WO2006001254A1

WO2006001254A1 - イメージコンバイナ及び画像表示装置

Info

Publication number: WO2006001254A1
Application number: PCT/JP2005/011277
Authority: WO
Inventors: Yumiko Ouchi
Original assignee: Nikon Corporation
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-01-05
Also published as: JPWO2006001254A1; US8035872B2; US20070285752A1

Abstract

　本発明は、ＰＢＳの使用により光量損失を抑えながら、広画角の確保と基板の薄化との双方を図ることの容易なイメージコンバイナ及び画像表示装置を提供することを目的とする。本発明のイメージコンバイナ（１，１’）は、可視光に対し透明な基板（１）と、前記基板内に形成され、画像表示素子からその基板内に導入された表示光束を反射してその基板外の所定領域に入射させる偏光ビームスプリッタ（６）とを備え、前記画像表示素子の表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線が前記基板の表面から前記領域の中心に向けて射出するときの射出角度θ0は、３°≦θ0の式を満たすことを特徴とする。

Description

明細書

イメージコンパイナ及び画像表示装置

技術分野

[0001] 本発明は、観察者の前方からの光束 (外界光束）による像と、所定の画像表示素子力の光束 (表示光束）による像との双方を、観察者に対し重畳して呈示するイメージコンバイナ及びこれを用 1ヽた画像表示装置に関する。

背景技術

[0002] 近年、観察者が外界の様子を観察しながら画像表示素子の画像を観察することのできる、所謂シースルー型の頭部装着式画像表示装置が実用化された (特許文献 1 など)。

特許文献 1に記載の画像表示装置は、画像表示素子からの表示光束を偏光させ、その表示光束を反射するコンパイナとして偏光ビームスプリッタ（以下、「PBS」 t 、う。）を用いるので、光量損失が少ない。この利点を得るために、この画像表示装置の P BSの姿勢は、光路に対し 45° 傾斜している。よって、 PBSの姿勢は、基板の表面に対しても 45° 傾斜している。

特許文献 1：米国特許 5886822号明細書

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかし、このような構成の画像表示装置が広画角の確保と基板の薄化の両方を図ることは難しい。

なぜなら、広画角を確保するためには、観察眼力見た PBSの面積を大きく確保しなければならず、そのためには基板を厚くせざるを得な、からである。

例えば、画像表示装置の対角の FOV (視野角）を 15. 6° だけ確保しょうとすると、基板の厚さ dは、 5. 5mmと厚くなる。

[0004] そこで本発明は、 PBSの使用により光量損失を抑えながら、広画角の確保と基板の薄化との双方を図ることの容易なイメージコンパイナ及び画像表示装置を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0005] 本発明をする当たり、本発明者は、以下の 2点を検討した。

(光量損失について）

PBS、つまり光学薄膜からなる偏光分離膜は、ガラスの反射面で生じる入射光の P 偏光成分と S偏光成分の反射率の差を拡大させる作用がある。特に、入射光の入射角度がブリュースター角に一致したときに P偏光成分に対する反射率はゼロになるので、そのときの S偏光成分に対する反射率を光学薄膜の設計により向上させれば、消光比が高まる。つまり、光量損失を抑えるには、入射角度がブリュースター角に近いほど有禾 ljである。

[0006] (基板の厚さについて）

イメージコンパイナの基板の薄化のためには、 PBSと基板との角度を 45° よりも小さぐしかもなるべく小さいことが望ましい。

そこで本発明者は、観察眼の視線を傾斜させて、基板の法線に対して角度をつけることを考えた。

[0007] 本発明のイメージコンパイナは、可視光に対し透明な基板と、前記基板内に形成され、画像表示素子からその基板内に導入された表示光束を反射してその基板外の所定領域に入射させる偏光ビームスプリッタとを備え、前記画像表示素子の表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線が前記基板の表面から前記所定領域の中心に向けて射出するときの射出角度 0 は、 3° ≤ Θ の式を満たすことを特徴とす

0 0

る。

[0008] なお、前記偏光ビームスプリッタの前記基板の表面に対する配置角度 Θ は、 30°

2 く Θ く 42° の式を満たしてもよい。さらに、前記角度 Θ は、 35° く Θ く 42° の式

2 2 2 を満たしてもよい。

また、前記基板には、前記基板内を少なくとも 1回全反射して伝搬する前記表示光束を反射し、その表示光束を前記偏光ビームスプリッタに入射させる反射部材が設けられ、前記反射部材は、前記角度 0

0及び前記角度 0

2が前記式を満たせるように設計されていてもよい。

[0009] なお、前記反射部材は、凹面鏡であってもよ!/、。また、前記反射部材及び前記偏光ビームスプリッタの少なくとも一方は、前記表示光束の波長を選択波長とした反射波長選択性を有していてもよい。また、前記反射部材は、凹面に形成された反射型ホログラフィック光学素子であってもよい。さらに、前記反射型ホログラフィック光学素子は、光学的パワーを持たな、素子であってもよ、。

[0010] また、本発明の画像表示装置は、表示光束を出射する画像表示素子と、本発明の何れかのイメージコンパイナとを備えたことを特徴とする。

発明の効果

[0011] 本発明によれば、 PBSの使用により光量損失を抑えながら、広画角の確保と基板の薄化との双方を図ることの容易なイメージコンパイナ及び画像表示装置が実現する。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]第 1実施形態の画像表示装置の全体を示す斜視図である。

[図 2]第 1実施形態の画像表示装置の光路図 (YZ平面で切断した断面図)である。

[図 3] (a)は、観察眼の視線と透明基板 1との関係を示す図 (YZ平面で切断した断面図）である。（b)は、 θ , Θ と画角、及び光量損失の程度を説明する図である。

0 2

圆 4]第 1実施形態の第 1設計例の横収差図である。

[図 5]LEDの発光特性である。

[図 6]第 1実施形態の第 1設計例の PBS6の波長特性である。

[図 7]第 1実施形態の第 1設計例において観察される表示面の明るさ分布である。

[図 8] (a)は、第 1実施形態の変形例の全体を示す斜視図であり、 (b)は、観察眼の視線と透明基板 1との関係を示す図 (YZ平面で切断した断面図)である。

[図 9] (a)は、第 1実施形態の別の変形例の全体を示す断面図 (YZ平面で切断した断面図)であり、（b)は、観察眼の視線と透明基板 1との関係を示す図 (YZ平面で切断した断面図)である。

[図 10]第 1実施形態の第 2設計例の PBS6の波長特性である。

[図 11]第 1実施形態の第 2設計例において観察される表示面の明るさ分布である。

[図 12]第 2実施形態の画像表示装置の光路図 (YZ平面で切断した断面図）である。

[図 13]第 2実施形態の第 1設計例の横収差図である。 [図 14]第 2実施形態の第 1設計例の PBS6の波長特性である。

[図 15]第 2実施形態の第 1設計例において観察される表示面の明るさ分布である。

[図 16]第 2実施形態の第 2設計例の PBS6の波長特性である。

[図 17]第 2実施形態の第 2設計例において観察される表示面の明るさ分布である。

[図 18]第 1実施形態の第 1設計例における各面の形状及び媒質の屈折率を示す図である。

[図 19]第 1実施形態の第 1設計例における各面の座標及び姿勢を示す図である。

[図 20]第 2実施形態の第 1設計例における各面の形状及び媒質の屈折率を示す図である。

[図 21]第 2実施形態の第 1設計例における各面の座標及び姿勢を示す図である。発明を実施するための最良の形態

[0013] [第 1実施形態]

以下、図 1、図 2、図 3、図 4、図 5、図 6、図 7、図 8、図 9、図 10、図 11、図 18、図 19 に基づき本発明の第 1実施形態を説明する。

本実施形態は、本発明の画像表示装置の実施形態である。

先ず、画像表示装置の構成を説明する。

[0014] 画像表示装置は、図 1に示すように、可視光に対し透明な透明基板 1と、表示ュニット 1 'とを備える。透明基板 1及び表示ユニット 1 'は支持部材 1"によって支持され、観察者の頭部に装着される。

支持部材 1"は、例えば、眼鏡のフレームと同様の構成をしており、図 1に示すようにテンプル、リム、ブリッジなど力なる。

[0015] この画像表示装置が観察者の頭部に装着されると、透明基板 1は、観察眼 (ここでは、観察者の左眼とする。 )の正面に位置する。また、表示ユニット 1 'は、観察眼の視界を妨げない箇所 (ここでは、観察者の額の観察眼側の正面とする。 )に位置する。本実施形態では、この状態で観察眼が正面の遠方を目視して、るときの視軸 (視線)の方向を +Z方向とし、観察者の左方を +X方向とし、観察者の上方を +Y方向とした右手系の XYZ直交座標で画像表示装置を表現する（図 2、図 3も同様。 )₀また、場合によって、観察者から見た方向 (右、左、上、下など)で画像表示装置を表現する。

[0016] 図 2に示すように、表示ユニット 1 'には、光源 3、照明系 4、モノクロ又はカラーの画像表示素子 2、波長板 10、レンズ 11が配置される。表示ユニット 1 '内のレンズ 11と透明基板 1とが画像表示装置のイメージコンパイナとしての役割を果たす。

表示ユニット 1 'の光源 3、照明系 4、及び画像表示素子 2としては、 LED,放物面鏡、及び LCDなどがそれぞれ用いられる。 LCDとしては、透過型 LCDや反射型 LC Dなどが適用可能である（図 2では透過型 LCD)。また、画像表示素子 2として自発光型のものを用いて光源 3及び照明系 4を省略することもできる。

[0017] 透明基板 1は、ガラスやプラスチックなどの光学材料カゝらなる平行平板を原型としている。透明基板 1の姿勢は、観察者側の面 5aと外界側の面 5bとの法線力軸と平行となる姿勢である。

透明基板 1の内部には、 PBS6、 1Z4波長板 7、凹面ミラー 8が設けられている。

PBS6の形成箇所は、観察眼に対向する位置の付近であり、その姿勢は、観察者の上方手前から下方奥へ向かって傾斜した姿勢である。

[0018] 凹面ミラー 8の形成箇所は、 PBS6よりも観察者力も見て下方であり、その姿勢は、 PBS6の側に反射面を向けた姿勢である。 1Z4波長板 7の形成箇所は、凹面ミラー 8の反射面側である。

因みに、 PBS6の設けられた透明基板 1の製造方法は、例えば次のとおりである。すなわち、透明基板 1と同じ材料力もなる小片の表面に PBS6を形成し、その小片を透明基板 1を形成する型枠の中に配置し、透明基板 1の材料を溶カゝした状態でその型枠の中に流し込み、固める。

[0019] 次に、画像表示装置における光線の振る舞いを説明する。

画像表示素子 2の表示面の各点から射出した各画角の表示光束は、波長板 10にて偏光方向を P偏光に変換され、レンズ 11を介して観察者力みて上端部の面 5cから透明基板 1の内部に導入される。

この表示光束は、透明基板 1の面 5bの領域 R1に対し臨界角より大きい入射角で入射し、その領域 R1にて全反射された後、 PBS6〖こ入射する。

[0020] このとき、表示光束は、 P偏光して、るので、 PBS6を透過する。そして 1Z4波長板 7を介して凹面ミラー 8で反射され集光作用を受けて 1Z4波長板 7を介して PBS6に再入射する。再入射した表示光束は S偏光に変換されているので、 PBS6を反射する。

PBS6を反射した表示光束は、透明基板 1の面 5aの領域 R2から透明基板 1の外部に射出し、観察眼の瞳近傍の領域 Pに入射する。

[0021] 各画角の表示光束は、透明基板 1よりも外界側の所定距離 (領域 Pから lm程度の距離)の位置に画像表示素子 2の表示面の虚像を形成するような角度でそれぞれ領域 Pに入射する。この領域 Pが、画像表示装置の射出瞳である。射出瞳 Pに観察眼の瞳が合わせられたときに、観察眼が表示面の虚像を観察することができる。

なお、本明細書では、画像表示装置の光軸を、表示面の中心 AO力も射出した表示光束の主光線の経路と定義する。よって、この画像表示素子の光軸は、 1本の直線ではなく折線となる。

[0022] 次に、光源 (LED) 3、 PBS6の特性を説明する。

光源 (LED) 3の発光特性 (波長-発光輝度の特性）は、画像表示素子 2がモノクロの画像表示素子であるとき、特定の単一波長にピークを有する。画像表示素子 2がカラー画像表示素子であるとき、特定の複数の波長 (R色、 G色、 B色それぞれの波長）にピークを有する。よって、表示光束は、単一又は複数の離散的な特定の波長成分を持つ。

[0023] 一方、 PBS6の反射特性 (波長反射率の特性）は、表示光束の持つ特定の波長成分にピークを有する（つまり、特定の波長成分を選択波長とした反射波長選択性を示す。）。

次に、本画像表示装置の特徴及び効果を説明する。

図 3 (a)に示すように、透明基板 1から射出瞳 Pに至る光軸が透明基板 1の面 5aの法線と成す角度 (射出角度） Θ は、条件式 (1)を満たす。

0

[0024] 3。 ≤ Θ …ひ）

0

この条件式（1)によれば、透明基板 1の姿勢を前述のとおり設定した場合 (面 5a, 5 bの法線力 ¾軸と平行である場合）に、観察眼が表示面の虚像を観察するための視線方向は、 Z方向からずれる。本実施形態では、図 3 (a)に示すように、表示面の虚像を観察するための視線方向が観察者にとっての「上向き方向」ではなぐ「うつむき方向」となるよう角度 0 を設定した。

0

[0025] この条件式（1)を満たせば、下記の条件式（2) , (3)を確実に満たすことができる。

条件式（2)は、次のとおりである。

30° < Θ <42° ··· (2)

2

但し、 Θ は、 PBS6の面 5a (又は面 5b)に対する配置角度である。

2

[0026] この条件式（2)によれば、光量損失を抑えると共に、透明基板 1の厚さが同じであつたとしても従来より広画角の像を瞳に投影することが可能になる。

その理由を図を用いて説明する。

図 3(b)は、 θ , Θ と画角、及び光量損失の程度を説明する図である。観察者の瞳

0 2

位置は空気中の点 Pであるが、ここでは簡単のため、透明基板 1と同じ屈折率の媒質中にあるとみなす。このときの瞳位置を P'、透明基板 1と瞳との距離を 1',透明基板 1 の法線と視線との角度を 0 ，視線に垂直に換算した透明基板 1の厚さを d'とする。こ

0

のとさ、厚さ d'は、

d' =d/cos[arctan{l/(2Xtan0 )}] Xsin[90° + θ ' -arctan{l/(2Xt

2 0

an0 )}]

2

で与えられる。

[0027] そして、媒質中の半画角 0 'は、

3

Θ ⁵ =arctan{ 1/2 X

3 (d Vtan Θ

1 )Z(d，+l，）}

で与えられる。但し、 Θ は、 PBS6の入射側及び反射側の光軸が PBS6の法線と

1

成す角度である。

ここで、透明基板 1を薄型計量のために眼鏡基板と同程度とし、 d=3.5mm程度、空気中の透明基板 1と瞳との距離 l=13mm、媒質の屈折率を 1.6として、 1' =20.8 mmとして上式を計算する。

[0028] 下限値は PBS6の性能の限界で決まる。 Θ が条件式（1)の下限 3° をとり、 Θ 力 S

0 2 条件式（2)の下限 30° をとるとき、 Θ =31.9° となり、媒質中の半画角 0 '=6.8

1 3

° が得られる。

Θ =31.9° のときの PBS6の性能は、 p偏光成分の透過率 Tp>90%、s偏光成分の透過率 Tsく 60%程度であるので、光量損失は小さく抑えられる。

[0029] より好ましくは、 Θ の下限を 35° とする。この場合は 0 = 36. 9° となり、媒質中の

2 1

半画角 0 ，= 5· 6。が得られる。

3

Θ = 36. 9° のときの PBS6の性能は、 p偏光成分の透過率 Tp > 90%、s偏光成

1

分の透過率 Tsく 50%程度であるので、光量損失はさらに小さく抑えられる。

上限値は画角の値で決まる。 Θ 力。、 Θ が条件式（2)の上限 42° をとるとき、 Θ

0 2

は 45. 1° となって PBS6の性能は上がる力媒質中の半画角 0 'は 4. 2° が限界

1 3

となる。これ以上画角を小さくすると観察しに《なるため好ましくない。

[0030] 以上の考察より、角度 Θ が条件式 (3)を満たすと、光量損失がより小さく抑えられる

2

35° < Θ < 42° … ）

2

すなわち、本画像表示装置は、条件式（1)により、観察眼が表示面の虚像を観察するための視線方向を、意図的に下向きに 3° 以上傾斜させた。それによつて、広画角の像の投影と透明基板 1の薄化を可能とする条件式 (2) , (3)を満たすことが可能になった。つまり、光量の損失を抑えつつ、広画角の確保と基板の薄化との双方が実現している。

[0031] また、条件式（1)により視線方向が 3° 以上下向きに傾斜するので、外界を見るときと表示面を見るときの視線方向は、観察者が意識できる程度にずれる。よって、観察者は、視線を変化させるだけで、観察対象を外界と表示面との間で自在にスィッチングすることができる。

また、ここでは、スイッチングするための視線の変化の方向が「正面下方」の方向なので、観察者の眼の疲労は少ない。

[0032] (第 1実施形態のイメージコンパイナの第 1設計例）

次に、本実施形態のイメージコンパイナの第 1設計例を説明する。

なお、設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国の Op tical Research Associates製の code V (商品名）を用いた。また、画像表示素子 2としてカラー画像表示素子、光源 3として LEDを用いることを想定した (後述する設計例も同様)。 [0033] 本設計例の光路図は、図 2に示したとおりである。

本設計例の仕様は、以下のとおりである。

射出瞳 Pの径： 3mm,

Y方向の視野角度： 0° 〜一 9° ,

X方向の視野角度： +6° 〜一 6° ,

Y方向の表示面サイズ： 3. 6mm,

X方向の表示面サイズ： 4. 8mm,

透明基板 1の厚さ d: 3. 6mm,

使用波長：約 430nm〜約 640nm,

透明基板 1の d線（波長 587. 56nm)に対する屈折率 nd: l. 583,

透明基板 1の d線（波長 587. 56nm)に対するアッベ数 v d: 29. 9

本設計例の光線追跡のための諸量は、図 18、図 19のとおりである。なお、図 18、図 19において光学面の順序（面番号の順序）は、射出瞳 Pから画像表示素子 2への順である（後述する図 20も同様。 )₀また、図 18中の括弧内の符号は、図 2において各光学面に対応する要素に付した符号である。

[0034] 本設計例における各光学面の位置と姿勢は、図 19のとおりである。なお、図 19において各位置は、 XYZ直交座標系の原点を第 1面（面番号 = 1,図 2の符号 P)の中心においたときの絶対位置座標、各姿勢は、 X軸周りの回転量 (反時計回りを正とした。）で示した。

本設計例のイメージコンパイナの横収差図は、図 4のとおりである。図 4において X — FANは、 X方向の横収差、 Y— FANは、 Y方向の横収差である。図 4の上から順に、画角 (X, Y) = (6. 00。 , - 9. 00。 )における横収差、画角 (X, Y) = (3. 00 ° , —6. 25° )における横収差、画角（X, Y) = (0. 00° , -4. 50° )における横収差、画角（X, Y) = (- 3. 00° , - 2. 25° )における横収差，画角（X, Y) = (- 6. 00° , 0. 00° )における横収差である。

[0035] 本設計例の LEDの発光特性 (波長一発光輝度の特性;発光スペクトル）は、図 5のとおりである。横軸が波長、縦軸力スペクトル強度を示す。

図 5に示すように、この LEDの各波長域におけるスペクトル強度の半値全幅は、 Re d: 23nm, Green : 60. 8nm, Blue : 29nmである。

本設計例の PBS6の波長特性 (波長反射率の特性）は、図 6に示すとおりである

[0036] 図 6において、破線は、 +Y方向の最大画角の表示光束のデータ、太線は、中心画角の表示光束のデータ、細線は、 Y方向の最大画角の表示光束のデータである。図 6の縦軸は、信号効率であり、 PBS6を透過し、 1Z4波長板 7を往復し、かつ P BS6で反射された表示光束の効率を意味する。同図には、 LEDの発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に観察眼に届く光量は、この 2種類のグラフの積にさらに幾何学的な周辺減光を考慮した値になる。

[0037] 因みに、本設計例において表示面の明るさ分布 (観察者が観察する表示面の虚像の明るさ分布）は、図 7に示すとおりになる。図 7において、横軸は、 Y方向の画角、縦軸は、中心画角の光量により規格ィ匕した規格ィ匕光量である。

本設計例によると、イメージコンパイナの各部の角度は、以下のとおり設定される。

Θ =4. 5° ,

0

Θ =42。 ,

1

Θ = 39。

2

これらの 0 , Θ ， Θ は、条件式（1) , (2) , (3)の全てを満たす。

0 1 2

[0038] 次に、本設計例の効果を説明する。

結像性能は、図 4に示すとおり、画角全体に亘り色収差が少なぐ優れている。光量損失は、図 6に示す 2種類のグラフの積力分力るとおり、十分に低く抑えられている。

視野角 FOVは、 15° であり、十分に広い。

[0039] 透明基板 1の厚さ dは、 3. 6mmであり、眼鏡レンズと同等に薄化されている。

表示面の虚像を観察するための視線の角度 0 は、 4. 5° である。観察者は、視線

0

を正面に向ければ外界を、視線を 4. 5° だけ下向きに傾斜させれば表示面の虚像を、それぞ; ^察することができる。

(その他）

なお、本実施形態では、表示ユニット 1 'が観察者の額の側に配置される画像表示装置（図 1参照)を説明したが、図 8 (a)に示すように、表示ユニット 1 'が観察者の側頭部（耳の側）に配置される画像表示装置を同様に構成することもできる。

[0040] このとき、画像表示装置を表した XYZ直交座標の +Y方向は、観察者の左方、 +X 方向は観察者の下方向となる。この場合、図 8 (b)に示すように、観察眼が表示面の虚像を観察するための視線方向は、内向き (観察眼が左眼であれば右方向、観察眼が右眼であれば左方向）になる。よって、観察対象をスイッチングするときの視線の変化の方向は、「正面内側」の方向になる。但し、視線の変化の方向がこの方向であると、観察者の眼の疲労が生じることもある。

[0041] 疲労を防ぐためには、図 9 (a)に示すように、透明基板 1が観察者の顔面に対し傾斜するよう画像表示装置を構成すればよい。この場合、図 9 (b)に示すように、観察者が表示面の虚像を観察するための視線方向は、正面になる。よって、視線を正面に向けたまま外界と表示面の虚像との双方を観察することができる。し力も、この場合、透明基板 1の配置が顔面の湾曲に沿った配置になるので、画像表示装置をゴーグルのように顔面にフィットさせることができる。

[0042] (第 1実施形態のイメージコンパイナの第 2設計例）

次に、本実施形態のイメージコンパイナの第 2設計例を説明する。

第 1設計例との相違点は、 PBS6の波長特性が広帯域な点にある。

本設計例の PBS6の波長特性 (波長反射率の特性）は、図 10に示すとおりである。なお、図 10の表記方法は、図 6のそれと同じである。

[0043] 因みに、広帯域なこの PBS6によると、表示面の明るさ分布 (観察者が観察する表示面の虚像の明るさ分布）は、図 11に示すとおりになる。なお、図 11の表記方法は、図 7のそれと同じである。

このような本設計例によっても、光量損失は抑えられる。

[第 2実施形態]

以下、図 12、図 13、図 14、図 15、図 16、図 17、図 20、図 21に基づき本発明の第 2実施形態を説明する。

[0044] 本実施形態も、画像表示装置の実施形態である。ここでは、第 1実施形態との相違点のみ説明する。図 12は、本画像表示装置のイメージコンパイナの光路図（画像表示素子 2の表示面力も射出瞳 Pまでの光路図）である。なお、図 12において図 2に示すものと同様の作用をする要素には同じ符号を付した。

[0045] 主な相違点は、透明基板 1内の表示光束の内面反射の回数にある。

画像表示素子 2の表示面から射出した表示光束は、透明基板 1の面 5bの領域 R1 、面 5aの領域 R2、面 5bの領域 R3にてそれぞれ反射する。

(第 2実施形態のイメージコンパイナの第 1設計例）

[0046] 第 1実施形態のイメージコンパイナの第 1設計例、第 2設計例との主な相違点は、内面反射の回数と、角度 Θ (PBS6の入射側及び反射側の光軸が PBS6の法線と

1

成す角度 0

1 )とにある。

本設計例の仕様は、下記のとおりである。

射出瞳 Pの径： 3mm,

Y方向の視野角度： 0° 〜一 10° ,

X方向の視野角度： +6. 67° 〜一 6. 67° ,

Y方向の表示面サイズ： 3. 6mm,

X方向の表示面サイズ： 4. 8mm,

透明基板 1の厚さ d: 3. 6mm,

使用波長：約 430nm〜約 640nm,

透明基板 1の d線（波長 587. 56nm)に対する屈折率 nd: l. 583,

透明基板 1の d線（波長 587. 56nm)に対するアッベ数 v d: 29. 9

本設計例の光線追跡のための諸量は、図 20、図 21のとおりである。なお、図 20、図 21の表記方法は、図 18、図 19のそれと同じである。また、図 20、図 21において括弧内の符号は、図 12において各光学面に対応する要素に付した符号である。

[0047] 本設計例における各光学面の位置と姿勢は、図 21のとおりである。なお、図 21において各位置は、 XYZ直交座標系の原点を第 1面（面番号 = 1,図 12の符号 P)の中心においたときの絶対位置座標、各姿勢は、 X軸周りの回転量 (反時計回りを正とした。）で示した。本設計例のイメージコンパイナの横収差図は、図 13のとおりである。図 13において X— FANは、 X方向の横収差、 Y— FANは、 Y方向の横収差である。図 13の上から順に、画角 (X, Y) = (6. 67° , - 10. 0。 )における横収差、画角 (X, Y) = (3. 3 3° , —Ί. 50° )における横収差、画角（X, Y) = (0. 00° , - 5. 00° )における横収差、画角（X, Y) = (- 3. 33° , - 2. 50° )における横収差，画角（X, Y) = ( 6. 67° , 0. 00° )における横収差である。

[0048] 本設計例の LEDの発光特性 (波長一発光輝度の特性;発光スペクトル）は、図 5のとおりである。

本設計例の PBS6の波長特性 (波長反射率の特性）は、図 14に示すとおりである。なお、図 14の表記方法は、図 6のそれと同じである。

因みに、本設計例において観察される表示面の明るさ分布は、図 15に示すとおりになる。なお、図 15の表記方法は、図 7のそれと同じである。

[0049] 本設計例によると、イメージコンパイナの各部の角度は、以下のとおり設定される。

Θ = 5。 ,

0

Θ = 38。 ,

1

Θ = 35。

2

0 1 2

[0050] 次に、本設計例の効果を説明する。

結像性能は、図 13に示すとおり、画角全体に亘り色収差が少なぐ優れている。光量損失は、図 14に示す 2種類のグラフの積力分力るとおり、十分に低く抑えられている。

視野角 FOVは、 15. 6° であり、十分に広い。

[0051] 透明基板 1の厚さ dは、 3. 6mmであり、眼鏡レンズと同等に薄化されている。

表示面の虚像を観察するための視線の角度 0 は、 5° である。観察者は、視線を

0

正面に向ければ外界を、視線を 5° だけ下向きに傾斜させれば表示面の虚像を、それぞ; ^察することができる。

(第 2実施形態のイメージコンパイナの第 2設計例）

次に、本実施形態のイメージコンパイナの第 2設計例を説明する。 [0052] 第 1設計例との相違点は、 PBS6の波長特性が広帯域な点にある。

本設計例の PBS6の波長特性 (波長反射率の特性）は、図 16に示すとおりである。なお、図 16の表記方法は、図 6のそれと同じである。

因みに、本設計例において観察される表示面の明るさ分布は、図 17に示すとおりになる。なお、図 17の表記方法は、図 7のそれと同じである。

[0053] このような本設計例によっても、光量損失は抑えられる。

(その他）

なお、本実施形態の画像表示装置も、図 8又は図 9に示すように変形することができる。

[その他の実施形態]

なお、以上の各実施形態では、画像表示素子 2が透明基板 1の近傍の位置に配置されているが、画像表示素子 2を透明基板 1から離れた位置に配置すると共に、リレ一光学系によってその位置に表示面を投影してもよい。また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。

[0054] また、図 1,図 12に示した画像表示装置は、観察者の一方の眼にのみ画像を呈示する片眼用の画像表示装置であるが、両眼用に変形することもできる。その場合、呈示する画像をステレオ画像にすることもできる。

また、図 1に示した支持部材 1"以外の構成の支持部材を用いてもょ、。なお、各実施形態では、設計の自由度を確保しつつ透明基板 1内を全反射条件で表示光束を伝搬させる条件と前述の 0 , Θ の条件を満たすために、 PBS6の入射

0 2

側に凹面ミラー 8を配置したが、凹面ミラー 8に代えて他の反射部材、例えば、凹面以外のミラーや回折光学素子を用いてもょ、。

[0055] 例えば、凹面以外のミラーや回折光学素子、反射型ホログラフィック光学素子 (HO E)などを用いてもよい。特に、これらの反射部材に、表示光束の波長を選択波長とした波長選択性を持たせることで、反射部材の存在が使用者などカゝら認識されに《なり、見栄えが良くなる。また、使用者の視界を妨げることも防げる。特に、反射型ホログラフィック光学素子は、このような特性を与えることが容易である。なお、反射型ホログラフィック光学素子を用いた場合、光学的パワーをほぼゼロにすることで、波長幅のある光源を用いながら色収差の発生しない良好な画像を提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 可視光に対し透明な基板と、

前記基板内に形成され、画像表示素子からその基板内に導入された表示光束を反射してその基板外の所定領域に入射させる偏光ビームスプリッタとを備え、前記画像表示素子の表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線が前記基板の表面力前記所定領域の中心に向けて射出するときの射出角度 Θ

0は、

3° ≤ Θ

0

の式を満たすことを特徴とするイメージコンパイナ。

[2] 請求項 1に記載のイメージコンパイナにお、て、

前記偏光ビームスプリッタの前記基板の表面に対する配置角度 Θ

2は、

30° く Θ <42°

2

の式を満たすことを特徴とするイメージコンパイナ。

[3] 請求項 2に記載のイメージコンバイナにおいて、

前記角度 0 は、

2

35° く Θ <42°

2

の式を満たすことを特徴とするイメージコンパイナ。

[4] 請求項 2又は請求項 3に記載のイメージコンバイナにお、て、

肯 '己 ¾板には、

前記基板内を少なくとも 1回全反射して伝搬する前記表示光束を反射し、その表示光束を前記偏光ビームスプリッタに入射させる反射部材が設けられ、

前記反射部材は、

前記角度 0

0及び前記角度 0

2が前記式を満たせるように設計されていることを特徴とするイメージコンノイナ。

[5] 請求項 4に記載のイメージコンバイナにおいて、

前記反射部材は、凹面鏡である

ことを特徴とするイメージコンノイナ。

[6] 請求項 4に記載のイメージコンバイナにおいて、

前記反射部材と前記偏光ビームスプリッタとの少なくとも一方は、前記表示光束の波長を選択波長とした反射波長選択性を有する

ことを特徴とするイメージコンノイナ。

[7] 請求項 4に記載のイメージコンパイナにおいて、

前記反射部材は、凹面に形成された反射型ホログラフィック光学素子であることを特徴とするイメージコンパイナ。

[8] 請求項 7に記載のイメージコンパイナにおいて、

前記反射型ホログラフィック光学素子は、光学的パワーを持たな!、素子であることを特徴とするイメージコンノイナ。

[9] 表示光束を出射する画像表示素子と、

請求項 1〜請求項 8の何れか一項に記載のイメージコンパイナと

を備えたことを特徴とする画像表示装置。