JP2018066799A - 画像表示装置と光学シースルーディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ち小型軽量の画像表示装置を提供する。【解決手段】液晶表示素子２０照明光Ｌ０の主光線と反射後画像光Ｌ１の主光線とを含む折返し断面における全主光線について、０＜θ＜５（θ：折返し断面での表示画面に対する主光線入射角）、及び、３０＜φ＜４７，Ｐ／Ｓ×Ｌ＞４，Ｈ／Ｐ＞０．２，Ｓ＜９，０．４３＜Ｄ２／Ｄ１＜２．２，４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜２５（φ：ＰＢＳ偏光分離面法線と表示画面法線とのなす角度、Ｐ：パワーのある反射面焦点距離、Ｓ：照明光学系焦点距離、Ｌ：折返し断面における光源の大きさ、Ｈ：折返し断面における表示素子の大きさ、Ｄ１：表示素子の入射照明光主光線において照明光学系射出面からＰＢＳまでの距離、Ｄ２：表示素子の入射照明光主光線においてＰＢＳから表示素子までの距離、Ｔ：折返し断面における光軸に対する垂直方向照明光学系の大きさ）を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は画像表示装置と光学シースルーディスプレイに関するものであり、例えば、液晶表示素子(ＬＣＤ：liquid crystal display)の２次元映像をホログラム光学素子(ＨＯＥ：holographic optical element)を用いて観察者眼に投影表示するシースルー型の画像表示装置と、その画像表示装置を備えたＨＭＤ(head mounted display)等の光学シースルーディスプレイに関するものである。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、頭部に装着するという装着形態から、高い光学性能を有しながらも高い装着性を有することが必要とされる。ここで装着性とは、装着者が不快感を感じないような軽さ，ずれにくさ等を有することをいう。したがってＨＭＤに限らず、身体の一部(首，肩，腕等)に装着するタイプのディスプレイには高い装着性が必要とされる。その装着性を向上させるため、反射型液晶表示素子，導光プリズム，平面型ＰＢＳ(polarizing beam splitter)，照明光学系，ＬＥＤ(light emitting diode)光源等の構成要素を有するシースルー型のＨＭＤが、特許文献１〜４で提案されている。

特許文献１に記載の画像表示装置は、画像光を２回反射させる導光プリズムと、反射型液晶表示素子と、ＰＢＳと、照明光学系と、ＬＥＤ光源と、を有するものである。特許文献２に記載の画像表示装置は、画像光を２回反射させる導光プリズムと、反射型液晶表示素子と、を有するものである。特許文献３に記載の画像表示装置は、画像光を３回反射させる導光プリズムと、平面型ＰＢＳと、照明光学系とを有するものであり、導光プリズムにはパワーのある反射面が１面だけ設けられており、平面型ＰＢＳがプリズム面に接合されている。特許文献４に記載の画像表示装置は、画像光を２回反射させる導光プリズムと、反射型液晶表示素子と、照明光学系と、ＬＥＤ光源と、を有するものである。

特願２００９−９７４８９号公報 特開２０００−３５２６８９号公報 ＷＯ２０１４１５６６０２ Ａ１ 特開２００２−５５３０４号公報

しかし、特許文献１〜４に記載の画像表示装置は、反射型液晶表示素子の画像表示面での折り返し断面において、画像表示面に対するすべての主光線の入射角が大きいため、画像表示装置全体が大型化している。そして、画像表示装置全体を小型化しようとすると、瞳サイズや画面サイズを十分に確保することが困難になる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ちながら小型で軽量の画像表示装置及びそれを備えた装着性の良い光学シースルーディスプレイを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の画像表示装置は、照明光を発する光源と、入射光をコリメートする照明光学系と、入射光の偏光分離を行う平面型の偏光ビームスプリッターと、入射光に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子と、入射面から入射してきた入射光を２回の反射後に射出面から射出させるプリズムとを有し、
前記プリズムにパワーのある反射面を有し、
前記光源からの照明光を前記照明光学系でコリメートし、そのコリメートされた照明光を前記偏光ビームスプリッターで反射させ、その反射した照明光を前記液晶表示素子で空間変調することにより画像光を生成し、その画像光を前記偏光ビームスプリッターでの透過後に前記入射面からプリズム内に入射させ、その画像光を前記射出面で反射させた後に前記パワーのある反射面で反射させて前記射出面からプリズム外へ射出し、観察者の瞳に入射させる画像表示装置であって、
前記液晶表示素子の画面中央に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後の画像光の主光線と、を含む平面を折り返し断面とするとき、
前記折り返し断面におけるすべての主光線について以下の条件式（１）を満足し、
以下の条件式（２）〜（７）を満足することを特徴とする。
０＜θ＜５ …（１）
３０＜φ＜４７ …（２）
Ｐ／Ｓ×Ｌ＞４ …（３）
Ｈ／Ｐ＞０．２ …（４）
Ｓ＜９ …（５）
０．４３＜Ｄ２／Ｄ１＜２．２ …（６）
４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜２５ …（７）
ただし、
θ：折り返し断面での液晶表示素子の画面に対する主光線の入射角（度）、
φ：偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と液晶表示素子の画面の法線とのなす角度（度）、
Ｐ：パワーのある反射面の焦点距離（ｍｍ）、
Ｓ：照明光学系の焦点距離（ｍｍ）、
Ｌ：折り返し断面における光源の大きさ（ｍｍ）、
Ｈ：折り返し断面における液晶表示素子の大きさ（ｍｍ）、
Ｄ１：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離（ｍｍ）、
Ｄ２：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離（ｍｍ）、
Ｔ：折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ（ｍｍ）、
である。

第２の発明の画像表示装置は、上記第１の発明において、以下の条件式（７ａ）を満足することを特徴とする。
４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜１３ …（７ａ）
ただし、
Ｐ：パワーのある反射面の焦点距離（ｍｍ）、
Ｔ：折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ（ｍｍ）、
Ｄ１：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離（ｍｍ）、
Ｄ２：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離（ｍｍ）、
である。

第３の発明の画像表示装置は、上記第１又は第２の発明において、前記プリズムに設けられている前記パワーのある反射面が１面のみであり、前記偏光ビームスプリッターが前記プリズムの入射面に接合されていることを特徴とする。

第４の発明の画像表示装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、以下の条件式（８）を満足することを特徴とする。
１８＜Ｋ＜３０ …（８）
ただし、
Ｋ：液晶表示素子の画面中央から射出した主光線の光路におけるプリズムの射出面から射出瞳までの光路長（ｍｍ）、
である。

第５の発明の画像表示装置は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記パワーのある反射面がホログラム面であることを特徴とする。

第６の発明の画像表示装置は、上記第５の発明において、前記ホログラム面が偏心方向に対して垂直方向にのみ曲率のある形状を有することを特徴とする。

第７の発明の画像表示装置は、上記第５又は第６の発明において、以下の条件式（９）を満足することを特徴とする。
８３＜Ｍ＜１２０ …（９）
ただし、
Ｍ：ホログラム面の法線と液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線とのなす角度（度）、
である。

第８の発明の画像表示装置は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、以下の条件式（１０）を満足することを特徴とする。
Ｌ１＜２．０ …（１０）
ただし、
Ｌ１：液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線の光路におけるプリズムの射出面での反射位置からパワーのある反射面までの物理的光路長（ｍｍ）、
である。

第９の発明の画像表示装置は、上記第１〜第８のいずれか１つの発明において、以下の条件式（１１）を満足することを特徴とする。
Ｌ２＜５．０ …（１１）
ただし、
Ｌ２：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムの入射面から射出面での反射位置までの物理的光路長（ｍｍ）、
である。

第１０の発明の画像表示装置は、上記第１〜第９のいずれか１つの発明において、前記照明光学系の焦点位置付近に、前記光源としてＬＥＤ光源が配置されていることを特徴とする。

第１１の発明の画像表示装置は、上記第１〜第１０のいずれか１つの発明において、前記照明光学系が単レンズであるフレネルレンズを有することを特徴とする。

第１２の発明の画像表示装置は、上記第１〜第１１のいずれか１つの発明において、前記照明光学系が前記折り返し断面に対して垂直方向に拡散性のある拡散板を有し、前記光源として、三原色ＲＧＢに対応した独立のＬＥＤ光源が、前記折り返し断面に対して垂直方向に配置されていることを特徴とする。

第１３の発明の画像表示装置は、上記第１〜第１２のいずれか１つの発明において、前記射出面に対して平行なプリズム面を備えるように前記パワーのある反射面に接着された第２のプリズムを更に有することを特徴とする。

第１４の発明の画像表示装置は、上記第１〜第１３のいずれか１つの発明において、以下の条件式（１２）を満足することを特徴とする。
０．６５＜Ｄ／Ｂ＜１．０ …（１２）
ただし、
Ｂ：第２のプリズムの厚み（ｍｍ）、
Ｄ：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離（ｍｍ）、
である。

第１５の発明の画像表示装置は、上記第１〜第１４のいずれか１つの発明において、以下の条件式（１２ａ）を満足することを特徴とする。
０．８＜Ｄ／Ｂ＜０．９ …（１２ａ）
ただし、
Ｂ：第２のプリズムの厚み（ｍｍ）、
Ｄ：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離（ｍｍ）、
である。

第１６の発明の光学シースルーディスプレイは、上記第１〜第１５のいずれか１つの発明に係る画像表示装置を搭載することにより、前記ホログラム面で前記液晶表示素子の表示画像を観察者眼にシースルーで投影表示する機能を備えたことを特徴とする。

第１７の発明の光学シースルーディスプレイは、上記第１６の発明において、前記ホログラム面が観察者眼の前方に位置するように前記画像表示装置を支持する支持部材を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ちながら小型で軽量の画像表示装置と、それを備えた装着性の良い光学シースルーディスプレイを実現することができる。

画像表示装置の一実施の形態（実施例１，２）を模式的に示す概略断面図。 図１の画像表示装置におけるプリズム入射前の光学構成を示す拡大図。 図１の画像表示装置におけるプリズム入射後の光学構成を示す拡大図。 図１の画像表示装置を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを示す斜視図。 画像表示装置における条件式（７）の適用を説明するための断面図。 画像表示装置における条件式（９）の適用を説明するための光路図。 画像表示装置における条件式（１２）に関連して第２のプリズムが最大化した状態を示す断面図。 画像表示装置における条件式（１２）に関連して第２のプリズムが最小化した状態を示す断面図。 画像表示装置の実施例１，２の光学構成を示す光路図。 画像表示装置の実施例３を模式的に示す概略断面図。 画像表示装置の実施例４を模式的に示す概略断面図。

以下、本発明の実施の形態に係る画像表示装置，光学シースルーディスプレイ等を説明する。なお、実施の形態，実施例等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

本発明の実施の形態に係る画像表示装置は、照明光を発する光源と、入射光をコリメートする照明光学系と、入射光の偏光分離を行う平面型の偏光ビームスプリッターと、入射光に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子と、入射面から入射してきた入射光を２回の反射後に射出面から射出させるプリズムとを有するものである。そして、前記プリズムにはパワーのある反射面を有しており（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）、前記光源からの照明光を前記照明光学系でコリメートし、そのコリメートされた照明光を前記偏光ビームスプリッターで反射させ、その反射した照明光を前記液晶表示素子で空間変調することにより画像光を生成し、その画像光を前記偏光ビームスプリッターでの透過後に前記入射面からプリズム内に入射させ、その画像光を前記射出面で反射させた後に前記パワーのある反射面で反射させて前記射出面からプリズム外へ射出し、観察者の瞳に入射させる構成になっている。

また、上記画像表示装置は、前記液晶表示素子の画面中央に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後の画像光の主光線と、を含む平面を折り返し断面とするとき、前記折り返し断面におけるすべての主光線について以下の条件式（１）を満足し、以下の条件式（２）〜（７）を満足することを特徴としている。
０＜θ＜５ …（１）
３０＜φ＜４７ …（２）
Ｐ／Ｓ×Ｌ＞４ …（３）
Ｈ／Ｐ＞０．２ …（４）
Ｓ＜９ …（５）
０．４３＜Ｄ２／Ｄ１＜２．２ …（６）
４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜２５ …（７）
ただし、
θ：折り返し断面での液晶表示素子の画面に対する主光線の入射角（度）、
φ：偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と液晶表示素子の画面の法線とのなす角度（度）、
Ｐ：パワーのある反射面の焦点距離（ｍｍ）、
Ｓ：照明光学系の焦点距離（ｍｍ）、
Ｌ：折り返し断面における光源の大きさ（ｍｍ）、
Ｈ：折り返し断面における液晶表示素子の大きさ（ｍｍ）、
Ｄ１：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離（ｍｍ）、
Ｄ２：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離（ｍｍ）、
Ｔ：折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ（ｍｍ）、
である。

照明用の光源としては、ＬＥＤ光源，レーザー光源，有機ＥＬ(Organic Electro-Luminescence)光源等が挙げられる。光源からの照明光を照明光学系でコリメートすることにより、光源が発した照明光を効率良く観察者の瞳に届けることができる。その照明光を空間変調するだけでなく光の折り返しによる小型化のために、反射型の液晶表示素子を用いている。そして、小さな空間において、反射型の液晶表示素子に入射させる偏光を規定し、さらに変調された光を選択的に透過させるために、平面型の偏光ビームスプリッター（平面型ＰＢＳ）を用いている。反射による偏光の生成と透過による偏光の選択との２つの偏光分離機能を利用することにより、光学構成の小型化を達成することができる。またプリズムでは、入射から射出までの間に２回の反射が行われる。プリズムで２回反射の導光光学系を構成することにより、大型部品である反射型の液晶表示素子を観察者眼の反対側に配置することができる。その結果、液晶表示素子と観察者の額部や眼鏡との干渉を回避することができる。

上記の各部品の配置構成と光学的な構成に関して、以下に説明するように前記条件式（１）〜（７）を満たすことにより、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを確保しながら画像表示装置を軽量小型化することができ、それを備えることで、装着性の良いＨＭＤ等の光学シースルーディスプレイの実現が可能となる。

条件式（１）と条件式（２）を満たすことにより、折り返し断面におけるスペースの小型化と、部品の小型化による軽量化と、が可能となる。液晶表示素子に対してテレセントリックであって、その画面に対する光線の角度が９０°の折り返しの反射であると、光学系（平面型ＰＢＳ等）が最小となるので、条件式（１）を満たせば、その折り返し反射の条件からは大きく外れることがない。つまり、条件式（１）は、反射型液晶表示素子の画面に対する入射時と反射時の主光線がほぼ一致するということを意味している。同様に、条件式（２）は、平面型ＰＢＳの偏光分離面と液晶表示素子の画面とがほぼ４５°をなすことを意味している。条件式（２）を満たせば、平面型ＰＢＳは面積が小さくなるので軽量小型化が可能となる。また、条件式（２）の下限を上回ることで照明光学系の成立が容易になり、条件式（２）の上限を下回ることで、光源が観測者の額や目に干渉しないようにすることが容易になる。

条件式（３）は、パワーのある反射面の焦点距離（ホログラム面の場合には回折作用による焦点距離）Ｐと、照明光学系の焦点距離Ｓと、折り返し断面での光源の大きさＬと、の関係を規定している。一般的な人間の瞳の大きさは４ｍｍなので、それよりも観察範囲（射出瞳）が大きいことを条件式（３）で規定している。つまり、条件式（３）を満たすことにより、表示画像が良く見えるような十分な大きさの瞳サイズを確保することができる（瞳サイズの大型化）。

条件式（４）は、折り返し断面での液晶表示素子の大きさＨと、パワーのある反射面の焦点距離（ホログラム面の場合には回折作用による焦点距離）Ｐと、の関係を規定している。これは折り返し断面方向の画角に相当する条件設定であるので、条件式（４）を満たすことにより、観察者に大きな画像を提供するための画面サイズを確保することができる（画面サイズの大型化）。

条件式（５）は、照明光学系のパワーを規定している。この条件式（５）を満たすことにより、部品を軽量化しながら、光源と観察者の額や眼鏡との干渉を容易に回避することが可能になる。

条件式（６）は、照明光学系の射出面から平面型ＰＢＳまでの距離Ｄ１と平面型ＰＢＳから反射型液晶表示素子までの距離Ｄ２との比を、液晶表示素子の画面中央に入射する照明光束の主光線を基準として規定している。プリズム上の平面型ＰＢＳには照明光及び画像光が入射するため、照明光学系と液晶表示素子との重量バランスをとる必要があり、照明光学系の重心位置を適正に決めることが重要になる。条件式（６）は光学系全体の重心をプリズム近辺に保持するための条件設定であり、この条件式（６）を満たすことにより、画像表示装置を搭載したＨＭＤ等のディスプレイを装着したときの装着ズレを防ぐことができる（高い装着性）。距離Ｄ２が長すぎて条件式（６）の上限を上回ると、液晶表示素子が遠くに離れるため、光学系全体の重心が前方に移動してしまい、ＨＭＤ等のディスプレイがずれやすくなる。距離Ｄ１が長すぎて条件式（６）の下限を下回ると、光学系全体の重心が上方に移動してしまい、ＨＭＤ等のディスプレイがずれやすくなる。

条件式（７）は、瞳サイズを確保しながら装着ズレの生じにくい高い装着性を実現するための条件設定である。その条件範囲の下限と上限を以下に説明する。ただし、画像表示装置の構成要素の一例として、図５に示すように、光源ＥＳ，照明光学系Ｅ１，液晶画面ＥＧ，パワーのある反射面Ｅ２を想定し、光源ＥＳからの照明光Ｌ０が液晶画面ＥＧで変調され、得られた画像光Ｌ１が観察者眼ＥＹの瞳に入射するものとする。

液晶画面ＥＧの中央の光に注目すると、液晶画面ＥＧから角度ψで射出したマージナル光線は、パワーのある反射面Ｅ２で略平行光になって観察者眼ＥＹの瞳に入射する。パワーのある反射面の焦点距離Ｐと瞳の大きさとの関係から、式（Ｆ１）：ｔａｎψ＝（瞳の大きさ）／２Ｐが成り立つ。次に、照明光学系Ｅ１に注目すると、液晶画面ＥＧの中央に対する光の入射角度は、上記と同じく角度ψとなる。折り返し断面（紙面平面に相当する。）において照明光学系の光軸ＡＸに対して垂直方向に占める照明光学系Ｅ１の大きさＴは、液晶画面ＥＧの中央のマージナル光線が照明光学系Ｅ１に入射する位置を含むサイズでなければならないため、照明光学系Ｅ１の大きさＴと距離Ｄ１＋Ｄ２との関係から、式（Ｆ２）：ｔａｎψ＜Ｔ／｛２（Ｄ１＋Ｄ２）｝が成り立つ。

上記２つの式（Ｆ１），（Ｆ２）から、人間の瞳の大きさ：４ｍｍ以上に射出瞳を確保するための照明光学系Ｅ１の条件は、条件式（７）の下限を表す式（Ｆ３）：４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）で規定される。条件式（７）の下限は、条件式（３）と同様、液晶画面ＥＧの中央の光が十分な大きさの射出瞳で観察者眼ＥＹの瞳に届くことを意味するので、条件式（７）を下限側で満たすことにより、表示画像が良く見えるような十分な大きさの瞳サイズを確保することができる（瞳サイズの大型化）。

照明光学系Ｅ１の大きさＴと液晶画面ＥＧの大きさＨとを比較した場合、液晶画面ＥＧが大きすぎると、光学系全体の重心が前方にずれてＨＭＤ等のディスプレイがずれやすくなる。条件式（７）の上限は、照明光学系Ｅ１の直径が大きくなりすぎて重心が観察者眼ＥＹ側にずれることを防ぐための条件を規定しており、式（Ｆ４）：Ｔ＜４Ｈから計算されたものである。照明光学系Ｅ１の大きさが式（Ｆ４）：Ｔ＜４Ｈを満たすとき、重心が観察者眼ＥＹ側にズレすぎず、高い装着性を担保することができる。ここから条件式（７）の上限を表す式（Ｆ５）：Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜２５が規定される。

上述した条件式（３）〜（７）には複数のパラメーターが共存しており、互いに相関がある。そのため、これらの条件式（３）〜（７）を同時に満たすことによって、小型化しながらも十分な瞳の大きさと画面サイズを持つ画像表示装置となる。また、上述した特徴的構成を有する画像表示装置では、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ちながら小型化・軽量化が可能である。そして、その画像表示装置を備えることにより、装着性の良い光学シースルーディスプレイ（例えばヘッドマウントディスプレイ）を実現することができる。こういった効果をバランス良く得るとともに、更なる軽量・小型化，高性能化等を達成するための条件等を以下に説明する。

以下の条件式（７ａ）を満足することが望ましい。
４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜１３ …（７ａ）
この条件式（７ａ）は、前記条件式（７）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（７ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

前記プリズムに設けられている前記パワーのある反射面が１面のみであり、前記偏光ビームスプリッターが前記プリズムの入射面に接合されていることが望ましい。偏光ビームスプリッターとプリズムとが接合により１部品に一体化されるため、組立誤差が小さくなるとともに、隙間が不要になることから画像表示装置全体の小型化に寄与することができる。

以下の条件式（８）を満足することが望ましい。
１８＜Ｋ＜３０ …（８）
ただし、
Ｋ：液晶表示素子の画面中央から射出した主光線の光路におけるプリズムの射出面から射出瞳までの光路長（ｍｍ）、
である。

条件式（８）は、画像表示装置が大型化することなく観察者の額や眼鏡との干渉が容易に回避可能となる条件を規定している。条件式（８）の上限を下回るようにすれば、プリズムが観察者の額や眼鏡から離れてずれやすくなることを防ぐとともに、画像表示装置の大型化を効果的に抑えることが可能となる。眼鏡の装着距離としては、観察者眼から１２ｍｍ＋レンズの厚み３ｍｍ＋余裕３ｍｍを想定することができる。したがって、条件式（８）の下限を上回るようにすれば、眼鏡を装着している人でも、眼鏡を画像表示装置にぶつけることなく表示画像を容易かつ適正に観察することが可能となる。

前記パワーのある反射面がホログラム面であることが望ましい。パワーのある反射面をホログラム光学素子で構成することによりシースルー性を得ることができる。したがって、パワーのある反射面としてホログラム面をプリズムに用いることにより、光学シースルーディスプレイを実現することができる。

前記ホログラム面が偏心方向に対して垂直方向にのみ曲率のある形状を有することが望ましい。ホログラム面は平面でもパワーを持つことができるので、一方向にのみ曲率のある形状を用いて収差補正等を行うことができる。しかも、プリズムの厚み方向に曲率がないので、画像表示装置の小型化に有効である。

以下の条件式（９）を満足することが望ましい。
８３＜Ｍ＜１２０ …（９）
ただし、
Ｍ：ホログラム面の法線と液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線とのなす角度（度）、
である。

条件式（９）は、プリズムの上部前側部分（観察者から見て上方の外界側部分）を小型化するとともに、プリズム外に光線が射出しないようにするための好ましい条件範囲を規定している。図６に条件式（９）を満たした状態でのホログラム面１１ｃと画面下画角の下側マージナル光線ＬＭを示す（ＮＬ：ホログラム面の法線，１１ｂ：プリズムの射出面）。図６において、（Ａ）は角度Ｍが約９０°の状態、（Ｂ）は角度Ｍが１２０°に近い状態α１、（Ｃ）は角度Ｍが８３°に近い状態α２をそれぞれ示している。図６（Ｂ）から分かるように、条件式（９）の上限を上回るとプリズム外に光線が射出する傾向になる。また、図６（Ｃ）から分かるように、条件式（９）の下限を下回るとプリズムの上部前側部分が大型化する傾向になる。

以下の条件式（１０）を満足することが望ましい。この条件式（１０）は、プリズムの下部分（観察者から見て下方部分）を小型化するための好ましい条件範囲を規定している。
Ｌ１＜２．０ …（１０）
ただし、
Ｌ１：液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線の光路におけるプリズムの射出面での反射位置からパワーのある反射面までの物理的光路長（ｍｍ）、
である。

以下の条件式（１１）を満足することが望ましい。この条件式（１１）は、プリズムの上部後ろ側部分（観察者から見て上方の観察者眼側部分）を小型化するための好ましい条件範囲を規定している。
Ｌ２＜５．０ …（１１）
ただし、
Ｌ２：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムの入射面から射出面での反射位置までの物理的光路長（ｍｍ）、
である。

前記照明光学系の焦点位置付近に、前記光源としてＬＥＤ光源が配置されていることが望ましい。照明光学系の焦点位置付近にＬＥＤ光源を配置することにより、ＬＥＤ光源からの照明光をコリメートして、液晶画面の明るさを適正に確保することが可能となる。

前記照明光学系が単レンズであるフレネルレンズを有することが望ましい。照明光学系を単レンズのフレネルレンズで構成することにより、ＬＥＤ光源からの照明光をコリメートしながらも照明光学系を薄くすることが可能となる。

前記照明光学系が前記折り返し断面に対して垂直方向に拡散性のある拡散板を有し、前記光源として、三原色ＲＧＢに対応した独立のＬＥＤ光源が、前記折り返し断面に対して垂直方向に配置されていることが望ましい。ＲＧＢ独立のＬＥＤ光源を折り返し断面に対して垂直方向に並べて、その方向に拡散板で照明光を拡散させることにより、照明光を均等に混ぜて色ムラを無くすことができる。

前記射出面に対して平行なプリズム面を備えるように前記パワーのある反射面に接着された第２のプリズムを更に有することが望ましい。プリズムの射出面に対してプリズムの反対の面が、射出面と平行になるように第２のプリズムを接着すると、両方のプリズムの２つの面が互いに平行になるため、良好なシースルー性を確保することが可能となる。

以下の条件式（１２）を満足することが望ましい。
０．６５＜Ｄ／Ｂ＜１．０ …（１２）
ただし、
Ｂ：第２のプリズムの厚み（ｍｍ）、
Ｄ：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離（ｍｍ）、
である。

この条件式（１２）は、上方視界の確保とプリズムの薄型化とを両立させるための好ましい条件範囲を規定している。条件式（１２）の上限を上回ると、第２のプリズムを使用している光線領域のみをカバーするように接着することになって、重量が軽くなる一方で上方視界の確保が困難な傾向になる。第２のプリズムを接着することでプリズム両面を平行に保っても、条件式（１２）の下限を下回ると、ホログラム面延長線上のすべてを第２のプリズムで覆うように接着することになってしまうため、上方視界は確保できるがプリズムが厚くなって重量が増す傾向になる。

以下の条件式（１２ａ）を満足することが望ましい。
０．８＜Ｄ／Ｂ＜０．９ …（１２ａ）
この条件式（１２ａ）は、前記条件式（１２）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（１２ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

図１に、画像表示装置の一実施の形態におけるより具体的な光学構成例を概略断面で示し、そのプリズム入射前の光学構成を図２に拡大して示し、プリズム入射後の光学構成を図３に拡大して示す。なお、図２，図３中に前述した条件式（１）〜（１２）の各パラメーターを示す。

図１に示す画像表示装置１は、照明光Ｌ０を発するＬＥＤ光源２１と、ＬＥＤ光源２１からの照明光Ｌ０を拡散させる拡散板２２と、照明光Ｌ０をコリメートするフレネルレンズ２３と、入射光の偏光分離を行う平面型ＰＢＳ２４と、照明光Ｌ０に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子２０と、接眼光学系として機能する光学デバイス１０と、を有している。そして、この図１では画像表示装置１におけるＬＥＤ光源２１から射出瞳ＥＰまでの光路を示している。

ＬＥＤ光源２１は、３つの波長帯域（発光ピーク波長が例えば４５０ｎｍ，５３２ｎｍ，６４０ｎｍである。）の光を発する三原色ＲＧＢに対応した独立のＬＥＤで構成されている。つまり、折り返し断面（紙面平面に相当する。）に対して垂直方向（Ｘ方向）に、ＬＥＤ光源２１がＲＧＢ独立に並んでいる。このため、ＬＥＤ光源２１からの照明光Ｌ０を拡散させることが必要になる。

拡散板２２は、照明光学系の一部として、ＬＥＤ光源２１からの照明光Ｌ０を拡散させることにより、照明光Ｌ０を均等に混ぜて色ムラを無くすものであり、その拡散度は方向によって異なっている。つまり、折り返し断面に対して垂直方向（Ｘ方向）にのみ拡散作用を有する１方向拡散板であり、その拡散作用を有する方向はＲＧＢに対応した独立のＬＥＤ光源２１の配置方向と同じである。ＬＥＤ光源２１からの照明光Ｌ０は、拡散板２２を通過することにより拡散された後、照明光学系の一部をなすフレネルレンズ２３でコリメートされる。そのコリメートされた照明光Ｌ０は、平面型ＰＢＳ２４で反射されることにより偏光方向が揃えられた後、液晶表示素子２０に入射する。

前記条件式（５）に係る条件設定として、照明光学系の一部をなすフレネルレンズ２３の焦点距離は９ｍｍ未満が望ましい。これは焦点距離が９ｍｍ以上になるとＬＥＤ光源２１等のパーツが観測者の額や目に干渉するからである。後述する実施例１におけるフレネルレンズ２３の焦点距離は７．２ｍｍである。また、ＬＥＤ光源２１から射出した照明光Ｌ０をコリメートするために、ＬＥＤ光源２１はフレネルレンズ２３の焦点位置付近に配置してある。

前記条件式（１）における角度θを図２（Ｂ）中に示し、前記条件式（２）における角度φを図２（Ａ）中に示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すプリズム入射前の光学構成のうち、折り返し断面での液晶表示素子２０の画面２０ａに対する主光線の入射光路を拡大して示している。後述する実施例１では、液晶表示素子２０への入射角θが、画面２０ａの中央の主光線で０．３５度、画面下の主光線で０．５０度、画面上の主光線で０．２８度である。また、平面型ＰＢＳ２４の法線と液晶表示素子２０の画面２０ａの法線とのなす角度φは４４度である。したがって、折り返しのスペースを小さくするための条件式（１）を満たしており、また、照明光学系が成立するために条件式（２）を下限側で満たしており、ＬＥＤ光源２１が観測者の額や目に干渉しないために条件式（２）を上限側で満たしている。

液晶表示素子２０は、平面型ＰＢＳ２４からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されて平面型ＰＢＳ２４に向かうように配置されている。これにより、液晶表示素子２０の画面２０ａに対して大きな入射角で照明光Ｌ０を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易になる。液晶表示素子２０は、照明光Ｌ０に対し画像表示のための空間変調を画像信号に応じて行うことにより、画像光Ｌ１を生成する。このとき、画像信号オンに対応する画像光Ｌ１は、液晶表示素子２０に入射してきた照明光Ｌ０とは偏光方向が直交する光に変換されて射出するため、平面型ＰＢＳ２４を透過して光学デバイス１０の内部に入射する。一方、画像信号オフに対応する画像光Ｌ１は、液晶表示素子２０で偏光方向が変換されずに射出するため、平面型ＰＢＳ２４で遮断されて、光学デバイス１０の内部に入射しない。

光学デバイス１０は、透明な第１，第２のプリズム１１，１２；ホログラム光学素子１３等で構成されており、平面型ＰＢＳ２４は第１のプリズム１１の入射面１１ａに貼り付けられている。平面型ＰＢＳ２４と第１のプリズム１１の入射面１１ａとの一体化により、光学構成の小型化が可能となる。また光学デバイス１０は、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２との間にホログラム光学素子１３を有する構造になっている。ホログラム光学素子１３は第１のプリズム１１に貼り付けられており、第１，第２のプリズム１１，１２間に設けられた接着剤１４で、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２とがホログラム光学素子１３を挟むようにして接合されている。つまり、第１のプリズム１１及びホログラム光学素子１３と第２のプリズム１２との間に設けられた接着剤１４で、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２とが接合された構造になっている。透明基材であるプリズム１１，１２の接合面上にホログラム光学素子１３が設けられているため、接合面を介した外界像のシースルー性（コンバイナ機能）が確保される。

光学デバイス１０は、接合された第１，第２のプリズム１１，１２間のホログラム光学素子１３を介して液晶表示素子２０の表示画像ＩＭが外界像に重なるように、その表示画像ＩＭを拡大虚像として観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する接眼光学系として機能する。そのため、ホログラム光学素子１３は体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。体積位相型の反射型ホログラムは外界像の光の透過率が高いので、ホログラム光学素子１３として体積位相型の反射型ホログラムを用いれば、観察者は表示画像ＩＭと共に外界像も明瞭に観察することが可能になる。なお、ホログラム光学素子１３のＲＧＢの回折波長を、ＲＧＢの画像光Ｌ１の波長（ＬＥＤ光源２１の発光波長）と対応させることが好ましい。

光学デバイス１０は、非軸対称（非回転対称）な正の光学的パワーをホログラム光学素子１３に有している。このホログラム光学素子１３からなるホログラム面１１ｃを、パワーのある反射面として第１のプリズム１１に有することにより、液晶表示素子２０からの画像光Ｌ１を射出瞳ＥＰに導くことが可能となる。また、ホログラム面１１ｃが偏心方向に対して垂直方向（Ｘ方向）にのみ曲率のある形状を有することにより、光学構成の小型化が容易になる。そして、第１のプリズム１１の射出面１１ｂは平面になっているため、画像光Ｌ１は射出面１１ｂで全反射した後、パワーのあるホログラム面１１ｃで反射される。つまり、第１のプリズム１１では、入射面１１ａから入射してきた画像光Ｌ１を、射出面１１ｂでの全反射とホログラム面１１ｃでの回折反射との２回の反射後に、射出面１１ｂから第１のプリズム１１外へ射出することにより、観察者眼ＥＹの瞳に入射させる。

前記条件式（８）に係る条件設定として、液晶表示素子２０の画面２０ａの中央から射出した主光線の光路におけるプリズム１１の射出面１１ｂから射出瞳ＥＰ（観察者眼ＥＹの瞳が配置される。）までの光路長Ｋ（図３）は、１８ｍｍよりも大きく３０ｍｍよりも小さいことが望ましい。眼鏡をかけている人の目から眼鏡レンズまでの距離は、１２ｍｍが一般的である。また、レンズの厚みを３ｍｍと仮定し、さらに眼鏡からプリズム１１まで３ｍｍの余裕を確保する。前述したように、これが条件式（８）の下限に相当する。また、条件式（８）の上限は、眼鏡と第１のプリズム１１とが離れてずれやすくなることを防ぐための値である。後述する実施例１ではＫが２３ｍｍである。

第１のプリズム１１は、液晶表示素子２０から平面型ＰＢＳ２４を介して入射してくる画像光Ｌ１を内部で導光する一方、外界像の光（外界光）を透過させるものである。その第１のプリズム１１は、上端に向かうほど厚くなり下端に向かうほど薄くなるくさび形状を有しており、ホログラム光学素子１３を挟むように接着剤１４で第２のプリズム１２と接合されて略平行平板を形成している。つまり、第１のプリズム１１の射出面１１ｂと第２のプリズム１２のプリズム面１２ａとは平行になっている。このようにプリズム両面が平行になるよう第２のプリズム１２を第１のプリズム１１と貼り合わせることにより、外界光が第１のプリズム１１のくさび状部分を透過するときの屈折を第２のプリズム１２でキャンセルすることができ、観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

図１に示す画像表示装置１では、パワーのあるホログラム面１１ｃの焦点距離Ｐと、フレネルレンズ２３の焦点距離Ｓと、折り返し断面でのＬＥＤ光源２１の大きさＬと、の関係が、条件式（３）を満たしている（図２）。人間の瞳の大きさは一般に３〜４ｍｍであり、それよりも射出瞳ＥＰを大きくすることで観察者が見やすいようにすることができる。後述する実施例１ではＰ／Ｓ×Ｌ＝８．８となっており、十分大きな値となっている。

図１に示す画像表示装置１では、折り返し断面での液晶表示素子２０の大きさＨと、パワーのあるホログラム面１１ｃの焦点距離Ｐと、の関係が、条件式（４）を満たしている（図２）。この条件式（４）は観察者に大きな画面を見せるための条件であり、後述する実施例１ではＨ／Ｐ＝０．２１となっている。

図１に示す画像表示装置１では、液晶表示素子２０の画面２０ａの中央に入射する光束の主光線において、フレネルレンズ２３の射出面から平面型ＰＢＳ２４までの距離Ｄ１と、平面型ＰＢＳ２４から液晶表示素子２０までの距離Ｄ２と、の関係が、条件式（６）を満たしている（図２）。この条件式（６）は、光学系全体の重心をプリズム近辺に保持するための条件設定であり、この条件式（６）を満たすことにより、画像表示装置を搭載したＨＭＤ等のディスプレイを装着したときの装着ズレを防ぐことができる。条件式（６）の範囲を外れると、装着ズレが発生しやすくなる。後述する実施例１ではＤ２／Ｄ１＝１．４である。

図１に示す画像表示装置１では、人間の瞳を４ｍｍとしたときのフレネルレンズ２３の好ましい大きさを規定する条件式（７）を満たしている（図２）。この条件式（７）の下限は、瞳の大きさを十分に確保するためのフレネルレンズ２３の大きさに関する条件設定であり、条件式（７）の上限は、フレネルレンズ２３の直径が大きくなりすぎて重心が目側にずれることを防ぐための条件設定である。後述する実施例１ではＰ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＝１１である。

図１に示す画像表示装置１では、ホログラム面１１ｃの法線と画面下画角の下側マージナル光線ＬＭとのなす角度Ｍが（図３，図６）、条件式（９）を満たしている。これはホログラム面１１ｃと画面下画角の下側マージナル光線ＬＭとが略平行になって、第１のプリズム１１が小型化するための条件設定である。条件式（９）の上限（図６（Ｂ），状態α１）は、第１のプリズム１１内でホログラム面１１ｃ（紙面上の直線）と画面下画角の下側マージナル光線ＬＭとが交わらないための条件設定であり、条件式（９）の下限（図６（Ｃ），状態α２）は、第１のプリズム１１の大型化を防ぐための条件設定である。後述する実施例１ではＭ＝９２度である。

図１に示す画像表示装置１では、物理的光路長Ｌ１，Ｌ２（図３）の好ましい大きさを規定する条件式（１０），（１１）を満たしている。これらの条件式（１０），（１１）もプリズムの大型化を防ぐための条件設定であり、後述する実施例１ではＬ１＝１．１ｍｍ、Ｌ２＝３．２ｍｍとなっている。

図１に示す画像表示装置１では、第２のプリズム１２の厚みＢと、液晶表示素子２０の画面２０ａの上画角の上側マージナル光線の光路における第１のプリズム１１のパワーのある反射面１１ｃから射出面１１ｂまでの距離Ｄと、の比が、条件式（１２），（１２ａ）を満たしている（図３）。これら条件式（１２），（１２ａ）は、前述したように上方視界の確保とプリズムの薄型化とを両立させるための好ましい条件範囲を規定している。

第１のプリズム１１に第２のプリズム１２を接着することでプリズム両面を平行に保つことができる（図３）。しかし、条件式（１２）の下限を下回って、ホログラム面１１ｃの延長線上のすべてを第２のプリズム１２で覆うように接着すると、上方視界は確保できるがプリズムが厚くなり重量が増してしまう。条件式（１２）を満たす範囲で第２のプリズム１２が最大化した状態を図７に示す。この条件式（１２）の下限は、第２のプリズム１２の厚さＢが１０ｍｍの場合に相当する。一方、条件式（１２）の上限を上回って、第２のプリズム１２を使用している光線領域のみをカバーするように接着すると、重量が軽くなる一方で上方視界の確保が困難になる。条件式（１２）を満たす範囲で第２のプリズム１２が最小化した状態を図８に示す。

これらバランスをとるための条件範囲を規定しているのが条件式（１２）であり、更に好ましい条件範囲を規定しているのが条件式（１２ａ）である。条件式（１２ａ）の上限は第２のプリズム１２の厚さＢが７ｍｍの場合に相当し、条件式（１２ａ）の下限は第２のプリズム１２の厚さＢが８ｍｍの場合に相当する。後述する実施例１ではＤ／Ｂ＝０．８６となっている。

ホログラム光学素子１３は、液晶表示素子２０の画面２０ａに表示される表示画像ＩＭと外界像とを同時に観察者眼ＥＹに導くコンバイナを構成しているので、観察者は、ホログラム光学素子１３を介して、液晶表示素子２０から提供される表示画像ＩＭと外界像とを同時に観察することができる。したがって、上述した画像表示装置１（図１）を搭載することにより、光学デバイス１０で表示画像ＩＭを観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する機能を備えた光学シースルーディスプレイを構成することができる。

上記のように、光学シースルーディスプレイにおいて画像表示装置１を搭載することにより、ホログラム光学素子１３で表示画像ＩＭを観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する機能を備えることが望ましい。また、その光学シースルーディスプレイは、ホログラム光学素子１３が観察者眼ＥＹの前方に位置するように画像表示装置１を支持する（つまり、観察者の眼前で支持する）支持部材を備えたヘッドマウントディスプレイであることが望ましい。画像表示装置１はシースルー性が高いため、観察者の眼前で画像ＩＭを表示する配置にすれば、高い映像表示効果を得ることができる。光学シースルーディスプレイとしては、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：head-up display）等が挙げられる。また、ヘッドマウントディスプレイの形態としては眼鏡型，ヘルメット型等が挙げられ、ヘッドアップディスプレイの用途としては自動車の運転用，飛行機の操縦用等が挙げられる。ここでは、画像表示装置１を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを例示して以下に説明する。

図４に、画像表示装置１を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ２の概略構成を示す。ヘッドマウントディスプレイ２は、上述した画像表示装置１と、支持部材３とで構成されている。画像表示装置１の液晶表示素子２０や照明装置（ＬＥＤ光源２１，拡散板２２，フレネルレンズ２３等）等は、筐体７内に収容されており、接眼光学系である光学デバイス１０の上端部も筐体７内に位置している。光学デバイス１０は、上述したように２枚のプリズム１１，１２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図４では右眼用レンズ）のような形状をしている。

また、筐体７内の液晶表示素子２０，ＬＥＤ光源２１等は、筐体７を貫通して設けられたケーブル８を介して、回路基板（不図示）と接続されており、回路基板から液晶表示素子２０，ＬＥＤ光源２１等に駆動電力や映像信号が供給される。なお、画像表示装置１は、静止画や動画を撮影する撮像装置，マイク，スピーカー，イヤホン等をさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像及び表示画像の情報や音声情報をやりとり（送受信）する構成であってもよい。

支持部材３は、眼鏡のフレームに相当する支持機構であり、画像表示装置１を観察者の眼前（図４では右眼の前）で支持している。この支持部材３は、観察者の左右の側頭部にそれぞれ当接するテンプル４Ｒ，４Ｌと、観察者の鼻と当接する鼻当て５Ｒ，５Ｌと、を含んでいる。なお、支持部材３は、観察者の左眼の前でレンズ６も支持しているが、このレンズ６はダミーレンズである。

ヘッドマウントディスプレイ２を観察者の頭部に装着し、液晶表示素子２０に画像ＩＭを表示すると、その画像光Ｌ１が光学デバイス１０を介して射出瞳ＥＰ（図１）に導かれる。したがって、射出瞳ＥＰの位置に観察者の瞳（観察者眼ＥＹ）を合わせることにより、観察者は、画像表示装置１の表示画像ＩＭの拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は光学デバイス１０を介して、外界像をシースルーで観察することができる。なお、画像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。

上記のように、画像表示装置１が支持部材３で支持されることにより、観察者は画像表示装置１から提供される表示画像ＩＭと外界像とを同時にハンズフリーで長時間安定して観察することができ、空いた手で所望の作業を行うことができる。

以下、本発明を実施した画像表示装置の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１，２（ＥＸ１，２）は、前述した画像表示装置の実施の形態に対応する数値実施例であり、その概略断面図（図１等）は実施例１，２の光学配置，光路等を示している。また、図９に画像表示装置の実施例１，２を光学面と光路で示し、図１０，図１１に画像表示装置の実施例３，４（ＥＸ３，４）の光学配置，光路等を、図１と同様に概略断面で示す。

表１，表４，表７に、各実施例のコンストラクションデータ等を示す。コンストラクションデータでは、左側の欄から順に、面番号ｉ（ｉ＝０，１，２，．．．，２２；ＯＢＪ：物面，ＳＴＯ：絞り，ＩＭＧ：像面），Ｙ方向の曲率半径（ｍｍ），Ｘ方向の曲率半径（ｍｍ），光学作用（反射，屈折），波長５３２ｎｍに関する屈折率及びアッベ数を示す。面Ｓｉ（面番号ｉ＝０，１，２，．．．，２２）は、物面ＯＢＪ（Ｓ０）から像面ＩＭＧ（Ｓ２２）に至る光路において、物面ＯＢＪ側から数えてｉ番目の面を示しているので、絞りＳＴＯは射出瞳ＥＰに相当し、像面ＩＭＧは画像ＩＭを表示する液晶画面（画像表示面）２０ａに相当する。また、Ｙ方向，Ｘ方向の曲率半径は、各光学面Ｓｉの面頂点を原点とし、かつ、面頂点での法線をＺ軸とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標軸方向である。なお、実施例３，４における光学面Ｓｉと光学素子（図１０，１１）との関係は、実施例１，２における光学面Ｓｉ（図９）と光学素子（図１）との関係と同じである。

表２，表５，表８に、各実施例における面Ｓｉの配置データを示す。各面Ｓｉの配置は、第１面Ｓ１を基準にした偏心データ中の面頂点座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とＸ軸周り回転角度でそれぞれ特定される。光学面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな第１面Ｓ１の直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標で表されており（単位：ｍｍ）、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度で各光学面Ｓｉの傾きが表されている（単位：°；Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の正方向に対して反時計回りがＸ，Ｙ，Ｚ回転の回転角度の正方向である。）。

ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな第１面Ｓ１の直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、第１面Ｓ１だけでなく第４面Ｓ４（絞りＳＴＯ）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とも一致した絶対座標系になっている。また、座標軸周りの回転角度の基準方向（つまり回転前の座標軸方向）は、第１面Ｓ１の直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標軸方向である。したがって、図９における第１面Ｓ１や第４面Ｓ４では、そのＸ方向が紙面に垂直方向（画角の左右方向）、Ｙ方向が紙面の上下方向（画角の上下方向）であり、紙面奥方向が＋Ｘ方向、紙面における上方向が＋Ｙ方向、紙面における右方向が＋Ｚ方向である。

表３，表６，表９に、各実施例における第６面Ｓ６の位相差係数Ｃｊを示す。第６面Ｓ６はホログラム面１１ｃであり、ホログラムの位相差関数は以下の式（ＤＳ）が示す多項式ｆ（ｘ，ｙ）で表される。ただし、第６面Ｓ６の光軸（ｚ軸）上の点（面頂点）を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）において、紙面奥方向を＋ｘ方向、紙面内で光軸に対して垂直な方向を＋ｙ方向とし（右手系）、ｍ＋ｎ≦１０，ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）²＋ｍ＋３ｎ｝／２とする。なお、位相差関数ｆ（ｘ，ｙ）の規格化波長は５３２ｎｍであり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。

表１０に、各条件式の対応データ及び関連データを各実施例について示す。表１０のデータから分かるように、実施例２の基本的な構成は実施例１と同じである。実施例１との違いは、条件式（５）の対応値、つまりフレネルレンズ２３（照明光学系）の焦点距離Ｓが、８．０ｍｍとなっている点にある。この大きさの焦点距離Ｓであれば、観察者の額や眼鏡にＬＥＤ光源２１が干渉するのを回避することができる。その場合でも、ＬＥＤ光源２１はフレネルレンズ２３の焦点位置に配置される。フレネルレンズ２３の焦点距離Ｓ＝８．０ｍｍのとき、条件式（３）の対応値：Ｐ／Ｓ×Ｌ＝７．９＞４である。条件式（３）を満足しているため、十分な瞳ＥＰの大きさが確保されている。

実施例３では、条件式（２）をその上限の近くで満たしており、実施例４では、条件式（２）をその下限の近くで満たしている。条件式（２）の上限を上回ると（φ≧４７度）、フレネルレンズ２３（照明光学系）と平面型ＰＢＳ２４とが干渉しやすくなる。条件式（２）の下限を下回ると（φ≦３０度）、フレネルレンズ２３（照明光学系）と反射型液晶表示素子２０とが干渉しやすくなり、光学系が成立しなくなるおそれがある。

１ 画像表示装置
２ ヘッドマウントディスプレイ（光学シースルーディスプレイ）
３ 支持部材
１０ 光学デバイス
１１ 第１のプリズム
１１ａ 入射面
１１ｂ 射出面
１１ｃ ホログラム面（パワーのある反射面）
１２ 第２のプリズム
１３ ホログラム光学素子
１４ 接着剤
２０ 液晶表示素子
２０ａ 画面
２１ ＬＥＤ光源
２２ 拡散板（照明光学系）
２３ フレネルレンズ（照明光学系）
２４ 平面型ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）
ＥＳ 光源
ＥＧ 液晶画面
Ｅ１ 照明光学系
Ｅ２ パワーのある反射面
Ｌ０ 照明光
Ｌ１ 画像光
ＩＭ 表示画像
ＥＹ 観察者眼
ＥＰ 射出瞳

Claims (17)

1. 照明光を発する光源と、入射光をコリメートする照明光学系と、入射光の偏光分離を行う平面型の偏光ビームスプリッターと、入射光に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子と、入射面から入射してきた入射光を２回の反射後に射出面から射出させるプリズムとを有し、
   前記プリズムにパワーのある反射面を有し、
   前記光源からの照明光を前記照明光学系でコリメートし、そのコリメートされた照明光を前記偏光ビームスプリッターで反射させ、その反射した照明光を前記液晶表示素子で空間変調することにより画像光を生成し、その画像光を前記偏光ビームスプリッターでの透過後に前記入射面からプリズム内に入射させ、その画像光を前記射出面で反射させた後に前記パワーのある反射面で反射させて前記射出面からプリズム外へ射出し、観察者の瞳に入射させる画像表示装置であって、
   前記液晶表示素子の画面中央に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後の画像光の主光線と、を含む平面を折り返し断面とするとき、
   前記折り返し断面におけるすべての主光線について以下の条件式（１）を満足し、
   以下の条件式（２）〜（７）を満足することを特徴とする画像表示装置；
   ０＜θ＜５ …（１）
   ３０＜φ＜４７ …（２）
   Ｐ／Ｓ×Ｌ＞４ …（３）
   Ｈ／Ｐ＞０．２ …（４）
   Ｓ＜９ …（５）
   ０．４３＜Ｄ２／Ｄ１＜２．２ …（６）
   ４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜２５ …（７）
   ただし、
   θ：折り返し断面での液晶表示素子の画面に対する主光線の入射角（度）、
   φ：偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と液晶表示素子の画面の法線とのなす角度（度）、
   Ｐ：パワーのある反射面の焦点距離（ｍｍ）、
   Ｓ：照明光学系の焦点距離（ｍｍ）、
   Ｌ：折り返し断面における光源の大きさ（ｍｍ）、
   Ｈ：折り返し断面における液晶表示素子の大きさ（ｍｍ）、
   Ｄ１：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離（ｍｍ）、
   Ｄ２：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離（ｍｍ）、
   Ｔ：折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ（ｍｍ）、
   である。
2. 以下の条件式（７ａ）を満足することを特徴とする請求項１記載の画像表示装置；
   ４．０＜Ｐ×Ｔ／（Ｄ１＋Ｄ２）＜１３ …（７ａ）
   ただし、
   Ｐ：パワーのある反射面の焦点距離（ｍｍ）、
   Ｔ：折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ（ｍｍ）、
   Ｄ１：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離（ｍｍ）、
   Ｄ２：液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離（ｍｍ）、
   である。
3. 前記プリズムに設けられている前記パワーのある反射面が１面のみであり、前記偏光ビームスプリッターが前記プリズムの入射面に接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の画像表示装置。
4. 以下の条件式（８）を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像表示装置；
   １８＜Ｋ＜３０ …（８）
   ただし、
   Ｋ：液晶表示素子の画面中央から射出した主光線の光路におけるプリズムの射出面から射出瞳までの光路長（ｍｍ）、
   である。
5. 前記パワーのある反射面がホログラム面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記ホログラム面が偏心方向に対して垂直方向にのみ曲率のある形状を有することを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
7. 以下の条件式（９）を満足することを特徴とする請求項５又は６記載の画像表示装置；
   ８３＜Ｍ＜１２０ …（９）
   ただし、
   Ｍ：ホログラム面の法線と液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線とのなす角度（度）、
   である。
8. 以下の条件式（１０）を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の画像表示装置；
   Ｌ１＜２．０ …（１０）
   ただし、
   Ｌ１：液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線の光路におけるプリズムの射出面での反射位置からパワーのある反射面までの物理的光路長（ｍｍ）、
   である。
9. 以下の条件式（１１）を満足することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の画像表示装置；
   Ｌ２＜５．０ …（１１）
   ただし、
   Ｌ２：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムの入射面から射出面での反射位置までの物理的光路長（ｍｍ）、
   である。
10. 前記照明光学系の焦点位置付近に、前記光源としてＬＥＤ光源が配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の画像表示装置。
11. 前記照明光学系が単レンズであるフレネルレンズを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の画像表示装置。
12. 前記照明光学系が前記折り返し断面に対して垂直方向に拡散性のある拡散板を有し、前記光源として、三原色ＲＧＢに対応した独立のＬＥＤ光源が、前記折り返し断面に対して垂直方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の画像表示装置。
13. 前記射出面に対して平行なプリズム面を備えるように前記パワーのある反射面に接着された第２のプリズムを更に有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。
14. 以下の条件式（１２）を満足することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の画像表示装置；
    ０．６５＜Ｄ／Ｂ＜１．０ …（１２）
    ただし、
    Ｂ：第２のプリズムの厚み（ｍｍ）、
    Ｄ：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離（ｍｍ）、
    である。
15. 以下の条件式（１２ａ）を満足することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の画像表示装置；
    ０．８＜Ｄ／Ｂ＜０．９ …（１２ａ）
    ただし、
    Ｂ：第２のプリズムの厚み（ｍｍ）、
    Ｄ：液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離（ｍｍ）、
    である。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の画像表示装置を搭載することにより、前記ホログラム面で前記液晶表示素子の表示画像を観察者眼にシースルーで投影表示する機能を備えたことを特徴とする光学シースルーディスプレイ。
17. 前記ホログラム面が観察者眼の前方に位置するように前記画像表示装置を支持する支持部材を備えたことを特徴とする請求項１６記載の光学シースルーディスプレイ。

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