表示装置
【課題】観察者の目の前方に配置するヘッドマウント式表示装置に関し、小型化を可能にする。
【解決手段】表示素子５５から発射されて結像素子５６を通った光が通る第１及び第２の焦点を有する第１の楕円体５１の一部として形成された第１の凹面鏡５３と、第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体５２の一部として形成された第２の凹面鏡５４とを備え、表示素子から発射された光が第１の焦点の近傍に集光され、第１の焦点を通った光が第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、第２及び第３の焦点を通った光が第２の凹面鏡によって反射されて第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が第４の焦点の近傍に配置されるようにした。
【解決手段】表示素子５５から発射されて結像素子５６を通った光が通る第１及び第２の焦点を有する第１の楕円体５１の一部として形成された第１の凹面鏡５３と、第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体５２の一部として形成された第２の凹面鏡５４とを備え、表示素子から発射された光が第１の焦点の近傍に集光され、第１の焦点を通った光が第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、第２及び第３の焦点を通った光が第２の凹面鏡によって反射されて第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が第４の焦点の近傍に配置されるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶表示素子等の表示素子の画像を観察者の目の直ぐ前で見るヘッドマウントディスプレイ又は眼鏡型ディスプレイと呼ばれる表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの表示装置は、例えば、特開平５−１３４２０８号公報（特許文献１）、同５−２１００６９号公報、同５−３２８２６１号公報、同７−４６５１３号公報、同９−１８９８８０号公報、同１１−６４７８１号公報、及び特許第２９１０１１１号等に開示されている。さらに、導光体を含む表示装置は、特開平２−２９７５１６号公報、同５−３０４６４５号公報、及び同９−７３０４３号公報に開示されている。
【０００３】
このタイプの表示装置は、液晶パネル等の表示素子と、表示素子で形成された画像を拡大するための凸レンズや凹面鏡等の結像素子とからなる。添付図面の図１４は従来の眼鏡型ディスプレイの光学系を示す図である。図１４において、１は表示素子、２は結像素子、３は結像素子２で拡大された表示素子１の虚像、４は観察者の瞳である。拡散光が表示素子１に照射され、表示素子１を通った光は結像素子２を通って観察者の瞳４に入射する。従って、観察者は結像素子２で拡大された表示素子１の虚像３を見ることができる。表示素子の入射光源側には散乱光生成のための拡散面１ａが配置される。
【０００４】
この場合、光源として蛍光管が用いられる。しかし、蛍光管は大きくかつ重いので、観察者の目の直ぐ前方に配置される眼鏡型ディスプレイに蛍光管を用いることは難しい。
図１５は実質的な点光源である発光素子６を用いた例を示す。発光素子６は発散性の光を出射し、表示素子１を通った発散性の光は、結像素子２を通って収束性の光となって観察者の瞳４に入射する。この場合、発散性の光が表示素子１に照射されるので、結像素子２は表示素子１に近い位置に配置される必要がある。しかし、結像素子２は表示素子１に近い位置に配置されるため、収差が大きくなって画像の品質が低下する。このために、図１６に示されるように、表示の品質を向上するために複数の結像素子２、２ａを設けることが必要になる。そのため、表示装置全体が大型化し、重くなるという問題点がある。
【０００５】
また、上記特開平５−１３４２０８号公報では、表示装置の小型化を実現するために、２焦点を有する楕円体を利用することを提案している。すなわち、図１７に示されるように、楕円体７の一部を利用して凹面鏡８を形成し、表示素子１と偏心レンズ群２ｘを通った光が楕円体７の第１の焦点Ｐ１を通り、凹面鏡８で反射した光が第２の焦点Ｐ２を通り、第２の焦点Ｐ２に観察者の瞳４を配置させるようになっている。こうすれば、第１の焦点を通った光は凹面鏡８で反射して確実に第２の焦点を通り、瞳４に入射する。
【０００６】
しかし、図１７に示す表示装置では、観察者が表示装置を装着したときに、表示素子１及び偏心レンズ群２ｘが観察者の瞳４の横に位置し、観察者の側頭部（耳の近くの部分）と干渉する可能性がある。このために、表示装置は表示素子１及び偏心レンズ群２ｘが観察者の側頭部と干渉しないように構成される必要があり、表示装置を十分に小さくすることができない。
【０００７】
また、楕円体７の２焦点を利用する構成は、表示画面が歪みやすい。つまり、第１の焦点Ｐ１から発散する光の角度が、第２の焦点Ｐ２で集光される光の角度とは同じにならない。従って、瞳４に入射する光の角度が表示素子１を通った光の角度となるようにするために、表示素子１の近傍に偏心レンズ群２ｘとして複雑な複数の偏心レンズを配置しなければならない。このため、表示装置を十分に小型化できないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−１３４２０８号公報
【特許文献２】特開平５−２１００６９号公報
【特許文献３】特開平５−３２８２６１号公報
【特許文献４】特開平７−４６５１３号公報
【特許文献５】特開平９−１８９８８０号公報
【特許文献６】特開平１１−６４７８１号公報
【特許文献７】特許第２９１０１１１号
【特許文献８】特開平２−２９７５１６号公報
【特許文献９】特開平５−３０４６４５号公報
【特許文献１０】特開平９−７３０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題点を解決するためになされたもので、小型化可能な、画像を観察者の目の直ぐ前方で見る表示装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、画像を観察者の目の直ぐ前で見ることができ、かつ、観察者の側頭部と干渉しないように構成されることのできる表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による表示装置は、表示素子と、結像素子と、該表示装置から発射されて該結像素子を通った光が通る第１の焦点及び第２の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第１の焦点の近傍に集光され、該第１の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、該第２及び第３の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が第４の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第２の焦点と第３の焦点とが共通の位置に配置された第１の楕円体及び第２の楕円体を用いて第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡を形成することにより、より好ましくは第１の楕円体及び第２の楕円体を等価の回転楕円体とすることにより、光学系の対称性を向上させることができる。よって、従来のように複雑な複数の偏心レンズを用いる必要がなくなり、装置全体を小型、軽量なものとすることができる。
【００１２】
さらに、本発明は上記２つの特徴を組み合せてなる表示装置を提供する。
さらに、本発明による表示装置は、観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子から発射された光を集光させる結像素子と、該結像素子を通った光が入射する入射面を有する導光体と、該導光体を通った光を受けるように該導光体に設けられる凹面鏡とからなり、該凹面鏡は第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円体の一部として形成され、該結像素子を通った光が該導光体の内部で複数回反射して光があたかも第２の焦点Ｐ２から該凹面鏡に入射するように該凹面鏡に入射し、該凹面鏡によって反射された光は第１の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
この構成によれば、小型で、簡単な構成の表示装置を得ることができる。この場合、導光体は一対の対向する平坦な表面と、該平坦な表面に対して傾斜した傾斜面とを有し、該結像素子を通った光は該傾斜面上で集光され、該一対の対向する平坦な表面によって反射される、ようにするのが好ましい。また、該入射面は該傾斜面であり、あるいは該入射面は該平坦な表面の一部であって該入射面から入射した光が該傾斜面で反射される、ようにするのが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明による表示装置は、観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子に照射する光あるいは該表示素子を通った光を略平行光にする光学素子と、該光学素子を通った光が入射する凹面鏡とからなり、該凹面鏡は回転放物面の一部として形成され、該凹面鏡によって反射された光は該回転放物面の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
この構成によれば、小型で、簡単な構成の表示装置を得ることができる。この場合、光学素子は回転放物面の一部として形成されたさらなる凹面鏡からなる、ようにするのが好ましい。また、該凹面鏡及び該さらなる凹面鏡は導光体に設けられている、ようにするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、小型で、低価格で製造することができる表示装置を得ることができる。また、本発明によれば、頭部に装着可能な、超小型の表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図３の表示装置の光学系の第１実施例を示す図である。
【図２】図１の光学系の変形例を示す図である。
【図３】本発明に係わる観察者の目の直ぐ前で見る表示装置を示す斜視図である。
【図４】図１及び図２の光学系の作用を説明する図である。
【図５】図１の光学系の変形例を示す図である。
【図６】図５の光学系の変形例を示す図である。
【図７】図６の光学系の変形例を示す図である。
【図８】図７の光学系の変形例を示す図である。
【図９】図５の光学系の変形例を示す図である。
【図１０】シースルーの機能をもった表示装置に適用される光学系を示す図である。
【図１１】図１０の光学系の変形例を示す図である。
【図１２】発光素子の発光点の位置を調節する機能を備えた光学系の例を示す図である。
【図１３】他の状態にある図１２の光学系を示す図である。
【図１４】従来の眼鏡型ディスプレイの光学系を示す図である。
【図１５】他の従来例を示す図である。
【図１６】他の従来例を示す図である。
【図１７】楕円体に基づいて形成された光学系を有する他の従来例を示す図である。
【図１８】図３の表示装置の光学系の第２実施例を示す図である。
【図１９】図１８の光学系の変形例を示す図である。
【図２０】図１９の導光体を示す図である。
【図２１】図１９の導光体の変形例を示す図である。
【図２２】図１９の導光体の変形例を示す図である。
【図２３】図１８から図２３までを参照して説明した表示装置の第１の楕円体及び第２の楕円体を示す図である。
【図２４】３次元的に配置された第１の楕円体及び第２の楕円体を示す図である。
【図２５】図２４の光学系を含む表示装置を示す図である。
【図２６】シールスルー機能を付加した光学系の例を示す図である。
【図２７】図２６の光学系の変形例を示す図である。
【図２８】図２６の光学系の変形例を示す図である。
【図２９】本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
【図３０】本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
【図３１】本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
【図３２】図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。
【図３３】図３２の光学系の変形例を示す図である。
【図３４】図３３の導光体の一部を示す拡大図である。
【図３５】図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。
【図３６】図３５の第１及び第２の反射鏡の配置の例を示す図である。
【図３７】図３５の第１及び第２の反射鏡の配置の例を示す図である。
【図３８】図３５の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図３９】図３８の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４０】図３８の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４１】図３９の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４２】図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４３】図４０の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４４】図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４５】図４３の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４６】図４４の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図３は本発明に係わる観察者の目の直ぐ前方で見るヘッドマウントディスプレイ又は眼鏡型ディスプレイと呼ばれる表示装置１０を示している。この表示装置１０は観察者１２の顔に装着される眼鏡タイプの表示装置である。表示装置１０は、表示装置１０を観察者１２の顔に装着するための眼鏡状の本体構造と、本体構造に組み込まれた光学系とを有する。例においては、表示装置の本体構造は、眼鏡又はゴーグルとして示されている。しかし、本発明は眼鏡又はゴーグル状の本体構造をもった表示装置に限定されるものではない。表示装置の本体構造は、例えば、頭を取り巻くベルトや、ヘルメット、カチャーシャのような構造や、耳掛けタイプのもの，眼鏡へクリップで装着するもの等種々のものを採用することができる。
【００１９】
図１は、図３の表示装置１０の光学系１４の第１実施例を示す図である。光学系１４は、発光素子１６と、発光素子１６で照明される透過型表示素子１８と、表示素子１８を通った光を通過させる結像素子２０とからなる。さらに、光学素子２２が発光素子１６と表示素子１８との間に配置される。２４は観察者１２の瞳である。
【００２０】
発光素子１６は実質的な点光源であり、マスク２６の微小な開口部に配置される。表示素子１８は電気信号に応じて画像を形成するあらゆるタイプの表示器を使用することができる。結像素子２０及び光学素子２２はともに凸レンズで構成される。発光素子１６は光学素子２２の焦点の位置に配置され、よって発光素子１６から出射される発散光は平行光として表示素子１８に入射する。
【００２１】
結像素子２０は、結像素子２０の一方の側に第１の焦点２０ａを有し、結像素子２０の他方の側に第２の焦点２０ｂを有する。Ｆは結像素子２０の焦点距離である。表示素子１８は結像素子２０と結像素子２０の第１の焦点２０ａとの間で第１の焦点２０ａに近い位置に配置される。よって、結像素子２０によって表示素子１８の虚像が形成される。さらに、発光素子１６から照射された光が結像素子２０の第２の焦点２０ｂで集光されるようになっている。つまり、発光素子１６の像が結像素子２０の第２の焦点２０ｂに形成される。
【００２２】
表示装置１０は、表示装置１０を観察者１２の顔に装着したときに、結像素子２０の第２の焦点２０ｂが瞳２４に位置するようになっている。このため、集光性の光が観察者１２の瞳２４において最も絞られる。
図２は図１の光学系１４の変形例を示す図である。図２の光学系１４は図１の光学系１４と同様の部材を含み、図２の光学系１４の作用は図１の光学系１４の作用とほぼ同様である。図２では、発光素子１６は点光源である発光ダイオードからなり、表示素子１８は偏光子１８ａ、１８ｂで挟まれた液晶パネルからなる。光学素子２２は結像素子２０の第１の焦点２０ａよりも表示素子１８の近くに配置されている。従って、図２の光学系１４は図１の光学系１４よりも短くすることができる。
【００２３】
図４は図１及び図２の光学系１４の作用を説明する図である。上記したように、平行光が表示素子１８に入射し、そして、表示素子１８は結像素子２０と結像素子２０の第１の焦点２０ａとの間で第１の焦点２０ａに近い位置に配置される。表示素子１８は結像素子２０と結像素子２０の第１の焦点２０ａとの間に配置されるので、結像素子２０によって表示素子１８の虚像２８が形成される。そして、表示素子１８は虚像２８ができる条件内で結像素子２０の第１の焦点２０ａに近い位置に配置される。つまり、表示素子１８は結像素子２０から離して配置され、解像度の低下によって画像の品質が低下しないようになっている。好ましくは、表示素子１８は結像素子２０から結像素子２０の焦点距離の半分以上離れた位置に配置される。実施例においては、結像素子２０の焦点距離は２２ｍｍであり、表示素子１８は結像素子２０から１２ｍｍの位置に配置される。
【００２４】
発光素子１６の像が結像素子２０の第２の焦点２０ｂに形成され、表示装置１０を観察者１２の顔に装着したときに、結像素子２０の第２の焦点２０ｂが瞳２４に位置するようになっている。このため、集光性の光が観察者１２の瞳２４において最も絞られ、あたかも観察者１２は壁３０に設けられたピンホールを通して表示を見るようになる。
【００２５】
人間の目をカメラとしてとらえると、瞳２４上にピンホールがあれば、ピンホールカメラと同様の原理で近くの像もよく見ることができる。本発明では、物理的にピンホールを形成する代わりに、光学的にバーチャルピンホールを形成している。結像素子２０の第１の焦点２０ａの近傍に表示素子１８を配置することで、観察者１２は表示素子１８の虚像２８をピンホールカメラと同じようによく見ることができる。通常は観察者の目の近くにある虚像は見えにくいが、ピンホールカメラの原理を応用することにより、長焦点深度となり、目から虚像までの距離がそれほど離れていなくても虚像を見ることができる。一方、図１４を参照して説明したように、光が絞られないである幅をもって瞳に入射した場合には、目から虚像までの距離がそれほど離れていないと虚像をよく見ることができないので、通常は、瞳からより離れた位置により大きな虚像が形成されるように光学系を構成する。本発明は上記したように構成することにより、光学系をより小型化し、低価格で製造することができる。
【００２６】
図５は図１の光学系１４の変形例を示す図である。図５の光学系１４は図１の光学系１４と同様の部材を含み、図５の光学系１４の作用は図１の光学系１４の作用とほぼ同様である。図５では、表示素子１８は反射型の表示素子からなり、一部の光を透過させ且つ残りの一部の光を反射させる光分離手段としてのハーフミラー３２が発光素子１６と表示素子１８との間に配置される。発光素子１６から発射された発散性の光の一部はハーフミラー３２で反射されて結像素子２０を通り、表示素子１８を照射する。表示素子１８で反射された光は結像素子２０及びハーフミラー３２を透過して観察者１２の瞳２４に向かう。
【００２７】
光が発光素子１６からハーフミラー３２を通って表示素子１８へ向かうときには、発散光が結像素子２０によって平行光に変換されるので、この結像素子２０は図１の光学素子２２の機能を含む。つまり、光学素子２２と結像素子２０とは共通の素子からなる。そして、光がハーフミラー３２から瞳２４へ向かうときには、発光素子１６の像が結像素子２０の第２の焦点２０ｂに形成される。
【００２８】
図６は図５の光学系１４の変形例を示す図である。図６の光学系１４は図５の光学系１４と同様の部材を含み、図６の光学系１４の作用は図５の光学系１４の作用とほぼ同様である。図６では、表示素子１８は液晶パネルとして形成され、表示素子１８の入射側及び出射側に偏光子１８ａ、１８ｂが配置される。偏光子１８ａは発光素子１６とハーフミラー３２との間に配置され、偏光子１８ｂはハーフミラー３２と瞳２４との間に配置される。
【００２９】
図７は図６の光学系１４の変形例を示す図である。図７の光学系１４は図６の光学系１４と同様の部材を含み、図７の光学系１４の作用は図６の光学系１４の作用とほぼ同様である。図７では、偏光子１８ａは発光素子１６とハーフミラー３２との間に配置され、偏光子１８ｂはハーフミラー３２に接着されている。
図８は図６の光学系１４の変形例を示す図である。図８の光学系１４は図６の光学系１４と同様の部材を含み、図８の光学系１４の作用は図６の光学系１４の作用とほぼ同様である。図８では、偏光子１８ａが表示素子１８の光入射面側に配置されている。この例は、強誘電液晶のように反射型液晶パネルと１枚の偏光子で表示可能な表示素子１８の場合に適用できる。
【００３０】
図９は図５の光学系１４の変形例を示す図である。図９の光学系１４は図５の光学系１４と同様の部材を含み、図９の光学系１４の作用は図５の光学系１４の作用とほぼ同様である。図９では、図５のハーフミラー３２の代わりに偏光ビームスプリッタ３４が配置されている。偏光ビームスプリッタ３４は一方の偏光を透過させ且つもう一方の偏光を反射させる光分離手段として作用する。偏光ビームスプリッタ３４を使用すれば、図６から図８の偏光子１８ａ、１８ｂを省略することができ、光量のロスを低減することができる。なお、偏光ビームスプリッタ３４の代わりに、特定偏光を反射するフィルム（例えば、３Ｍ社製のＤＢＥＦ、ＨＭＦ）を用いることもできる。
【００３１】
図１０はシースルーの機能をもった表示装置に適用される光学系１４を示す図である。発光素子１６からの光を直接に結像素子２０と表示素子１８に入射させ、表示素子１８で反射した光をハーフミラー３６で反射させて観察者１２の瞳２４に入射させている。外部光３８がハーフミラー３６を透過して観察者１２の瞳２４に入射する。従って、観察者１２は表示画像とともに、ハーフミラー３６を介して外部（例えばコンピュータのキーボード）を見ることができる。１つの偏光子１８ａが表示素子１８の前に配置されているが、必要に応じて、偏光子を発光素子の近傍及びハーフミラー３６の近傍に配置することができる。なお、外部環境の光が眩しいときには、調光用のパネル（液晶パネル等）をハーフミラー３６の外側に配置することもできる。このようにして、外部からの光と表示素子１８からの光を合わせるコンバイナを構成することができる。
【００３２】
図１１は図１０の光学系の変形例を示す図である。この例では、光学系は透明なプラスチックからなる導光板４０を含み、導光板４０の途中に偏光ビームスプリッタ３４を形成している。発光素子１６は導光板４０の一端部に配置され、導光板４０の他端部は直角に曲げられてプリズム４０ａを形成している。発光素子１６から発射された光は導光板４０及び偏光ビームスプリッタ３４を通り、プリズム４０ａで反射し、結像素子２０を通り、表示素子１８で反射して、逆の経路を通り、偏光ビームスプリッタ３４で反射して観察者１２の瞳２４に入射する。外部光３８が偏光ビームスプリッタ３４を透過して観察者１２の瞳２４に入射する。従って、観察者１２は表示画像とともに、偏光ビームスプリッタ３４を介して外部を見ることができる。導光板４０は薄いので、目の前に容易に配置でき、あるいは眼鏡への後付けが容易な構成である。
【００３３】
本発明の表示装置では、光が一点に結像されるために見る位置が制限される（視域が狭い）。そこで、本発明の表示装置を眼鏡等に取りつけた場合、発光素子１６の発光点の位置を調節し、発光素子１６の像を適切な位置（観察者の瞳の位置）に結像させるようにするのが好ましい。
図１２及び図１３は発光素子１６の発光点の位置を調節する機能を備えた光学系の例を示す図である。図１２はある状態にある光学系を示し、図１３は他の状態にある図１２の光学系を示す。光学系は透明なプラスチックからなる導光板４２を含み、導光板４２の途中に偏光ビームスプリッタ３４を形成している。発光素子１６は導光板４２の一端部に配置され、結像素子２０及び表示素子１８は導光板４２の他端部に配置される。
【００３４】
目位置センサ４３、４４が導光板４２に配置されており、観察者１２の瞳２４を位置を検出できるようになっている。発光素子１６はＬＥＤアレイとして形成され、複数のＬＥＤ１６ａ、１６ｂ、１６ｃを含む。ＬＥＤ１６ａ、１６ｂ、１６ｃの配置のピッチは瞳２４の大きさ以下になっている。目位置センサ４３、４４が検出した瞳２４を位置に応じて、使用するＬＥＤ１６ａ、１６ｂ、１６ｃを選択するようになっている。
【００３５】
図１２では、中央のＬＥＤ１６ｂが選択され、このＬＥＤ１６ｂから発射された光は導光板４２及び偏光ビームスプリッタ３４を通り、結像素子２０を通り、表示素子１８で反射して、逆の経路を通り、偏光ビームスプリッタ３４で反射して観察者１２の瞳２４に入射する。
図１３では、点線で示された瞳２４が実線で示された瞳２４の位置に移動している。そこで、左のＬＥＤ１６ａが選択され、このＬＥＤ１６ａから発射された光は導光板４２及び偏光ビームスプリッタ３４を通り、結像素子２０を通り、表示素子１８で反射して、逆の経路を通り、偏光ビームスプリッタ３４で反射して観察者１２の瞳２４に入射する。このようにして、光が一点に結像されるタイプの表示装置でも、視域を広くすることができる。なお、発光素子１６は１次元のＬＥＤアレイとして形成されているが、２次元のＬＥＤアレイとして形成されることもできる。
【００３６】
なお、表示素子１８のＲＧＢ画素中の１つの色画像を表示し、表示画像に応じた色を発光素子１６で発光し、順番に色を変える時分割カラーを実現することもできる。
図１８は図３の表示装置の光学系の第２実施例を示す図である。この例の光学系１４は２つの等価な楕円体５１、５２に基づいて形成されている。第１の楕円体５１は第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を有し、第２の楕円体５２は第３の焦点Ｐ３及び第４の焦点Ｐ４を有する。第２の焦点Ｐ２と第３の焦点Ｐ３とは共通の位置に配置されている。第１の凹面鏡５３が第１の楕円体５１の一部に配置され、第２の凹面鏡５４が第２の楕円体５２の一部に配置されている。
【００３７】
より詳細には、この表示装置の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、表示素子５５から発射されて結像素子５６を通った光が通る第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を有する第１の楕円体５１の一部として形成された第１の凹面鏡５３と、第２の焦点Ｐ２と共通の位置に配置される第３の焦点Ｐ３及び第４の焦点Ｐ４を有する第２の楕円体５２の一部として形成された第２の凹面鏡５４とを備える。
【００３８】
表示素子５５から発射された光が第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、第１の焦点Ｐ１を通った発散光が第１の凹面鏡５３によって反射されて共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３に向かって進みその焦点に又はその近傍に集光され、第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通った発散光が第２の凹面鏡５４によって反射されて第４の焦点Ｐ４の近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）が第４の焦点Ｐ４の近傍に配置されるようになっている。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００３９】
表示素子５５は、光源を備えた透過型又は反射型の液晶表示パネル、微小な光線をスキャニングによって画像を形成することができる小型ミラーの表示素子、または自発光型のＥＬ表示素子とすることができる。表示素子５５とは別に光源を設けることもできる。
このように、第２の焦点Ｐ２と第３の焦点Ｐ３とが共通の位置に配置された第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を用いて第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４を形成することにより、より好ましくは第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を等価の回転楕円体とすることにより、光学系の対称性を向上させることができる。よって、従来のように複雑な複数の偏心レンズを用いる必要がなくなり、装置全体を小型、軽量なものとすることができる。
【００４０】
結像素子５６は単純な凸レンズでよいので、ベースとなる第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を小さなものとすることができる。従って、表示装置は小型化される。特に、表示装置を観察者の顔又は頭に装着する場合、顔面上にはできるだけ物がない方がよく、また、表示素子５５と観察者の目との間の距離がある程度離れていることが必要であるので、表示素子５５は顔面から離れた所（例えば側頭部）に配置されるのが望ましい。そこで、表示装置は観察者の顔面と平行な方向に長くなるように構成されるのが好ましい。第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を用いた本発明では、この要求を満足すべく、表示装置は観察者の顔面と平行に長くなるように適切に構成されるが、観察者の顔面と垂直な方向の厚さは大きくならない。
【００４１】
図１８においては、第１の焦点Ｐ１、第２の焦点Ｐ２、第３の焦点Ｐ３、及び第４の焦点Ｐ４は、一直線上に配置されており、第１の凹面鏡５３は光学系１４の上記焦点を通る線に対して第２の凹面鏡５４の反対側に配置されている。
図１９及び図２０は図１８の光学系１４の変形例を示す図である。図１９においては、第１の焦点Ｐ１、第２の焦点Ｐ２、第３の焦点Ｐ３、及び第４の焦点Ｐ４（又は導光体内の反射を展開した第１から第４の焦点Ｐ１〜Ｐ４に対応する焦点）は、一直線上に配置されており、第１の凹面鏡５３は光学系１４の上記焦点を通る線に対して第２の凹面鏡５４の同じ側に配置されている。そして、導光体５８が第１の凹面鏡５３と第２の凹面鏡５４との間に設けられている。
【００４２】
導光体５８は第１から第４の焦点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、焦点Ｐ４を通る線と平行に延びる細長い透明なガラス又はプラスチックの部材であり、互いに平行な平面５８ａ、５８ｂを有する。第１の凹面鏡５３は導光体５８の一端に配置され、第２の凹面鏡５４は導光体５８の他端に配置される。この場合には、光は第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通らないで、導光体５８の内部を進むが、その光の進行は第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通った場合と同様である。
【００４３】
すなわち、表示素子５５から出射された光が第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、第１の焦点Ｐ１から発散した光が第１の凹面鏡５３によって反射されて共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３に向かって進む。光は導光体５８の表面（平面５８ａ、５８ｂ）において数回反射を繰り返す。従って、第１の凹面鏡５３から共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３に向かって進んだ光は実際には共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通らないが、導光体５８の内部において共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３と同等の仮想の焦点において集光され、仮想の焦点を通った発散光が第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通った光と同等の光として第２の凹面鏡５４によって反射されて第４の焦点Ｐ４の近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）が第４の焦点Ｐ４の近傍に配置されるようになっている。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００４４】
図１９の導光体５８は互いに平行な平面５８ａ、５８ｂを有するものに限定されない。例えば、第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を互いに異なる形状にしたり、垂直以外の角度で目に入射するように設計した場合には、この限りではない。また、導光体５８は全反射の条件を満たす場合には、反射膜を付加する必要はない。
【００４５】
図２０では、第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４は導光体５８の同じ側に配置され、光は矢印ＬI の方向に導光体５８に入射し、導光体５８内で奇数回反射して、矢印ＬO の方向に導光体５８から出射する。
図２１は導光体５８の変形例を示す図である。この導光体５８では、第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４は導光体５８の反対側に配置され、光は矢印ＬI の方向に導光体５８に入射し、導光体５８内で偶数回反射して、矢印ＬO の方向に導光体５８から出射する。
【００４６】
図２２は導光体５８の変形例を示す図である。この導光体５８は、屈曲部を有し、観察者の顔及び頭の半分に適合した形状に形成されている。屈曲部には反射膜６０が設けられているが、全反射条件を満たす場合には反射膜６０を付加しなくてもよい。こうすれば、表示素子５５の配置の自由度が高くなる。
図２３は図１８から図２３までを参照して説明した表示装置の第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を示す図である。図２３においては、第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２は例えばＸ−Ｙ平面内に配置されている。
【００４７】
図２４は図２３の光学系の変形例を示し、３次元的に配置された第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を示す図である。図２４においては、第１の楕円体５１はＸ−Ｙ平面内に配置され、第２の楕円体５２はＸ−Ｙ平面に対して傾斜した平面内に配置されている。第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４は図２３及び図２４に示されていない。第１及び第４の焦点Ｐ１、Ｐ４は矢印で示され、第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３は図２３及び図２４の座標の原点に相当する。第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３は共通であるので、上記した光の進行の原理はこの場合にも同様に適用される。
【００４８】
図２５は図２４の光学系を含む表示装置を示す図である。表示装置の本体構造は略して眼鏡１０ａとして示されている。光学系は表示素子５５と導光体５８とを含む。光学系の他の部材は省略されている。図２５の導光体５８は、図２２の導光体５８を図２４の第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２の構成に従って変形したものである。図２２においては、導光体５８は屈曲し、第２の凹面鏡５４は目の前にあり、第１の凹面鏡５３及び表示素子５５は例えば耳の横にあり、表示素子５５は第１の凹面鏡５３の外側にある。
【００４９】
図２５の導光体５８は図２２の導光体５８と同様に屈曲し、第２の凹面鏡５４は目の前にあり、第１の凹面鏡５３及び表示素子５５は例えば耳の横にある。この場合、図２４の第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２の構成に従って、表示素子５５は第１の凹面鏡５３の下側に位置するようになる。６１Ａは回路部であり、６１Ｂはケーブルである。
【００５０】
図２６から図２８はシールスルー機能を付加した光学系の例を示す図である。図２６において、第２の凹面鏡５４は半透過性を有する反射鏡である。第２の凹面鏡５４は、多層誘電体膜や、クロム、アルミニウムや、銀、チタン等の膜で形成することができる。透過率は膜の材料や厚さ等の設計で任意に選択できる。シールスルー機能を有するためには、背景光６２が第２の凹面鏡５４を透過でき、しかし屈折が小さくて背景像の歪みが小さいようにするのがよい。そのためには、背景光６２の入射面と出射面とが平行であることが必要であり、導光体５８に補正板６４を付加するのが好ましい。
【００５１】
図２７においては、第２の凹面鏡５４をホログラムを用いて形成している。この場合、第２の凹面鏡５４の形状は平坦であるが、第２の凹面鏡５４をホログラムとして形成しているので、上記したように第２の楕円体５２の一部と同様な反射を実現することができ、且つ透過率を制御することができる。第２の凹面鏡５４の形状は平坦であるので、補正板６４の形状も簡単になる。
【００５２】
図２８においては、ホログラムを用いて形成した第２の凹面鏡５４を導光体５８の平坦面に配置している。こうすれば、補正板６４を付加する必要がない。
図２９から図３１は本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
図２９においては、図１に示される第１の光学系と図２２に示される第２の光学系とを組み合わせた光学系を示す。すなわち、第１の光学系は、発光素子１６と、光学素子２２と、透過型表示素子１８と、結像素子２０とからなる。アパーチャ６６が結像素子２０の第２の焦点の位置に配置される。第２の光学系は、第１の凹面鏡５３と、第２の凹面鏡５４と、導光体５８とからなる。図１８において、表示素子５５の発散光を第１の焦点Ｐ１を通って第１の凹面鏡５３に向かって照射したのと同様に、アパーチャ６６を通った発散光を第１の凹面鏡５３に向かって照射する。アパーチャ６６は第２の光学系の第１の焦点Ｐ１に位置する。これによって、アパーチャ６６において認識された画像と同様の画像を瞳２４において認識することができる。
【００５３】
図３０においては、反射型表示素子１８が使用される。他の構成は図２９の構成と同様である。
図３１においては、表示素子は、発光素子１６とマイクロミラー６８とによって構成される。発光素子１６はレーザー等とすることができる。発光素子１６はマイクロミラー６８に向かって微小な光線を発射する。マイクロミラー６８はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）のような角度が可変できるデバイスであって、光線をスキャニングすることができる。このスキャニングに合わせて発光素子１６の光量を変調すれば、画像となる。マイクロミラー６８は液晶パネルと比べて非常に小さく、小型の表示素子を実現できる。図では１つのマイクロミラー６８が示されているが、単純なＭＥＭＳを２個用いてＸＹ方向にスキャニングさせてもよい。
【００５４】
図３２は図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。この例の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、導光体７１と、凹面鏡７２とからなる。導光体７１はガラスや樹脂などの光透過物質で作られ、互いに平行で平坦な表面７１ａ、７１ｂ、及び平坦な光入射面７１ｃを有する。凹面鏡７２は導光体７１の光入射面７１ｃとは反対側の端部に設けられている。凹面鏡７２は第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を有する回転楕円体７３の一部に基づいて形成されている。導光体７１の表面７１ａ、７１ｂは凹面鏡７２の第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を通る線と平行である。
【００５５】
表示素子５５から発射され、結像素子５６を通った光が導光体７１の光入射面７１ｃに入射し、光入射面７１ｃ上の仮想の焦点Ｐ２′に又はその近傍に集光されるようになっている。仮想の焦点Ｐ２′を通った発散光は導光体７１の表面７１ａ、７１ｂにおいて数回反射（全反射）を繰り返し、光があたかも第２の焦点Ｐ２から凹面鏡７２に入射するように凹面鏡７２に入射する。凹面鏡７２によって反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。仮想の焦点Ｐ２′を透過しない光はノイズ光となることがあるので、仮想の焦点Ｐ２′の位置にアパーチャを配置するのが望ましい。
【００５６】
このように、導光体７１を観察者の顔に対して横方向に配置することによって、表示素子５５及び結像素子５６が観察者の側頭部（耳の近くの部分）と干渉するすることがないように表示装置を構成することができる。
光入射面７１ｃは、表示素子５５から発射され、結像素子５６を通った光が光入射面７１ｃに垂直に入射するように、平坦な表面７１ａ、７１ｂに対する傾きで形成されるのが望ましい。しかし、楕円形の凹面鏡７２での光の反射は光軸の両側において反射角度が変わるため、瞳２４に入射する画像にひずみが生じることがある。光入射面７１ｃの角度を調整すること、または、ひずみ補正レンズを表示素子５５と光入射面７１ｃとの間に挿入することによって、画像のひずみを緩和することが可能になる。また、小型で軽量の表示装置を実現することができる。
【００５７】
図３３は図３２の光学系１４の変形例を示す図である。図３４は図３３の導光体の一部を示す拡大図である。図３２では表示素子５５及び結像素子５６は観察者の顔とは遠い側に配置されていた。これに対して、図３３及び図３４の例では表示素子５５及び結像素子５６は観察者の顔に近い側に配置されている。こうすれば、表示素子５５や結像素子５６は観察者の側頭部（耳付近）に容易に配置されることができる。
【００５８】
このため、導光体７１の光入射面７１ｃは表面７１ａの一部として形成され、図３２において光入射面７１ｃであった傾斜面７１ｄには反射膜７４が配置される。反射膜７４の代わりに全反射面としてもよい。従って、表示素子５５及び結像素子５６を通った光は光入射面７１ｃから導光体７１の内部に入り、反射膜７４の反射面で反射して、反射膜７４上の仮想の焦点Ｐ２′に又はその近傍に集光されるようになっている。前述したのと同様に、仮想の焦点Ｐ２′を通った発散光は導光体７１の表面７１ａ、７１ｂにおいて数回反射（全反射）を繰り返し、凹面鏡７２に入射し且つ反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００５９】
仮想の焦点Ｐ２′は集光点であるので、反射膜７４は小さくてよい。反射膜７４は導光体７１の傾斜面７１ｄの一部にのみアルニウムや銀等の金属又は酸化物の多層膜等の反射膜材料を蒸着して形成し、傾斜面７１ｄの他の部分は入射光を透過させるようにする。こうすれば、図３２の例で述べたアパーチャの機能が付与され、仮想の焦点Ｐ２′を透過しない光がノイズ光となるのを抑制することができる。また、傾斜面７１ｄの非反射部分には光吸収層を設けてもよく、例えば反射膜７４を形成した後に酸化クロムや黒色インク等の黒色の物質を傾斜面７１ｄ全体に塗布してもよい。
【００６０】
図３５は図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。この例の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、第１の焦点Ｐ１を有する第１の回転放物面７６の一部に基づいて形成された第１の凹面鏡７７と、第２の焦点Ｐ２を有する第２の回転放物面７８の一部に基づいて形成された第２の凹面鏡７９とからなる。
【００６１】
表示素子５５から出射され、結像素子５６を通った光が第２の回転放物面７８の第２の焦点Ｐ２に又はその近傍に集光され、第２の焦点Ｐ２を通った発散光は第２の凹面鏡７９で反射されて平行光となる。平行光は第１の凹面鏡７７へ入射し、第１の凹面鏡７７によって反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００６２】
このように、平行光を第１の凹面鏡７７へ入射させることによって、小型で軽量の表示装置を実現することができる。平行光をつくり出す手段として、第２の凹面鏡７９を利用している。好ましくは、第１の回転放物面７６と第２の回転放物面７８とは焦点距離が同じで、中心軸を一致して配置される。このようにすれば、対称性が高く、ひずみのない画像を形成することができる。第２の焦点Ｐ２を通過しない光はノイズ光となるので、第２の焦点Ｐ２にアパーチャを配置し、ノイズ光を抑制することができる。
【００６３】
第１及び第２の反射鏡７７、７９は適切なホルダに取付けられ、第１の反射鏡７７と第２の反射鏡７９との間は空間となっていて、平行光は空間を進む。
図３６及び図３７は第１及び第２の反射鏡７７、７９の配置の例を示す図である。図３６においては、第１及び第２の反射鏡７７、７９は柱状のガラス又はアクリル樹脂等のプラスチックからなる導光体８０の両端に配置されている。光は導光体８０の内部を平行光として伝播する。導光体８０は型を使用した成型により作り、第１及び第２の反射鏡７７、７９は導光体８０の両端にアルミニウムを蒸着する。
【００６４】
図３７においては、第１及び第２の反射鏡７７、７９は中空筒状の導光体８０ａの両端に配置されている（第１の反射鏡７７は示されていない）。光は導光体８０ａの内部の空洞内を平行光として伝播する。導光体８０ａは型を使用した成型により作り、第１及び第２の反射鏡７７、７９は別途作成して導光体８０ａの両端に接着する。導光体８０ａの内部には空気があればよいが、鏡面に塵がつかないようにするためには、導光体８０ａを封止するのがよい。また、結露を防ぐため、導光体８０ａの内部に窒素ガス等のガスを充填し、あるいは真空にしてもよい。
【００６５】
図３８は図３５の表示装置の変形例を示す図である。この例の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、第１の焦点Ｐ１を有する第１の回転放物面７６の一部に基づいて形成された第１の凹面鏡７７と、表示素子５５から発射され、結像素子５６を通った光を平行光にするためのレンズ８１とからなる。結像素子５６の焦点の位置にはアパーチャ８２が配置される。レンズ８１で作られた平行光は第１の凹面鏡７７へ入射し、第１の凹面鏡７７によって反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００６６】
図３９は図３８の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例の光学系１４は、第１の凹面鏡７７が導光体８０の一端に設けられている点を除くと、図３８の例と同様である。放物面形状の凹面鏡は一般的な球面レンズと比べると形状が複雑で加工が容易ではない。従って、放物面形状の凹面鏡の数は少ない方がよい。従って、図３８及び図３９においては、１つの放物面形状の凹面鏡を使用している。導光体８０の入射面は図示の例では平面であるが、導光体８０の入射面は結像素子５６の作用をもつ形状に形成してもよい。また、表示素子５５に入射する光が収束光である場合には、結像素子５６を省略してもよい。
【００６７】
図４０及び図４１はそれぞれ図３８及び図３９の表示装置の光学系の変形例を示す図である。図４０においては、反射膜８３がレンズ８１と第１の凹面鏡７７との間に挿入され、光路を折り曲げるようになっている。図４０においては、反射膜８３がレンズ８１と導光板８０の端部との間に挿入され、光路を折り曲げるようになっている。このようにすることによって、多くの光学部品を観察者の顔面から外れた位置、即ち観察者の側頭部（耳付近）に近い位置に配置することができる。表示装置の重心が顔面に近い位置にあると、表示装置を装着したときに重量感を感じ、疲れやすい。自然な装着感を実現するには、可能な限り部品を顔面の近くに配置しない方がよい。なお、反射膜８３の代わりに、全反射面とすることもできる。
【００６８】
図４２は図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例では、導光板８０が直角に曲がった形状に形成され、反射膜８３がレンズ８１と導光板８０の端部との間に挿入され、反射膜８４が導光板８０の屈曲部に挿入され、光路を折り曲げるようになっている。なお、反射膜８３、８４の代わりに、全反射面とすることもできる。このようにすることによって、表示装置の構成を観察者の顔及び頭部によりフィットするようにすることができる。図示の例においては、表示素子５５からレンズ８１を含む装置の部分が観察者の側頭部から外側に突き出した方向に配置されているが、反射膜８３が配置される導光板８０の端部の表面を図４２の紙面に対して４５度傾斜した角度で形成し、表示素子５５からレンズ８１を含む装置の部分を導光板８０から下向きに指向させるようにすることができる。こうすれば、表示素子５５からレンズ８１を含む装置の部分を眼鏡のツルのように耳にかけることができるようになる。
【００６９】
図４２の表示装置は例えば図２５に示される表示装置と同様ににして使用されることができる。
図４３は図４０の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例は、図４０の光学系に図１に示される第１の光学系の発光素子１６と、光学素子２２とを加えたものである。発光素子１６及び光学素子２２は平行光をつくり出し、表示素子５５及び結像素子５６を通った光はアパーチャ８２で集光され、アパーチャ８２を通った発散光を導光体８０に導き、第１の凹面鏡７７で反射された光が瞳２４に入射する。よって、アパーチャ８２において認識された画像と同様の画像を瞳２４において認識することができる。
【００７０】
図４４は図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例では、発光素子１６が設けられていにとともに、結像素子５６ａが発光素子１６の前に設けられている。発光素子１６及び結像素子５６ａを通った光はアパーチャ８２で集光され、アパーチャ８２を通った発散光を導光体８０に導き、第１の凹面鏡７７で反射された光が瞳２４に入射する。よって、アパーチャ８２において認識された画像と同様の画像を瞳２４において認識することができる。
【００７１】
図４５は図４３の表示装置の光学系の変形例を示す図である。図４５においては、反射型表示素子５５が使用される。他の構成は図４３の構成と同様である。
図４６は図４３の表示装置の光学系の変形例を示す図である。図３１の場合と同様に、図４６においては、表示素子は、発光素子１６とマイクロミラー６８とによって構成される。発光素子１６はレーザー等とすることができる。発光素子１６はマイクロミラー６８に向かって微小な光線を発射する。マイクロミラー６８はＭＥＭＳのような角度が可変できるデバイスであって、光線をスキャニングすることができる。このスキャニングに合わせて発光素子１６の光量を変調すれば、画像となる。図では１つのマイクロミラー６８が示されているが、単純なＭＥＭＳを２個用いてＸＹ方向にスキャニングさせてもよい。
【００７２】
図４３から図４６では、放物面形状の第１の凹面鏡７７が使用されているが、放物面形状の第１の凹面鏡７７の代わりに、図３２から図３４に示される楕円形状の凹面鏡７２を使用することもできる。
（付記）
以上の説明から把握される本発明の技術思想は以下の通りである。
【００７３】
１．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、発光素子と、該発光素子で照明される表示素子と、該表示素子を通った光を通過させる結像素子とからなり、該表示素子は該結像素子と該結像素子の第１の焦点との間で該第１の焦点に近い位置に配置され、よって該結像素子によって該表示素子の虚像が形成され、さらに、該発光素子から照射された光が該結像素子の第２の焦点で集光されるようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７４】
２．該発光素子と該表示素子との間に該表示素子に入射する光を平行光にする光学素子が配置されることを特徴とする付記１に記載の表示装置。
３．該表示素子は透過型の表示素子であり、該光学素子は該表示素子の一方の側に配置され、該結像素子は該表示素子の反対の側に配置されることを特徴とする付記２に記載の表示装置。
【００７５】
４．該表示素子は反射型の表示素子であり、該光学素子と該結像素子とは共通の素子からなることを特徴とする付記２に記載の表示装置。
５．表示素子と、結像素子と、該表示素子から発射されて該結像素子を通った光が通る第１の焦点及び第２の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第１の焦点の近傍に集光され、該第１の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、該第２及び第３の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第４の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７６】
６．該第１の凹面鏡及び該第２の凹面鏡は、導光体に設けられていることを特徴とする付記５に記載の表示装置。
７．該第１の焦点、該第２の焦点、該第３の焦点、及び該第４の焦点は一直線上にあることを特徴とする付記５に記載の表示装置。
８．該第１の焦点、該第２の焦点、該第３の焦点、及び該第４の焦点は一直線上にないことを特徴とする付記５に記載の表示装置。
【００７７】
９．該第２の凹面鏡は光透過性を有することを特徴とする付記５に記載の表示装置。
１０．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、発光素子と、該発光素子で照明される表示素子と、該表示素子を通った光を通過させる結像素子とからなり、該表示素子は該結像素子と該結像素子の第１の焦点との間で該第１の焦点に近い位置に配置され、よって該結像素子によって該表示素子の虚像が形成され、さらに、該発光素子から照射された光が該結像素子の第２の焦点で集光されるようにし、
該結像素子の第２の焦点と共通な第３の焦点及び第４の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第４の焦点と共通の位置に配置される第５の焦点及び第６の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第３の焦点の近傍に集光され、該第３の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第４及び第５の焦点に向かって進み、該第４及び第５の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第６の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第６の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７８】
１１．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子から発射された光を集光させる結像素子と、該結像素子を通った光が入射する入射面を有する導光体と、該導光体を通った光を受けるように該導光体に設けられる凹面鏡とからなり、該凹面鏡は第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円体の一部として形成され、該結像素子を通った光が該導光体の内部で複数回反射して光があたかも第２の焦点Ｐ２から該凹面鏡に入射するように該凹面鏡に入射し、該凹面鏡によって反射された光は第１の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７９】
１２．該導光体は一対の対向する平坦な表面と、該平坦な表面に対して傾斜した傾斜面とを有し、該結像素子を通った光は該傾斜面上で集光され、該一対の対向する平坦な表面によって反射されることを特徴とする付記１１に記載の表示装置。
１３．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子に照射する光あるいは該表示素子を通った光を略平行光にする光学素子と、該光学素子を通った光が入射する凹面鏡とからなり、該凹面鏡は回転放物面の一部として形成され、該凹面鏡によって反射された光は該回転放物面の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【００８０】
１４．該光学素子は回転放物面の一部として形成されたさらなる凹面鏡からなることを特徴とする付記１３に記載の表示装置。
１５．該凹面鏡及び該さらなる凹面鏡は導光体に設けられていることを特徴とする付記１４に記載の表示装置。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明によれば、小型で低価格な表示装置として、ヘッドマウント式又は眼鏡型の表示装置、あるいはこれに類するあらゆる小型又は超小型の、例えば携帯型のような、表示装置（ディスプレイ）として利用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１６ 発光素子
１８ 表示素子
２０ 結像素子
２２ 光学素子
２４ 瞳
２８ 虚像
３２ ハーフミラー
３４ 偏光ビームスプリッタ
４０ 導光板
４３、４４ 目位置センサ
５１、５２ 楕円体
５３、５４ 凹面鏡
５５ 表示素子
５６ 結像素子
５８ 導光体
７１ 導光体
７２ 凹面鏡
７３ 回転楕円体
７４ 反射膜
７６、７８ 回転放物面
７７、７９ 凹面鏡
８０ 導光体
８１ レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶表示素子等の表示素子の画像を観察者の目の直ぐ前で見るヘッドマウントディスプレイ又は眼鏡型ディスプレイと呼ばれる表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの表示装置は、例えば、特開平５−１３４２０８号公報（特許文献１）、同５−２１００６９号公報、同５−３２８２６１号公報、同７−４６５１３号公報、同９−１８９８８０号公報、同１１−６４７８１号公報、及び特許第２９１０１１１号等に開示されている。さらに、導光体を含む表示装置は、特開平２−２９７５１６号公報、同５−３０４６４５号公報、及び同９−７３０４３号公報に開示されている。
【０００３】
このタイプの表示装置は、液晶パネル等の表示素子と、表示素子で形成された画像を拡大するための凸レンズや凹面鏡等の結像素子とからなる。添付図面の図１４は従来の眼鏡型ディスプレイの光学系を示す図である。図１４において、１は表示素子、２は結像素子、３は結像素子２で拡大された表示素子１の虚像、４は観察者の瞳である。拡散光が表示素子１に照射され、表示素子１を通った光は結像素子２を通って観察者の瞳４に入射する。従って、観察者は結像素子２で拡大された表示素子１の虚像３を見ることができる。表示素子の入射光源側には散乱光生成のための拡散面１ａが配置される。
【０００４】
この場合、光源として蛍光管が用いられる。しかし、蛍光管は大きくかつ重いので、観察者の目の直ぐ前方に配置される眼鏡型ディスプレイに蛍光管を用いることは難しい。
図１５は実質的な点光源である発光素子６を用いた例を示す。発光素子６は発散性の光を出射し、表示素子１を通った発散性の光は、結像素子２を通って収束性の光となって観察者の瞳４に入射する。この場合、発散性の光が表示素子１に照射されるので、結像素子２は表示素子１に近い位置に配置される必要がある。しかし、結像素子２は表示素子１に近い位置に配置されるため、収差が大きくなって画像の品質が低下する。このために、図１６に示されるように、表示の品質を向上するために複数の結像素子２、２ａを設けることが必要になる。そのため、表示装置全体が大型化し、重くなるという問題点がある。
【０００５】
また、上記特開平５−１３４２０８号公報では、表示装置の小型化を実現するために、２焦点を有する楕円体を利用することを提案している。すなわち、図１７に示されるように、楕円体７の一部を利用して凹面鏡８を形成し、表示素子１と偏心レンズ群２ｘを通った光が楕円体７の第１の焦点Ｐ１を通り、凹面鏡８で反射した光が第２の焦点Ｐ２を通り、第２の焦点Ｐ２に観察者の瞳４を配置させるようになっている。こうすれば、第１の焦点を通った光は凹面鏡８で反射して確実に第２の焦点を通り、瞳４に入射する。
【０００６】
しかし、図１７に示す表示装置では、観察者が表示装置を装着したときに、表示素子１及び偏心レンズ群２ｘが観察者の瞳４の横に位置し、観察者の側頭部（耳の近くの部分）と干渉する可能性がある。このために、表示装置は表示素子１及び偏心レンズ群２ｘが観察者の側頭部と干渉しないように構成される必要があり、表示装置を十分に小さくすることができない。
【０００７】
また、楕円体７の２焦点を利用する構成は、表示画面が歪みやすい。つまり、第１の焦点Ｐ１から発散する光の角度が、第２の焦点Ｐ２で集光される光の角度とは同じにならない。従って、瞳４に入射する光の角度が表示素子１を通った光の角度となるようにするために、表示素子１の近傍に偏心レンズ群２ｘとして複雑な複数の偏心レンズを配置しなければならない。このため、表示装置を十分に小型化できないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−１３４２０８号公報
【特許文献２】特開平５−２１００６９号公報
【特許文献３】特開平５−３２８２６１号公報
【特許文献４】特開平７−４６５１３号公報
【特許文献５】特開平９−１８９８８０号公報
【特許文献６】特開平１１−６４７８１号公報
【特許文献７】特許第２９１０１１１号
【特許文献８】特開平２−２９７５１６号公報
【特許文献９】特開平５−３０４６４５号公報
【特許文献１０】特開平９−７３０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題点を解決するためになされたもので、小型化可能な、画像を観察者の目の直ぐ前方で見る表示装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、画像を観察者の目の直ぐ前で見ることができ、かつ、観察者の側頭部と干渉しないように構成されることのできる表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による表示装置は、表示素子と、結像素子と、該表示装置から発射されて該結像素子を通った光が通る第１の焦点及び第２の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第１の焦点の近傍に集光され、該第１の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、該第２及び第３の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が第４の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第２の焦点と第３の焦点とが共通の位置に配置された第１の楕円体及び第２の楕円体を用いて第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡を形成することにより、より好ましくは第１の楕円体及び第２の楕円体を等価の回転楕円体とすることにより、光学系の対称性を向上させることができる。よって、従来のように複雑な複数の偏心レンズを用いる必要がなくなり、装置全体を小型、軽量なものとすることができる。
【００１２】
さらに、本発明は上記２つの特徴を組み合せてなる表示装置を提供する。
さらに、本発明による表示装置は、観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子から発射された光を集光させる結像素子と、該結像素子を通った光が入射する入射面を有する導光体と、該導光体を通った光を受けるように該導光体に設けられる凹面鏡とからなり、該凹面鏡は第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円体の一部として形成され、該結像素子を通った光が該導光体の内部で複数回反射して光があたかも第２の焦点Ｐ２から該凹面鏡に入射するように該凹面鏡に入射し、該凹面鏡によって反射された光は第１の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
この構成によれば、小型で、簡単な構成の表示装置を得ることができる。この場合、導光体は一対の対向する平坦な表面と、該平坦な表面に対して傾斜した傾斜面とを有し、該結像素子を通った光は該傾斜面上で集光され、該一対の対向する平坦な表面によって反射される、ようにするのが好ましい。また、該入射面は該傾斜面であり、あるいは該入射面は該平坦な表面の一部であって該入射面から入射した光が該傾斜面で反射される、ようにするのが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明による表示装置は、観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子に照射する光あるいは該表示素子を通った光を略平行光にする光学素子と、該光学素子を通った光が入射する凹面鏡とからなり、該凹面鏡は回転放物面の一部として形成され、該凹面鏡によって反射された光は該回転放物面の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
この構成によれば、小型で、簡単な構成の表示装置を得ることができる。この場合、光学素子は回転放物面の一部として形成されたさらなる凹面鏡からなる、ようにするのが好ましい。また、該凹面鏡及び該さらなる凹面鏡は導光体に設けられている、ようにするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、小型で、低価格で製造することができる表示装置を得ることができる。また、本発明によれば、頭部に装着可能な、超小型の表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図３の表示装置の光学系の第１実施例を示す図である。
【図２】図１の光学系の変形例を示す図である。
【図３】本発明に係わる観察者の目の直ぐ前で見る表示装置を示す斜視図である。
【図４】図１及び図２の光学系の作用を説明する図である。
【図５】図１の光学系の変形例を示す図である。
【図６】図５の光学系の変形例を示す図である。
【図７】図６の光学系の変形例を示す図である。
【図８】図７の光学系の変形例を示す図である。
【図９】図５の光学系の変形例を示す図である。
【図１０】シースルーの機能をもった表示装置に適用される光学系を示す図である。
【図１１】図１０の光学系の変形例を示す図である。
【図１２】発光素子の発光点の位置を調節する機能を備えた光学系の例を示す図である。
【図１３】他の状態にある図１２の光学系を示す図である。
【図１４】従来の眼鏡型ディスプレイの光学系を示す図である。
【図１５】他の従来例を示す図である。
【図１６】他の従来例を示す図である。
【図１７】楕円体に基づいて形成された光学系を有する他の従来例を示す図である。
【図１８】図３の表示装置の光学系の第２実施例を示す図である。
【図１９】図１８の光学系の変形例を示す図である。
【図２０】図１９の導光体を示す図である。
【図２１】図１９の導光体の変形例を示す図である。
【図２２】図１９の導光体の変形例を示す図である。
【図２３】図１８から図２３までを参照して説明した表示装置の第１の楕円体及び第２の楕円体を示す図である。
【図２４】３次元的に配置された第１の楕円体及び第２の楕円体を示す図である。
【図２５】図２４の光学系を含む表示装置を示す図である。
【図２６】シールスルー機能を付加した光学系の例を示す図である。
【図２７】図２６の光学系の変形例を示す図である。
【図２８】図２６の光学系の変形例を示す図である。
【図２９】本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
【図３０】本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
【図３１】本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
【図３２】図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。
【図３３】図３２の光学系の変形例を示す図である。
【図３４】図３３の導光体の一部を示す拡大図である。
【図３５】図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。
【図３６】図３５の第１及び第２の反射鏡の配置の例を示す図である。
【図３７】図３５の第１及び第２の反射鏡の配置の例を示す図である。
【図３８】図３５の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図３９】図３８の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４０】図３８の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４１】図３９の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４２】図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４３】図４０の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４４】図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４５】図４３の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【図４６】図４４の表示装置の光学系の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図３は本発明に係わる観察者の目の直ぐ前方で見るヘッドマウントディスプレイ又は眼鏡型ディスプレイと呼ばれる表示装置１０を示している。この表示装置１０は観察者１２の顔に装着される眼鏡タイプの表示装置である。表示装置１０は、表示装置１０を観察者１２の顔に装着するための眼鏡状の本体構造と、本体構造に組み込まれた光学系とを有する。例においては、表示装置の本体構造は、眼鏡又はゴーグルとして示されている。しかし、本発明は眼鏡又はゴーグル状の本体構造をもった表示装置に限定されるものではない。表示装置の本体構造は、例えば、頭を取り巻くベルトや、ヘルメット、カチャーシャのような構造や、耳掛けタイプのもの，眼鏡へクリップで装着するもの等種々のものを採用することができる。
【００１９】
図１は、図３の表示装置１０の光学系１４の第１実施例を示す図である。光学系１４は、発光素子１６と、発光素子１６で照明される透過型表示素子１８と、表示素子１８を通った光を通過させる結像素子２０とからなる。さらに、光学素子２２が発光素子１６と表示素子１８との間に配置される。２４は観察者１２の瞳である。
【００２０】
発光素子１６は実質的な点光源であり、マスク２６の微小な開口部に配置される。表示素子１８は電気信号に応じて画像を形成するあらゆるタイプの表示器を使用することができる。結像素子２０及び光学素子２２はともに凸レンズで構成される。発光素子１６は光学素子２２の焦点の位置に配置され、よって発光素子１６から出射される発散光は平行光として表示素子１８に入射する。
【００２１】
結像素子２０は、結像素子２０の一方の側に第１の焦点２０ａを有し、結像素子２０の他方の側に第２の焦点２０ｂを有する。Ｆは結像素子２０の焦点距離である。表示素子１８は結像素子２０と結像素子２０の第１の焦点２０ａとの間で第１の焦点２０ａに近い位置に配置される。よって、結像素子２０によって表示素子１８の虚像が形成される。さらに、発光素子１６から照射された光が結像素子２０の第２の焦点２０ｂで集光されるようになっている。つまり、発光素子１６の像が結像素子２０の第２の焦点２０ｂに形成される。
【００２２】
表示装置１０は、表示装置１０を観察者１２の顔に装着したときに、結像素子２０の第２の焦点２０ｂが瞳２４に位置するようになっている。このため、集光性の光が観察者１２の瞳２４において最も絞られる。
図２は図１の光学系１４の変形例を示す図である。図２の光学系１４は図１の光学系１４と同様の部材を含み、図２の光学系１４の作用は図１の光学系１４の作用とほぼ同様である。図２では、発光素子１６は点光源である発光ダイオードからなり、表示素子１８は偏光子１８ａ、１８ｂで挟まれた液晶パネルからなる。光学素子２２は結像素子２０の第１の焦点２０ａよりも表示素子１８の近くに配置されている。従って、図２の光学系１４は図１の光学系１４よりも短くすることができる。
【００２３】
図４は図１及び図２の光学系１４の作用を説明する図である。上記したように、平行光が表示素子１８に入射し、そして、表示素子１８は結像素子２０と結像素子２０の第１の焦点２０ａとの間で第１の焦点２０ａに近い位置に配置される。表示素子１８は結像素子２０と結像素子２０の第１の焦点２０ａとの間に配置されるので、結像素子２０によって表示素子１８の虚像２８が形成される。そして、表示素子１８は虚像２８ができる条件内で結像素子２０の第１の焦点２０ａに近い位置に配置される。つまり、表示素子１８は結像素子２０から離して配置され、解像度の低下によって画像の品質が低下しないようになっている。好ましくは、表示素子１８は結像素子２０から結像素子２０の焦点距離の半分以上離れた位置に配置される。実施例においては、結像素子２０の焦点距離は２２ｍｍであり、表示素子１８は結像素子２０から１２ｍｍの位置に配置される。
【００２４】
発光素子１６の像が結像素子２０の第２の焦点２０ｂに形成され、表示装置１０を観察者１２の顔に装着したときに、結像素子２０の第２の焦点２０ｂが瞳２４に位置するようになっている。このため、集光性の光が観察者１２の瞳２４において最も絞られ、あたかも観察者１２は壁３０に設けられたピンホールを通して表示を見るようになる。
【００２５】
人間の目をカメラとしてとらえると、瞳２４上にピンホールがあれば、ピンホールカメラと同様の原理で近くの像もよく見ることができる。本発明では、物理的にピンホールを形成する代わりに、光学的にバーチャルピンホールを形成している。結像素子２０の第１の焦点２０ａの近傍に表示素子１８を配置することで、観察者１２は表示素子１８の虚像２８をピンホールカメラと同じようによく見ることができる。通常は観察者の目の近くにある虚像は見えにくいが、ピンホールカメラの原理を応用することにより、長焦点深度となり、目から虚像までの距離がそれほど離れていなくても虚像を見ることができる。一方、図１４を参照して説明したように、光が絞られないである幅をもって瞳に入射した場合には、目から虚像までの距離がそれほど離れていないと虚像をよく見ることができないので、通常は、瞳からより離れた位置により大きな虚像が形成されるように光学系を構成する。本発明は上記したように構成することにより、光学系をより小型化し、低価格で製造することができる。
【００２６】
図５は図１の光学系１４の変形例を示す図である。図５の光学系１４は図１の光学系１４と同様の部材を含み、図５の光学系１４の作用は図１の光学系１４の作用とほぼ同様である。図５では、表示素子１８は反射型の表示素子からなり、一部の光を透過させ且つ残りの一部の光を反射させる光分離手段としてのハーフミラー３２が発光素子１６と表示素子１８との間に配置される。発光素子１６から発射された発散性の光の一部はハーフミラー３２で反射されて結像素子２０を通り、表示素子１８を照射する。表示素子１８で反射された光は結像素子２０及びハーフミラー３２を透過して観察者１２の瞳２４に向かう。
【００２７】
光が発光素子１６からハーフミラー３２を通って表示素子１８へ向かうときには、発散光が結像素子２０によって平行光に変換されるので、この結像素子２０は図１の光学素子２２の機能を含む。つまり、光学素子２２と結像素子２０とは共通の素子からなる。そして、光がハーフミラー３２から瞳２４へ向かうときには、発光素子１６の像が結像素子２０の第２の焦点２０ｂに形成される。
【００２８】
図６は図５の光学系１４の変形例を示す図である。図６の光学系１４は図５の光学系１４と同様の部材を含み、図６の光学系１４の作用は図５の光学系１４の作用とほぼ同様である。図６では、表示素子１８は液晶パネルとして形成され、表示素子１８の入射側及び出射側に偏光子１８ａ、１８ｂが配置される。偏光子１８ａは発光素子１６とハーフミラー３２との間に配置され、偏光子１８ｂはハーフミラー３２と瞳２４との間に配置される。
【００２９】
図７は図６の光学系１４の変形例を示す図である。図７の光学系１４は図６の光学系１４と同様の部材を含み、図７の光学系１４の作用は図６の光学系１４の作用とほぼ同様である。図７では、偏光子１８ａは発光素子１６とハーフミラー３２との間に配置され、偏光子１８ｂはハーフミラー３２に接着されている。
図８は図６の光学系１４の変形例を示す図である。図８の光学系１４は図６の光学系１４と同様の部材を含み、図８の光学系１４の作用は図６の光学系１４の作用とほぼ同様である。図８では、偏光子１８ａが表示素子１８の光入射面側に配置されている。この例は、強誘電液晶のように反射型液晶パネルと１枚の偏光子で表示可能な表示素子１８の場合に適用できる。
【００３０】
図９は図５の光学系１４の変形例を示す図である。図９の光学系１４は図５の光学系１４と同様の部材を含み、図９の光学系１４の作用は図５の光学系１４の作用とほぼ同様である。図９では、図５のハーフミラー３２の代わりに偏光ビームスプリッタ３４が配置されている。偏光ビームスプリッタ３４は一方の偏光を透過させ且つもう一方の偏光を反射させる光分離手段として作用する。偏光ビームスプリッタ３４を使用すれば、図６から図８の偏光子１８ａ、１８ｂを省略することができ、光量のロスを低減することができる。なお、偏光ビームスプリッタ３４の代わりに、特定偏光を反射するフィルム（例えば、３Ｍ社製のＤＢＥＦ、ＨＭＦ）を用いることもできる。
【００３１】
図１０はシースルーの機能をもった表示装置に適用される光学系１４を示す図である。発光素子１６からの光を直接に結像素子２０と表示素子１８に入射させ、表示素子１８で反射した光をハーフミラー３６で反射させて観察者１２の瞳２４に入射させている。外部光３８がハーフミラー３６を透過して観察者１２の瞳２４に入射する。従って、観察者１２は表示画像とともに、ハーフミラー３６を介して外部（例えばコンピュータのキーボード）を見ることができる。１つの偏光子１８ａが表示素子１８の前に配置されているが、必要に応じて、偏光子を発光素子の近傍及びハーフミラー３６の近傍に配置することができる。なお、外部環境の光が眩しいときには、調光用のパネル（液晶パネル等）をハーフミラー３６の外側に配置することもできる。このようにして、外部からの光と表示素子１８からの光を合わせるコンバイナを構成することができる。
【００３２】
図１１は図１０の光学系の変形例を示す図である。この例では、光学系は透明なプラスチックからなる導光板４０を含み、導光板４０の途中に偏光ビームスプリッタ３４を形成している。発光素子１６は導光板４０の一端部に配置され、導光板４０の他端部は直角に曲げられてプリズム４０ａを形成している。発光素子１６から発射された光は導光板４０及び偏光ビームスプリッタ３４を通り、プリズム４０ａで反射し、結像素子２０を通り、表示素子１８で反射して、逆の経路を通り、偏光ビームスプリッタ３４で反射して観察者１２の瞳２４に入射する。外部光３８が偏光ビームスプリッタ３４を透過して観察者１２の瞳２４に入射する。従って、観察者１２は表示画像とともに、偏光ビームスプリッタ３４を介して外部を見ることができる。導光板４０は薄いので、目の前に容易に配置でき、あるいは眼鏡への後付けが容易な構成である。
【００３３】
本発明の表示装置では、光が一点に結像されるために見る位置が制限される（視域が狭い）。そこで、本発明の表示装置を眼鏡等に取りつけた場合、発光素子１６の発光点の位置を調節し、発光素子１６の像を適切な位置（観察者の瞳の位置）に結像させるようにするのが好ましい。
図１２及び図１３は発光素子１６の発光点の位置を調節する機能を備えた光学系の例を示す図である。図１２はある状態にある光学系を示し、図１３は他の状態にある図１２の光学系を示す。光学系は透明なプラスチックからなる導光板４２を含み、導光板４２の途中に偏光ビームスプリッタ３４を形成している。発光素子１６は導光板４２の一端部に配置され、結像素子２０及び表示素子１８は導光板４２の他端部に配置される。
【００３４】
目位置センサ４３、４４が導光板４２に配置されており、観察者１２の瞳２４を位置を検出できるようになっている。発光素子１６はＬＥＤアレイとして形成され、複数のＬＥＤ１６ａ、１６ｂ、１６ｃを含む。ＬＥＤ１６ａ、１６ｂ、１６ｃの配置のピッチは瞳２４の大きさ以下になっている。目位置センサ４３、４４が検出した瞳２４を位置に応じて、使用するＬＥＤ１６ａ、１６ｂ、１６ｃを選択するようになっている。
【００３５】
図１２では、中央のＬＥＤ１６ｂが選択され、このＬＥＤ１６ｂから発射された光は導光板４２及び偏光ビームスプリッタ３４を通り、結像素子２０を通り、表示素子１８で反射して、逆の経路を通り、偏光ビームスプリッタ３４で反射して観察者１２の瞳２４に入射する。
図１３では、点線で示された瞳２４が実線で示された瞳２４の位置に移動している。そこで、左のＬＥＤ１６ａが選択され、このＬＥＤ１６ａから発射された光は導光板４２及び偏光ビームスプリッタ３４を通り、結像素子２０を通り、表示素子１８で反射して、逆の経路を通り、偏光ビームスプリッタ３４で反射して観察者１２の瞳２４に入射する。このようにして、光が一点に結像されるタイプの表示装置でも、視域を広くすることができる。なお、発光素子１６は１次元のＬＥＤアレイとして形成されているが、２次元のＬＥＤアレイとして形成されることもできる。
【００３６】
なお、表示素子１８のＲＧＢ画素中の１つの色画像を表示し、表示画像に応じた色を発光素子１６で発光し、順番に色を変える時分割カラーを実現することもできる。
図１８は図３の表示装置の光学系の第２実施例を示す図である。この例の光学系１４は２つの等価な楕円体５１、５２に基づいて形成されている。第１の楕円体５１は第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を有し、第２の楕円体５２は第３の焦点Ｐ３及び第４の焦点Ｐ４を有する。第２の焦点Ｐ２と第３の焦点Ｐ３とは共通の位置に配置されている。第１の凹面鏡５３が第１の楕円体５１の一部に配置され、第２の凹面鏡５４が第２の楕円体５２の一部に配置されている。
【００３７】
より詳細には、この表示装置の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、表示素子５５から発射されて結像素子５６を通った光が通る第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を有する第１の楕円体５１の一部として形成された第１の凹面鏡５３と、第２の焦点Ｐ２と共通の位置に配置される第３の焦点Ｐ３及び第４の焦点Ｐ４を有する第２の楕円体５２の一部として形成された第２の凹面鏡５４とを備える。
【００３８】
表示素子５５から発射された光が第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、第１の焦点Ｐ１を通った発散光が第１の凹面鏡５３によって反射されて共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３に向かって進みその焦点に又はその近傍に集光され、第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通った発散光が第２の凹面鏡５４によって反射されて第４の焦点Ｐ４の近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）が第４の焦点Ｐ４の近傍に配置されるようになっている。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００３９】
表示素子５５は、光源を備えた透過型又は反射型の液晶表示パネル、微小な光線をスキャニングによって画像を形成することができる小型ミラーの表示素子、または自発光型のＥＬ表示素子とすることができる。表示素子５５とは別に光源を設けることもできる。
このように、第２の焦点Ｐ２と第３の焦点Ｐ３とが共通の位置に配置された第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を用いて第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４を形成することにより、より好ましくは第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を等価の回転楕円体とすることにより、光学系の対称性を向上させることができる。よって、従来のように複雑な複数の偏心レンズを用いる必要がなくなり、装置全体を小型、軽量なものとすることができる。
【００４０】
結像素子５６は単純な凸レンズでよいので、ベースとなる第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を小さなものとすることができる。従って、表示装置は小型化される。特に、表示装置を観察者の顔又は頭に装着する場合、顔面上にはできるだけ物がない方がよく、また、表示素子５５と観察者の目との間の距離がある程度離れていることが必要であるので、表示素子５５は顔面から離れた所（例えば側頭部）に配置されるのが望ましい。そこで、表示装置は観察者の顔面と平行な方向に長くなるように構成されるのが好ましい。第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を用いた本発明では、この要求を満足すべく、表示装置は観察者の顔面と平行に長くなるように適切に構成されるが、観察者の顔面と垂直な方向の厚さは大きくならない。
【００４１】
図１８においては、第１の焦点Ｐ１、第２の焦点Ｐ２、第３の焦点Ｐ３、及び第４の焦点Ｐ４は、一直線上に配置されており、第１の凹面鏡５３は光学系１４の上記焦点を通る線に対して第２の凹面鏡５４の反対側に配置されている。
図１９及び図２０は図１８の光学系１４の変形例を示す図である。図１９においては、第１の焦点Ｐ１、第２の焦点Ｐ２、第３の焦点Ｐ３、及び第４の焦点Ｐ４（又は導光体内の反射を展開した第１から第４の焦点Ｐ１〜Ｐ４に対応する焦点）は、一直線上に配置されており、第１の凹面鏡５３は光学系１４の上記焦点を通る線に対して第２の凹面鏡５４の同じ側に配置されている。そして、導光体５８が第１の凹面鏡５３と第２の凹面鏡５４との間に設けられている。
【００４２】
導光体５８は第１から第４の焦点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、焦点Ｐ４を通る線と平行に延びる細長い透明なガラス又はプラスチックの部材であり、互いに平行な平面５８ａ、５８ｂを有する。第１の凹面鏡５３は導光体５８の一端に配置され、第２の凹面鏡５４は導光体５８の他端に配置される。この場合には、光は第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通らないで、導光体５８の内部を進むが、その光の進行は第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通った場合と同様である。
【００４３】
すなわち、表示素子５５から出射された光が第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、第１の焦点Ｐ１から発散した光が第１の凹面鏡５３によって反射されて共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３に向かって進む。光は導光体５８の表面（平面５８ａ、５８ｂ）において数回反射を繰り返す。従って、第１の凹面鏡５３から共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３に向かって進んだ光は実際には共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通らないが、導光体５８の内部において共通の第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３と同等の仮想の焦点において集光され、仮想の焦点を通った発散光が第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３を通った光と同等の光として第２の凹面鏡５４によって反射されて第４の焦点Ｐ４の近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）が第４の焦点Ｐ４の近傍に配置されるようになっている。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００４４】
図１９の導光体５８は互いに平行な平面５８ａ、５８ｂを有するものに限定されない。例えば、第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を互いに異なる形状にしたり、垂直以外の角度で目に入射するように設計した場合には、この限りではない。また、導光体５８は全反射の条件を満たす場合には、反射膜を付加する必要はない。
【００４５】
図２０では、第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４は導光体５８の同じ側に配置され、光は矢印ＬI の方向に導光体５８に入射し、導光体５８内で奇数回反射して、矢印ＬO の方向に導光体５８から出射する。
図２１は導光体５８の変形例を示す図である。この導光体５８では、第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４は導光体５８の反対側に配置され、光は矢印ＬI の方向に導光体５８に入射し、導光体５８内で偶数回反射して、矢印ＬO の方向に導光体５８から出射する。
【００４６】
図２２は導光体５８の変形例を示す図である。この導光体５８は、屈曲部を有し、観察者の顔及び頭の半分に適合した形状に形成されている。屈曲部には反射膜６０が設けられているが、全反射条件を満たす場合には反射膜６０を付加しなくてもよい。こうすれば、表示素子５５の配置の自由度が高くなる。
図２３は図１８から図２３までを参照して説明した表示装置の第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を示す図である。図２３においては、第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２は例えばＸ−Ｙ平面内に配置されている。
【００４７】
図２４は図２３の光学系の変形例を示し、３次元的に配置された第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２を示す図である。図２４においては、第１の楕円体５１はＸ−Ｙ平面内に配置され、第２の楕円体５２はＸ−Ｙ平面に対して傾斜した平面内に配置されている。第１の凹面鏡５３及び第２の凹面鏡５４は図２３及び図２４に示されていない。第１及び第４の焦点Ｐ１、Ｐ４は矢印で示され、第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３は図２３及び図２４の座標の原点に相当する。第２及び第３の焦点Ｐ２、Ｐ３は共通であるので、上記した光の進行の原理はこの場合にも同様に適用される。
【００４８】
図２５は図２４の光学系を含む表示装置を示す図である。表示装置の本体構造は略して眼鏡１０ａとして示されている。光学系は表示素子５５と導光体５８とを含む。光学系の他の部材は省略されている。図２５の導光体５８は、図２２の導光体５８を図２４の第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２の構成に従って変形したものである。図２２においては、導光体５８は屈曲し、第２の凹面鏡５４は目の前にあり、第１の凹面鏡５３及び表示素子５５は例えば耳の横にあり、表示素子５５は第１の凹面鏡５３の外側にある。
【００４９】
図２５の導光体５８は図２２の導光体５８と同様に屈曲し、第２の凹面鏡５４は目の前にあり、第１の凹面鏡５３及び表示素子５５は例えば耳の横にある。この場合、図２４の第１の楕円体５１及び第２の楕円体５２の構成に従って、表示素子５５は第１の凹面鏡５３の下側に位置するようになる。６１Ａは回路部であり、６１Ｂはケーブルである。
【００５０】
図２６から図２８はシールスルー機能を付加した光学系の例を示す図である。図２６において、第２の凹面鏡５４は半透過性を有する反射鏡である。第２の凹面鏡５４は、多層誘電体膜や、クロム、アルミニウムや、銀、チタン等の膜で形成することができる。透過率は膜の材料や厚さ等の設計で任意に選択できる。シールスルー機能を有するためには、背景光６２が第２の凹面鏡５４を透過でき、しかし屈折が小さくて背景像の歪みが小さいようにするのがよい。そのためには、背景光６２の入射面と出射面とが平行であることが必要であり、導光体５８に補正板６４を付加するのが好ましい。
【００５１】
図２７においては、第２の凹面鏡５４をホログラムを用いて形成している。この場合、第２の凹面鏡５４の形状は平坦であるが、第２の凹面鏡５４をホログラムとして形成しているので、上記したように第２の楕円体５２の一部と同様な反射を実現することができ、且つ透過率を制御することができる。第２の凹面鏡５４の形状は平坦であるので、補正板６４の形状も簡単になる。
【００５２】
図２８においては、ホログラムを用いて形成した第２の凹面鏡５４を導光体５８の平坦面に配置している。こうすれば、補正板６４を付加する必要がない。
図２９から図３１は本発明の光学系のさらなる変形例を示す図である。
図２９においては、図１に示される第１の光学系と図２２に示される第２の光学系とを組み合わせた光学系を示す。すなわち、第１の光学系は、発光素子１６と、光学素子２２と、透過型表示素子１８と、結像素子２０とからなる。アパーチャ６６が結像素子２０の第２の焦点の位置に配置される。第２の光学系は、第１の凹面鏡５３と、第２の凹面鏡５４と、導光体５８とからなる。図１８において、表示素子５５の発散光を第１の焦点Ｐ１を通って第１の凹面鏡５３に向かって照射したのと同様に、アパーチャ６６を通った発散光を第１の凹面鏡５３に向かって照射する。アパーチャ６６は第２の光学系の第１の焦点Ｐ１に位置する。これによって、アパーチャ６６において認識された画像と同様の画像を瞳２４において認識することができる。
【００５３】
図３０においては、反射型表示素子１８が使用される。他の構成は図２９の構成と同様である。
図３１においては、表示素子は、発光素子１６とマイクロミラー６８とによって構成される。発光素子１６はレーザー等とすることができる。発光素子１６はマイクロミラー６８に向かって微小な光線を発射する。マイクロミラー６８はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）のような角度が可変できるデバイスであって、光線をスキャニングすることができる。このスキャニングに合わせて発光素子１６の光量を変調すれば、画像となる。マイクロミラー６８は液晶パネルと比べて非常に小さく、小型の表示素子を実現できる。図では１つのマイクロミラー６８が示されているが、単純なＭＥＭＳを２個用いてＸＹ方向にスキャニングさせてもよい。
【００５４】
図３２は図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。この例の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、導光体７１と、凹面鏡７２とからなる。導光体７１はガラスや樹脂などの光透過物質で作られ、互いに平行で平坦な表面７１ａ、７１ｂ、及び平坦な光入射面７１ｃを有する。凹面鏡７２は導光体７１の光入射面７１ｃとは反対側の端部に設けられている。凹面鏡７２は第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を有する回転楕円体７３の一部に基づいて形成されている。導光体７１の表面７１ａ、７１ｂは凹面鏡７２の第１の焦点Ｐ１及び第２の焦点Ｐ２を通る線と平行である。
【００５５】
表示素子５５から発射され、結像素子５６を通った光が導光体７１の光入射面７１ｃに入射し、光入射面７１ｃ上の仮想の焦点Ｐ２′に又はその近傍に集光されるようになっている。仮想の焦点Ｐ２′を通った発散光は導光体７１の表面７１ａ、７１ｂにおいて数回反射（全反射）を繰り返し、光があたかも第２の焦点Ｐ２から凹面鏡７２に入射するように凹面鏡７２に入射する。凹面鏡７２によって反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。仮想の焦点Ｐ２′を透過しない光はノイズ光となることがあるので、仮想の焦点Ｐ２′の位置にアパーチャを配置するのが望ましい。
【００５６】
このように、導光体７１を観察者の顔に対して横方向に配置することによって、表示素子５５及び結像素子５６が観察者の側頭部（耳の近くの部分）と干渉するすることがないように表示装置を構成することができる。
光入射面７１ｃは、表示素子５５から発射され、結像素子５６を通った光が光入射面７１ｃに垂直に入射するように、平坦な表面７１ａ、７１ｂに対する傾きで形成されるのが望ましい。しかし、楕円形の凹面鏡７２での光の反射は光軸の両側において反射角度が変わるため、瞳２４に入射する画像にひずみが生じることがある。光入射面７１ｃの角度を調整すること、または、ひずみ補正レンズを表示素子５５と光入射面７１ｃとの間に挿入することによって、画像のひずみを緩和することが可能になる。また、小型で軽量の表示装置を実現することができる。
【００５７】
図３３は図３２の光学系１４の変形例を示す図である。図３４は図３３の導光体の一部を示す拡大図である。図３２では表示素子５５及び結像素子５６は観察者の顔とは遠い側に配置されていた。これに対して、図３３及び図３４の例では表示素子５５及び結像素子５６は観察者の顔に近い側に配置されている。こうすれば、表示素子５５や結像素子５６は観察者の側頭部（耳付近）に容易に配置されることができる。
【００５８】
このため、導光体７１の光入射面７１ｃは表面７１ａの一部として形成され、図３２において光入射面７１ｃであった傾斜面７１ｄには反射膜７４が配置される。反射膜７４の代わりに全反射面としてもよい。従って、表示素子５５及び結像素子５６を通った光は光入射面７１ｃから導光体７１の内部に入り、反射膜７４の反射面で反射して、反射膜７４上の仮想の焦点Ｐ２′に又はその近傍に集光されるようになっている。前述したのと同様に、仮想の焦点Ｐ２′を通った発散光は導光体７１の表面７１ａ、７１ｂにおいて数回反射（全反射）を繰り返し、凹面鏡７２に入射し且つ反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００５９】
仮想の焦点Ｐ２′は集光点であるので、反射膜７４は小さくてよい。反射膜７４は導光体７１の傾斜面７１ｄの一部にのみアルニウムや銀等の金属又は酸化物の多層膜等の反射膜材料を蒸着して形成し、傾斜面７１ｄの他の部分は入射光を透過させるようにする。こうすれば、図３２の例で述べたアパーチャの機能が付与され、仮想の焦点Ｐ２′を透過しない光がノイズ光となるのを抑制することができる。また、傾斜面７１ｄの非反射部分には光吸収層を設けてもよく、例えば反射膜７４を形成した後に酸化クロムや黒色インク等の黒色の物質を傾斜面７１ｄ全体に塗布してもよい。
【００６０】
図３５は図３の表示装置の光学系のさらなる実施例を示す図である。この例の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、第１の焦点Ｐ１を有する第１の回転放物面７６の一部に基づいて形成された第１の凹面鏡７７と、第２の焦点Ｐ２を有する第２の回転放物面７８の一部に基づいて形成された第２の凹面鏡７９とからなる。
【００６１】
表示素子５５から出射され、結像素子５６を通った光が第２の回転放物面７８の第２の焦点Ｐ２に又はその近傍に集光され、第２の焦点Ｐ２を通った発散光は第２の凹面鏡７９で反射されて平行光となる。平行光は第１の凹面鏡７７へ入射し、第１の凹面鏡７７によって反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００６２】
このように、平行光を第１の凹面鏡７７へ入射させることによって、小型で軽量の表示装置を実現することができる。平行光をつくり出す手段として、第２の凹面鏡７９を利用している。好ましくは、第１の回転放物面７６と第２の回転放物面７８とは焦点距離が同じで、中心軸を一致して配置される。このようにすれば、対称性が高く、ひずみのない画像を形成することができる。第２の焦点Ｐ２を通過しない光はノイズ光となるので、第２の焦点Ｐ２にアパーチャを配置し、ノイズ光を抑制することができる。
【００６３】
第１及び第２の反射鏡７７、７９は適切なホルダに取付けられ、第１の反射鏡７７と第２の反射鏡７９との間は空間となっていて、平行光は空間を進む。
図３６及び図３７は第１及び第２の反射鏡７７、７９の配置の例を示す図である。図３６においては、第１及び第２の反射鏡７７、７９は柱状のガラス又はアクリル樹脂等のプラスチックからなる導光体８０の両端に配置されている。光は導光体８０の内部を平行光として伝播する。導光体８０は型を使用した成型により作り、第１及び第２の反射鏡７７、７９は導光体８０の両端にアルミニウムを蒸着する。
【００６４】
図３７においては、第１及び第２の反射鏡７７、７９は中空筒状の導光体８０ａの両端に配置されている（第１の反射鏡７７は示されていない）。光は導光体８０ａの内部の空洞内を平行光として伝播する。導光体８０ａは型を使用した成型により作り、第１及び第２の反射鏡７７、７９は別途作成して導光体８０ａの両端に接着する。導光体８０ａの内部には空気があればよいが、鏡面に塵がつかないようにするためには、導光体８０ａを封止するのがよい。また、結露を防ぐため、導光体８０ａの内部に窒素ガス等のガスを充填し、あるいは真空にしてもよい。
【００６５】
図３８は図３５の表示装置の変形例を示す図である。この例の光学系１４は、表示素子５５と、結像素子５６と、第１の焦点Ｐ１を有する第１の回転放物面７６の一部に基づいて形成された第１の凹面鏡７７と、表示素子５５から発射され、結像素子５６を通った光を平行光にするためのレンズ８１とからなる。結像素子５６の焦点の位置にはアパーチャ８２が配置される。レンズ８１で作られた平行光は第１の凹面鏡７７へ入射し、第１の凹面鏡７７によって反射された光は第１の焦点Ｐ１に又はその近傍に集光され、観察者の目（瞳２４）に入射する。従って、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができる。
【００６６】
図３９は図３８の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例の光学系１４は、第１の凹面鏡７７が導光体８０の一端に設けられている点を除くと、図３８の例と同様である。放物面形状の凹面鏡は一般的な球面レンズと比べると形状が複雑で加工が容易ではない。従って、放物面形状の凹面鏡の数は少ない方がよい。従って、図３８及び図３９においては、１つの放物面形状の凹面鏡を使用している。導光体８０の入射面は図示の例では平面であるが、導光体８０の入射面は結像素子５６の作用をもつ形状に形成してもよい。また、表示素子５５に入射する光が収束光である場合には、結像素子５６を省略してもよい。
【００６７】
図４０及び図４１はそれぞれ図３８及び図３９の表示装置の光学系の変形例を示す図である。図４０においては、反射膜８３がレンズ８１と第１の凹面鏡７７との間に挿入され、光路を折り曲げるようになっている。図４０においては、反射膜８３がレンズ８１と導光板８０の端部との間に挿入され、光路を折り曲げるようになっている。このようにすることによって、多くの光学部品を観察者の顔面から外れた位置、即ち観察者の側頭部（耳付近）に近い位置に配置することができる。表示装置の重心が顔面に近い位置にあると、表示装置を装着したときに重量感を感じ、疲れやすい。自然な装着感を実現するには、可能な限り部品を顔面の近くに配置しない方がよい。なお、反射膜８３の代わりに、全反射面とすることもできる。
【００６８】
図４２は図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例では、導光板８０が直角に曲がった形状に形成され、反射膜８３がレンズ８１と導光板８０の端部との間に挿入され、反射膜８４が導光板８０の屈曲部に挿入され、光路を折り曲げるようになっている。なお、反射膜８３、８４の代わりに、全反射面とすることもできる。このようにすることによって、表示装置の構成を観察者の顔及び頭部によりフィットするようにすることができる。図示の例においては、表示素子５５からレンズ８１を含む装置の部分が観察者の側頭部から外側に突き出した方向に配置されているが、反射膜８３が配置される導光板８０の端部の表面を図４２の紙面に対して４５度傾斜した角度で形成し、表示素子５５からレンズ８１を含む装置の部分を導光板８０から下向きに指向させるようにすることができる。こうすれば、表示素子５５からレンズ８１を含む装置の部分を眼鏡のツルのように耳にかけることができるようになる。
【００６９】
図４２の表示装置は例えば図２５に示される表示装置と同様ににして使用されることができる。
図４３は図４０の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例は、図４０の光学系に図１に示される第１の光学系の発光素子１６と、光学素子２２とを加えたものである。発光素子１６及び光学素子２２は平行光をつくり出し、表示素子５５及び結像素子５６を通った光はアパーチャ８２で集光され、アパーチャ８２を通った発散光を導光体８０に導き、第１の凹面鏡７７で反射された光が瞳２４に入射する。よって、アパーチャ８２において認識された画像と同様の画像を瞳２４において認識することができる。
【００７０】
図４４は図４１の表示装置の光学系の変形例を示す図である。この例では、発光素子１６が設けられていにとともに、結像素子５６ａが発光素子１６の前に設けられている。発光素子１６及び結像素子５６ａを通った光はアパーチャ８２で集光され、アパーチャ８２を通った発散光を導光体８０に導き、第１の凹面鏡７７で反射された光が瞳２４に入射する。よって、アパーチャ８２において認識された画像と同様の画像を瞳２４において認識することができる。
【００７１】
図４５は図４３の表示装置の光学系の変形例を示す図である。図４５においては、反射型表示素子５５が使用される。他の構成は図４３の構成と同様である。
図４６は図４３の表示装置の光学系の変形例を示す図である。図３１の場合と同様に、図４６においては、表示素子は、発光素子１６とマイクロミラー６８とによって構成される。発光素子１６はレーザー等とすることができる。発光素子１６はマイクロミラー６８に向かって微小な光線を発射する。マイクロミラー６８はＭＥＭＳのような角度が可変できるデバイスであって、光線をスキャニングすることができる。このスキャニングに合わせて発光素子１６の光量を変調すれば、画像となる。図では１つのマイクロミラー６８が示されているが、単純なＭＥＭＳを２個用いてＸＹ方向にスキャニングさせてもよい。
【００７２】
図４３から図４６では、放物面形状の第１の凹面鏡７７が使用されているが、放物面形状の第１の凹面鏡７７の代わりに、図３２から図３４に示される楕円形状の凹面鏡７２を使用することもできる。
（付記）
以上の説明から把握される本発明の技術思想は以下の通りである。
【００７３】
１．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、発光素子と、該発光素子で照明される表示素子と、該表示素子を通った光を通過させる結像素子とからなり、該表示素子は該結像素子と該結像素子の第１の焦点との間で該第１の焦点に近い位置に配置され、よって該結像素子によって該表示素子の虚像が形成され、さらに、該発光素子から照射された光が該結像素子の第２の焦点で集光されるようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７４】
２．該発光素子と該表示素子との間に該表示素子に入射する光を平行光にする光学素子が配置されることを特徴とする付記１に記載の表示装置。
３．該表示素子は透過型の表示素子であり、該光学素子は該表示素子の一方の側に配置され、該結像素子は該表示素子の反対の側に配置されることを特徴とする付記２に記載の表示装置。
【００７５】
４．該表示素子は反射型の表示素子であり、該光学素子と該結像素子とは共通の素子からなることを特徴とする付記２に記載の表示装置。
５．表示素子と、結像素子と、該表示素子から発射されて該結像素子を通った光が通る第１の焦点及び第２の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第１の焦点の近傍に集光され、該第１の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、該第２及び第３の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第４の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７６】
６．該第１の凹面鏡及び該第２の凹面鏡は、導光体に設けられていることを特徴とする付記５に記載の表示装置。
７．該第１の焦点、該第２の焦点、該第３の焦点、及び該第４の焦点は一直線上にあることを特徴とする付記５に記載の表示装置。
８．該第１の焦点、該第２の焦点、該第３の焦点、及び該第４の焦点は一直線上にないことを特徴とする付記５に記載の表示装置。
【００７７】
９．該第２の凹面鏡は光透過性を有することを特徴とする付記５に記載の表示装置。
１０．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、発光素子と、該発光素子で照明される表示素子と、該表示素子を通った光を通過させる結像素子とからなり、該表示素子は該結像素子と該結像素子の第１の焦点との間で該第１の焦点に近い位置に配置され、よって該結像素子によって該表示素子の虚像が形成され、さらに、該発光素子から照射された光が該結像素子の第２の焦点で集光されるようにし、
該結像素子の第２の焦点と共通な第３の焦点及び第４の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第４の焦点と共通の位置に配置される第５の焦点及び第６の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第３の焦点の近傍に集光され、該第３の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第４及び第５の焦点に向かって進み、該第４及び第５の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第６の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第６の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７８】
１１．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子から発射された光を集光させる結像素子と、該結像素子を通った光が入射する入射面を有する導光体と、該導光体を通った光を受けるように該導光体に設けられる凹面鏡とからなり、該凹面鏡は第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円体の一部として形成され、該結像素子を通った光が該導光体の内部で複数回反射して光があたかも第２の焦点Ｐ２から該凹面鏡に入射するように該凹面鏡に入射し、該凹面鏡によって反射された光は第１の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【００７９】
１２．該導光体は一対の対向する平坦な表面と、該平坦な表面に対して傾斜した傾斜面とを有し、該結像素子を通った光は該傾斜面上で集光され、該一対の対向する平坦な表面によって反射されることを特徴とする付記１１に記載の表示装置。
１３．観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子に照射する光あるいは該表示素子を通った光を略平行光にする光学素子と、該光学素子を通った光が入射する凹面鏡とからなり、該凹面鏡は回転放物面の一部として形成され、該凹面鏡によって反射された光は該回転放物面の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【００８０】
１４．該光学素子は回転放物面の一部として形成されたさらなる凹面鏡からなることを特徴とする付記１３に記載の表示装置。
１５．該凹面鏡及び該さらなる凹面鏡は導光体に設けられていることを特徴とする付記１４に記載の表示装置。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明によれば、小型で低価格な表示装置として、ヘッドマウント式又は眼鏡型の表示装置、あるいはこれに類するあらゆる小型又は超小型の、例えば携帯型のような、表示装置（ディスプレイ）として利用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１６ 発光素子
１８ 表示素子
２０ 結像素子
２２ 光学素子
２４ 瞳
２８ 虚像
３２ ハーフミラー
３４ 偏光ビームスプリッタ
４０ 導光板
４３、４４ 目位置センサ
５１、５２ 楕円体
５３、５４ 凹面鏡
５５ 表示素子
５６ 結像素子
５８ 導光体
７１ 導光体
７２ 凹面鏡
７３ 回転楕円体
７４ 反射膜
７６、７８ 回転放物面
７７、７９ 凹面鏡
８０ 導光体
８１ レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子と、結像素子と、該表示素子から発射されて該結像素子を通った光が通る第１の焦点及び第２の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第１の焦点の近傍に集光され、該第１の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、該第２及び第３の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第４の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
該第１の凹面鏡及び該第２の凹面鏡は、導光体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
該第２の凹面鏡は光透過性を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
観察者の目の前方に配置する表示装置であって、発光素子と、該発光素子で照明される表示素子と、該表示素子を通った光を通過させる結像素子とからなり、該表示素子は該結像素子と該結像素子の第１の焦点との間で該第１の焦点に近い位置に配置され、よって該結像素子によって該表示素子の虚像が形成され、さらに、該発光素子から照射された光が該結像素子の第２の焦点で集光されるようにし、
該結像素子の第２の焦点と共通な第３の焦点及び第４の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第４の焦点と共通の位置に配置される第５の焦点及び第６の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第３の焦点の近傍に集光され、該第３の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第４及び第５の焦点に向かって進み、該第４及び第５の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第６の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第６の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項５】
観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子から発射された光を集光させる結像素子と、該結像素子を通った光が入射する入射面を有する導光体と、該導光体を通った光を受けるように該導光体に設けられる凹面鏡とからなり、該凹面鏡は第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円体の一部として形成され、該結像素子を通った光が該導光体の内部で複数回反射して光があたかも第２の焦点Ｐ２から該凹面鏡に入射するように該凹面鏡に入射し、該凹面鏡によって反射された光は第１の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項６】
該導光体は一対の対向する平坦な表面と、該平坦な表面に対して傾斜した傾斜面とを有し、該結像素子を通った光は該傾斜面上で集光され、該一対の対向する平坦な表面によって反射されることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
【請求項７】
観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子に照射する光あるいは該表示素子を通った光を略平行光にする光学素子と、該光学素子を通った光が入射する凹面鏡とからなり、該凹面鏡は回転放物面の一部として形成され、該凹面鏡によって反射された光は該回転放物面の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項８】
該光学素子は回転放物面の一部として形成されたさらなる凹面鏡からなることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【請求項１】
表示素子と、結像素子と、該表示素子から発射されて該結像素子を通った光が通る第１の焦点及び第２の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第２の焦点と共通の位置に配置される第３の焦点及び第４の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第１の焦点の近傍に集光され、該第１の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第２及び第３の焦点に向かって進み、該第２及び第３の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第４の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第４の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
該第１の凹面鏡及び該第２の凹面鏡は、導光体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
該第２の凹面鏡は光透過性を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
観察者の目の前方に配置する表示装置であって、発光素子と、該発光素子で照明される表示素子と、該表示素子を通った光を通過させる結像素子とからなり、該表示素子は該結像素子と該結像素子の第１の焦点との間で該第１の焦点に近い位置に配置され、よって該結像素子によって該表示素子の虚像が形成され、さらに、該発光素子から照射された光が該結像素子の第２の焦点で集光されるようにし、
該結像素子の第２の焦点と共通な第３の焦点及び第４の焦点を有する第１の楕円体の一部として形成された第１の凹面鏡と、該第４の焦点と共通の位置に配置される第５の焦点及び第６の焦点を有する第２の楕円体の一部として形成された第２の凹面鏡とを備え、該表示素子から発射された光が該第３の焦点の近傍に集光され、該第３の焦点を通った光が該第１の凹面鏡によって反射されて共通の第４及び第５の焦点に向かって進み、該第４及び第５の焦点を通った光又はそれと同等の光が該第２の凹面鏡によって反射されて該第６の焦点の近傍に集光され、観察者の目が該第６の焦点の近傍に配置されるようにして、観察者の目の前方に形成された表示を見ることができるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項５】
観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子から発射された光を集光させる結像素子と、該結像素子を通った光が入射する入射面を有する導光体と、該導光体を通った光を受けるように該導光体に設けられる凹面鏡とからなり、該凹面鏡は第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円体の一部として形成され、該結像素子を通った光が該導光体の内部で複数回反射して光があたかも第２の焦点Ｐ２から該凹面鏡に入射するように該凹面鏡に入射し、該凹面鏡によって反射された光は第１の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項６】
該導光体は一対の対向する平坦な表面と、該平坦な表面に対して傾斜した傾斜面とを有し、該結像素子を通った光は該傾斜面上で集光され、該一対の対向する平坦な表面によって反射されることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
【請求項７】
観察者の目の前方に配置する表示装置であって、表示素子と、該表示素子に照射する光あるいは該表示素子を通った光を略平行光にする光学素子と、該光学素子を通った光が入射する凹面鏡とからなり、該凹面鏡は回転放物面の一部として形成され、該凹面鏡によって反射された光は該回転放物面の焦点に又はその近傍に集光され、観察者の目に入射するようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項８】
該光学素子は回転放物面の一部として形成されたさらなる凹面鏡からなることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【公開番号】特開２０１１−１１８４０２（Ｐ２０１１−１１８４０２Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９３８３８（Ｐ２０１０−２９３８３８）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【分割の表示】特願２０００−３３３３８０（Ｐ２０００−３３３３８０）の分割
【原出願日】平成１２年１０月３１日（２０００．１０．３１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【分割の表示】特願２０００−３３３３８０（Ｐ２０００−３３３３８０）の分割
【原出願日】平成１２年１０月３１日（２０００．１０．３１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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