(57)【要約】【課題】軽量でありながら、非点収差を良好に補正して質の高い映像を提供することが可能な映像表示光学系を提供する。【解決手段】映像表示光学系（２）は、表示素子（１１）と、表示素子に対向して配置された凹面反射面（１２）と、平行平板（１４）の表面に設けられ、表示素子からの光を透過させて凹面反射面に導き、凹面反射面によって反射された光を反射して観察者の瞳Ｐに導く透過反射選択面（１３）を備える。平行平板が表示素子からの光の光路に対して傾斜していることにより非対称な非点収差が発生するが、凹面反射面を平行平板の傾斜方向について非対称として、その非点収差を補正する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、表示素子に対向して配置され、表示素子からの光を反射する凹面反射面と、表示素子の法線に対して斜交する向きで表示素子と凹面反射面との間に配置され、表示素子からの光を透過させて凹面反射面に導き、凹面反射面によって反射された光を反射して観察者の瞳に導く透過反射選択面とを備え、表示素子が表示した映像の拡大虚像を観察者に提供する映像表示光学系において、
透過反射選択面が、表示素子と凹面反射面との間に配置された光を透過させる平行平板の表面に設けられ、
凹面反射面が一方向にのみ面対称性を有し、その対称面が透過反射選択面と直交する
ことを特徴とする映像表示光学系。
【請求項２】
凹面反射面の対称面上を進む表示素子からの光の平行平板に対する入射角の最大値が５０゜以上であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示光学系。
【請求項３】
対称面に平行な方向の凹面反射面の光学的パワーが、透過反射選択面から遠い端部側で小さく、透過反射選択面に近い端部側で大きくなるように、次第に変化することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の映像表示光学系。
【請求項４】
透過反射選択面が、偏光面が互いに直交する２種の直線偏光の一方を透過させ他方を反射する偏光選択面であり、
透過反射選択面と凹面反射面との間に１／４波長位相板を備えることを特徴とする請求項１に記載の映像表示光学系。
【請求項５】
表示素子が液晶表示素子であることを特徴とする請求項４に記載の映像表示光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示素子が表示する映像の拡大虚像を観察者に提供する映像表示光学系に関し、より詳しくは、表示素子に対向する凹面反射面と、表示素子と凹面反射面との間に位置する透過反射選択面を備える映像表示光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
映像を表示する表示素子と、表示素子に対向して配置された凹面反射面と、表示素子と凹面反射面との間に傾けて配置され、表示素子からの光を透過させて凹面反射面に導き、凹面反射面によって反射された光を反射して観察者の眼に導く映像表示光学系が、再公表公報ＷＯ９６／１８１２６号、特開２０００−２１４４０９号等にて提案されている。
【０００３】
このような光学系を備える映像表示装置は、簡易な構成でありながら、表示素子に表示した映像の拡大虚像を提供することが可能であり、頭部に装着して眼前にて使用する形態に好適である。また、観察者の眼前には透過反射選択面以外は位置しないため、透過反射選択面を介して外界からの光を観察者の眼に導くことも可能であり、これにより、外界の像に表示素子の映像の拡大虚像を重ねて提供することもできて、日常生活での使用にも適する。
【０００４】
凹面反射面は球面とするのが最も簡単であるが、凹面反射面を球面とすると像面湾曲、球面収差等の諸収差が発生する。再公表ＷＯ９６／１８１２６号では凹面反射面を楕円回転面として、提供する映像の質の向上を図っている。
【０００５】
透過反射選択面は、再公表ＷＯ９６／１８１２６号に示されているように、平行平板の表面に設けることが可能であり、また、特開２０００−２１４４０９号に示されているように、プリズム内に設けることも可能である。ただし、透過反射選択面をプリズム内に設けるよりも平行平板の表面に設ける方が、軽量化と低コスト化を図ることができて好ましい。
【０００６】
【特許文献１】再公表ＷＯ９６／１８１２６号公報
【特許文献２】特開２０００−２１４４０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、平行平板の表面に透過反射選択面を設ける構成では、透過反射選択面だけでなく、平行平板も表示素子から凹面反射鏡に至る光路に対して斜交する。通常、透過反射選択面は、凹面反射面からの光が直接入射するように、平行平板の凹面反射面側の表面に設けられるが、表示素子からの光は厚さを有する平行平板を透過することになり、平行平板が傾斜しているため、非点収差が発生する。しかも、平行平板のうち表示素子に近い部位と遠い部位とで、光の入射角や平行平板内部での光路長に差が生じるため、その非点収差は非対称になる。非点収差は平行平板を薄くするほど小さくなるが、強度を確保するために平行平板にはある程度の厚さが必要であり、非対称な非点収差の発生は避けられない。
【０００８】
非点収差は平行平板への光の入射角が大きくなるほど大きくなる。また、平行平板への入射角は、提供する映像（拡大虚像）の画角を大きくするほど（つまり凹面反射面の拡大率を大きくするほど）大きくなり、観察瞳径を大きくするほど大きくなる。したがって、映像表示光学系の仕様を高度化するほど、大きな非点収差が発生することになる。しかも、ここでの非点収差は上述のように回転対称ではないため、再公表ＷＯ９６／１８１２６号のように凹面反射面を回転対称な非球面としても良好に補正することはできない。
【０００９】
プリズムの内部に透過反射選択面を設ける構成では、そのプリズムを四角柱状として、いずれの表面も光路に対して斜交しないようにすることで、非対称な非点収差の発生を防止することができる。したがって、凹面反射面を回転対称な非球面とするだけで、質の高い映像を提供することができる。しかしながら、プリズムを用いると重量化、高コスト化が避けられない。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、軽量でありながら、質の高い映像を提供することが可能な映像表示光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、映像を表示する表示素子と、表示素子に対向して配置され、表示素子からの光を反射する凹面反射面と、表示素子の法線に対して斜交する向きで表示素子と凹面反射面との間に配置され、表示素子からの光を透過させて凹面反射面に導き、凹面反射面によって反射された光を反射して観察者の瞳に導く透過反射選択面とを備え、表示素子が表示した映像の拡大虚像を観察者に提供する映像表示光学系において、透過反射選択面が、表示素子と凹面反射面との間に配置された光を透過させる平行平板の表面に設けられ、凹面反射面が一方向にのみ面対称性を有し、その対称面が透過反射選択面と直交する構成とする。
【００１２】
この映像表示光学系は、透過反射選択面を平行平板の表面に設けているため、軽量である。平行平板は表示素子の法線に対して傾斜しており、その傾斜方向に非対称な非点収差をもたらす。しかし、凹面反射面が平行平板の傾斜方向について非対称であるため、凹面反射面によって非対称な非点収差を良好に補正することが可能であり、質の高い映像を提供することができる。
【００１３】
凹面反射面の対称面上を進む表示素子からの光の平行平板に対する入射角の最大値が５０゜以上である設定とすることも可能であり、これにより、小さな表示素子を用いながら大きな映像（虚像）を提供することができる。最大入射角がこのように大きくても、非対称な凹面反射面により、非対称な非点収差を良好に補正することができる。
【００１４】
対称面に平行な方向の凹面反射面の光学的パワーが、透過反射選択面から遠い端部側で小さく、透過反射選択面に近い端部側で大きくなるように、次第に変化する設定とするとよい。平行平板への光の入射角は凹面反射面に近い側の端部で最大になるから、凹面反射面の光学的パワーをこのように変化させることで、非対称な非点収差が良好に補正される。
【００１５】
透過反射選択面が、偏光面が互いに直交する２種の直線偏光の一方を透過させ他方を反射する偏光選択面であり、透過反射選択面と凹面反射面との間に１／４波長位相板を備える構成としてもよい。偏光選択面を透過した直線偏光は１／４波長位相板を透過することにより円偏光となり、凹面反射面で反射されて再度１／４波長位相板を透過することにより偏光面が９０゜回転した直線偏光となって、偏光選択面によって反射される。この構成では、一旦透過反射選択面を透過した光を全て観察者の眼に導くことができる。
【００１６】
ここで、映像表示素子を液晶表示素子とするとよい。液晶表示素子が射出する映像光は偏光面の揃った直線偏光であるから、その直線偏光を透過させるように偏光選択面の向きを設定するだけで、映像光を損失なく観察者の眼に導くことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先立ち、表示素子と凹面反射面との間に透過反射選択面のみが存在して、非対称な非点収差が発生しない映像表示光学系について説明する。この映像表示光学系１と、いくつかの光線の光路を図１に示す。映像表示光学系１は、表示素子１１、凹面反射面１２および透過反射選択面１３より成る。表示素子１１は平面の表示面を有する。表示素子１１は、どのような方式で映像光を生成するものでもよいが、小型軽量のもの、例えば液晶表示素子が好ましい。
【００１８】
凹面反射面１２は回転対称な非球面であり、その光軸が表示素子１１の表示面の中心における法線に一致するように配置されている。透過反射選択面１３は、例えばハーフミラー面であり、表示素子１１と凹面反射面１２との間に、表示素子１１の表示面の法線に対して４５゜の角度を成すように配置されている。
【００１９】
表示素子１１からの光は、透過反射選択面１３に入射してこれを透過し、凹面反射面１２に入射して反射される。凹面反射面１２で反射された光は、透過反射選択面１３に入射して反射され、観察者の瞳Ｐに入射する。凹面反射面１２の正の光学的パワーにより、観察者には表示素子１１が表示する映像の拡大虚像が提供される。
【００２０】
観察者は、透過反射選択面１３を介して外界を観察することもできる。映像の拡大虚像は外界の像に重なって観察されることになる。
【００２１】
図２に、映像表示光学系１のＭＴＦを示す。これは表示像のＭＴＦである。横軸は視度（単位ｄｉｏｐｔ．）、縦軸はＭＴＦである。周波数は１６本／ｍｍ、入射瞳径は４ｍｍ、映像表示光学系１の焦点距離は１６ｍｍ、表示素子１１の表示面の大きさは対角１／４インチ、表示画角はｘ方向１６．８゜、ｙ方向１２．６゜とした。
【００２２】
図２の（ａ）、（ｂ）は、図３に示す３つの位置▲１▼、▲２▼、▲３▼でのＭＴＦを表しており、（ｃ）、（ｄ）は、図３の３つの位置▲４▼、▲５▼、▲６▼でのＭＴＦを表す。また、（ａ）、（ｃ）はｘ方向のＭＴＦ、（ｂ）、（ｄ）はｙ方向のＭＴＦである。なお、ここでのｘ方向は、図１の紙面に垂直な方向であり、紙面の手前側が正である。また、ｙ方向は、図１の紙面上の左右方向であり、右側が正である。
【００２３】
映像表示光学系１はｙ方向について対称なので、位置▲２▼と位置▲３▼のＭＴＦは同じになり、位置▲５▼と位置▲６▼のＭＴＦも同じになる。凹面反射面１２を回転対称な非球面とするだけで、良好な結像状態が得られることが判る。
【００２４】
以下、透過反射選択面１３を平行平板の表面に設けた構成でありながら、上記の映像表示光学系と同等な結像性能を有する本発明の一実施形態の映像表示光学系について説明する。本実施形態の映像表示光学系２といくつかの光線の光路を図４に示す。
【００２５】
映像表示光学系２は、透過反射選択面１３が透明な平行平板１４の表面に設けられている点と、凹面反射面１２が回転対称ではない点を除き、上記の映像表示光学系１と同様の構成である。平行平板１４は表示素子１１の表示面の法線に対して４５゜の角度を成すように配置されており、透過反射選択面１３は平行平板１４の凹面反射面１２側の表面に設けられている。平行平板１４の厚さは１ｍｍである。
【００２６】
凹面反射面１２は一方向にのみ面対称性を有する非球面である。凹面反射面１２の対称面は透過反射選択面１３と直交し、表示素子１１の表示面の中心を通る。図４の紙面が凹面反射面１２の対称面であり、図４の左右方向については凹面反射面１２は非対称である。
【００２７】
映像表示光学系２の各面の中心における曲率半径、中心位置、および座標軸に平行な軸回りの角度を表１に示す。ここでは、観察者の瞳Ｐの中心を原点とし、図４に示したように、瞳Ｐの法線の方向をＺ方向（瞳Ｐから凹面反射面１２に向かう方向が正）、Ｚ方向に垂直で凹面反射面１２の対称面に平行な方向をＹ方向（透過反射選択面１３から凹面反射面１２に向かう方向が正）、Ｘ方向とＹ方向に垂直な方向をＸ方向と定めている（右手系）。なお、この座標系のＸ方向、Ｙ方向は、表示素子１１上での方向を示す前述のｘ方向、ｙ方向とは異なる。表示素子１１上のｘ方向、ｙ方向は、光学系全体の座標系では、それぞれＸ方向、Ｚ方向に相当する。
【００２８】
面の番号は瞳Ｐ側から順に付しており、第１面は瞳Ｐ、第２面は透過反射選択面１３、第３面は凹面反射面１２、第４面は透過反射選択面１３、第５面は平行平板１３の表示素子１１側の表面、第６面は表示素子１１の射出面、第７面は表示素子１１の表示面である。平行平板１４の材料はＰＭＭＡとした。表示素子１１の表示面には保護用の平板が接しているものとし、その表面が第６面である。その材料はＢＫ７とした。長さの単位はｍｍ、角度の単位は゜（度）である。
【００２９】
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【００３０】
凹面反射面１３は次式により定義した。
Ｙ＝Ｃ・ｒ２／｛１＋（１−Ｃ２・ｒ２）１／２｝＋ΣＡｊ，ｋ・Ｘｊ・Ｚｋ
ここで、Ｃは中心における曲率半径、ｒは（Ｘ２＋Ｚ２）１／２、Ａｊ，ｋは、Ｘがｊ次でＺがｋ次の項の非球面係数である。凹面反射面１３の非球面係数Ａｊ，ｋを表２に示す。なお、表２に値を記していない項の非球面係数は全て０である。
【００３１】
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【００３２】
表示素子１１の法線に対して平行平板１４が斜交する映像表示光学系２では、平行平板１４に対する表示素子１１からの光の入射角が、平行平板１４のうち表示素子１１に近い部位（凹面反射面１２から遠い部位）で相対的に小さくなり、表示素子１１から遠い部位（凹面反射面１２に近い部位）で相対的に大きくなる。また、平行平板１４内の光路長が、表示素子１１に近い部位で相対的に短くなり、表示素子１１から遠い部位で相対的に長くなる。このため、平行平板１４の傾斜方向に非対称な非点収差が発生する。しかし、この非対称な非点収差は、平行平板１４の傾斜方向について非対称な凹面反射面１２によって良好に補正される。
【００３３】
映像表示光学系２のＭＴＦを図５に示す。諸条件は図２に示した映像表示光学系１のＭＴＦと同じである。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、図３の位置▲２▼と位置▲３▼のＭＴＦのピーク位置はｘ方向、ｙ方向共に一致しており、また、（ｃ）、（ｄ）に示すように、位置▲５▼と位置▲６▼のＭＴＦのピーク位置もｘ方向、ｙ方向共に一致しており、非点収差が良好に補正されていることが判る。
【００３４】
凹面反射面１２の対称面での断面におけるプロファイルを図６に示す。図６において、実線Ａが凹面反射面１２のプロファイルであり、点線Ｓは表２の非球面係数Ａｉ、ｊを全て０として球面とした場合のプロファイルである。横軸ΔＺは面中心からのＺ方向の距離であり、縦軸−ΔＹは面中心からのＹ方向の距離である。なお、面中心は、瞳Ｐの中心における法線を透過反射選択面１３で折り返して９０゜曲げた直線との交点である。
【００３５】
凹面反射面１２のＺ方向の光学的パワーは、透過反射選択面１３（平行平板１４）までの距離が長い部位（ΔＺが小さい部位）で小さく、透過反射選択面１３までの距離が短い部位（ΔＺが大きい部位）で大きくなるよう、次第に変化している（パワーをΔＺで微分すると単調増加になる）。平行平板１４に対する光の入射角は、前述のように、凹面反射面１２までの距離が短い部位ほど大きくなるから、それに応じて光学的パワーを大きくすることで、非対称な非点収差の補正が容易になる。
【００３６】
凹面反射面１２の対称面上を進む表示素子１３からの光の平行平板１４に対する入射角の最大値は６４゜である。このように５０゜以上の大きな入射角とする場合、凹面反射面１２の光学的パワーを上述のように次第に変化させることが、きわめて有効である。
【００３７】
上記の映像表示光学系２を修飾した映像表示光学系３といくつかの光線の光路を図７に示す。この映像表示光学系３は、表示素子１１として透過型の液晶表示素子、透過反射選択面１３として偏光面が互いに直交する２種の直線偏光の一方を透過させ他方を反射する偏光選択面を用いるとともに、透過反射選択面１３と凹面反射面１２との間に１／４波長位相板１５を備えたものである。
【００３８】
表示素子１１である液晶表示素子は、映像光として偏光面の揃った直線偏光を射出し、透過反射選択面１３である偏光選択面は、その直線偏光を透過させる向きに配置されている。偏光選択面を透過した直線偏光は、１／４波長位相板１５を透過することにより円偏光となり、凹面反射面１２で反射されて再度１／４波長位相板１５を透過することにより偏光面が９０゜回転した直線偏光となる。この直線偏光は偏光選択面によって反射されて、瞳Ｐに導かれる。映像表示光学系３では、表示素子１１からの映像光を全て瞳に導くことができ、明るい映像の提供が可能である。
【００３９】
なお、映像光として無偏光を射出する素子を表示素子１１として用いてもよい。その場合、表示素子１１からの光の１／２は偏光選択面に最初に入射する際に反射されて失われるが、偏光選択面を透過した光は全て瞳Ｐに導かれる。
【００４０】
前述の映像表示光学系２の比較例である映像表示光学系４といくつかの光線の光路を図８に示す。この映像表示光学系４は、凹面反射面１２を回転対称な非球面として最適化したものである。最適化に際しては、映像表示光学系２の場合と同様に、平行平板１４を考慮に入れた。表示素子１１、凹面反射面１２、透過反射選択面１３、平行平板１４、瞳Ｐの大きさ、位置および向きは、映像表示光学系２と同じである。
【００４１】
映像表示光学系４のＭＴＦを図９に示す。諸条件は前述の通りである。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、図３の位置▲２▼と位置▲３▼のＭＴＦのピーク位置にはｘ方向、ｙ方向ともに大きな差があり、また、（ｃ）、（ｄ）に示すように、位置▲５▼と位置▲６▼のＭＴＦのピーク位置にも差がある。これより、透過反射選択面１３を平行平板１４の表面に設ける場合、凹面反射面１２を回転対称な非球面とするだけでは、非点収差の補正が不十分になることが判る。
【００４２】
【発明の効果】
映像を表示する表示素子と、表示素子に対向して配置され、表示素子からの光を反射する凹面反射面と、表示素子の法線に対して斜交する向きで表示素子と凹面反射面との間に配置され、表示素子からの光を透過させて凹面反射面に導き、凹面反射面によって反射された光を反射して観察者の瞳に導く透過反射選択面とを備え、表示素子が表示した映像の拡大虚像を観察者に提供する映像表示光学系において、本発明のように、透過反射選択面が、表示素子と凹面反射面との間に配置された光を透過させる平行平板の表面に設けられ、凹面反射面が一方向にのみ面対称性を有し、その対称面が透過反射選択面と直交する構成とすると、軽量でありながら、傾斜した平行平板による非対称な非点収差を良好に補正することができて、質の高い映像を提供することが可能になる。
【００４３】
凹面反射面の対称面上を進む表示素子からの光の平行平板に対する入射角の最大値が５０゜以上である設定とすると、小さな表示素子を用いながら大きな映像（虚像）を提供することが可能になる。最大入射角がこのように大きくても、非点収差を良好に補正することができる。
【００４４】
対称面に平行な方向の凹面反射面の光学的パワーが、透過反射選択面から遠い端部側で小さく、透過反射選択面に近い端部側で大きくなるように、次第に変化する設定とすると、非対称な非点収差の補正が容易になる。
【００４５】
透過反射選択面が、偏光面が互いに直交する２種の直線偏光の一方を透過させ他方を反射する偏光選択面であり、透過反射選択面と凹面反射面との間に１／４波長位相板を備える構成とすると、一旦透過反射選択面を透過した光を全て観察者の眼に導くことができる。
【００４６】
ここで、映像表示素子を液晶表示素子とすると、表示素子からの映像光を損失なく観察者の眼に導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表示素子と凹面反射面との間に透過反射選択面のみが存在する映像表示光学系を示す図。
【図２】図１の映像表示光学系のＭＴＦを示す図。
【図３】ＭＴＦを求めた表示素子上の位置を示す図。
【図４】本発明の一実施形態の映像表示光学系を示す図。
【図５】図４の映像表示光学系のＭＴＦを示す図。
【図６】図４の映像表示光学系の凹面反射面のプロファイルを示す図。
【図７】図４の映像表示光学系を修飾した映像表示光学系を示す図。
【図８】凹面反射面を回転対称な非球面とした比較例の映像表示光学系を示す図。
【図９】図８の映像表示光学系のＭＴＦを示す図。
【符号の説明】
１、２、３、４  映像表示光学系
１１    表示素子
１２    凹面反射面
１３    透過反射選択面
１４    平行平板
１５    １／４波長位相板
Ｐ    観察者瞳
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005017594.tif 000011
【図８】
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【図９】
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