JP3854763B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像表示装置に関し、例えば画像を表示する表示手段として液晶表示素子に用い、それに表示された画像情報を適切に設定した自由曲面プリズムを有する表示光学系を介して拡大して広画角で観察するようにしたヘッドマウントディスプレイ（以下「ＨＭＤ」と称する。）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、例えば透明体（プリズム）の表面に入射面との複数の反射面、そして射出面を設けた光学素子を用いて、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表示装置、所謂ヘッドマウントディスプレイが種々と提案されている。
【０００３】
例えばこのようなヘッドマウントディスプレイ型の画像表示装置として、特に小型化に優れた光学系の構成が、特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案されている。
【０００４】
一方、アジムス角度により屈折力が異なる面（以下自由曲面）を含むプリズム（以下自由曲面プリズム）を用い、広画角化を図ったＨＭＤが、例えば特開平１０−７５４０７号公報，特開平９−１４６０３７号公報（特開平１０−２８２４２１号公報）等で提案されている。これらで提案されているＨＭＤは自由曲面プリズムとは別体のレンズを眼球と自由曲面プリズムとの間に入れて表示光学系を構成しており、水平画角で６０度前後の広画角を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来よりＨＭＤ等の画像表示装置では、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広画角で良好に観察できることが重要な課題となっている。
【０００６】
特開平１０−７５４０７号公報で提案している表示光学系は眼球と自由曲面プリズムとの間にレンズを使用している。このため表示光学系が大きくなり、外界を観察するシースルー光学系を構成する場合は、眼球光軸と外界光軸を略一致させ、略ノンパワーのシースルー光学系を成り立たせようとすると、３つのプリズムが必要となり（特開平１０−７５４０７号公報の図１５）、光学系全体が大きくなる傾向があった。
【０００７】
また光路図より明らかなように表示光学系のディストーションが大きくなる傾向があった。
【０００８】
本発明は、コンパクトな表示光学系が成り立ち、かつディストーション及び諸収差の補正が良好な広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置の提供を目的とする。
【０００９】
この他本発明は、液晶ディスプレイなどの表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲面プリズム体を含む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、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【００１０】
【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、
画像情報を表示する表示手段、該表示手段からの光を眼球へ導く光学手段、外界の光を眼球へ導いて外界の画像情報と該光学手段を介した該表示手段の画像情報との双方を観察するためのシースルー光学系を有し、該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる面を２面以上含み、異なる３面以上の面から構成された正の屈折力を持つプリズム体を有し、該シースルー光学系は、補正プリズムを該光学手段中のプリズム体に隣接もしくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面とし、かつ眼球光軸と外界光軸を一致させて構成しており、該シースルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と、全系ローカル子線断面屈折力がともにノンパワーであり、該シースルー光学系を構成する前記補正プリズムのもっとも外界側の面は偏心曲面で、該シースルー光学系を構成する前記プリズム体のもっとも眼球側の面とは異なる形状をした、アジムス角度により屈折力が異なる面であり、前記補正プリズムのもっとも外界側の該偏心曲面と基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ＿ｒｙとローカル子線断面上の曲率半径ｌ＿ｒｘが
｜ｌ＿ｒｘ｜＜｜ｌ＿ｒｙ｜
の条件を満足することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において前記補正プリズムは前記プリズム体の外界側に配置されることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の基本となる画像表示装置の要部概略図である。図１において１はオリジナル画像となる文字や絵等の映像表示のなされる表示手段であり、例えば公知の液晶（ＬＣＤ）で構成される。２は表示手段１からの光を観察者の目（瞳）７へ導光させるための結像作用をする正の屈折力のプリズム体（自由曲面プリズム体）である。表示手段１からの光はプリズム体２の入射面３に入射し、次に臨界角以上の角度で入射し、全反射する面４と凹面５で反射され、今度は面４に臨界角以下の入射角度で入射し、面４より射出し、目７に導かれる。
【００１９】
プリズム体２の入射面３、面４、凹面５の３面に自由曲面を使用し、偏心収差を小さく抑制している。また面４において反射コート（アルミ蒸着１００％反射）した領域９以外では、入射光がすべて臨界角条件により透過面と反射面の両作用を満足するよう曲面を設定し、これによって面４の全面で光量ロスがなく明るい表示光学系を達成している。
【００２０】
表示手段１に表示した画像情報をプリズム体２を介して拡大した虚像として瞳位置７より観察している。
【００２１】
ここでプリズム体２は表示光学系の一要素を構成している。図１の画像表示装置を表示手段１で表示した画像情報のみを観察する観察装置として用いるときはプリズム体２の凹面５は、ＡｌやＡｇ等を蒸着した鏡面反射面として用いている。
【００２２】
尚、本実施形態においてプリズム体２としては反射を２度利用しているが２度以上の反射を用いた構成としても良い。
【００２３】
又、後述するシースルー光学系（表示手段の画像情報と外界の画像情報の双方が観察できる光学系）として用いるときは凹面５はハーフミラー面とし、外界からの光束を直接、凹面５から導入しても良く、又図１に示すように補正用プリズム体６を用いて、プリズム体６とプリズム体２を通過した光束を用いるようにしても良い。
【００２４】
本実施形態の画像表示装置を表示手段１で表示した画像情報を外界の画像情報と共に観察するシースルー光学系として用いるときには、補正用のプリズム体６を用いている。
【００２５】
プリズム体６は、プリズム体２の凹面５と同形状の面６ａと平面又は非球面又は自由曲面より成る光入射面６ｂとを有している。
【００２６】
プリズム体２の凹面５とプリズム体６の面６ａはハーフミラー面より成っている。
【００２７】
外界の物体（不図示）からの光束はプリズム体６の光入射面６ｂより入射し、面６ａ，凹面５，そして面４を通過し、観察者の瞳７に入射している。
【００２８】
図１の画像表示装置において、観察者は表示手段１で表示した画像情報と外界の物体の双方を同一視野で観察することができる。
【００２９】
尚、本実施形態においては図２に示すように表示手段１とプリズム体２の入射面３との間にフィールドレンズ１１を配置しても良い。これによれば表示手段１からの光束を眼球７に効率的に導光することができる。
【００３０】
次に本発明の画像表示装置の実施形態の特徴について説明する。本実施形態では、眼球７と自由曲面プリズム体２との間に別体のレンズを入れず、自由曲面プリズム体２と比較的大きな液晶（対角約１インチ以上）を用い、ＶＲ（バーチャルリアリティ）・ＭＲ（ミックストリアリティ）の分野で最低限必要な水平画角５０度（アスペクト比 水平４：垂直３）を確保しながら、良好な光学性能でシースルー光学系が可能なコンパクトなＨＭＤを達成できるようにしている。
【００３１】
まず、本発明で使用される母線断面、子線断面、基準光線、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。従来の光学系の定義では、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）としている。しかし偏心光学系では面頂点が実際の面内に存在しない場合（軸はずし）もあり、この定義は有効でない。
【００３２】
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。表示手段１の画像中心（シースルーのときは外界画像中心）と眼球７の中心を通る光線（以下、基準光線）と各面との交点、所謂ヒットポイント上で、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して、以下に本発明の特徴を記述する。
【００３３】
本実施形態の画像表示装置は画像情報を表示する表示手段１、該表示手段の光を眼球７へ導く光学手段を有し、該光学手段はアジムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正の屈折力を持つプリズム体２を有し、該プリズム体２の該表示手段１にもっとも近いプリズム面３は、アジムス角度により屈折力が異なる面であり、ローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所曲率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で挟まれていることを特徴とする。
【００３４】
表示手段１である液晶の画像を正の屈折力をもつ自由曲面プリズム体２で拡大して観察するが、広画角になればなるほど周辺のディストーション及び諸収差（回転対称な一般収差、偏心収差）の補正は難しくなる。
【００３５】
そこで本発明に係る自由曲面プリズム体２では、プリズムのメインパワーを持つ面（図１の凹面５）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。
【００３６】
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他の面（図１の面４）を自由曲面化して収差がキャンセルするような面形状にして補正する。これだけでもある程度の収差補正は可能であるが、全体収差のバランスがとれない。
【００３７】
そこで表示手段（ＬＣＤ１）近傍のプリズム面（図１の入射面３）を自由曲面化して全体収差のバランスをとっている。
【００３８】
特に広画角になる程、全体収差のバランスをとることが難しくなる。表示手段に１番近い入射面３では図１のように各画角の光線が重ならないため、この面を自由曲面にすると各画角ごとに独立した収差補正が可能であり、全体収差のバランスをとることが容易となる。
【００３９】
表示手段１にもっとも近いプリズム面３を上記のような局所曲率半径の特徴を満たす面形状にして広画角にしても全系の偏心ディストーションの発生が少なく、全体収差のバランスもよく、液晶またはフィールドレンズと自由曲面プリズム体２との間の距離（以下、ワーキングディスタンス）も比較的確保しやすくしている。
【００４０】
特にローカル母線断面上の周辺の負の屈折力領域は、偏心ディストーションを良好にし、ローカル母線断面上の中心付近の正の屈折力領域は、ワーキングディスタンスを確保している。
【００４１】
次にプリズム体２の特徴について説明する。該プリズム体２は、眼球７にもっとも近い面より光の通過とは逆に、透過面４、反射面５、反射面４、透過面３で配置されている。該プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球側より順に、負の透過面４、正の反射面５、負の反射面４の順序で配置されることを特徴とする。
【００４２】
本発明は、表示手段（液晶）１からのプリズム体２に入った光は上記の２つの反射面（図１では凹面５と面４）によりローカル母線断面上で折り畳められ、プリズム体２の透過面４を射出し眼球７に導きかれる。この光線の折り畳みにより薄いプリズム体が達成されているが、ローカル母線断面上でプリズム面が偏心しているため、一般収差（回転対称）よりも偏心収差の補正が大きいため、上記局所曲率半径の条件を採用して解決している。
【００４３】
しかしローカル子線断面上は偏心収差発生が少ないため、別の収差補正が必要である。そこで各プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子線断面上の屈折力を、眼球側から、対称性のある負，正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー配置にして、表示手段の画像中心付近のローカル子線断面上での一般収差（回転対称）を良好に補正している。
【００４４】
またプリズム体の材質の屈折率Ｎｄについては、下記の条件式を満たすのが良い。
【００４５】
１．５４＜Ｎｄ＜１．８５ ‥‥‥（１）
条件式（１）の下限値を下回ると、ＬＣＤ１またはフィールドレンズと自由曲面プリズム体２とのワーキングディスタンスが十分確保できなくなる。又上限値を上回ると材料（ガラス、プラスチック）が特殊材料になるため、自由曲面プリズム体の製造が難しくなる。
【００４６】
また基準光線と該プリズム体２のもっとも眼球７に近い透過面４とのヒットポイント上での、ローカル母線断面上の該透過面の接線と基準光線とのなす角度をαとした時、下記の条件式を満たすのが良い。
【００４７】
７０°＜ α ＜９５° ‥‥‥（２）
条件式（２）は、プリズム体２のもっとも眼球に近い透過面が全反射する面４であり、全反射する面４のチルト偏心量に関するものであり、下限値を下回るとプリズム厚が厚くなり、特にシースルー光学系を付加させた時、光学系が外界側に出っ張り大型化する。上限値を上回ると面４が外界側にチルト偏心し、凹面５のチルト偏心量も大きくなるため、偏心収差発生が大きくなり補正が難しくなる。
【００４８】
また自由曲面プリズム体２は、表示手段１にもっとも近い面３より順に、透過面３、反射面４、反射面５、そして透過面４の順序で配置され、該表示手段１のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球７より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線が、該プリズム面をヒットするポイントでのローカル母線断面上の屈折力が、表示手段１側より光の通過順に、負の透過面、正の反射面、正の反射面、そして透過面の順序で配置されている。
【００４９】
本発明では表示手段（液晶）１からの光がプリズム体２の入射面３を透過し、面４で全反射し、凹面５で反射され面４を通過する。このような自由曲面プリズム体２を使ったＨＭＤでは、図１のＬＣＤ１のローカル母線断面上の下側（Ｆ３）の部分の位置がＨＭＤの厚さに大きな影響を与える。
【００５０】
ＬＣＤ１のローカル母線断面上での最周辺画像（Ｆ３）から発する光線において、プリズム面に上記のようなパワーを持たせると、ＬＣＤが外界側に出っ張らないのでＨＭＤを薄くすることができる。
【００５１】
最周辺画像（Ｆ３）から発する光線は、上記入射面３、面４、凹面５を経て、面４を臨界角度以下で入射して透過する。この時ＬＣＤ１の最周辺画像Ｆ３の位置と眼球７の中心とを通る光線が、面４を透過する時のヒットポイント上でのローカル母線断面上の屈折力を正となるようにしている。これによって最周辺画像（Ｆ３）の収差も十分補正できるようにしている。
【００５２】
また眼球７にもっとも近い透過面４は、透過作用と全反射作用の両作用を持つ面である。
【００５３】
この面は全反射する面４であり、臨界角条件により透過作用と全反射作用の両作用を使い分け、光の原理的なロスをなくして明るい光学系を達成している。
【００５４】
本発明の画像表示装置をシースルー光学系として使用する構成は以下の通りである。画像情報を表示する表示手段１、該表示手段１からの光を眼球７へ導く光学手段２、外界の光を眼球７へ導くシースルー光学系を有している。
【００５５】
ここで該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる面（自由曲面）を２面以上含み、異なる３面以上の光学面から構成された正の屈折力を持つプリズム体２を有している。該シースルー光学系は、別体の補正プリズム６を該光学手段中のプリズム体２に隣接もしくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面とし、シースルー光学系の光学的屈折力はほとんどなく、眼球光軸と外界光軸は略一致している。
【００５６】
シースルー光学系のもっとも外界側の偏心曲面６ｂは、シースルー光学系のもっとも眼球側の曲面４とは異なる面形状をした、アジムス角度により屈折力が異なる面である。このときシースルー光学系のもっとも外界側の該偏心曲面６ｂと基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ_ｒｙとローカル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒｘが以下の条件式を満たすのが良い。
【００５７】
｜ｌ_ｒｘ｜＜｜ｌ_ｒｙ｜ ‥‥‥（３）
条件式（３）は該プリズム体２が自由曲面を採用した時、最低２面以上ないと自由曲面プリズム体のローカル母線断面とローカル子線断面の焦点距離をほぼ等しくすることができないため２面以上としている。
【００５８】
そしてシースルー光学系を形成する場合、図１のような補正プリズム６を、自由曲面プリズム体２の凹面５に隣接もしくは接合させ、凹面５をハーフミラーとし、補正プリズム６の外界の面６ｂは、シースルー光学系の光学的屈折力がほぼノンパワーになるように、かつ眼球光軸と外界光軸が略一致するように設定している。
【００５９】
このとき面６ｂを、シースルー光学系の収差発生を抑制するために、シースルー光学系のもっとも眼球側の面４の面形状とは違った面形状にしている。
【００６０】
さらに補正プリズム６の外界側の面６ｂは自由曲面であり、ローカル母線断面上の曲率を、ローカル子線断面上の曲率よりゆるく設定することにより、シースルー光学系のローカル母線断面上で発生する偏心収差を少なくしている。またシースルー光学系のもっとも眼球側の曲面４も同じように自由曲面とし、ローカル母線断面上の曲率をローカル子線断面上の曲率よりゆるく設定して、シースルー光学系の収差がローカル母線断面・ローカル子線断面ともにキャンセルされ、かつシースルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と全系ローカル子線断面屈折力をともにノンパワーにしている。
【００６１】
該補正プリズム６は該プリズム体２の外界側に配置している。これによって、仮に補正プリズム６を取りはずしたとしても、自由曲面プリズム体２だけで十分に表示光学系がそのまま成り立つようにしている。又、表示光学系を単独に作製しておいて、後で補正プリズムを外界側に付加して簡単にシースルー光学系が形成できるようにしている。
【００６２】
透過作用と全反射作用の両作用を持つ全反射面を含む正の屈折力を持つプリズム体２において、該全反射面内の透過作用領域以外の領域の１部に反射コーティングし、該反射コーティング領域（１００％反射）と透過作用領域の間の領域は、透過作用領域に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングをしても良い。このような構成は特開平９−２６５０４８号公報に記述がある。
【００６３】
これは反射コーティング領域と透過作用領域の境界が見えてしまい好ましくないため、境界を反射率が徐々に低下するコーティングにして見えなくするものである。しかし特開平９−２６５０４８号公報で提案されている構成では反射コーティング領域と透過作用領域との間がほとんどなく、その間の領域に透過作用領域に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングを実際はつけるとできない。
【００６４】
そこで本発明では、図１のように全反射面のローカル母線断面において、透過作用領域以外の領域のうちＬＣＤに近い側約２／３の領域９を反射コーティングを施し、残り約１／３の領域１０を透過作用領域に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングを施している。
【００６５】
こうすることにより反射率が徐々に低下するコーティングをつけることができるようにしている。なお反射コーティングする領域９及び反射率が徐々に低下するコーティングする領域１０は、ともにアルミニウムのような金属ミラーを使用すると色付きがなく好ましい。
【００６６】
本実施形態では全反射する面のうちの該反射コーティングする領域９に入射する光線の１部の光線は臨界角以下で入射している。これは自由曲面プリズム体２の面４で、すべての光線を臨界角以上で入射させて、全反射させ光量ロスをなくし、広画角化を行なうとすると、画面上部の残像収差が大きくなる。
【００６７】
そこで本発明は面４の上部の領域９を反射コーティングして、臨界角以下で光を入射させて反射するようにし、面４の下部は従来のように全反射させている。
【００６８】
これにより光のロスも少なく、面４の上部での面形状制限もなくなり、設計自由度が増え画面上部付近の収差を低減することができるようにしている。
【００６９】
各プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の屈折力が、ＬＣＤ１にもっとも近いプリズム面（入射面３）より正、次の反射面（全反射面４）が負、さらに次の反射面（凹面鏡５）が正であるようにしている。
【００７０】
こうすると正の凹面鏡５で発生した偏心収差を、負の全反射面４でキャンセルさせ、正の入射面３でワーキングディスタンスを確保する役目をする。またプリズム体２を射出する時の透過面（全反射面）４と基準光線のヒットポイント上でローカル母線断面屈折力は正であるようにしている。
【００７１】
これは凹面鏡５が全プリズム面の内、もっとも強い正の屈折力をもちチルト偏心しているため、収差の発生が大きい。
【００７２】
そこでチルト偏心が比較的少ない面４の透過部分に正のパワーを分担させて、凹面鏡の負担を減らし、良好な光学性能を得ている。
【００７３】
各プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子線断面における屈折力については前述したが、ＬＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）と下側（Ｆ３）の画像についても同様のことが言える。ＬＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ３）の画像と眼球中心を通る光線が、各プリズム面をヒットするポイントでのローカル子線断面と平行な断面上の屈折力が、眼球７側より順に、負の透過面４、正の反射面５、負の反射面４そして透過面３の順序で配置されている。
【００７４】
こうすると表示手段１のローカル母線断面上の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ３）の画像を通る光線が各プリズム面をヒットするポイント上のローカル子線断面と平行な断面上で、眼球７側から対称性のある負，正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー配置になり、表示手段１の画像上部付近及び画像下部付近のローカル子線断面と平行な断面上での一般収差（回転対称）を良好に補正できるようにしている。
【００７５】
又、本実施形態においては、基準光線上での全系のローカル子線断面の焦点距離をｌ_ｆｘ（２−５）、面４の反射におけるローカル子線断面の焦点距離をｌ_ｆｘ４とした時、
−１．５＜ｌ_ｆｘ４／ｌ_ｆｘ（２−５）＜−０．５ ‥‥‥（４）
を満たすのが良い。条件式（４）の下限値を下回ると、ローカル子線断面上で全反射する面の負のパワーが弱くなり、ローカル子線断面上でのプリズム内光路が長くなり、自由曲面プリズム体２の厚さが厚くなる。
【００７６】
又上限値を超えると全反射する面の負のパワーが強くなりすぎ、凹面５の正のパワー面との収差キャンセルがうまくできなくなる。
【００７７】
また表示手段１の画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での全反射する面４の反射におけるローカル母線断面の焦点距離をＦ３ｌ_ｆｙ４、画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での凹面５のローカル母線断面の焦点距離をＦ３ｌ_ｆｙ３とした時、
０＜Ｆ３ｌ_ｆｙ３／Ｆ３ｌ_ｆｙ４＜１ ‥‥‥（５）
を満たすのが良い。
【００７８】
条件式（５）の下限値を下回ると、画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での全反射する面４の反射におけるローカル母線断面上のパワーが負になり、ＬＣＤ１の画像Ｆ３の部分の外界側への出っ張りが大きくなる。また上限値を超えると画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での全反射する面の反射におけるローカル母線断面上の正のパワーが強くなり、画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での入射面におけるローカル母線断面上で強い負のパワーが要求され、ＬＣＤ１の画像Ｆ３の光路部分で十分なワーキングディスタンスを確保できない。
【００７９】
尚、後述する数値例の局所曲率半径データ１〜７は、実施例１〜７の自由曲面プリズム体の入射面（ＬＣＤにもっとも近い面）のローカル母線断面上（ｘ＝０）の局所曲率半径ｒｙ（ｙの範囲は、入射面の外形寸法を面頂点座標系で示したもの）の数値列である。
【００８０】
次に本発明の画像表示装置の実施形態の各要素の表示方式の詳細について説明する。
【００８１】
図２〜図８は各々本発明の画像表示装置の後述する数値実施例１〜７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）の面頂点座標系は図１に示している。
【００８２】
図９は数値実施例４（図５）の光学系をシースルー光学系として用いたときのローカル母線断面図であり、外界側からの順方向に通過する状態の光線トレースを示している。
【００８３】
本発明の光学系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。
【００８４】
尚、前述した従来の母線断面、子線断面は従来の近軸（genera1 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。
【００８５】
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。
【００８６】
本発明では表示手段１の画像中心から射出し、観察面（眼球７）の中心に入射する中心光線を基準光線とし、従来の各面の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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
尚、本発明の各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。
【００９０】
本発明の実施例として７つの実施例をあげた。実施例１〜７の数値データを表１〜７に示し、光路断面図を図２〜８に示した。実施例４のプリズム体２に対して補正プリズム体６を追加してシースルー光学系としたときの数値データは表８に示し、光路断面図を図９に示した。
【００９１】
表１〜８の従来近軸では（genera1 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、アッベ数νｄを示し、ＦＦＳは自由曲面を表している。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。
【００９２】
尚、表１〜７は眼球７から液晶側（表示手段）７への逆トレースで数値データは示されており、表８は光が物体側から瞳（７）に向かう順トレースの数値データである。ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示す。
【００９３】
（各面の面頂点座標系で）
【００９４】
【数１】
【００９５】
各ｃ１、ｃ５‥‥は各々自由曲面係数である。
【００９６】
（注意：本実施例での自由曲面の場合、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。）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。
【００９７】
また各面でのヒットポイント座標（面頂点を０．０）と全系ローカル焦点距離・画角も示した。
【００９８】
さらにローカル近軸（local-paraxial axis）の下には、基準光線と各面のヒットポイントでなく、ＬＣＤのローカル母線断面上での、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ２（上側）と眼球中心を通る光線と各面とのヒットポイント上での、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）・各面でのヒットポイント座標（面頂点を０，０）・全系ローカル焦点距離もlocal paraxial
ray<F2>として追加した。
【００９９】
この時の数値データおよび計算値は、ローカル近軸の基準光線（眼球中心とＬＣＤ中心を通る光線）を、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ２（上側）と眼球中心を通る光線に置き換えて計算した。またＬＣＤ最周辺画像Ｆ３（下側）についても同様にlocal paraxial ray<F3>として追加した。
【０１００】
表９では７つの実施例１〜７について、各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面焦点距離（基準光線）、Ｆ２から眼球中心光線上での各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面焦点距離、Ｆ３から眼球中心光線上での各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面焦点距離についてまとめた。
【０１０１】
次に本発明の各実施例の数値例を以下に示す。
【０１０２】
【外１】
【０１０３】
【外２】
【０１０４】
【外３】
【０１０５】
【外４】
【０１０６】
【外５】
【０１０７】
【外６】
【０１０８】
【外７】
【０１０９】
【外８】
【０１１０】
【外９】
【０１１１】
【外１０】
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、コンパクトな表示光学系が成り立ち、かつディストーション及び諸収差の補正が良好な広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置を達成することができる。
【０１１３】
この他本発明によれば、液晶ディスプレイなどの表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲面プリズム体を含む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、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察することができる画像表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の画像表示装置の実施形態の要部概略図
【図２】 本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概略図
【図３】 本発明の画像表示装置の実施形態２の要部概略図
【図４】 本発明の画像表示装置の実施形態３の要部概略図
【図５】 本発明の画像表示装置の実施形態４の要部概略図
【図６】 本発明の画像表示装置の実施形態５の要部概略図
【図７】 本発明の画像表示装置の実施形態６の要部概略図
【図８】 本発明の画像表示装置の実施形態７の要部概略図
【図９】 本発明の画像表示装置をシースルー光学系としたときの要部概略図
【符号の説明】
１ ＬＣＤ
２ 自由曲面プリズム
３ 入射面
４ 全反射面
５ 凹面鏡
６ 補正用自由曲面プリズム
７ 眼球
８ 眼球光軸
９ 反射コーティング領域
１０ 反射率が徐々に低下するコーティング領域
１１ フィールドレンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は画像表示装置に関し、例えば画像を表示する表示手段として液晶表示素子に用い、それに表示された画像情報を適切に設定した自由曲面プリズムを有する表示光学系を介して拡大して広画角で観察するようにしたヘッドマウントディスプレイ（以下「ＨＭＤ」と称する。）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、例えば透明体（プリズム）の表面に入射面との複数の反射面、そして射出面を設けた光学素子を用いて、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表示装置、所謂ヘッドマウントディスプレイが種々と提案されている。
【０００３】
例えばこのようなヘッドマウントディスプレイ型の画像表示装置として、特に小型化に優れた光学系の構成が、特開平７−３３３５５１号公報，特開平８−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報等で提案されている。
【０００４】
一方、アジムス角度により屈折力が異なる面（以下自由曲面）を含むプリズム（以下自由曲面プリズム）を用い、広画角化を図ったＨＭＤが、例えば特開平１０−７５４０７号公報，特開平９−１４６０３７号公報（特開平１０−２８２４２１号公報）等で提案されている。これらで提案されているＨＭＤは自由曲面プリズムとは別体のレンズを眼球と自由曲面プリズムとの間に入れて表示光学系を構成しており、水平画角で６０度前後の広画角を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来よりＨＭＤ等の画像表示装置では、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広画角で良好に観察できることが重要な課題となっている。
【０００６】
特開平１０−７５４０７号公報で提案している表示光学系は眼球と自由曲面プリズムとの間にレンズを使用している。このため表示光学系が大きくなり、外界を観察するシースルー光学系を構成する場合は、眼球光軸と外界光軸を略一致させ、略ノンパワーのシースルー光学系を成り立たせようとすると、３つのプリズムが必要となり（特開平１０−７５４０７号公報の図１５）、光学系全体が大きくなる傾向があった。
【０００７】
また光路図より明らかなように表示光学系のディストーションが大きくなる傾向があった。
【０００８】
本発明は、コンパクトな表示光学系が成り立ち、かつディストーション及び諸収差の補正が良好な広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置の提供を目的とする。
【０００９】
この他本発明は、液晶ディスプレイなどの表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲面プリズム体を含む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、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【００１０】
【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、
画像情報を表示する表示手段、該表示手段からの光を眼球へ導く光学手段、外界の光を眼球へ導いて外界の画像情報と該光学手段を介した該表示手段の画像情報との双方を観察するためのシースルー光学系を有し、該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる面を２面以上含み、異なる３面以上の面から構成された正の屈折力を持つプリズム体を有し、該シースルー光学系は、補正プリズムを該光学手段中のプリズム体に隣接もしくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面とし、かつ眼球光軸と外界光軸を一致させて構成しており、該シースルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と、全系ローカル子線断面屈折力がともにノンパワーであり、該シースルー光学系を構成する前記補正プリズムのもっとも外界側の面は偏心曲面で、該シースルー光学系を構成する前記プリズム体のもっとも眼球側の面とは異なる形状をした、アジムス角度により屈折力が異なる面であり、前記補正プリズムのもっとも外界側の該偏心曲面と基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ＿ｒｙとローカル子線断面上の曲率半径ｌ＿ｒｘが
｜ｌ＿ｒｘ｜＜｜ｌ＿ｒｙ｜
の条件を満足することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において前記補正プリズムは前記プリズム体の外界側に配置されることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の基本となる画像表示装置の要部概略図である。図１において１はオリジナル画像となる文字や絵等の映像表示のなされる表示手段であり、例えば公知の液晶（ＬＣＤ）で構成される。２は表示手段１からの光を観察者の目（瞳）７へ導光させるための結像作用をする正の屈折力のプリズム体（自由曲面プリズム体）である。表示手段１からの光はプリズム体２の入射面３に入射し、次に臨界角以上の角度で入射し、全反射する面４と凹面５で反射され、今度は面４に臨界角以下の入射角度で入射し、面４より射出し、目７に導かれる。
【００１９】
プリズム体２の入射面３、面４、凹面５の３面に自由曲面を使用し、偏心収差を小さく抑制している。また面４において反射コート（アルミ蒸着１００％反射）した領域９以外では、入射光がすべて臨界角条件により透過面と反射面の両作用を満足するよう曲面を設定し、これによって面４の全面で光量ロスがなく明るい表示光学系を達成している。
【００２０】
表示手段１に表示した画像情報をプリズム体２を介して拡大した虚像として瞳位置７より観察している。
【００２１】
ここでプリズム体２は表示光学系の一要素を構成している。図１の画像表示装置を表示手段１で表示した画像情報のみを観察する観察装置として用いるときはプリズム体２の凹面５は、ＡｌやＡｇ等を蒸着した鏡面反射面として用いている。
【００２２】
尚、本実施形態においてプリズム体２としては反射を２度利用しているが２度以上の反射を用いた構成としても良い。
【００２３】
又、後述するシースルー光学系（表示手段の画像情報と外界の画像情報の双方が観察できる光学系）として用いるときは凹面５はハーフミラー面とし、外界からの光束を直接、凹面５から導入しても良く、又図１に示すように補正用プリズム体６を用いて、プリズム体６とプリズム体２を通過した光束を用いるようにしても良い。
【００２４】
本実施形態の画像表示装置を表示手段１で表示した画像情報を外界の画像情報と共に観察するシースルー光学系として用いるときには、補正用のプリズム体６を用いている。
【００２５】
プリズム体６は、プリズム体２の凹面５と同形状の面６ａと平面又は非球面又は自由曲面より成る光入射面６ｂとを有している。
【００２６】
プリズム体２の凹面５とプリズム体６の面６ａはハーフミラー面より成っている。
【００２７】
外界の物体（不図示）からの光束はプリズム体６の光入射面６ｂより入射し、面６ａ，凹面５，そして面４を通過し、観察者の瞳７に入射している。
【００２８】
図１の画像表示装置において、観察者は表示手段１で表示した画像情報と外界の物体の双方を同一視野で観察することができる。
【００２９】
尚、本実施形態においては図２に示すように表示手段１とプリズム体２の入射面３との間にフィールドレンズ１１を配置しても良い。これによれば表示手段１からの光束を眼球７に効率的に導光することができる。
【００３０】
次に本発明の画像表示装置の実施形態の特徴について説明する。本実施形態では、眼球７と自由曲面プリズム体２との間に別体のレンズを入れず、自由曲面プリズム体２と比較的大きな液晶（対角約１インチ以上）を用い、ＶＲ（バーチャルリアリティ）・ＭＲ（ミックストリアリティ）の分野で最低限必要な水平画角５０度（アスペクト比 水平４：垂直３）を確保しながら、良好な光学性能でシースルー光学系が可能なコンパクトなＨＭＤを達成できるようにしている。
【００３１】
まず、本発明で使用される母線断面、子線断面、基準光線、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。従来の光学系の定義では、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）としている。しかし偏心光学系では面頂点が実際の面内に存在しない場合（軸はずし）もあり、この定義は有効でない。
【００３２】
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。表示手段１の画像中心（シースルーのときは外界画像中心）と眼球７の中心を通る光線（以下、基準光線）と各面との交点、所謂ヒットポイント上で、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して、以下に本発明の特徴を記述する。
【００３３】
本実施形態の画像表示装置は画像情報を表示する表示手段１、該表示手段の光を眼球７へ導く光学手段を有し、該光学手段はアジムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正の屈折力を持つプリズム体２を有し、該プリズム体２の該表示手段１にもっとも近いプリズム面３は、アジムス角度により屈折力が異なる面であり、ローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所曲率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で挟まれていることを特徴とする。
【００３４】
表示手段１である液晶の画像を正の屈折力をもつ自由曲面プリズム体２で拡大して観察するが、広画角になればなるほど周辺のディストーション及び諸収差（回転対称な一般収差、偏心収差）の補正は難しくなる。
【００３５】
そこで本発明に係る自由曲面プリズム体２では、プリズムのメインパワーを持つ面（図１の凹面５）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。
【００３６】
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他の面（図１の面４）を自由曲面化して収差がキャンセルするような面形状にして補正する。これだけでもある程度の収差補正は可能であるが、全体収差のバランスがとれない。
【００３７】
そこで表示手段（ＬＣＤ１）近傍のプリズム面（図１の入射面３）を自由曲面化して全体収差のバランスをとっている。
【００３８】
特に広画角になる程、全体収差のバランスをとることが難しくなる。表示手段に１番近い入射面３では図１のように各画角の光線が重ならないため、この面を自由曲面にすると各画角ごとに独立した収差補正が可能であり、全体収差のバランスをとることが容易となる。
【００３９】
表示手段１にもっとも近いプリズム面３を上記のような局所曲率半径の特徴を満たす面形状にして広画角にしても全系の偏心ディストーションの発生が少なく、全体収差のバランスもよく、液晶またはフィールドレンズと自由曲面プリズム体２との間の距離（以下、ワーキングディスタンス）も比較的確保しやすくしている。
【００４０】
特にローカル母線断面上の周辺の負の屈折力領域は、偏心ディストーションを良好にし、ローカル母線断面上の中心付近の正の屈折力領域は、ワーキングディスタンスを確保している。
【００４１】
次にプリズム体２の特徴について説明する。該プリズム体２は、眼球７にもっとも近い面より光の通過とは逆に、透過面４、反射面５、反射面４、透過面３で配置されている。該プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球側より順に、負の透過面４、正の反射面５、負の反射面４の順序で配置されることを特徴とする。
【００４２】
本発明は、表示手段（液晶）１からのプリズム体２に入った光は上記の２つの反射面（図１では凹面５と面４）によりローカル母線断面上で折り畳められ、プリズム体２の透過面４を射出し眼球７に導きかれる。この光線の折り畳みにより薄いプリズム体が達成されているが、ローカル母線断面上でプリズム面が偏心しているため、一般収差（回転対称）よりも偏心収差の補正が大きいため、上記局所曲率半径の条件を採用して解決している。
【００４３】
しかしローカル子線断面上は偏心収差発生が少ないため、別の収差補正が必要である。そこで各プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子線断面上の屈折力を、眼球側から、対称性のある負，正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー配置にして、表示手段の画像中心付近のローカル子線断面上での一般収差（回転対称）を良好に補正している。
【００４４】
またプリズム体の材質の屈折率Ｎｄについては、下記の条件式を満たすのが良い。
【００４５】
１．５４＜Ｎｄ＜１．８５ ‥‥‥（１）
条件式（１）の下限値を下回ると、ＬＣＤ１またはフィールドレンズと自由曲面プリズム体２とのワーキングディスタンスが十分確保できなくなる。又上限値を上回ると材料（ガラス、プラスチック）が特殊材料になるため、自由曲面プリズム体の製造が難しくなる。
【００４６】
また基準光線と該プリズム体２のもっとも眼球７に近い透過面４とのヒットポイント上での、ローカル母線断面上の該透過面の接線と基準光線とのなす角度をαとした時、下記の条件式を満たすのが良い。
【００４７】
７０°＜ α ＜９５° ‥‥‥（２）
条件式（２）は、プリズム体２のもっとも眼球に近い透過面が全反射する面４であり、全反射する面４のチルト偏心量に関するものであり、下限値を下回るとプリズム厚が厚くなり、特にシースルー光学系を付加させた時、光学系が外界側に出っ張り大型化する。上限値を上回ると面４が外界側にチルト偏心し、凹面５のチルト偏心量も大きくなるため、偏心収差発生が大きくなり補正が難しくなる。
【００４８】
また自由曲面プリズム体２は、表示手段１にもっとも近い面３より順に、透過面３、反射面４、反射面５、そして透過面４の順序で配置され、該表示手段１のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球７より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線が、該プリズム面をヒットするポイントでのローカル母線断面上の屈折力が、表示手段１側より光の通過順に、負の透過面、正の反射面、正の反射面、そして透過面の順序で配置されている。
【００４９】
本発明では表示手段（液晶）１からの光がプリズム体２の入射面３を透過し、面４で全反射し、凹面５で反射され面４を通過する。このような自由曲面プリズム体２を使ったＨＭＤでは、図１のＬＣＤ１のローカル母線断面上の下側（Ｆ３）の部分の位置がＨＭＤの厚さに大きな影響を与える。
【００５０】
ＬＣＤ１のローカル母線断面上での最周辺画像（Ｆ３）から発する光線において、プリズム面に上記のようなパワーを持たせると、ＬＣＤが外界側に出っ張らないのでＨＭＤを薄くすることができる。
【００５１】
最周辺画像（Ｆ３）から発する光線は、上記入射面３、面４、凹面５を経て、面４を臨界角度以下で入射して透過する。この時ＬＣＤ１の最周辺画像Ｆ３の位置と眼球７の中心とを通る光線が、面４を透過する時のヒットポイント上でのローカル母線断面上の屈折力を正となるようにしている。これによって最周辺画像（Ｆ３）の収差も十分補正できるようにしている。
【００５２】
また眼球７にもっとも近い透過面４は、透過作用と全反射作用の両作用を持つ面である。
【００５３】
この面は全反射する面４であり、臨界角条件により透過作用と全反射作用の両作用を使い分け、光の原理的なロスをなくして明るい光学系を達成している。
【００５４】
本発明の画像表示装置をシースルー光学系として使用する構成は以下の通りである。画像情報を表示する表示手段１、該表示手段１からの光を眼球７へ導く光学手段２、外界の光を眼球７へ導くシースルー光学系を有している。
【００５５】
ここで該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる面（自由曲面）を２面以上含み、異なる３面以上の光学面から構成された正の屈折力を持つプリズム体２を有している。該シースルー光学系は、別体の補正プリズム６を該光学手段中のプリズム体２に隣接もしくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面とし、シースルー光学系の光学的屈折力はほとんどなく、眼球光軸と外界光軸は略一致している。
【００５６】
シースルー光学系のもっとも外界側の偏心曲面６ｂは、シースルー光学系のもっとも眼球側の曲面４とは異なる面形状をした、アジムス角度により屈折力が異なる面である。このときシースルー光学系のもっとも外界側の該偏心曲面６ｂと基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ_ｒｙとローカル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒｘが以下の条件式を満たすのが良い。
【００５７】
｜ｌ_ｒｘ｜＜｜ｌ_ｒｙ｜ ‥‥‥（３）
条件式（３）は該プリズム体２が自由曲面を採用した時、最低２面以上ないと自由曲面プリズム体のローカル母線断面とローカル子線断面の焦点距離をほぼ等しくすることができないため２面以上としている。
【００５８】
そしてシースルー光学系を形成する場合、図１のような補正プリズム６を、自由曲面プリズム体２の凹面５に隣接もしくは接合させ、凹面５をハーフミラーとし、補正プリズム６の外界の面６ｂは、シースルー光学系の光学的屈折力がほぼノンパワーになるように、かつ眼球光軸と外界光軸が略一致するように設定している。
【００５９】
このとき面６ｂを、シースルー光学系の収差発生を抑制するために、シースルー光学系のもっとも眼球側の面４の面形状とは違った面形状にしている。
【００６０】
さらに補正プリズム６の外界側の面６ｂは自由曲面であり、ローカル母線断面上の曲率を、ローカル子線断面上の曲率よりゆるく設定することにより、シースルー光学系のローカル母線断面上で発生する偏心収差を少なくしている。またシースルー光学系のもっとも眼球側の曲面４も同じように自由曲面とし、ローカル母線断面上の曲率をローカル子線断面上の曲率よりゆるく設定して、シースルー光学系の収差がローカル母線断面・ローカル子線断面ともにキャンセルされ、かつシースルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と全系ローカル子線断面屈折力をともにノンパワーにしている。
【００６１】
該補正プリズム６は該プリズム体２の外界側に配置している。これによって、仮に補正プリズム６を取りはずしたとしても、自由曲面プリズム体２だけで十分に表示光学系がそのまま成り立つようにしている。又、表示光学系を単独に作製しておいて、後で補正プリズムを外界側に付加して簡単にシースルー光学系が形成できるようにしている。
【００６２】
透過作用と全反射作用の両作用を持つ全反射面を含む正の屈折力を持つプリズム体２において、該全反射面内の透過作用領域以外の領域の１部に反射コーティングし、該反射コーティング領域（１００％反射）と透過作用領域の間の領域は、透過作用領域に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングをしても良い。このような構成は特開平９−２６５０４８号公報に記述がある。
【００６３】
これは反射コーティング領域と透過作用領域の境界が見えてしまい好ましくないため、境界を反射率が徐々に低下するコーティングにして見えなくするものである。しかし特開平９−２６５０４８号公報で提案されている構成では反射コーティング領域と透過作用領域との間がほとんどなく、その間の領域に透過作用領域に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングを実際はつけるとできない。
【００６４】
そこで本発明では、図１のように全反射面のローカル母線断面において、透過作用領域以外の領域のうちＬＣＤに近い側約２／３の領域９を反射コーティングを施し、残り約１／３の領域１０を透過作用領域に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングを施している。
【００６５】
こうすることにより反射率が徐々に低下するコーティングをつけることができるようにしている。なお反射コーティングする領域９及び反射率が徐々に低下するコーティングする領域１０は、ともにアルミニウムのような金属ミラーを使用すると色付きがなく好ましい。
【００６６】
本実施形態では全反射する面のうちの該反射コーティングする領域９に入射する光線の１部の光線は臨界角以下で入射している。これは自由曲面プリズム体２の面４で、すべての光線を臨界角以上で入射させて、全反射させ光量ロスをなくし、広画角化を行なうとすると、画面上部の残像収差が大きくなる。
【００６７】
そこで本発明は面４の上部の領域９を反射コーティングして、臨界角以下で光を入射させて反射するようにし、面４の下部は従来のように全反射させている。
【００６８】
これにより光のロスも少なく、面４の上部での面形状制限もなくなり、設計自由度が増え画面上部付近の収差を低減することができるようにしている。
【００６９】
各プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の屈折力が、ＬＣＤ１にもっとも近いプリズム面（入射面３）より正、次の反射面（全反射面４）が負、さらに次の反射面（凹面鏡５）が正であるようにしている。
【００７０】
こうすると正の凹面鏡５で発生した偏心収差を、負の全反射面４でキャンセルさせ、正の入射面３でワーキングディスタンスを確保する役目をする。またプリズム体２を射出する時の透過面（全反射面）４と基準光線のヒットポイント上でローカル母線断面屈折力は正であるようにしている。
【００７１】
これは凹面鏡５が全プリズム面の内、もっとも強い正の屈折力をもちチルト偏心しているため、収差の発生が大きい。
【００７２】
そこでチルト偏心が比較的少ない面４の透過部分に正のパワーを分担させて、凹面鏡の負担を減らし、良好な光学性能を得ている。
【００７３】
各プリズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子線断面における屈折力については前述したが、ＬＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）と下側（Ｆ３）の画像についても同様のことが言える。ＬＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ３）の画像と眼球中心を通る光線が、各プリズム面をヒットするポイントでのローカル子線断面と平行な断面上の屈折力が、眼球７側より順に、負の透過面４、正の反射面５、負の反射面４そして透過面３の順序で配置されている。
【００７４】
こうすると表示手段１のローカル母線断面上の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ３）の画像を通る光線が各プリズム面をヒットするポイント上のローカル子線断面と平行な断面上で、眼球７側から対称性のある負，正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー配置になり、表示手段１の画像上部付近及び画像下部付近のローカル子線断面と平行な断面上での一般収差（回転対称）を良好に補正できるようにしている。
【００７５】
又、本実施形態においては、基準光線上での全系のローカル子線断面の焦点距離をｌ_ｆｘ（２−５）、面４の反射におけるローカル子線断面の焦点距離をｌ_ｆｘ４とした時、
−１．５＜ｌ_ｆｘ４／ｌ_ｆｘ（２−５）＜−０．５ ‥‥‥（４）
を満たすのが良い。条件式（４）の下限値を下回ると、ローカル子線断面上で全反射する面の負のパワーが弱くなり、ローカル子線断面上でのプリズム内光路が長くなり、自由曲面プリズム体２の厚さが厚くなる。
【００７６】
又上限値を超えると全反射する面の負のパワーが強くなりすぎ、凹面５の正のパワー面との収差キャンセルがうまくできなくなる。
【００７７】
また表示手段１の画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での全反射する面４の反射におけるローカル母線断面の焦点距離をＦ３ｌ_ｆｙ４、画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での凹面５のローカル母線断面の焦点距離をＦ３ｌ_ｆｙ３とした時、
０＜Ｆ３ｌ_ｆｙ３／Ｆ３ｌ_ｆｙ４＜１ ‥‥‥（５）
を満たすのが良い。
【００７８】
条件式（５）の下限値を下回ると、画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での全反射する面４の反射におけるローカル母線断面上のパワーが負になり、ＬＣＤ１の画像Ｆ３の部分の外界側への出っ張りが大きくなる。また上限値を超えると画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での全反射する面の反射におけるローカル母線断面上の正のパワーが強くなり、画像Ｆ３から眼球７の中心光線上での入射面におけるローカル母線断面上で強い負のパワーが要求され、ＬＣＤ１の画像Ｆ３の光路部分で十分なワーキングディスタンスを確保できない。
【００７９】
尚、後述する数値例の局所曲率半径データ１〜７は、実施例１〜７の自由曲面プリズム体の入射面（ＬＣＤにもっとも近い面）のローカル母線断面上（ｘ＝０）の局所曲率半径ｒｙ（ｙの範囲は、入射面の外形寸法を面頂点座標系で示したもの）の数値列である。
【００８０】
次に本発明の画像表示装置の実施形態の各要素の表示方式の詳細について説明する。
【００８１】
図２〜図８は各々本発明の画像表示装置の後述する数値実施例１〜７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）の面頂点座標系は図１に示している。
【００８２】
図９は数値実施例４（図５）の光学系をシースルー光学系として用いたときのローカル母線断面図であり、外界側からの順方向に通過する状態の光線トレースを示している。
【００８３】
本発明の光学系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。
【００８４】
尚、前述した従来の母線断面、子線断面は従来の近軸（genera1 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。
【００８５】
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。
【００８６】
本発明では表示手段１の画像中心から射出し、観察面（眼球７）の中心に入射する中心光線を基準光線とし、従来の各面の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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
尚、本発明の各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。
【００９０】
本発明の実施例として７つの実施例をあげた。実施例１〜７の数値データを表１〜７に示し、光路断面図を図２〜８に示した。実施例４のプリズム体２に対して補正プリズム体６を追加してシースルー光学系としたときの数値データは表８に示し、光路断面図を図９に示した。
【００９１】
表１〜８の従来近軸では（genera1 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、アッベ数νｄを示し、ＦＦＳは自由曲面を表している。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。
【００９２】
尚、表１〜７は眼球７から液晶側（表示手段）７への逆トレースで数値データは示されており、表８は光が物体側から瞳（７）に向かう順トレースの数値データである。ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示す。
【００９３】
（各面の面頂点座標系で）
【００９４】
【数１】
【００９５】
各ｃ１、ｃ５‥‥は各々自由曲面係数である。
【００９６】
（注意：本実施例での自由曲面の場合、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。）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。
【００９７】
また各面でのヒットポイント座標（面頂点を０．０）と全系ローカル焦点距離・画角も示した。
【００９８】
さらにローカル近軸（local-paraxial axis）の下には、基準光線と各面のヒットポイントでなく、ＬＣＤのローカル母線断面上での、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ２（上側）と眼球中心を通る光線と各面とのヒットポイント上での、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）・各面でのヒットポイント座標（面頂点を０，０）・全系ローカル焦点距離もlocal paraxial
ray<F2>として追加した。
【００９９】
この時の数値データおよび計算値は、ローカル近軸の基準光線（眼球中心とＬＣＤ中心を通る光線）を、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ２（上側）と眼球中心を通る光線に置き換えて計算した。またＬＣＤ最周辺画像Ｆ３（下側）についても同様にlocal paraxial ray<F3>として追加した。
【０１００】
表９では７つの実施例１〜７について、各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面焦点距離（基準光線）、Ｆ２から眼球中心光線上での各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面焦点距離、Ｆ３から眼球中心光線上での各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面焦点距離についてまとめた。
【０１０１】
次に本発明の各実施例の数値例を以下に示す。
【０１０２】
【外１】
【０１０３】
【外２】
【０１０４】
【外３】
【０１０５】
【外４】
【０１０６】
【外５】
【０１０７】
【外６】
【０１０８】
【外７】
【０１０９】
【外８】
【０１１０】
【外９】
【０１１１】
【外１０】
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、コンパクトな表示光学系が成り立ち、かつディストーション及び諸収差の補正が良好な広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置を達成することができる。
【０１１３】
この他本発明によれば、液晶ディスプレイなどの表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段からの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲面プリズム体を含む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、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察することができる画像表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の画像表示装置の実施形態の要部概略図
【図２】 本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概略図
【図３】 本発明の画像表示装置の実施形態２の要部概略図
【図４】 本発明の画像表示装置の実施形態３の要部概略図
【図５】 本発明の画像表示装置の実施形態４の要部概略図
【図６】 本発明の画像表示装置の実施形態５の要部概略図
【図７】 本発明の画像表示装置の実施形態６の要部概略図
【図８】 本発明の画像表示装置の実施形態７の要部概略図
【図９】 本発明の画像表示装置をシースルー光学系としたときの要部概略図
【符号の説明】
１ ＬＣＤ
２ 自由曲面プリズム
３ 入射面
４ 全反射面
５ 凹面鏡
６ 補正用自由曲面プリズム
７ 眼球
８ 眼球光軸
９ 反射コーティング領域
１０ 反射率が徐々に低下するコーティング領域
１１ フィールドレンズ
Claims (2)
- 画像情報を表示する表示手段、該表示手段からの光を眼球へ導く光学手段、外界の光を眼球へ導いて外界の画像情報と該光学手段を介した該表示手段の画像情報との双方を観察するためのシースルー光学系を有し、該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる面を２面以上含み、異なる３面以上の面から構成された正の屈折力を持つプリズム体を有し、該シースルー光学系は、補正プリズムを該光学手段中のプリズム体に隣接もしくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面とし、かつ眼球光軸と外界光軸を一致させて構成しており、該シースルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と、全系ローカル子線断面屈折力がともにノンパワーであり、該シースルー光学系を構成する前記補正プリズムのもっとも外界側の面は偏心曲面で、該シースルー光学系を構成する前記プリズム体のもっとも眼球側の面とは異なる形状をした、アジムス角度により屈折力が異なる面であり、前記補正プリズムのもっとも外界側の該偏心曲面と基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ＿ｒｙとローカル子線断面上の曲率半径ｌ＿ｒｘが
｜ｌ＿ｒｘ｜＜｜ｌ＿ｒｙ｜
の条件を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 前記補正プリズムは前記プリズム体の外界側に配置されることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
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