JP2004163858A - 光学系及び映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】像面湾曲と歪曲の収差を改善して解像度の高い高画質の映像を生成できる光学系及び映像表示装置を得る。
【解決手段】曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面１０２ａを備えたミラー１０２と、液晶表示素子（ＬＣＤ）１２１と、バックライト１２２と偏光板１２３とからなる映像表示装置。ＬＣＤ１２１にて変調された映像光は自由曲面反射面１０２ａで反射され、偏光板１２３を透過して光学瞳１０３に導かれる。曲率の変化量が変曲点を有することにより、像面湾曲と歪曲の収差が良好なものとなり、解像度の高い高画質の映像を生成することができる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系、特に、自由曲面反射面を備えた光学系に関する。また、本発明は、映像表示装置、特に、ＨＭＤ（ヘッドマウンテッドディスプレイ）と通称されている頭部装着タイプに最適な映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
【特許文献１】
特許第３１５５３４１号公報
【特許文献２】
特許第３１５５３３７号公報
【特許文献３】
特開平１１−９５１６０号公報
【特許文献４】
特開２００１−１１７０４５号公報
【特許文献５】
特開２００１−１８８１９４号公報
【特許文献６】
特開平５−３０３０５４号公報
【０００３】
特許文献１には、平面像が観察できるように非球面凹面鏡の光軸の入射面内曲率を設定し、高画質な映像を観察できる視覚表示装置が開示されている。また、特許文献２には、歪曲が小さくなるように非球面凹面鏡の光軸の入射面に垂直な方向の曲率を設定し、高画質な映像を観察できる視覚表示装置が開示されている。さらに、特許文献３には、ハーフミラーの表面に偏光板を貼り合わせて反射光を減少させて映像を観察できる頭部装着型表示装置が開示されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の表示装置においては、平面像を観察するという目的のために歪曲を犠牲にしているという問題点を有していた。即ち、図１７に示すように、長方形の像面５００を自由曲面反射面５０１で反射させて光学瞳５１０へ導き、該光学瞳５１０にて虚像５０５を観察すると、虚像５０５は歪んだ画面５０５’として観察される。
【０００５】
また、特許文献２に記載の表示装置においては、歪曲をなくするという目的のために像面湾曲を犠牲にしている、あるいは、解像度を犠牲にしているという問題点を有していた。即ち、図１８に示すように、長方形の像面５００を自由曲面反射面５０２で反射させて光学瞳５１０へ導き、該光学瞳５１０にて虚像５０６を観察すると、虚像５０６は歪曲が補正された長方形の画面５０６’として観察できるが、虚像５０６の位置が中心と周辺とで大きく異なり、１ディオプターを超えて非常に見づらいものである。この自由曲面反射面５０２で歪曲と共に湾曲をも良好にしようとすると解像度の悪いぼけた虚像になってしまう。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、像面湾曲と歪曲の収差を改善して解像度の高い高画質の映像を生成できる光学系及び映像表示装置を提供することにある。
【０００７】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、第１の発明に係る光学系は、曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面を備えたことを特徴とする。
【０００８】
第１の発明に係る光学系では、自由曲面反射面は曲率の変化量が変曲点を有することにより、像面湾曲と歪曲の収差が良好なものとなり、解像度の高い高画質の映像を生成することができる。
【０００９】
前記自由曲面反射面の変曲点のピッチは、有効な光学瞳の大きさとほぼ等しいか又は小さいことが好ましい。像面湾曲と歪曲の収差を改善しながら、解像度も高くすることができ、より高画質の映像を生成することができる。
【００１０】
前記自由曲面反射面に入射する光軸の入射面方向に、前記自由曲面反射面は曲率の変化量が変曲点を有するように構成してもよい。軸非対称な光学系とすることができ、配置の自由度が向上するので、映像表示装置が小型軽量になる。
【００１１】
さらに、光学的パワーを持つ面が前記自由曲面反射面の１面のみであってもよい。映像表示装置の小型軽量化が達成できる。
【００１２】
第２の発明に係る映像表示装置は、前記光学系と、映像を表示する表示手段とを備え、前記表示手段により表示された映像を前記光学系により虚像として観察者の瞳に導くことを特徴とする。
【００１３】
第２の発明に係る映像表示装置では、観察者の瞳の大きさで映像の性能を確保することができ、大きな光学瞳で観察しやすくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学系及び映像表示装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１実施形態、図１、図２参照）
本発明の第１実施形態である光学系１００は、図１に示すように、自由曲面反射面１０２ａを備えた１枚のミラー１０２にて構成されている。１０１は像面、１０３は光学瞳である。
【００１６】
光学系１００を撮像系として用いる場合には、光学瞳１０３からの光を自由曲面反射面１０２ａで反射し、像面１０１に結像した像を撮像素子により撮像する。また、光学系１００を観察系として用いる場合には、液晶表示素子（ＬＣＤ）等で像面１０１に表示された映像光を自由曲面反射面１０２ａで反射し、光学瞳１０３に入射させる。光学瞳１０３に入射した映像光を観察者の瞳に導くことにより、虚像として観察することができる。
【００１７】
自由曲面反射面１０２ａの面形状は以下の式（１）に示す多項式で定義され、本第１実施形態では以下の表１に示す定数を用いている。
【００１８】
【式１】

【００１９】
【表１】

【００２０】
本第１実施形態では、定数にＣ＝０を用いているので、基準となる曲率は無限大つまり平面であるが、有限曲率を基準としてもよい。自由曲面反射面１０２ａの形状は、光軸入射面（ｘ＝０面）で軸非対称であり、光軸入射面に垂直な方向には光軸入射面に対称である。なお、自由曲面反射面では共軸系のように光軸が一義的に定まらないので、像面１０１と光学瞳１０３の中心を結ぶ線を光軸Ｑ（図２参照）として定義している。
【００２１】
図２は曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面１０２ａの面形状を示している。自由曲面反射面１０２ａの光軸入射面内のｙ方向の曲率を、光学瞳１０３のｙ座標位置で描くと、ピッチｐで変曲点を有する曲線となる。
【００２２】
ここで、図３を参照して、本発明の主題である自由曲面が曲率の変化量に変曲点を有する効果について説明する。なお、各実施形態は全て軸非対称な光学系であるが、共軸系でも同じ効果が得られるので、共軸反射面を観察光学系に用いた場合で説明する。但し、図３は、説明しやすくするための仮想的な図であり、実際の曲率や形状とは異なる。
【００２３】
像面上の３点ａ，ｂ，ｃからの主光線が曲面に当たる点をａ’，ｂ’，ｃ’とし、その間の距離をＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとする。また、点ａ’，ｂ’，ｃ’におけるｙｚ断面での曲率をＲａ，Ｒｂ，Ｒｃとする。また、瞳の中心をＰで表す。
【００２４】
まず、虚像を図３のようにほぼ等距離に像面湾曲がない状態で観察するためには、ニュートンの公式より、
１／Ｌａ×（Ｒａ／２）／（Ｒａ／２＋Ｌａ）
＝１／Ｌｂ×（Ｒｂ／２）／（Ｒｂ／２＋Ｌｂ）
＝１／Ｌｃ×（Ｒｃ／２）／（Ｒｃ／２＋Ｌｃ） ……（１）
が成立することが条件となる。
【００２５】
また、像面湾曲がない状態で歪曲なく観察するためには、ｘ方向に垂直な方向に法線を有し、線分ａ’Ｐ，ｂ’Ｐ，ｃ’Ｐを含む平面での曲面の各断面形状が相似であることが条件となる。この条件と、点ａ’，ｂ’，ｃ’における縦横の非点隔差をなくして高解像度にするためには、
Ｒａ＝Ｒｂ＝Ｒｃ ……（２）
が成立することが条件となる。
【００２６】
前記条件式（１），（２）より、
Ｌａ＝Ｌｂ＝Ｌｃ ……（３）
が導かれる。
【００２７】
従って、従来の光学系では、球面や非球面は勿論のこと、自由曲面であっても、平面像を観察する場合に反射面の曲率を単に徐変させただけでは、前記条件式（２），（３）を満たす曲面を構成することはできなかった。
【００２８】
本発明は前記条件式（２），（３）を満たすような曲面に近づけるために曲率の変化量に変曲点（曲率が大きくなったり小さくなったり）を有する形状として、像面湾曲及び歪曲を良好に補正しながら解像度の高い高画質の映像を観察できるものである。
【００２９】
本発明に係る曲面形状によると、局部的なパワーを決める前記条件式（２）を満たす曲率を有する部分を小さい曲率（あるいは大きい曲率）でつなぐような構成となる。従って、小さい曲率（あるいは大きい曲率）の部分は解像度を悪くする要因となる。しかし、有効な瞳より小さなピッチｐで変曲点を有する曲面形状にすることによって、有効な瞳内に収差の良好な光が少なくとも半分以上射出するので解像度の低下を抑えることができる。
【００３０】
また、液晶表示素子のように画素単位で表示するような表示手段を用いることによって、連続的な解像度を必要としないのでさらに効果的に歪曲と像面湾曲とを同時に補正することができる。
【００３１】
本発明の効果は、前述のとおり共軸反射面においても得られるが、軸非対称な反射面に用いることによってさらに大きな効果を得ることができる。
【００３２】
ところで、有効な光学瞳とは、結像系の場合には撮像に利用される入射瞳の大きさであり、観察系の場合には観察者の瞳の大きさ、あるいは、観察者の瞳が光学瞳より大きい場合は光学瞳の大きさである。
【００３３】
本第１実施形態では、観察系において有効な光学瞳を３ｍｍとし、ピッチｐを２．５ｍｍとし、高画質でありながら、光学瞳１０３はｘ方向に１２ｍｍ、ｙ方向に６ｍｍの大きな瞳にして観察者が見やすくしている。ちなみに、人の瞳の大きさはほぼ３ｍｍである。
【００３４】
また、変曲点のピッチｐは画面の周辺部ほど大きく設定している。これは、周辺部ほど有効な瞳で利用される光が少ないからである。つまり、光軸Ｑに近いほど光学収差補正のために有効な瞳より小さなピッチで細かく曲率を変化させ、周辺部では有効な瞳より大きなピッチで光学収差補正を行う。
【００３５】
一方、表示手段に表示された映像を観察する場合、外部から光が入り込むと映像のコントラストが低下する、あるいは、迷光により映像品質が低下するという問題点を有している。
【００３６】
特許文献３には、ハーフミラーの表面に偏光板を貼り合わせることで反射光を減少させようにした表示装置が開示されている。しかし、この表示装置では、ハーフミラーを用いているので、外部光が半減しても２５％の光が反射されて目に有害な光となって映像が観察しにくく、逆に映像光の２５％しか使用できずに映像が暗いという問題点を有していた。さらに、映像光をハーフミラーで折り返しているため、装置が大型化してしまうという問題点も有していた。
【００３７】
そこで、外部光を低減し、小形・軽量で明るく高画質な映像表示装置を提供することを目的として、第２及び第３実施形態を以下に説明する。
【００３８】
（第２実施形態、図４参照）
本発明の第２実施形態である映像表示装置１２０Ａは、前記第１実施形態として示した光学系１００を用いたものである。図４において、１２１は透過型の液晶表示素子（ＬＣＤ）、１２２はバックライト、１２３は偏光板である。
【００３９】
ＬＣＤ１２１は、バックライト１２２の光を画像データに基づいて変調し、Ａ方向の偏光を有する映像を表示する。即ち、ＬＣＤ１２１は複数の画素が２次元的に配列されており、画像データに基づいて、それぞれの画素で光を変調することにより映像を表示する。この映像光は、自由曲面反射面１０２ａで反射され、Ｂ方向の透過軸を持つ偏光板１２３を透過して光学瞳１０３に導かれる。観察者は光学瞳１０３の光の一部又は全部を自身の瞳に入射させて映像を虚像として観察することができる。
【００４０】
この映像表示装置１２０Ａは偏光板１２３以外の部分が筐体１２９で覆われており、外部からの不要な光を遮光するようになっている。偏光板１２３はＢ方向に垂直な光は吸収するので、外部の光を半減して透過させる。従って、映像装置１２０Ａの内部に入射する不要な外部光はかなり少ない。一方、ＬＣＤ１２１の偏光方向Ａと偏光板１２３の偏光方向Ｂは一致しているので、映像が暗くなることはない。
【００４１】
（第３実施形態、図５参照）
本発明の第３実施形態である映像表示装置１２０Ｂは、前記第２実施形態として示した映像表示装置１２０Ａに、図５に示すように、４分の１波長板１２４をＬＣＤ１２１の前面に設けると共に、４分の１波長板１２５を偏光板１２３の裏面に設けたものである。他の構成は前記第２実施形態と同様である。
【００４２】
詳しくは、４分の１波長板１２４は、自由曲面反射面１０２ａとＬＣＤ１２１との間に設けられており、４分の１波長板１２５は、自由曲面反射面１０２ａと偏光板１２３との間に設けられている。なお、４分の１波長板１２４，１２５は図５に示されているように必ずしも、ＬＣＤ１２１の前面あるいは偏光板１２３の裏面に密着ないし積層して設けられる必要はない。
【００４３】
４分の１波長板１２４はＡ方向の直線偏光を右回りの円偏光とする。４分の１波長板１２５は左回りの円偏光をＢ方向の直線偏光とする。即ち、ＬＣＤ１２１から出射されたＡ方向の直線偏光は４分の１偏光板１２４で右回りの円偏光とされ、自由曲面反射面１０２ａで反射されて左回りの円偏光になり、４分の１波長板１２５でＢ方向の直線偏光に戻されて偏光板１２３を透過する。
【００４４】
４分の１波長板１２４，１２５は、直線偏光が元の方向と一致するように光学的に直交するように配置し、それぞれの位相が多少ずれても偏光状態が損なわれないようにしている。
【００４５】
ところで、本第３実施形態において４分の１波長板１２４，１２５を設けた理由は、外部光の影響低減及び２重像防止にある。
【００４６】
即ち、図４に示した第２実施形態では、偏光板１２３を外部光の半分が透過し、その透過光は内部で反射された後、偏光方向が変化しなければそのまま光学瞳１０３の方向に出射する。その結果、光学瞳１０３に不要な光が入射する。
【００４７】
本第３実施形態の如く、４分の１波長板１２４，１２５を設けると、偏光板１２３を透過した外部光が再度偏光板１２３を透過して外部に出射しようとするとき、４分の１波長板１２５を往復しているために偏光方向が９０°回転しており、その結果、偏光板１２３に吸収されて外部（光学瞳１０３の方向）には出射しない。
【００４８】
このような外部光の影響を低減する効果は、４分の１波長板１２５を自由曲面反射面１０２ａと偏光板１２３との間の任意の箇所に設けることにより達成することができる。４分の１波長板１２４と４分の１波長板１２５を設けることにより、映像が暗くならず、外部光の影響を低減できる。
【００４９】
また、前記第２実施形態では、ＬＣＤ１２１から出射された映像光のうち偏光板１２３の瞳側で反射された光（表面反射光）は、ミラー側の面で反射されて偏光板１２３から出射し、これが原因で２重像が生じる。
【００５０】
本第３実施形態の如く、４分の１波長板１２４，１２５を設けると、特に、４分の１波長板１２５を偏光板１２３の裏面側に密着ないし積層して設けると、偏光板１２３の瞳側で反射された光は４分の１波長板１２５のミラー側で反射されるが、この光は４分の１波長板１２５を往復しているために偏光方向が９０°回転しており、その結果、偏光板１２３に吸収されて２重像が生じなくなる。
【００５１】
（第４実施形態、図６参照）
本発明の第４実施形態である映像表示装置１２０Ｃは、図６に示すように、光学系としてプリズム２００を用いたものである。２１０はＬＣＤ、２２０は光学瞳である。ＬＣＤ２１０にて表示された映像光は、入射面２０１からプリズム２００に入射し、面２０２で全反射した後、曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面２０３で反射し、面２０２を透過して光学瞳２２０に入射する。観察者は光学瞳２２０の光を自身の瞳に入射させて映像を虚像として観察することができる。
【００５２】
なお、プリズム２００の入射面２０１及び面２０２は自由曲面としているが、平面あるいは球面であってもよい。
【００５３】
（第５実施形態、図７参照）
本発明の第５実施形態である映像表示装置１２０Ｄは、図７に示すように、頭部装着型としたもので、筐体３０１内には前記第２実施形態として示した映像表示装置１２０Ａが収納されている。この映像表示装置１２０Ｄは、筐体３０１が額当て３０２と頭部への保持手段３０３とで観察者の眼前に保持される。
【００５４】
なお、使用される映像表示装置は、第２実施形態に限らず、第１、第３又は第４実施形態であってもよいことは勿論である。
【００５５】
一方、近年ではカラー映像を生成する素子として様々なタイプが開発、提供されている。この種の素子としては、カラーフィルタ構成による方式と、フィールドシーケンシャル駆動による方式とが知られている。
【００５６】
図１４（Ａ）は表示画面に映像Ａ，Ｂが映し出された状態を示しており、図１４（Ｂ）はカラーフィルタ構成の素子を模式的に示し、図１４（Ｃ）はフィールドシーケンシャル駆動の素子を模式的に示している。
【００５７】
カラーフィルタ構成では、１画素に赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のカラーフィルタを配置し、それぞれのフィルタの輝度バランスによりカラー映像を生成する。しかし、このタイプの映像生成素子では、三つのフィルタで１ドットを再現するためにフィルタのピッチに応じた色ずれが発生するという問題点を有している。この色ずれは微小なので、表示映像を直接観察する装置であれば問題とはならないが、前記ＨＭＤなど映像を拡大観察する装置にあっては、色ずれも拡大されるため、映像の表示品質が損なわれる。
【００５８】
これに対して、フィールドシーケンシャル駆動は、図１４（Ｃ）に示すように、あるいは特許文献４，５に記載されているように、照明光を赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）と時系列に高速に切り換え、これに連動して同一画素を各波長に対応した映像信号に応じて順次変調し、残像効果によりカラー映像を再現する。変調素子としてはＬＣＤ（液晶表示素子）や米国テキサスインスツルメント社のＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が提供されている。
【００５９】
フィールドシーケンシャル駆動では、同一画素がＲ，Ｇ，Ｂに時系列で切り換わって映像を形成するため、前記カラーフィルタタイプのような色ずれが発生することはない。また、同じ解像度の映像を表示する場合、画素数はカラーフィルタタイプに比較して１／３となり、同じ大きさの表示面積であれば、各画素の大きさは３倍となり、開口率が向上して明るい映像を生成することができる。
【００６０】
一方、生成された映像を拡大表示する光学系には光束を屈曲する光学素子が必要となり、屈折面による方式と反射面による方式とが存在する。屈折による光束の屈曲は図１５に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長に対する媒質の屈折率の違いによって屈曲角が異なり、色収差が発生する。
【００６１】
これに対して、反射による光束の屈曲は、図１６に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長に対する屈曲角が等しく、色収差は発生しない利点を有している。特許文献６はこのような反射面を用いた拡大光学系を開示している。しかし、特許文献６は拡大光学系を開示するのみであり、映像生成装置との組合せにまでは言及していない。
【００６２】
そこで、色ずれが全く発生することのない頭部装着タイプに最適な映像表示装置を提供することを目的として、第６〜第１１実施形態を以下に説明する。
【００６３】
（第６実施形態、図８参照）
本発明の第６実施形態である映像表示装置１Ａは、図８に示すように、光源ユニット２と映像生成装置１０と拡大観察光学系２０とで構成されている。
【００６４】
光源ユニット２は、発光ダイオード３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと、平面状の照明ミラー４と、拡散板５とで構成されている。発光ダイオード３Ｒ，３Ｇ，３Ｂはそれぞれ赤色、緑色、青色の光束を所定の時系列で順次発生する。それぞれの光束は照明ミラー４で反射され、拡散板５を介して映像生成装置１０を照明する。
【００６５】
映像生成装置１０は、透過型のＬＣＤを光変調素子として用いたもので、前記発光ダイオード３Ｒ，３Ｇ，３Ｂから発せられた異なる波長の光束にて時系列で順次照明され、各画素がそれぞれの異なる波長に対応して光束を変調するフィールドシーケンシャル駆動によってカラー映像を生成する。即ち、光変調素子は各光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの発光タイミングに同期してそれらの発光光束に対応したモノクロ画像を時分割に形成する。この動作を高速に行い、観察者の残像効果によりカラー画像を視認させる。
【００６６】
フィールドシーケンシャル駆動によって映像を生成すると、同一画素がＲ，Ｇ，Ｂに時系列で切り換わって映像を表示するために本来的に色ずれがなく、また、カラーフィルタ構成と比較して開口率が大きくなる利点を有している。
【００６７】
拡大観察光学系２０は、表面を金属コーティングされた１枚の凹面反射ミラー２１によって構成され、前記映像生成装置１０で変調された映像光を凹面反射ミラー２１で表面反射して観察者の瞳Ｐに導く。反射面による光束の屈曲は、波長に対して同じ屈曲角（図１６参照）であるため、色収差は発生しない。
【００６８】
本第６実施形態における凹面反射ミラー２１は非軸対称非球面であり、その配置及びコンストラクションデータは表２として後に示す。なお、凹面反射ミラー２１の非軸対称非球面は、前記第１実施形態に示した自由曲面反射面１０２ａと同じ面形状である。
【００６９】
（第７実施形態、図９参照）
本発明の第７実施形態である映像表示装置１Ａ’は、基本的には前記第６実施形態として示した映像表示装置１Ａと同じ構成を備え、前記第２実施形態で示した偏光板１２３を拡大観察光学系２０と瞳Ｐとの間に設けたものである。
【００７０】
この映像表示装置１Ａ’は偏光板１２３以外の部分が図示しない筐体で覆われており、偏光板１２３の作用及び効果は前記第２実施形態で説明したとおりである。
【００７１】
（第８実施形態、図１０参照）
本発明の第８実施形態である映像表示装置１Ｂは、図１０に示すように、映像生成装置１０に反射型のＬＣＤを光変調素子として用いた。他の構成は前記第６実施形態として示した映像表示装置１Ａと同じであり、図８と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。本第８実施形態における凹面反射ミラー２１は非軸対称非球面であり、その配置及びコンストラクションデータは第６実施形態と同じであり、表２として後に示す。
【００７２】
本第８実施形態のごとく、映像生成装置１０に反射型のＬＣＤを用いると、前記第６実施形態に示した照明ミラー４を用いる必要がなく、光源ユニット２をコンパクトに構成できる。拡散板５を用いるか否かは任意である。
【００７３】
また、光源である発光ダイオード３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを観察者の瞳Ｐの前方に後退させて配置することができる。従って、頭部装着タイプの映像表示装置としては圧迫感の少ない快適な装着感を得ることができる。
【００７４】
（第９実施形態、図１１参照）
本発明の第９実施形態である映像表示装置１Ｂ’は、基本的には前記第８実施形態として示した映像表示装置１Ｂと同じ構成を備え、前記第２実施形態で示した偏光板１２３を拡大観察光学系２０と瞳Ｐとの間に設け、さらに、前記第３実施形態で示した４分の１波長板１２４を映像生成装置１０の前面に設けると共に、４分の１波長板１２５を偏光板１２３の裏面に設けたものである。
【００７５】
この映像表示装置１Ｂ’は偏光板１２３以外の部分が図示しない筐体で覆われており、偏光板１２３及び４分の１波長板１２４，１２５の作用及び効果は前記第３実施形態で説明したとおりである。
【００７６】
（第１０実施形態、図１２参照）
本発明の第１０実施形態である映像表示装置１Ｃは、図１２に示すように、拡大観察光学系２０を１枚の凹面反射ミラー２１と１枚の平面ミラー２２とで構成したものである。他の構成は前記第６実施形態として示した映像表示装置１Ａと同じであり、図８と同じ構成要素には同じ符号を付す。
【００７７】
本第１０実施形態における凹面反射ミラー２１は非軸対称非球面であり、その配置及びコンストラクションデータは表３として後に示す。
【００７８】
本第１０実施形態にあっては、前記第６実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、平面ミラー２２で映像光束を折り返すように構成したため、光源ユニット２を観察者の瞳Ｐの前方に後退させて配置することができる。従って、頭部装着タイプの映像表示装置としては圧迫感の少ない快適な装着感を得ることができる。
【００７９】
（第１１実施形態、図１３参照）
本発明の第１１実施形態である映像表示装置１Ｄは、図１３に示すように、拡大観察光学系２０を１枚の凹面反射ミラー２３にて構成したものである。凹面反射ミラー２３は回転対称非球面であり、その配置及びコンストラクションデータは表４として後に示す。
【００８０】
他の構成は前記第６実施形態として示した映像表示装置１Ａと同じであり、図８と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。また、その作用効果は第６実施形態と同様である。
【００８１】
（凹面反射面の定義式、配置及びコンストラクションデータ）
第６〜第１０実施形態で使用されている凹面反射ミラー２１は非軸対称非球面（自由曲面反射面）であり、ＸＹ多項式非球面によって定義され、コーニックを基本とする１０次の多項式面を加える。多項式はｘ^mｙⁿで展開する（ｍ＋ｎ≦１０）。使用する方程式は前記式（１）である。また、第６〜第９実施形態で用いられている凹面反射ミラー２１の配置及びコンストラクションデータを以下の表２に示し、第１０実施形態で用いられている凹面反射ミラー２１の配置及びコンストラクションデータを以下の表３に示す。
【００８２】
第１１実施形態で使用されている凹面反射ミラー２３は回転対称非球面であり、その定義式として使用される方程式は以下に示す式（２）である。第１１実施形態で用いられている凹面反射ミラー２３の配置及びコンストラクションデータを以下の表４に示す。
【００８３】
なお、以下に示すコンストラクションデータは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系として表現されている。瞳中心より反射面へ向かう光軸をＺ、上下方向をＹ、Ｙと直交する横方向をＸとし、それぞれＸ，Ｙ，Ｚとして各面の位置を示す。単位はｍｍである。また、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸を回転軸としたときの各面の傾きをＡ，Ｂ，Ｃとして表す。単位は度である。
【００８４】
【式２】

【００８５】
【表２】

【００８６】
【表３】

【００８７】
【表４】

【００８８】
また、表示画面の画角については、第６〜第９実施形態ではＸ方向が１４°、Ｙ方向が１０°であり、第１０実施形態ではＸ方向が１０．７°、Ｙ方向が８°、第１１実施形態ではＸ方向が１４°、Ｙ方向が１０°である。
【００８９】
このように、表示画面の画角が水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）とで異なる場合、凹面反射ミラー２１，２３は画角の小さい方向に偏心配置することが好ましい。凹面反射ミラー２１，２３の偏心収差は偏心量が大きいほど顕著に現れるため、画角の小さい方向に偏心配置すれば、偏心量が少なくなり、偏心収差も低減される。
【００９０】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る光学系及び映像表示装置は前記各実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００９１】
特に、本発明に係る光学系を用いた映像表示装置としては、第２、第３及び第４実施形態として観察系（虚像を作る光学系）を示したが、撮像系（実像を作る光学系）であってもよい。また、第１〜第５実施形態は反射光学系のみで構成したが、レンズあるいは回折光学素子と本発明に係る自由曲面反射面を備えた光学系とを組み合わせても好ましい効果が得られる。とりわけ、ミラー１面により構成される光学系に曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面を適用すると効果的である。一般的に、ミラーに斜めに光が入射すると大きな収差が発生するが、前記自由曲面反射面はこのような収差を補正できる。
【００９２】
また、光源としては種々の構成のものを用いることができる。前記第６〜第１１実施形態において、光源はＲ，Ｇ，Ｂをそれぞれ発する発光ダイオードを用いたが、白色光源とＲ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタホイールを組み合わせ、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長の光束を順次選択的に透過させて映像生成装置を照明するようにしてもよい。
【００９３】
また、照明系としても種々の構成のものを用いることができる。前記第６、第１０及び第１１実施形態において、照明系は平面ミラーと拡散板とで構成したが、導光板などを用いることも可能である。導光板を用いれば、薄型でコンパクトな照明系を構成することができる。
【００９４】
また、映像生成装置の光変調素子としても、前記各実施形態で用いた透過型あるいは反射型のＬＣＤに代えて、フィールドシーケンシャル駆動が可能な光変調素子であれば種々のものを用いることができる。
【００９５】
さらに、拡大観察光学系としては、表面を金属コーティングした全反射ミラー以外に、光束の一部を部分的に反射する半反射コーティングしたものを使用してもよい。この場合、ミラーの基材を透明な材料としてその裏面を表面形状に合わせて最適化することにより、外界と表示像を合わせて観察可能なシースルー構成とすることも可能である。
【００９６】
【付記】
前述した各実施形態には、以下の（１）〜（１０）の構成を備えた発明が含まれている。
【００９７】
（１）複数の波長の光束を発する光源と、前記光源から発せられた異なる波長の光束にて時系列で順次照明され、各画素がそれぞれの異なる波長に対応して光束を変調するフィールドシーケンシャル駆動によりカラー映像を生成する映像生成装置と、前記映像生成装置で変調された映像光を表面反射面のみで反射して観察者の瞳に導く拡大観察光学系と、を備えたことを特徴とする映像表示装置。
【００９８】
前記（１）に記載の映像表示装置にあっては、フィールドシーケンシャル駆動によって異なる波長の光束を同じ画素で時系列に表示してカラー画像を生成するために色ずれが全く発生することがない。また、拡大観察光学系は表面反射面のみで構成されているため、色収差が発生することがない。従って、結果的に、色ずれが全く発生することがない映像表示装置を得ることができる。
【００９９】
（２）前記拡大観察光学系の表面反射面は曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面であることを特徴とする前記（１）に記載の映像表示装置。像面湾曲と歪曲とを同時に補正することができ、解像度の高い高品質の映像を観察することができる。
【０１００】
（３）前記拡大観察光学系は１枚の凹面反射面により構成されていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の映像表示装置。
【０１０１】
（４）前記凹面反射面は非球面であることを特徴とする前記（３）に記載の映像表示装置。非球面とすれば、高度な収差補正が可能になる。
【０１０２】
（５）前記凹面反射面は非軸対称非球面であることを特徴とする前記（３）に記載の映像表示装置。非軸対称非球面とすれば、反射面の偏心配置に起因する収差を良好に補正し、歪みのない表示映像を得ることができる。
【０１０３】
（６）前記凹面反射面は回転対称非球面であることを特徴とする前記（３）に記載の映像表示装置。
【０１０４】
（７）前記凹面反射面は表示画角の小さい方向に偏心配置されていることを特徴とする前記（３），（４），（５）又は（６）に記載の映像表示装置。凹面反射面の偏心収差は、偏心量が大きいほど顕著に現れるため、垂直方向、水平方向で表示画角が異なる場合、凹面反射面を表示画角の小さい方向に偏心配置することにより、偏心量が少なくなり、偏心収差も低減される。
【０１０５】
（８）前記拡大観察光学系の凹面反射面は半透過面を含んでいることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の映像表示装置。表示映像と外界とをあわせて表示することが可能になる。
【０１０６】
（９）映像を表示する表示手段と、該表示手段により表示された映像を虚像として観察者の瞳に導く拡大観察光学系と、該拡大観察光学系とその光学瞳との間に配置された偏光板とを備えた映像表示装置であって、前記拡大観察光学系は反射面を１面のみ有し、前記表示手段による映像光は直線偏光であり、前記偏光板は表示手段からの直線偏光を透過するように配置されていることを特徴とする映像表示装置。
【０１０７】
前記（９）に記載の映像表示装置にあっては、偏光板により外部からの不要光を半減しながら、明るい映像を表示することができ、かつ、装置の小形化・軽量化を図ることができる。
【０１０８】
（１０）前記表示手段と拡大観察光学系との間及び前記拡大観察光学系とその光学瞳との間に、それぞれ４分の１波長板が介在されていることを特徴とする前記（９）に記載の映像表示装置。前記（９）に記載の映像表示装置と同様の効果を有し、さらに、外部光の影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である光学系を示す概略構成図。
【図２】前記第１実施形態で用いられている自由曲面反射面の面形状を示すグラフ。
【図３】前記自由曲面反射面による像面湾曲及び歪曲の補正を説明するための光路図。
【図４】本発明の第２実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図５】本発明の第３実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図６】本発明の第４実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図７】本発明の第５実施形態である映像表示装置を示す概略斜視図。
【図８】本発明の第６実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図９】本発明の第７実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図１０】本発明の第８実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図１１】本発明の第９実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図１２】本発明の第１０実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図１３】本発明の第１１実施形態である映像表示装置を示す概略構成図。
【図１４】（Ａ）はカラー映像の模式図、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ光束の変調素子を示す説明図。
【図１５】屈折による光束の屈曲状態を示す説明図。
【図１６】反射による光束の屈曲状態を示す説明図。
【図１７】従来の映像表示装置における画像の歪曲を示す説明図。
【図１８】従来の映像表示装置における画像の湾曲を示す説明図。
【符号の説明】
１００…光学系
１０１…像面
１０２…ミラー
１０２ａ…自由曲面反射面
１０３…光学瞳
１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０Ｄ…映像表示装置
１２１…ＬＣＤ
１２２…バックライト
１２３…偏光板
１２４，１２５…４分の１波長板
２００…プリズム
２０３…自由曲面反射面
２１０…ＬＣＤ
２２０…光学瞳

Claims (5)

1. 曲率の変化量が変曲点を有する自由曲面反射面を備えたことを特徴とする光学系。
2. 前記自由曲面反射面の変曲点のピッチは、有効な光学瞳の大きさとほぼ等しいか又は小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記自由曲面反射面に入射する光軸の入射面方向に、前記自由曲面反射面は曲率の変化量が変曲点を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学系。
4. 光学的パワーを持つ面が前記自由曲面反射面の１面のみであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の光学系。
5. 請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の光学系と、映像を表示する表示手段とを備え、
   前記表示手段により表示された映像を前記光学系により虚像として観察者の瞳に導くこと、
   を特徴とする映像表示装置。

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