(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を該表示手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有した画像表示装置において、
該照明光学系と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａを有し、該光学面Ａはローカル母線断面（該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と瞳中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）上で曲率を有し、該光学面Ａに対し該表示手段と反対側に配置された曲率を有する光学面Ｂを有し、該光学面Ａと光学面Ｂとでガラス部材で構成されるレンズ体を形成し、
該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体の該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれて、表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、
該表示光学系における該レンズ体の該光学面Ａのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＡ、該光学面Ｂのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとした時、local_ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、
０．４ ＜ local_ryＡ／ local_ryＢ ＜ ２．０  ・・・（１）
を満たすことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記照明光学系と前記表示光学系で共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａが１面のみ存在することを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項３】
前記表示手段からの反射光は、前記レンズ体を射出した後、偏心曲率面である複数の反射面で反射し、瞳に導かれることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項４】
前記照明手段は複数の色光を時分割で放射する時分割光源であり、該表示手段は該時分割光源から放射される色光に合わせて各色光に基づく画像を時分割表示することを特徴とする請求項１，２又は３の画像表示装置。
【請求項５】
前記表示光学系はアジムス角度により屈折力が異なる面を２面以上含み、該表示光学系全体として正の屈折力を有することを特徴とする請求項１，２，３又は４の画像表示装置。
【請求項６】
反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を該表示手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有した画像表示装置において、
該照明光学系と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有する曲率を有した光学面Ａと、該光学面Ａに対し該表示手段と反対側に配置され曲率を有する光学面Ｂを有し、該光学面Ａと該光学面Ｂとでレンズ体を形成し、
該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体の光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、該光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれて表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、
該表示手段のローカル母線断面上（該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周像高Ｆ３と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線、眼球より近いほう側の最周辺像高Ｆ２と眼球中心とを通る光線をＦ２眼球中心光線とした時、Ｆ３眼球中心光線のほうが、Ｆ２眼球中心光線より表示光学系における該レンズ体内の光路長が長いことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
前記表示光学系における前記レンズ体の前記曲率光学面Ａのローカル母線断面曲率が、前記曲面Ｂのローカル母線断面曲率より大きいことを特徴とする請求項６の画像表示装置。
【請求項８】
前記表示手段のローカル母線断面上での各像高と眼球中心とを通る各像高の眼球中心光線における表示光学系中の該レンズ体内の光路長が、前記Ｆ２眼球中心光線側から前記Ｆ３眼球中心光線側になるにつれて徐々に長くなることを特徴とする請求項７の画像表示装置。
【請求項９】
反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を該表示手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有した画像表示装置において、
該照明光学系と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａと、該光学面Ａに対し該表示手段と反対側に光学面Ｂとでレンズ体を形成し、
該照明手段から発せられた光線は、該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれて、表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、
該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と瞳中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面、基準光線と各面とのヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直な面をローカル子線断面とし、該表示光学系における該レンズ体の該光学面Ａのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＡ、該光学面Ｂのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとするとき、local_ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、
０．４ ＜ local_ryＡ／ local_ryＢ ＜ ２．０
を満たし、且つ該光学面Ａと光学面Ｂとは、ローカル子線断面方向のパワーに比して、ローカル母線断面方向のパワーが強いことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
前記光学面Ａと前記光学面Ｂはシリンドリカル面であることを特徴とする請求項９の画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか1項の画像表示装置を有したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像表示装置に関し、例えば観察用の画像情報を表示する表示素子として反射型の液晶表示素子を用い、そこに表示された画像情報を適切に設定した光学素子を介して拡大して観察するようにしたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やメガネ型ディスプレイ等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶等の画像表示素子に表示した画像情報を拡大した虚像として観察するようにした頭部装着型の画像観察装置（画像表示装置）、所謂ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が種々と提案されている。
【０００３】
このうち反射型の表示素子を用いたＨＭＤが、例えば、特開平０７−１２８６１４号公報、特開平１１−１２５７９１号公報、特開平１１−３３７８６３号公報、特開２０００−１００４１号公報等で提案されている。
【０００４】
これらで提案されているＨＭＤは照明光源から発せられた光が反射型液晶で反射され、眼球に導かれて液晶で表示された画像の拡大像を観察するものである。このとき光束は照明光源、照明光学系、反射型の液晶、表示光学系、眼球の順序で進む。特開平１１−１２５７９１号公報で提案されているＨＭＤで開示されている実施例では照明光学系がなく、照明光源からの光がダイレクトに反射型液晶を照明している。この場合は照明光学系と表示光学系の共有面は存在しない例もある。この場合は照明光源からの光束がけられないようにしなければならないため、照明光源と反射型液晶の間に大きなスペースが必要になり、大型化しやすい。他の提案されている公報の実施例では、ほとんど照明光学系と表示光学系の間で共有面を持っている。共有面があれば、照明光学系と表示光学系で光路がオーバーラップするため小型化しやすい。しかしこの共有面が多ければ多いほど光学系は複雑になり、光量ロスも多くなる。一方、ＨＭＤのコンパクトな表示光学系を本発明者は特開平７−３３３５５１号公報で提案している。同公報では自由曲面プリズムを用いて装置全体の小型化を図っている。又本発明者は、自由曲面プリズムと反射型の表示素子を組み合わせたＨＭＤを特開平１１−１２５７９１号公報、特開平１１−３３７８６３号公報、特開２０００−１００４１号公報で提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来よりＨＭＤ等の画像観察装置では、装置を観察者の頭部に装着するために装置全体の小型化、及び軽量化を図ることが重要な課題となっている。又、表示手段に表示した画像情報を良好に観察できることが重要な課題となっている。
【０００６】
画像表示装置として反射型の液晶表示素子を用いた場合で装置全体の小型化を図るには、それを照明するための照明装置を装置内に適切に組み込む必要がある。
【０００７】
例えば照明光源からの光が反射型液晶を照明する際、多くの反射面や透過面を介したり、光路長の長いプリズム体の中を通過したりすると、反射型液晶に到達する前にどうしても照明光源からの光量がロスされてしまう。従って光量ロス、が少なく、表示光学系、照明光学系ともコンパクトなＨＭＤが望まれている。
【０００８】
本発明は、液晶ディスプレイ等の表示手段に表示した画像情報を観察する際、光源手段から表示手段に至る照明光学系及び表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための表示光学系の構成を適切に設定することによって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロスを減らし、該画像情報を良好なる画質で観察することができる画像観察装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の画像表示装置は、反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を該表示手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有した画像表示装置において、
該照明光学系と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａを有し、該光学面Ａはローカル母線断面（該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と瞳中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）上で曲率を有し、該光学面Ａに対し該表示手段と反対側に配置された曲率を有する光学面Ｂを有し、該光学面Ａと光学面Ｂとでガラス部材で構成されるレンズ体を形成し、
該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体の該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれて、表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、
該表示光学系における該レンズ体の該光学面Ａのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＡ、該光学面Ｂのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとした時、local_ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、
０．４ ＜ local_ryＡ／ local_ryＢ ＜ ２．０  ・・・（１）
を満たすことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記照明光学系と前記表示光学系で共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａが１面のみ存在することを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記表示手段からの反射光は、前記レンズ体を射出した後、偏心曲率面である複数の反射面で反射し、瞳に導かれることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３の発明において、前記照明手段は複数の色光を時分割で放射する時分割光源であり、該表示手段は該時分割光源から放射される色光に合わせて各色光に基づく画像を時分割表示することを特徴としている。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１、２、３又は４の発明において、前記表示光学系はアジムス角度により屈折力が異なる面を２面以上含み、該表示光学系全体として正の屈折力を有することを特徴としている。
【００１４】
請求項６の発明の画像表示装置は、反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を該表示手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有した画像表示装置において、
該照明光学系と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有する曲率を有した光学面Ａと、該光学面Ａに対し該表示手段と反対側に配置され曲率を有する光学面Ｂを有し、該光学面Ａと該光学面Ｂとでレンズ体を形成し、
該照明手段から発せられた光線は、該レンズ体の光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、該光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれて表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、
該表示手段のローカル母線断面上（該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周像高Ｆ３と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線、眼球より近いほう側の最周辺像高Ｆ２と眼球中心とを通る光線をＦ２眼球中心光線とした時、Ｆ３眼球中心光線のほうが、Ｆ２眼球中心光線より表示光学系における該レンズ体内の光路長が長いことを特徴としている。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記表示光学系における前記レンズ体の前記曲率光学面Ａのローカル母線断面曲率が、前記曲面Ｂのローカル母線断面曲率より大きいことを特徴としている。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記表示手段のローカル母線断面上での各像高と眼球中心とを通る各像高の眼球中心光線における表示光学系中の該レンズ体内の光路長が、前記Ｆ２眼球中心光線側から前記Ｆ３眼球中心光線側になるにつれて徐々に長くなることを特徴としている。
【００１７】
請求項９の発明の画像表示装置は、反射型の表示手段と、該表示手段を照明する照明手段と、該照明手段からの光を該表示手段に導く照明光学系と、該表示手段からの光を観察者側に導く表示光学系を有した画像表示装置において、
該照明光学系と該表示光学系で互いに共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａと、該光学面Ａに対し該表示手段と反対側に光学面Ｂとでレンズ体を形成し、
該照明手段から発せられた光線は、該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを透過し、該レンズ体に入射し、光学面Ｂを射出して、複数の反射面で反射した後、瞳に導かれて、表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、
該照明手段から発せられ該表示手段の画像中心と瞳中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面、基準光線と各面とのヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直な面をローカル子線断面とし、該表示光学系における該レンズ体の該光学面Ａのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＡ、該光学面Ｂのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとするとき、local_ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、
０．４ ＜ local_ryＡ／ local_ryＢ ＜ ２．０
を満たし、且つ該光学面Ａと光学面Ｂとは、ローカル子線断面方向のパワーに比して、ローカル母線断面方向のパワーが強いことを特徴としている。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記光学面Ａと前記光学面Ｂはシリンドリカル面であることを特徴としている。
【００１９】
請求項１１の発明のヘッドマウントディスプレイは、請求項１から１０のいずれか1項の画像表示装置を有したことを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１〜図５は本発明の実施形態１〜５の要部断面図である。図中１は瞳位置であり、観察者の眼球Ｅが位置している。
【００２２】
２は自由曲面プリズム、３は反射型液晶、４は照明光源（照明手段）、５はハーフミラーより成る曲率を有した透過兼反射面（光学面）、７は光学面５と曲面１４を含むブーメラン型レンズ、８，９は偏光板、１２は第１の自由曲面ミラー、１３は第２の自由曲面ミラー（第２の光学部材）である。
【００２３】
符番４，５で示されるものは照明系の一要素を構成し、符番３，５，１４，２又は符番３，５，１４，１２，１３で示されるものは表示系の一要素を構成している。
符番５、１４、２又は符番５、１４、１２、１３は、表示光学系の一要素を構成している。
【００２４】
本実施形態では、照明光源４からの光量のロスをなるべく少なくするために、照明光源４をできるだけ反射型液晶３に近づけて、照明光学系の光路長を短くしている。例えば表示光学系に自由曲面プリズム２を使用した場合は、自由曲面プリズム２と反射型液晶３の間に照明光学系を構成する部材を設けている。また図５に示すように、表示光学系に２枚の自由曲面ミラー１２，１３を使用した場合は、自由曲面ミラー系（１２，１３）と反射型液晶３との間に照明光学系を構成する部材を設けている。
【００２５】
本発明の各実施形態の説明の前に、本発明で使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面、ローカル子線断面の定義について説明する。偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。本発明は偏心系なので偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
【００２６】
表示手段の画像中心（外界を観察する為のシースルーのときは外界画像中心）と眼球中心を通る光線（以下、基準光線）と各面とのヒットポイント（入射点）上で、基準光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面として定義する。なお、表示手段が反射型の場合は、該基準光線を照明光学系、および照明光源まで延長して、各ヒットポイント上で、上記と同様にローカル母線断面、ローカル子線断面を定義する。ローカル母線断面焦点距離とローカル子線断面焦点距離については後述の項目で説明する。
【００２７】
次に本発明の各実施形態について説明する。図１〜５は本発明の実施形態１〜５の光路断面図（ローカル母線断面図）である。実施形態１〜２は反射型ＬＣＤ３が照明光源４からの光束でほぼ垂直入射照明されるタイプのものであり、本発明の実施形態３〜５は反射型ＬＣＤ３が照明光源４からの光束で斜入射照明されるタイプのものである。
【００２８】
一般的な液晶（ＴＮ液晶など）の特性として、液晶面とほぼ垂直に射出する光は、十分なコントラストを持っており画質は良いが、射出光が垂直から離れ傾いてくると、コントラストは低くなり画質が悪くなることが知られている。
【００２９】
実施形態１〜２はこれを解決するために、反射型ＬＣＤ３を垂直入射の光束で照明させている。照明光源４から発せられ、表示手段３の画像中心３ａと眼球中心１ａとを通る基準光線の反射型表示手段３への入射角度は０度±１０度としている。この範囲を超えるとコントラスト低下が目立ってしまう。また強誘電液晶（ＦＬＣ）などは特性が異なり、かなりの斜め射出光でもコントラストが落ちることはないため、ほとんどどの角度からでも良質な画質が観察される。そこで実施形態３〜５はこの液晶（ＦＬＣ）を想定し、反射型ＬＣＤ３を斜入射の光束で照明させて光学系全体を薄型化し、かつコントラスト落ちのない良質な画質を得ている。
【００３０】
図１、図２（実施形態１，２）は反射型ＬＣＤ３（裏面側が液晶面）と任意の曲面を含む自由曲面プリズム２との間に、ブーメラン型レンズ７を配置している（以下、ローカル母線断面上で図１、２の形状のレンズ７をブーメラン型レンズと呼ぶ）。ＲＧＢ（赤色、緑色、赤色）のＬＥＤをそれぞれ複数個持った平面照明光源４から発せられた光は、偏光板８で直線偏光化され、ブーメラン型レンズ７の液晶側の光学面Ａ（ハーフミラー）５で反射され、反射型ＬＣＤ３にほぼ垂直（０度±１０度）で入射する。そして反射型ＬＣＤ３で反射された光は、光学面５を今度は透過してブーメラン型レンズ７を射出後、偏光板９に入射する。
【００３１】
この時、偏光板８で直線偏光化された光の偏光方向が液晶内部で回転するため（液晶駆動電圧ＯＦＦまたはＯＮ）、偏光板９は偏光方向が回転した光を通す方向に設定する必要がある。偏光板９の直線偏光方向が偏光板８の直線偏光方向と約９０度ずれている場合は（液晶内部の偏光方向の回転が９０度）、偏光板８で直線偏光化された光が、光学面（ハーフミラー）５で反射せず透過して行く光（ゴースト光）があるが、偏光板９でこのゴースト光をカットできるため、眼球Ｅにゴースト光が入るのを防ぐ付加価値も生まれる。また反射型ＬＣＤ３が表示面側近傍に不図示の１枚偏光板で表示させるタイプでは、偏光板８と偏光板９は不要となる。偏光板９を射出後、光は自由曲面プリズム２の入射面１１に入射、全反射面（透過面Ｃ）６で全反射し、凹面鏡１０で反射、今度は全反射面（透過面Ｃ）６を透過して観察者の眼球が位置する瞳１に導かれる。これによって反射型ＬＣＤ３に基づく画像情報を拡大虚像として観察している。
【００３２】
実施形態１，２では、ローカル母線断面上で２面とも反射型ＬＣＤ３と反対方向を向いた曲率面からなるブーメラン型レンズ７を、反射型ＬＣＤ３と対向して置き、ブーメラン型レンズ７の反射型ＬＣＤ３側の面を光学面Ａ（ハーフミラー）５とすることにより、反射型ＬＣＤ３のローカル母線断面上での、下側最周辺画像（Ｆ３）側の反射型ＬＣＤ３と自由曲面プリズム２との間隔をできるだけ短くして、表示系（部材３，７，２）がコンパクトでしかも照明系（部材４，５）もコンパクトなものにしている。
【００３３】
実施形態１ではブーメラン型レンズ７の両面５，１４を、母線断面のみパワーを持つシリンドリカル面（自由曲面）にして、ローカル子線断面（紙面と垂直断面）上での収差発生を極力少なくし、かつ子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがなくこの断面方向に面形状が湾曲しないため、反射型ＬＣＤ３と光学面５を近くすることができ、コンパクト化・広画角化を可能としている。またブーメラン型レンズ７の他方の曲面１４も光学面５に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ７での収差発生をキャンセルさせている。もちろんブーメラン型レンズ７の両面に、ローカル子線断面方向のパワーが弱く、ローカル母線断面方向にパワーが強い自由曲面を使用すれば、同等の効果が得られ、さらに良好な光学系性能が得られる。
【００３４】
実施形態２ではブーメラン型レンズ７の両面５，１４に回転対称非球面を使用している。これは光学面５のローカル子線断面上でも正のパワーを持たせることにより、平面照明用の光源４のローカル子線断面方向で大きさを小さくしている。また他方の曲面１４も光学面５に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ７での収差発生をキャンセルさせている。なお両面回転対称球面でも可能であるが、両面回転対称非球面のほうが光学系能はよい。
【００３５】
本発明に係る表示系に含まれる自由曲面プリズムは（実施形態１〜４共通）、自由曲面プリズムのメインパワーを持つ凹面鏡１０に自由曲面を採用して、メインパワー面での偏心収差の発生を少なくする。メインパワー面で補正しきれなかった偏心収差は、メインパワー面に近い全反射面（透過面Ｃ）６を自由曲面化して収差がキヤンセルするような面形状にして補正している。
【００３６】
これだけでもある程度の収差補正は可能であるが、更に全体収差をバランスさせる為に表示手段（反射型ＬＣＤ）３近傍の入射面１１を自由曲面化して全体収差のバランスをとっている。
【００３７】
全反射面（透過面Ｃ）６においては、光が臨界角以上の角度で入射した時は全反射し、臨界角以下の角度で入射した時は射出するように全反射面条件（臨界角条件）を設定しているため、原理的に光量ロスが全くなく明るい表示光学系を可能としている。
【００３８】
図３、図４（本発明の実施形態３，４）は反射型ＬＣＤ３と自由曲面プリズム２との間に、ブーメラン型レンズ７を配置している。実施形態１，２と構成的に違うのは反射型ＬＣＤ３への照明光線の入射角度が垂直でなく、斜入射照明になっていることである。
【００３９】
ＲＧＢのＬＥＤをそれぞれ複数個持った平面照明光源４から発せられた光は、偏光板８で直線偏光化され、ブーメラン型レンズ７の液晶側の光学面Ａ（ハーフミラー）５で反射され、反射型ＬＣＤ３に斜入射し、反射型ＬＣＤ３で斜め方向に反射された光は、光学面５を今度は透過してブーメラン型レンズ７の面１４から射出後、偏光板９に入射する。この時偏光板８で直線偏光化された光の偏光方向が液晶内部で回転するため（液晶駆動電圧ＯＦＦまたはＯＮ）、偏光板９は偏光方向が回転した光を通す方向に設定する必要がある。
【００４０】
偏光板９の直線偏光方向が偏光板８の直線偏光方向と約９０度ずれている場合（液晶内部の偏光方向の回転が９０度）は、偏光板８で直線偏光化された光が、光学面（ハーフミラー）５で反射せず透過していく光（ゴースト光）があるが、偏光板９でこのゴースト光をカットできるため、眼球Ｅにゴースト光が入るのを防ぐ付加価値も生まれる。また反射型ＬＣＤ３が表示面側近傍に不図示の１枚偏光板で表示させるタイプでは、偏光板８と偏光板９は不要となる。偏光板９を射出後、光は自由曲面プリズム２の入射面１１に入射、全反射面（透過面Ｃ）６で全反射し、凹面鏡１０で反射した後に全反射面（透過面Ｃ）６を透過して眼球の瞳Ｅに導かれる。
【００４１】
実施形態３，４では、ローカル母線断面上で２面とも反射型ＬＣＤ３と反対方向を向いた曲率面からなるブーメラン型レンズ７を、反射型ＬＣＤ３と対向して置き、ブーメラン型レンズ７の反射型ＬＣＤ３側の面を光学面Ａ（ハーフミラー）５とすることにより、実施形態１，２と同様に照明系と表示系をコンパクトなものにしている。また斜入射照明により、反射型ＬＣＤ３のローカル母線断面上での下側最周辺像高Ｆ３側の反射型ＬＣＤ３と自由曲面プリズム２との間隔を、実施形態１，２よりもさらに短くできるため、反射型ＬＣＤ３の出っ張りが少なくでき、光学系全体の薄型化及び表示系の広画角化を容易にしている。
【００４２】
実施形態３，４ではブーメラン型レンズ７の両面を、母線断面のみパワーを持つシリンドリカル面にして、ローカル子線断面上での収差発生を極力少なくし、かつ子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがなくこの断面方向に面形状が湾曲しないため、反射型ＬＣＤ３と光学面５を近くすることができ、コンパクト化と広画角化の双方を容易にしている。また他方の曲面１４も光学面５に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ７での収差発生をキャンセルさせている。もちろんローカル子線断面方向のパワーが弱く、ローカル母線断面方向にパワーが強い自由曲面を使用すれば、同等の効果が得られ、さらに良好な光学系性能が得られる。
【００４３】
また実施形態４では、ブーメラン型レンズ７の該光学面（シリンドリカル面）５のローカル母線断面上での曲率を、実施形態３よりもゆるめに設定して、反射型ＬＣＤ３と平面照明光源４が十分干渉しないようにしている。
【００４４】
図５（実施形態５）は２つの自由曲面ミラー１２，１３を用いている。そして反射型ＬＣＤ３と自由曲面ミラー１３との間の光路中に、ブーメラン型レンズ７を配置している。
【００４５】
実施形態３、４と同じように、反射型ＬＣＤ３への照明光線の入射角度は斜入射照明になっている。ＲＧＢのＬＥＤをそれぞれ複数個持った平面照明光源４から発せられた光は、偏光板８で直線偏光化され、ブーメラン型レンズ７の液晶側の光学面（ハーフミラー）５で反射され、反射型ＬＣＤ３に斜入射し、反射型ＬＣＤ３で斜め方向に反射された光は、光学面５を今度は透過してブーメラン型レンズ7の面１４を射出後、偏光板９に入射する。
【００４６】
この時偏光板８で直線偏光化された光の偏光方向が液晶内部で回転するため（液晶駆動電圧ＯＦＦまたはＯＮ）、偏光板９は偏光方向が回転した光を通す方向に設定する必要がある。偏光板９の直線偏光方向が偏光板８の直線偏光方向と約９０度ずれている場合（液晶内部の偏光方向の回転が９０度）は、偏光板８で直線偏光化された光が、光学面（ハーフミラー）５で反射せず透過していく光（ゴースト光）があるが、偏光板９でこのゴースト光をカットできるため、眼球の瞳Ｅにゴースト光が入るのを防ぐ付加価値も生まれる。また反射型ＬＣＤ３が表示面側近傍に不図示の１枚偏光板で表示させるタイプでは、偏光板８と偏光板９は不要となる。
【００４７】
偏光板９を射出後、光はハーフミラー面１３ａを有する自由曲面ミラー１３に入射反射し、もう一枚の自由曲面ミラー１２で反射、ハーフミラー面１３ａの自由曲面ミラー１３を透過して眼球の瞳Ｅに導かれる。
【００４８】
実施形態５では、ローカル母線断面上で２面とも反射型ＬＣＤ３と反対方向を向いた曲率面からなるブーメラン型レンズ７を、反射型ＬＣＤ３と対向して置き、ブーメラン型レンズ７の反射型ＬＣＤ３側の面を該光学面（ハーフミラー）５とすることにより、実施形態１，２と同様に照明系（４，７）と表示系（３，７，１２，１３）をコンパクトなものにしている。また斜入射照明により、反射型ＬＣＤ３のローカル母線断面上での、チルト偏心量（時計回転方向）を大きくできるため、反射型ＬＣＤ３の出っ張りが少なくでき、光学系全体の薄型化を容易にしている。
【００４９】
実施形態５ではブーメラン型レンズ７の両面５，１４を、母線断面のみパワーを持つシリンドリカル面にして、ローカル子線断面上での収差発生を極力少なくし、かつ子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがなくこの断面方向に面形状が湾曲しないため、反射型ＬＣＤ３と光学面５を近くすることができ、コンパクト化を容易にしている。また他方の曲面１４も光学面５に近い面形状にして、ブーメラン型レンズ７での収差発生をキャンセルさせている。もちろんローカル子線断面方向のパワーが弱く、ローカル母線断面方向にパワーが強い自由曲面を使用すれば、同等の効果が得られ、さらに良好な光学系性能が得られる。
【００５０】
本発明の画像表示装置では、反射型の表示手段と、照明光学系と表示光学系で共有する透過兼反射の両作用を有する光学面Ａ（５）はローカル母線断面（該照明光源手段から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）上で曲率を有し、該光学面Ａの該表示手段と反対側に他方の曲面Ｂ（１４）を有するレンズ体が存在し、該照明光源手段から発せられた光線は、該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の該光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該光学面Ａを今度は透過し、該レンズ体（ブーメラン型レンズ）を射出して、複数の反射面で反射した後、眼球に導かれ表示手段に表示した画像の拡大像を形成し、該表示光学系における該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の該光学面Ａのローカル母線断面曲率半径を local_ryＡ、他方の曲面Ｂのローカル母線断面曲率半径をlocal_ryＢとした時、local_ryＡとlocal_ryＢは同符号であり、
０．４ ＜ local_ryＡ／ local_ryＢ ＜ ２．０  ・・・（１）
を満たす。ここで表示光学系とは、表示手段である反射型液晶から眼球直前の面に至る光路中に配置した各部材より成っている。また照明光学系は、照明光源から表示手段（反射型液晶）直前の面に至るころ中に配置した各部材より成っている。なおローカル母線断面曲率半径の説明は、後述の項目に記す。
【００５１】
条件式（１）の下限値を下回ると、光学面Ａと曲面Ｂよりなる該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の該表示手段のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺像高Ｆ３側でのコバ肉厚が厚くなり大型化する。上限値を上回った時は、実施形態３〜５のような斜入射照明系における、光学面Ａと曲面Ｂよりなる該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の眼球側でのコバ肉厚が薄くなるため、レンズ体（ブーメラン型レンズ）の全体の肉厚を厚くしなければならず、大型化してしまう傾向がある。
【００５２】
また実施形態１〜２（垂直入射照明系）の該レンズ体（ブーメラン型レンズ）は、斜入射照明系よりも大きさが短いため、条件式（１）の上限値を（２）式のようにするのが良い。ここで上限値１．３を超えると眼球側でのコバ肉厚が足りなくなる。
【００５３】
０．４ ＜ local_ryＡ／ local_ryＢ ＜ １．３  ・・・（２）
本発明の画像表示装置はパワーを持った該光学面Ａが複数面あっても構わないが、１面のみとすることにより照明光源から反射型液晶までの光路長が短くできるため、コンパクト化が容易となる。
【００５４】
表示光学系に関しては、反射型液晶からの光はハーフミラーである光学面Ａと光学面Ｂを透過して、複数の反射面（６，１０）で光線を折り畳むことにより、表示光学系の水平方向の厚さを薄くしている。また該複数の反射面を偏心曲率面とすると、該複数の反射面自体がパワーを持つため、別体の屈折レンズ等を必要とせず、曲率反射面の偏心量を適切に設定することによりコンパクトな表示光学系を得ている。尚、レンズ体７はryＡ＝ryＢとし、ノンパワーであっても良い。
【００５５】
又、本発明の画像表示装置では反射型の表示手段と、照明光源手段と、該照明光学系と、該表示光学系を有し、該照明光学系と該表示光学系で共有する透過兼反射の両作用を有する曲率光学面Ａと、該曲率光学面Ａの該表示手段と反対側に他方の曲面Ｂを有するレンズ体が存在し、該照明光源手段から発せられた光線は、該レンズ体の曲率光学面Ａで反射して該表示手段を照明し、該表示手段からの反射光は、該曲率光学面Ａを今度は透過し、該レンズ体を射出して、複数の反射面で反射した後、眼球に導かれ拡大像を形成する。
【００５６】
このとき、該表示手段のローカル母線断面上（該照明光源手段から発せられ該表示手段の画像中心と眼球中心を通る基準光線の入射光と射出光を含む面）での最周辺画像のうち、眼球より遠いほう側の最周辺像高Ｆ３と眼球中心とを通る光線をＦ３眼球中心光線とし、眼球より近いほう側の最周辺像高Ｆ２と眼球中心とを通る光線をＦ２眼球中心光線とした時、Ｆ３眼球中心光線のほうが、Ｆ２眼球中心光線より表示光学系における該レンズ体内の光路長が長くなるようにしている。
【００５７】
一般的に、自由曲面プリズムと透過型ＬＣＤのみの表示光学系では、自由曲面プリズムが広画角になる程、Ｆ３像高側の自由曲面プリズムとＬＣＤの間隔（バックフォーカス）を十分確保するのが難しくなる。
【００５８】
そこで反射型ＬＣＤのため、該レンズ体（ブーメラン型レンズ）をこの間隔に挿入する必要があり、Ｆ３像高側の該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の肉厚を、Ｆ２像高側の該レンズ体（ブーメラン型レンズ）の肉厚より厚くすると、自由曲面プリズムとＬＣＤの間隔のin  airでの換算バックフォーカスが、Ｆ３像高側のバックフォーカスほうが短くなり、広画角で良好は光学性能が得られやすくなる。またこのような肉厚の該レンズ体とすることにより、反射ＬＣＤ面と自由曲面プリズムの入射面を平行配置にしやすくなり、反射型ＬＣＤに対しテレセントリック光学系が成り立ち（Ｆ３像高とＦ２像高に関して）、垂直入射照明の光学系に最適なものとしている。
【００５９】
尚、本発明の画像表示装置において、更に装置全体の小型化を図りつつ、画像情報を良好に観察するには次の条件のうちの１以上を満足させるのが良い。
◎ 該照明光源手段は赤色、緑色、青色等の多色光を時分割で放射するＲＧＢ時分割光源であり、該表示手段はＲＧＢ時分割光源のＲＧＢ色光の発光に合わせてＲＧＢの画像を時分割表示することである。
【００６０】
一般的にフィルター方式におけるカラー表示の際は、３色ＲＧＢのカラーフィルターを液晶の前に付けるため、総画素数の１／３画素分が実際のカラー表示画素数となる。しかし上記のような時分割表示反射型液晶と３種類色のＬＥＤ（ＲＧＢ）の組み合わせを使用すると、総画素数がカラーフィルター方式液晶の１／３ですむため、同カラー表示画素数なら液晶のサイズが小さくなり、それに合わせて照明光学系・表示光学系共に小さくすることできる。
◎ 偏心した曲率反射面を有する光学系では、画面内で回転非対称な偏心収差が発生する。そこで表示光学系はアジムス角度により屈折力が異なる面を２面以上含み、表示光学系全体として正の屈折力を有することである。
【００６１】
このアジムス角度により屈折力が異なる面（自由曲面）を採用することにより、回転非対称な偏心収差の補正を可能とし、自由曲面を２面以上使うことにより、表示光学系のローカル母線断面上とローカル子線断面上の正の全系焦点距離をほぼ等しくすることができ、液晶のアスペクト比と同じ比率で拡大投影が可能となる。
◎ レンズ体（ブーメラン型レンズ）をガラス部材で構成することである。現在の反射型液晶の使い方は、照明光学系中に１枚の偏光板１、表示光学系中に他の偏光板を２入れて使用することが多い。ただし表示光学系で、反射液晶から表示光学系中の偏光板までの間は、光学的に平行二コルの関係になるため、この間に複屈折性の強い材料を入れると、材料の光弾性が目で観察されてしまい好ましくない。
【００６２】
そこで、この間に該レンズ体（ブーメラン型レンズ）を入れるが、該レンズ体をガラス部材で構成することにより、該レンズ体が全く複屈折性を持たなくなり、材料の光弾性が目で観察されることがなく、良好な表示系の画像が得られる。
◎ レンズ体の光学面Ａに母線断面のみパワーを持つシリンドリカル面を採用するのが良い。これによれば子線断面またはローカル子線断面方向のパワーがないため、ローカル子線断面上での収差発生を極力少なくでき、かつ子線断面またはローカル子線断面方向に面形状が湾曲しないため、反射型ＬＣＤ３と光学面Ａを近くすることができ、コンパクト化と広画角化が容易となる。
【００６３】
そしてレンズ体の他方の曲面Ｂも該光学面Ａと同様にシリンドリカル面を採用するのが良い。これによれば表示光学系における該レンズ体（ブーメラン型レンズ）での収差発生を抑えることが容易となる。
◎ レンズ体の光学面Ａには金属のハーフミラーを採用することである。これは多層の誘電体膜によるハーフミラーだと、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率が異なり、どちらかの位相遅れが生るため、照明光源からの光は該光学面Ａへの入射角度によっては、偏光板１によって直線偏光化された光が該光学面Ａでの反射で楕円偏光に変わってしまい、反射型ＬＣＤで反射した後の偏光板で不要光を十分カット出来ず、表示光学系のコントラスト落ちにつながる。しかしながら金属のハーフミラーならこのようなことがないので、良好は画質を得ることができる。
◎ 該表示光学系における該レンズ体の該曲率光学面Ａのローカル母線断面曲率が、他方の曲面Ｂのローカル母線断面曲率より強くすることである。即ち曲率光学面Ａの曲率半径が曲面Ｂの曲率半径よりも短くすることである。これによれば、Ｆ３像高側の肉厚も厚く、しかも照明光学系も小さくすることができる。
◎ 該表示手段のローカル母線断面上での、各像高と眼球中心とを通る各像高の眼球中心光線における表示光学系中の該レンズ体内の光路長が、該Ｆ２眼球中心光線側からＦ３眼球中心光線側になるにつれて徐々に長くすることである。これによれば、全ての像高に関してテレセントリック光学系が容易に成り立ち、垂直入射照明の光学系に更に最適なものとなる。
【００６４】
つぎに本発明で使っているローカル近軸について説明する。
【００６５】
図１〜図５は各々本発明の後述する数値実施形態１〜５の要部断面図（ローカル母線断面図、添え字がy）であり、第１面（眼球７）の面頂点座標系を図１に示した。本発明では各面の面頂点をy軸方向でのシフト偏心、ｘ軸回りのチルト偏心しかさせていないため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断面であるが、各面の従来の子線断面とローカル子線断面は異なる。
【００６６】
なお前述した従来の母線断面、子線断面は従来の近軸(general-paraxial axis)の定義であり、ローカル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べるローカル近軸(local-paraxial axis)での定義である。さらにローカル近軸では偏心系に対応したローカル曲率半径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカル屈折力の定義も以下に説明する。
【００６７】
本発明では、照明光源手段４から発せられ表示手段３の画像中心３ａと眼球７の中心１ａを通る光線を基準光線とし、従来の各面面頂点基準の曲率半径・面間隔・焦点距離・屈折力でなく、基準光線の各面でのヒットポイント点（入射点）を基準としたローカル曲率半径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカル屈折力を用いている。
【００６８】
ここでローカル曲率半径は光学面のヒットポイント点上でのローカルな曲率半径（ローカル母線断面上の曲率半径、ローカル子線断面上の曲率半径）をいう。又ローカル面間隔は現在の面と次の面との、２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距離、空気換算なしの値）の値をいう。又ローカル焦点距離はローカル曲率半径・面の前後の屈折率・ローカル面間隔より、従来の焦点距離計算方法（近軸追跡）で計算した値である。ローカル屈折力はローカル焦点距離の逆数の値である。
【００６９】
なお本発明の各数値実施例では従来の曲率半径・面間隔・偏心量・屈折率・アッべ数と、ローカル曲率半径・面の屈折率・ローカル面間隔・ローカル焦点距離を示している。
【００７０】
本発明では５つの数値実施例をあげた。数値実施例１〜５の数値データを表−１〜表−５（表１〜１６）に示し、光路断面図を図１〜５に示した。
【００７１】
表−１〜表−５の従来の近軸では（general-paraxial axis）、母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径ｒｘ・面間隔ｄ（第１面の面頂点座標系と平行）・偏心量（母線断面上において、第１面の面頂点座標系に対する各面の面頂点の平行偏心量をshift、傾き偏心量をｔｉｌｔ度）・ｄ線の屈折率ｎｄ、アッべ数vdを示し、ＦＦＳは自由曲面、ＹＴＯは母線断面のみ屈折力をもつシリンドリカル面、ＡＬは非球面を表している。またＭがついたものは反射面であり、 ｄ線の屈折率ｎｄは逆符号とした。なお表１〜表５は眼球１から液晶３側へおよび照明光源への逆トレースの数値データである。
【００７２】
ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示す。（各面の面頂点座標系で）
ｚ = 1/2*(1/a+1/b)*(y2*cos(c)2+x2)/cos(c)/(1+1/2*(1/a-1/b)*y*sin(c)+
(1+(1/a-1/b)*y*sin(c)-(1/a/b+1/4*tan(c)2*(1/a+1/b)2)*x2)(1/2))
+c20*x2+c11*x*y+c02*y2
+c30*x3+c21* +c03*y3
+c40*x4+c31*x3*y+c22*x2*y2+c13*x*y3+c04*y4
+c50*x5+c41*x4*y+c32*x3*y2+c23*x2*y3+c14*x*y4+c05*y5
+c60*x6+c51*x5*y+c42*x4*y2+c33*x3*y3+c24*x2*y4+c15*x*y5+c06*y6
各a、b、ｃ、ｃ20、c11、c02…・は各々自由曲面係数である。（注意：本自由曲面の場合、自由曲面係数の中に近軸に関与する係数があるため、従来近軸の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径ｒｘの値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径ｒｘと一致しない。そこでポイント(0,0)つまり面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径ｒｘも示した。）
ＹＴＯの定義式は母線断面が下記の非球面式で（各面の面頂点座標系で）
【００７３】
【数１】
0003977021.tif 000002
【００７４】
子線断面は平面（rx=∞）である。
【００７５】
ＡＬの定義式は回転対称非球面で（各面の面頂点座標系で）
【００７６】
【数２】
0003977021.tif 000003
【００７７】
h2  = x2 + y2   , r = rx = ry である。
【００７８】
またローカル近軸(local-paraxial axis)ではローカル曲率半径local-ry,local-rx・ローカル面間隔local-d（反射面は逆符号）・ローカル焦点距離local-fy,local-fx ・面の屈折率ｎｄ（反射面は逆符号）を示している。また各面でのヒットポイント座標（面頂点を0,0）と表示光学系全系ローカル焦点距離・画角と照明光学系光学面Ａのローカル焦点距離も示した。
【００７９】
【表１】
0003977021.tif 000004
0003977021.tif 000005
0003977021.tif 000006
【００８０】
【表２】
0003977021.tif 000007
0003977021.tif 000008
0003977021.tif 000009
【００８１】
【表３】
0003977021.tif 000010
0003977021.tif 000011
0003977021.tif 000012
【００８２】
【表４】
0003977021.tif 000013
0003977021.tif 000014
0003977021.tif 000015
【００８３】
【表５】
0003977021.tif 000016
0003977021.tif 000017
0003977021.tif 000018
0003977021.tif 000019
【００８４】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、図１〜図５に示す構成からなる装置を画像表示装置５１，５２を図６に示すように観察者５０の左右の眼にそれぞれ設け、固定手段５３により観察者の頭部に着脱可能に固定している。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、液晶ディスプレイ等の表示手段に表示した画像情報を観察する際、光源手段から表示手段に至る照明光学系及び表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための表示光学系の構成を適切に設定することによって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロスを減らし、該画像情報を良好なる画質で観察することができる画像観察装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイを達成することができる。
【００８６】
特に本発明によれば、照明光源からの光量ロスが少なく、十分なコントラストを持った画質を提供し、コンパクトな照明光学系と表示光学系が成り立つ反射型ＬＣＤを使ったＨＭＤを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の要部断面図
【図２】  本発明の実施形態２の要部断面図
【図３】  本発明の実施形態３の要部断面図
【図４】  本発明の実施形態４の要部断面図
【図５】  本発明の実施形態５の要部断面図
【図６】  本発明の画像表示装置をＨＭＤに適用したときの要部外略図
【符号の説明】
１    眼球
２    自由曲面プリズム
３    反射型ＬＣＤ(図はＬＣＤの保護板を示しており、液晶面はピント面に存在する。)
４    照明光源（平面光源）
５    光学面Ａ
６    透過面Ｃ（自由曲面プリズムの全反射面）
７    ブーメラン型レンズ
８    偏光板１
９    偏光板２
１０  自由曲面プリズムの凹面鏡
１１  自由曲面プリズムの入射面
１２  自由曲面ミラー１
１３  自由曲面ミラー２
１４  曲面Ｂ
【図１】
0003977021.tif 000020
【図２】
0003977021.tif 000021
【図３】
0003977021.tif 000022
【図４】
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【図５】
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【図６】
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