(57)【要約】【課題】  観察者の顔面形状に沿った光学配置を有する虚像光学系とする。【解決手段】  第１の光学平面１５ｂと、第１の光学平面１５ｂに略平行に且つ光学瞳１９側に配される第２の光学平面１５ｃと、第１の光学平面１５ｂ又は第２の光学平面１５ｃの法線とのなす角が３０度以上、９０度未満となる光軸を有し、画像表示素子１１に表示され、リレー光学系１２で中継された画像光を入射する入射光学面１５ａと、入射光学面１５ａから入射された画像光を反射又は透過する反射透過面１６とを有するプリズム１５と、反射透過面１６で反射され、第１の光学平面１５ｂから射出された画像光を反射透過面１６に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子１８と、第１の光学平面１５ｂと、反射光学素子１８との光路中に配され、画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子１７とを備えることで実現する。【選択図】  図１
2005250408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、
第１の光学平面と、上記第１の光学平面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学平面と、上記第１の光学平面又は上記第２の光学平面の法線とのなす角が３０度以上、９０度未満となる光軸を有し、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学平面及び上記第２の光学平面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、
上記プリズムが有する上記第１の光学平面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学平面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、
上記プリズムの上記第１の光学平面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学平面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、
上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学平面及び上記第２の光学平面で内部全反射させながら、上記反射透過面まで導光し、上記画像光の導光中に上記画像の中間像が形成されること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
上記プリズム、上記プリズムが有する上記反射透過面、上記反射型光学素子、上記位相差光学素子を含む当該画像表示装置の虚像光学系は、全ての光学面の光軸が一致した共軸光学系であること
を特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記入射光学面の上記光軸と、上記第１の光学平面又は上記第２の光学平面の上記法線とのなす角をＡとし、上記プリズムが有する上記反射透過面と、上記第１の光学平面とのなす角をＣとした場合に、上記角Ａ及び上記角Ｃは、以下に示す（１）式
Ａ＝２Ｃ  ・  ・  ・  （１）
を満たすこと
を特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
【請求項４】
上記反射光学素子は、凹面形状の反射面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学平面側に配された凹面鏡であること
を特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
上記反射光学素子は、ホログラム面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学平面側に配された反射型ホログラム光学素子であること
を特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項６】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、
第１の光学平面と、上記第１の光学平面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学平面と、上記第１の光学平面又は上記第２の光学平面の法線とのなす角が３０度以上、９０度未満となる光軸を有し、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学平面及び上記第２の光学平面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、
上記プリズムが有する上記第１の光学平面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学平面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、
上記プリズムの上記第１の光学平面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学平面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、
上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学平面で内部全反射させて、上記反射透過面まで導光すること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
上記プリズム、上記プリズムが有する上記反射透過面、上記反射型光学素子、上記位相差光学素子を含む当該画像表示装置の虚像光学系は、全ての光学面の光軸が一致した共軸光学系であること
を特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項８】
上記入射光学面の上記光軸と、上記第１の光学平面又は上記第２の光学平面の上記法線とのなす角をＡとし、上記プリズムが有する上記反射透過面と、上記第１の光学平面とのなす角をＣとした場合に、上記角Ａ及び上記角Ｃは、以下に示す（１）式
Ａ＝２Ｃ  ・  ・  ・  （１）
を満たすこと
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項９】
上記反射光学素子は、凹面形状の反射面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学平面側に配された凹面鏡であること
を特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項１０】
上記反射光学素子は、ホログラム面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学平面側に配された反射型ホログラム光学素子であること
を特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項１１】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、
第１の光学曲面と、上記第１の光学曲面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学曲面と、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学曲面及び上記第２の光学曲面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、
上記プリズムが有する上記第１の光学曲面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学曲面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、
上記プリズムの上記第１の光学曲面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学曲面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、
上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学曲面及び上記第２の光学曲面で内部全反射させながら、上記反射透過面まで導光し、上記画像光の導光中に上記画像の中間像が形成されること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】
上記反射光学素子は、凹面形状の反射面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学曲面側に配された凹面鏡であること
を特徴とする請求項１１記載の画像表示装置。
【請求項１３】
上記反射光学素子は、ホログラム面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学曲面側に配された反射型ホログラム光学素子であること
を特徴とする請求項１１記載の画像表示装置。
【請求項１４】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、
第１の光学曲面と、上記第１の光学曲面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学曲面と、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学曲面及び上記第２の光学曲面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、
上記プリズムが有する上記第１の光学曲面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学曲面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、
上記プリズムの上記第１の光学曲面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学曲面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、
上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学曲面で内部全反射させて、上記反射透過面まで導光すること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
上記反射光学素子は、凹面形状の反射面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学曲面側に配された凹面鏡であること
を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【請求項１６】
上記反射光学素子は、ホログラム面が上記光学瞳側を向くように、上記第１の光学曲面側に配された反射型ホログラム光学素子であること
を特徴とする請求項１４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、画像表示素子に表示される２次元画像を、反射透過（カタディオプトリック）光学素子を用いた虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させる画像表示装置に関し、詳しくは、虚像光学系を用いた頭部装着型の画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像表示素子に表示される２次元画像を反射透過光学素子を用いた虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させる頭部装着型の画像表示装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。このような頭部装着型の画像表示装置が有する虚像光学系は、人の顔、特に人の目の位置における顔面形状に沿った光学配置を取ることによる装着感の向上、さらには、視野方向に対する薄型化や、光利用効率をできるたけ高くすることなどが望まれている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１で示される虚像光学系は、以下に示すような問題がある。
【０００４】
（１）まず、特許文献１では、図８に示すような虚像光学系が開示されている。図８に示す虚像光学系では、画像表示素子３２０から射出されたＳ偏光の画像光を、レンズ３６０を介してプリズム３００内に入射させる。この画像光は、プリズム３００内に設けられた第１の反射面２００にて反射され、進行方向を９０度変えられる。
【０００５】
この画像光は、同じくプリズム３００内に設けられた、主に、Ｓ偏光を反射する第２の反射透過面９２０にて反射され、進行方向を９０度変えられ、４分の１波長板９３０に入射される。４分の１波長板９３０に入射された画像光は、円偏光に変換され、凹面鏡９００にて反射される。凹面鏡９００で反射された画像光は、再び、４分の１波長板９３０に入射してＰ偏光に変換され、第２の反射透過面９２０を透過し、観察者の瞳に入射することになる。
【０００６】
図８に示した、このような構成の虚像光学系は、画像光を射出する画像表示素子３２０の配置位置と、最終的に画像光を到達させる光学瞳の配置位置とを、プリズム３００に対して同じ側にする必要があるため、顔面形状に沿った光学配置をとることが非常に困難となっているといった問題がある。
【０００７】
また、第１の反射面２００における画像光の反射は、１００％とはなり得ないため、必ず光利用効率が大幅に低下してしまうといった問題もある。さらにまた、画像表示素子３２０から射出された画像光は、プリズム３００内に設けられたプリズムの第１の反射面２００にて９０度曲げられ、そのまま第２の反射透過面９２０に入射されるため、プリズム３００内に配された第２の反射透過面９２０の傾きとして、４５度の角度が必要となり、観察者の視野方向にプリズム３００が厚くなってしまうといった問題がある。
【０００８】
（２）また、特許文献１では、図９に示すような虚像光学系も開示されている。図９に示す虚像光学系では、画像表示素子３２０から射出されたＳ偏光の画像光を、レンズ３６０を介してプリズム３００内に入射させる。この画像光は、プリズム３００内に設けられた反射面３２４に直接入射される。したがって、図９に示す虚像光学系では、当該プリズム３００内に入射された画像光の反射回数が減少し、光利用効率の低下を抑制することができる。
【０００９】
しかしながら、虚像光学系を構成する画像表示素子３２０と、レンズ３６０と、長手方向に配されたプリズム３００とが１直線上に並んでおり、図８に示した虚像光学系と同様に、顔面形状に沿って光学配置することが困難であるといった問題がある。また、図８に示した虚像光学系と同様に、プリズム３００内に配された反射面３２４の傾きとして、４５度の角度が必要となり、観察者の視野方向にプリズム３００が厚くなってしまうといった問題がある。
【００１０】
（３）さらに、特許文献１では、図１０に示すような虚像光学系も開示されている。図１０に示す虚像光学系では、画像表示素子３２０から射出されたＳ偏光の画像光を、レンズ３６０を介してプリズム３００内に入射させる。プリズム３００内に入射された画像光は、プリズム３００内に４５度以上に傾斜するように配された第１の反射面３２５にて反射され、プリズム３００内で内部全反射をしてから、同じくプリズム３００内に４５度以上に傾斜するように配された第２の反射面３２４にて反射されプリズム３００外へ射出される。
【００１１】
このように、第１の反射面３２５、第２の反射面３２４は、プリズム３００内にて４５度以上の傾斜を持って配されているため、図８、図９で示した虚像光学系と比較して、観察者の視野方向にプリズム３００が厚くなることを抑制することができる。
【００１２】
ところが、このような構成の虚像光学系は、画像光を射出する画像表示素子３２０の配置位置と、最終的に画像光を到達させる光学瞳の配置位置とを、プリズム３００に対して同じ側にする必要があるため、顔面形状に沿った光学配置をとることが非常に困難となっているといった問題がある。
【００１３】
（４）また、図８で示した虚像光学系においては、反射光学素子である凹面鏡９００がプリズム３００内に埋め込まれている。したがって、凹面鏡９００が埋め込まれているプリズム３００の平面では、全反射によって画像光を導光させるといった手法を用いることができないため、必然的にプリズム３００の厚みが必要となってしまうといった問題がある。
【００１４】
また、図１０に示す虚像光学系のように内部全反射を行う構成とした場合でも、接眼光学素子として、レンズを用いざるを得ないため、このレンズによって色収差が生じたり、厚みが増したりといった問題が生じてしまう。
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５８８６８２２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上述したような問題を解決するために案出されたものであり、使用者の顔面形状に沿うように光学系を配置し、さらに観察者の視野方向に対して薄型化すると共に高い光利用効率を実現する虚像光学系を有した頭部装着型の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】
【００１７】
上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、第１の光学平面と、上記第１の光学平面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学平面と、上記第１の光学平面又は上記第２の光学平面の法線とのなす角が３０度以上、９０度未満となる光軸を有し、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学平面及び上記第２の光学平面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、上記プリズムが有する上記第１の光学平面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学平面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、上記プリズムの上記第１の光学平面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学平面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学平面及び上記第２の光学平面で内部全反射させながら、上記反射透過面まで導光し、上記画像光の導光中に上記画像の中間像が形成されることを特徴とする。
【００１８】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、第１の光学平面と、上記第１の光学平面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学平面と、上記第１の光学平面又は上記第２の光学平面の法線とのなす角が３０度以上、９０度未満となる光軸を有し、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学平面及び上記第２の光学平面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、上記プリズムが有する上記第１の光学平面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学平面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、上記プリズムの上記第１の光学平面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学平面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学平面で内部全反射させて、上記反射透過面まで導光することを特徴とする。
【００１９】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、第１の光学曲面と、上記第１の光学曲面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学曲面と、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学曲面及び上記第２の光学曲面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、上記プリズムが有する上記第１の光学曲面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学曲面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、上記プリズムの上記第１の光学曲面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学曲面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学曲面及び上記第２の光学曲面で内部全反射させながら、上記反射透過面まで導光し、上記画像光の導光中に上記画像の中間像が形成されることを特徴とする。
【００２０】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子に表示された上記画像の画像光を中継するリレー光学系と、第１の光学曲面と、上記第１の光学曲面に略平行に且つ光学瞳側に配される第２の光学曲面と、上記リレー光学系で中継された上記画像光を入射する入射光学面と、上記第１の光学曲面及び上記第２の光学曲面に対して所定の傾きを有し、上記入射光学面から入射された上記画像光を反射又は透過する反射透過面とを少なくとも有するプリズムと、上記プリズムが有する上記第１の光学曲面側に配され、上記反射透過面で反射され、上記第１の光学曲面から射出された上記画像光を上記反射透過面に向け、略平行光となるように反射する反射光学素子と、上記プリズムの上記第１の光学曲面と、上記反射光学素子との光路中に、上記第１の光学曲面又は上記反射光学素子との間に空気層を挟むようにして配され、上記画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子とを備え、上記プリズムは、上記入射光学面から当該プリズム内に入射された上記画像光を、上記第１の光学曲面で内部全反射させて、上記反射透過面まで導光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の画像表示装置は、プリズムの入射光学面の光軸と、第１の光学平面又は第２の光学平面の法線とのなす角を、３０度以上、９０度未満と規定することで、虚像光学系の光学配置を、一直線上に並ぶことなく観察者の顔面形状に沿うように配置することを可能とする。これにより、観察者が当該画像表示装置を装着した際の不快感を軽減させると共に、当該画像表示装置のデザイン性を高めることが可能となる。
【００２２】
また、プリズム内で内部全反射によって画像光を導光することで、反射鏡などを使用して導光させた虚像光学系よりも光利用効率を高めることを可能とする。
【００２３】
さらにまた、当該画像表示装置の虚像光学系を共軸光学系とした場合において、入射光学面の光軸と、第１の光学平面又は第２の光学平面の上記法線とのなす角をＡとし、プリズムが有する反射透過面と、第１の光学平面とのなす角をＣとした場合に、Ａ＝２Ｃで規定される角度範囲内で、プリズムを観察者の視野方向に対して薄型化することを可能とする。
【００２４】
また、本発明の画像表示装置は、第１の光学曲面、第２の光学曲面を有するプリズムを備えることで、虚像光学系の光学配置を、一直線上に並ぶことなく観察者の顔面形状に沿うように配置することを可能とする。これにより、観察者が当該画像表示装置を装着した際の不快感を軽減させると共に、当該画像表示装置のデザイン性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る画像表示装置の発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明をする。
【００２６】
｛第１の実施の形態｝
図１を用いて、第１の実施の形態として示す画像表示装置１０について説明をする。画像表示装置１０は、画像を表示する画像表示素子１１と、画像表示素子１１で表示された画像の画像光を入射して光学瞳１９に導く虚像光学系とを備えている。
【００２７】
画像表示素子１１は、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）などである。
【００２８】
なお、本説明においては、画像表示素子１１を液晶ディスプレイのように、直線偏光の画像光を射出するディスプレイとするが、画像表示素子１１を無偏光の画像光を射出するディスプレイとする場合には、当該画像表示素子１１の後段に無偏光から直線偏光を取り出す偏光板が必要となる。
【００２９】
本発明においては、説明のため便宜上、画像表示素子１１から射出される画像光をＳ型の直線偏光とする。
【００３０】
虚像光学系は、リレーレンズ１２，１３，１４と、内部に偏光ビームスプリッタ面１６を有するプリズム１５と、４分の１波長板１７と、凹面鏡１８とを備えている。虚像光学系を構成する上述の光学素子は、画像表示素子１１と、光学瞳１９との光路中に、リレーレンズ１２，１３，１４、プリズム１５、プリズム１５内の偏光ビームスプリッタ面１６、４分の１波長板１７、凹面鏡１８とが図１に示すように配されることになる。画像表示装置１０の虚像光学系は、リレーレンズ１２，１３，１４、プリズム１５、偏光ビームスプリッタ面１６、４分の１波長板１７、凹面鏡１８の光学面の光軸が全て一致する、光軸対称な構成である共軸光学系である。
【００３１】
図２に示すように観察者１００は、光学瞳１９の位置に自身の瞳１０１を合わせた場合に、画像表示素子１１に表示される画像光を、この虚像光学系を介して拡大観察することができる。図２に示すように、画像表示装置１０が備える画像表示素子１１、リレーレンズ１２，１３，１４は、観察者１００の頭部形状に沿うような形状となっている。
【００３２】
リレーレンズ１２，１３，１４は、画像表示素子１１から射出されたＳ型の直線偏光である画像光を後段のプリズム１５に中継する。また、第１の実施の形態として示す画像表示装置１０において、リレーレンズ１２，１３，１４は、後段のプリズム１５内に画像光の中間像を形成する。
【００３３】
画像表示素子１１と、リレーレンズ１２，１３，１４とは、後述するプリズム１５の入射光学面１５ａと平行に、つまり、それぞれの光軸が一致するように配置される。プリズム１５は、画像表示素子１１で射出され、リレーレンズ１２，１３，１４を介して入射されたＳ型の直線偏光である画像光を入射光学面１５ａから入射させ、互いに略平行に配されている第１の光学平面１５ｂで２回、第２の光学平面１５ｃで１回、内部全反射させる。なお、本発明は、プリズム１５内に入射された画像光の、第１の光学平面、第２の光学平面による内部全反射の回数に限定されるものではない。
【００３４】
入射光学面１５ａは、その光軸と、第１の光学平面１５ｂの法線又は第２の光学平面１５ｃの法線とのなす角Ａが３０度以上、９０度未満の範囲となるようにプリズム１５に設けられている。この角Ａの角度範囲については、後で詳細に説明をする。
【００３５】
入射光学面１５ａから入射した画像光は、第１の光学平面１５ｂの領域１５ｂ１において、１回目の全反射をし、第２の光学平面１５ｃの領域１５ｃ１で２回目の全反射をし、再び、第１の光学平面１５ｂの領域１５ｂ２で３回目の全反射をする。領域１５ｂ２で全反射された画像光は、プリズム１５内に反射透過面として形成され偏光ビームスプリッタ面１６に入射する。プリズム１５内に入射された画像光は、第２の光学平面１５ｃの領域１５ｃ１における全反射の後、当該プリズム１５内で中間像を形成することになる。このプリズム１５内に中間像を形成すると、短い焦点距離であっても拡大観察させる虚像のサイズを大きくすることができる。つまり、中間像を形成する虚像光学系では、焦点距離を稼ぐことができる。
【００３６】
偏光ビームスプリッタ面１６は、入射された画像光の偏光の違いに応じて反射又は透過をする反射透過面である。偏光ビームスプリッタ面１６は、Ｓ型の直線偏光を反射して、Ｓ型の直線偏光の振動面に対して垂直な振動面で振動するＰ型の直線偏光を透過するものとする。したがって、第１の光学平面１５ｂの領域１５ｂ２で２回目の全反射をした画像光は、この偏光ビームスプリッタ面１６に入射し、反射されることになる。偏光ビームスプリッタ面１６で反射された画像光は、第１の光学平面１５ｂの領域１５ｂ２に対して、臨界角以内、つまり全反射条件を満たさない角度で入射するためプリズム１５外へ射出される。プリズム１５外へ射出された画像光は、４分の１波長板１７に入射される。
【００３７】
プリズム１５内に形成する反射透過面を、直線偏光の振動方向の違いに応じて反射又は透過をする偏光ビームスプリッタ面１６としたが、本発明は、これに限定されるものではなく、反射透過面として、例えば、画像光が入射される角度に応じて反射透過特性が変わる誘電体多層膜、ホログラム層などを用いることもできる。
【００３８】
４分の１波長板１７は、入射された画像光の偏光状態を変換する位相差光学素子であり、入射された直線偏光を円偏光に変換し、入射された円偏光を直線偏光に変換する。具体的には、プリズム１５から射出されたＳ型の直線偏光である画像光を、左回りの円偏光に変換する。また、４分の１波長板１７は、後段の凹面鏡１８で反射され右回りの円偏光となった画像光をＰ型の直線偏光に変換する。
【００３９】
４分の１波長板１７は、プリズム１５の第１の光学平面１５ｂの領域１５ｂ２近傍に配された凹面鏡１８に備え付けられている。４分の１波長板１７を備え付けた凹面鏡１８は、第１の光学平面１５ｂとの間に所定の間隔の空気層Ａｉｒを設けるように配されている。この空気層Ａｉｒは、領域１５ｂ２において、プリズム１５内に入射された画像光が２回目の全反射を行うために設けられている。
【００４０】
図示しないが、４分の１波長板１７は、第１の光学平面１５ｂの領域１５ｂ２に直接貼り付けてもよい。この場合、４分の１波長板１７と、凹面鏡１８との間に空気層Ａｉｒが設けられることになる。
【００４１】
凹面鏡１８は、４分の１波長板１７から射出された左回りの円偏光である画像光を、虚像結像のための正の光学パワーを与え、略平行光として反射し、再び４分の１波長板１７に入射させる。
【００４２】
４分の１波長板１７に入射された左回りの円偏光である画像光は、Ｐ型の直線偏光に変換され、プリズム１５内に入射する。そして、この画像光は、偏光ビームスプリッタ面１６を透過して、再び、プリズム１５へ射出され、光学瞳１９に到達する。
【００４３】
ここで、入射光学面１５ａの光軸と、第１の光学平面１５ｂ又は第２の光学平面１５ｃの法線とのなす角Ａの角度範囲について説明をする。上述したように、この角Ａは、３０度以上、９０度未満の角度範囲を有しており、画像表示装置１０において、画像表示素子１１、リレーレンズ１２，１３，１４の光軸は、入射光学面１５ａの光軸に一致するように配されることになる。
【００４４】
まず、角Ａの上限である９０度について説明をする。角Ａが９０度である場合は、プリズム１５の入射光学面１５ａの光軸が、第１の光学平面１５ｂ又は第２の光学平面１５ｃの法線に対して垂直になっている状態である。つまり、角Ａが９０度となるように、プリズム１５の入射光学面１５ａのプリズム１５における位置を決め、画像表示素子１１、リレーレンズ１２，１３，１４をそれに対応して配置させた場合、観察者の顔面形状を全く無視した光学配置となり、当該画像表示装置１０を頭部装着した際の違和感が最も高い状態となる。したがって、角Ａは、９０度未満とする。
【００４５】
次に、角Ａの下限値である３０度について説明する。角Ａの下限値は、画像表示素子１１から射出される画像光の中心画角の主光線が、プリズム１５内で全反射するための条件によって決まる。現在、最も大きな屈折率の光学材料でプリズム１５を形成した場合に、角Ａは、最小となる。
【００４６】
具体的には、図３に示すように、画像表示素子１１から射出される画像光の中心画角の主光線Ｌが、プリズム１５内に光入射面１５ａから入射され、第１の光学平面１５ｂで内部全反射するための条件から、角Ａを求めることができる。
【００４７】
つまり、プリズム１５の屈折率をｎ＝２、空気の屈折率をｎ’＝１とし、角Ａが臨界角となるように屈折の法則を適用すると、２・ｓｉｎＡ＝１・ｓｉｎ９０＝１となるため、ｓｉｎＡ＝１／２となり、Ａ＝３０度となる。
【００４８】
このようにして、角Ａの角度範囲は、３０度以上、９０度未満とすることができる。
【００４９】
上述したように、画像表示装置１０の虚像光学系は、リレーレンズ１２，１３，１４、プリズム１５、偏光ビームスプリッタ面１６、４分の１波長板１７、凹面鏡１８の光学面の光軸が全て一致する、光軸対称な構成である共軸光学系である。
【００５０】
このような共軸光学系である画像表示装置１０の虚像光学系では、上述した角Ａを、図４に示すような、プリズム１５内に配される偏光ビームスプリッタ面１６と、第１の光学平面１５ｂとのなす角、角Ｃによってさらに規定することができる。角Ｃは、偏光ビームスプリッタ面１６と、第１の光学平面１５ｂとのなす角であるため、角Ｃの値が小さければ、小さいほどプリズム１５の第１の光学平面１５ｂと、第２の光学平面１５ｃとの間隔を狭めることができるため、プリズム１５の観薄型化を実現することができる。しかし、角Ｃを際限なく、小さくすることはできず、観察者の頭部に装着して、十分な画角と、適切なアイレリーフを確保しようとした場合には、角Ｃは、ある程度の角度を保つことが要求されることになる。
【００５１】
以下に、角Ａと、角Ｃとの関係について説明をする。まず、角Ｃは、入射光学面１５ａと、第１の光学平面１５ｂとのなす角である角Ｂとの間に、（１）式で示す関係を有している。
【００５２】
Ｂ−２Ｃ＝０  ・  ・  ・  （１）
この（１）式は、入射光学面１５ａからプリズム１５内に入射し、内部全反射しながら偏光ビームスプリッタ面１６に到達した画像光を、光学平面１５ｂに垂直となるように反射して、プリズム１５外へ射出するために必要となる関係式である。
【００５３】
また、角Ｂと、角Ａとは、幾何図形的にＢ＝Ａという関係であることから、（２）式に示すような関係が成り立つ。
【００５４】
Ａ−２Ｃ＝０  ・  ・  ・  （２）
これより、角Ａは、角Ｃを用いて、（３）式に示すように規定することができる。
【００５５】
Ａ＝２Ｃ  ・  ・  ・  （３）
例えば、画像表示装置１０を、１５度程度の画角、４ｍｍ程度の瞳径、２０ｍｍ程度のアイレリーフをとるように設計した場合、角度Ｃは、最低でも２０度程度必要となる。したがって、（３）式から、角Ａは、４０程度以上の角度が要求されることになる。このように、３０度以上、９０度未満の角度範囲で規定される角度Ａは、角度Ｃ、つまりプリズム１５の形状に応じてさらに規定される。
【００５６】
続いて、画像表示装置１０が備える虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子１１に表示され、射出された画像光は、まず、リレーレンズ１２，１３，１４を介してプリズム１５に、入射光学面１５ａから入射される。
【００５７】
プリズム１５内に入射された画像光は、第１の光学平面１５ｂで１回目の内部全反射をし、続いて、第２の光学平面１５ｃで２回目の内部全反射をし、再び、第１の光学平面１５ｂで３回目の内部全反射をして、偏光ビームスプリッタ面１６に入射される。
【００５８】
偏光ビームスプリッタ面１６は、Ｓ型の直線偏光である画像光を、第１の光学平面１５ｂ方向に反射する。全反射条件がはずれた画像光は、プリズム１５外へ射出され、４分の１波長板１７に入射し、Ｓ型の直線偏光が左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光に変換された画像光は、凹面鏡１８で反射され、右回りの円偏光となり、再び、４分の１波長板１７に入射される。右回りの円偏光である画像光は、４分の１波長板１７で、Ｐ型の直線偏光に変換され、プリズム１５に入射し、偏光ビームスプリッタ面１６を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳１９に到達する。
【００５９】
このような構成の画像表示装置１０は、プリズム１５の入射光学面１５ａの光軸と、第１の光学平面１５ｂ又は第２の光学平面１５ｃの法線とのなす角Ａを、３０度以上、９０度未満と規定することで、虚像光学系の光学配置を、一直線上に並ぶことなく観察者の顔面形状に沿うように配置することができる。
【００６０】
また、プリズム１５内で内部全反射によって画像光を導光することで、反射鏡などを使用して導光させた虚像光学系よりも光利用効率を高めることができる。
【００６１】
｛第２の実施の形態｝
続いて、図５を用いて、本発明の第２の実施の形態として示す画像表示装置２０について説明をする。画像表示装置２０は、図１を用いて説明した画像表示装置１０のプリズム１５を、プリズム２１に代えた構成となっている。なお、画像表示装置２０は、画像表示装置１０のプリズム１５を、プリズム２１に代えた以外は、全く同一の構成であるため、同一個所には同一符号を付して説明を省略する。
【００６２】
プリズム２１は、プリズム１５よりも長手方向に短くなっており、画像表示素子１１から射出され、リレーレンズ１２，１３，１４を介して、入射光学面２１ａより入射された画像光が、当該プリズム２１内で中間像を形成することなく、第２の光学平面２１ｃでは内部全反射されずに、第１の光学平面２１ｂによって１回だけ内部全反射されて、偏光ビームスプリッタ面１６に入射されることになる。
【００６３】
また、上述した画像表示装置１０において規定した３０度以上、９０度未満という角Ａの角度範囲も、そのまま画像表示装置２０にも適用することができる。また、画像表示装置２０の虚像光学系も共軸光学系であることから、（３）式で示した角Ａと、角度Ｃとの関係も、同じように、画像表示装置２０の偏光ビームスプリッタ面１６と、第１の光学平面２１ｂとのなす角Ｃに適用することができる。
【００６４】
続いて、画像表示装置２０が備える虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子１１に表示され、射出された画像光は、まず、リレーレンズ１２，１３，１４を介してプリズム２１に、入射光学面２１ａから入射される。
【００６５】
プリズム２１内に入射された画像光は、第１の光学平面２１ｂで１回だけ内部全反射をし、偏光ビームスプリッタ面１６に入射される。
【００６６】
偏光ビームスプリッタ面１６は、Ｓ型の直線偏光である画像光を、第１の光学平面２１ｂ方向に反射する。全反射条件がはずれた画像光は、プリズム２１外へ射出され、４分の１波長板１７に入射し、Ｓ型の直線偏光が左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光に変換された画像光は、凹面鏡１８で反射され、右回りの円偏光となり、再び、４分の１波長板１７に入射される。右回りの円偏光である画像光は、４分の１波長板１７で、Ｐ型の直線偏光に変換され、プリズム１５に入射し、偏光ビームスプリッタ面１６を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳２２に到達する。
【００６７】
このような構成の画像表示装置２０は、プリズム２１の入射光学面２１ａの光軸と、第１の光学平面２１ｂ又は第２の光学平面２１ｃの法線とのなす角Ａを、３０度以上、９０度未満と規定することで、虚像光学系の光学配置を、一直線上に並ぶことなく観察者の顔面形状に沿うように配置することができる。
【００６８】
また、プリズム２１内で内部全反射によって画像光を導光することで、反射鏡などを使用して導光させた虚像光学系よりも光利用効率を高めることができる。
【００６９】
さらに、画像表示装置２０は、プリズム２１内での全反射を１回とし、中間像を形成しないように画像光を導光することで、画像表示装置１０と比較して、小型、軽量化することができる。
【００７０】
｛第３の実施の形態｝
続いて、図６を用いて、本発明の第３の実施の形態として示す画像表示装置３０について説明をする。画像表示装置３０は、図１を用いて説明した画像表示装置１０のプリズム１５を、プリズム３１に代えた構成となっている。なお、画像表示装置３０は、画像表示装置１０のプリズム１５を、プリズム３１に代えた以外は、全く同一の構成であるため、同一個所には同一符号を付して説明を省略する。
【００７１】
プリズム３１は、プリズム１５における、第１の光学平面１５ｂと、第２の光学平面１５ｃのように平行な平面ではなく、平行な曲面である第１の光学曲面３１ｂと、第２の光学曲面３１ｃとで、入射光学面３１ａより入射された画像光を内部全反射しながら導光するプリズムである。プリズム３１では、プリズム１５と同様に、当該プリズム３１内で中間像が形成される。
【００７２】
このようなプリズム３１を備える画像表示装置３０の虚像光学系は、画像表示装置１０のように全ての光軸が一致した共軸光学系ではなく、偏りのある光軸を有する偏心光学系となっている。画像表示装置３０は、虚像光学系に、第１の光学曲面３１ｂ、第２の光学曲面３１ｃを有するプリズム３１を用いることで、観察者の顔面形状に沿うような光学配置を実現している。
【００７３】
続いて、画像表示装置３０が備える虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子１１に表示され、射出された画像光は、まず、リレーレンズ１２，１３，１４を介してプリズム３１に、入射光学面３１ａから入射される。
【００７４】
プリズム３１内に入射された画像光は、第１の光学平面３１ｂで１回目の内部全反射をし、続いて、第２の光学平面３１ｃで２回目の内部全反射をし、再び、第１の光学平面３１ｂで３回目の内部全反射をして、偏光ビームスプリッタ面１６に入射される。
【００７５】
偏光ビームスプリッタ面１６は、Ｓ型の直線偏光である画像光を、第１の光学曲面３１ｂ方向に反射する。全反射条件がはずれた画像光は、プリズム３１外へ射出され、４分の１波長板１７に入射し、Ｓ型の直線偏光が左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光に変換された画像光は、凹面鏡１８で反射され、右回りの円偏光となり、再び、４分の１波長板１７に入射される。右回りの円偏光である画像光は、４分の１波長板１７で、Ｐ型の直線偏光に変換され、プリズム３１に入射し、偏光ビームスプリッタ面１６を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳３２に到達する。
【００７６】
このような構成の画像表示装置３０は、第１の光学曲面３１ｂ、第２の光学曲面３２ｂを有するプリズム３１を備えることで、虚像光学系の光学配置を、一直線上に並ぶことなく観察者の顔面形状に沿うように配置することができる。
【００７７】
また、プリズム３１内で内部全反射によって画像光を導光することで、反射鏡などを使用して導光させた虚像光学系よりも光利用効率を高めることができる。
【００７８】
｛第４の実施の形態｝
続いて、図７を用いて、本発明の第４の実施の形態として示す画像表示装置４０について説明をする。画像表示装置４０は、図６を用いて説明した画像表示装置３０のプリズム３１を、プリズム４１に代えた構成となっている。なお、画像表示装置４０は、画像表示装置３０のプリズム３１を、プリズム４１に代えた以外は、全く同一の構成であるため、同一個所には同一符号を付して説明を省略する。
【００７９】
プリズム４１は、プリズム３１よりも長手方向に短くなっており、画像表示素子１１から射出され、リレーレンズ１２，１３，１４を介して、入射光学面４１ａより入射された画像光が、当該プリズム４１内で中間像を形成することなく、第２の光学平面４１ｃでは内部全反射されずに、第１の光学平面４１ｂによって１回だけ内部全反射されて、偏光ビームスプリッタ面１６に入射されることになる。
【００８０】
このようなプリズム４１を備える画像表示装置４０の虚像光学系は、画像表示装置３０と同様に、偏りのある光軸を有する偏心光学系となっている。画像表示装置４０は、虚像光学系に、第１の光学曲面４１ｂ、第２の光学曲面４１ｃを有するプリズム４１を用いることで、観察者の顔面形状に沿うような光学配置を実現している。
【００８１】
続いて、画像表示装置４０が備える虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子１１に表示され、射出された画像光は、まず、リレーレンズ１２，１３，１４を介してプリズム４１に、入射光学面４１ａから入射される。
【００８２】
プリズム４１内に入射された画像光は、第１の光学平面４１ｂで１回だけ内部全反射され、偏光ビームスプリッタ面１６に入射される。
【００８３】
偏光ビームスプリッタ面１６は、Ｓ型の直線偏光である画像光を、第１の光学平面４１ｂ方向に反射する。全反射条件がはずれた画像光は、プリズム４１外へ射出され、４分の１波長板１７に入射し、Ｓ型の直線偏光が左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光に変換された画像光は、凹面鏡１８で反射され、右回りの円偏光となり、再び、４分の１波長板１７に入射される。右回りの円偏光である画像光は、４分の１波長板１７で、Ｐ型の直線偏光に変換され、プリズム４１に入射し、偏光ビームスプリッタ面１６を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳４２に到達する。
【００８４】
このような構成の画像表示装置４０は、第１の光学曲面４１ｂ、第２の光学曲面４２ｂを有するプリズム４１を備えることで、虚像光学系の光学配置を、一直線上に並ぶことなく観察者の顔面形状に沿うように配置することができる。
【００８５】
また、プリズム４１内で内部全反射によって画像光を導光することで、反射鏡などを使用して導光させた虚像光学系よりも光利用効率を高めることができる。
【００８６】
なお、第１乃至第４の実施の形態として示した画像表示装置１０，２０，３０，４０がそれぞれ備えるプリズム１５，２１，３１，４１の入射光学面１５ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａを平面として記載しているが、これを非球面化することで、収差特性を向上させた構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施の形態として示す画像表示装置の構成について説明するための図である。
【図２】同画像表示装置の使用形態について示した図である。
【図３】同画像表示装置が備えるプリズムに画像光が入射する際の角度について説明するための図である。
【図４】同画像表示装置が備えるプリズムに画像光を入射する際の角度が、プリズムの形状に応じて、さらに規定される場合について説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態として示す画像表示装置の構成について説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態として示す画像表示装置の構成について説明するための図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態として示す画像表示装置の構成について説明するための図である。
【図８】従来の技術として示す画像表示装置が備える第１の虚像光学系について説明するための図である。
【図９】従来の技術として示す画像表示装置が備える第２の虚像光学系について説明するための図である。
【図１０】従来の技術として示す画像表示装置が備える第３の虚像光学系について説明するための図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０，２０，３０，４０  画像表示装置、１１  画像表示素子、１２，１３，１４  リレーレンズ、１５，２１，３１，４１  プリズム、１６  偏光ビームスプリッタ面、１７  ４分の１波長板、１８  凹面鏡
【図１】
2005250408.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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