JP4581180B2

JP4581180B2 - 虚像表示装置

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Publication number: JP4581180B2
Application number: JP2000128997A
Authority: JP
Inventors: 卓司吉田; 洋武川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-04-25
Also published as: JP2001305477A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単眼、もしくは、左右両眼により虚像を観察できるようにした虚像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、虚像表示装置が提案されている。このような虚像表示装置は、図１５に示すように、画像表示素子（ＬＣＤパネル）１０１の出力画像を虚像表示を行うための拡大光学系１０２を通して観察するように構成されている。すなわち、このような虚像表示装置は、光源１０３から出射された光を画像表示素子１０１により空間的に変調し、凹面鏡光学系、もしくは、凸レンズ光学系などの拡大光学系１０２を用いて、画像表示素子１０１の表示画像を虚像１０４として結像するものである。
【０００３】
このような虚像表示装置は、いわゆるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）や、いわゆるビューファインダとして実用化されている。虚像表示装置においては、虚像を観察できる領域が広いほど見易い。しかし、実用化されている虚像表示装置においては、光学系の瞳径が小さいために、眼幅調整機構を設けたり、眼鏡型もしくはヘルメット型として頭部に固定することにより、観察可能な領域内に観察者の瞳が存在するようにしているのである。
【０００４】
しかし、頭部などに固定することなく気軽に虚像を観察することができる虚像表示装置の開発が望まれている。このためには、虚像表示装置の瞳径を大きくする必要がある。虚像表示装置の瞳径を充分に大きくすることは、光学系の大きさの制約や、虚像表示装置から出射する光の角度を大きくすることができないことなどから、困難である。
【０００５】
そして、映像表示素子としては、透過型ライトバルブ、反射型ライトバルブ、ＣＲＴ（陰極線管）等が使用されている。従来の虚像表示装置の多くは、透過型ライトバルブを用いて構成されている。
【０００６】
近年、小型で高解像度の虚像表示装置を開発するにあたって、結晶Ｓｉ（シリコン）基板を用いた反射型液晶ライトバルブの開発がなされている。この反射型液晶ライトバルブの特徴は、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳ回路を形成し、その上に反射鏡を形成し、液晶を挟む構造となっている。このような反射型液晶ライトバルブにおいては、開口率の向上が実現され、さらに、Ｓｉベースの製造プロセスが採用可能であるため、設計ルールが細かくでき、高解像度を実現するのに好適である。
【０００７】
このような反射型ライトバルブを用いた虚像表示装置の構成は、例えば、米国特許ＵＳ５８０８８００に記載されている。この虚像表示装置においては、図１６に示すように、光源１０３から出た光束は、コリメートレンズ１０５によって平行光束となされ、ガラス等からなる偏光ビームスプリッタ１０６に入射し、この偏光ビームスプリッタの反射膜１０７においてＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分けられる。この偏光ビームスプリッタ１０６においては、Ｓ偏光成分が反射膜１０７により反射されて、反射型ライトバルブ１０８に入射する。
【０００８】
反射型ライトバルブ１０８は、映像装置の電気信号にしたがって、光の偏光状態を変調する。すなわち、反射型ライトバルブ１０８に入射した光束は、この反射型ライトバルブ１０８において変調され、映像信号に応じた光が反射される。反射型ライトバルブ１０８により反射された光束は、拡大光学系となる屈折レンズ１０９を通り、拡大されて、観察者の瞳１１０によって結像される。
【０００９】
この虚像表示装置の特徴は、光源像を瞳上に結像することにより、光源の発光光量を有効に使うとともに、光源の個数を増やすことより、瞳径を大きくすることができるというところにある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような、光源像が瞳上に結像されるようにした虚像表示装置において、瞳径を大きくするには、光源の数を増やさなければならない。光源の数を増やすことは、消費電力の増大、装置の大型化、さらにはコストアップも招来するので、瞳径を大きくするための対応として現実的ではない。
【００１１】
また、光源の像を均一にライトバルブに照射するには、フライアイレンズ等を用いて出射光を均一化するように構成された照明光学系を用いなければならない。そのため、照明光学系の複雑化、大型化が招来される。
【００１２】
さらに、このような照明光学系を用いても、眼の僅かな移動により、色むらや輝度むらが生じてしまう虞れがある。
【００１３】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、画像表示素子に対する照明光の利用効率を高く維持しながら、該画像表示素子が表示する画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴う輝度むら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度的に均一な画像を表示することができ、また、画像を観察できる範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくなされ、さらに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表示装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して出射する画像表示素子と、この画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備えている。
【００１５】
そして、この虚像表示装置においては、光源の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
また、この虚像表示装置においては、光源の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能であって画像表示素子の全面からの光が観察者の瞳開口全体に入射される領域に対して該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、この虚像表示装置においては、光源の発光部は、拡大光学系により形成される表示画像の虚像が観察可能な領域の中央位置に対して該拡大光学系を介して共役な位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
本発明に係る虚像表示装置は、図１に示すように、光束分割面となる偏光ビームスプリッタ１の反射面２を光軸に対して４５°をなして配置した光学系を用いて構成することができる。
【００２０】
この虚像表示装置は、図２に示すように、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の発光素子（ＬＥＤ）３及びサイドエッジ型導光板４からなる光源を備えている。この光源においては、発光素子３から出射された光束は、サイドエッジ型導光板４中に入射し、このサイドエッジ型導光板４内で拡散、混色され、出射面５より出射する。サイドエッジ型導光板４は、略々平板状に形成され、一側側の厚さ（例えば、３ｍｍ）が他側側の厚さ（例えば、０．３ｍｍ）よりも厚い楔形状となっている。発光素子３からの光束は、サイドエッジ型導光板４の一側面部より入射される。サイドエッジ型導光板４の出射面５は、このサイドエッジ型導光板４の主面部にあたる部分であり、後述する反射型ライトバルブ６の画像表示面と略々同じ大きさ及び形状となっている。この出射面５は、面上の各点から拡散光を発する面状の発光部となっている。
【００２１】
なお、サイドエッジ型導光板４の一側面部及び出射面５以外の側面部及び裏面部には、反射フィルムが貼着されている。
【００２２】
サイドエッジ型導光板４の出射面５より出射された光束は、図１に示すように、偏光ビームスプリッタ１に入射し、反射面２に達する。この反射面２において、光源からの光束は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分に分離される。すなわち、この反射面２においては、Ｓ偏光成分が反射され、Ｐ偏光成分は透過する。反射面２において反射された光束は、画像表示素子である反射型ライトバルブ６に入射する。
【００２３】
反射型ライトバルブ６は、図示しない映像装置の電気信号にしたがって、入射した光の偏光状態を変調する。すなわち、反射型ライトバルブ６に入射した光束は、この反射型ライトバルブ６において変調されて、映像信号に応じた光が反射される。反射型ライトバルブ６により変調されて反射された光束は、接眼レンズ７からなる拡大光学系を経て、観察者の瞳８を通り、眼に結像される。
【００２４】
ここで、拡大光学系としては、接眼レンズ７を用いているが、凹面鏡光学系、もしくは、凹面鏡及び接眼レンズを併有した光学系などでもよい。
【００２５】
なお、図１中においては、出射面５から出射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ６から出射した光線追跡を破線で示している。
【００２６】
反射型ライトバルブ６の画像表示面と、発光部であるサイドエッジ型導光板４の出射面５との位置関係が、図１に示すように垂直である場合、反射型ライトバルブ６上に照射される照明光を均一にするには、テレセントリックに照明されることが必要となる。そのためには、サイドエッジ型導光板４の出射面５は、反射型ライトバルブ６の画像表示の有効面積以上の大きさとすることが望ましい。
【００２７】
そして、この虚像表示装置においては、サイドエッジ型導光板４の出射面５と観察者の瞳８の位置とは、共役な位置関係に配置されている。このことにより、この虚像表示装置においては、輝度むら、色むらのない映像表示を観察することが可能となっている。
【００２８】
次に、この虚像表示装置を構成する光源について、より詳しく説明する。
【００２９】
この光源において、サイドエッジ型導光板４は、反射型ライトバルブを照明する光束の角度を制御するために用いられている。サイドエッジ型導光板は、上述したように、楔型の形状をした半透明体であるが、一般的には、いわゆるパーソナルコンピュータなどのモニターディスプレイに使用されている直視型液晶パネルのバックライトの導光板として、広く使用されている。
【００３０】
このサイドエッジ型導光板４の材質としては、アクリル樹脂（ポリメチルメタクリレート（Polymethylmethacrylate：ＰＭＭＡ））や、光散乱ポリマを使用することができる。光散乱ポリマとは、例えば、アクリル樹脂などに屈折率の異なる透明な不純物を少量加えた材料であり、光の射出特性の制御を可能とするとともに、混色の作用も大きくした材料である。発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）を用いる場合には、サイドエッジ型導光板内での混色をする必要があるので、その材料として光散乱ポリマを用いることは有効である。
【００３１】
この光源においては、図３に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の発光素子３は、１つのパッケージに入った「チップ型ＬＥＤ」として構成されている。これら発光素子３をサイドエッジ型導光板４の一側面部に密着させることより、該発光素子が発する光の利用効率が向上する。さらに、サイドエッジ型導光板４と発光素子３の表面との間を、発光素子のレンズ面であるエポキシ樹脂の屈折率に近い屈折率を有する溶媒で埋めれば、光の利用効率をより向上させることができる。
【００３２】
サイドエッジ型導光板の入射面及び出射面以外の面に貼着される反射フィルムとしては、白色、または、銀色の反射フィルムを用いる。また、このサイドエッジ型導光板の出射面５には、出射光束の拡散角度を制御するためのプリズムシートが貼着されている。このプリズムシートにより、射出面５から出射される光束の発散角は、半値で１０°乃至３０°となされる。
【００３３】
サイドエツジ型導光板４から射出される光束は、図４に示すように、θ１方向とθ２方向では発散角が異なり、すなわち、光束の断面形状が楕円形となっている。ここで、θ１は、図５に示すように、出射面５に平行であって発光素子３からサイドエッジ型導光板４に向かう方向を軸とした角度である。また、θ２は、図５に示すように、出射面５に平行であってθ１に垂直な方向を軸とした角度である。図４より、θ１方向の発散角は、θ２方向の発散角よりも広いことがわかる。なお、この図４に示したデータは、サイドエッジ型導光板４を光散乱ポリマにより形成した場合のものである。発光素子がレーザダイオードである場合には、この発光素子から出射された光束自身が大きな発散角を有しており、また、方向によって発散角が異なり、光束の断面が楕円形状となっている。
【００３４】
なお、この光源における発光部は、発光素子の直後に置いたすりガラス等であってもよい。
【００３５】
次に、虚像表示素子である反射型ライトバルブ６が表示する映像の虚像を観察できる範囲、すなわち、光学系の瞳径と、反射型ライトバルブ６から出射される光束の角度との関係について説明する。
【００３６】
まず、説明の簡単化のため、図６及び図７に示すように、反射型ライトバルブ６と接眼レンズ７との距離が該接眼レンズ７の焦点距離ｆに等しくなされているとする。そして、反射型ライトバルブ６から出射する光束の垂直方向の発散角を、図６に示すように、２ω₁とし、水平方向の発散角を、図７に示すように、２ω₂とする。また、虚像を親察することのできる光学系の瞳径については、垂直方向については、図６に示すように、Φ１とし、水平方向（左右方向）については、図７に示すように、Φ２とする。
【００３７】
反射型ライトバルブ６から２ω₁、２ω₂の発散角で出射された光束は、焦点距離ｆの接眼レンズ７を通り、観測者の瞳８を通って眼に入り、結像される。光学系の瞳径Φ１、Φ２は、図６及び図７に示す光学系の配置を考えると以下の関係式より算出される。
【００３８】
Φ１＝２ｆtan（ω₁）
Φ２＝２ｆtan（ω₂）
このことから、瞳径Φ１、Φ２を大きくするには、接眼レンズ７の焦点距離ｆを長くするか、または、反射型ライトバルブ６より射出される光束の発散角２ω₁、２ω₂を大きくする必要がある。
【００３９】
しかし、光学系の小型化が必要とされている虚像表示装置では、接眼レンズ７の焦点距離ｆを長くすることはできないので、反射型ライトバルブ６から出射される束の発散角２ω₁、２ω₂を大きくする必要がある。
【００４０】
ここで、サイドエッジ型導光板、もしくは、発光素子の出射光の発散角の方向依存性を利用して、瞳の移動量が大きい方向、通常は水平方向（左右方向）に、サイドエッジ型導光板、もしくは発光素子の出射光の発散角度の大きい方向を合わせることにより、実用的に瞳が移動可能な距離を大きくすることができる。また、一般的な映像表示素子は、「ＮＴＳＣ方式」のものであれば画像の縦横比は４：３、「ＨＤ方式」のものであれば画像の縦横比は１６：９の横長になっているので、この意味からも、瞳の移動量が大きい方向は水平方向（左右方向）となるので、これに合わせてサイドエッジ型導光板等の配置を行う。
【００４１】
このことを、図６及び図７を用いて説明をすると、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出射光の発散角の広い方を、映像表示素子の表示画像の長辺（長手）方向に配置すると、ω₂＞ω₁という関係になり、その結果、Φ１＞Φ２という関係が生じ、表示画像の長辺（長手）方向に瞳径が大きく取れることがわかる。
【００４２】
また、めがね型二眼虚像表示装置においては、装置構成の簡素化のために、眼幅の調整機能がない。一般的に、人間の眼幅は、５７ｍｍ乃至６７ｍｍ程度とばらつきが存在する。めがね型二眼虚像表示装置においては、人間の眼幅の平均値である約６０ｍｍに合わせて設計がなされているが、瞳径が水平方向（左右方向）に大きくなっていないと、万人が使用できる装置にならない。そこで、このめがね型二眼虚像表示装置においても、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出射光の発散角度の大きい方向を、眼幅の変化量の多い左右方向に合わせて配置するとよい。
【００４３】
次に、この虚像観察装置における虚像観察可能領域について説明する。この虚像観察装置の使用にあたって、観察者は、光学設計上の瞳位置に眼をもってくることが望ましい。しかし、実際には、観察者は、光学設計上の瞳位置に正確に眼がなくても、虚像を観察することができる。ここで、観察者が眼を移動しても、画像表示素子が表示する画像の全面を観察することができる空間的範囲を、「虚像観察可能領域」と呼ぶこととする。
【００４４】
映像表示素子の画像表示エリアを経たすべての光束が、拡大光学系を経由して重なり合う領域に眼を配置することにより、画像表示素子が表示する画像の全体の観察が可能となる。すなわち、図８及び図９に示すように、映像表示素子の画像表示エリアを経たすべての光束が拡大光学系を経由して重なり合う領域が、虚像観察可能領域Ｖということになる。
【００４５】
図８及び図９においては、画像表示素子から出射した光束の光線追跡の断面図を示している。便宜上、虚像距離を無限遠にとった場合の図としてある。画像表示素子から出射した光束は、拡大光学系を経由して、観察者の瞳位置を通り、眼に結像される。虚像観察可能領域Ｖは、図８に示すように、映像表示素子の最上部から出射した光束と、最下部から出射した光束が拡大光学系を経由して重なり合う領域、すなわち、図８及び図９において、黒線で囲まれた四角形で示された領域である。
【００４６】
実際には、映像表示素子は２次元的な画像を表示する表示素子であるから、虚像観察可能領域Ｖは、空間的に立体的に存在する。すなわち、光学設計によって決定される瞳の位置から光軸に沿って、光学系のアパーチャが決定する形状（円、楕円、または、四角形）を底面にもつ円錐、楕円錐、または、多角錐を前後に重ね合わせた形状の領域となる。ここで、画角をθ、瞳径をΦ、光軸に沿つた距離を２ｈとすると、虚像距離が無限遠である設計の場合においては、
tan（θ／２）＝Φ／２ｈ
が満たされている。
【００４７】
なお、虚像観察可能領域Ｖは、虚像距離が無限遠にある場合においては、光学設計上の瞳位置から光軸上に沿って前後対称な形状を有するが、虚像距離が有限距離にあるとして設計した場合は、前後対称の形状ではなく、設計上の瞳位置から光束が進む方向の錐体が長い形状となる。
【００４８】
次に、瞳径と虚像観察可能領域の関係について説明する。本発明に係る虚像表示装置においては、光源の発光部は、虚像観察可能領域に対して拡大光学系を介して共役な位置関係をもって配置される。すなわち、図１０に示すように、光源の発光部の拡大光学系を介しての共役像が、虚像観察可能領域内に結像するようになされている。
【００４９】
この図１０中において、虚像観察可能領域中で光軸に垂直に切った断面（観察断面）の面積が最も大きい位置である位置Ｃは、光学設計上の瞳位置となる。この位置Ｃの前後両側に位置する位置Ｂは、虚像観察可能領域内において、観察断面の大きさが、観察者の瞳径に相当する直径３ｍｍの円を含むことのできる最低の大きさ、すなわち、長方形であれば短辺３ｍｍとなる位置である。
【００５０】
そして、虚像観察可能領域の前後両端部にあたる図１０中の位置Ａは、この位置より光軸上に沿って設計上の瞳位置から離れると映像表示素子の画像の一部が欠け始め、全体を観察することができなくなる位置である。
【００５１】
次に、図１１及び図１２に示すように、虚像観察可能領域を光軸に垂直な面で切り取った図１１及び図１２中長方形で示す観察断面と、図１１及び図１２中円で示す人間の瞳の位置及び瞳径の大きさの関係について説明する。一般に人間の瞳径（瞳孔径）は、明るい場所では小さくなり、暗いところでは大きくなるが、３ｍｍから８ｍｍ程度である。ここでは、最小の値である３ｍｍを瞳径をとして説明を行う。
【００５２】
瞳径と虚像観察可能領域断面の大きさについては、図１１に示すように、光学設計上の瞳位置から、光軸に沿っての眼の移動に伴い、虚像観察可能領域断面が小さくなる。ここで、図１１中のＩに示すように、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも大きいという関係がある場合、映像表示素子の表示エリアの全体を観察することができる。しかし、図１１中のＩＩに示すように、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも小さくなると、映像表示装置の表示エリアの全面を観察することはできるが、瞳に入る光量が小さくなり、観察できる画像が暗くなる。このことから、図１０中の位置Ｂは、観察断面の短辺が瞳径を割り込む位置関係、すなわち、図１１中のＩに示す関係にある場合に相当する。
【００５３】
そして、瞳位置と虚像観察可能領域の観察断面の位置関係については、図１２に示すように、図１２中▲１▼に示すように、瞳が観察断面に全て含まれている関係の場合は、虚像を十分に観察することができる。そして、図１２中▲２▼に示すように、瞳の一部が観察断面からはみ出している関係の場合は、画像表示素子の表示エリアが欠けることはないが、画像の周辺の光量低下が観察される。そして、図１２中▲３▼に示すように、瞳の全体が観察断面から出ている関係の場合、観察できる画像表示素子の表示エリアに欠けが生じ、すなわち、表示エリア全体を一度に観察することはできなくなる。
【００５４】
そして、この虚像観察装置においては、光源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域内に位置するように、光源、画像表示素子及び拡大光学系が配置されている。このような配置により、画像表示素子の表示する全画面を欠けることなく観察することができる。
【００５５】
また、光源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域内において、人間の最小瞳径３ｍｍを含有する領域となるように光源、画像表示素子及び拡大光学系を配置することにより、画像表示素子が表示する全画面を欠くことなく観察できるとともに、表示エリア周辺の光量を十分に確保することができる。
【００５６】
さらに、光源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域の光軸に垂直な断面の面積が最大となる位置となるように光源、画像表示素子及び拡大光学系を配置することにより、画像表示装置が表示する全画面を欠くことなく観察でき、表示エリア周辺の光量を十分に確保できるとともに、光軸に垂直な方向への眼の移動可能量を大きく確保することができる。
【００５７】
このように、この虚像観察装置においては、観察者は、輝度むら、色むらがなく、輝度的、色度的に均一な画像を観察することができる。
【００５８】
そして、本発明に係る虚像表示装置は、図１３に示すように、拡大光学系として凹面鏡光学系を使用して構成することができる。
【００５９】
この虚像表示装置において、光学系は、３個の光学ブロック１０，１１，１２からなる。Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の発光素子（ＬＥＤ）３から出た光束は、サイドエッジ型導光板４中に入り、このサイドエッジ導光板４内で拡散、混色され、発光部となる出射面５より出る。射出面５より出た光束は、第１の光学ブロック１０に入射する。この第１の光学ブロック１０は、３つの面を有する三角柱形状に形成されたプリズムであり、第１の面からサイドエッジ導光板４からの光束が入射され、第２の面には偏光ビームスプリッタ膜１０ａが形成され、第３の面は画像表示素子である反射型ライトバルブ６に対向している。偏光ビームスプリッタ膜１０ａは、誘電体多層膜、もしくは、金属で形成されている。この偏光ビームスプリッタ膜１０ａは、光束分割面となるものであり、光軸に対して４５°ではない角度をなしている。第１の面から入射したサイドエッジ導光板４からの光束は、第２の面の偏光ビームスプリッタ膜１０ａに入射し、Ｓ偏光成分は反射され、Ｐ偏光成分は透過する。偏光ビームスプリッタ膜１０ａで反射されたＳ偏光成分は、第２の面より出射して、反射型ライトバルブ６に入射する。
【００６０】
反射型ライトバルブ６で変調を受けた光束（Ｐ偏光成分）は、第１の光学ブロック１０に第３の面から再入射し、第２の面の偏光ビームスプリッタ膜１０ａを透過して、第２の光学ブロック１１に入射する。第２の光学ブロック１１は、入射面と、この第２の光学ブロック１１内から見て凹面である凹面鏡部１１ａと、ハーフミラー面１１ｂとの３つの面を有する略々三角柱状のプリズムであり、第１の光学ブロック１０の偏光ビームスプリッタ膜１０ａを透過した光束が入射面から入射される。なお、第１の光学ブロック１０のビームスプリッタ膜１０ａと、第２の光学ブロック１１の入射面とは、密着されている。第２の光学ブロック１１に入射した光束は、まず、ハーフミラー面１１ｂで反射され、次に、拡大光学系となる凹面鏡部１１ａで反射されて収束光束となり、再びハーフミラー面１１ｂに戻り、このハーフミラー面１１ｂを透過して、第３の光学ブロック１２に入射する。
【００６１】
第３の光学ブロック１２は、入射面と、出射面とを有するプリズムである。この第３の光学ブロック１２の入射面は、第２の光学ブロック１１のハーフミラー面１１ｂに密着している。この第３の光学ブロック１２に入射した光束は、出射面から出射される。この出射面は、第３の光学ブロック１２の外方側から見て凹面であるレンズ面となさている。この出射面から出射した光束は、瞳８を通り、眼に結像される。
【００６２】
なお、図１３中においては、発光部から出射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ６から出射された光線の追跡を波線で示している。
【００６３】
この光学系において、表示画像のコントラストをあげるためには、サイドエッジ型導光板４と、第１の光学ブロック１０との間に、Ｓ偏光成分のみを通過させるための偏光板を配置する。また、第２の光学ブロック１１と第３の光学ブロック１２との間に、Ｐ偏光成分のみを透過させる偏光板を配置すると、さらに光学特性を向上させることができる。
【００６４】
各光学ブロック１０，１１，１２は、アクリル樹脂（ポリメチルメタクリレート（Polymethylmethacrylate：ＰＭＭＡ））、ゼオネックス（登録商標）等の光学プラスチック、もしくは、光学ガラスにより形成することができる。また、各光学ブロック１０，１１，１２の間は、光学接着剤で接着し、光学的に連続な状態とする。この光学系の特徴は、反射型ライトバルブ６に入射する光束と、この反射型ライトバルブ６に反射されて出射する光束の向きが異なることである。このため、光源の発光部となる出射面５は、反射型ライトバルブ６の画像表示の有効面積より小さくすることができる。したがって、この光学系は、全体を小型に構成することができる。
【００６５】
さらに、本発明に係る虚像表示装置は、図１４に示すように、画像表示素子として、透過型ライトバルブを用いて構成することもできる。
【００６６】
この虚像表示装置においては、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の発光素子（ＬＥＤ）３から出射された光束は、サイドエッジ型導光板４中に入り、このサイドエッジ型導光板４内で拡散、混色され、発光部となる出射面５より出射する。射出面５より出た光束は、物理的に離れた位置に配置された透過型ライトバルブ１３に入射し、この透過型ライトバルブ１３を透過することにより、画像信号に応じた変調を受ける。透過型ライトバルブ１３から出射された光束は、接眼レンズ７からなる拡大光学系を通過した後、瞳８を通り、眼に結像される。拡大光学系としては、接眼レンズ７の他、凹面鏡光学系、もしくは、凹面鏡及び接眼レンズからなる光学系などでもよい。図１４においては、発光部から出射した光の光線追跡を実線で、透過型ライトバルブ１３から出射した光線の追跡を破線で示している。
【００６７】
この虚像表示装置においても、瞳８の位置と、発光部とを共役な位置に配置することにより、色むら、輝度むらのない映像を観察することができる。
【００６８】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る虚像表示装置においては、光源の発光部を観察者の瞳位置と共役な位置関係に配置することにより、瞳の移動に伴う輝度むら、色むらのない映像表示を観察することが可能となっている。
【００６９】
そして、この虚像表示装置においては、光源からの出射光の発散角を制御することができ、光学系を小型化することができる。また、光源の出射光の発散角の方向依存性を利用して、瞳の移動量の大きい方、通常は、左右方向を光源の出射光の発散角の大きい方向とすることで、瞳の移動可能量を大きくすることができる。
【００７０】
また、この虚像表示装置においては、光源における発光素子の個数や大きさを変えることなく、該光源において導光板の形状を大きくすることにより、光学系の瞳径を大きくすることができ、瞳径の拡大に伴う消費電力の増大を抑えることができるとともに、発光素子や光学素子についてのコストアップを抑えることができる。
【００７１】
すなわち、本発明は、画像表示素子に対する照明光の利用効率を高く維持しながら、該画像表示素子が表示する画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴う輝度むら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度的に均一な画像を表示することができ、また、画像を観察できる範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくなされ、さらに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る虚像表示装置であって偏光ビームスプリッタを用いた構成を示す側面図である。
【図２】上記虚像表示装置を構成するサイドエッジ型導光板の形状を示す斜視図である。
【図３】上記サイドエッジ型導光板に取付けられた発光素子を示す側面図である。
【図４】光散乱ポリマにより形成されたサイドエツジ型導光板の射出光の角度依存性を示すグラフである。
【図５】上記サイドエツジ型導光板における発光素子の位置を基準とした座標系を示す平面図である。
【図６】反射型ライトバルブから出射する光束の出射角度と瞳径の大きさの関係を示す側面図である。
【図７】反射型ライトバルブから出射する光束の出射角度と瞳径の大きさの関係を示す平面図である。
【図８】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域の定義を示す側面図である。
【図９】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域を示す側面図である。
【図１０】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域を示す斜視図である。
【図１１】上記虚像観察可能領域の断面である観察断面と人間の瞳の大きさの関係を示す正面図である。
【図１２】上記虚像観察可能領域の断面である観察断面と人間の瞳の位置の関係を示す正面図である。
【図１３】本発明に係る虚像表示装置であって光束を瞳へ導入する光学系及び拡大光学系として第１乃至第３の光学ブロックを用いたものの構成を示す側面図である。
【図１４】本発明に係る虚像表示装置であって透過型ライトバルブを用いたものの構成を示す側面図である。
【図１５】従来の虚像表示装置の構成を示す側面図である。
【図１６】従来の虚像表示装置の構成の他の例を示す側面図である。
【符号の説明】
３発光素子、４サイドエッジ型導光板、５出射面、６反射型ライトバルブ、７接眼レンズ、８瞳、１０第１の光学ブロック、１１第２の光学ブロック、１２第３の光学ブロック、１３透過射型ライトバルブ

Claims

面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、
上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、
上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して出射する画像表示素子と、
上記画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備え、
上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されている虚像表示装置。
面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、
上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、
上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して所定の発散角で出射する画像表示素子と、
上記画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備え、
上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能であって上記画像表示素子の全面からの光が観察者の瞳開口全体に入射される領域に対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されている虚像表示装置。
面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、
上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、
上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して出射する画像表示素子と、
上記画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備え、
上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能な領域の中央位置に対して、該拡大光学系を介して共役な位置に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。
画像表示素子は、長方形の表示画像に応じて光源から入射された光を変調する素子であって、
発光部から発せられる拡散光は、上記画像表示素子における表示画像の長辺方向に対応する方向についての拡散角度が、該表示画像の短辺方向に対応する方向についての拡散角度よりも広い請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の虚像表示装置。
画像表示素子は、反射型ライトバルブである請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の虚像表示装置。
光源は、１色、もしくは、複数色の光を発する発光ダイオードを有して構成されている請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の虚像表示装置。
光源は、１色、もしくは、複数色のレーザ光を発するレーザ発振器を有して構成されている請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の虚像表示装置。
光源は、サイドエッジ型導光板を有して構成され、このサイドエッジ型導光板の拡散面が発光部となる請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の虚像表示装置。
サイドエッジ型導光板は、光散乱ポリマにより形成されている請求項８記載の虚像表示装置。
上記光源の発光部は、上記光源の発光部の共役像が、上記表示画像の虚像が観察可能な領域の光軸に垂直な断面の面積が最大となる位置に配置される請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の虚像表示装置。