(57)【要約】【課題】  シンプルでコンパクトな構成でありながら、広画角な観察画像が得られる画像表示光学系を実現する。    【解決手段】  原画を形成する画像形成素子６と、該画像形成素子により変調されて原画の虚像を形成する光を観察者の片眼に導く光学素子８とをそれぞれ備えた左眼用光学系１および右眼用光学系２を有する。左眼用および右眼用光学系は、左眼用および右眼用光学系の画像形成素子にそれぞれ、互いに同一の部分ＯＩ１，ＯＩ１’と同一でない部分ＯＩ２，ＯＩ２’とを有する左眼用原画および右眼用原画が形成されたときに、左眼用原画および右眼用原画のうち上記同一の部分の虚像のみが相互に重なって観察されるよう画像形成素子からの光を観察者の眼に導き、かつ左右対称に配置されている。    【選択図】  図１
2005049690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画を形成する画像形成素子と、該画像形成素子により変調されて前記原画の虚像を形成する光を観察者の片眼に導く光学素子とをそれぞれ備えた左眼用光学系および右眼用光学系を有し、
前記左眼用および右眼用光学系は、前記左眼用および右眼用光学系の画像形成素子にそれぞれ、互いに同一の部分と同一でない部分とを有する左眼用原画および右眼用原画が形成されたときに、前記左眼用原画および右眼用原画のうち前記同一の部分の虚像のみが相互に重なって観察されるよう前記画像形成素子からの光を観察者の眼に導き、かつ左右対称に配置されていることを特徴とする画像表示光学系。
【請求項２】
前記左眼用および右眼用光学系は、前記画像形成素子からの光を左右方向に進行させて観察者の眼に導くことを特徴とする請求項１に記載の画像表示光学系。
【請求項３】
前記左眼用および右眼用光学系は、前記画像形成素子を内側として相互に左右対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示光学系。
【請求項４】
前記左眼用および右眼用光学系は、前記左眼用および右眼用光学系の画像形成素子にそれぞれ、前記左眼用原画および右眼用原画が、これら原画のうち前記同一の部分の中心が前記画像形成素子の中心よりも内側に位置するように形成され、かつ前記同一でない部分が前記同一の部分の外側に形成されたときに、前記同一の部分の虚像のみが相互に重なって観察されるよう前記画像形成素子からの光を左右方向に進行させて観察者の眼に導くことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示光学系。
【請求項５】
前記画像形成素子が反射型の画像形成素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示光学系。
【請求項６】
前記左眼用および右眼用光学系はそれぞれ、光源と、該光源からの光を反射して前記画像形成素子に導く第１の光学素子と、前記画像形成素子により変調されて前記原画の虚像を形成する光を観察者の片眼に導く第２の光学素子とを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像表示光学系。
【請求項７】
前記左眼用および右眼用光学系は、前記光源を内側として相互に左右対称となるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の画像表示光学系。
【請求項８】
前記第１の光学素子は、光学媒質により満たされたプリズム状の素子であり、
前記光源からの光を透過する第１面と、該第１面からの光を前記画像形成素子の方向に反射するとともに前記画像形成素子からの光を前記第２の光学素子に向けて透過する第２面と、該第２面からの光を透過して前記画像形成素子に入射させ、かつ前記画像形成素子で反射して前記第２面に向かう光を透過する第３面とを有し、
前記第２面のうち、前記光源からの光を前記画像形成素子上の前記原画の前記同一でない部分に向けて光を反射する領域に、前記画像形成素子上における前記原画の前記同一の部分に向けて光を反射する領域から離れるにしたがって光吸収率が増加する光吸収部材が設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の画像表示光学系。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１つに記載の画像表示光学系と、
入力された画像情報に応じて前記左眼用および右眼用光学系の画像形成素子に前記左眼用および右眼用原画をそれぞれ形成させる駆動回路とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の画像表示装置と、前記駆動回路に画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイなどの画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘッドマウントディスプレイなどの画像表示装置においては、装置全体を小型化するための光学系が様々提案されている。例えば、特許文献１には、すべて非回転対称の第１、第２、第３の面で構成されるプリズム形状の光学素子であって、１つの対称面に対して対称な形状を有する光学素子を用い、ＬＣＤ等の画像形成素子に形成された原画を拡大した虚像として表示する光学系が提案されている。
【０００３】
このようなプリズム形状の光学素子を用いることにより、非常にコンパクトでかつ簡単な構成で、像の歪み（ディストーション）、像面湾曲、非点収差を良好に補正することができ、表示面に対してテレセントリック条件を満たすことができる。
【０００４】
また、図１５に示す特許文献２にて提案の画像表示光学系では、画素開口が大きくできる反射型液晶ディスプレイを用いることにより、高精細な画像を得ることができるようにしている。この画像表示光学系では、光源１１２からの光線１１３を反射型液晶ディスプレイパネル１０８に入射させ、該液晶ディスプレイパネル１０８に形成された原画をプリズム形状の光学素子１１０によって虚像として拡大表示して、観察者の眼１０１に導く。
【０００５】
また、同特許文献には、図１６に示す画像表示光学系も提案されている。この画像表示光学系では、プリズム形状の光学素子２０４に対して反射型液晶ディスプレイパネル２０８とは反対の側に光源２１２を設け、光学素子２０４内を通した照明光２１３で液晶ディスプレイパネル２０８を照明し、パネル２０８で反射された光を再び光学素子２０４内を通して観察者の眼２０１に導く。
【０００６】
さらに、画角を広くとれるヘッドマウントディスプレイ用の画像表示光学系は特許文献３にも開示されている。この画像表示光学系では、図１９に示すように、左眼側の画像生成装置３２９と右眼側の画像生成装置３２７とがそれぞれ、左右の表示光学系３３５，３３７から離れた位置に設けられており、各画像生成装置は中央領域で同一の画像部分を表示し、中央以外の領域で各画像にしか表示されない画像部分を表示することにより、画像全体としては従来のヘッドマウントディスプレイよりも広画角の表示を可能としている。
【特許文献１】特開平７−３３３５５１号公報（段落0010〜0034、図６等）
【特許文献２】特開平１１‐１２５７９１号公報（段落0015〜0040、図1等）
【特許文献３】米国特許５，２３３，４５８（Ｆｉｇ．4等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１５に示す画像表示光学系では、反射型液晶ディスプレイパネルを照明する光源からの光線を直接この液晶ディスプレイパネルに入射させているため、光源からの光線と該液晶ディスプレイパネルの光軸とのなす角が大きくなる。このため、表示装置全体が大型化してしまう。しかも、液晶ディスプレイパネルが表示光学系に対して大きく傾くので、表示光学系から液晶ディスプレイまでの距離が場所によって異なり、光学性能が低下する問題があった。
【０００８】
また、図１６に示す画像表示光学系では、プリズム形状の光学素子の各面で光源からの光が反射し、液晶ディスプレイパネルを照明しない光も眼に入ってしまい、不要なフレアが発生するという問題がある。また、プリズム形状の光学素子単体を用いて画像を表示させているため、画角を大きくするのが困難である。
【０００９】
また、図１９に示す画像表示光学系では、画像生成装置が表示光学系から離れた位置に配置され、表示光学系はヘルメット形状の固定部材３２１によって眼の直前に保持されており、大きくて扱いにくいという問題がある。
【００１０】
そこで本発明は、極めてシンプルでコンパクトな構成でありながら、広画角な観察画像が得られる画像表示光学系であり、しかもパーソナルコンピュータなどのから出力される高精細な画像の表示に好適な画像表示光学系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示光学系は、原画を形成する画像形成素子と、該画像形成素子により変調されて原画の虚像を形成する光を観察者の片眼に導く光学素子とをそれぞれ備えた左眼用光学系および右眼用光学系を有する。左眼用および右眼用光学系は、左眼用および右眼用光学系の画像形成素子にそれぞれ、互いに同一の部分と同一でない部分とを有する左眼用原画および右眼用原画が形成されたときに、左眼用原画および右眼用原画のうち上記同一の部分の虚像のみが相互に重なって観察されるよう画像形成素子からの光を観察者の眼に導き、かつ左右対称に配置されている。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、簡単でコンパクトな構成でありながらも、大きな水平画角が得られる画像表示光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施例１）
図１には、本発明の実施例１であるヘッドマウントディスプレイ（画像表示装置）に用いられる画像表示光学系の全体構成を上から見た様子を示している。
【００１４】
１は左眼用光学系であり、２は右眼用光学系である。３はＲＧＢの３色の光を発する光源、４は第１の偏光板、５は照明プリズム（第１の光学素子）、６は画像形成素子としての反射型液晶ディスプレイパネルである。また、７は第２の偏光板、８はプリズムレンズ（第２の光学素子）、９ａは観察者の左眼、９ｂは観察者の右眼である。
【００１５】
左眼用光学系１と右眼用光学系２とは互いに同一の構成を有し、照明プリズム５およびプリズムレンズ８の形状も同じである。
【００１６】
そして、左眼用光学系１と右眼用光学系２は、図１に示すように、左右の眼９と同じ高さに、光源３が左右方向の内側となるように（互いに近付くように）左右対称に配置されている。すなわち、左眼用光学系１と右眼用光学系２におけるプリズムレンズ８は、光源３、照明プリズム５および反射型液晶ディスプレイパネル６よりも外側に位置する。なお、図示はしないが、左眼用光学系１と右眼用光学系２はメガネ型に形成された保持部材１９によって、左眼用及び右眼用のプリズムレンズ８，８が左眼９ａと右眼９ｂの前にそれぞれ位置するように観察者の頭部に装着されている。
【００１７】
反射型液晶ディスプレイパネル６には、保持部材１９によって保持された駆動回路１８が接続されており、駆動回路１８にはケーブルを介してパーソナルコンピュータ、ビデオプレーヤー、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置２０が接続されている。駆動回路１８には画像情報供給装置２０から左眼用および右眼用光学系１，２の反射型液晶ディスプレイパネル６，６に左眼用原画および右眼用原画を形成させるための画像情報が供給される。なお、左眼用原画と右眼用原画については後述する。
【００１８】
また、駆動回路１８は、反射型液晶ディスプレイパネル６にＲＧＢ各色に対応した原画をフィールドシーケンシャルで形成させ、原画の切り換えに同期して光源３の色も切り換える。これにより、色毎の画素ずれがない高画質なカラー画像を表示することができる。
【００１９】
また、反射型液晶ディスプレイパネル６としては、シリコン基板上にＴＮ液晶を設けたものや、強誘電液晶を用いたものを使用することができる。さらに、画像形成素子としては、反射型液晶ディスプレイパネル６に限らず、微小ミラーアレイを駆動するミラーパネルなど高速で原画を形成できるものを使用することができる。ミラーパネルを用いる場合は第１および第２の偏光板４，７は不要である。
【００２０】
左眼用光学系１と右眼用光学系２のそれぞれにおいて、光源３から発せられた光は、第１の偏光板４を通り、照明プリズム５の第１面１０を透過して、第２面１１で反射し、第３面１２を透過して反射型液晶ディスプレイパネル６に入射する。反射型液晶ディスプレイパネル６に入射した光線は、該パネル６内の反射面で反射されるとともに、該パネル６上に形成された原画に応じて変調されて画像光としてパネル６から射出する。
【００２１】
反射型液晶ディスプレイパネル６から射出した画像光は、照明プリズム５の第３面１２を再び透過し、第２面１１を透過して第２の偏光板７を通り、プリズムレンズ８に至る。
【００２２】
照明プリズム５は、プリズムレンズ８と反射型液晶ディスプレイパネル６との間に配置され、プリズムレンズ８側の第２面１１とパネル６側の第３面１２とが所定の鋭角をなすようにに構成されている。この照明プリズム５における第２および第３面１１，１２の間で、照明光と画像光は一部同じ領域を通っている。このように、照明プリズム５内において光源３から反射型液晶ディスプレイパネル６に向かう照明光と画像光とが一部同じ領域を通るようにすることで、照明系の大幅な小型化が図られている。
【００２３】
プリズムレンズ８は３つの光学面を有する。反射型液晶ディスプレイパネル６で反射され、照明プリズム５を透過した光は、プリズムレンズ８の第１面１３を透過して、第２面１４および第３面１５と順次反射し、第２面１４を透過して観察者の眼９ａ（又は９ｂ）に至る。
【００２４】
プリズムレンズ８は、２つの反射面（第２面１４および第３面１５）と２つの透過面（第１面１３および第２面１４）を有し、これら光学面のうち少なくとも１面は、回転対称軸を有さない回転非対称面（自由曲面）である。このプリズムレンズ８の少なくとも１つの光学面が回転非対称面であることにより、諸収差を良好に補正した高品位の画像を表示することができる。
【００２５】
なお、プリズムレンズとしては、少なくとも２つの反射面と２つの透過面とを有し、これら光学面のうち少なくとも１面が回転非対称面であればよい。
【００２６】
ここで、左眼用および右眼用の反射型液晶ディスプレイパネル６に形成される左眼用原画と右眼用原画について説明する。左眼用の反射型液晶ディスプレイパネル６に形成される左眼用原画は、図１に拡大して示すように、左右方向の内側に形成される第１の原画部分ＯＩ１と、この第１の原画部分ＯＩ１よりも外側（左側）に形成される第２の原画部分ＯＩ２とを有する。
【００２７】
また、右眼用の反射型液晶ディスプレイパネル６に形成される右眼用原画は、左右方向の内側に形成される第１の原画部分ＯＩ１’と、この第１の原画部分ＯＩ１よりも外側（右側）に形成される第２の原画部分ＯＩ２’とを有する。
【００２８】
つまり、左眼用光学系１の反射型液晶ディスプレイパネル６に形成される第１の原画部分ＯＩ１の中心ＯＣは、該反射型液晶ディスプレイパネル６の中央よりも右眼側に平行移動した位置にあり、右眼用光学系２の反射型液晶ディスプレイパネル６に形成される第１の原画部分ＯＩ１’の中心ＯＣ’は、該反射型液晶ディスプレイパネル６の中央よりも左眼側に平行移動した位置にある。
【００２９】
左眼用原画の第１の原画部分ＯＩ１と右眼用原画の第１の原画部分ＯＩ１’とは互いに同一の画像であり、左眼用原画の第２の原画部分ＯＩ２と右眼用原画の第２の原画部分ＯＩ２’とは、第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’とは異なる（但し、それぞれ第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の画像と連続した）画像であるとともに、互いに異なる画像である。
【００３０】
具体的には、例えばこのヘッドマウントディスプレイによって観察したい１つの画像（画像情報供給装置２０から供給される１コマ分の画像情報に対応した画像）があるときに、駆動回路１８の画像分離機能により、該画像のうち右側端部近くの画像部分を除いた画像部分に対応した左眼用原画を、左眼用光学系１の反射型液晶ディスプレイパネル６上に、その中心（第１の原画部分ＯＩ１の中心ＯＣに一致する）を上記のようにシフトさせて形成させ、該画像のうち左側端部近くの画像部分を除いた画像部分に対応した右眼用原画を、右眼用光学系２の反射型液晶ディスプレイパネル６上に、その中心（第１の原画部分ＯＩ１’の中心ＯＣ’に一致する）を上記のようにシフトさせて形成させる。
【００３１】
図３には、左眼用および右眼用光学系１，２により左右の眼９ａ，９ｂに画像光を導くことによって、観察者２２の前方２０００ｍｍに相当する位置に表示される画像（虚像）を示している。この図から分かるように、左眼用および右眼用光学系１，２のプリズムレンズ８，８はそれぞれ、図に示すように、左眼用および右眼用原画の第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の虚像Ｉ１，Ｉ１’が完全に重なって観察される（見える）ように、左眼用および右眼用の反射型液晶ディスプレイパネル６からの画像光をそれぞれ左眼９ａおよび右眼９ｂに導く。図３中のＣ，Ｃ’は第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の中心ＯＣ，ＯＣ’の虚像位置であり、両者は完全に一致している。
【００３２】
一方、左眼用および右眼用光学系１，２のプリズムレンズ８，８は、左眼用および右眼用原画の第２の原画部分ＯＩ２，ＯＩ２’の虚像Ｉ２，Ｉ２’が、第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の虚像Ｉ１，Ｉ１’よりも左方外側および右方外側に別れてオーバーラップせずに、かつ拡大されて観察されるように、左眼用および右眼用の反射型液晶ディスプレイパネル６からの画像光をそれぞれ左眼９ａおよび右眼９ｂに導く。これにより、左眼用原画の虚像と右眼用原画の虚像とにより形成される全体の水平方向（左右方向）画角は、両虚像が完全に重なる場合に比べて大きくなる。
【００３３】
図２を用いてさらに詳しく説明すると、左眼用原画の虚像と右眼用原画の虚像とが完全に重ね合わさる場合は、プリズムレンズ８の水平方向の全画角は、両虚像が完全に重ね合わさるときの光源３から観察者の眼９ａ（又は９ｂ）に至る光束の中心線である主光軸２１に対して左右に等しい画角を持つ。
【００３４】
これに対し、第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の画像だけ重ね合わせる本実施例の場合は、図２中に点線で示すように、プリズムレンズ８の水平方向の全画角は主光軸２１に対して左右方向の外側にシフトし、主光軸２１よりも外側の画角が内側の画角より小さくなる。さらに、左眼用および右眼用原画の虚像が完全に重ね合わさる場合に比べて、主光軸２１よりも外側の画角が大きくなった角度が内側の画角が小さくなった角度よりも大きい。つまり、水平画角をプリズムレンズ８の光源３に近い側よりも光源３から遠い側により大きくとれる。したがって、左眼用および右眼用原画の虚像が完全に重ね合わさる場合に比べて、画角全体を左右方向に拡大することができる。
【００３５】
さらに、図２中に一点鎖線枠２５で囲んだ部分に示すように、照明プリズム５の第２面１１において、反射型液晶ディスプレイパネル６の第１の原画部分ＯＩ１（又はＯＩ１’）に入射する光線（照明光）が反射する領域Ｐは、両虚像が完全に重ね合わさるときの該光線が反射する領域Ｐ’に比べて、図中の矢印方向に示す、原画の外側端部に入射する光線が反射する位置側にシフトするとともに、その幅も小さくなる。このため、第２面１１の大きさを小さくすることができ、照明プリズム５を、特に前後方向の厚みを薄くして、小型化することができる。
【００３６】
また、図４に示すように、照明プリズム５の第２面１１には、光源３からの光を反射型液晶ディスプレイパネル６上の第２の原画部分ＯＩ２（又はＯＩ２’）に向けて反射する外側領域に、光源３からの光を反射型液晶ディスプレイパネル６上の第１の原画部分ＯＩ１（又はＯＩ１’）に向けて反射する内側領域から離れるにしたがって徐々に厚さが厚くなるように、つまりは徐々に光吸収率が高くなるように光吸収部材２８を設けている。
【００３７】
このため、反射型液晶ディスプレイパネル６上の第２の原画部分ＯＩ２（又はＯＩ２’）に入射する光源３からの光の強さが外側ほど弱くなり、図３に示した表示画像のうち第２の原画部分ＯＩ２，ＯＩ２’の虚像部分も外側ほど暗くなる。これにより、観察者の主たる観察画像となる第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の虚像は明るく、かつ主たる観察画像ではない第２の原画部分ＯＩ２，ＯＩ２’の虚像は外側ほど暗くなるように表示することができ、観察者に違和感なく大画面画像を観察させることができる。
【００３８】
図５には、反射型液晶ディスプレイパネル６の入射側と射出側にそれぞれ設けた第１および第２の偏光板４，７の作用を示している。光源３からの無偏光の光３０は、第１の偏光板４によって第１の偏光方向３１に揃えられ、照明プリズム５の第２面１１で反射され、照明プリズム５の第３面１２を透過して、反射型液晶ディスプレイパネル６に入射する。該パネル６に入射した偏光光３２は該パネル６で原画に応じた変調を受け、第１の偏光方向に対して９０°の変調を受けた光（画像光）３３は第２の偏光板７を透過し、変調を受けない光は第２の偏光板７で吸収される。
【００３９】
第２の偏光板７を透過した画像光３３は、前述したように、プリズムレンズ８を介して観察者の眼に導かれる。このように、本実施例の画像表示光学系を構成する左眼用光学系１と右眼用光学系２のプリズムレンズ８は、反射型液晶ディスプレイパネル６に形成された原画の拡大された虚像を観察者の眼に導く。
【００４０】
なお、本実施例では、第１および第２の偏光板４，７を１ｍｍ以上、反射型液晶ディスプレイパネル６から離しており、図６に示すように、太陽光３４が観察者の眼９ａ，９ｂ側から入射しても、偏光板４，７上に焦点を結ばないようにしている。
【００４１】
これにより、偏光板４，７が太陽光により加熱されたり、加熱された偏光板４，７の影響で反射型液晶ディスプレイパネル６が誤動作したりすることを防ぐことができる。
【００４２】
このように本実施例では、光源３と、第１の偏光板４と、照明プリズム５と、反射型液晶ディスプレイパネル６と、第２の偏光板７と、プリズムレンズ８とからなる光学系１，２を２つ左右方向（水平方向）に、光源３が内側となるように（図１に示すように、光源３が観察者の鼻の上方に位置するように）左右対称に配置し、光学系１，２をそれぞれ光源３から左右方向に光を進行させて観察者の眼９ａ，９ｂにすることにより、頭部（眼の前）にメガネのように装着されるヘッドマウントディスプレイを最もコンパクトにまとめることができる。  しかも、前述したように照明プリズム５を小型化することができるので、画像表示光学系の全体、つまりはヘッドマウントディスプレイ全体の小型化を図ることができる一方、大きな水平画角を得ることができる。
【００４３】
すなわち、左眼用および右眼用光学系を同一の構成とした簡単で、かつコンパクトな構成でありながらも、大きな水平画角が得られる画像表示光学系を実現することができる。
なお、左右の反射型液晶ディスプレイパネル６，６における第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の中央側の端部を、駆動回路１８により電気的に左右方向に移動させることにより、左右の第１の原画部分ＯＩ１，ＯＩ１’の虚像がオーバーラップして観察される幅を変更できるようにしてもよい。
【００４４】
ここで、図７に示すように、ψを光源３からの観察者の眼９ａ，９ｂに至る光束に含まれる光線が照明プリズム５の第１面１０を透過して第２面（反射面）１１で反射するときの第２面１１に対する該光線の入射角とし、ｎを照明プリズム５の屈折率とするとき、
sinψ≧１／ｎ    …（１）
を満足するようにすれば、反射率が１００％となり、効果的に反射型液晶ディスプレイパネル６を照明することができる。
【００４５】
但し、照明プリズム５への光線の入射角度ψが光線により異なるようなときは、最も入射角が小さい光線の反射率を以下の式を満足するように照明プリズム５を構成してもよい。
【００４６】
Ｒ≧０．５      …（２）
ここでＲは、照明光の照明プリズム５の反射面での反射率である。
【００４７】
図１７に示すように、光線の射出角をψ’とすると、スネルの法則により、
ｎ・sinψ＝sinψ’    …（３）
が成り立ち、このψ’を用いて、光線の反射率がＲである、図の紙面に平行な偏光成分（Ｐ偏光）ＲＰ  と、図の紙面に垂直な偏光成分（Ｓ偏光）ＲＳ  は次のように表される。
【００４８】
【数１】
2005049690.tif 000003
【００４９】
ここで、屈折率ｎを１．５２（照明プリズム５の材質Ｓ−ＢＳＬ７）とすると、入射角と反射率との関係は図１８で示され、この反射率が５０％以上となるように照明プリズム５の反射面での入射角度を決めればよい。
【００５０】
特に、反射面に入射する光の偏光方向をＳ偏光にすることにより、光線の反射率をＰ偏光よりも高くでき、照明プリズム５の反射面での入射角度の許容範囲を広くすることができるのでなおよい。
【００５１】
また、照明プリズム５の材料として、光学ガラスなどの複屈折性の低い材料を使用することにより、照明プリズム５内を透過する光線に偏光の旋回が生じることを抑制できる。
【００５２】
また、複屈折性が残存する材料でも、第２の偏光板７を射出した光の強度に関し、照明プリズム５からの照明光により照明された反射型液晶ディスプレイパネル６が白を表示したときの強度と黒を表示したときの強度の比が５０：１以上であれば実質的に使用上問題がない。
【００５３】
また、照明プリズム５を安価に製造するために、該照明プリズム５にレンズ作用を持たせるときは成形で製作するほうが容易である。
【００５４】
また、光源３からの光線が反射される照明プリズム５の反射面において、該反射面に対する光線の入射角が、
Ｒ≧０．９        …（５）
の条件を満たさない少なくとも一部の領域に対して、図８に示すように反射膜３５を設けると、照明プリズム５で反射する光の入射角の範囲を広くできるのでよい。
【００５５】
さらに、反射型液晶ディスプレイパネル６を照明プリズム５に固着し、図１に示した保持部材１９に保持された状態で照明プリズム５と一体で左右方向に移動可能にするとよい。これにより、反射型液晶ディスプレイパネル６の照明プリズム５に対する光学的配置を変えることなく、反射型液晶ディスプレイパネル６をプリズムレンズ８に対して位置調整することができるため、光学性能に影響なく観察者に応じたいわゆる眼幅調整を行うことができる。
【００５６】
また、図１０に示すように、照明プリズム５（プリズムレンズ８も同様）の各面に反射防止処理を施すことにより、本来光が反射すべきでない面での反射を防止して、フレアやゴーストの発生を抑制するようにしてもよい。
【００５７】
具体的には、照明プリズム５の側面を拡散面とした上で光吸収性を有する黒色塗料３８を塗布することにより、照明プリズム５の側面に入射した光線は該拡散面で拡散され、さらに黒色塗料３８で吸収されて、乱反射が防止される。
【００５８】
また、図１１に示すように、照明プリズム５やプリズムレンズ８の側面を研磨面とし、ここに蒸着等によって反射防止膜３９を設けてもよい。これにより、照明プリズム５等の側面に入射する光線は研磨面を透過し、照明プリズム５の内側に反射することが防止できる。
【００５９】
（実施例２）
図１２には、本発明の実施例２であるヘッドマウントディスプレイ（画像表示装置）に用いられる画像表示光学系のうち右眼用光学系２’の構成を上から見た様子を示している。
【００６０】
本実施例では、実施例１のように、第１の偏光板４で決まる偏光光をそのまま反射型液晶ディスプレイパネル６に入射させるのではなく、位相板３６を照明プリズム５と反射型液晶ディスプレイパネル６との間に配置している。位相板３６の作用により、反射型液晶ディスプレイパネル６に入射する照明光の偏光方向を該パネル６に最適な方向に変換する。
【００６１】
（実施例３）
図１３には、本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイ（画像表示装置）に用いられる画像表示光学系のうち右眼用光学系２”の構成を上から見た様子を示している。
【００６２】
本実施例では、第２の偏光板７とプリズムレンズ８との間に１／４位相板３７を配置している。このとき、反射型液晶ディスプレイパネル６からの画像光は、第２の偏光板７を透過して直線偏光の光となった後、１／４位相板３７によって円偏光もしくは楕円偏光になってプリズムレンズ８に入射することになる。これにより、プリズムレンズ８に入射する光は、直線偏光ではなくなるために、プリズムレンズ８の内部での複屈折の影響が少なくなる。
【００６３】
（実施例４）
実施例１にて説明した左右の反射型液晶ディスプレイパネル６，６に、左右方向に視差をつけた左眼用原画および右眼用原画を表示させ、観察画像において左右の原画の虚像がオーバーラップして観察される中央の画像部分の立体視を可能としてもよい。
【００６４】
この場合、観察画像の両外側の画像がオーバーラップしない領域では、異なる画像がそれぞれ表示されるため、この領域の画像を立体視することはできないが、観察画像全体の中での両外側の部分が立体視できなくても、観察者に特に違和感を生じさせることはないと考えられる。
【００６５】
（実施例５）
図１４には、本発明の実施例５であるヘッドマウントディスプレイ（画像表示装置）に用いられる画像表示光学系のうち右眼用光学系４２の構成を上から見た様子を示している。
【００６６】
本実施例では、照明プリズム５と反射型液晶ディスプレイパネル６との間に偏光板４０が配置されている。反射型液晶ディスプレイパネル６に入射する照明光は、偏光板４０によって第１の偏光方向に変えられ、該反射型液晶ディスプレイパネル６で反射した画像光は該偏光板４０によって第１の偏光方向と同じ偏光方向の偏光光となる。
【００６７】
（数値実施例）
次に、本発明の数値実施例を示す。
【００６８】
上記各実施例で説明した光学系は、光学面として偏心面を有するので、光学系の形状を表すために絶対座標系とローカル座標系とを設定する。図２０は絶対座標系とローカル座標系の説明図である。
【００６９】
絶対座標系の原点は、観察者の望ましき瞳孔位置の中心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、図２０の面上にある。
【００７０】
Ｙ軸は、原点Ｏを通り、図２０の面上でＺ軸に対して反時計回り方向に９０°の角度をなす直線である。
【００７１】
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。
【００７２】
ローカル座標の原点Ｏｉは、絶対座標（ｄＸｉ，ｄＹｉ，ｄＺｉ）で光学面毎に設定する。
【００７３】
ローカル座標のＺ軸は、ＹＺ面内で原点Ｏｉを通り、絶対座標系のＺ軸と角度（Tilt ｉ） をなす直線である。ここで、Tilt ｉ は、ローカル座標のＺ軸が、原点Ｏｉを通って絶対座標系のＺ軸に平行な直線に対して反時計回り方向に角度をなすときに正とする。
【００７４】
ローカル座標のＹ軸は原点Ｏｉを通りローカル座標のＺ軸に対して反時計回りに９０°の角度をなす直線である。ローカル座標のＸ軸は原点Ｏｉを通り、ローカル座標のＹ軸及びＺ軸に直交する直線である。各光学面の形状はこのローカル座標で表す。
【００７５】
本発明の数値実施例１として、各光学面が、２次曲面を表す形状関数にＸＹポリノミアル多項式による非球面を付加した形状をしており、以下に示す関数により表される場合を表１に示す。
【００７６】
【数２】
2005049690.tif 000004
【００７７】
ここで、ｒは各面の基本曲率半径であり、ｃは頂点での曲率である。また、ｃ  ｉは各面におけるｉ番目のＸＹポリノミアル多項式の非球面係数である。さらに、ωは半画角である。
〈表１〉
fx = 20.0 mm , fy = 20.8 mm
ωx = 10.7 deg , ωy1 =  8.6 deg , ωy2 = -19.6 deg
prism  n = 1.570
S1   r  :∞       d :33.97   n : 1.0000
S2    dY -16.63   dZ  33.97    Tilt   9.92
r  :∞
c3 : 0.000e+00     c4 :-7.465e-04     c6 : 1.104e-03
c8 :-2.547e-05     c10: 3.173e-05     c11:-3.019e-06
c13:-1.120e-06     c15:-3.025e-07     c17: 3.856e-07
c19:-7.125e-08     c21:-1.453e-09     c22: 7.006e-09
c24:-2.906e-08     c26:-1.509e-09     c28:-4.019e-11
S3    dY   9.19   dZ  44.22    Tilt -13.73
r :∞
c3 : 0.000e+00     c4 :-9.737e-03     c6 :-6.515e-03
c8 :-5.583e-05     c10:-1.662e-05     c11:-8.969e-07
c13: 3.292e-07     c15: 3.004e-07     c17: 1.374e-07
c19:-4.313e-08     c21:-7.971e-09     c22: 6.389e-09
c24: 4.916e-09     c26:-2.060e-09     c28:-9.808e-11
S4    dY -16.63   dZ  33.97    Tilt   9.92
r :∞
c3 : 0.000e+00     c4 :-7.465e-04     c6 : 1.104e-03
c8 :-2.547e-05     c10: 3.173e-05     c11:-3.019e-06
c13:-1.120e-06     c15:-3.025e-07     c17: 3.856e-07
c19:-7.125e-08     c21:-1.453e-09     c22: 7.006e-09
c24:-2.906e-08     c26:-1.509e-09     c28:-4.019e-11
S5    dY  16.79   dZ  37.38    Tilt  64.67
r :∞
c3 : 0.000e+00     c4 :-2.264e-02     c6 :-7.713e-04
c8 :-4.672e-04     c10: 3.242e-04     c11: 2.713e-06
c13: 2.131e-05     c15:-6.094e-05     c17:-6.685e-06
c19:-3.541e-06     c21: 3.827e-06     c22: 0.000e+00
c24: 0.000e+00     c26: 0.000e+00     c28: 0.000e+00
S6    dY  18.26   dZ  37.33    Tilt  59.92
S6   r  :∞              d : 0.00   n : 1.0000
S7    dY  18.26   dZ  37.33    Tilt  60.35
S7   r  :∞              d : 4.29   n : 1.5163
S8    dY  21.97   dZ  39.48    Tilt  34.26
S8   r  :∞              d : 0.36   n : 1.0000
S9    dY  22.31   dZ  39.61    Tilt  34.26
S9   r  :∞              d : 0.00   n : 1.0000
S10   r  :∞              d : 1.76   n : 1.5230
S11   r  :∞              d : 0.00   n : 1.0000
ここで、Ｓｉ（ｉ＝１〜１１）は、図２０に示すように、プリズムレンズの３つの面、照明プリズムの２つの面、反射型液晶ディスプレイパネルの像面を示す。また、ｆはプリズムレンズの焦点距離に相当する値で、観察者の眼からの逆トレースにおいて、無限遠物体からの入射光の入射角度θと、その光線がパネルで結像する像高ｙｍ  から、
ｆ＝ｙｍ  ／tan（θ）
として算出したものであり、ここでは単に焦点距離と呼ぶこととする。
【００７８】
式（１）の値      ：sinψ＝0.75≧0.66（＝１／ｎ）
第１の偏光板の位置：照明プリズムの第１面から0.50mm
パネルの像面から空気換算長で8.78mm≧1mm
第２の偏光板の位置：照明プリズムの第３面から0.20mm
パネルの像面から空気換算長で4.42mm≧1mm
本発明の数値実施例２として、各光学面が、２次曲面を表す形状関数にゼルニケ多項式による非球面を付加した形状を有しており、以下に示す関数により表される場合を表２に示す。
【００７９】
c(x２+y２)
Z = ------------------------------------
1+｛1-c２(x２+y２)｝１／２
+c4 (x２-y２)
+c5 (-1+2x２+2y２)
+c9 (-2y+3x２y+3y３)
+c10 (3x２y-y３)
+c11 (x４-6x２y２+y４)
+c12 (-3x２+4x４+3y２-4y４)
+c13 (1-6x２+6x４-6y２+12x２y２+6y４)
+c19 (3y-12x２y+10x４y-12y３+20x２y３+10y５)
+c20 (-12x２y+15x４y+4y３+10x２y３-5y５)
+c21 (5x４y-10x２y３+y５)
+c22 (x６-15x４y２+15x２y４-y６)
+c23 (6x６-30x４y２-30x２y４+6y６-5x４+30x２y２-5y４)
+c24 (15x６+15x４y２-15x２y４-15y６-20x４+20y４+6x２-6y２)
+c25 (20x６+60x４y２+60x２y４+20y６-30x４-60x２y２-30y４+12x２+12y２-1)
ここで、ｒは各面の基本曲率半径であり、ｃはｃ＝１／ｒである。また、ｃｉは各面におけるｉ番目のゼルニケ多項式の非球面係数である。
【００８０】
〈表２〉
fx =  21.7 mm , fy = 21.2 mm
ωx =  9.9 deg , ωy1 =  8.5 deg , ωy2 = -17.5 deg
prism  n = 1.571
S1   r  :∞     d :30.84   n : 1.0000
S2    dY   7.38   dZ  30.84    Tilt   4.99
r  :-174.002
c4 :-3.211e-03     c5 :-5.387e-05     c9 :-4.261e-05
c10:-8.264e-05     c11: 8.328e-07     c12: 1.051e-06
c13:-1.851e-06     c19:-5.755e-08     c20:-2.359e-08
c21:-2.133e-07     c22: 3.424e-09     c23:-1.271e-09
c24: 9.437e-10     c25:-4.704e-10
S3    dY  -1.12   dZ  41.99    Tilt -19.51
r  : -49.295
c4 :-1.249e-03     c5 : 3.625e-04     c9 : 1.811e-06
c10:-5.589e-06     c11:-1.252e-07     c12: 7.325e-07
c13:-3.079e-07     c19: 1.387e-08     c20:-3.064e-08
c21:-1.704e-08     c22: 5.337e-10     c23:-2.947e-11
c24: 3.958e-10     c25:-1.049e-10
S4    dY   7.38   dZ  30.84    Tilt   4.99
r  :-174.002
c4 :-3.211e-03     c5 :-5.387e-05     c9 :-4.261e-05
c10:-8.264e-05     c11: 8.328e-07     c12: 1.051e-06
c13:-1.851e-06     c19:-5.755e-08     c20:-2.359e-08
c21:-2.133e-07     c22: 3.424e-09     c23:-1.271e-09
c24: 9.437e-10     c25:-4.704e-10
S5    dY  12.78   dZ  37.46    Tilt  62.07
r  :  48.587
c4 :-3.824e-03     c5 :-6.542e-04     c9 : 1.076e-04
c10:-7.181e-04     c11:-1.374e-05     c12: 3.597e-05
c13:-3.380e-05     c19: 2.700e-07     c20: 1.558e-08
c21:-2.976e-06     c22:-3.183e-07     c23:-9.026e-08
c24:-8.435e-08     c25: 5.972e-09
S6    dY  13.94   dZ  37.41    Tilt  37.18
S6   r  :              d : 0.41   n : 1.0000
S7    dY  14.19   dZ  37.74    Tilt  61.66
S7   r  :              d : 3.60   n : 1.5163
S8    dY  16.36   dZ  40.60    Tilt  31.66
S8   r  :              d : 0.30   n : 1.0000
S9    dY  19.50   dZ  39.02    Tilt  31.66
S9   r  :              d : 1.76   n : 1.5230
S10   r  :              d : 0.00   n : 1.0000
ここで、Ｓｉ（ｉ＝１〜１０）は、図２１に示すように、プリズムレンズの３つの面、照明プリズムの２つの面、反射型液晶ディスプレイパネルの像面を示す。また、ｆは数値実施例１と同じである。
【００８１】
式（１）の値      ：sinψ＝0.68≧0.66（＝１／ｎ）
第１の偏光板の位置：照明プリズムの第１面から0.30mm
パネルの像面から空気換算長で9.05mm≧1mm
第２の偏光板の位置：照明プリズムの第３面から0.20mm
パネルの像面から空気換算長で4.82mm≧1mm
なお、上述した各実施例では、光源から照明光を受け、該照明光を反射および変調して画像光を生成する反射型液晶ディスプレイパネルを画像形成素子としてを用いた場合について説明したが、本発明では、透過型の画像形成素子を用いることができる。また、自発光型の画像形成素子（例えば、有機エレクトロ・ルミネッセンス）を用いることができる。この場合、光源および照明プリズムは不要となり、よりコンパクトな画像表示光学系つまりはヘッドマウントディスプレイを実現することができる。
【００８２】
また、以上説明した各実施例は例に過ぎず、本発明は上記各実施例に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施例１であるヘッドマウントディスプレイの画像表示光学系の全体構成を示す平面図。
【図２】上記画像表示光学系の右眼用光学系の構成を説明する平面図。
【図３】上記画像表示光学系による観察画像を説明する図。
【図４】上記画像表示光学系の照明プリズムに設けられた光吸収部材を説明する図。
【図５】上記画像表示光学系の照明プリズム周辺での光学作用を説明する図。
【図６】上記画像表示光学系に観察者の眼側から太陽光線が入射した場合の光線図。
【図７】上記画像表示光学系の照明プリズム周辺での光学作用を説明する図。
【図８】上記照明プリズムに設けられた反射膜を説明する図。
【図９】上記照明プリズム周辺での光学作用を説明する図。
【図１０】上記照明プリズムに施された反射防止処理を説明する図。
【図１１】上記照明プリズムに施された研磨処理および反射防止膜を説明する図。
【図１２】本発明の実施例２であるヘッドマウントディスプレイの右眼用光学系の構成を説明する平面図。
【図１３】本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイの右眼用光学系の構成を説明する平面図。
【図１４】本発明の実施例５であるヘッドマウントディスプレイの右眼用光学系の構成を説明する平面図。
【図１５】従来の画像表示光学系を説明する側面断面図。
【図１６】従来の画像表示光学系を説明する側面断面図。
【図１７】スネルの法則を説明する図。
【図１８】Ｐ偏光、Ｓ偏光の入射角と反射率の関係を表す図。
【図１９】従来のヘッドマウントディスプレイを説明する図。
【図２０】本発明の数値実施例１にて使用される絶対座標系とローカル座標系を説明する図。
【図２１】本発明の数値実施例２にて使用される絶対座標系とローカル座標系を説明する図。
【符号の説明】
【００８４】
１  左眼用光学系
２  右眼用光学系
３  光源
４  第１の偏光板
５  照明プリズム
６  反射型液晶ディスプレイパネル
７  第２の偏光板
８  プリズムレンズ
９ａ，９ｂ  観察者の眼
ＯＩ１，ＯＩ１’  第１の原画部分（同一の部分）
ＯＩ２，ＯＩ２’  第２の原画部分（同一でない部分）
Ｉ１，Ｉ１’  第１の原画部分の虚像
Ｉ２，Ｉ２’  第１の原画部分の虚像
【図１】
2005049690.tif 000005
【図２】
2005049690.tif 000006
【図３】
2005049690.tif 000007
【図４】
2005049690.tif 000008
【図５】
2005049690.tif 000009
【図６】
2005049690.tif 000010
【図７】
2005049690.tif 000011
【図８】
2005049690.tif 000012
【図９】
2005049690.tif 000013
【図１０】
2005049690.tif 000014
【図１１】
2005049690.tif 000015
【図１２】
2005049690.tif 000016
【図１３】
2005049690.tif 000017
【図１４】
2005049690.tif 000018
【図１５】
2005049690.tif 000019
【図１６】
2005049690.tif 000020
【図１７】
2005049690.tif 000021
【図１８】
2005049690.tif 000022
【図１９】
2005049690.tif 000023
【図２０】
2005049690.tif 000024
【図２１】
2005049690.tif 000025