(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する映像表示素子と、前記映像表示素子の映像表示面に近接して配置され、映像表示素子の発する光線の主光線を発散するように外向きに屈曲する作用を持つ平板状の光線屈曲手段と、前記光線屈曲手段を通過した光線を観察者の眼球に導き、前記映像表示素子の表示する映像を拡大表示する作用を持つ接眼光学系とからなり、
前記光線屈曲手段は、回折光学素子又はフレネルレンズからなり、かつ、少なくとも第１の周期的なパターンを有する第１の周期構造と第２の周期的なパターンを有する第２の周期構造と、該第１及び第２の周期構造が接続された接続部とを有してなるものであり、
前記第１の周期構造は前記第２の周期構造よりも前記光線屈曲手段の中心側に位置し、
前記第２の周期構造は、中心から周辺に至る所定の周期構造の前記接続部より周辺側の部分からなり、
前記第１及び第２の周期構造におけるピッチは、何れも前記光線屈曲手段の中心から周辺へ向かって小さくなる共に、該ピッチの配列の規則は前記第１の周期構造と前記第２の周期構造とで異なり、
前記光線屈曲手段の前記接続部より中心側の各位置におけるピッチと前記接続部でのピッチの差を、前記第１の周期構造と前記所定の周期構造とで比べた場合、前記第１の周期構造におけるピッチの方が前記所定の周期構造におけるピッチよりも大きなっており、
前記光線屈曲手段のピッチをｐ1 、映像表示素子のピッチをｐ2 とするとき、前記光線屈曲手段の周辺から中心へ向かう方向で考えた場合に、
ｐ1 ≧０．９ｐ2                                       ・・・（１）
となる前の位置に、前記接続部が位置することを特徴とする映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能にする頭部又は顔面装着式映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の周知な映像表示装置として、米国特許第４，０２６，６４１号のものがある。この映像表示装置は、図３３に示すように、映像表示素子１の像を伝達素子５で湾曲した物体面６に伝達し、その物体面６をトーリック凹面鏡７により空中に投影するようにしたものである。
【０００３】
また、従来の他のタイプの映像表示装置として、特開平３−１９１３８９号のものがある。この映像表示装置は、図３４に示すように、映像表示素子１の表示画像をハーフミラー２を透過させた後、凹面鏡３で反射させ、その後ハーフミラー２で反射させることにより観察者の眼球内に投影するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２６（ａ）に示すように、映像表示素子１を接眼レンズ８で拡大して眼球４で観察する映像表示装置においては、一般に観察者に大きな映像を表示するためには、接眼光学系（接眼レンズ）８の拡大率（倍率）を大きくする必要がある。接眼光学系の拡大率は、その焦点距離をｆ（ｍｍ）とすると、２５０／ｆであるから、拡大率を大きくするには、図２６（ｂ）に示すように、接眼レンズ８の焦点距離を短くする必要がある。なお、図２６（ａ）、（ｂ）は、液晶表示素子（ＬＣＤ）のように視野角を持つ映像表示素子１を使用した場合の図であり、映像表示素子１側テレセントリック性にするために、接眼光学系８と眼球４間の距離はｆ、映像表示素子１に表示された映像の虚像を１ｍとか２ｍ前に形成すると、接眼光学系８と映像表示素子１の間の距離はほぼｆになる。なお、図２６（ｂ）は図２６（ａ）より焦点距離が小さい場合を示している。
【０００５】
一方、使い勝手を考慮すると、アイリリーフ（射出瞳距離、接眼光学系端面から射出瞳位置までの距離）は１０ｍｍ以上であることが好ましい。アイリリーフを確保しつつ、接眼光学系の焦点距離を短くすると、当然入射瞳位置が映像表示素子に近づいてしまう。すなわち、図２６（ｃ）に示すように、映像表示素子１側のテレセントリック性が悪化してしまう。
【０００６】
映像表示素子１側のテレセントリック性が悪いと、映像表示素子１の表示面の光線の中、光軸近傍では表示面に対して略垂直な光線が接眼光学系８に取り込まれ、光軸から離れた位置では表示面に対して傾斜した光線が接眼光学系８に取り込まれる。これは、接眼光学系８が投影する画像に輝度、コントラスト、色相等にむらを作る原因となり、好ましくない。特に、映像表示素子１がＬＣＤの場合には、この問題が顕著に生ずる。
【０００７】
上述したように、一般に、広画角化するために焦点距離を短くし、アイリリーフを確保しようとすると、接眼光学系の映像表示素子側テレセントリック性がより崩れてしまう。広画角化によりテレセントリック性が悪化する理由としては、図２６（ｃ）に示すように、瞳収差が全くなくとも近軸瞳位置が近づくこと、瞳収差が大きくなりテレセントリック性が悪化すること、があげられる。
【０００８】
さらに、図３４に示す光学系のように、凹面鏡３を使用した場合、負の瞳収差が発生する（軸外射出瞳位置が観察者に近くなってしまう。）。この現象は画角が大きくなる程顕著になる。その結果、接眼光学系の映像表示素子側テレセントリック性がより崩れてしまう。
【０００９】
このテレセントリック性を補正するためには、像面付近に凹パワーのフィールドレンズを配置することが考えられるが、屈折レンズの凹パワーを使用すると像面湾曲をより悪化させ、好ましくない。
【００１０】
トーリック凹面鏡７を偏心させて使用している図３３の例では、接眼光学系は表示素子側テレセントリックにはなっておらず、表示素子の端部のテレセンテレセントリック性は大きく崩れている。したがって、ＬＣＤ等の視野角特性を持つ表示素子を使用する際には、不具合を生ずる。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、テレセントリック性、瞳収差が良好に補正された小型軽量な映像表示装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、前記映像表示素子の映像表示面に近接して配置され、映像表示素子の発する光線の主光線を発散するように外向きに屈曲する作用を持つ平板状の光線屈曲手段と、前記光線屈曲手段を通過した光線を観察者の眼球に導き、前記映像表示素子の表示する映像を拡大表示する作用を持つ接眼光学系とからなり、
前記光線屈曲手段は、回折光学素子又はフレネルレンズからなり、かつ、少なくとも第１の周期的なパターンを有する第１の周期構造と第２の周期的なパターンを有する第２の周期構造と、該第１及び第２の周期構造が接続された接続部とを有してなるものであり、
前記第１の周期構造は前記第２の周期構造よりも前記光線屈曲手段の中心側に位置し、
前記第２の周期構造は、中心から周辺に至る所定の周期構造の前記接続部より周辺側の部分からなり、
前記第１及び第２の周期構造におけるピッチは、何れも前記光線屈曲手段の中心から周辺へ向かって小さくなる共に、該ピッチの配列の規則は前記第１の周期構造と前記第２の周期構造とで異なり、
前記光線屈曲手段の前記接続部より中心側の各位置におけるピッチと前記接続部でのピッチの差を、前記第１の周期構造と前記所定の周期構造とで比べた場合、前記第１の周期構造におけるピッチの方が前記所定の周期構造におけるピッチよりも大きなっており、
前記光線屈曲手段のピッチをｐ1 、映像表示素子のピッチをｐ2 とするとき、前記光線屈曲手段の周辺から中心へ向かう方向で考えた場合に、
ｐ1 ≧０．９ｐ2                                       ・・・（１）
となる前の位置に、前記接続部が位置することを特徴とするものである。
【００１３】
以下に上記本発明の映像表示装置の手段と作用効果について説明する。この説明においては、光学系の設計上の利便性から、原則として観察者の瞳位置から映像表示素子に向けて光線を追跡する逆光線追跡によって行う。
【００１４】
すなわち、映像表示素子の虚像を物体とし、映像表示素子の表示面に表示された映像をその像とし、観察者の瞳孔を入射瞳とし、かつ、射出瞳はＬＣＤ等を使用した場合、理想的には無限遠にあるものとする。
【００１５】
上記したように、本発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、前記映像表示素子の映像表示面に近接して配置され、映像表示素子の発する光線の主光線を発散するように外向きに屈曲する作用を持つ平板状の光線屈曲手段と、前記光線屈曲手段を通過した光線を観察者の眼球に導き、前記映像表示素子の表示する映像を拡大表示する作用を持つ接眼光学系とからなることを特徴とするものである。
【００１６】
この映像表示装置は、後記する実施例１〜１８が対応する。以下、その作用効果を説明する。
映像表示素子の多くはＬＣＤのように視野角特性を持つので、接眼光学系の映像表示素子側をテレセントリックにする必要がある。映像表示素子の光線を外向きに屈曲する作用を持つ平板状の光線屈曲手段により主光線が発散するので、焦点距離の短い接眼光学系を使用してアイリリーフを確保しても、映像表示素子側のテレセントリック性を良好に保つことができる。なお、大きな効果を得るためには、光線屈曲手段の光線屈曲作用を大きくする必要がある。光線屈曲手段は、映像表示素子に近接して配置されていること、及び、光線屈曲手段が平板状であることから、その光線屈曲作用が大きくなってもそれを通して観察される映像表示素子の表示面の光学的位置はほとんど変化がなく、また、光線屈曲手段により発生する収差もわずかである。
【００１７】
接眼光学系を映像表示素子全面においてテレセントリックにするのは、接眼光学系の設計上の制約条件となり、接眼光学系の設計を困難にするし、完全にテレセントリックにするのは実際上かなり難しい。ところが、上記のような光線屈曲手段を備えていれば、光線屈曲手段でテレセントリック性の改善を行えるので、接眼光学系をテレセントリックにする必要がなくなり、接眼光学系の設計が楽になる。
【００１８】
この場合に、光線屈曲手段を光ファイバーバンドルから構成することができる。この映像表示装置は、後記する実施例１が対応する。以下、その作用効果を説明する。
光線屈曲手段としてファイバーバンドルを使用すると、各ファイバー毎に光線の屈曲角を設定できるので、テレセントリック性の悪い光線束のテレセントリック性の改善を行うことができる。各光線毎に光線の屈曲角を設定できるので、射出瞳位置と瞳収差の両方の補正を行うことができ、都合がよい。
【００１９】
また、光線屈曲手段をフレネルレンズから構成することができる。この映像表示装置は、後記する実施例４、５、６、１２が対応する。以下、その作用効果を説明する。
光線屈曲手段としてフレネルレンズを使用すると、フレネルレンズの各輪帯毎に光線の屈曲作用を設定できるので、テレセントリック性の悪い光線束のテレセントリック性の改善を行うことができる。また、通常の屈折レンズと比較するとレンズの厚みを必要とせず、特に顔面に装着する顔面装着式映像表示装置において好都合である。
【００２０】
また、上記の場合に、フレネルレンズが画素毎に要素屈折面を有するものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例５が対応する。その作用効果を説明すると、この場合は、テレセントリック性の補正をより良好に行うことができ、また、モアレ縞の発生を防ぐことができる。そして、凸パワーを持てば、接眼光学系のＮＡ（射出瞳径）を大きくすることができる。
【００２１】
また、光線屈曲手段をマイクロレンズアレイから構成することができる。この映像表示装置は、後記する実施例２、７、１７が対応する。その作用効果を説明する。光線屈曲手段としてマイクロレンズアレイを使用すると、軽量で光線屈曲手段の配置スペースを必要とせず、顔面に装着する顔面装着式映像表示装置において好都合である。
【００２２】
上記の場合に、マイクロレンズアレイが偏心したマイクロレンズを含むものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例４が対応する。以下、その作用効果を説明する。
ＬＣＤの各画素に対して偏心したマイクロレンズを配置することで、その画素の光束を偏向することができる。また、画素毎に最適な偏心量とすることで光束全体のテレセントリック性を良好に補正することができる（光軸上のマイクロレンズは偏心していない。）。また、マイクロレンズにアナモルフィックな特性を持たせることができる。また、この場合、マイクロレンズが凸パワーを持つと、接眼光学系のＮＡを大きくすることができる。また、各マイクロレンズ毎にパワーを変化させれば、テレセントリック性以外の諸収差の補正も行うことができる。
【００２３】
また、光線屈曲手段を回折光学素子（以下、ＤＯＥ）から構成することができる。この映像表示装置は、後記する実施例８、９、１０、１１、１３、１４、１５、１６、１８が対応する。以下、その作用効果を説明する。
テレセントリック性の悪い接眼光学系のテレセントリック性を補正する場合、フィールドレンズとしてＤＯＥを使用すると、ＤＯＥはプレートレンズなのでスペースを必要とせず都合がよい。特に、顔面に装着する顔面装着式映像表示装置において好都合である。
【００２４】
テレセントリック性を補正するために屈折レンズを使用すると、像面湾曲等テレセントリック性以外の収差にも影響を及ぼしてしまう。ところが、ＤＯＥは屈折率無限大の屈折素子と等価であるのでペッツバール和は全く変化させず、テレセントリック性のみを効果的に補正することができる。
【００２５】
ＤＯＥの溝の高さは、透過型ＤＯＥの場合は約２λ、反射型ＤＯＥの場合は約λ／２（λ：波長）と微小なので、フレネルレンズと比較するとモアレ縞が発生し難い。
【００２６】
この場合に、回折光学素子が２次以上の高次回折光を使用しているものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例８、９、１０が対応する。その作用効果を説明すると、光線屈曲度を大きくするには、ＤＯＥのピッチを小さくするか高次回折光を使用すればよい。高次回折光を使用すると、ピッチを大きくできるので、製作上都合がよい。
【００２７】
また、接眼光学系の焦点距離をｆとすると、光線屈曲手段と映像表示手段との距離が０．３ｆ以下であることが望ましい。この映像表示装置は、後記する実施例１から１８が対応する。以下、その作用効果を説明する。
映像表示装置の概念図を図２７に示す。映像表示素子１が接眼レンズ８で拡大され眼球４で観察される。映像表示素子１から出る光束は映像表示素子１に近い程光束径が小さく、各光束毎に図示しない光線屈曲手段上の光束位置が異なるので、収差を崩さずに映像表示素子１全面の光束の偏向を効果的に行うことができる（図２７では、接眼レンズ８が完全に映像表示素子１側テレセントリックの場合について示してあるが、接眼レンズ８のテレセントリック性が崩れている場合も、同様のことが言える。）。
【００２８】
光線屈曲手段と映像表示手段との距離が０．３ｆ以上になると、この効果が少なくなる。複数枚の屈折レンズで構成する実際の接眼光学系、特にプリズムを配置した光学系の場合は、接眼光学系と映像表示素子の間隔は０．３ｆ以下になることが多いので、光線屈曲手段と映像表示手段との距離が０．３ｆ以下であることが望ましい。
【００２９】
この場合、光線屈曲手段が映像表示手段と接触しているようにすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例９、１５が対応する。その作用効果を説明すると、光線屈曲手段が映像表示手段と接触していると、上記の効果が大きくなり、かつ、光線屈曲手段を保持する機構の設計が楽になる。
【００３０】
さらにこの場合、光線屈曲手段の光線屈曲作用を起こす面が映像表示手段と接触しているようにすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例９、１５が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
発散光束の途中に光線屈曲手段を配置すると、接眼光学系の収差を悪化させるが、映像表示素子の直後で光線を屈曲させれば、収差を悪化させることがない。
光線屈曲手段としてＤＯＥを使用した場合、ＤＯＥの作製精度が悪いと、所望の次数光以外の不要次数光がゴーストになる可能性がある。また、ＤＯＥの分散が大きいので色収差の悪影響が発生する可能性がある。しかし、ＤＯＥ面を映像表示素子に実質的に密着させると、不要次数光の影響、色収差の影響がなくなる。
【００３１】
また、光線屈曲手段による光線の屈曲角が３０°以下であることが望ましい。この映像表示装置は、後記する実施例８、９、１４、１５が対応する。その作用効果を説明すると、光線屈曲手段による光線偏向角度が３０°以上になると、光線を屈曲する作用以外に、収差を悪化させる等の悪影響が出たり、複数の光線屈曲手段が必要になり、好ましくない。
【００３２】
また、光線屈曲手段が少なくとも２つの異なる構造を接続してなるものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例９、１０、１２が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
光線屈曲手段がファイバーバンドル、フレネルレンズ、ＤＯＥ、マイクロレンズアレイ等周期的なパターンを持つ場合、光線屈曲手段と映像表示素子の間でモアレ縞が発生する可能性がある。光線屈曲手段と映像表示素子が密着している場合、光線屈曲手段と映像表示素子のピッチの比が２：３あるいは３：２の場合に、最もモアレ縞が発生し難く、ピッチが近くなるとモアレ縞が発生しやすくなる。
【００３３】
そこで、光線屈曲手段を異なる構造を接続した構造とし、光線屈曲手段がモアレ縞が発生しやすい領域を少ししか持たないようにしている。この構造を図２８を使用して説明する。図２８（ａ）は上記のような周期的なパターンを持つ光線屈曲手段（代表的にＤＯＥ）のピッチ配列を示しており、図２８（ｂ）はその接続部近傍を拡大した図であり、映像表示素子周辺に向かうにつれ光線の屈曲角度が大きくなるので、光線屈曲手段も周辺に向かうにつれフレネル輪帯の幅やＤＯＥのピッチが小さくなっている。破線と実線は異なる構造を示し、接続部で破線の構造から実線の構造へ変化している。各構造の周期はある規則に従っており、モアレ縞が発生しやすい周期ｘになる前に、ピッチの配列の規則（構造）を変更する。このようにすれば、モアレ縞が発生しやすい領域がＤからＤ’と狭くなり、モアレ縞が目立たなくなる。
【００３４】
この場合に、光線屈曲手段の接続部両側の異なる構造の光線屈曲作用が連続性を持つようにすることが望ましい。この映像表示装置の作用効果を説明すると、図２８のように異なる構造を接続した場合に、破線のパワー配列と実線のパワー配列は接続部で連続となるようにしなければならない。不連続だと、接続部付近で映像表示素子の映像が不連続となり不自然になる。
【００３５】
さらにこの場合に、光線屈曲手段のピッチをｐ1 、映像表示素子のピッチをｐ2 とするとき、光線屈曲手段の周辺から中心へ向かう方向で考えた場合に、
ｐ1 ≧０．９ｐ2                                       ・・・（１）
となる前に異なる構造が接続されていることが望ましい。この映像表示装置は、後記する実施例９が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
光線屈曲手段のピッチｐ1 が映像表示素子のピッチｐ2 に近くなるとモアレ縞が発生する。一方、ｐ1 ＝１．５ｐ2 、ｐ1 ＝０．６７ｐ2 付近ではモアレ縞が発生し難い。よって、１．１ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．９ｐ2 （さらに好ましくは、１．２ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．８ｐ2 ）となるｐ1 の領域を少なくすればよい。
【００３６】
このようにして光線屈曲手段が最もモアレ縞が発生しやすい領域のピッチを持つのを防ぐことができる。ピッチが細かい光線屈曲手段の周辺からピッチの大きな光線屈曲手段の中心部へ向かう方向で考えると、図２８のように、ｐ1 ≧０．９ｐ2 となる前に光線屈曲手段の構造を変更すればよい。
【００３７】
さらに上記の場合に、光線屈曲手段のピッチをｐ1 、映像表示素子のピッチをｐ2 とするとき、光線屈曲手段は、
１．１ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．９ｐ2                           ・・・（２）
を満足するピッチを含まないことが望ましい。この映像表示装置は、後記する実施例１０、１２が対応する。その作用効果を説明すると、このような限定により、モアレ縞が目立つ領域の光線屈曲手段のピッチを除去することができる。
【００３８】
さらにまた上記の場合に、光線屈曲手段が光線屈曲作用を持たない部分を有するようにすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例９が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
映像表示素子の中央付近でモアレ縞が発生すると、映像観察時に非常に見苦しい。映像表示素子の中央付近は映像表示素子に対する接眼光学系の光線傾角の直角からのずれは小さいので、ＬＣＤのように視野角特性を持つ映像表示素子とテレセントリック性の悪い接眼光学系とを使用した場合でも、その悪影響は少ない。
【００３９】
一方、図２８のような構成にすると、光線屈曲手段が光線屈曲作用を持たない部分ができる（図２８（ａ））。
そこで、図２８の構成の光線屈曲手段を使用し、画像のコントラスト低下や画像の反転等の不具合が起こり難い箇所付近（通常、中央付近）では、光線屈曲作用を持たず、接眼光学系のテレセントリック性や映像表示素子の視野角特性の影響が大きい箇所（通常、映像表示素子周辺）の光線のみテレセントリック性を改善するようにすれば、モアレ縞発生等の不具合がなく、所望の効果が得られるので、都合がよい。
【００４０】
さらに上記の場合に、光線屈曲手段が回折光学素子であり、接続している領域の中心側と周辺側で異なる回折次数光を使用し、中心側では周辺側に使用している回折光よりも高次の回折光を使用するようにすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例１０が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
【００４１】
周辺部では低次回折光を使用し、中心部は高次回折光を使用するようにする。図２９は光線屈曲手段であるＤＯＥのピッチ配列を示す。映像表示素子と光線屈曲手段の間でモアレ縞が発生しやすい領域をＤとする。光線屈曲手段の周辺部では低次回折光（ｍ次回折光）を使用し、領域Ｄの内側ではｍ次より高次のｎ次回折光を使用する（ｍ＜ｎ）。このような構成にすれば、接続部の内側ではピッチがｎ／ｍ（＞１）倍となり、図２９に示すようなピッチ配列となり、モアレ縞が発生しやすいピッチ配列を防ぐことができる。
【００４２】
さらに上記の場合に、光線屈曲手段がフレネルレンズであり、接続している領域の中心側と周辺側で異なる高さのフレネルレンズを使用し、中心側の高さが周辺側の高さより高いようにすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例１２が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
図３０にこのフレネルレンズの断面図を示す。図中（ａ）は通常のフレネルレンズであり、（ｂ）は中心側と周辺側で異なる高さのフレネルレンズである。この高さの異なるフレネルレンズの中心側の高さをＡ、周辺側の高さをＢとする。接続部より内側では、フレネルレンズピッチが外側のＡ／Ｂ倍になり、境界部を境にフレネルレンズピッチが不連続になる。モアレ縞が発生しやすいフレネルレンズのピッチがＰの場合、Ｐ1 ＞Ｐ＞Ｐ2 となるように設定すれば、モアレ縞の発生を防ぐことができる。ここで、Ｐ1 は中心側のフレネルレンズのピッチ、Ｐ2 は周辺側のフレネルレンズのピッチである。
【００４３】
このように設定すれば、接続部における光線屈曲作用に連続性を持たせることができるので、映像観察時に違和感がない。また、中心部のフレネルレンズはピッチが大きいので作成しやすく精度良く製作でき、中心付近の映像は鮮明に観察することができる。最周辺になるとフレネルレンズピッチが細かくなりすぎ、精度良く製作できない可能性もあるが、映像の周辺部は鮮明に観察できなくても問題とならない。
【００４４】
また、光線屈曲手段が同心円状とすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例８、９、１０が対応する。その作用効果を説明すると、ＤＯＥやフレネルレンズをプラスチックモールドで製作する場合、ＤＯＥが回転対称な同心円状であると、その型を製作しやすいメリットがある。
【００４５】
また、光線屈曲手段が偏角プリズム作用を持つものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例１４が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
映像表示素子を大型化することで接眼光学系を広画角化することができる。ただし、映像表示素子が余り大きくなると、左右の映像表示素子が相互に干渉してしまう。そこで、左右の映像表示素子を左右の視軸より外側に配置し、相互の干渉を防ぐ。そして、映像表示素子の前側に配置したプリズム作用を持つ光線屈曲手段により映像表示素子からの光を斜め方向から接眼光学系に導く。こうすることにより、映像表示素子が干渉することなく、接眼光学系の広画角化をすることができる。また、接眼光学系として偏心光学系を使用した場合、主光線の傾き角が光軸対称でなくなったり、主光線が全てある方向に傾いたりする場合がある（視軸を含むＹ−Ｚ平面に関しては対称で、Ｘ−Ｚ平面に関して非対称）。この場合、一方向のテレセントリック性の補正で十分な場合がある。
【００４６】
また、映像表示素子によっては映像表示面内の明視方向がある方向に傾き気味な場合がある。この場合、光線屈曲手段に偏角プリズム作用を持たせることで、映像の中心付近のコントラストを向上させること、コントラストの面内ばらつきを減少させること等の効果をもたらすことができる。
【００４７】
また、光線屈曲手段が偏角プリズム作用とレンズ作用を合わせ持つものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例１１、１５が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
接眼光学系として共軸系の光学系を使用する場合は、主光線の傾き方は光軸対称なので、光線屈曲手段としては光軸対称の光線屈曲作用（レンズ作用）を持てば接眼光学系のテレセントリック性を補正できる。しかし、接眼光学系として偏心光学系を使用すると、図３１に示すように、主光線の傾き方が光軸対称でなくなったり、図３２に示すように、主光線が全てある方向に傾いたりする場合がある（視軸を含むＹ−Ｚ平面に関しては対称で、Ｘ−Ｙ平面に関して非対称）。この場合は、光線屈曲手段が光軸非対称の光線屈曲手段（偏角プリズム作用＋レンズ作用）を持てば、接眼光学系のテレセントリック性を良好に補正することができる。
【００４８】
また、光線屈曲手段がアナモルフィック作用を持つものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例１６、１７が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
図１５に視野角特性（等コントラスト曲線）を示すように、ＬＣＤのような映像表示素子は回転非対称な視野角特性を持つ場合がある。また、図３１、図３２のように、接眼光学系として偏心光学系を使用すると、射出瞳特性も回転非対称なものとなる。この場合、光線屈曲手段もアナモルフィックな特性を持つと、効果的にテレセントリック性を良好に補正することができる。
【００４９】
また、回転対称な接眼光学系（共軸系）と回転対称な視野角特性を持つ映像表示素子を使用した場合にも、アナモルフィック光線屈曲手段を使用すると都合がよい場合がある。映像表示素子が１６：９のような画面を持つ横長の場合、映像観察時には横方向の眼球の移動量が大きくなるので、接眼光学系の射出瞳特性も横長であることが好ましい。接眼光学系をアナモルフィック光学系とすることで、射出瞳を横長にすることもできるが、接眼光学系をアナモルフィックとすると、虚像（映像表示素子の像）もアナモルフィックとなるので、アナモルフィックな映像を映像表示素子に表示する必要がある上、接眼光学系をアナモルフィックにするのはコストがかかり好ましくない。そこで、光線屈曲手段にアナモルフィック作用を持たせ、光線屈曲手段を映像表示素子に密着させれば、映像表示素子の視野角特性（射出瞳特性）のみを横長（任意の特性）にすることができる。
【００５０】
また、映像表示素子と光線屈曲手段が一体化しているものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例６、７、１３が対応する。その作用効果を説明すると、部品点数を増やすことなく接眼光学系のテレセントリック性を改善することができ、好ましい。
【００５１】
上記の場合に、光線屈曲手段が映像表示素子のカバーガラスを兼ねているものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例６が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
光線屈曲手段として周期的なパターンを持つフレネルレンズ等を使用した場合、ＬＣＤのような映像表示素子と光線屈曲手段の間でモアレ縞が発生する可能性がある。光線屈曲手段をＬＣＤの開口と近接一体化し、開口を発した光束を開口の直後で屈曲させれば、モアレ縞が発生しない。また、映像表示素子と光線屈曲手段の位置合わせを行う必要がなくなる。また、この場合、光線屈曲手段が凸パワーを持てば、ＬＣＤの開口効率が向上しさらに好ましい。
【００５２】
ところで、ＬＣＤは液晶層の他に偏光板とカバーガラスを持つ。光線屈曲手段として平行平面板に加工したＤＯＥ等の光線屈曲手段を使用すると、光線屈曲手段がカバーガラスを兼ねるようにすることができ、部品点数を増やすことなく接眼光学系のテレセントリック性を改善することができ、好ましい。ＬＣＤ以外の表面にカバーガラス的なものを持つ映像表示手段についても、同様のことが言える。
【００５３】
また、上記の場合に、光線屈曲手段が回折光学素子であり、その回折光学素子がローパスフィルターを兼ねているものとすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例１３が対応する。以下に、その作用効果を説明する。
映像表示手段として少画素数のＬＣＤのようなものを使用する場合、ローパスフィルターを使用すると、画素が目立たなくなり、好ましい。また、モアレ縞の発生を防いだりモアレ縞のコントラストを低下させることができる。光線屈曲手段のＤＯＥをローパスフィルターとして利用すると、新たにローパスフィルターを追加する必要がないので、好ましい。
【００５４】
また、接眼光学系が凹面鏡を含み、光線屈曲手段が凹パワーの回折光学素子であるようにすることができる。この映像表示装置は、後記する実施例８、９、１１、１４、１５が対応する。以下に、その作用効果を説明する。テレセントリック性を補正するために屈折レンズを使用すると、像面湾曲等テレセントリック性以外の収差にも影響を及ぼしてしまう。ところが、ＤＯＥは屈折率無限大の屈折素子と等価であるので、ペッツバール和は全く変化させず、テレセントリック性のみ効果的に補正することができる。この特性は、凹面鏡を使用した接眼光学系のように射出瞳位置が像面よりマイナス方向にあり、負の像面湾曲が発生している場合に、特に有効である。この場合、テレセントリック性を補正するには像面付近に凹パワーを配置すればよいが、凹パワーの屈折レンズを使用すると、像面湾曲をより悪化させてしまう。ところが、ＤＯＥを使用すれば、ペッツバール和を全く悪化させずに凹パワー作用によりテレセントリック性の補正を行うことができる。接眼レンズが色収差補正不足の場合、凹パワーのＤＯＥを使用すると色収差を悪化させる方向であるが、映像表示素子付近にＤＯＥを配置すると、実質上無影響である。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の映像表示装置の実施例１から１８について図面を参照して説明する。
実施例１
この実施例は、図１に概略の構成を示すように、光ファイバーバンドル１１を映像表示素子１から出る主光線を発散するように外向きに屈曲する作用を持つ平板状の光線屈曲手段として用いる実施例である。すなわち、光ファイバーバンドル１１の映像表示素子１側の端部においては、光ファイバーバンドル１１を構成する光ファイバー素線各々は平行で映像表示素子１の表示面に略垂直になっており、接眼レンズ８側の端部においては、光ファイバーバンドル１１を構成する光ファイバー素線は発散するように外向きとなっている。したがって、テレセントリック性の悪い接眼レンズ８を使用していても、映像表示素子１の表示面から略垂直に出た主光線は光ファイバーにより発散するように外向きに屈曲されるので、光ファイバーバンドル１１を使用することで接眼レンズ８のテレセントリック性を補正できる。
【００５６】
実施例２
この実施例は、図２にＬＣＤの画素に対する１つのマイクロレンズ配置を示したように、光線屈曲手段としてマイクロレンズアレイを用いる実施例である。図２において、ＬＣＤの画素開口１３に対応して配置されるマイクロレンズ１２の中心軸を所要の屈曲角に応じてずらして配置している。マイクロレンズ１２から図示しない接眼光学系に入射する光線の屈曲度と収束度は、マイクロレンズ１２の映像表示素子に対する偏心量とマイクロレンズの曲率半径で決まる。画素毎に適切なマイクロレンズの偏心量と曲率半径を設定すれば、映像表示素子全面のテレセントリック性と収差の補正を行うことができる。
【００５７】
接眼光学系が共軸系の場合は、このマイクロレンズ１２を、図３に示すように、映像表示素子１の画面中心からの方向と位置に応じて、画素開口１３から偏心させることにより、映像表示素子１全面における接眼光学系のテレセントリック性と収差を補正することができる。
【００５８】
接眼光学系が偏心光学系でテレセントリック性が軸対称でない場合は、映像表示素子１の各位置での画素開口１３とマイクロレンズ１２の中心軸との相対関係を適切にコントロールすればよい。
【００５９】
実施例３
この実施例は、図４に概略の構成を示すように、平板状の屈折率分布型レンズ（ＧＩＬ）１４を光線屈曲手段として用いる実施例である。図５にＧＩＬ１４の屈折率分布を示すように、中心から周辺に向かって屈折率が大きくなっており、このＧＩＬ１４は凹レンズの作用をする。したがって、この平板状のＧＩＬ１４を映像表示素子１に密着させ、接眼レンズ８のテレセントリック性を補正している。
【００６０】
実施例４
この実施例は、図６に概略の構成を示すように、フレネルレンズ１５を光線屈曲手段として用いる実施例である。光線の屈曲度は、フレネルレンズ１５の斜面の傾き（高さが一定の場合はピッチ）で決まる。画素１個に対してフレネルレンズ１５のリング（輪帯）を１個配置するようにしてもよいが、そうすると１個１個のフレネルレンズ１５のピッチが細かくなり、製作し難くなる場合がある。このような場合には、図７に示すように、数個の画素１３に対してフレネルレンズ１５のリングを１個配置するようにしてもよい。
【００６１】
実施例５
この実施例は、画素毎にフレネルレンズの屈折面片あるいはプリズム片を配置して光線屈曲手段とする実施例である。図８に１個のＬＣＤ画素１６に対してフレネルレンズの１個のプリズム片１７を配置した様子を示すように、画素１６毎にプリズム片１７を対応させて配置することにより光線を屈曲することで、接眼光学系のテレセントリック性を補正している。映像表示素子内の各画素毎にプリズム片１７を適切な傾斜角とすることで、映像表示素子全面のテレセントリック性を補正することがてきる。
【００６２】
実施例６
以上の実施例では、映像表示素子と接眼光学系からなる系に光線屈曲手段を付加することで、接眼光学系のテレセントリック性を補正している。この実施例では、映像表示素子と光線屈曲手段を一体化している。
【００６３】
図９に示すように、ＬＣＤ１のカバーガラスを接眼光学系のテレセントリック性を補正する特性を持つフレネルレンズ１５の形状とすることで、部品点数を増すことなく、接眼光学系のテレセントリック性を補正している。
【００６４】
実施例７
この実施例は、マイクロレンズからなる光線屈曲手段と映像表示素子を一体化した実施例である。図１０に示すように、ＬＣＤ１のカバーガラスを接眼光学系のテレセントリック性を補正する特性を持つマイクロレンズ１２のアレイ形状とすることで、部品点数を増やすことなく、接眼光学系のテレセントリック性を補正している。なお、この構成のマイクロレンズ１２は、テレセントリック性の補正以外に、ＬＣＤ１側の開口数を増加させる働きもしている。
【００６５】
実施例８
この実施例は、接眼光学系と単純な回折光学素子（ＤＯＥ）を組み合わせた実施例である。図１１に映像表示装置の断面図を示す。この実施例において、接眼光学系８は、凹面鏡８１とハーフミラー面８２を有するプリズム形状をしており、逆光線追跡で瞳４から出た光線は観察者視軸９に沿って進み、接眼光学系８の第１面から入射した光は、ハーフミラー面８２で反射した後、凹面鏡８１で反射して、今度はハーフミラー面８２を透過して接眼光学系８の最終面から射出してＬＣＤ１に結像するものである。
【００６６】
この接眼光学系８は、アイリリーフを確保したまま、短焦点距離化（広画角化）しているので、ＬＣＤ１側のテレセントリック性が崩れている。このテレセントリック性を補正するために、映像表示素子１の直後に回転対称同心円状ＤＯＥ１８を配置している。
【００６７】
その結果、長いアイリリーフ、広画角、良好なテレセントリック性が実現できている。
【００６８】
以下、ＤＯＥ１８の具体的数値について説明する。ＤＯＥの製作性を考慮し、＋２次回折光を使用し（＋２次回折光でブレーズ化）、有効径の最外周でのピッチが１０ミクロンとする。すると、ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓ（ＤＯＥを高い屈折率の屈折曲面と等価にして得られるレンズ）の焦点距離ｆは、
ｆ≦−１４５．９２７
（ｎd ＝１００１、円錐定数Ｋ＝−１）
となり、これから、曲率半径Ｒは、
Ｒ≧０．１４５９２７×１０6 
となり、
Ｒ＝０．１４５９２７×１０6 
となる。図１２にこの場合のＤＯＥのピッチ配列を示す。
【００６９】
このＤＯＥ１８を追加しても接眼光学系８の収差を全く崩すことなく、テレセントリック性の補正が行えている。このＤＯＥ光線屈曲手段によるテレセントリック性補正効果を次の表１に示す。
0003929099.tif 000002
【００７０】
この実施例において、プリズムにより正の色収差が発生している接眼光学系８に凹パワーＤＯＥ１８を追加すると、より色収差を悪化させる方向であるが、ＤＯＥ１８の凹パワーは弱いので、実質的には無影響である。
接眼光学系８の構成パラメータは後記する。なお、後記の構成パラメータ中、面番号３がプリズムの入射側端面、面番号６がプリズムのＬＣＤ側端面、面番号８がＤＯＥの基板のＤＯＥを加工する面であり、面番号８と９がＤＯＥを表現するｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓである。
【００７１】
実施例９
接眼光学系８の構成は、実施例８と同じ（図１１）であるが、ＤＯＥ１８の構成が異なる。画素ピッチが約３０ミクロンのＬＣＤを使用した場合、ＤＯＥやフレネルレンズのピッチが３０ミクロン付近でモアレ縞が発生しやすかったので、光線屈曲手段が３０ミクロン付近のピッチを持たないようにする必要がある。
【００７２】
そこで、図１３の実線で示すように、ＤＯＥ１８の有効径の７０％（半径１２．００１９ｍｍ）〜６０％は、ピッチが大きくなるようにピッチの配列を変更し、有効径の６０％の箇所から内側には、ＤＯＥを加工しないようにしている。なお、図１３中、破線は実施例８のピッチ配列である。
【００７３】
なお、図１１では、このＤＯＥ１８のＤＯＥ面をＬＣＤ１に密着させているが、ＤＯＥ１８のＤＯＥ面と反対側の面をＬＣＤ１と密着させるようにしてもよい。ＤＯＥ面をＬＣＤ１に密着させると、ＤＯＥ１８の色収差の影響は全くない。一方、ＤＯＥ１８のＤＯＥ面と反対側の面をＬＣＤ１と密着させても、色収差の影響は実質上ない上に、モアレ縞のコントラストが落ちる。
【００７４】
以下、本実施例のＤＯＥ１８の具体的数値について説明する。
〔有効径７０％より外側〕
サグ      ：ｓａｇ1 （ｈ）＝ｈ2 ／（２Ｒ）
サグの微分：ｄｅｒ1 （ｈ）＝ｄｓａｇ1 （ｈ）／ｄｈ＝ｈ／Ｒ
ピッチ    ：ｐｉｔ1 （ｈ）＝ｍλＲ／（ｎd −１）／ｈ
ここで、ｈ：光線高、Ｒ：ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓの曲率半径、ｍ：回折光の次数、λ：波長、ｎd ：基板のｄ線の屈折率。
【００７５】
〔有効径７０％〜６０％（接続部）〕
有効径の６０％（ｘ1 ＝１０．２２１４ｍｍ）〜７０％（ｘ2 ＝１２．００１９ｍｍ）の箇所で、サグの微分を以下のべき級数で表現するとする。
ｄｅｒ2 （ｈ）＝ｓｈ2 ＋ｔｈ＋ｕ
すると、
ｓａｇ2 （ｈ）＝ｓｈ3 ／３＋ｔｈ2 ／２＋ｕｈ＋ｖ
ここで、ｈ：光軸からの距離、ｓ，ｔ，ｕ，ｖ：定数。
連続接続するための条件は、
ｄｅｒ1 （ｘ2 ）＝ｄｅｒ2 （ｘ2 ）
ｄｅｒ2 （ｘ1 ）＝０
ｄｄｅｒ2 （ｘ2 ）／ｄｈ＝ｄｄｅｒ1 （ｘ2 ）／ｄｈ
より、
ｓ＝０．２２０９５２×１０-4
ｔ＝−０．５３７２２１×１０-3
ｕ＝０．３１８２７１×１０-2
ｖ＝−０．１２７３２９×１０-1
を得る。
【００７６】
実施例１０
接眼光学系８の構成は、実施例８と同じ（図１１）であるが、ＤＯＥ１８の構成が異なる。モアレ縞の発生を防ぐために、モアレ縞が発生しやすいＤＯＥ１８のピッチより外側は１次回折光を使用し、内側は２次回折光を使用する。この場合のピッチ配列を図１４に示す。図１４のグラフの段差の左側が２次回折光を使用した領域、右側が１次回折光を使用した領域である。
【００７７】
このように、ＤＯＥ１８のピッチが不連続になり、モアレ縞が発生しやすいピッチ配列を防ぐことができる。この場合、光線屈曲手段（ＤＯＥ１８）のピッチをｐ1 、映像表示素子１のピッチをｐ2 とするとき、１．１ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．９ｐ2 （さらに好ましくは、１．２ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．８ｐ2 ）となるようにすると効果的である。
【００７８】
実施例１１
接眼光学系８の構成は、実施例８と同じ（図１１）であるが、ＤＯＥ１８の構成が異なる。この実施例において用いるＬＣＤ１の視野角特性（等コントラスト曲線）を図１５に示す。このＬＣＤ１の視野角特性は正確な回転対称な特性ではない。そこで、厳密な視野角特性の補正を行うために、回転非対称なＤＯＥ１８を光線屈曲手段として使用する。すなわち、図１５のａ方向とｂ方向に対応する方向の屈折パワーの比がａ：ｂ（ａ≠ｂ）となる図１６のような回折格子パターンを有するのＤＯＥ（楕円ＤＯＥ）１８を使用する。
【００７９】
実施例１２
接眼光学系８の構成は実施例８と同じ（図１１）である。ただし、この実施例の場合は、ＤＯＥ１８の代わりにフレネルレンズを用いる。そして、そのフレネルレンズの構造に特徴がある。図１７（ａ）にフレネルレンズ１５の平面図、同図（ｂ）に断面図を示す（焦点距離−１２１．５ｍｍに相当するパワーのフレネルレンズ）。フレネルレンズピッチが１．５ｍｍ場合に、映像表示素子１とフレネルレンズ１５の間で強いモアレ縞が発生するとする。周辺部（Ｂ部）におけるフレネルレンズの高さが０．１ｍｍなので、有効径の中心からの距離が１０ｍｍの位置におけるフレネルレンズピッチは１．２１ｍｍとなる。この部分より内側はフレネルレンズの高さを０．２ｍｍとしている（Ａ部）ので、Ａ部とＢ部の接続部のすぐ内側はピッチは２．４ｍｍ程度で、内側へ向かう程ピッチは大きくなるので、モアレ縞が発生しやすいピッチを除くことができる。
【００８０】
この場合、１．１ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．９ｐ2 （さらに好ましくは、１．２ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．８ｐ2 ）となるようにすると、効果的である。ここで、ｐ1 ：光線屈曲手段（フレネルレンズ１５）のピッチ、ｐ2 ：映像表示素子１のピッチ。
【００８１】
実施例１３
この実施例は、ＤＯＥ光線屈曲手段にローパスフィルターの作用を持たせた実施例であり、図１８に示すように、映像表示素子１に密着あるいは近接して回折溝の断面形状が矩形のＤＯＥ１８を配置している。ＤＯＥ１８の１次回折光により接眼レンズ８のテレセントリック性を補正している。そして、ＤＯＥ１８は回折溝の断面形状が矩形なので、＋１次回折光以外にも、０次光、−１次光・・・が発生する。この中の±１次回折光、０次光によりＤＯＥ１８はローパスフィルターの作用も有する。このようにして、部品点数を増すことなく、接眼光学系８のテレセントリック性の補正とローパスフィルター効果が得られる。
【００８２】
実施例１４
この実施例は、偏心接眼光学系において、ＤＯＥの偏角プリズム作用によるテレセントリック性補正に関する実施例であり、図１９に示すように、接眼光学系８は、相互に偏心配置された２枚の凹面鏡８３、８４からなるものであり、逆光線追跡で瞳４から出た光線は観察者視軸９に沿って進み、接眼光学系８の第１凹面鏡８３に入射して反射された後、第２凹面鏡８４で反射してＬＣＤ１に結像するものである。
【００８３】
この接眼光学系８は偏心光学系を使用しているので、接眼光学系８の主光線は観察者の視軸に対して一方向に傾いている。そこで、光線屈曲手段として偏角プリズム作用（一方向に光線偏向作用）を持つＤＯＥ１８をＬＣＤ１に密着させ、接眼光学系８のテレセントリック性を補正している。ここでは、平行平面板の接眼光学系８側をＤＯＥ面としているが、反対側をＤＯＥ面にしてよい。
【００８４】
この実施例の接眼光学系８の構成パラメータは後記するが、偏角プリズム作用を持つＤＯＥ１８を使用しない場合、接眼光学系８のテレセントリック性が悪いので、軸上主光線が映像表示素子１に対して７．２°傾いている。
【００８５】
後記の構成パラメータについて、補足的に説明すると、ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈｉｎｄｅｘ法の原理により、
（ｎ−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｓｉｎθ
ここで、
ｄｚ／ｄｈ＝ｔａｎα
とする。ｎ＝１００１，θ＝７．２°より、α＝０．００７１８１°（ＤＯＥ面が０．００７１８１°）傾いている。
【００８６】
なお、図１９に示すような接眼光学系８において、主光線が観察者の視軸に対して一方向に傾いているのは、接眼光学系８の収差上好ましいからである。また、映像表示素子１によっては、映像表示面内の明視方向がある方向に傾き気味の場合がある。この場合は、主光線が観察者の視軸に対して一方向に傾いていると、映像の中心付近のコントラストが向上する、コントラストの面内バラツキが減少する等の効果を持たせることができるからである。
【００８７】
実施例１５
この実施例は、偏心接眼光学系において、偏角プリズム作用とレンズ作用を持つＤＯＥによるテレセントリック性補正に関する実施例であり、図１９に示すように、この実施例においても、接眼光学系８は、相互に偏心配置された２枚の凹面鏡８３、８４からなるものであり、逆光線追跡で瞳４から出た光線は観察者視軸９に沿って進み、接眼光学系８の第１凹面鏡８３に入射して反射された後、第２凹面鏡８４で反射してＬＣＤ１に結像するものである。
【００８８】
この接眼光学系８は偏心光学系を使用しているので、接眼光学系８の主光線は観察者の視軸に対して一方向に傾いている。そこで、光線屈曲手段として偏角プリズム作用とレンズ作用を持つＤＯＥ１８をＬＣＤ１に密着させ、接眼光学系８のテレセントリック性を補正している。ここでは、平行平面板のＬＣＤ１側をＤＯＥ面としているが、反対側をＤＯＥ面にしてよい。なお、この実施例の接眼光学系８の構成パラメータは後記する。
【００８９】
実施例１６
この実施例は、アナモルフィック作用を持つＤＯＥ光線屈曲手段による横長射出瞳の形成に関する実施例である。図２０に示すように、接眼光学系８として回転対称（共軸）の光学系を使用し、映像表示素子は画面横縦寸法比が１６：９の横長のＬＣＤ１を使用する場合、ＬＣＤ１が回転対称に近い視野角特性を持つと、図２０の左下に模式的に示すような回転対称な特性を持つ射出瞳が形成される。なお、この射出瞳の中心は明るく、周辺は暗くなる。そこで、図２０の射出瞳は明るさの分布の等高線として示してある。
【００９０】
そこで、図２２に格子溝の形状を模式的に示すように、横（Ｘ）方向のパワーが縦（Ｙ）方向のパワーより強いアナモルフィックＤＯＥ１９を用い、図２１に示すように、ＬＣＤ１にこのアナモルフィックＤＯＥ１９を密着させ、ＬＣＤ１の虚像に影響することなく、図２１の左下に模式的に示すような横長の特性を持つ射出瞳を形成すると共に、接眼光学系８のテレセントリック性を補正する。
【００９１】
ここで、ＬＣＤ１が回転対称に近い視野角特性を持つとしたが、ＬＣＤ１の視野角特性が回転対称でない場合は、所望の射出瞳特性が得られるように、光線屈曲手段ＤＯＥ１９のアナモルフィック度を変更すればよい。
【００９２】
また、接眼光学系８が完全にテレセントリックな場合は、Ｘ方向にパワーを持ち、Ｙ方向にパワーを持たないシリンドリカル作用を持つ光線屈曲手段１９を使用すればよい。
【００９３】
実施例１７
この実施例は、アナモルフィック作用を持つマイクロレンズ光線屈曲手段による横長射出瞳の形成に関する実施例である。本実施例では、実施例１６のＤＯＥ１９の代わりに、図２３に示すように、映像表示素子１を構成する画素開口１３に整列させてアナモルフィックマイクロレンズ２０をアナモルフィック光線屈曲手段としてアレイ状に配置することで、Ｘ方向の視野角特性（射出瞳特性）を大きくしている。ここでは、凹パワーを持つマイクロレンズ２０を使用しているが、接眼光学系８の射出瞳位置がＬＣＤ１のマイナス方向であれば、凸パワーのマイクロレンズを使用すればよい。
【００９４】
実施例１８
この実施例は、シリンドリカルレンズ作用を持つ光線屈曲手段による広画角化に関する実施例である。図２４（ａ）に示すように、映像表示素子１を接眼レンズ８で拡大して眼球４で観察する映像表示系を左右の眼４それぞれに別々に配置して映像表示装置を構成する場合に、図２４（ｂ）に示すように、広画角化のために左右の映像表示素子１を大型化すると、左右の映像表示素子１が相互に干渉してしまう（実際の映像表示素子１は映像表示領域周辺の面積が大きいため）。そこで、図２４（ｃ）に示すように、左右の映像表示系それぞれに２つのシリンドリカルレンズ作用を持つ光線屈曲手段２１、２２の組み合わせからなる光学系を接眼レンズ８の映像表示素子１側に配置して、左右の映像表示素子１を左右の視軸２３より外側に配置し、映像表示素子１からの光を斜め方向から接眼レンズ８に導くようにする。この２つの光線屈曲手段の中、一方の光線屈曲手段２１は、映像表示素子１から略垂直に出る主光線を斜めに屈曲させ、他方の光線屈曲手段２２は、光線屈曲手段２１で斜めに屈曲された主光線を視軸２３に略平行に屈曲させる作用をする。このようにして、左右の映像表示素子１に大きな映像表示素子を使用した際の映像表示素子１相互の干渉を防ぐことができる。ここで、シリンドリカルレンズ作用を持つ光線屈曲手段２１、２２としては、図２４（ｄ）に示すようなシリンドリカルレンズを偏心して配置したものを用いればよい。このようにして、映像表示素子１が相互に干渉することなく、接眼光学系の広画角化を図ることができる。
【００９５】
なお、光線屈曲手段２１、２２には、一方向（図２４（ｄ）のようにＸ−Ｚ平面方向）のみに光線屈曲作用を持たせてもよいし、２次元の映像表示素子１の視野角特性補正作用や接眼光学系８のテレセントリック性補正作用を持たせてもよい。また、接眼光学系８として偏心光学系を使用する場合は、接眼光学系８の偏心収差の補正作用を光線屈曲手段２１、２２に持たせることもできる。ここで、映像表示素子１の視野角特性補正作用とは、映像表示素子１からの出る表示光の角度分布が表示面の法線を中心に等方的に分布せず何れかの方向に偏っている場合には、単に接眼レンズ８を配置するだけでは暗い像しか観察できないので、この偏った視野角特性を上記のような光線屈曲手段２１により補正して明るい像を観察できるようにすることであり、また、接眼光学系８のテレセントリック性補正作用とは、図２４（ａ）に示すように接眼レンズ８のテレセントリック性が良好のものの場合には観察上全く問題がないが、収差補正やコンパクト化によるレンズ枚数制限等の要請により接眼レンズ８のテレセントリック性が良好でない場合に、足りないテレセントリック性を光線屈曲手段２１、２２により補うことである。以上のように、光線屈曲手段２１、２２に２次元の映像表示素子１の視野角特性補正作用や接眼光学系８のテレセントリック性補正作用等を持たせることにより、部品点数を増やすことなく、テレセントリック性の補正や視野角特性の補正を同時に行うことができる。
なお、シリンドリカルレンズ作用を持つ光線屈曲手段２１、２２はＤＯＥにより構成することもできる。
【００９６】
次に、実施例８、１４、１５の構成パラメータを示すが、面番号は映像表示素子１の虚像位置から観察者の瞳位置４を経て映像表示素子１に向かう逆追跡の面番号として示してある。
【００９７】
そして、座標の取り方は、図１１に示すように、観察者の虹彩位置４あるいは回旋中心を原点とし、観察者視軸９を原点から接眼光学系８に向かう方向を正とするＺ軸、観察者視軸９に直交し、観察者眼球から見て上下方向の下から上を正とするＹ軸、観察者視軸９に直交し、観察者眼球から見て左右方向の右から左を正とするＸ軸と定義する。つまり、図１１の紙面内をＹ−Ｚ面とし、紙面と垂直方向の面をＸ−Ｚ面とする。
【００９８】
そして、下記の構成パラメータ中において、実施例８については、接眼光学系８の光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとし、各面の相対位置は軸上の面間隔（映像表示素子１の虚像位置について別にすると、反射の回毎に符号が変化する。）で定義され、光軸に対して中心軸が傾いた面の傾き角はθで表示されている。その場合、θが正は反時計回りを意味する。また、実施例１４、１５において、接眼光学系８を構成する偏心光学系の光軸は紙面のＹ−Ｚ面内で折り曲げられるものとし、偏心量Ｙ、Ｚと傾き角θが記載されている面においては、基準面である２面（瞳位置４）からのその面の面頂のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量及びその面の中心軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反時計回りを意味する。なお、面間隔が記載されている面については、その面と次の面の軸上面間隔である（ただし、実施例１５のＤＯＥの基板以降は同軸系とし、ＤＯＥ面のみが前の面に対してθだけ傾いているものとする。）。
【００９９】
なお、各面において、回転対称な非球面形状は、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ４次、６次、８次の非球面係数、ｈはｈ2 ＝Ｘ2 ＋Ｙ2 とすると、非球面式は以下に示す通りである。
【０１００】
0003929099.tif 000003
また、各面において、回転非対称の非球面形状は、その面を規定する座標上で、Ｒy 、Ｒx はそれぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内での近軸曲率半径、Ｋx 、Ｋy はそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲはそれぞれＺ軸に対して回転対称な４次、６次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰはそれぞれＺ軸に対して回転非対称な４次、６次の非球面係数とすると、非球面式は以下に示す通りである。
【０１０１】
0003929099.tif 000004
なお、面と面の間の媒質の屈折率はｄ線の屈折率で表す。長さの単位はｍｍである。ＤＯＥの設計では、Ｓｗｅａｔｔ法を使用している（W.C.Sweatt,"Mathematical equivalence between a holographic optical element and an ultra-high index lens",J.Opt.Soc.Am.,Vol.69,No.3(1979)参照）。
【０１０２】
以下に、実施例８、１４、１５の構成パラメータを示す。なお、記載のない非球面に関する項はゼロである。
0003929099.tif 000005
【０１０３】
0003929099.tif 000006
【０１０４】
0003929099.tif 000007
【０１０５】
以上、本発明の映像表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【０１０６】
本発明の映像表示装置を頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ）として構成し、観察者が装着した状態の斜視図を図２５に示す。図中、６１はディスプレイ本体部を示し、その中に眼幅距離だけ離して何れかの実施例の接眼光学系と映像表示素子が配置され、支持部材によりディスプレイ本体部６１を観察者の顔面に保持するように支持部材が頭部を介して固定している。その支持部材としては、一端をディスプレイ本体部６１に接合し、観察者のこめかみから耳の上部にかけて延在する左右の前フレーム６２と、前フレーム６２の他端に接合され、観察者の側頭部を渡るように延在する左右の後フレーム６３と、左右の後フレーム６３の他端に挟まれるように自らの両端を一方ずつ接合し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム６４とから構成されている。
【０１０７】
また、前フレーム６２における後フレーム６３との接合部近傍には、弾性体からなり例えば金属板バネ等で構成されたリヤプレート６５が接合されている。このリヤプレート６５は、上記支持部材の一翼を担うリヤカバー６６が観察者の後頭部から首の付け根にかかる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように接合されている。
【０１０８】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル７２が一端を電装部品に接続し、頭頂フレーム６４、後フレーム６３、前フレーム６２、リヤプレート６５の内部を介してリヤカバー６６の後頭部より外部に突出している。そして、このケーブル７２は、ビデオ再生装置７０に接続されている。また、７１はビデオ再生装置７０のスイッチやボリュウム調整部である。
【０１０９】
なお、ケーブル７２は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１１０】
この使用例の場合、例えば実施例８の接眼光学系８を使用し、この接眼光学系８の前方に液晶シャッターを配備し、外界像を選択的に又は映像表示素子１の映像と重畳して観察できるようにすることができる。
【０１１１】
以上の本発明の映像表示装置は例えば次のように構成することができる。
〔１〕  映像を表示する映像表示素子と、前記映像表示素子の映像表示面に近接して配置され、映像表示素子の発する光線の主光線を発散するように外向きに屈曲する作用を持つ平板状の光線屈曲手段と、前記光線屈曲手段を通過した光線を観察者の眼球に導き、前記映像表示素子の表示する映像を拡大表示する作用を持つ接眼光学系とからなることを特徴とする映像表示装置。
【０１１２】
〔２〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段が光ファイバーバンドルであることを特徴とする映像表示装置。
【０１１３】
〔３〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段がフレネルレンズであることを特徴とする映像表示装置。
【０１１４】
〔４〕  上記〔３〕において、前記フレネルレンズが画素毎に要素屈折面を有することを特徴とする映像表示装置。
【０１１５】
〔５〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段がマイクロレンズアレイであることを特徴とする映像表示装置。
【０１１６】
〔６〕  上記〔５〕において、前記マイクロレンズアレイが偏心したマイクロレンズを含むことを特徴とする映像表示装置。
【０１１７】
〔７〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段が回折光学素子であることを特徴とする映像表示装置。
【０１１８】
〔８〕  上記〔７〕において、前記回折光学素子が２次以上の高次回折光を使用していることを特徴とする映像表示装置。
【０１１９】
〔９〕  上記〔１〕において、前記接眼光学系の焦点距離をｆとすると、前記光線屈曲手段と前記映像表示手段との距離が０．３ｆ以下であることを特徴とする映像表示装置。
【０１２０】
〔１０〕  上記〔９〕において、前記光線屈曲手段が前記映像表示手段と接触していることを特徴とする映像表示装置。
【０１２１】
〔１１〕  上記〔１０〕において、前記光線屈曲手段の光線屈曲作用を起こす面が映像表示手段と接触していることを特徴とする映像表示装置。
【０１２２】
〔１２〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段による光線の屈曲角が３０°以下であることを特徴とする映像表示装置。
【０１２３】
〔１３〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段が少なくとも２つの異なる構造を接続してなるものであることを特徴とする映像表示装置。
【０１２４】
〔１４〕  上記〔１３〕において、前記光線屈曲手段の接続部両側の異なる構造の光線屈曲作用が連続性を持つことを特徴とする映像表示装置。
【０１２５】
〔１５〕  上記〔１３〕において、前記光線屈曲手段のピッチをｐ1 、前記映像表示素子のピッチをｐ2 とするとき、前記光線屈曲手段の周辺から中心へ向かう方向で考えた場合に、
ｐ1 ≧０．９ｐ2                                       ・・・（１）
となる前に異なる構造が接続されていることを特徴とする映像表示装置。
【０１２６】
〔１６〕  上記〔１３〕において、前記光線屈曲手段のピッチをｐ1 、前記映像表示素子のピッチをｐ2 とするとき、前記光線屈曲手段は、
１．１ｐ2 ＞ｐ1 ＞０．９ｐ2                           ・・・（２）
を満足するピッチを含まないことを特徴とする映像表示装置。
【０１２７】
〔１７〕  上記〔１３〕において、前記光線屈曲手段が光線屈曲作用を持たない部分を有することを特徴とする映像表示装置。
【０１２８】
〔１８〕  上記〔１３〕において、前記光線屈曲手段が回折光学素子であり、接続している領域の中心側と周辺側で異なる回折次数光を使用し、中心側では周辺側に使用している回折光よりも高次の回折光を使用することを特徴とする映像表示装置。
【０１２９】
〔１９〕  上記〔１３〕において、前記光線屈曲手段がフレネルレンズであり、接続している領域の中心側と周辺側で異なる高さのフレネルレンズを使用し、中心側の高さが周辺側の高さより高いことを特徴とする映像表示装置。
【０１３０】
〔２０〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段が同心円状であることを特徴とする映像表示装置。
【０１３１】
〔２１〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段が偏角プリズム作用を持つことを特徴とする映像表示装置。
【０１３２】
〔２２〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段が偏角プリズム作用とレンズ作用を合わせ持つことを特徴とする映像表示装置。
【０１３３】
〔２３〕  上記〔１〕において、前記光線屈曲手段がアナモルフィック作用を持つことを特徴とする映像表示装置。
【０１３４】
〔２４〕  上記〔１〕において、前記映像表示素子と前記光線屈曲手段が一体化していることを特徴とする映像表示装置。
【０１３５】
〔２５〕  上記〔２４〕において、前記光線屈曲手段が前記映像表示素子のカバーガラスを兼ねていることを特徴とする映像表示装置。
【０１３６】
〔２６〕  上記〔２４〕において、前記光線屈曲手段が回折光学素子であり、前記回折光学素子がローパスフィルターを兼ねていることを特徴とする映像表示装置。
【０１３７】
〔２７〕  上記〔１〕において、前記接眼光学系が凹面鏡を含み、前記光線屈曲手段が凹パワーの回折光学素子であることを特徴とする映像表示装置。
【０１３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コンパクト、広画角で、テレセントリック性が良好に補正された接眼光学系を使用した映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の映像表示装置の概略の構成を示す図である。
【図２】実施例２のＬＣＤの画素に対する１つのマイクロレンズ配置を示す図である。
【図３】実施例２の映像表示素子全面におけるマイクロレンズ配置を示す図である。
【図４】実施例３の概略の構成を示す図である。
【図５】実施例３において光線屈曲手段として用いる屈折率分布型レンズの屈折率分布を示す図である。
【図６】実施例４の概略の構成を示す図である。
【図７】実施例４において光線屈曲手段として用いるフレネルレンズのリングの画素に対する配置を示す図である。
【図８】実施例５のＬＣＤ画素に対するフレネルレンズのプリズム片の配置を示す図である。
【図９】実施例６において光線屈曲手段として用いるＬＣＤのカバーガラスのフレネルレンズ形状を示す図である。
【図１０】実施例７において光線屈曲手段として用いるＬＣＤのカバーガラスのマイクロレンズアレイ形状を示す図である。
【図１１】実施例８の映像表示装置の断面図である。
【図１２】実施例８において光線屈曲手段として用いるＤＯＥのピッチ配列を示す図である。
【図１３】実施例９において光線屈曲手段として用いるＤＯＥのピッチ配列を示す図である。
【図１４】実施例１０において光線屈曲手段として用いるＤＯＥのピッチ配列を示す図である。
【図１５】実施例１１において用いるＬＣＤの視野角特性（等コントラスト曲線）を示す図である。
【図１６】実施例１１において光線屈曲手段として用いるＤＯＥの回折格子パターンを示す図である。
【図１７】実施例１２において光線屈曲手段として用いるフレネルレンズの平面図と断面図である。
【図１８】実施例１３の概略の構成を示す図である。
【図１９】実施例１４の映像表示装置の断面図である。
【図２０】接眼光学系として回転対称光学系を使用した映像表示素子の構成と射出瞳形状を示す図である。
【図２１】実施例１６の概略の構成と射出瞳形状を示す図である。
【図２２】実施例１６において光線屈曲手段として用いるアナモルフィックＤＯＥの格子溝の形状を模式的に示す図である。
【図２３】実施例１７の映像表示素子全面におけるアナモルフィックマイクロレンズ配置を示す図である。
【図２４】実施例１８の構成と作用を説明するための図である。
【図２５】本発明による頭部装着式映像表示装置を観察者が装着した状態の斜視図である。
【図２６】アイリリーフを確保したまま接眼光学系の焦点距離を短くすると映像表示素子側のテレセントリック性が悪化してしまうことを説明するための図である。
【図２７】映像表示装置の概念図である。
【図２８】本発明により光線屈曲手段を異なる構造を接続した構造とする理由を説明するための図である。
【図２９】本発明により光線屈曲手段を異なる回折次数光を使用する回折光学素子とする場合のピッチ配列を示す図である。
【図３０】本発明により光線屈曲手段を異なる高さからなるフレネルレンズとする場合のピッチ配列を示す図である。
【図３１】接眼光学系として偏心光学系を使用する場合に主光線の傾き方が光軸対称でなくなる様子を示す図である。
【図３２】接眼光学系として偏心光学系を使用する場合に主光線が全てある方向に傾く様子を示す図である。
【図３３】従来の１つの周知な映像表示装置の概略の構成を示す図である。
【図３４】従来のもう１つの周知な映像表示装置の概略の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…映像表示素子（ＬＣＤ）
４…眼球（瞳）
８…接眼レンズ（接眼光学系）
９…観察者視軸
１１…光ファイバーバンドル
１２…マイクロレンズ
１３…ＬＣＤの画素開口
１４…屈折率分布型レンズ（ＧＩＬ）
１５…フレネルレンズ
１６…ＬＣＤ画素
１７…フレネルレンズのプリズム片
１８…ＤＯＥ
１９…アナモルフィックＤＯＥ
２０…アナモルフィックマイクロレンズ
２１、２２…シリンドリカルレンズ
６１…ディスプレイ本体部
６２…前フレーム
６３…後フレーム
６４…頭頂フレーム
６５…リヤプレート
６６…リヤカバー
６９…イヤホン
７０…ビデオ再生装置
７１…スイッチ、ボリュウム調整部
７２…ケーブル
８１…凹面鏡
８２…ハーフミラー面
８３、８４…凹面鏡
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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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２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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