(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を発する光源と、
入射した照明光の内部反射により画像を表示する反射型画像表示素子と、
前記反射型画像表示素子に表示された画像を観察者の眼に投写する投写光学系と、
前記光源から入射した照明光を前記反射型画像表示素子に向けて全反射させるとともに、前記反射型画像表示素子から射出した画像光を前記投写光学系に向けて透過させるレンズ面を備えた導光光学系とを有し、
前記投写光学系は、少なくとも１つの反射面を有して前記反射型画像表示素子から射出した画像光を観察者の眼側に射出する第１の光学系と、この第１の光学系よりも観察者の眼側に配置されて前記第１の光学系から射出した画像光に対して少なくとも一方が回折作用面である２つの光学作用面を有する第２の光学系とを有して構成されており、
前記投写光学系の射出瞳中心と前記反射型画像表示素子の中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、前記射出瞳中心を原点とし、この原点と交わる基準軸光線上をＺ軸（但し、原点から前記投写光学系に向かう方向を正とする）とし、前記基準軸光線を含む断面上でＺ軸に垂直な方向をＹ軸とし、ＹＺ軸に垂直な軸をＸ軸とする絶対座標系のＹＺ面内において、前記導光光学系内を通過する画像光のうち前記導光光学系からの射出角度が最大となる主光線をｒ１、前記射出角度が最小となる主光線をｒ２とし、前記回折作用面における前記主光線ｒ１および主光線ｒ２の通過位置での位相関数値をそれぞれΨ１，Ψ２としたときに、
Ψ１＜Ψ２
〈但し、位相関数値Ψ(x,y) は、
Ψ(x,y) ＝Ｋ×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3）
で表され、Ｋは定数、ｘ，ｙは前記回折作用面のローカル座標系でのｘ，ｙ座標、Ｃｊは係数であり、前記回折作用面上での主光線ｒ１，ｒ２の通過点のｘ座標をそれぞれ０、ｙ座標をそれぞれｙ１，ｙ２とするとき、
Ψ１＝Ψ（ｙ１）
Ψ２＝Ψ（ｙ２）
となる〉
の関係を満たすことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記第２の光学系の回折作用面は、この回折作用面の基準面上に、
前記位相関数
Ψ(x,y) ＝Ｋ×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3）
で表される回折格子が形成されたものであり、
前記基準面は平面からなることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記平面は、前記Ｘ軸を中心に回転偏心した平面であることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第２の光学系の回折作用面における基準面が非球面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第２の光学系の回折作用面における基準面が非回転対称面からなることを特徴とする請求項１又は４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記第２の光学系の回折作用面における基準面が、前記絶対座標系のＹＺ面に対して面対称となる面であることを特徴とする請求項１，４又は５に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第２の光学系の回折作用面以外の光学作用面が平面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記平面は前記Ｘ軸を中心に回転偏心した平面であることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記第２の光学系の回折作用面以外の光学作用面が非球面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記第２の光学系の回折作用面以外の光学作用面が非回転対称面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記第２の光学系の回折作用面以外の光学作用面が、前記絶対座標系のＹＺ面に対して面対称となる面であることを特徴とする請求項１から６，９，１０のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記第２の光学系の回折作用面が、前記第１の光学系側に配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記絶対座標系のＹＺ面内において、前記反射型画像表示素子から射出して前記導光光学系内を通過する画像光の光線のうち、光路長が最長となる光線をｒ３、光路長が最短となる光線をｒ４とし、前記第２の光学系内における前記光線ｒ３および光線ｒ４の光路長をそれぞれｔ３，ｔ４とし、前記第２の光学系が前記光線ｒ３および光線ｒ４に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ３，Φ４としたときに、
ｔ３＜ｔ４
および、
Φ３＞Φ４
〈但し、ｒｉ光線の光学的パワーΦｉは、
前記２つの光学作用面Ａ，Ｂの光学的パワーをφｉ（Ａ），φｉ（Ｂ）とし、前記第２の光学系を形成する材質の屈折率をｎｄとし、前記光学作用面Ａを観察者の眼側の面とし、前記光学作用面Ｂを前記第１の光学系側の面とし、曲率の符号を観察者の眼側から前記第１の光学系に向かう方向を正とし、前記光線ｒｉと光学作用面Ａ，Ｂとの交点でのローカル曲率半径をＲｉ（Ａ）， Ｒｉ（Ｂ）としたときに、
φｉ（Ａ）＝（ｎｄ−１）／Ｒｉ（Ａ）
φｉ（Ｂ）＝（１−ｎｄ）／Ｒｉ（Ｂ）
Φｉ＝φｉ（Ａ）＋φｉ（Ｂ）−φｉ（Ａ）×φｉ（Ｂ）×ｔｉ／ｎｄとする〉
のうち少なくとも一方の関係を満たすことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１４】
前記第２の光学系における２つの光学作用面のうち少なくとも１つの面に反射防止膜を施したことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記第２の光学系はプラスチックで形成されたことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記第２の光学系を、前記第１の光学系に別部材を介さずに一体で保持させたことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記第２の光学系を、前記第１の光学系を保持する部材により保持させたことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記第１の光学系は透明な光学材料により形成されたプリズムレンズを有して構成されており、
前記プリズムレンズの光学作用面のうち少なくとも１つは回転非対称面であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１９】
前記プリズムレンズは、前記反射型画像表示素子からの画像光を入射させる入射面と、この入射面から入射した画像光を反射させる反射面と、この反射面で反射した画像光が射出する射出面とを有し、
前記入射面、反射面および射出面のうち少なくとも１つの面は回転非対称面であることを特徴とする請求項１８に記載の画像表示装置。
【請求項２０】
前記第１の光学系の反射面が凹面反射面であることを特徴とする請求項１から１９のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか１つに記載の画像表示装置と、この画像表示装置に対して前記反射型画像表示素子に表示させる画像情報を供給する画像情報出力装置とを有して構成されることを特徴とする画像表示システム。
【請求項２２】
前記画像情報出力装置が、パーソナルコンピュータ又はＤＶＤプレーヤーであることを特徴とする請求項２１に記載の画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等と称される画像表示装置や、カメラのファインダーとして用いられる画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような画像表示装置においては、装置全体の小型化が要望されており、これを達成するための光学系が種々提案されている。
【０００３】
例えば、本出願人は、特開平７―３３３５５１号公報、特開平８−５０２５６号公報、特開平８−１６０３４０号公報、特開平８−１７９２３８号公報において、画像情報を表示する液晶ディスプレイと、この液晶ディスプレイに表示された画像を観察者の眼に投写し観察させる小型プリズムとを使用し、装置全体の小型化を図った画像観察装置を提案している。
【０００４】
上記各公報にて提案の画像表示装置は、画像情報を表示した液晶ディスプレイから発せられた光を、小型プリズムに入射させ、小型プリズムに形成した曲率を有した屈折面や全反射面、そして反射面を介して小型プリズムを射出させて、観察者の眼に導びく。これにより、観察者の前方に液晶ディスプレイの虚像が形成され、観察者がこの虚像を観察する構成である。
【０００５】
ところで、これらの画像表示装置においては、液晶ディスプレイとして透過型液晶ディスプレイを用いているが、この透過型液晶ディスプレイについては、近年の画像表示素子の高精細化に伴い、画素開口率の低さが画質の低下につながるという欠点が指摘されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような現状に対して、高精細な画像が要求される画像表示装置に画素開口率の高い反射型液晶ディスプレイを用いることが提案されている。反射型液晶ディスプレイを用いた画像表示装置としては、例えば、特開平１１−１２５７９１号公報にて提案されているものがある。この装置では、本願図９に示すように、光源１１２からの光を光学素子を介することなく直接、反射型液晶ディスプレイ１０８に入射させ、照明する。
【０００７】
しかしながら、このような画像表示装置では、光源１１２からの光を液晶ディスプレイ１０８に直接入射させるために、光源１１２と液晶ディスプレイ１０８を含む照明ユニット、さらには装置全体の大型化が問題となる。また、液晶ディスプレイ１０８が表示光学系１１０に対して大きく傾く構成であるため、液晶ディスプレイ１０８から表示光学系１１０までの光路長が物高によって大きく異なり、光学性能が低下するという問題がある。
【０００８】
また、別の画像表示装置として、図１０に示すように、プリズム形状の表示光学系１１０に対して液晶ディスプレイ１０８とは反対側に光源１１２を設けたものもある。この装置では、光源１１２からの光はプリズム形状の表示光学系１１０内を透過後、液晶ディスプレイ１０８を照明し、その照明光のうち液晶ディスプレイ１０８で反射された光（画像光）が再び表示光学系１１０内に入射し、観察者の眼１０１に到達する。
【０００９】
しかし、このような照明系では、プリズム形状の表示光学系１１０の内部で起こる不要反射が画質劣化の大きな要因であるフレア光を発生させるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、極めてシンプルな構成でありながら、諸収差が良好に補正され、広画角で、かつ不要なフレアが発生しない画像表示装置であって、しかも、パソコン画像などの高精細な画像に対応した反射型液晶ディスプレイを用いた小型の画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、照明光を発する光源と、入射した照明光の内部反射により画像を表示する反射型画像表示素子と、この反射型画像表示素子に表示された画像を観察者の眼に投写する投写光学系と、光源から入射した照明光を反射型画像表示素子に向けて全反射させるとともに、この反射型画像表示素子から射出した画像光を前記投写光学系に向けて透過させるレンズ面を備えた導光光学系とを有し、
投写光学系を、少なくとも１つの反射面を有して反射型画像表示素子から射出した画像光を観察者の眼側に射出する第１の光学系と、この第１の光学系よりも観察者の眼側に配置されて第１の光学系から射出した画像光に対して少なくとも一方が回折作用面である２つの光学作用面を有する第２の光学系とを有する構成とし、
投写光学系の射出瞳中心と反射型画像表示素子の中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中心を原点とし、この原点と交わる基準軸光線上をＺ軸（但し、原点から前記投写光学系に向かう方向を正とする）とし、基準軸光線を含む断面上でＺ軸に垂直な方向をＹ軸とし、ＹＺ軸に垂直な軸をＸ軸とする絶対座標系のＹＺ面内において、導光光学系内を通過する画像光のうちこの導光光学系からの射出角度が最大となる主光線をｒ１、射出角度が最小となる主光線をｒ２とし、上記回折作用面における主光線ｒ１および主光線ｒ２の通過位置での位相関数値をそれぞれΨ１，Ψ２としたときに、
Ψ１＜Ψ２
〈但し、位相関数値Ψ(x,y) は、
Ψ(x,y) ＝Ｋ×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3）
で表され、Ｋは定数、ｘ，ｙは上記回折作用面のローカル座標系でのｘ，ｙ座標、Ｃｊは係数であり、上記回折作用面上での主光線ｒ１，ｒ２の通過点のｘ座標をそれぞれ０、ｙ座標をそれぞれｙ１，ｙ２とするとき、
Ψ１＝Ψ（ｙ１）
Ψ２＝Ψ（ｙ２）
となる〉
の関係を満たすようにしている。
【００１２】
すなわち、導光光学系の射出面で発生し易い色収差が、導光光学系からの画像光の射出角度の違いにより画面内で程度に差（比重）が生じるような場合に、この色収差の比重を考慮して、回折作用面における主光線ｒ１（最大角度での射出光線）および主光線ｒ２（最小角度での射出光線）の通過位置での位相関数値Ψ１，Ψ２に差を持たせることで、表示画面全体について色収差を良好に補正して、良質の画像を表示できるようにしている。
【００１３】
また、投写光学系として、従来も用いられている第１の光学系に、レンズ形状ないし平板形状の第２の光学系を追加するだけで上記効果が得られるため、小型でありながら良質な表示画像が得られる画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１４】
また、上記発明において、上記絶対座標系のＹＺ面内で、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通過する画像光の光線のうち、光路長が最長となる光線をｒ３、光路長が最短となる光線をｒ４とし、第２の光学系内における前記光線ｒ３および光線ｒ４の光路長をそれぞれｔ３，ｔ４とし、第２の光学系が光線ｒ３および光線ｒ４に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ３，Φ４としたときに、
ｔ３＜ｔ４
および、
Φ３＞Φ４
〈但し、ｒｉ光線の光学的パワーΦｉは、
前記２つの光学作用面Ａ，Ｂの光学的パワーをφｉ（Ａ），φｉ（Ｂ）とし、前記第２の光学系を形成する材質の屈折率をｎｄとし、前記光学作用面Ａを観察者の眼側の面とし、前記光学作用面Ｂを前記第１の光学系側の面とし、曲率の符号を観察者の眼側から前記第１の光学系に向かう方向を正とし、前記光線ｒｉと光学作用面Ａ，Ｂとの交点でのローカル曲率半径をＲｉ（Ａ），  Ｒｉ（Ｂ）としたときに、
φｉ（Ａ）＝（ｎｄ−１）／Ｒｉ（Ａ）
φｉ（Ｂ）＝（１−ｎｄ）／Ｒｉ（Ｂ）
Φｉ＝φｉ（Ａ）＋φｉ（Ｂ）−φｉ（Ａ）×φｉ（Ｂ）×ｔｉ／ｎｄ
とする〉のうち少なくとも一方の関係を満たすようにしてもよい。
【００１５】
これにより、上記色収差の補正効果に加えて、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通過する画像光の光線のうち最長光路長を有する光線ｒ３と最短光路長を有する光線ｒ４との光路差に起因する像倒れや諸収差を、上記第２の光学系内における光線ｒ３および光線ｒ４の光路長ｔ１，ｔ２に差を持たせること若しくは第２の光学系が光線ｒ３および光線ｒ４に及ぼす光学的パワーΦ３，Φ４に差を持たせることで良好に補正することも可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である画像表示装置の構成を示している。１はＲＧＢの光を発する光源であり、２は第１の偏光板である。３は照明プリズム（導光光学系）であり、４は反射型液晶ディスプレイパネル（反射型画像表示素子：以下、単にディスプレイパネルという）である。
【００１７】
５は第２の偏光板であり、６はプリズムレンズ（第１の光学系）である。また、２０は補助レンズ（第２の光学系）であり、７は観察者の眼である。なお、プリズムレンズ６および補助レンズ２０により請求の範囲にいう投写光学系が構成される。
【００１８】
このように構成された画像表示装置では、光源１から発せられた照明光は第１の偏光板２を通って所定の偏光方向を有した偏光光となり、照明プリズム３の入射面８に入射する。
【００１９】
照明プリズム３内に入射した照明光は、反射透過面９で反射し、ディスプレイパネル４の近傍に配置された透過面１０を透過してディスプレイパネル４の画像光射出側から入射し、このディスプレイパネル４を照明する。
【００２０】
ディスプレイパネル４においては、パソコンやＤＶＤプレーヤーといった画像情報出力装置から供給される映像信号に応じて光の偏光方向が変調される。そして、ディスプレイパネル４で変調され、反射された光（画像光）は、照明プリズム３の透過面１０を再び透過して照明プリズム３内に入り、さらに反射透過面９を透過して第２の偏光板５に入射する。
【００２１】
ここで、照明プリズム３は、プリズムレンズ６とディスプレイパネル４との間に配置されており、プリズムレンズ側の反射透過面９とディスプレイパネル側の透過面１０とのなす角度が大きくならないように構成されている。この照明プリズム３において、面９，１０の間で照明光と画像光は一部同じ領域を通っている。
【００２２】
第２の偏光板５においては、上記所定の偏光方向に直交する偏光方向に平行な偏光成分は透過し、垂直な偏光成分は吸収される。これにより、不要な光がカットされた状態で画像光がプリズムレンズ６内に入射する。
【００２３】
ここまでの光の偏光状態を図２を用いて説明する。なお、図２中、光軸線上の２重丸印は所定の偏光方向を有する偏光光（例えば、Ｓ偏光光）を、矢印は上記所定の偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光光（例えば、Ｐ偏光光）を示す。
【００２４】
光源１からの無偏光の照明光１４は、第１の偏光板２によって所定の偏光方向１５に揃えられ、照明プリズム３の反射透過面９で反射され、照明プリズム３の透過面１０を透過してディスプレイパネル４に入射する。
【００２５】
ディスプレイパネル４に入射した偏光光１６はこのパネル４で上記所定の偏光方向に対して９０°の旋光作用を受ける。この旋光作用を受けた偏光光は、第２の偏光板５を透過し、旋光作用を受けない偏光光は第２の偏光板５で吸収される。
【００２６】
こうして第２の偏光板５を透過してプリズムレンズ６内に入射面１１を通じて入射した画像光は、反射透過面１２で反射された後、凹面反射面１３で再び反射され、反射透過面１２から観察者の眼７側に射出される。
【００２７】
プリズムレンズ６から射出した画像光は、このプリズムレンズ６よりも眼７側に配置された補助レンズ２０に入射する。そして、画像光は補助レンズ２０の透過面Ｂ（光学作用面Ｂ）２２および透過面Ａ（光学作用面Ａ）２１を透過して観察者の眼７に到達する。
【００２８】
ここで、本実施形態の照明プリズム３は、図１に示すように、光源１からの照明光の光線が照明プリズム３の入射面８を透過して反射透過面９で反射するときのこの反射透過面９への入射角φが、下記式（１）を満足するように設定されており、全反射条件を満たす。
【００２９】
sin-1 φ≧１／ｎ  …（１）
ここでは照明プリズムの材質は、Ｓ−ＢＳＬ７（ｎ＝１．５２）であるので、φ≧４１．１を満足すればよい。
【００３０】
また、プリズムレンズ６における入射面１１，反射透過面１２および凹面反射面１３は非回転対称面で構成されている。
【００３１】
さらに、補助レンズ２０は以下の条件を満足するように構成されている。すなわち、投写光学系の射出瞳（観察者の眼７の瞳孔）の中心とディスプレイパネル４の中心を結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中心を原点とし、原点と交わる基準軸光線上をＺ軸（但し、原点から投写光学系に向かう方向を正とする）とし、基準軸光線を含む断面上でＺ軸に垂直な方向をＹ軸とし、これらＹＺ軸に垂直な軸をＸ軸として本装置の絶対座標系を定義した場合に、
この絶対座標系のＹＺ面内において、
ディスプレイパネル４からの画像光が照明プリズム３内から射出するときの射出角度が最大となる主光線（射出瞳の中心を通る光線）をｒ１、最小となる主光線をｒ２、補助レンズ２０の透過面Ａ，Ｂのうち回折作用を有する面（以下、回折作用面という）上での主光線ｒ１，ｒ２の通過位置での位相関数値（回折作用のパワーの逆数に相当する値）をΨ１，Ψ２としたときに、
Ψ１＜Ψ２  …（２）
の関係を満たすように構成されている。
【００３２】
ここで、位相関数値Ψ(x,y) は、
Ψ(x,y) ＝Ｋ×(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3）…（３）
で表される。Ｋは定数、ｘ，ｙは上記回折作用面のローカル座標系でのｘ，ｙ座標、Ｃｊは係数である。
【００３３】
そして、上記回折作用面上での主光線ｒ１，ｒ２の通過点のｘ座標はそれぞれ０であることから、ｙ座標をそれぞれｙ１，ｙ２とするとき、
Ψ１＝Ψ（ｙ１）  …（４）
Ψ２＝Ψ（ｙ２）  …（５）
となる。
【００３４】
照明プリズム３の射出面９では色収差が発生し易いが、その色収差は、照明プリズム３からの主光線の射出角度の違いにより程度に差（比重）が生ずる。すなわち、主光線の照明プリズム３からの射出角度が大きいほど、発生する色収差も大きくなる。
【００３５】
このため、本実施形態では、この色収差の比重を考慮して、補助レンズ２０の回折作用面における主光線ｒ１，ｒ２の通過位置での位相関数値Ψ１，Ψ２に差を持たせる（Ψ２をΨ１より大きくする）ことで、表示画面全体について色収差を良好に補正し、良質の画像を表示できるようにしている。
【００３６】
《数値実施例》
上記第１実施形態の投写光学系は偏心面で構成されているので、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を設定する。図１１は絶対座標系とローカル座標系の説明図である。
【００３７】
投写光学系の射出瞳（観察者の望ましき瞳孔位置）の中心と画像表示素子中心とを結んだ光線を基準軸光線とし、射出瞳中心を原点Ｏ，原点と交わる基準軸光線上をＺ軸（原点から観察光学系に向かう方向を正とする）、基準軸光線を含む断面上でＺ軸に垂直な方向をＹ軸、ＹＺ軸に垂直な軸をＸ軸として画像表示装置の絶対座標系を設定する。
【００３８】
次に、ローカル座標の原点Ｏi は絶対座標（Sxi ，Syi ，Szi ）で各面ｉ毎に設定する。ローカル座標のＺ軸はＹＺ平面内で原点Ｏi を通り、絶対座標系の軸と角度Ａi をなす直線である。
【００３９】
ここでＡi は、ローカル座標のＺ軸が、原点Ｏi を通り、絶対座標系のＺ軸に平行な直線に対して反時計回りの角度をなすときに正とする。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。
【００４０】
各面の形状はローカル座標で表す。各実施形態において回転非対称面（自由曲面）と称した光学作用面の形状は、ゼルニケ多項式で表現されるものであり、以下に示す関数により表す。
【００４１】
0004194219.tif 000002
ここで、c は各面の曲率で、r を各面の基本曲率半径とすると、曲率c はc=1/r である。また、c ｊは各面におけるゼルニケ多項式の非球面係数である。
【００４２】
光学作用面はＹＺ平面に対して対称であるので、Ｘ軸方向で非対称になる項は除いて表記している。
【００４３】
次に、補助レンズ２０における回折作用面について説明する。この回折作用面は、任意の基準面上に以下の位相関数で表される回折格子を形成したものである。
【００４４】
Ψ(x,y) ＝２π(c1 ×x+c2×y+c3×x2+c4 ×xy+c5 ×y2+c6 ×x3+c7 ×x2y+c8×xy2+c9×y3）/ λ…（６）
ここで、λは587.6nm 、ｘ，ｙは回折作用面のローカル座標、ciは回折作用面におけるi 番目の位相係数である。この位相関数から任意の座標位置における回折格子のピッチを算出することが可能となる。
【００４５】
図３には、本数値実施例としての画像表示装置の構成を示している。本実施例の補助レンズ２０において、透過面Ａ２１は平面であり、透過面Ｂ２２は平面基準面上に形成された回折作用面である。
【００４６】
ここで、透過面Ａ２１は観察者の眼７側の面であり、透過面Ｂ２２はプリズムレンズ６側の面である。
【００４７】
本実施例で示す画像観察装置は、図６で示すような画像表示装置の配置例に適している。図６において、光源１、ディスプレイパネル４、第１，２の偏光板２，５および照明プリズム３は、プリズムレンズ６および観察者の左右両目の高さよりも上に位置するようにレイアウトされている。
【００４８】
表１には、本実施例の投写光学系の各面の数値データと、ｆ（これについては後述する）と、主光線ｒ１，ｒ２の照明プリズム３からの射出角度θ１，θ２と、Ψ１，Ψ２とを示す。
【００４９】
ここで、Ｓｉは図１１に示すようにｉ＝１から順に射出瞳中心、補助レンズ２０、プリズムレンズ６、照明プリズム３、ディスプレイパネル４のカバーガラスおよびディスプレイパネルの画像表示面の各面情報を表す。
【００５０】
また、装置のＸ軸方向の最大半画角をＷＸ、装置のＹ軸方向の最大半画角をＷＹとして記載する。ｆはプリズムレンズ６の焦点距離に相当する値で、観察者の眼７からの逆トレースにおいて、無限遠物体からの入射光の装置のＸＺ断面上の入射角度ＷＸと、その光線がディスプレイパネル４で結像する像高ｙm から、
ｆ＝ｙm ／ｔａｎ（ＷＸ）
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。
【００５１】
【表１】
0004194219.tif 000003
【００５２】
本数値実施例では、Ψ１，Ψ２が上記（２）式の関係を満たしている。
【００５３】
以上説明したように、本実施例によれば、装置全体の小型化を図りつつ、観察視野内に良好な画質の画像を表示できる画像表示装置を実現することができる。
【００５４】
ところで、本実施例では、透過面Ａ２１が平面であることから、補助レンズ２０の保持が容易となるとともに、透過面Ａ２１に誤って手が触れた場合でも拭き取りが容易である。このため、この略平板状の補助レンズ２０を、画像表示装置の保護カバーとして兼用することができる。
【００５５】
また、補助レンズ２０の両透過面Ａ２１，Ｂ２２に反射防止膜を施すことで、観察者側からの光が透過面Ａ２１，Ｂ２２で反射されることによる、表示画像のコントラスト低下を防止することができる。
【００５６】
そして、補助レンズ２０をプラスチックで成形すると、ガラス材で作った場合に比べて軽量の画像表示装置を提供できる。
【００５７】
また、図８に示すように、補助レンズ２０はプリズムレンズ６を保持する部材２３で保持することが好ましい。具体的には、プリズムレンズ６の左右両側に凸型の基準ピン６ａ，６ｂを形成するとともに、補助レンズ２０の左右両側に凸型の基準ピン２０ａ，２０ｂを形成する。そして、保持部材２３の左右における前後面に形成した基準穴に各基準ピンを挿入して接着若しくは圧入する。
【００５８】
このようにすることで、装置を組み立てる際のプリズムレンズ６と補助レンズ２０との位置精度を高くすることが可能となり、さらに良好な画像の表示が可能となる。
【００５９】
なお、保持部材２３を介さずに、プリズムレンズ６と補助レンズ２０とを直接固定してもよい。
【００６０】
（第２実施形態）
図４には、本発明の第２実施形態である画像表示装置の構成を示している。図４において、透過面Ａ３１，Ｂ３２を有した補助レンズ３０以外は、第１実施形態と同様の構成とする。
【００６１】
本実施形態の補助レンズ３０において、透過面Ａ３１は装置のＺ軸とは異なる軸を有するＹトーリック面（紙面内で示される曲面を、Ｙ軸に関して回転させた面）であり、透過面Ｂ３２は平面基準面上に形成された回折作用面である。
【００６２】
ここで、透過面Ａ３１は観察者の眼７側の面であり、透過面Ｂ３２はプリズムレンズ６側の面である。
【００６３】
本実施例で示す画像観察装置は、第１実施形態と同様に、図６で示すような画像表示装置の配置例に適している。
【００６４】
表２には、本実施形態の投写光学系の各面の数値データと、ｆと、主光線ｒ１，ｒ２の照明プリズム３からの射出角度θ１，θ２と、Ψ１，Ψ２とを示す。
【００６５】
【表２】
0004194219.tif 000004
【００６６】
本数値実施例でも、Ψ１，Ψ２が上記（２）式の関係を満たしているため、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
（第３実施形態）
図５には、本発明の第３実施形態である画像表示装置の構成を示している。図５において、透過面Ａ４１，Ｂ４２を有した補助レンズ４０以外は、第１実施形態と同様の構成とする。
【００６８】
本実施形態の補助レンズ４０において、透過面Ａ４１は Zernike多項式の非球面であり、透過面Ｂ４２は平面基準面上に形成された回折作用面である。
【００６９】
ここで、透過面Ａ４１は観察者の眼７側の面であり、透過面Ｂ４２はプリズムレンズ６側の面である。
【００７０】
本実施例で示す画像観察装置は、図７で示すような画像表示装置の配置例に適している。
【００７１】
図７において、光源１、ディスプレイパネル４、第１，２の偏光板２，５および照明プリズム３は、プリズムレンズ６および観察者の左右両目の高さと同じ高さにレイアウトされている。
【００７２】
表３には、本実施形態の投写光学系の各面の数値データと、ｆと、主光線ｒ１，ｒ２の照明プリズム３からの射出角度θ１，θ２と、Ψ１，Ψ２とを示す。
【００７３】
【表３】
0004194219.tif 000005
【００７４】
本数値実施例でも、Ψ１，Ψ２が上記（２）式の関係を満たしているため、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
また、本実施形態では、上記絶対座標系のＹＺ面内において、プリズムレンズ６およびディスプレイパネル４間で照明プリズム３内を通過する光線のうち、光路長が最長となる光線をｒ３、最短となる光線をｒ４，補助レンズ４０内の光線ｒ３，ｒ４の光路長をそれぞれｔ３，ｔ４、補助レンズ４０が光線ｒ３，ｒ４に及ぼす光学的パワーをそれぞれΦ３，Φ４としたときに、
ｔ３＜ｔ４  …（７）
および、
Φ３＞Φ４  …（８）
の双方の関係を満たすように構成されている（なお、いずれか一方の関係を満足する場合でもよい）。
【００７６】
ここで、光線ｒｉに及ぼす光学的パワーΦｉは、
透過面Ａ４１，Ｂ４２の光学的パワーφｉ（Ａ），φｉ（Ｂ）とし、補助レンズ４０を形成する材料の屈折率をｎｄとし、透過面Ａ４１を観察者の眼７側に配置し、透過面Ｂ４２をプリズムレンズ６側に配置し、曲率の符号を観察者の眼７側からプリズムレンズ６側に向かう方向を正とし、光線ｒｉと透過面Ａ４１，Ｂ４２との交点でのローカル曲率半径をＲｉ（Ａ），  Ｒｉ（Ｂ）としたとき、
φｉ（Ａ）＝（ｎｄ−１）／Ｒｉ（Ａ）  …（４）
φｉ（Ｂ）＝（１−ｎｄ）／Ｒｉ（Ｂ）  …（５）
Φｉ＝φｉ（Ａ）＋φｉ（Ｂ）−φｉ（Ａ）×φｉ（Ｂ）×ｔｉ／ｎｄ…（９）
とする。
【００７７】
上記表３には、ｔ３，ｔ４と、光線ｒ３，ｒ４の照明プリズム３内での光路長ｔｐ３，ｔｐ４と、Φ１，Φ２とを示している。
【００７８】
このような補助レンズ２０とプリズムレンズ６とを組み合わせた投写光学系を用いることで、第１実施形態と同様の効果に加えて、照明プリズム３内における光線ｒ３と光線ｒ４との光路長差による像面の倒れ、あるいは光線ｒ３と光線ｒ４のディスプレイパネル４への入射角の違いから生ずる収差を良好に補正することができる。さらに、図７に示すようなレイアウトが可能であることから、装置Ｙ軸方向をさらに小型化した画像表示装置を実現することができる。
【００７９】
なお、以上の実施形態では、投写光学系のうち第１の光学系をプリズムレンズで構成する場合について説明したが、本発明においては、第１の光学系をハーフミラーと凹面鏡とからなる光学系で構成してもよい。
【００８０】
また、上記各実施形態では、いわゆるヘッドマウントディスプレイとしての画像表示装置について説明したが、本発明の画像表示装置は、カメラのビューファインダー等にも応用することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導光光学系の射出面で発生し易い色収差が、導光光学系からの画像光の射出角度の違いにより画面内で程度に差（比重）が生じるような場合に、この色収差の比重を考慮して、回折作用面における主光線ｒ１（最大角度での射出光線）および主光線ｒ２（最小角度での射出光線）の通過位置での位相関数値Ψ１，Ψ２に差を持たせることで、表示画面全体について色収差を良好に補正することができ、良質の画像を表示することができる。
【００８２】
また、投写光学系として、従来も用いられている第１の光学系に、レンズ形状ないし平板形状の第２の光学系を追加するだけで上記効果が得られるため、小型でありながら良質な表示画像が得られる画像表示装置を実現することができる。
【００８３】
なお、反射型画像表示素子から射出して導光光学系内を通過する画像光の光線のうち最長光路長を有する光線ｒ３と最短光路長を有する光線ｒ４の第２の光学系内における光路長ｔ３，ｔ４に差を持たせたり、第２の光学系が光線ｒ３および光線ｒ４に及ぼす光学的パワーΦ３，Φ４に差を持たせたりすれば、光線ｒ３，ｒ４の光路長差に起因する像倒れや諸収差をも良好に補正できるので、より良質な画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である画像表示装置の構成図。
【図２】上記第１実施形態の画像表示装置に用いられる照明プリズムの断面図。
【図３】上記第１実施形態の画像表示装置の数値実施例の構成図。
【図４】本発明の第２実施形態である画像表示装置の構成図。
【図５】本発明の第３実施形態である画像表示装置の構成図。
【図６】上記第１，２実施形態の画像表示装置の装着モデル図。
【図７】上記第３実施形態の画像表示装置の装着モデル図。
【図８】上記第１実施形態におけるプリズムレンズと補助レンズの保持方法の説明図（上面図）。
【図９】従来の画像表示装置の構成図。
【図１０】従来の画像表示装置の構成図。
【図１１】上記各実施形態における投写光学系の座標系の説明図。
【符号の説明】
１  光源
２  第１の偏光板
３  照明プリズム
４  液晶ディスプレイパネル
５  第２の偏光板
６  プリズムレンズ
７  観察者の眼
２０，３０，４０  補助レンズ
【図１】
0004194219.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004194219.tif 000009
【図５】
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【図６】
0004194219.tif 000011
【図７】
0004194219.tif 000012
【図８】
0004194219.tif 000013
【図９】
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【図１０】
0004194219.tif 000015
【図１１】
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