、発光画面ＧをスクリーンＧとして置き換えた場合の照明系については問題が解決したので、この構成により、今までに無い新たな効果を出すことが可能となってくる。その一例として、図２５を用いて、２つの発光型の２次元画像出力装置（液晶表示素子部と色合成プリズムをまとめてこのように呼ぶこととする）１５０Ｘ，１５０Ｙから出力された画像を分割・合成することにより、右目２Ｒと左目２Ｌに色々な画像を提供する方法を説明する。図２５は、ＳＸＧＡ液晶表示素子からなる２次元画像出力装置１５０Ｘ，１５０Ｙの２つを用い、それぞれの光束を合成・分割するビームスプリッタを設け、同ビームスプリッタをハーフプリズム１５３タイプと全反射タイプ（通常の両面ミラー）又は全透過タイプ（通常の透明体）の光学部材１５４に切り替えることで、前述の合成及び、左右両目に別々の視差のある画像を投影することで立体画像の提示両方ができる機構を示したものである。
【０１６２】
図２５において、図２５の（ａ）は大きさの異なる画像ｘ，ｙを合成し、左右の目に同一画像として表示（ｃ）する例である。ｙは高解像の出力画像であり、ｘは周辺情報や画像の出力画像である。一方、（ｂ）は大きさが同一の異なる画像ｘ，ｙを左右の目に異なる画像として表示（ｄ）する例であり、ｘ，ｙ画像を視差のある別画像とすることで、立体画像を楽しむことができる。図２５の（ａ），（ｂ）は、２次元画像出力装置１５０Ｘから出力された光束ｘと２次元画像出力装置１５０Ｙから出力された光束ｙを合成するハーフミラープリズム１５３と、同ハーフミラープリズム１５３と光路が等しくなるように設計された光学部材（この場合は通常の透明体）１５４を切り替えた時の光束ｘ，ｙの光路を示したものである。
【０１６３】
図２５の（ａ）では、２次元画像出力装置１５０Ｙから出力された画像ｙの光束は、光学リレー機構１５１Ｙと光学的ズーム機構１５２Ｘ，１５２Ｙにより、コンテンツの出力画像の解像度に対応した大きさに、スクリーン１４９Ｌ、スクリーン１４９Ｒ上でズームダウンされる。一方、２次元画像出力装置１５０Ｘから出力された光束ｘは、光学リレー機構１５１Ｘと光学的ズーム機構１５２Ｘ，１５２Ｙによりスクリーン１４９Ｌ、スクリーン１４９Ｒ上で全視野画像にズームアップされる。これらの光束ｙと光束ｘは、ハーフプリズム１５３によりそれぞれ分割・合成され、光束ｘ，ｙとして、図示を省略した前述の接眼光学系により、それぞれ左眼球２Ｌの網膜上と、右眼球２Ｒの網膜上に同一画像（ｃ）として投影される。
【０１６４】
一方、図２５の（ｂ）では、２次元画像出力装置１５０Ｙから出力された光束ｙは、光学リレー機構１５１Ｙと光学的ズーム機構１５２Ｙにより、所定の画像の大きさでスクリーン１４９Ｌ上にズームアップされる。一方、２次元画像出力装置１５０Ｘから出力された光束ｘは、光学リレー機構１５１Ｘと光学的ズーム機構１５２Ｘにより光束ｙと同じ大きさの光束ｘでスクリーン１４９Ｒ上にズームアップされる。これらの光束ｙと光束ｘは、光学部材１５４によりそれぞれ分割・合成されること無く透過し、それぞれ独立した画像（ｄ）として、図示されていない前述の接眼光学系により、左眼球２Ｌの網膜上と、右眼球２Ｒの網膜上に別々に投影されることで、視差による立体像を楽しむことができる。
【０１６５】
なお、スクリーン１４９Ｌと左眼球２Ｌの間、スクリーン１４９Ｒと左眼球２Ｒの間には、図示されていないが例えば図８Ａに示すような接眼光学系が配置されており、スクリーン１４９Ｌ、スクリーン１４９Ｒは、例えば図８Ａにおける発光画面Ｇに相当することになる。
【０１６６】
この例では、両方の画像はＳＸＧＡ液晶表示素子を用いた高画質画像であり、（ｃ）のような周辺画像部分でも鮮明な画像を得ることができる。これは、例えば（ｃ）の光束ｙを映画館のスクリーン画像とすると、周辺画像ｘとしては映画館の視聴者を含む周辺画像として提供すれば良い。周辺の画像の画質が良いので、本当に映画館にいるような臨場感を味わうことができ、その結果、奥行きのある画像として視聴できるという効果がある。それだけでなく、２つのＳＸＧＡ液晶表示素子のみで、前述の計４つの液晶表示素子を有する機構と同じ性能を得ることができるので、コストを下げ、大きさを小さくする点で大きな効果がある。
【０１６７】
このように、発光型の２次元画像表示素子から出力された画像をズーム光学系により前記スクリーン上に投影することは様々な利点があるが、実際にどの程度のズーム倍率を考えれば良いかを次に述べる。
【０１６８】
まず、±６０°の視野角度を確保し、スクリーン上で眼幅と同じ６５ｍｍの大きさとした場合、２次元液晶表示素子の画面サイズは０．８〜０．９インチ程度なので、２０ｍｍ〜２３ｍｍの画像を６５ｍｍに拡大する約３倍程度の拡大ズーム機構が必要になる。一方、ハイビジョン画像対応であるＳＸＧＡ液晶表示素子に対し、ドットの完全に見えなくなるテレビサイズは４０〜５０インチのテレビを数メートル離れて見る場合である。よって、視野角度として±１８°まで画面サイズを光学的に小さくできる構成とし、それ以上小さい画面は電気的な切り替えで画面サイズを小さくする構成とすれば、ドットが認識できず、ＳＸＧＡ液晶素子の微細ドットを有効に使用することができる。よって、ズーム倍率としては
tan(60°)/tan(18°)＝４〜５倍
程度のズーム倍率が必要となる。これは画角にして１３〜６５ｍｍとなり、２次元液晶表示素子の寸法から考えると、縮小〜拡大まで対応したズーム機構としなければならない。
【０１６９】
以下、第７の実施の形態として、第６の実施の形態において、発光画面Ｇとして６３ｍｍの大きさのスクリーン画像を視野角が±６０°使用者の眼に導くような接眼レンズを用いた場合に使用されるスクリーン上に液晶面の画像を投影するズーム光学系の例を、図９〜図１１を用いて説明する。このズーム光学系は、ＳＸＧＡ液晶表示素子の画像を、発光画面Ｇでのサイズが12.4ｍｍ〜63.6ｍｍの範囲となるように変化させることができる５倍ズーム系である。
【０１７０】
一般的なズーム光学系はカメラや写真引き伸ばし機に利用されており、物体面や投影面が離れており、且つ拡大光学系のみで利用されるものが殆どである。しかしながら、本発明に関連したズーム光学系は物体面と投影面の距離が短く、かつ、縮小〜拡大までの５倍もの倍率変化をカバーする必要があるため、色収差の特性が縮小系と拡大系で変化することに対応した設計とする必要がある。
【０１７１】
この問題を解決するために、図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａに示すように（これらはズーム条件が異なるだけで同じ光学系である）、液晶表示素子画像出力面ＯＢＪ側からＬ９１〜Ｌ９６で構成されるレンズ群に少なくとも２つの貼り合せレンズを用い、瞳面(レンズＬ９７の前面と同位置)までの光学系内で完全に色収差を補正する構成としている。瞳面には開口絞りＳＴＯが設けられており、開閉によりスクリーンＧ上の照度を任意に変えることができるようになっている。貼り合せレンズ（Ｌ９１，Ｌ９２）を液晶素子画像出力面ＯＢＪからレンズを介さない位置に配置し、貼り合せレンズ（Ｌ９５，Ｌ９６）を瞳面近傍に配置することで、像高に起因する色収差を貼り合せレンズ（Ｌ９１，Ｌ９２）にて補正し、フォーカス方向に関する色収差を貼り合せレンズ（Ｌ９５，Ｌ９６）で補正する構成としている。液晶素子画像出力面ＯＢＪから瞳面までを長い光束としているのは、各レンズの曲率を小さくし、できるだけ諸収差が大きくならないように配慮したためである。
【０１７２】
なお、図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａにおいては、液晶表示素子画像出力面ＯＢＪを図示しておらず、片方の眼用の光学系のみを示している。液晶表示素子が両方の眼に共通な１個の液晶光学素子である場合には、液晶表示素子画像出力面ＯＢＪからの光をハーフプリズムやハーフミラー等を用いて、左右の眼用の光に分割し、左右の眼に別々に設けられた図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａに示すような光学系に入力する。この手法は周知のものであるので、詳しい説明を要しないであろう。
【０１７３】
次にズームを行うためのレンズ群の説明を行う。ズーム系は貼り合せレンズ（Ｌ９７，Ｌ９８）及び貼り合せレンズ（Ｌ９９，Ｌ９Ａ）で構成され、共に凹レンズとなっている。これは５倍の倍率変化を起こさせるには凹レンズの組み合わせが必要なためである。その理由は、ズーム系は１枚の凹レンズで倍率を変更するが、倍率変更に応じてフォーカス位置が変化する。よって、変化したフォーカス位置を元に戻すために、もう１枚の凹レンズが必要となる。これらの凹レンズは、倍率が可変でフォーカス位置が変わらないよう、同期して位置を移動させる。勿論、凹レンズと凸レンズの組み合わせでもこのようなことは可能であるが、凹レンズ２枚の組み合わせで行う方が、倍率の可変幅を大きくでき、設計が容易である。
【０１７４】
前者の貼り合せレンズ（Ｌ９７，Ｌ９８）は、フォーカス位置の決定、後者の貼り合せレンズ（Ｌ９９，Ｌ９Ａ）は倍率可変に使用している。これらのレンズは固定されたレンズＬ９６〜レンズＬ９Ｂ間を移動するので、色収差の発生条件が各場所で異なり、全倍率条件で色収差を補正することはできない。そのため、貼り合せレンズ（Ｌ９Ｄ、Ｌ９Ｅ）を加えて、それぞれの倍率条件でうまく色収差及びその他の収差が補正されるように貼り合せのレンズ硝材及び貼り合せ面の曲率を設定している。この光学系の光学設計値を表９に示す。
【０１７５】
【表９】
2005134867.tif 000012
【０１７６】
これらの設計条件で設計した第７の実施の形態で、画像の大きさが12.4ｍｍで最も小さい縮小系の光学図面を図９Ａに示している。光学系としては、スクリーンＧへの投影像の主光線は収束方向に非テレセントリックとなっている。図９Ｂには、この光学系における球面収差、非点収差、ディストーションを示しているが、良好な結果である。又、図９Ｃにはスポットダイヤグラム、図９Ｄには、各像高毎の横収差プロット出力図を出しているが、全像高で３５μｍ以内の収差となっており、良好な画質が得られていることがわかる。
【０１７７】
次に、図１０Ａに、画像の大きさが25.13ｍｍで、図９に示した状態からはおよそ２．５倍のズーム状態である時の光学図面を示す。レンズＬ９６とレンズＬ９７間の距離を０．５ｍｍ→８．３８ｍｍとし、レンズＬ９８とレンズＬ９９間の距離を３．４３ｍｍ→６．５ｍｍに変えることで２倍弱のズームを実現している。この光学系の光学設計値を表１０に示す。
【０１７８】
【表１０】
2005134867.tif 000013
【０１７９】
光学系としては、スクリーンＧへの投影像の主光線はテレセントリック状態に近いか僅かに拡散方向に非テレセントリックとなっている。図１０Ｂには、この光学系における球面収差、非点収差、ディストーションを示しているが、良好な結果である。又、図１０Ｃにはスポットダイヤグラム、図１０Ｄには横収差プロット出力図を出しているが、全像高で５０μｍ以内の収差となっており、良好な画質が得られていることがわかる。但し、図９Ｄと図１０Ｄの横収差プロット出力図を見ると、その特性が変わっているのが良く分かる。
【０１８０】
次に、図１１Ａに、画像の大きさが６３．６ｍｍで、図９に示した状態からはおよそ５倍のズーム状態である時の光学図面を示す。レンズＬ９６とレンズＬ９７間の距離を０．５ｍｍ→１０．６８ｍｍとし、レンズＬ９８とレンズＬ９９間の距離を３．４３ｍｍ→２７．０ｍｍに変えることで５倍のズームを実現している。光学系としては、スクリーンＧへの投影像の主光線は拡散方向に大きく非テレセントリックとなっており、貼り合わせレンズＬ９Ｆ、Ｌ９Ｇがない場合は、今までと同様にスポットダイヤグラムと横収差プロット出力図を出してみると、やはり収差が大きくなっており、色収差が100μｍ程度残存してしまうことが判明した。
【０１８１】
そこで、本発明では通常のカメラズームとは異なり、物体面の近傍に光学系を配置することが可能なのでそれを利用し、スクリーンＧの近傍に貼り合せレンズ（Ｌ９Ｆ，Ｌ９Ｇ）を設置し、画角が大きくなった場合に色収差補正が可能な構成とした。説明はしていないが、既に図９Ａと図１０Ａにも同貼り合せレンズ（Ｌ９Ｆ、Ｌ９Ｇ）が入っている。画角が小さい場合、この貼り合せレンズ（Ｌ９Ｆ、Ｌ９Ｇ）は収差に大きな影響を及ぼさないことは確認済みである。図１1Ａに示した光学系の光学設計値を表１１に示す。
【０１８２】
【表１１】
2005134867.tif 000014
【０１８３】
図１１Ｂにはこの構成における球面収差、非点収差、ディストーションを示しているが、良好な結果であり、図１１Ｃにはスポットダイヤグラム、図１１Ｄには横収差プロット出力図を出しているが、像高0.5（視野角度で±３０°）以内では、５０μｍ以内の収差となっており、像高１（視野角度で±６０°）の条件でも８０μｍ以下のスポットダイヤグラムであり、良好な画質が得られていることがわかる。前述のように、図９Ｄと図１０Ｄ、図１１Ｄの横収差プロット出力図を見ると、その特性が３段階に変わっているのが良く分かるが、前述の５枚の貼り合せレンズによる色収差補正を実現することで、全可変倍率で良好な投影像を得られる。
【０１８４】
以下、本発明の第８の実施の形態に使用される、より性能の高いズーム光学系の例を、図１２Ａ〜１２（ｈ）を用いて説明する。
【０１８５】
以前の説明においては、スポットダイヤグラムと横収差プロット図のみで説明してきたが、実際にはそれぞれ像高及び色による収差はフォーカス方向にそれぞれ異なる最適位置があり、その最適位置で評価を行う必要がある。更に、今回のズーム系で拡大された像を更に接眼光学系で拡大して観察するため、例えば液晶スクリーンが22.1ｍｍφに入り、アスペクト比は１６：９と仮定して液晶部の大きさを求めると、液晶パネルの横サイズは19.26ｍｍ、縦サイズは10.83ｍｍとなる。即ち、1280画素の場合は横に19.26ｍｍ÷1280＝１５μｍ、縦に14.3μｍの画素であり、そのピッチを解像できるにはピッチで考えて３０μｍの分解能がズーム光学系に必要となる。
【０１８６】
周波数にして1000÷(15+14.3)/2＝34.13ＨｚのＭＴＦを最適フォーカス位置で求めることで、収差の評価が可能となる。但し、ＭＴＦの場合限界解像度があり、ＮＡ（開口数）を小さくすると、いくら横収差や色収差が良くても像自体が解像できない。よって、ＮＡを大きくとることが光学系にとって重要となるし、光量を得るにも都合が良い。しかし、ＮＡを大きくするとレンズの球面収差等の影響を大きく受け、これがＭＴＦを悪化させる原因にもなる。
【０１８７】
そこで、第８の実施の形態である光学系では、前述ようにスクリーン手前に色収差補正レンズを組み込むと共に、移動ズーム光学系のすぐ後の曲率の大きいレンズの曲面に前述のコーニック面を入れている。これによりレンズ周辺を通る光束の球面収差が改善し、大きなＮＡで良好な収差特性が得られる。第８の実施の形態の光学系の光学設計値を表１２、表１３に示す。表１２、表１３は、本来一つの表であるが、１頁に入りきらないので分割して示したものである。
【０１８８】
【表１２】
2005134867.tif 000015
【０１８９】
【表１３】
2005134867.tif 000016
【０１９０】
ここではＳ２２面（レンズＬＡＢの像面側の面）がコーニック定数-0.235のレンズを使用しており、ＮＡを0.025まで大きくした５倍のズーム機構を実現している。
【０１９１】
なお、以上の表において、硝材を表すのに、「商品名（コード名）＿メーカー名」で表している。各硝材の屈折率は、表１４に示すとおりである。このうち、ＳＬＡＨ６６は非球面に対し加工し易い硝材として用いている。
（表１４）
【０１９２】
【表１４】
2005134867.tif 000017
【０１９３】
図１２Ａは、このような光学系におけるズームの状態を示すものであり、（ａ）は画角の大きさが１８．５ｍｍ、（ｂ）は画角の大きさが31.92ｍｍ、（ｃ）は画角の大きさが63.13ｍｍのときのものである。図１２Ａにおいて、ＬＡ１〜ＬＡＫはレンズ、Ｐは、Ｒ，Ｂ，Ｇ三色合成用プリズム、ＨＭはハーフミラー、Ｐ３は全反射プリズム、ＧＬは光路長調整用ガラスである。但しハーフミラー、全反射プリズムでは、説明の都合上光路を折り曲げず、直進するように描いている。
【０１９４】
レンズＬＡ１とＬＡ２、レンズＬＡ５とＬＡ６、レンズＬＡ７とＬＡ８、レンズＬＡ９とＬＡＡ、レンズＬＡＤとＬＡＥ、レンズＬＡＨとＬＡＩ、レンズＬＡＪとＬＡＫは、それぞれ貼り合わせレンズであり、貼り合わせレンズＬＡ７とＬＡ８、貼り合わせレンズレンズＬＡ９とＬＡＡの位置を調整することによりズーム系を構成している。図１２Ｂは、横収差、色収差のスポットダイヤグラムを従来通りに示すものであり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１２Ａの（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に対応する。
【０１９５】
図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１２Ｅではフォーカスを振った時の像高毎のＭＴＦを示している。図１２Ｃは、図１２Ａに示すズーム光学系と、第５の発明の実施の形態における接眼レンズを用いた光学系を使用した場合で、フォーカス方向に可変させたときのＭＴＦの変化を示す。測定条件は、物側の像の空間周波数を３３サイクル／１ｍｍとし、ＮＡは0.025、視野方向を18.5°とした場合である。Ｘは像高方向に対して垂直な方向に光強度変化があったときの本光学系が無収差の場合の理論的なＭＴＦ変化（限界解像度）、Ｙは像高方向と同方向に光強度の変化があったときの本光学系が無収差の場合の理論的なＭＴＦ変化（限界解像度）である。そして、像高0.25の場合のＸ方向（像高方向とは垂直な方向）におけるＭＴＦを細い点線で、像高0.25の場合のＹ方向（像高方向と平行方向）におけるＭＴＦを太い点線で示し、像高0.5の場合のＸ方向（像高方向とは垂直な方向）におけるＭＴＦを太い実線で、像高0.5の場合のＹ方向（像高方向と平行方向）におけるＭＴＦを細い実線で示し、像高0.75の場合のＸ方向（像高方向とは垂直な方向）におけるＭＴＦを細い一点鎖線で、像高0.75の場合のＹ方向（像高方向と平行方向）におけるＭＴＦを太い一点鎖線で示し、像高１の場合のＸ方向（像高方向とは垂直な方向）におけるＭＴＦを細い二点鎖線で、像高１の場合のＹ方向（像高方向と平行方向）におけるＭＴＦを太い二点鎖線で示した。なお、横軸のスケールは、適当な基準位置から距離を示す。
【０１９６】
同様に、図１２Ｄの測定条件は、物側の像の空問周波数を２１サイクル／１ｍｍとし、視野方向を31.92°賭したものであり、線の意味は、図１２Ｃと同じである。更に図１２Ｅの測定条件は、物側の像の空間周波数８サイクル／１ｍｍとし、視野方向を60.13°としたものであり、線の意味は図１２Ｃと同じである。なお、ＮＡはそれぞれ0.025としている。
【０１９７】
このように、フォーカス位置を適宜変更すれば、どの像高もＭＴＦが０．３以上となる位置がある。ところで、ＭＴＦの値が０．３以上であれば、経験的に画像を観賞する際に十分な解像度が得られることが分かっている。したがって、本発明の第８の実施の形態によるズーム光学系においては、あらゆる像高に対しても十分な解像度が得られていることがわかる。
【０１９８】
これらをまとめたものが、図１２Ｆであり、前述の液晶素子サイズ及び、５ｍ先の１．５ｍｍのＣの字隙間が読める視力１．０の人を基準に評価周波数を決定している。
【０１９９】
これを見ると、視野角度が18.50°の場合（条件１）では、像高１の場合でもＭＴＦは31.5であり３０％を超えている。視野角度が31.92°の場合（条件６）も、像高１の場合でもＭＴＦは３１．１であり３０％を超えている。視野角度が34.28°を超えると、像高１の場合のＭＴＦは３０％を割り込むが、元々、前述の通り、ギョロ目動作では視野角度が４５％以上でレンズ有効径を超えてしまい、直接画像を観察することができない。人間の目は中心視野以外大きく視力が低下することがわかっているので、周辺画像となる４５％以上の収差に対し、像高０〜０．５の収差を４０％以上に設定する構成としている。また、図１２Ｇ、図１２Ｈは、それぞれ視野角度が18.50°の場合、視野角度が31.92°の場合の各評価周波数毎のＭＴＦを示したものであるが、コーニック面を使用し、色収差補正をスクリーン近傍で使用していることにより、安定した周波数特性を得ることができている。
【０２００】
以上、図１２Ａ〜図１２Ｈまでを使用して本発明による第８の実施の形態までを説明したが、図１３Ａ〜図１３Ｃにて、図２５に示した両目対応の画像表示装置に対応して、ズーム光学系１５２Ｘ、１５２Ｙに本発明の第８の実施の形態のズーム光学系を適用した概略構成図を示し、図１３−１にて、本発明の第５の実施形態の接眼レンズ、本発明の第８の実施の形態のズーム光学系１５２Ｘ、１５２Ｙ（一部構成省略）及び、２次元画像表示装置１５０Ｘ，１５０Ｙ、そして、ミクロングレードで精密に粒径が管理された砥粒をクリーンルームでコーティングされたスクリーン１４９Ｌ，１４９Ｒを用いて、図２５に示した構成を実現した例を示す。
【０２０１】
図１３Ａは、第８の実施の形態のズーム光学系を折り曲げて右目出力用としたものであり、図１３Ｂは、第８の実施の形態のズーム光学系を折り曲げて左目出力用としたものである。これらを合成すると、第１３（ｃ）に示したような両目に異なる画像を提供する機構となり、分割・合成光学系としてハーフプリズム又はハーフミラーＨＭを用いると、図１３Ａに示したズーム光学系と図１３Ｂに示したズーム光学系の倍率を変えて、両目に大きさの異なる中心高解像画像情報及び周辺情報提供画像を両目に同時に出力することが可能となる。
【０２０２】
これらの図において、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は全反射プリズムであり、全反射プリズムＰ１においては、光線は２回反射されて、光軸が反射される前の光軸と平行になっている。全反射プリズムＰ２、Ｐ３においては、光路は９０°偏向されている。光路差調整用ガラスＧＬは、全反射プリズムＰ１とＰ３を通る光線の光路差を調整し、両眼の光学系が同じ光学系で構成できるようにするためのものである。又、Ｒ，Ｂ，Ｇ各色の三色合成用プリズムＰは、図１３Ｃに示されるように、Ｒ，Ｂ，Ｇ用の３つの液晶素子からの光を合成し、一つの光として光学系に送り込むためのものである。
【０２０３】
両目に対応した光学系は全て前記ハーフプリズム、ハーフミラーＨＭの反射面に対し光路長が同じで、かつ、発光画面Ｇでの最大像寸法が６５ｍｍになり、同一数の反射面を持つ構造となっている。そのため、少スペースな構成である上に、部品の共通化や両目に対し共通の画像を提供し易い構成にすることができている。図１３−１に、図１２Ｃに示す光学系と、図８Ａに示す光学系を組み合わせた、全体の光学系の概要を示す。図１３−１において、Ｅは眼球である。
【０２０４】
上記図１３−１の構成は、両目で同一画像を観察する場合、新たな効果を奏する。本件のような両目に独立したスクリーン画像を接眼レンズにより投影する装置は各接眼光学系の光学的中心間距離と眼幅を一致させることで、左右に発生したディストーションを同じ条件にすることができるので、両目で異なる画像を見る際に引き起こされる違和感や目の疲れを完全に取り除くことができる。しかし、人間の眼幅は個人差があり、５．５ｃｍ〜７．５ｃｍ程度変わるため、液晶表示素子から接眼光学系に至る左右眼用の光学系全体の間隔を、観察者の眼幅に合わせて変えることが望ましい。一部の光学系のみ移動したり、画像出力位置を電気的に変える場合、左右の収差条件が異なり、同一画像が得られず、両目で異なる画像を見る際に引き起こされる違和感や目の疲れを完全に取り除くことができない。
【０２０５】
このような問題を解決する光学系の構成の例を図１３−２に示す。この構成では、図１３Ｃ等に示されている全反射プリズムＰ１を２つの全反射プリズムＰ４とＰ５に分割している。そして、全反射プリズムＰ２とハーフプリズム・ハーフミラーＨＭを固定し、全反射プリズムＰ３と光路差調整用ガラスＧＬを組にして図の左右に移動させることができるようにすると共に、全反射プリズムＰ５も図の左右に移動可能としている。ＬＲは右眼用光学系、ＬＬは左眼用光学系をまとめて示したものである。図で（ａ）と（ｂ）を比較すれば明らかなように、全反射プリズムＰ３と光路差調整用ガラスＧＬを組にして図の左右に移動させても、右眼用光学系ＬＲまでの光路長には変化無く、光軸の位置（図で上下方向）のみを変えることができる。又、全反射プリズムＰ５を図の左右に移動させても、左眼用光学系ＬＬまでの光路長には変化無く、光軸の位置（図で上下方向）のみを変えることができる。
【０２０６】
図１３−１ではわかり易くするために光学系を単純化して図示したが、実際の画像表示装置としては、光路長が全長で３５０ｍｍもある機構は採用できず、できるだけ光学系を折り曲げることで小さいスペースに入れることが望ましい。そこで図１４では反射ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５を用いて、小さいスペースに本発明による光学系を組み込んだ例を示す。この光学系は図９Ａに示された、第７の実施の形態におけるズーム光学系であるが、図１２Ａに示された、第８の実施の形態におけるズーム光学系でも、このような構成をとれることは言うまでもない。なお、反射ミラーＭ１〜Ｍ５はそれぞれ右眼用と左眼用のために２つずつあるが、紙面と直交方向にずれて同一位置にあるので、ここでは簡単のために１つのみを図示している。図１４でＯＢＪは、液晶表示素子面である。
【０２０７】
図１４に示したように、光学系を折り曲げて小さいスペースに入れた理由としては、本光学系を図１５に示すようなボックス１１内に収納する必要があったためである。これは前述のように、もし、本発明の実施の形態に解像度が低いものを利用すると、映画館クラスの大きさの画面では、その液晶表示素子が目で見えてしまい、臨場感が失われてしまう。よって、プロジェクター以上の画質を得る場合は、図１６に示すように、ＳＸＧＡと呼ばれる解像度縦横が1280×1024（１６：８に合わせた1280×760でも可）以上のドットを有する、ＧＲＢの各色毎に用意された３枚の液晶表示素子（ＯＢＪＧ，ＯＢＪＲ，ＯＢＪＢ）を、緑色の照明系ＬＳＧ、赤色の照明系ＬＳＲ、青色の照明系ＬＳＢにより別々に照明し、各色毎にカラー像を別々に形成し、合成してその解像度を３倍とする技術を導入することが不可欠である。更に、広視野角度による画像を得る場合、光学的にも重く複雑なものを導入せざるを得ない。どうしてもそれらを優先すると、眼鏡型ディスプレイやヘッドマウント型ディスプレイでは大きさ、重量共に許容できないものとなってしまう。
【０２０８】
そこで本発明の実施の形態では、図２３に示すような広視野角度を持った床置き型ディスプレイを採用している。椅子やベッドへの固定でもよいが、手軽に家庭内で場所を動かしたりできることに鑑みると、この床置き型タイプが最も良いと考えられる。但し、固定したディスプレイは顔の位置を容易に変えることができず、顔を固定することで新たな疲労を発生させてしまう。そのため、この機構は顔を光学部材に設けられたフィット弾性材及び板バネに支えられたイヤホン１２０により、柔らかく覆う形で、顔の位置に合わせて任意の状態に移動できる構成を取っている。この機構は、ＤＶＤやビデオプレイヤー、ＴＶ画像出力機１１４等と接続でき、従来のプロジェクターと同様にパソコン、ＴＶゲーム機１１３等とも接続が可能である。そして、画像合成・変換装置１２１により、それらの既存コンテンツ像をディスプレイ上で歪みがないようにし、複数の像を同時にディスプレイ上に表示できるように設計されている。
【０２０９】
このデータは伸縮が可能な伸縮棒からなる支持部１１５を介して、関節部を複数有する振動防止型関節棒１１６に支持される全視野角度ディスプレイ装置１１８により、その変換像を表示することが可能となっている。ここで、同装置には振動防止型関節棒１１６及び、全視野角度ディスプレイ装置１１８の重量をキャンセルするためのカウンターバランス部（ウエイトフリーバランサー）１１７が取り付けられており、人間がその重量を感じず、更に顔の動きに追従するように関節機構が工夫されている。
【０２１０】
基本的に人間は振動防止型関節棒１１６及び、全視野角度ディスプレイ装置１１８を動かすときの慣性力を感じるだけであり、この機構を採用することで、高画質、広視野角度の画像を得ることが可能となっている。図２４は本機構を用いてベット上で寝た場合であるが、このような動きが可能な機構にするには振動防止型関節棒１１６の接合部分がポイントとなってくる。
【０２１１】
図１５に示す例は、前述の説明においてはボックス１１として示された全視野角度ディスプレイ装置１１の重心位置を支持部１３で支持するようになっている。すなわち、全視野角度ディスプレイ装置１１には凹部１２が設けられ、全視野角度ディスプレイ装置１１の重心位置を球面軸受１３ｃを介して支持部１３で支えるようになっている。図１５の（ａ）は斜視図、（ｂ）は後部から見た立面図、（ｃ）は平断面図、（ｄ）は側面図である。球面軸受１３ｃを使用しているため、図１５（ａ）に示すように、全視野角度ディスプレイ装置１１は、支持部１３の周りに回転が可能である。又、支持部１３は、部材１３ａと部材１３ｂとからなるテレスコープ構造を有しており、図１５（ｂ）のように上下に移動可能とされている。又、全視野角度ディスプレイ装置１１は、凹部１２の範囲において、図１５（ｃ）に示すように左右方向に回動が可能であると共に、図１５（ｄ）に示すように前後方向にも回動が可能とされている。
【０２１２】
すなわち、球面軸受（ユニバーサルジョイント）１３ｃを用いているので、どのように顔を動かしても、Θｘ、Θｙ、Θｚ駆動についての自由度がある構造になっている。特に、図１５（ｄ）に示すように、首を前後に振ったとき、特に使用者がうつむいたときに必要な角度の回動が可能となっている。
【０２１３】
この図１５に示した全視野角度ディスプレイ装置１１の内部に図１４の折り曲げ光学系を入れた例を図１６に示す。この例においては、第６の実施の形態において示した図８Ａに示す接眼光学系と、第７の実施の形態において示した図９Ａに示すズーム光学系を使用している。ここでは振動防止型関節棒１１６の支持部１３が全視野角度ディスプレイ装置１１の重心位置に設置され、両目Ｅの光学系の間で動き、光学系と干渉しないようにされている。また、重心位置はできるだけ接眼光学系の近傍にした方が良い。これは重心位置をできるだけ人間の首ＨＥの位置に近づけることで、首ＨＥを回転中心とした顔面の動きに沿って全視野角度ディスプレイ装置１１８を動かした時の慣性が小さくなり、スムーズな追従動作を行わせることができるためである。
【０２１４】
ただし、慣性を１００％無くすることはできないので、必要に応じて顔面と全視野角度ディスプレイ装置１１８を密着させて動かすようにするための固定ベルト等を、併せて用いるようにしてもよい。
【０２１５】
本発明においては、重心位置をできるだけ人間の首の位置に近づける策として、イヤホン１２０部と接眼光学系の重量が重たくなるので、光学系の引き回しを工夫することで、重心位置はできるだけ接眼光学系の近傍とし、重心位置を回転中心としてイヤホン及び接眼光学系の１８０度反対方向に発光液晶部及び電気系等の重量物を設置することで、新たなおもりを設置しなくても図１６に示したような首に近い位置に重心を置くことができている。なお、図１６においては、鼻当て部１１ａを設けることにより、全視野角度ディスプレイ装置１１の位置決めを行うようにしている。また、図１６に示した１３’は、使用者が横になったときにおける支持部１３の位置を示している。
【０２１６】
本発明の他の実施の形態の例を、図１７Ａに示す。両目用の光学系は人間の顔を左右に分ける軸ｙを含む紙面に垂直な面対称なので、ここでは左目用の光学系のみ説明することとする。２次元液晶デバイス２０３ｇを透過した光束は、色ビーム合成プリズム２０４、リレー拡大光学系２０５を含む光学系により眼球２０９に導かれるが、図１７Ａに示す光学系では、その間に４枚のミラー（２１３，２１６，２１７、２２１）により偏向することで、図示したような形状の左目画像表示装置２１５Ｌと、右目画像表示装置２１５Ｒを構成している。なお、図１７Ｂは、本光学系のミラー２１７、２２１のレイアウトを示すための図面である。ミラー２１７、２２１は図１７Ｂに示すように、光束を上下方向に偏向するためのものであり、この画像表示装置の重心位置ＧＲＡが、頭部の回動中心ＣＮＴの近くに来るようにして、回転モーメント以外の慣性力をなるべく小さくするために用いられている。また、左目画像表示装置２１５Ｌと右目画像表示装置２１５Ｒは眼幅補正機構２１４により左右に移動できる構成となっている。
【０２１７】
すなわち、本発明のような、両目に独立したスクリーン画像を接眼レンズにより投影する装置においては、接眼レンズの光学的中心と眼線の中心を一致させることで、左右に発生したディストーションを同じ条件にすることができるので、両目で異なる画像を見る際に引き起こされる違和感や目の疲れを完全に取り除くことができる。しかし、人間の両眼の間隔である眼幅は個人差があり、５．５ｃｍ〜７．５ｃｍ程度変わるため、本来観察者の眼幅に合わせて、左目画像表示装置２１５Ｌと右目画像表示装置２１５Ｒの目に入射する光線の中心位置間の距離を、眼幅補正機構２１４により、変えることができるようになっている。すなわち、眼幅補正機構２１４は、ミラー２１３の位置を変えることにより、左目画像表示装置１５Ｌと右目画像表示装置２１５Ｒの目に入射する光線の中心位置を、それぞれ独立に変更できるような機能を有している。
【０２１８】
画像表示装置２１５には耳２１８を挟み込む固定機構と視聴を行うためのイヤホンを兼ねた挟み込み部材２１９があり、弾性部材２２０により所定の力で顔を挟み込むことで顔と画像表示装置２１５が固定されるように設計されている。
【０２１９】
又、眼球２０９と接眼光学系２０８の間には外界からの漏れ光を遮光し、且つ眼球２０９と接眼光学系２０８との接触を防止するための弾性カバー２１２が設置されており、臨場感・没入感を向上させると共に、目を傷つけないための安全機構の役割を果たしている。
【０２２０】
以下、前述の４枚のミラー（２１３，２１６，２１７、２２１）の役割について説明する。４枚のミラー（２１３，２１６，２１７、２２１）は光学系を折り曲げて小さいスペースに入れるということだけでなく、重要な意味を持っている。
【０２２１】
図１７Ａでは頭２１１及び首２１０の断面を合わせて示し、図１７Ｂでは本画像表示装置を使用したときの顔に対する位置を側方から見たところを示している。人間の頭の動きは首２１０により行われているため、首２１０の断面のフィールド内に頭２１１の動きの回動中心があると考えることができる。仮にその点をＣＮＴとした場合、画像表示装置２１５は頭２１１に固定されているので、ＣＮＴを中心に移動する。
【０２２２】
画像表示装置は、４枚のミラーで図１７Ａ、図１７Ｂに示すように、左右対称で上下方向にも重量配分を考慮したレイアウトとされているため、画像表示装置の重心位置ＧＲＡが、頭部の回動中心ＣＮＴの近くに来るようになっている。そのため、首や頭部を容易に動かしやすくなっている。
【０２２３】
図１８に、本発明の実施の形態である光学系の一部を示す。この実施の形態は、画像形成用の光学素子として反射型の液晶素子を使用し、一つの光源からの光をＳ偏光とＰ偏光に分けて、それぞれの眼用に使用することにより、光量のロスなく反射型の液晶素子を証明し、反射光を次のリレー光学系に伝達できるようにしたものである。
【０２２４】
まず２．５ｍｍ毎に穴が設置された基板３０１上に白色のＬＥＤ３０２を２次元にパネル形状（パネルが１６：９ならば１６：９、４：３なら４：３）に敷き詰め、一斉に照明できるような配線が行われている。ここでＬＥＤ３０２は熱に弱いので、お互いの発熱により寿命が縮まらないように、所定の空気層を設けたり、廃熱層を挿入する等の工夫が行なわれている。ＬＥＤ３０２から射出された白色光束は偏光ビームスプリッター３０３によってＰ，Ｓ偏光に分離され、ロッド３０４Ｌ１，３０４Ｒ１にそれぞれの光束が入るように配置されている。ロッド３０４Ｌ１，３０４Ｒ１の断面は、パネル形状と相似の形状であるが、ガラス硝材やプラスチック硝材、又は内面をミラーにして４面を２対に対向させた断面が長方形形状のもので作られており、内部を光が通過するときに、内面反射を複数回行なうことで均一照明が得られる構造となっている。
【０２２５】
ロッド３０４Ｌ１の射出面と次のロッド３０４Ｌ２の入射面が共役になり、且つ偏向できるように、レンズ３０６Ｌ１，偏向ミラー３０５Ｌ１がそれぞれ配置されている。一般にロッドはその長さに応じて、通過する光の均一化効果が高まるので、それぞれのロッドの合計の長さを、左右の眼用の光学系でほぼ同一にしておけば、両方の均一性はほぼ等価とすることができる。次のロット３０４Ｌ２により更に均一性が上がった状態で偏向ミラー３０５Ｌ２、３０７Ｌ１、３０５Ｒ１、３０７Ｒ、レンズ３０６Ｌ２，３０６Ｒ１により、前記ロッド３０４Ｌ２，３０４Ｒ１の射出面と、反射型液晶素子からなる各パネル３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｌ（ｂ）、３１０Ｒ（ｒ）、３１０Ｒ（ｇ）、３１０Ｒ（ｂ）面が共役になるように設置されており、均一照明が行なわれる。ここで白い矢印方向は後に示すリレー光学系につながる。ここで、元々それぞれの光束はＰ偏光、Ｓ偏光なので、所定の偏光ビームスプリッター３０７Ｌ、３０７Ｒにて偏向されるように調整されている。
【０２２６】
この光学系の作用は、左目用と右目用について同じであるので、以下の説明は左目用について行う。なお、図において左目用の構成要素には符号Ｌを、右目用の構成要素にはＲを付して区別している。
【０２２７】
ＬＥＤ３０２からの光は、偏光ビームスプリッタ３０３によりＰ偏光とＳ偏光に分離される。このうち、Ｐ偏光が左目用に使用されるものして説明を行うが、もちろん、Ｓ偏光が使用されるものとしても作用効果は同じである。分離された光（Ｐ偏光）は、前述のように、ロッド３０４Ｌ１、３０４Ｌ２を介して均一化され、偏向ミラー３０５Ｌ２とレンズ３０６Ｌ２を通って、偏向ビームスプリッタ３０７Ｌで反射され、レンズ３０６Ｌ２とλ／４板３０８Ｌを介して、ＲＧＢ光束分離合成プリズム３０９Ｌに入射し、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に分離される。
【０２２８】
分離されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、それぞれ、反射型液晶素子からなる各パネル３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｌ（ｂ）を照明するが、前述のように、ロッド３０４Ｌ２の射出面と、反射型液晶素子からなる各パネル３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｌ（ｂ）の面は共役になるようにされているので、各パネルの面が均一に照明される。
【０２２９】
各パネルには、それぞれの色に対応する反射パターンが形成されるようになっており、反射された光は、ＲＧＢ光束分離合成プリズム３０９Ｌを通ることにより一つの光束に合成され、λ／４板３０８Ｌとレンズ３０６Ｌ２を介して、偏向ビームスプリッタ３０７Ｌに入射する。その際、光束はλ／４板３０８を２回通ることによりＳ偏光に変換されているので、今度は偏向ビームスプリッタ３０７Ｌを透過して、矢印の方向にあるリレー光学系に導かれる。
【０２３０】
もし、偏光ビームスプリッタ３０７Ｌの代わりにハーフミラーやハーフプリズムを使用した場合には、約半分の光量が反射と透過の際に失われるので、もともとの光量の１／４の光量しか使用できないが、この実施の形態では、偏光ビームスプリッタ３０７Ｌとλ／４板３０８を組み合わせて使用することにより、ほぼ全ての光量を有効に使用することができる。
【０２３１】
さらに、各パネル３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｌ（ｂ）と、３１０Ｒ（ｒ）、３１０Ｒ（ｇ）、３１０Ｒ（ｂ）に形成されるパターンを異ならせることにより、両目に異なる画像を送り、立体画像情報を提供することや、左右の眼に到達する光量を調整することも可能となる。
【０２３２】
なお、本実施の形態では、偏向ビームスプリッタ３０７Ｌは、Ｐ偏光を反射しＳ偏光を透過するものとし、一方、偏向ビームスプリッタ３０７Ｒは、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過するものとしているが、偏向ビームスプリッタ３０７Ｌ、偏向ビームスプリッタ３０７Ｒのいずれ一方の前に、Ｓ偏光とＰ偏光を置換するλ／２板を設けるようにすれば、偏向ビームスプリッタ３０７Ｌ、偏向ビームスプリッタ３０７Ｒとして同じ特性のものを使用することができる。
【０２３３】
次に、図１９に、図１８に示した光学系の変形例を示す。この図においては、偏光ビームスプリッタ３０３以後の光学系は、図１８に示したものと同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略し、偏光ビームスプリッタ３０３に至る前の光学系についてのみ説明を行う。前述の白色のＬＥＤ３０２は簡単な光学系であり、省スペース化には優れているが、ＬＥＤの規格により色波長条件や強度が決まってしまうので、色具合の微調整を行なうには不具合が多い。そこで図１９に示す実施の形態では、ＬＥＤをそれぞれ３つの、２次元配置されたＲ−ＬＥＤ群３０２（ｒ）、Ｇ−ＬＥＤ群３０２（ｇ）、Ｂ−ＬＥＤ群３０２（ｂ）に分け、ＲＧＢ光束合成プリズム３０９により各光束を合成した後にロッド３０４により光束のリレー、均一照明化を行っている。そしてロッド３０４の射出面と、ロッド３０４Ｌ１、３０４Ｒ１の入射面を共役にするレンズ３０６、方向を変更する偏向ミラー３０５を追加設置している。この機構では、電圧調整により各ＬＥＤ群の強度を任意に調整できるので、画像の色調整が行い易く、更に任意の色ＬＥＤの組み合わせを可能とすることで、更なる良好な画像を得ることができる。
【０２３４】
図２０は、図１８、図１９に示した光学系の後側に形成される光学系の例を示す図である。図２０に示す光学系は、基本的には図１７Ａに示した光学系と同じであるので、同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略するが、図１７Ａに示すように光路の折り曲げを行っていないので、図１７Ａに示された偏向ミラー２１７、２２１は用いていない。なお、図２０で、２２２Ｌ、２２２Ｒは、結像面であり、この面に図１８、図１９におけるパネル３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｒ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｒ（ｇ）、３１０Ｌ（ｂ）、３１０Ｒ（ｂ）に形成された画像が投影されて結像する。
【０２３５】
図２１は、２つの２次元発光型の光電素子（反射型液晶素子）からの合成画像を、左右の眼に投影する光学系の例を示す図である。４０１は光源装置であり、例えば図１８の白色発光ダイオード３０２、偏光ビームスプリッタ３０３が内蔵されており、Ｐ偏光とＳ偏光に分離された光が、２つのロッド４０２に、それぞれ入射する。一方の光学系と他方の光学系についてはほぼ同じであるので、以後の説明においては、同じ構成部品については同じ符号を付して、一方の光路（光源装置４０１から上方に進むもの）についてのみ説明し、左右の眼で異なる部分についてはその都度説明を加える。
【０２３６】
ロッド４０２を出た光は、偏向プリズム４０３で偏向され、ロッド４０４を通った後、２つの偏向プリズム４０５，４０６で光束の進行方向が逆転され、ロッド４０７を通った後、偏向プリズム４０９で偏向されて、偏光ビームスプリッタ４１０で反射されて、画像形成部４１１に入射する。画像形成部４１１は、例えば図１８の３０８Ｌ、３０９Ｌ、３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｌ（ｒ）のような光学素子からなり、入射した光を、反射型液晶素子のパターンに応じて反射する。反射された光は、偏光ビームスプリッタ４１０を透過し、ズーム光学系４１２により適当な倍率とされる。
【０２３７】
一方、他方の光路にあるズーム光学系４１２を出た光は偏向プリズム４１３で光路を折り曲げられる。一方の光路にあるズーム光学系を出た光は直進して、共にハーフプリズム４１４に入射して、他方の光路を進んできた光束と合成され、合成された光束のうち左眼用のものは、偏向プリズム４１５、光路長調整機構４１６を通ってスクリーン４１７に投影され、接眼光学系４１８を通して左眼に投影される。一方、合成された光束のうち左眼用のものは、偏向プリズム４１９、４２０を介してスクリーン４１７に投影され、接眼光学系４１８を通して左眼に投影される。
【０２３８】
ズーム光学系４１２からスクリーン４１７に至る光学系は、図１３Ｃ、図１３−１に示した光学系と比較すると、偏向プリズムの位置が異なり、透過型液晶素子の代わりに反射型液晶素子が使用され、その結像面がズーム光学系４１２の物面となっている点が異なる。しかし、その他は、図１３Ｃ、図１３−１に示したものと本質的に同じであり、かつ、接眼光学系は、図１Ａ等において説明したものと同じであるので、その説明を省略する。
【０２３９】
なお、ズーム光学系４１２における可変倍率比は、それほど大きくしないようにすることが好ましい。すなわち、ズーム光学系においては、最大倍率と最小倍率の両方で収差を抑える必要があり、可変倍率比が大きいと、そのために開口数（ＮＡ）を小さくする必要がある。開口数が小さくなると、スクリーン４１７に投影したときに、スクリーンの粗さが目立つようになる。開口数を大きくするとスクリーンの粗さが目立たなくなるので、ズーム光学系４１２における可変倍率比を小さくして、その分開口数を大きくすることが望ましい。これは、今まで述べたすべての光学系におけるズーム光学系について共通する事項である。
【０２４０】
図２２は、左右の眼用にそれぞれ設けられた２次元発光型の光電素子（反射型液晶素子）から左右の眼に画像を投影するための光学系の概要を示す図であり、図２０に示したズーム光学系、接眼光学系に対応する光学系を有するものである。図２２において、図２１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。この例においては、左右の画像形成部４１１により形成された画像は、別々に対応する左右の眼に投影される。光路長調整機構４１６が左右の眼用の両方に設けられていること、偏向プリズム４２１が設けられていること、ハーフプリズム４１４による画像の合成がないこと以外は、図２１に示す光学系に類似であり、特に詳しい説明を要しないであろう。
【０２４１】
図２１や図２２に示すような光路折り曲げ、折り返し光学系を使用することにより、装置全体をコンパクトに形成できる。
【０２４２】
以上説明したように、本発明によれば、人間が見る視界に近い、大きな視界角度を有する高解像、高輝度、良質の動画を提供することが可能となる。本発明による効果の大半は発明の形態を説明する際に行っているので、ここでは更なる効果を説明する。まず接眼光学系についてであるが、コーニック定数ｋをｋ＜０にすること、即ち双曲面、放物線もしくは楕円面を有する凸レンズを瞳位置（水晶体）近傍に配置し、貼り合せレンズをスクリーン近傍に配置する構造としているので、±２２．５°以上の広視野角画像でも色収差を含む諸収差を大幅に改善した高画質画像を提供することができている。ここではコーニック定数ｋをｋ＜０にした場合、双曲面、放物線もしくは楕円面のように考えられるが、一般に非球面は回転対称２次曲面であり、その曲面Ｚ（ｒ）を回転対称２次曲面として、ｃ：曲率、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊを非球面係数（偶数次）として、
【０２４３】
【数２】
2005134867.tif 000018
【０２４４】
で表し、ｋはコーニック定数として、ｋ＜０である任意の定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊを組み込んだレンズ面も考えられる。本発明ではこれらの式を使用した回転対称２次曲面も含めたものを指している。
【０２４５】
また、上記組み合わせは眼が視界を広げるためにキョロキョロする動作時にも十分であり且つ鮮明な画像を提供することが可能となる。これは、人間の眼が一つの動作を連続的に行うことで、眼の機能が次第に追従できなくなって「疲れ」を覚えることに対する回避の上で重要な動作であり、その「キョロキョロ」の回避動作時に視界を提供する本発明の実施の形態は、「疲れ」を感じさせないためには重要な役割を担うことになる。
【０２４６】
次にズーム機構であるが、これはＶＥ酔いを改善するのにも一役買っている。通常のコンテンツは広視野画像で出力されることを想定していないので、画像を取り込むビデオカメラを固定位置に設置せず、画像効果のために、色々な方向に向けながら映像をとるか、ズームを乱用することが多い。通常の１０〜５０インチテレビ画像相当のディスプレイならば全く問題ないが、本発明による６０°以上（１００インチ相当）の画面では『自己運動知覚：「自分が動いているような錯覚」を生じ，平衡の感覚に影響する。広範囲の視野に情報を与える動きのある映像は平衡感覚に影響し，映像による視覚情報と体性感覚情報のミスマッチにより不快・酔いを生じることがある。』症状を引き起こす可能性がある。しかし、固定されたカメラによる風景や遠方の６０°以上（１００インチ相当）の無限遠広視野画像は、実際に近い画像であり、臨場感あふれ、視差無く自然な立体感も得られるので、リラクゼーションや目の疲労回復に大きな効果がある。
【０２４７】
よって画像表示装置としては、コンテンツの解像度のみでなく、どのような内容の画像かによっても、ズーム機構を用いて調整することで、快適な画像情報を得ることができる。そのため、ズーム機構としては自己運動知覚が発生する可能性の高い６０°以上（１００インチ相当）の無限遠広視野画像から自己運動知覚が発生し難い３０°以下（５０インチ相当）の画像まで約２倍以上のズーム機構を有していることが望ましい。
【０２４８】
また、現状存在するＤＶＤ、ビデオ、ＢＳ画像等のコンテンツは画角が決まっており、広い視界ではなく、その画質に応じた画面の大きさが望ましい。すなわち、むやみに画角を拡大すると、画素の荒さが目で確認できてしまい、大画面が得られるメリットよりも、画質の悪さが気になってしまうデメリットの方が大きくなる。よって、本実施の形態においては、それらのコンテンツに対する最適な画角にズーム機構を用いて設定し高画質を常に得られるようにしている。画像のドットサイズを考慮すると、視野角で±１８°〜±６０°程度の約４〜５倍のズーム機構があることが望ましい。
【０２４９】
更に、本発明の実施の形態では、上記の表示装置を左右眼球に対し、少なくとも一方に配置する構造や、前記表示装置を、左右眼球に対し別々に配置し、眼球の間隔に応じて位置を調整可能とするような、あらゆる構造を提供することが可能なので、用途に合わせた幅広い活用方法が考えられる。これは前述の眼幅に合わせた光学系シフト、ズーム機構だけでなく、スクリーンと人間の目の間にある接眼光学系の一部若しくは全体をフォーカス方向に両接眼系別々に移動できる構成を取ることで、近視、遠視、乱視の方全てにメガネやコンタクトを付けること無く良好な無限遠像を見てもらうことが可能となる。更に、スクリーンと接眼光学系間の相対距離を近づけることで、画像内容に合わせた近い物体を見るような条件にもすることができるので、より一層の臨場感を得ることができる。この場合、スクリーンＧには、光軸方向に駆動力を与える駆動機構が設けてあればよく、更にズーム光学系は、液晶表示素子からスクリーンＧに投影する距離の変化に応じて、焦点位置を可変させるピント合わせ機構を具備していればよい。
【０２５０】
更に、前記光電素子は光束方向に直交した２次元発光型の液晶表示素子を導入しており、細かい分解能、低消費電力でより本当の視界に近い画像情報を提供することができる。発光部分については高輝度ＬＥＤ若しくは冷陰極管を使用しており、低消費電力、寿命、大きさの面で大きな効果を生む。更に、光ファイバーを用いることで少ないスペースで輝度の高い均一照明を実現できているが、元々赤色・緑色・青色の光源には照度の違いや指向角度の違い等があり、これらを同じ条件の照度に整えるためにも、光ファイバーを使用する効果は大きい。
【０２５１】
但し、ここで２次元発光型の液晶表示装置から出力される光量が決まってしまった場合、ズーム光学系及びハーフミラーによる２つの画面合成にて倍率の違いによる照度の差が発生してしまう可能性がある。そこで本発明としては、上述の光源に与える電流値を、画面合成時の倍率の差に応じて可変とすることで、前記高輝度ＬＥＤ若しくは冷陰極管自体の照度を倍率可変に応じて制御し、合成画像の照度に大きな差異が発生しないようにしている。但し、電流可変による照度可変は熱分布の変化になり、発光波長自体が変化し、色のバランスが取れなくなる可能性もある。そこで、光源に与える電流値を可変にするのではなく、合成するそれぞれの画像の光源を十分明るくし、それぞれの画像の照度の調整は、ズーム光学系の瞳面近傍に開口絞りＳＴＯを設置し、倍率可変に応じて光量を可変するように制御している。また、光量に余裕がある場合は偏光板を２枚組み合わせて、その回転角度を変えることで倍率可変に応じて制御しても良いが、３色ビームスプリッター１６２では各色毎に偏光特性を持つので、λ／４板等を用いて偏光特性を無くしておくのが望ましい。
【０２５２】
更に、本発明では上記構成により、図２３の全視野角度ディスプレイ装置１１８自体で大きな電力を食うことが無い。そこで外部情報を取り込む、ＢＳ・１１０度ＣＳアンテナ入出力端子、電話回線端子、ＶＨＦ／ＵＨＦアンテナ入出力端子、音声入出力端子、画像入出力端子、Ｓ画像入出力端子、Ｄ（Ｄ１／Ｄ２／Ｄ３／Ｄ４）映像入出力端子、光デジタル音声出力端子、ｉ．ＬＩＮＫ端子、アナログＲＧＢ入出力端子、ＤＣ入力端子の付いた接続系を全て全視野角度ディスプレイ装置１１８自体と切り離し、画像合成・変換装置１２１に設置している。そして、ＤＶＤ、テレビ、コンピュータ等の外部情報からの前記端子による入力データを全て赤外線データに変換し、赤外線発信部から前記全視野角度ディスプレイ装置１１８の赤外線受光部で受け、画像及び音声データに変換後にディスプレイ上に画像情報を提供する構成としている。また、全視野角度ディスプレイ装置１１８への供給電力はバッテリーを組み込み、未使用時に振動防止型関節棒１１６を介して充電する構成にすることで、全視野角度ディスプレイ装置１１８には有線部分が無くなる。よって、本体より取り外し、全視野角度ディスプレイ装置支持機構１７０を複数設置してある任意の位置に自由に持ち運びできる構成にすることもできる。
【０２５３】
以上のように本発明では高画質の広域像を画像情報として取り込むことが可能であり、これを利用して色々な組み合わせを考えることで、ウェアラブルディスプレイやウェアラブルコンピュータを越えた、本格的な情報入出力装置を提供することが可能となる。更に、同広域像画像を有効に利用する、新しい感覚のゲームソフトや広域像ＤＶＤ、広域像ビデオテープの販売、更には、バーチャルリアリティの本格的システム提供が可能となる。
【０２５４】
本発明は、メガネ型ディスプレイ保持方法、頭部保持型ディスプレイ保持方法は勿論、映画館や飛行機の椅子、リラクゼーション用椅子、寝たきり老人看護用ベット等に直接設置することで、重量や装着による不快感を開放した機構として提供することも可能となる。特に、動きの制限を受けている病人や寝たきり老人への臨場感溢れる画像の提供は、大きなリラクゼーション効果があり、病気回復の活力や、生きる活力を与えられると言う点でもその市場性は大きい。
【０２５５】
以上の内容を整理すると、本発明を利用する場合、それぞれ次のような市場性が期待できる。
【０２５６】
重量、疲労感を感じさせない大画面パソコン、ＣＡＤ・映画館、プロジェクターに替わる大画面ディスプレイ・臨場感溢れる３Ｄ大画面画像の提供・前記ビデオ機構からの画像をインターネット受信・寝たきり老人、病人への臨場感ある画像の提供・リラクゼーション画像表示ディスプレイ・新しい感覚のＴＶゲーム画像の提供・狭い空間での大画面画像の提供・機密性が高い情報の個人向け表示システム・バーチャルリアリティディスプレイ・遠隔操作が可能な大画面ディスプレイ・広い画面でのデジタル新聞受信システム・飛行機等の１ｓｔクラスでのリラクゼーションサービス・視力の悪くならない教育教材・アミューズメント施設での新たなディスプレイゲーム等が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０２５７】
【図１Ａ】本発明の実施形態の前提となる接眼光学系の概要を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す接眼光学系の収差を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示す接眼光学系の横収差プロット出力図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に使用される接眼光学系の概要を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す接眼光学系の収差を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示す接眼光学系の横収差プロット出力図である。
【図２Ｄ】図２Ａに示す接眼光学系の３０°キョロ目時における光線追跡図である。
【図２Ｅ】図２Ａに示す接眼光学系の３０°±１０°の横収差プロット出力図である。
【図３】人間のキョロ目動作に伴う視野中心の移動を示した図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に使用される接眼光学系の概要を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す接眼光学系の収差を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示す接眼光学系の３０°キョロ目時における光線追跡図である。
【図４Ｄ】図４Ａに示す接眼光学系の３０°±１０°の横収差プロット出力図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に使用される接眼光学系の概要を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す接眼光学系の３０°キョロ目時における光線追跡図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示す接眼光学系の３０°±１０°の横収差プロット出力図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に使用される接眼光学系の概要を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す接眼光学系の収差を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ａに示す接眼光学系の３０°キョロ目時における光線追跡図である。
【図６Ｄ】図６Ａに示す接眼光学系の３０°±１０°の横収差プロット出力図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態に使用される接眼光学系の概要を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す接眼光学系の収差を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ａに示す接眼光学系の３０°キョロ目時における光線追跡図である。
【図７Ｄ】図７Ａに示す接眼光学系の３０°±１０°の横収差プロット出力図である。
【図７Ｅ】図７Ａに示す光学系において視野中心がある場合の、コーニック面と色収差補正レンズを組み合わせた最適フォーカス位置でのＭＴＦ（ｂ）と、従来の光学系における最適フォーカス位置でのＭＴＦ（ａ）とを比較して示した図である。
【図７Ｆ】図７Ａに示す接眼光学系の変形例の光学系の概要を示す図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態に使用される接眼光学系の概要を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す接眼光学系の収差を示す図である。
【図８Ｃ】図８Ａに示す接眼光学系の３０°キョロ目時における光線追跡図である。
【図８Ｄ】図８Ａに示す接眼光学系の３０°±１０°の横収差プロット出力図である。
【図８−１】本発明の実施形態である、高輝度ＬＥＤとファイバーを用いた液晶素子照明を示す図である。
【図８−２】本発明の実施形態である、冷陰極管とファイバーを用いた液晶素子照明を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態に使用されるズーム光学系で、画角１２．４ｍｍのときのの光路図である。
【図９Ｂ】図９Ａの状態におけるフィールド収差出力図である。
【図９Ｃ】図９Ａの状態におけるスポットダイヤグラム出力図である。
【図９Ｄ】図９Ａの状態における横収差プロット出力図である。
【図１０Ａ】図９Ａに示されるズーム光学系で、画角を25.13ｍｍとしたときの光路図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの状態におけるフィールド収差出力図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａの状態におけるスポットダイヤグラム出力図である。
【図１０Ｄ】図１０Ａの状態における横収差プロット出力図である。
【図１１Ａ】図９Ａに示されるズーム光学系で、画角を６３．６ｍｍとしたときの光路図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの状態におけるフィールド収差出力図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａの状態におけるスポットダイヤグラム出力図である。
【図１１Ｄ】図１１Ａの状態における横収差プロット出力図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態に使用されるズーム光学系で、画角を変化させた場合の光路図である。（ａ）は画角18.5mm、（ｂ）は画角31.92mm、（ｃ）は画角63.13mmのものであある。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示すズーム光学系におけるスポットダイヤグラム出力図である。
【図１２Ｃ】図１２Ａの（ａ）の状態におけるＭＴＦを示す図である。
【図１２Ｄ】図１２Ａの（ｂ）の状態におけるＭＴＦを示す図である。
【図１２Ｅ】図１２Ａの（ｃ）の状態におけるＭＴＦを示す図である。
【図１２Ｆ】図１２Ａに示すズーム光学系のズーム条件を変化させたときの、各状態の表を示す図である。
【図１２Ｇ】図１２Ａに示すズーム光学系において、視野角度が18.50°の場合の評価周波数からの周波数毎のＭＴＦを示した図である。
【図１２Ｈ】図１２Ａに示すズーム光学系において、視野角度が31.92°の場合の評価周波数からの周波数毎のＭＴＦを示した図である。
【図１３Ａ】図１２Ａに示すズーム光学系を、一方の眼用に配列した例を示す図である。
【図１３Ｂ】図１２Ａに示すズーム光学系を、他方の眼用に配列した例を示す図である。
【図１３Ｃ】図１３Ａに示すズーム系と、図１３Ｂに示すズーム光学系とを組み合わせ、両眼用としたときの配列を示す図である。
【図１３−１】図１３Ｃに示すズーム系に、接眼光学系を組み合わせた全体配置を示す図である。
【図１３−２】光路長を変えずに、光学系を眼幅に合わせて調整するための光学系の例を示す図である。
【図１４】図９Ａに示すズーム光学系をコンパクトに収納するため、折り曲げ配置した例を示した光路側面図である。
【図１５】本発明による実施形態であるディスプレイ部の保持機構を示す概要図である。
【図１６】図１４に示した光学系を筐体に収納し、顔面に装着したときの光路パーツの配置の例を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の他の実施の形態である画像表示装置の光学素子の例を示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａに示す画像表示装置を頭部に装着した状態を、側面から見た概要図である。
【図１８】本発明の実施の形態である光学系の一部を示す図である。
【図１９】図１８に示した光学系の変形例を示す図である。
【図２０】図１８、図１９に示した光学系の後側に形成される光学系の例を示す図である。
【図２１】２つの２次元発光型の光電素子（反射型液晶素子）からの合成画像を、左右の眼に投影する光学系の例を示す図である。
【図２２】左右の眼用にそれぞれ設けられた２次元発光型の光電素子（反射型液晶素子）から左右の眼に画像を投影するための光学系の概要を示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態である画像表示装置を座った状態で使用する状態を示す概念図である。
【図２４】本発明の実施の形態である画像表示装置を寝た状態で使用する状態を示す概念図である。
【図２５】２つの２次元画像出力装置からの出力画像を、両眼に導く方式の例を示す概要図である。
【図２６Ａ】従来技術による接眼レンズ系の構成の例を示す図である。
【図２６Ｂ】図２６Ａに示す接眼光学系におけるフィールド収差出力図である。
【図２６Ｃ】図２６Ａに示す接眼光学系の±１５°での横収差プロット出力図である。
【図２６Ｄ】図２６Ａに示す接眼光学系の±３０°での横収差プロット出力図である。
【図２７Ａ】従来技術による接眼レンズ系の構成の例を示す図である。
【図２７Ｂ】図２７Ａに示す接眼光学系におけるフィールド収差出力図である。
【図２７Ｃ】図２７Ａに示す接眼光学系の±１５°での横収差プロット出力図である。
【図２８】眼鏡型ディスプレイ及び頭部装着型ディスプレイの代表的な実施形態を示した図である。
【符号の説明】
【０２５８】
１１：全視野角度ディスプレイ装置（ボックス）、１１ａ：鼻当て部、１２：凹部、１３：支持部、１３ａ：部材、１３ｂ：部材、１３ｃ：球面軸受、１４…        、Ｅ：両目、Ｇ：発光画面（スクリーン）、ＧＬ：光路差調整用ガラス、Ｈ：瞳、ＨＭ：ハーフプリズム・ハーフミラー、Ｌ１１〜Ｌ１３：レンズ、Ｌ２１〜Ｌ２４：レンズ、Ｌ３１〜Ｌ３４：レンズ、Ｌ５１〜Ｌ５４：レンズ、Ｌ６１〜Ｌ６４：レンズ。Ｌ７１〜Ｌ７５：レンズ、Ｌ８１〜Ｌ８５：レンズ、Ｌ９１〜Ｌ９Ｇ：レンズ、ＬＡ１〜ＬＡＫ：レンズ、Ｐ：三色合成用プリズム、ＬＲ：右眼用光学系、ＬＬ：左眼用光学系、Ｐ１〜Ｐ５：全反射プリズム、ＯＢＪ，ＯＢＪＲ，ＯＢＪＧ，ＯＢＪＢ：液晶表示素子、照明系ＬＳＲ，ＬＳＧ，ＬＳＢ：照明系、画像出力面、Ｍ１〜Ｍ５：偏向ミラー、ＳＴＯ：開口絞り、１１５：支持部、１１６：振動防止型関節棒、１１７：カウンターバランス部（ウエイトフリーバランサー）、１１８：全視野角度ディスプレイ装置、１２０：イヤホン、１２１：画像合成・変換装置、１４９Ｒ，１４９Ｌ：スクリーン、１５０Ｘ，１５０Ｙ：２次元画像出力装置、１５１Ｘ，１５１Ｙ：光学リレー機構、１５２Ｘ，１５２Ｙ：光学的ズーム機構（ズーム光学系）、１５３：ハーフプリズム、１５４：光学部材、１５５：反射ミラー、１６２：３色ビームスプリッター、１６３：バックライト照明系、１６４，１６５：光ファイバー、１６６：高輝度ＬＥＤ、１６７：冷陰極管、１６９：液晶表示素子、１７０：全視野角度ディスプレイ装置支持機構、２０４…色ビーム合成プリズム、２０５…リレー拡大光学系、２０７…スクリーン、２０８…接眼光学系、２０９…眼球、２１０…首、２１１…頭、２１２…弾性カバー、２１３…ミラー、２１４…眼幅補正機構、２１５…画像表示装置、２１６…ミラー、２１７…ミラー、２１８…耳、２１９…挟み込み部材、２２０…弾性部材、２２１…ミラー、２２２Ｌ，２２１Ｒ…結像面、３０１…基板、３０２…ＬＥＤ（白色）、３０２（ｒ）…Ｒ−ＬＥＤ群、３０２（ｇ）…Ｇ−ＬＥＤ群、３０２（ｂ）…Ｂ−ＬＥＤ群、３０３…偏向ビームスプリッタ、３０４，３０４Ｌ１，３０４Ｌ２，３０４Ｒ１，３０４Ｒ２…ロッド、３０５Ｌ１，３０５Ｒ１…偏向ミラー、３０６，３０６Ｌ１，３０６Ｌ２，３０６Ｒ１，３０６Ｒ２…レンズ、３０７Ｌ，３０７Ｒ…偏向ビームスプリッタ、３０８Ｌ，３０８Ｒ…λ／４板、３０９，３０９Ｌ，３０９Ｒ…ＲＧＢ光束分離合成プリズム、３１０Ｌ（ｒ）、３１０Ｌ（ｇ）、３１０Ｌ（ｂ）、３１０Ｒ（ｒ）、３１０Ｒ（ｇ）、３１０Ｒ（ｂ）…パネル、４０１…光源装置、４０２…ロッド、４０３…偏向プリズム、４０４…ロッド、４０５，４０６…偏向プリズム、４０７…ロッド、４０９…偏向プリズム、４１０…偏光ビームスプリッタ、４１１…画像形成部、４１２…ズーム光学系、４１３…偏向プリズム、４１４…ハーフプリズム、４１５…偏向プリズム、４１６…光路長調整機構、４１７…スクリーン、４１８…接眼光学系、４１９、４２０…偏向プリズム、４２１…偏向プリズム、
【図１Ａ】
2005134867.tif 000019
【図１Ｂ】
2005134867.tif 000020
【図１Ｃ】
2005134867.tif 000021
【図２Ａ】
2005134867.tif 000022
【図２Ｂ】
2005134867.tif 000023
【図２Ｃ】
2005134867.tif 000024
【図２Ｄ】
2005134867.tif 000025
【図２Ｅ】
2005134867.tif 000026
【図３】
2005134867.tif 000027
【図４Ａ】
2005134867.tif 000028
【図４Ｂ】
2005134867.tif 000029
【図４Ｃ】
2005134867.tif 000030
【図４Ｄ】
2005134867.tif 000031
【図５Ａ】
2005134867.tif 000032
【図５Ｂ】
2005134867.tif 000033
【図５Ｃ】
2005134867.tif 000034
【図６Ａ】
2005134867.tif 000035
【図６Ｂ】
2005134867.tif 000036
【図６Ｃ】
2005134867.tif 000037
【図６Ｄ】
2005134867.tif 000038
【図７Ａ】
2005134867.tif 000039
【図７Ｂ】
2005134867.tif 000040
【図７Ｃ】
2005134867.tif 000041
【図７Ｄ】
2005134867.tif 000042
【図７Ｅ】
2005134867.tif 000043
【図７Ｆ】
2005134867.tif 000044
【図８Ａ】
2005134867.tif 000045
【図８Ｂ】
2005134867.tif 000046
【図８Ｃ】
2005134867.tif 000047
【図８Ｄ】
2005134867.tif 000048
【図８−１】
2005134867.tif 000049
【図８−２】
2005134867.tif 000050
【図９Ａ】
2005134867.tif 000051
【図９Ｂ】
2005134867.tif 000052
【図９Ｃ】
2005134867.tif 000053
【図９Ｄ】
2005134867.tif 000054
【図１０Ａ】
2005134867.tif 000055
【図１０Ｂ】
2005134867.tif 000056
【図１０Ｃ】
2005134867.tif 000057
【図１０Ｄ】
2005134867.tif 000058
【図１１Ａ】
2005134867.tif 000059
【図１１Ｂ】
2005134867.tif 000060
【図１１Ｃ】
2005134867.tif 000061
【図１１Ｄ】
2005134867.tif 000062
【図１２Ａ】
2005134867.tif 000063
【図１２Ｂ】
2005134867.tif 000064
【図１２Ｃ】
2005134867.tif 000065
【図１２Ｄ】
2005134867.tif 000066
【図１２Ｅ】
2005134867.tif 000067
【図１２Ｆ】
2005134867.tif 000068
【図１２Ｇ】
2005134867.tif 000069
【図１２Ｈ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２８】
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