CN101893760A

CN101893760A - 图像显示装置

Info

Publication number: CN101893760A
Application number: CN2010101781772A
Authority: CN
Inventors: 东原正和; 山崎章市; 猪口和隆; 齐藤贤一; 露木智美
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: US7864459B2; CN101893760B; EP2253989A2; JP2010266787A; US20100290124A1; EP2253989A3

Abstract

本发明公开了一种图像显示装置，该图像显示装置包括：分别显示第一和第二原始图像(111、112)的第一和第二显示元件(101、102)，和通过来自第一和第二显示元件的第一和第二光束(108、109)呈现第一和第二原始图像的放大合成图像(113)的光学系统(104、105、6)。光学系统包含至少一个反射表面(104、105)。当在其上第一和第二光束的光路通过反射表面上的反射而转向的光学系统的截面被定义为偏心截面时，第一和第二原始图像在偏心截面中与不同的视角对应。分别包含于第一和第二光束中并被引向放大合成图像中的相同像点的光束分量在出射光瞳面上相互重叠。

Description

图像显示装置

技术领域

本发明涉及合成来自多个显示元件的光束以呈现一个放大的合成图像的图像显示装置，特别地，涉及适用于头戴式显示器(HMD)的图像显示装置。

背景技术

对于用于诸如HMD的图像显示装置的观察光学系统，需要具有宽视角的图像呈现以使得能够实现图像的自然观察并增加逼真的感觉。此外，希望这种被安装在观察者的头上的图像显示装置又小又薄。

能够以宽视角呈现图像的这种又小又薄的图像显示装置中的一些使用对于相互不同的视角显示原始图像的多个显示元件，并且通过合成与原始图像对应的多个放大图像形成一个图像，以使得能够观察放大的合成图像。使用多个显示元件使得能够减小多个显示元件中的每一个的光学系统的尺寸和厚度，这实现了能够以宽视角呈现图像的整体又小又薄的图像显示装置。

在日本专利特开No.07-274097、No.11-326820、No.10-246865和No.09-166759和日本专利No.3524569中公开了这种图像显示装置。

在日本专利特开No.07-274097、No.11-326820和No.10-246865和日本专利No.3524569中公开的图像显示装置使用不能重叠到达相互合成的图像的边界部分的光束的光学系统。因此，当观察者的眼睛转动以在光学系统的出射光瞳和观察者的瞳孔之间(换句话说，在图像显示装置的视轴和观察者的眼睛之间)产生间隙时，来自合成图像的一部分的光束不被引向观察者的瞳孔，由此观察者观察到图像缺失。

图22A示出在其的光学系统由V形反射镜203和目镜204构成的常规图像显示装置中转动观察者的眼睛7的状态。当观察者的眼睛7向上转动时，来自显示元件202的形成下侧浅视角的光束被引向眼睛(瞳孔)7，但是，来自显示元件201的光束不被引向眼睛。因此，只有形成下侧浅视角的光束被引向眼睛(瞳孔)7。

为了解决这种问题，如图22B所示，日本专利No.3524569公开了沿合成图像的分割方向放大显示元件205和206中的每一个的显示区域并且向在显示元件205和206上显示的原始图像提供显示相同的原始图像的重叠区域的方法。这种重叠区域的提供使得在图22A所示的图像显示装置中没有被引向眼睛(瞳孔)的光束从显示元件205被引向眼睛。

但是，为了将来自所有原始图像的光束引向眼睛(瞳孔)，必须放大重叠区域。例如，在水平视角为50度、垂直视角为40度、光学系统的出射光瞳的直径为12mm、良视距(eye relief)(从出射光瞳到光学系统的距离)为20mm并且水平视角通过在日本专利No.3524569中公开的方法被分成多个视角的情况下，为了将来自所有原始图像的光束引向眼睛(瞳孔)，必须使得每个显示元件显示与38.5度的视角对应的原始图像，该38.5度的视角是水平视角(50度)的一半(25度)和重叠区域的视角(13.5度)的和。

换句话说，对于50度的整个水平视角，重叠区域的视角为27度，它是比整个水平视角的一半还要大的视角。这种大的重叠区域使得每个显示元件的图像信息呈现效率低，这使得难以实现能够以宽视角呈现图像的图像显示装置。

而且，在日本专利特开No.9-166759中公开的装置在第一目镜光学系统中使用形成为半透半反镜(half-mirror)的凹面镜，以防止由于在日本专利特开No.7-274097和日本专利No.3524569中公开的两个反射镜的接合线(脊线)而在显示的图像的中心附近出现图像变暗或图像缺失的现象。

但是，在日本专利特开No.9-166759中公开的装置通过在两个原始图像中提供显示相同的部分图像的重叠区域，以防止当观察者的视轴不与装置的视轴匹配时在放大图像的接合线上出现这种图像缺失。因此，日本专利特开No.9-166759没有提到在两个原始图像中不存在重叠区域的情况。

此外，在日本专利特开No.9-166759公开的装置中，来自设置在远离观察者的位置上的棱镜的所有光通过设置在观察者附近的棱镜。因此，设置在观察者附近的棱镜的尺寸增加，由此，整个光学系统的尺寸增加，这不适用于又小又薄的HMD。

具体来说，在日本专利特开No.9-166759中公开的装置中的光学系统的尺寸在以下的两个方向上增加。在水平方向上，从显示元件中的一个射出并然后穿过设置在远离观察者的位置上的棱镜的所有光穿过设置在观察者附近的棱镜。因此，对于来自其它的显示元件的有效光束，设置在观察者附近的棱镜的水平尺寸增加。并且，由于光沿垂直方向以及水平方向被引入，因此设置在远离观察者的位置上的棱镜和设置在观察者附近的棱镜被布置为沿垂直方向几乎完全相互重叠，这使得光学系统的垂直尺寸(厚度)较大。

发明内容

本发明提供一种又小又薄图像显示装置，该图像显示装置以宽视角呈现通过合成来自多个显示元件的光束形成的放大合成图像，并且能够抑制由于观察者的眼睛的转动而出现的图像缺失的产生。

作为本发明的一个方面，本发明提供一种图像显示装置，该图像显示装置包括：被配置为显示第一原始图像的第一显示元件；被配置为显示第二原始图像的第二显示元件；和被配置为通过来自第一显示元件的第一光束和来自第二显示元件的第二光束向观察者呈现第一原始图像和第二原始图像的放大合成图像的光学系统。光学系统包含至少一个反射面。当光学系统的在其上第一光束和第二光束的光路通过反射面上的反射而转向的截面被定义为偏心截面时，第一原始图像和第二原始图像在偏心截面中与相互不同的视角对应。分别包含于第一光束和第二光束中并被引向放大合成图像中的相同像点的光束分量在光学系统的出射光瞳面上相互重叠。

通过以下描述以及附图，本发明的其它方面将变得明显。

附图说明

图1是示出作为本发明的实施例1的HMD的概略图。

图2是示出作为本发明的实施例2的HMD的概略图。

图3是用于说明实施例2中的出射光瞳面上的光束的重叠的示图。

图4是用于说明实施例2中的设置孔径光阑的配置的示图。

图5A和图5B是用于说明实施例2中的孔径光阑的形状的示图。

图6是用于说明实施例2中的常规问题的解决方案的示图。

图7是示出作为本发明的实施例3的HMD的概略图。

图8A和图8B是用于说明实施例3中的出射光瞳面上的光束的重叠的示图。

图9是用于说明实施例3中的设置孔径光阑、挡板(stopper)和遮光元件的配置的示图。

图10A～10D是用于说明实施例3中的孔径光阑和挡板的形状的示图。

图11是示出作为本发明的实施例4的HMD的概略图。

图12是用于说明实施例4中的出射光瞳面上的光束的重叠的示图。

图13是用于说明实施例4中的设置挡板的配置的示图。

图14A和图14B是用于说明实施例4中的挡板的形状的示图。

图15是示出作为本发明的实施例5的HMD的概略图。

图16是用于说明实施例5中的出射光瞳面上的光束的重叠的示图。

图17是示出作为本发明的实施例6的HMD的概略图。

图18是用于说明实施例6中的出射光瞳面上的光束的重叠的示图。

图19是示出作为本发明的实施例7的HMD的概略图。

图20是用于说明实施例7中的出射光瞳面上的光束的重叠的示图。

图21A～21C是用于说明实施例7中的常规问题的解决方案的示图。

图22A和图22B是用于说明常规问题的示图。

具体实施方式

以下，参照附图描述本发明的示例性实施例。

〔实施例1〕

图1示出作为本发明的第一实施例(实施例1)的HMD(图像显示装置)。本实施例的HMD将来自针对沿作为光学系统的偏心截面的方向的水平方向分割成的两个视角设置的两个显示元件的光束引向光学系统的出射光瞳。稍后将描述光学系统的偏心截面。

在图1中，附图标记101表示第一显示元件，附图标记102表示第二显示元件。作为第一显示元件101和第二显示元件102，可以使用诸如有机EL(电致发光)元件的发光显示元件或由透射型液晶面板和背光单元构成的LCD。这同样适用于后面描述的其它的实施例。

附图标记104表示第一光学元件，附图标记105表示第二光学元件。在本实施例中，使用半透半反镜作为第一光学元件104，使用反射镜作为第二光学元件105。附图标记6表示目镜。第一光学元件104和第二光学元件105和目镜6构成光学系统。附图标记7表示位于光学系统的出射光瞳的位置或处于其附近的观察者的眼睛。

“偏心截面”是这样的截面，即在该截面上，来自第一显示元件101和第二显示元件102的光束(即，从各显示元件〔原始图像〕101和102的中心射出并然后到达光学系统的出射光瞳的中心的中心视角主光线)的光路通过第一光学元件104和第二光学元件105上的反射而转向(折叠)。图1所示的截面与“偏心截面”对应。“偏心截面的方向”(以下，称为“偏心截面方向”)是包含“偏心截面”的方向或与“偏心截面”平行的方向。

虽然本实施例和随后的实施例将关于HMD进行描述，但是，本发明的替代性实施例包含HMD以外的其它图像显示装置，每个装置向位于光学系统的出射光瞳的位置上或处于其附近的观察者的眼睛呈现图像。以下，包含光学系统的出射光瞳的平面被称为“出射光瞳面”。

从在第一显示元件101上显示的图像(第一原始图像)111射出的光束(第一光束)108被第一光学元件104反射，然后通过目镜6作为形成图的上部所示的左侧视角的光束被引向眼睛7。从在第二显示元件102上显示的图像(第二原始图像)112射出的光束(第二光束)109被第二光学元件105反射，透射通过第一光学元件104，然后通过目镜6作为形成图的下部所示的右侧视角的光束被引向眼睛7。左侧视角和右侧视角是相互不同的视角。

光学系统通过第一光束108和第二光束109向眼睛7(即，向观察者)呈现第一原始图像111和第二原始图像112的放大合成图像113。

在分别从第一显示元件101和第二显示元件102射出的第一光束108和第二光束109中，被引向放大合成图像113中的相同像点的部分光束(光束分量)(即，形成相同的点的图像的光束)在出射光瞳面上完全相互重叠。

在本实施例中，在其中第一光束108和第二光束109相互重叠的出射光瞳面的区域对应于出射光瞳的100％区域。换句话说，第一光束108和第二光束109以100％的重叠比在出射光瞳上相互重叠。在这种状态下，形成完整视角的光束被引向眼睛7的瞳孔。

因此，不必为分别在第一显示元件101和第二显示元件102上显示的第一原始图像111和第二原始图像112设置显示相同的部分图像(相同的原始图像部分)的重叠区域。换句话说，在被观察的放大合成图像113形成为使得第一原始图像111和第二原始图像112的边缘相互接合的情况下，如图所示不必为第一原始图像111和第二原始图像112设置重叠区域。

不在第一原始图像111和第二原始图像112中设置重叠区域，即，不在第一原始图像111和第二原始图像112中显示相同的原始图像部分，使得能够有效利用每个显示元件的显示区域，这增加了每个显示元件的图像信息呈现效率。

一般地，显示元件具有这样的结构，即在其中以类似矩阵的方式布置多个像素，并且，即使当在两个显示元件上显示的两个原始图像中没有设置重叠区域时，仍存在从显示元件的像素之间射出以被引向放大合成图像中的相同像点的光束。

因此，表述“分别包含于第一光束和第二光束中并被引向放大合成图像中的相同像点的光束分量在光学系统的出射光瞳面上相互重叠”中的“相同像点”在两个原始图像没有重叠区域时包括放大合成图像的像素之间的点。这同样适用于随后的实施例。

在本实施例中，第一光学元件104由半透半反镜构成，该半透半反镜以与透射通过其中的光的强度相同的强度反射光，以便以大致相同的亮度将来自两个显示元件101和102的第一光束108和第二光束109引向眼睛7。但是，出射光瞳面中的第一光束108和第二光束109相互重叠的区域具有为其它区域的亮度的两倍的亮度，因此，希望在第一光束108和第二光束109通过的光路上设置诸如中性密度(ND)滤光片的光量减少元件。作为替代方案，可以降低与出射光瞳面上的第一光束108和第二光束109相互重叠的区域对应的两个原始图像的重叠区域的亮度。这同样适用于随后的实施例。

虽然本实施例描述了视角沿水平方向被分割成两个的情况，但是，当视角沿垂直方向被分割成两个视角时，也可使用与本实施例类似的配置。

〔实施例2〕

图2表示作为本发明的第二实施例(实施例2)的HMD(图像显示装置)。本实施例的HMD将来自针对沿作为光学系统的偏心截面方向的水平方向分成的两个视角设置的两个显示元件的光束引向光学系统的出射光瞳。

在图2中，附图标记1表示第一显示元件，附图标记2表示第二显示元件。附图标记4表示第一光学元件，附图标记5表示第二光学元件。在本实施例中，使用半透半反镜作为第一光学元件4，使用反射镜作为第二光学元件5。附图标记6表示目镜。第一光学元件4和第二光学元件5和目镜6构成光学系统。附图标记7表示位于光学系统的出射光瞳的位置或处于其附近的观察者的眼睛。图2所示的截面对应于偏心截面。

从在第一显示元件1上显示的图像(第一原始图像)11射出的光束(第一光束)8被第一光学元件4反射，然后通过目镜6作为形成图的上部所示的左侧视角的光束被引向眼睛7。从在第二显示元件2上显示的图像(第二原始图像)12射出的光束(第二光束)9被第二光学元件5反射，透射通过第一光学元件4，然后通过目镜6作为形成图的下部所示的右侧视角的光束被引向眼睛7。左侧视角和右侧视角是相互不同的视角。

光学系统通过第一光束8和第二光束9向眼睛7呈现第一原始图像11和第二原始图像12的放大合成图像13。

在分别从第一显示元件1和第二显示元件2射出的第一光束8和第二光束9中，被引向放大合成图像13中的相同像点的部分光束(光束分量)如图3所示在出射光瞳面上相互重叠。

图3中的附图标记a表示光学系统的偏心截面中的出射光瞳的水平宽度，附图标记b表示在偏心截面中出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9相互重叠的区域的水平宽度。在出射光瞳面上，如图3所示，第一光束8形成出射光瞳的左侧区域，第二光束9形成出射光瞳的右侧区域。另外，第一光束8和第二光束9在出射光瞳的中心区域中相互重叠。

以下描述光学系统将35度的水平视角分成两个视角并且出射光瞳的直径为10mm的情况。在该光学系统中，当眼睛7的转动半径为12mm时，观察17.5度的左侧最大视角的方向的眼睛7的瞳孔的中心相对于观察0度的视角的方向的眼睛7的瞳孔的中心向左移动3.6mm。

在这种状态下，如果第二光束9被引向眼睛7的瞳孔的中心，那么形成与第二显示元件2对应的完整视角的所有光线进入眼睛7的瞳孔的至少一半的区域。由此，可以实现这样的光学系统，即由该光学系统，形成由与第一显示元件1和第二显示元件2对应的视角构成的完整视角的光束(光线)被引向眼睛7的瞳孔。

因此，只需要第二光束9的水平宽度相对于10mm的出射光瞳直径在左侧为3.6mm并且在右侧为5mm。类似地，只需要第一光束8的水平宽度相对于10mm的出射光瞳直径在左侧为5mm并且在右侧为3.6mm。

在本实施例中，出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9相互重叠的区域为出射光瞳的72％(b/a＝0.72)的区域。换句话说，第一光束8和第二光束9以出射光瞳的72％的重叠比相互重叠。在这种状态下，形成完整视角的光束被引向眼睛7的瞳孔。

因此，不必在分别在第一显示元件1和第二显示元件2上显示的第一原始图像11和第二原始图像12中设置重叠区域。换句话说，在被观察的放大合成图像13被形成为使得第一原始图像11和第二原始图像12的边缘如图2所示相互接合的情况下，如图所示不必在第一原始图像11和第二原始图像12中设置重叠区域。

不在第一原始图像11和第二原始图像12中设置重叠区域使得能够有效利用每个显示元件的显示区域，这增加了每个显示元件的图像信息呈现效率。此外，虽然在相同像点上的光束的重叠对于当眼睛7转动时观察到连续(无缝)放大合成图像是必需的，但是，上述的减小的重叠比使得能够减小光学系统的厚度。

以下描述将出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重叠比设为预定值的方法。如图4所示，在第一显示元件1和第一光学元件4之间设置孔径光阑(遮光元件)62，并且，在第二显示元件2和第二光学元件5之间设置孔径光阑63。

图5A示出从第一显示元件侧观察时的孔径光阑62的形状，图5B表示从第二显示元件侧观察时的孔径光阑63的形状。在孔径光阑62的光通过区域(图中的白色区域)中，右侧部分相对于出射光瞳的形状变窄以限制第一光束8通过的区域。在孔径光阑63的光通过区域中，左侧部分相对于出射光瞳变窄以限制第二光束9通过的区域。

在此方法中，沿第一光束8的行进方向及其相反方向移动孔径光阑62以及沿第二光束9的行进方向及其相反方向移动孔径光阑63使得能够改变出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重叠比。

以下描述将出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重叠比设为预定值的另一方法。该方法限制第一光学元件4和第二光学元件5的有效区域。在该方法中，沿光轴方向改变第一光学元件4和目镜6之间的距离以及第二光学元件5和目镜6之间的距离使得能够改变出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重叠比。

另外，可通过使用上述的两种方法的组合将出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重叠比设为预定值。

这种出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的可变的重叠比使得能够补偿由光学系统的制造误差或显示元件和光学系统之间的位置偏移导致的出射光瞳面上的重叠比的变化。这使得能够在不以高的精度制造和组装光学系统的情况下将重叠比设为希望的预定值。

图6示出如图22A所示的情况那样，在本实施例中当眼睛7向上转动时形成下侧浅视角的光束。在本实施例的光学系统中，在当眼睛7向上转动时形成下侧浅视角的光束中，在图22A所示的光学系统中未被引向眼睛7的光束74从第二显示元件2被引向眼睛。因此，在本实施例的光学系统中，难以出现如图22A所示的光学系统中光束的一部分未被引向眼睛(瞳孔)7的问题。而且，在本实施例中的光学系统中，不必如图22B所示放大显示元件的显示区域以提供重叠区域。

如上所述，本实施例可解决在常规的光学系统中出现的形成视角的一部分的光束未被引向眼睛(瞳孔)的问题。

在实施例2中，在光束应进入眼睛7的瞳孔的至少一半区域并且眼睛7的瞳孔的直径被假定为4mm的条件下，计算光学系统的出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重叠比。但是，可以使用光束应进入眼睛7的瞳孔的75％或更大区域的条件。这种光束应进入的瞳孔的更大的区域使得能够观察更亮的放大合成图像，并使得能够补偿眼睛的位置相对于光学系统的间隙。

在这种情况下，当假定眼睛的瞳孔的半径为2mm时，观察17.5度的左侧最大视角的方向的眼睛的瞳孔的75％位置位于从观察0度的视角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左4.6mm远的位置上。因此，只需要将第一光束和第二光束的重叠比设为出射光瞳的92％。

虽然实施例2描述了水平视角被分成两个视角的情况，但是，可对于垂直视角被分成两个视角的情况使用与本实施例类似的配置。

〔实施例3〕

图7表示作为本发明的第三实施例(实施例3)的HMD(图像显示装置)。本实施例的HMD将来自针对沿作为光学系统的偏心截面方向的水平方向分割成的三个视角设置的三个显示元件的光束引向光学系统的出射光瞳。

在图7中，附图标记14表示第一显示元件，附图标记15表示第二显示元件，并且，附图标记16表示第三显示元件。第二显示元件15和第三显示元件16分别对应于“第一显示元件”和“第二显示元件”。附图标记17表示由半透半反镜构成的光学元件，附图标记18表示目镜。光学元件17和目镜18构成光学系统。附图标记7表示位于光学系统的出射光瞳的位置或处于其附近的观察者的眼睛。图7所示的截面对应于偏心截面。

从在第一显元件14上显示的图像(第一原始图像)23射出的光束(第一光束)19被光学元件17反射，然后通过目镜18作为形成图的上部所示的左侧视角的光束被引向眼睛7。从在第二显示元件15上显示的图像(第二原始图像)24射出的光束(第二光束)20和21透过光学元件17，然后通过目镜18作为形成中心视角的光束被引向眼睛7。如下面描述的那样，在第二光束20和21中，光束20在出射光瞳面上与第一光束19重叠，并且，光束21在出射光瞳面上与第三光束22重叠。

从在第三显元件16上显示的图像(第三原始图像)25射出的光束(第三光束)22被光学元件17反射，然后通过目镜18作为形成图的下部所示的右侧视角的光束被引向眼睛7。左侧视角、中心视角和右侧视角是相互不同的视角。

光学系统通过第一光束19、第二光束20和21和第三光束22向眼睛7呈现第一原始图像23、第二原始图像24和第三原始图像25的放大合成图像26。第二光束20和21和第三光束22分别对应于“第一光束”和“第二光束”。第二原始图像24和第三原始图像25分别对应于“第一原始图像”和“第二原始图像”。

来自第二显示元件15的第二光束20和21透过的光学元件17具有平面部分27。平面部分27被设置为使得来自第二显示元件15的全部光束(光线)通过光学元件17，并消除光线的光路长度差。

在分别从第一显示元件14和第二显示元件15射出的第一光束19和第二光束20中，被引向放大合成图像26中的相同像点的部分光束(光束分量)如图8A所示在出射光瞳面上相互重叠。在出射光瞳面上，如图8A所示，第一光束19形成出射光瞳的左侧区域，第二光束20形成其右侧区域。在出射光瞳的中心区域中，第一光束19和第二光束20相互重叠。

在分别从第二显示元件15和第三显示元件16射出的第二光束21和第三光束22中，被引向放大合成图像26中的相同像点的部分光束(光束分量)如图8B所示在出射光瞳面上相互重叠。在出射光瞳面上，如图8B所示，第二光束21形成出射光瞳的左侧区域，第三光束22形成其右侧区域。在出射光瞳的中心区域中，第二光束21和第三光束22相互重叠。

以下描述光学系统将60度的水平视角分成三个视角的情况。第一显示元件14显示与从左侧30度视角到左侧10度视角的20度的视角对应的第一原始图像23。第二显示元件15显示与从左侧10度视角到右侧10度视角的20度的视角对应的第二原始图像24。第三显示元件16显示与从右侧10度视角到右侧30度视角的20度的视角对应的第三原始图像25。

在本实施例中，由于与各原始图像对应的放大图像的边界部分的接合线没有位于放大合成图像26的中心，因此对于通常观察放大合成图像的中心部分的观察者而言，边界部分不明显。

在本光学系统中，当出射光瞳的直径为15mm并且眼睛7的转动的半径为12mm时，观察30度的左侧最大视角的方向的眼睛7的瞳孔的中心相对于观察0度的视角的方向的眼睛7的瞳孔的中心向左移动6mm。在这种状态下，如果第二光束20和第三光束22被引向眼睛7的瞳孔的中心，那么形成与第二显示元件15和第三显示元件16对应的完整视角的所有光线进入眼睛7的瞳孔的至少一半区域。由此，可以实现这样的光学系统，即通过该光学系统，形成由与第一到第三显示元件14～16对应的视角构成的完整视角的光束(光线)被引向眼睛7的瞳孔。

因此，只需要第二光束20和第三光束22中的每一个的水平宽度相对于15mm的出射光瞳直径在左侧为6mm并且在右侧为7.5mm。类似地，只需要第一光束19和第二光束21中的每一个的水平宽度相对于15mm的出射光瞳直径在左侧为7.5mm并且在右侧为6mm。

在本实施例中，出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20相互重叠的区域为出射光瞳的80％的区域。换句话说，光束19和20以出射光瞳的80％的重叠比相互重叠。在这种状态下，形成完整视角的所有光束被引向眼睛7的瞳孔。因此，不必在分别在第一显示元件14和第二显示元件15上显示的第一原始图像23和第二原始图像24中设置重叠区域。而且，在出射光瞳面上第二光束21和第三光束22相互重叠的区域也为出射光瞳的80％的区域，并且，不必在分别在第二显示元件15和第三显示元件16上显示的第二原始图像24和第三原始图像25中设置重叠区域。换句话说，在被观察的放大合成图像26形成为使得第一到第三原始图像23～25的边缘如图7所示相互接合的情况下，如图所示不必在第一到第三原始图像23～25中设置重叠区域。

在本实施例以及实施例1和实施例2中，由于没有在每个原始图像中设置重叠区域，因此能够有效地利用每个显示元件的显示区域，这增加了每个显示元件的图像信息呈现效率。

此外，虽然在相同像点上的光束的重叠是当眼睛7转动时观察到连续(无缝)放大合成图像所必需的，但是，上述的减小重叠比使得能够减小光学系统的厚度。

在实施例3中，在光束应进入眼睛7的瞳孔的至少一半区域的条件下，计算光学系统的出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重叠比以及第二光束21和第三光束22的重叠比。但是，可以使用光束应进入眼睛7的瞳孔的75％或更大区域的条件。这种光束应进入瞳孔的更大的区域使得能够观察更亮的放大合成图像，并使得能够补偿眼睛的位置相对于光学系统的间隙。

在这种情况下，当假定眼睛的瞳孔的半径为2mm时，观察30度的左侧最大视角的方向的眼睛的瞳孔的75％位置位于从观察0度的视角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左6.9mm远的位置。因此，只需要将第一光束和第二光束的重叠比设为出射光瞳的大约92％。这同样适用于第二光束和第三光束的重叠比。

以下描述将出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重叠比以及第二光束21和第三光束22的重叠比设为预定值的方法。如图9所示，在第一显示元件14和光学元件17之间设置孔径光阑(遮光元件)64，并且，在第二显示元件15和光学元件17之间设置挡板(遮光元件)65和挡板66。并且，在第三显示元件16和光学元件17之间设置孔径光阑67。

图10A示出从第一显示元件侧观察时的孔径光阑64的形状，图10B和图10C分别示出从第二显示元件侧观察时的挡板65和66的形状。图10D示出从第三显示元件侧观察时的孔径光阑67的形状。

在孔径光阑64的光通过区域(图中的白色区域)中，右侧部分相对于出射光瞳的形状变窄，以限制第一光束19通过的区域。在孔径光阑67的光通过区域中，左侧部分相对于出射光瞳的形状变窄，以限制第三光束22通过的区域。

此外，挡板65使第二光束20通过的区域的左侧部分变窄，并且，挡板66使第二光束21通过的区域的右侧部分变窄。

在该方法中，沿第一光束19的行进方向及其相反方向移动孔径光阑64以及沿第二光束20的行进方向及其相反方向移动挡板65使得能够改变出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重叠比。类似地，沿第二光束21的行进方向及其相反方向移动挡板66以及沿第三光束22的行进方向及其相反方向移动孔径光阑67使得能够改变出射光瞳面上的第二光束21和第三光束22的重叠比。

以下描述将出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重叠比以及第二光束21和第三光束22的重叠比设为预定值的另一方法。该方法限制光学元件17的半透半反镜表面的有效区域。在该方法中，沿光轴方向改变光学元件17和目镜18之间的距离使得能够改变重叠比。另外，可通过使用上述的两种方法的组合将重叠比设为预定值。这种可变的重叠比提供与实施例2类似的效果。

在光学元件17的整个表面形成为半透半反镜的情况下，必须考虑来自第一显示元件14的第一光束19和来自第三显示元件16的第三光束22的透射过光学元件17的光束分量的影响。从第一显示元件14射出并且透射过光学元件17的光束分量再次透射过光学元件17，并然后被第三显示元件16反射以变成幻像。幻像被观察者观察到。这同样适用于从第三显示元件16射出并透射过光学元件17的光束分量。因此，必须防止从第一显示元件14和第三显示元件16射出的光束分量透射过光学元件17。

因此，希望如图9所示对于光学元件17的眼睛侧表面的相对表面的非透射区域设置涂黑的遮光元件72和73，非透射区域是来自第二显示元件15的光束透过的区域以外的区域。

虽然实施例3描述了光学系统将水平视角分成三个视角的情况，但是可以使用将垂直视角分成三个视角的光学系统。而且，实施例3中的光学系统可包含设置在第二显示元件15和光学元件17之间以使光学系统中的光路折叠的反射面以减小光学系统的厚度。在这种情况下，第二显示元件15被设置在比图9的纸面所示的位置更近或更远的位置。

〔实施例4〕

下面描述在第四实施例(实施例4)和随后的实施例中使用的子午截面、弧矢截面、局部子午截面和局部弧矢截面的定义。在不对应于本实施例和随后的实施例的偏心系统的常规系统中的定义中，当将表面顶点坐标系的z轴定义为光轴时，y-z截面对应于常规的子午截面，并且，x-z截面对应于常规的弧矢截面。由于本实施例和随后的实施例的光学系统是偏心光学系统，因此，局部子午截面和局部弧矢截面被重新定义如下。

局部子午截面被定义为这样的平面(截面)，即包含中心视角主光线(即，从显示元件上显示的原始图像的中心射出并然后到达光学系统的出射光瞳的中心的光线)在各表面上的击中(hit)点，并且还包含中心视角主光线的入射光线部分和出射光线部分。局部弧矢截面被定义为包括该击中点、与局部子午截面正交并且与表面顶点坐标系中的常规(通常)弧矢截面平行的平面(截面)。

图11示出作为本发明的实施例4的HMD(图像显示装置)。本实施例的HMD将来自针对沿作为光学系统的偏心截面的方向的垂直方向分割成的两个视角设置的两个显示元件1和2的光束引向其出射光瞳。

本实施例中的“偏心截面”是这样的截面，即在该截面上，中心视角主光线的光路通过在半透半反镜表面S3和反射镜表面S5′上的反射转向，该截面对应于图11所示的截面。这同样适用于随后的实施例。

本实施例在与光学系统的偏心截面对应的局部子午截面中分割视角，这使得能够减小光学系统的尺寸和厚度。

如图11所示，本实施例在第一光学元件30和第二光学元件31中的每一个中设置多个偏心反射曲面以折叠来自第一显示元件1和第二显示元件2中的每一个的光路，这使得与实施例1～3相比能够进一步减小光学系统的厚度。而且，使用偏心反射曲面使得能够在增加光学系统的光焦度的同时减少表面的数量，这可更加有效地减小光学系统的尺寸和厚度。

在本实施例和随后的实施例中，以与光束从显示元件1和2射出并然后到达光学系统的出射光瞳的原始次序相反的次序(即，以逆向光线追踪的次序)添加附图标记。

在图11中，第一光学元件30和第二光学元件31中的每一个由作为内部填充有诸如玻璃或塑料的折射率大于1的光学介质的透明部件的棱镜构成。第一光学元件30具有三个表面S2(S4)、S3和S5。第二光学元件31具有三个表面S4′(S6′)、S5′和S7′。表面S2和表面S4形成为同一表面，并且，表面S4′和表面S6′形成为同一表面。表面SI和表面SI′是第一显示元件1和第二显示元件2的显示表面，并且，附图标记S1表示出射光瞳。

从在第一显示元件1上显示的第一原始图像34射出的第一光束32通过表面S5进入第一光学元件30，被表面S4和表面S3反射，然后通过表面S2从第一光学元件30离开以被引向眼睛(出射光瞳S1)。从在第二显示元件2上显示的第二原始图像35射出的第二光束33通过表面S7′进入第二光学元件31，被表面S6′和表面S5′反射，并然后通过表面S4′从第二光学元件31离开。然后，第二光束33通过表面S4′和表面S3之间的空气层，通过表面S3进入第一光学元件30，然后通过表面S2离开第一光学元件30以被引向眼睛(出射光瞳S1)。

希望第一光学元件30的表面S4上的反射和第二光学元件31的表面S6′上的反射为每个棱镜内的内部全反射。这种内部全反射减少光量损失，以使得能够呈现明亮的放大合成图像36。

在来自第一显示元件1的第一光束32和来自第二显示元件2的第二光束33中，被引向放大合成图像36中的相同点的部分光束(光束分量)如图12所示在出射光瞳面上相互重叠。在出射光瞳面上，第一光束32形成出射光瞳的上部区域，并且第二光束33形成出射光瞳的下部区域。另外，第一光束32和第二光束33在出射光瞳的中心区域中相互重叠。

以下描述光学系统将38度的垂直视角分割成两个视角并且出射光瞳的垂直宽度(直径)为9.6mm的情况。在该光学系统中，当眼睛的转动半径为12mm时，观察19度的上部最大视角的方向的眼睛的瞳孔的中心相对于观察0度的视角的方向的眼睛的瞳孔的中心向上移动3.9mm。

在这种状态下，如果第二光束33被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成与第二显示元件2对应的完整视角的所有光线进入眼睛的瞳孔的至少一半的区域。由此，可以实现这样的光学系统，即通过该光学系统，形成由与第一显示元件1和第二显示元件2对应的视角构成的完整视角的光束(光线)被引向眼睛的瞳孔。

因此，只需要第二光束33的垂直宽度相对于9.6mm的出射光瞳直径在上侧为3.9mm并且在下侧为4.8mm。类似地，只需要第一光束32的垂直宽度相对于9.6mm的出射光瞳直径在上侧为4.8mm并且在下侧为3.9mm。

在本实施例中，出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33相互重叠的区域为出射光瞳的约81％(b/a＝0.81)的区域。换句话说，第一光束32和第二光束33以出射光瞳的约81％的重叠比相互重叠。在这种状态下，形成完整视角的光束被引向眼睛的瞳孔。

因此，不必在分别在第一显示元件1和第二显示元件2上显示的第一原始图像34和第二原始图像35中设置重叠区域。换句话说，在被观察的放大合成图像36形成为使得第一原始图像34和第二原始图像35的边缘如图11所示相互接合的情况下，如图所示不必在第一原始图像34和第二原始图像35中设置重叠区域。

不在第一原始图像34和第二原始图像35中设置重叠区域使得能够有效利用每个显示元件的显示区域，这增加了每个显示元件的图像信息呈现效率。

此外，虽然相同像点上的光束的重叠是当眼睛转动时观察到连续(无缝)放大合成图像所必需的，但是，上述的减小重叠比使得能够减小光学系统的厚度。

以下描述将出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33的重叠比设为预定值的方法。如图13所示，在第一显示元件1和第一光学元件30之间设置挡板(遮光元件)68，并且，在第二显示元件2和第二光学元件31之间设置挡板69。

图14A表示从第一显示元件侧观察时的挡板68的形状，图14B表示从第二显示元件侧观察时的挡板69的形状。挡板68限制第一光束32的下部的通过，并且，挡板69限制第二光束33的上部的通过。在该方法中，沿第一光束32的行进方向及其相反方向移动挡板68以及沿第二光束33的行进方向及其相反方向移动挡板69使得能够改变出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33的重叠比。

在第一光学元件30和第二光学元件31之间设置挡板69实现与上述情况类似的效果。

作为替代方案，第一光学元件30的表面S5和第二光学元件31的表面S7′的有效区域可被诸如涂黑部件的遮光部件限制。

另外，关于第二光束33，为了将出射光瞳面上的重叠比设为预定值，可以限制第二光学元件31的表面S5′的有效区域。

而且，可通过使用上述的两种方法的组合将出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33的重叠比设为预定值。这种可变的重叠比可提供与实施例2和实施例3类似的效果。

在本实施例中，第一光学元件30的表面S3由半透半反镜表面构成，以便以相同的亮度将从第一显示元件1和第二显示元件2射出的第一光束32和第二光束33引向出射光瞳。但是，出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33相互重叠的区域具有为其它区域的亮度的两倍的亮度，因此，希望在第一光束32和第二光束33通过的光路上设置诸如中性密度(ND)滤光片的光量减少元件。作为替代方案，可以降低与出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33相互重叠的区域对应的两个原始图像的重叠区域的亮度。

此外，将第一光学元件30和第二光学元件31的所有表面形成为曲面使得这些表面有助于光的会聚、光的发散或者像差校正，这使得能够消除光学系统中的不必要的表面。

更优选地，第一光学元件30和第二光学元件31的所有表面可形成为具有非旋转对称形状。这增加偏心像差校正的自由度，以使得能够呈现具有优异的图像质量的放大合成图像。

在这种情况下，将每一非旋转对称表面形成为相对于作为唯一对称平面的局部子午截面沿局部弧矢截面的方向的平面对称形状，与不将其形成为这种平面对称形状的情况相比，优选地能够有利于非旋转对称表面的形成和制造。

在设置挡板或光量减少元件、限制光学元件的有效区域以及优选将各表面形成为非旋转对称表面方面，随后的实施例是相同的。

表1示出当表面S2～S5和表面S4′～S7′是其的唯一对称平面是图11的纸面(y-z截面)的非旋转对称表面时的本实施例的光学数据。

〔表1〕

SURF X Y Z A Rx Ry TYP Nd vd

1 0 0 0 0

2 0 -31.15 14.584 1.031 -0.0005 -0.0005 FFS1-1 1.5767 33.8

3 0 -21.14 7.437 -42.17 -74.9125 -104.4125 FFS2-2 -1.5767 33.8

4 0 -31.15 14.584 1.031 -0.0005 -0.0005 FFS1-1 1.5767 33.8

5 0 20.665 27.315 44.899 -14.879 -16.2165 FFS2-3 1

I 0 24.188 26.754 43.595

4’ 0 -15.92 15.476 -28.38 -267.9589 -267.9589 FFS1-4 1.5767 33.8

5’ 0 -0.547 27.672 13.901 -61.5436 -52.3869 FFS2-5 -1.5767 33.8

6’ 0 -15.92 15.476 -28.38 -267.9589 -267.9589 FFS1-4 1.5767 33.8

7’ 0 -15.67 29.329 -75.18 -21.7392 -56.7998 FFS2-6 1

I’ 0 -19.17 26.177 -68.76

FFS1-1 c1 -1.77E+18 c5 1.20E-05 c6 3.32E-04 c10 2.99E-06

c11 3.82E-06 c12 -4.37E-08 c13 -2.06E-08 c14 -4.28E-09

c20 -1.21E-10 c21 -1.75E-10 c22 -5.24E-10 c23 1.15E-11

c24 3.46E-12 c25 1.56E-12 c26 -2.33E-12

FFS2-2 cx1 -1.04E+02 cy1 -7.49E+01 c5 -1.84E+00 c6 -5.24E-01

c10 -4.48E-04 c11 -3.14E-04 c12 -4.91E-06 c13 -4.66E-06

c14 8.53E-08 c20 1.29E-07 c21 2.06E-09 c22 -6.10E-12

c23 1.43E-09 c24 1.88E-09 c25 -3.64E-11 c26 -2.70E-11

FFS2-3 cx1 -2.65E+00 cy1 -9.94E-01 c5 -7.34E-03 c6 -3.06E-03

c10 1.91E-04 c11 4.56E-04 c12 4.57E-06 c13 1.88E-06

c14 2.95E-06 c20 -2.48E-07 c21 -5.71E-07 c22 -1.03E-06

c23 -1.51E-08 c24 9.72E-09 c25 9.19E-09 c26 7.22E-09

FFS1-4 c1 4.07E+01 c5 4.97E-04 c6 -7.44E-04 c10 -8.08E-06

c11 2.02E-06 c12 1.21E-07 c13 -5.72E-08 c14 -5.25E-08

c20 2.78E-10 c21 -3.25E-09 c22 6.84E-10 c23 1.30E-10

c24 4.19E-11 c25 -3.24E-11 c26 8.40E-12

FFS2-5 cx1 -8.50E-01 cy1 1.58E+00 c5 -1.58E-04 c6 -7.85E-04

c10 -1.41E-05 c11 -6.26E-06 c12 6.79E-07 c13 1.51E-09

c14 -2.84E-08 c20 -8.78E-09 c21 -2.26E-09 c22 2.12E-09

c23 6.18E-10 c24 -3.03E-10 c25 -1.68E-10 c26 -1.53E-11

FFS2-6 cx1 2.82E-01 cy1 -2.28E+01 c5 -9.04E-03 c6 -1.60E-03

c10 -1.13E-04 c11 -3.81E-04 c12 -1.62E-05 c13 -1.08E-05

c14 -1.94E-06 c20 3.78E-07 c21 2.84E-07 c22 -2.22E-07

c23 5.28E-08 c24 2.81E-08 c25 3.88E-08 c26 1.82E-08

在表1中，最左侧的项“SURF”代表表面号，“X”、“Y”、“Z”代表在如下这样的坐标系中每个表面的顶点在x轴、y轴和z轴上的位置，在该坐标系中表面S1的中心被定义为原点(0，0，0)，并且x轴、y轴和z轴如图11所示的那样被定义。“A”代表在图11中的逆时针方向被定义为正方向时的围绕x轴的倾角(度)。

“Rx”代表x轴的方向上的曲率半径，“Ry”代表y轴的方向上的曲率半径。“TYP”代表表面形状的类型，“FFS1”表示表面是根据下列表达式(1)的非旋转对称表面，“FFS2”表示表面是根据下列表达式(2)的非旋转对称表面。

表达式(1)

FFS1：

z＝(1/R)*(x²+y²)/(1+(1-(1+c1)*(1/R)²*(x²+y²))^(1/2))

+c2+c4*y+c5*(x²-y²)

+c6*(-1+2*x²+2*y²)+c10*(-2*y+3*x²*y+3*y³)+c11*(3*x²*y-y³)

+c12*(x⁴-6*x²*y²+y⁴)+c13*(-3*x²+4*x⁴+3*y²-4*y⁴)

+c14*(1-6*x²+6*x⁴-6*y²+12*x²*y²+6*y⁴)

+c20*(3*y-12*x²*y+10*x⁴*y-12*y³+20*x²*y³+10*y⁵)

+c21*(-12*x²*y+15*x⁴*y+4*y³+10*x²*y³-5*y⁵)

+c22*(5*x⁴*y-10*x²*y³+y⁵)+c23*(x⁶-15*x⁴*y²+15*x²*y⁴-y⁶)

+c24*(-5*x⁴+6*x⁶+30*x²*y²-30*x⁴*y²-5*y⁴-30*x²*y⁴+6*y⁶)

+c25*(6*x²-20*x⁴+15*x⁶-6*y²+15*x⁴*y²+20*y⁴-15*x²*y⁴-15*y⁶)

+c26*(-1+12*x²-30*x⁴+20*x⁶+12*y²-60*x²*y²+60*x⁴*y²-30*y⁴

+60*x²*y⁴+20*y⁶+...

表达式(2)

FFS2：

z＝((1/Rx)*x²+(1/Ry)*y²)/(1+(1-(1+cx1)*(1/Rx)²*x²-

(1+cy1)*(1/Ry)²*y²)^(1/2))

+c2+c4*y+c5*(x²-y²)+c6*(-1+2*x²+2*y²)

+c10*(-2*y+3*x²*y+3*y³)+c11*(3*x²*y-y³)

+c12*(x⁴-6*x²*y²+y⁴)+c13*(-3*x²+4*x⁴+3*y²-4*y⁴)

+c14*(1-6*x²+6*x⁴-6*y²+12*x²*y²+6*y⁴)

+c20*(3*y-12*x²*y+10*x⁴*y-12*y³+20*x²*y³+10*y⁵)

+c21*(-12*x²*y+15*x⁴*y+4*y³+10*x²*y³-5*y⁵)

+c22*(5*x⁴*y-10*x²*y³+y⁵)+c23*(x⁶-15*x⁴*y²+15*x²*y⁴-y⁶)

+c24*(-5*x⁴+6*x⁶+30*x²*y²-30*x⁴*y²-5*y⁴-30*x²*y⁴+6*y⁶)

+c25*(6*x²-20*x⁴+15*x⁶-6*y²+15*x⁴*y²+20*y⁴-15*x²*y⁴-15*y⁶)

+c26*(-1+12*x²-30*x⁴+20*x⁶+12*y²-60*x²*y²+60*x⁴*y²-30*y⁴

+60*x²*y⁴+20*y⁶)+...

“TYP”列中的写在“FFS1”或“FFS2”后面的数值表示表面形状是与在该表的下部书写的非球面系数ci对应的非旋转对称形状。“Nd”和“vd”(在表1中写为vd)分别代表表面后面的介质对于d线的折射率和Abbe常数。折射率Nd的符号的变化表示光在该表面被反射。当介质是空气时，仅折射率Nd被写为1。“E±M”意味着“×10^±M”。

在本实施例中，出射光瞳具有椭圆形状，其沿垂直方向的短轴具有9.6mm的长度，并且其沿水平方向的长轴具有12mm的长度。第一显示元件1和第二显示元件2中的每一个中的显示原始图像的显示区域具有约0.57英寸(12.8mm×6.6mm)的对角尺寸。本实施例中的光学系统是这样的显示光学系统，即该显示光学系统以50度的水平视角和38度的垂直视角在z轴上的沿正方向的无限远位置处显示放大合成图像36。

在本实施例中，分别通过两个显示元件1和2显示完整垂直视角的两个19度垂直视角，另一方面，由于水平视角未被分割，因此通过显示元件1和2中的每一个显示50度水平视角。

〔实施例5〕

图15示出作为本发明的第五实施例(实施例5)的HMD(图像显示装置)。如实施例4那样，本实施例的HMD将来自针对沿作为其光学系统的偏心截面的方向的垂直方向分割成的两个视角设置的两个显示元件44和45的光束引向其出射光瞳。但是，在本实施例中，分别与两个显示元件44和45对应的上部视角和下部视角在尺寸上彼此不同。具体来说，与第一显示元件44对应的上部视角为29度，与第二显示元件45对应的下部视角为9度。

附图标记37和38分别表示第一光学元件和第二光学元件，每个光学元件形成为棱镜。第一光学元件37具有三个表面S2(S4)、S3和S5。第二光学元件38具有三个表面S4′(S6′)、S5′和S7′。表面S2和表面S4形成为同一表面，并且，表面S4′和表面S6′形成为同一表面。表面SI和表面SI′是第一显示元件44和第二显示元件45的显示表面。附图标记S1表示出射光瞳。图15示出偏心截面。本实施例中的光路和光学作用与实施例4中的那些类似。

希望第一光学元件37的表面S4上的反射和第二光学元件38的表面S6′上的反射为各棱镜内的内部全反射。这种内部全反射减少光量损失，以使得能够呈现明亮的放大合成图像43。

在来自第一显示元件44的第一光束39和来自第二显示元件45的第二光束40中，被引向放大合成图像43中的相同点的部分光束(光束分量)如图16所示在出射光瞳面上相互重叠。在出射光瞳面上，第一光束39形成出射光瞳的上部区域，并且第二光束40形成出射光瞳的下部区域。另外，第一光束39和第二光束40在出射光瞳的中心区域中相互重叠。

如上所述，本实施例向第一显示元件44分配38度的完整垂直视角中的29度的上部视角，并且向第二显示元件45分配其的9度的下部视角。出射光瞳的垂直宽度(直径)为9.6mm。

在本光学系统中，当眼睛的转动半径为12mm时，观察19度的上部最大视角的方向的眼睛的瞳孔的中心相对于观察0度的视角的方向的眼睛的瞳孔的中心向上移动3.9mm。在这种状态下，如果第二光束40被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成与第二显示元件45对应的完整视角的所有光线进入眼睛的瞳孔的至少一半的区域。由此，可以实现这样的光学系统，即通过该光学系统，形成由与第一显示元件44和第二显示元件45对应的视角构成的完整视角的光束(光线)被引向眼睛的瞳孔。

因此，只需要第二光束40的垂直宽度相对于9.6mm的出射光瞳直径在上侧为3.9mm并且在下侧为4.8mm。类似地，只需要第一光束39的垂直宽度相对于9.6mm的出射光瞳直径在上侧为4.8mm并且在下侧为3.9mm。

在本实施例中，出射光瞳面上的第一光束39和第二光束40相互重叠的区域为出射光瞳的约81％(b/a＝0.81)的区域。换句话说，第一光束39和第二光束40以出射光瞳的约81％的重叠比相互重叠。在这种状态下，形成完整视角的光束被引向眼睛的瞳孔。

因此，不必在分别在第一显示元件44和第二显示元件45上显示的第一原始图像41和第二原始图像42中设置重叠区域。换句话说，在被观察的放大合成图像43形成为使得第一原始图像41和第二原始图像42的边缘如图15所示相互接合的情况下，如图所示不必在第一原始图像41和第二原始图像42中设置重叠区域。

不在第一原始图像41和第二原始图像42中设置重叠区域使得能够有效利用每个显示元件的显示区域，这增加了每个显示元件的图像信息呈现效率。

此外，虽然相同像点上的光束的重叠对于当眼睛转动时观察到连续(无缝)放大合成图像是必需的，但是，上述的减小重叠比使得能够减小光学系统的厚度。

如上面描述的那样区分向第一显示元件44和第二显示元件45分配的视角的大小使得即使稍微增加第一光学元件37的尺寸也能够减小第二光学元件38的尺寸，这使得能够减小整个光学系统的厚度。而且，这样分割的视角的大小的任意设定使得能够区分显示元件44和45的尺寸，这增加了选择使用的显示元件的自由度。此外，由于与各原始图像对应的放大图像的边界部分的接合线没有位于放大合成图像43的中心，因此，对于观察放大合成图像43的中心部分的观察者而言，边界部分不明显。

表2示出当表面S2～S5和表面S4′～S7′是球面时的本实施例的光学数据。球面由“TYP”列中的“SPH”表示。

〔表2〕

SURF X Y Z A R TYP Nd vd

1 0 0 0 0

2 0 -15 20 6.2 -850 SPH 1.4922 57.5

3 0 -22 13.75 -42 -60 SPH -1.4922 57.5

4 0 -15 20 6.2 -850 SPH 1.4922 57.5

5 0 15.5 27.5 60 -100 SPH 1

I 0 20 26 55

4’ 0 -22 17.5 -25 -650 SPH 1.4922 57.5

5’ 0 10 24.5 26 -60 SPH -1.4922 57.5

6’ 0 -22 17.5 -25 -650 SPH 1.4922 57.5

7’ 0 -15 29.25 -70 -45 SPH 1

虽然每个表面在本实施例中形成为球面，但是每个表面可如实施例4那样形成为非旋转对称表面。

在本实施例中，出射光瞳具有椭圆形状，其沿垂直方向的短轴具有9.6mm的长度，并且其沿水平方向的长轴具有12mm的长度。第一显示元件44中的显示原始图像的显示区域具有约0.84英寸(19mm×19.8mm)的对角尺寸，并且，第二显示元件45中的显示区域具有约0.59英寸(14.7mm×2.7mm)的对角尺寸。本实施例中的光学系统是这样的显示光学系统，即该显示光学系统以50度的水平视角和40度的垂直视角在z轴上的沿正方向的无限远位置处显示放大合成图像43。

在本实施例中，垂直视角被分成将通过两个显示元件44和45显示的29度视角和9度视角，另一方面，由于水平视角不被分割，因此通过显示元件44和45中的每一个显示50度水平视角。

〔实施例6〕

图17示出作为本发明的第六实施例(实施例6)的HMD(图像显示装置)。本实施例的HMD将来自针对沿作为光学系统的偏心截面方向的水平方向分割成的两个视角设置的两个显示元件的光束引向光学系统的出射光瞳。

附图标记46、47、48分别表示第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件，每个光学元件形成为棱镜。第一光学元件46具有三个表面S2(S4)、S3和S5。第二光学元件47具有三个表面S4′(S6′)、S5′和S7′。第三光学元件48具有三个表面，包括与第一光学元件46接合的表面S3、与第一光学元件46的表面S2连续的表面(S2)和表面S3′。表面S2和表面S4形成为同一表面，并且，表面S4′和表面S6′形成为同一表面。附图标记1和2分别表示第一显示元件和第二显示元件。表面SI和表面SI′分别是第一显示元件1和第二显示元件2的显示表面。附图标记S1表示出射光瞳。

从在第一显示元件1上显示的第一原始图像51射出的第一光束49通过表面S5进入第一光学元件46，被表面S4和表面S3反射，并然后通过表面S2离开第一光学元件46以被引向眼睛(出射光瞳S1)。从在第二显示元件2上显示的第二原始图像52射出的第二光束50通过表面S7′进入第二光学元件47，被表面S6′和表面S5′反射，并然后通过表面S4′离开第二光学元件47。

然后，第二光束50通过表面S4′和表面S3′之间的空气层，并然后通过表面S3′进入第三光学元件48。进入第三光学元件48的第二光束50的一部分通过表面S3进入第一光学元件46，并然后通过表面S2从第一光学元件46离开以被引向眼睛(出射光瞳S1)。进入第三光学元件48的第二光束50的另一部分通过表面S2从第三光学元件48离开以被引向眼睛(出射光瞳S1)而没有进入第一光学元件46。

希望第一光学元件46的表面S4上的反射和第二光学元件47的表面S6′上的反射为每个棱镜内的内部全反射。这种内部全反射减少了光量损失，以使得能够呈现明亮的放大合成图像53。

在来自第一显示元件1的第一光束49和来自第二显示元件2的第二光束50中，被引向放大合成图像53中的相同点的部分光束(光束分量)如图18所示在出射光瞳面上相互重叠。在出射光瞳面上，第一光束49形成出射光瞳的左侧区域，并且第二光束50形成出射光瞳的右侧区域。另外，第一光束49和第二光束50在出射光瞳的中心区域中相互重叠。

以下描述光学系统将50度的水平视角分割成两个视角并且出射光瞳的水平宽度(直径)为12mm的情况。在该光学系统中，当眼睛的转动半径为12mm时，观察25度的左侧最大视角的方向的眼睛的瞳孔的中心相对于观察0度的视角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左移动5.1mm。

在这种状态下，如果第二光束50被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成与第二显示元件2对应的完整视角的所有光线进入眼睛的瞳孔的至少一半的区域。由此，可以实现这样的光学系统，即通过该光学系统，形成由与第一显示元件1和第二显示元件2对应的视角构成的完整视角的光束(光线)被引向眼睛的瞳孔。

因此，只需要第二光束50的水平宽度相对于12mm的出射光瞳直径在左侧为5.1mm并且在右侧为6mm。类似地，只需要第一光束49的水平宽度相对于12mm的出射光瞳直径在左侧为6mm并且在右侧为5.1mm。

在本实施例中，在偏心截面中在出射光瞳面上第一光束49和第二光束50相互重叠的区域为出射光瞳的约85％(b/a＝0.85)的区域。换句话说，第一光束49和第二光束50以出射光瞳的约85％的重叠比相互重叠。在这种状态下，形成完整视角的光束被引向眼睛的瞳孔。

因此，不必在分别在第一显示元件1和第二显示元件2上显示的第一原始图像51和第二原始图像52中设置重叠区域。换句话说，在被观察的放大合成图像53形成为使得第一原始图像51和第二原始图像52的边缘如图17所示相互接合的情况下，如图所示不必在第一原始图像51和第二原始图像52中设置重叠区域。

不在第一原始图像51和第二原始图像52中设置重叠区域使得能够有效利用每个显示元件的显示区域，这增加了每个显示元件的图像信息呈现效率。

在本实施例中，第一光学元件46的表面S3由半透半反镜表面构成，并且，第三光学元件48的表面S2具有50％的透射率，以便以相同的亮度将来自第一显示元件1和第二显示元件2的第一光束49和第二光束50引向出射光瞳。但是，出射光瞳面的第一光束49和第二光束50相互重叠的区域具有比其它区域的亮度高的亮度，并因此希望如实施例4那样在光路上设置光量减少元件或降低两个原始图像的重叠区域的亮度。

表3示出当表面S2～S5和表面S3′～S7′是其的唯一对称平面是图17的纸面(y-z截面)的非旋转对称表面时的本实施例的光学数据。

〔表3〕

SURF X Y Z A Rx Ry TYP Nd vd

1 0 0 0 0

2 0 -29.28 19.944 1.005 -797.8534 -797.8534 FFS1-1 1.5709 33.8

3 0 -20.73 6.808 -49.66 -54.4632 -67.6612 FFS2-2 -1.5709 33.8

4 0 -29.28 19.944 1.005 -797.8534 -797.8534 FFS1-1 1.5709 33.8

5 0 22.599 30.903 62.518 -19.8002 -25.6133 FFS2-3 1

I 0 25.815 28.697 53.192

3’ 0 -37.21 9.799 -33.78 -79.0394 -66.936 FFS2-4 1

4’ 0 -17.82 20.448 -19.82 -461.4041 -461.4041 FFS1-5 1.5709 33.8

5’ 0 5.658 28.708 23.08 -61.4011 -65.9939 FFS2-6 -1.5709 33.8

6’ 0 -17.82 20.448 -19.82 -461.4041 -461.4041 FFS1-5 1.5709 33.8

7’ 0 -22.97 29.551 -74.22 -27.8292 -55.5115 FFS2-7 1

I’ 0 -28.22 28.347 -57.27

FFS1-1 c1 1.77E+02 c5 -3.77E-05 c6 -1.84E-04 c10 4.26E-08

c11 -4.34E-06 c12 6.17E-08 c13 -2.91E-09 c14 -6.97E-09

c20 -9.56E-11 c21 -1.31E-11 c22 7.44E-10 c23 -7.94E-12

c24 -3.56E-13 c25 1.27E-12 c26 -1.25E-12

FFS2-2 cx1 -6.77E+01 cy1 -5.45E+01 c5 -3.96E-01 c6 5.20E-02

c10 -2.12E-04 c11 -2.67E-04 c12 -4.77E-06 c13 -3.48E-06

c14 5.16E-08 c20 3.22E-08 c21 -2.68E-09 c22 -8.20E-11

c23 4.11E-10 c24 8.14E-10 c25 -1.12E-11 c26 -6.70E-12

FFS2-3 cx1 -3.07E+00 cy1 -5.60E+00 c5 -2.81E-03 c6 -3.58E-03

c10 5.76E-05 c11 1.11E-04 c12 8.96E-06 c13 1.52E-06

c14 9.61E-07 c20 3.38E-08 c21 4.57E-08 c22 -1.59E-08

c23 1.34E-08 c24 5.51E-09 c25 7.59E-09 c26 1.33E-09

FFS2-4 cx1 -7.85E+00 cy1 -7.62E-01 c5 1.85E-03 c6 1.46E-03

c10 1.35E-05 c11 2.02E-05 c12 -1.92E-08 c13 8.78E-08

c14 7.69E-08 c20 7.00E-10 c21 2.19E-09 c22 4.14E-09

c23 -2.14E-10 c24 3.45E-11 c25 2.71E-11 c26 6.81E-12

FFS1-5 c1 3.02E+01 c5 3.41E-04 c6 -2.34E-04 c10 2.80E-07

c11 -6.22E-06 c12 2.33E-07 c13 -2.57E-08 c14 1.02E-09

c20 8.60E-11 c21 -7.71E-10 c22 3.63E-09 c23 6.37E-11

c24 9.44E-12 c25 -2.03E-12 c26 -1.72E-12

FFS2-6 cx1 -2.06E+00 cy1 2.80E-01 c5 1.64E-04 c6 -3.19E-04

c10 5.52E-06 c11 -7.54E-07 c12 5.85E-08 c13 2.87E-08

c14 -2.51E-08 c20 -6.20E-10 c21 7.33E-10 c22 -3.27E-11

c23 1.86E-10 c24 4.53E-12 c25 -4.07E-11 c26 3.09E-11

FFS2-7 cx1 -2.72E+00 cy1 -4.12E+01 c5 -3.86E-03 c6 -2.83E-03

c10 1.50E-05 c11 -3.31E-04 c12 5.53E-06 c13 8.77E-07

c14 -1.65E-06 c20 4.31E-08 c21 1.12E-07 c22 -5.53E-07

c23 2.86E-08 c24 -1.71E-09 c25 5.60E-09 c26 3.93E-09

在本实施例中，出射光瞳具有椭圆形状，其沿垂直方向的短轴具有9.6mm的长度，并且其沿水平方向的长轴具有12mm的长度。第一显示元件1和第二显示元件2中的每一个中的显示原始图像的显示区域具有约0.59英寸(12mm×9mm)的对角尺寸。本实施例中的光学系统为这样的显示光学系统，即该显示光学系统以50度的水平视角和38度的垂直视角在z轴上的沿正方向的无限远位置处显示放大合成图像53。

在本实施例中，分别通过两个显示元件1和2显示完整水平视角的两个25度水平视角，另一方面，由于垂直视角未被分割，因此通过显示元件1和2中的每一个显示38度垂直视角。

〔实施例7〕

图19表示作为本发明的第七实施例(实施例7)的HMD(图像显示装置)。如同实施例6，本实施例的HMD将来自针对沿作为其光学系统的偏心截面的方向的水平方向分割成的两个视角设置的两个显示元件的光束引向其出射光瞳。但是，在本实施例中，在两个显示元件上显示的原始图像具有显示相同的图像的重叠区域。

附图标记54、55、56分别表示第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件，每个光学元件形成为棱镜。第一光学元件54具有三个表面S2(S4)、S3和S5。第二光学元件55具有三个表面S4′(S6′)、S5′和S7′。第三光学元件56具有三个表面，包括与第一光学元件54接合的表面S3、与第一光学元件54的表面S2连续的表面(S2)和表面S3′。表面S2和表面S4形成为同一表面，并且，表面S4′和表面S6′形成为同一表面。附图标记70和71分别表示第一显示元件和第二显示元件。表面SI和表面SI′分别是第一显示元件70和第二显示元件71的显示表面。附图标记S1表示出射光瞳。光路和光学作用与实施例6的那些相同。

同样，在本实施例中，希望第一光学元件54的表面S4上的反射和第二光学元件55的表面S6′上的反射为每个棱镜内的内部全反射。这种内部全反射减少了光量损失，以使得能够呈现明亮的放大合成图像61。

在来自第一显示元件70的第一光束57和来自第二显示元件71的第二光束58中，被引向放大合成图像61中的相同点的部分光束(光束分量)如图20所示在出射光瞳面上相互重叠。在出射光瞳面上，第一光束57形成出射光瞳的左侧区域，并且第二光束58形成出射光瞳的右侧区域。另外，第一光束57和第二光束58在出射光瞳的中心区域中相互重叠。

以下描述光学系统将50度的水平视角分割成两个视角并且在第一显示元件70和第二显示元件71上显示的第一原始图像59和第二原始图像60包含对应于6度的视角的重叠区域的情况。出射光瞳的水平宽度(直径)为12mm。

在该光学系统中，当眼睛的转动半径为12mm时，观察25度的左侧最大视角的方向的眼睛的瞳孔的中心相对于观察0度的视角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左移动5.1mm。在这种状态下，如果第二光束58被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成与第二显示元件71对应的完整视角的所有光线入射到眼睛的瞳孔的至少一半的区域。由此，可以实现形成这样的光学系统，即通过该光学系统，形成由与第一显示元件70和第二显示元件71对应的视角构成的完整视角的光束(光线)被引向眼睛的瞳孔。

因此，只需要第二光束58的水平宽度相对于12mm的出射光瞳直径在左侧为5.1mm并且在右侧为6mm。类似地，只需要第一光束57的水平宽度相对于12mm的出射光瞳直径在左侧为6mm并且在右侧为5.1mm。

但是，在本实施例中，原始图像包含重叠区域。因此，在第一显示元件70上显示的第一原始图像59的重叠区域中的从0度视角到右侧6度视角的光束被引入观察左侧最大视角的方向的眼睛的瞳孔的中心。因此，如果在第二显示元件71上显示的第二原始图像60的重叠区域中的从右侧6度视角到右侧25度视角的光束被引入眼睛的瞳孔的中心，那么可以实现这样的光学系统，即通过该光学系统，形成完整视角的光束被引入眼睛的瞳孔。

在这种情况下，只需要第二光束58的水平宽度对于12mm的出射光瞳直径在左侧为3.3mm并且在右侧为6mm。类似地，只需要第一光束57的水平宽度相对于12mm的出射光瞳直径在左侧为6mm并且在右侧为3.3mm。

如上所述，在本实施例中，在分别在第一显示元件70和第二显示元件71上显示的第一原始图像59和第二原始图像60中设置重叠区域。因此，将在光学系统的偏心截面中在出射光瞳面上的第一光束57和第二光束58的重叠比设为出射光瞳的约55％使得能够实现这样的光学系统，即通过该光学系统，完整视角的光束被引向眼睛的瞳孔。在出射光瞳面上的第一光束57和第二光束58的重叠比为出射光瞳的约55％的情况下，当眼睛向左转动时，如图21A所示，来自第二显示元件71的形成右侧浅视角的光束没有被引向出射光瞳的左侧边缘。但是，如图21B所示，来自在第一显示元件70上显示的第一原始图像59中的重叠区域的光束被引向出射光瞳的左侧边缘。结果，如图21C所示，光束被引向出射光瞳的整个区域。

而且，在本实施例中，限制表面S3和S5′的有效区域使得能够将出射光瞳面上的第一光束57和第二光束58的重叠比设为预定值。但是，由于在本实施例中两个原始图像包含重叠区域，因此，如实施例4那样设置挡板或通过诸如涂黑部件的遮光元件限制表面S5和S7′的有效区域防止了来自重叠区域的光束进入第一光学元件54和第二光学元件55，这是不希望的。

此外，还在本实施例中，第一光学元件54的表面S3由半透半反镜表面构成，并且，第三光学元件56的表面S2具有50％的透射率，以便以相同的亮度将来自第一显示元件70和第二显示元件71的第一光束57和第二光束58引向出射光瞳。但是，第一光束57和第二光束58相互重叠的出射光瞳面的区域具有比其它区域的亮度高的亮度，因此，希望如实施例4那样在光路上设置光量减少元件或降低两个原始图像的重叠区域的亮度。

在本实施例中，被观察的放大合成图像61形成为使得第一原始图像59和第二原始图像60在各重叠区域(在图中显示“B”的区域)中相互重叠。由于在本实施例中在两个原始图像59和60中设置重叠区域，因此每个显示元件的图像信息呈现效率比实施例6稍低。但是，被引向相同像点的光束的重叠比变得比不设置重叠区域的情况小，该重叠是当眼睛转动时观察到连续(无缝)放大合成图像所必需的。这使得能够减小光学系统的厚度。

而且，在本实施例中，在原始图像中设置重叠区域使得能够通过改变重叠区域的尺寸调整合成的放大图像的边界部分处的间隙，该间隙是由于棱镜的制造误差或显示元件和棱镜之间的位置偏移导致的。因此，即使光学系统需要的精度比不设置重叠区域的情况低，本实施例也可呈现其中与各原始图像对应的放大图像的边界部分中的接合线不明显的连续放大合成图像。

虽然本实施例描述了重叠区域具有对应于6度的视角的尺寸的情况，但是，重叠区域的尺寸不限于此。但是，放大重叠区域降低了显示元件的图像信息呈现效率，这使得难以实现宽的视角。因此，希望重叠区域的尺寸小，例如，为对应于10度或更小的视角的尺寸。

此外，与重叠区域对应的放大合成图像的区域具有为其它区域的亮度的两倍的亮度，在出射光瞳面上第一光束57和第二光束58相互重叠的区域就是如此。因此，希望在第一光束57和第二光束58到达与重叠区域对应的放大合成图像的区域的光路上设置诸如中性密度(ND)滤光片的光量减少元件，或者降低两个原始图像的重叠区域的亮度。

表4示出当表面S2～S5和表面S3′～S7′是其的唯一对称平面是图19的纸面(y-z截面)的非旋转对称表面时的本实施例的光学数据。

〔表4〕

SURF X Y Z A Rx Ry TYP Nd vd

1 0 0 0 0

2 0 -15.71 20 -0.067 -876.1563 -876.1563 FFS1-1 1.5709 33.8

3 0 -23.75 2.968 -53.17 -44.8425 -58.3308 FFS2-2 -1.5709 33.8

4 0 -15.71 20 -0.067 -876.1563 -876.1563 FFS1-1 1.5709 33.8

5 0 22.739 28.721 57.193 -8.7152 -3.0933 FFS2-3 1

I 0 24.38 30.399 48.538

3’ 0 -24.97 14.225 -54.88 -71.1719 -17.2091 FFS2-4 1

4’ 0 -19.19 19.726 -25.03 -63.7117 -63.7117 FFS1-5 1.5709 33.8

5’ 0 8.181 25.267 32.245 -49.7102 -59.5281 FFS2-6 -1.5709 33.8

6’ 0 -19.19 19.726 -25.03 -63.7117 -63.7117 FFS1-5 1.5709 33.8

7’ 0 -21.62 29.13 -65.86 -21.2751 -7.0811 FFS2-7 1

I’ 0 -24.65 26.815 -65.81

FFS1-1 c1 4.23E+02 c5 -2.76E-03 c6 -1.63E-03 c10 -2.54E-07

c11 -1.73E-05 c12 1.72E-07 c13 -4.66E-08 c14 -2.77E-08

c20 -3.55E-10 c21 -5.18E-10 c22 5.88E-09 c23 -2.11E-10

c24 -1.01E-12 c25 8.26E-12 c26 -7.84E-12

FFS2-2 cx1 -5.83E+01 cy1 -4.48E+01 c5 -2.04E-01 c6 6.21E-02

c10 -4.77E-04 c11 1.04E-04 c12 2.32E-06 c13 -1.50E-05

c14 1.96E-07 c20 -4.74E-08 c21 2.32E-08 c22 7.52E-11

c23 -2.43E-10 c24 1.11E-09 c25 2.63E-11 c26 6.64E-13

FFS2-3 cx1 -1.26E+01 cy1 -5.91E+00 c5 -3.68E-03 c6 -2.35E-03

c10 7.55E-04 c11 -6.30E-04 c12 2.30E-05 c13 -2.38E-05

c14 -1.90E-06 c20 7.92E-08 c21 -7.79E-07 c22 1.58E-06

c23 5.45E-08 c24 -4.52E-08 c25 7.90E-08 c26 -1.26E-08

FFS2-4 cx1 -1.11E+02 cy1 -6.51E+00 c5 6.20E-03 c6 -2.68E-03

c10 -6.64E-05 c11 -2.70E-05 c12 1.70E-07 c13 -6.61E-08

c14 -4.24E-07 c20 4.21E-10 c21 -2.16E-08 c22 1.71E-09

c23 7.38E-10 c24 8.74E-10 c25 -8.46E-11 c26 9.89E-11

FFS1-5 c1 -4.27E+01 c5 6.73E-04 c6 -1.02E-03 c10 -4.46E-06

c11 -5.93E-05 c12 4.62E-07 c13 7.68E-09 c14 -8.76E-08

c20 -8.34E-10 c21 8.63E-10 c22 -1.88E-08 c23 -4.63E-10

c24 -4.86E-11 c25 -6.10E-11 c26 2.01E-12

FFS2-6 cx1 -1.24E+00 cy1 -3.40E-01 c5 -7.13E-04 c6 -1.39E-03

c10 5.41E-06 c11 -1.16E-05 c12 1.78E-07 c13 2.58E-08

c14 -2.19E-07 c20 2.19E-09 c21 1.66E-09 c22 -1.04E-08

c23 1.56E-10 c24 -4.96E-11 c25 -1.60E-11 c26 2.99E-11

FFS2-7 cx1 -9.48E+00 cy1 -1.16E+01 c5 1.66E-02 c6 -8.05E-04

c10 1.57E-04 c11 1.43E-04 c12 -2.12E-05 c13 -1.97E-05

c14 -7.86E-06 c20 -1.22E-07 c21 -2.97E-07 c22 -1.68E-06

c23 5.02E-08 c24 4.48E-09 c25 3.93E-09 c26 9.93E-09

在本实施例中，出射光瞳具有椭圆形状，其沿垂直方向的短轴具有9.6mm的长度，并且其沿水平方向的长轴具有12mm的长度。第一显示元件70和第二显示元件71中的每一个中的显示原始图像的显示区域具有约0.59英寸(12mm×9mm)的对角尺寸。本实施例中的光学系统是这样的显示光学系统，即该显示光学系统以50度的水平视角和38度的垂直视角在z轴上的沿正方向的无限远位置处显示放大合成图像61。

在本实施例中，两个显示元件70和71分别显示两个31度水平视角，每个该31度水平视角包含与50度的完整水平视角的一半对应的25度视角和与重叠区域对应的6度的视角。另一方面，由于垂直视角没有被分割，因此通过显示元件70和71中的每一个显示38度的垂直视角。

如上所述，每个实施例可实现能够以宽的视角呈现放大合成图像并且即使当观察者的眼睛转动时也可抑制图像缺失的产生的又小又薄的HMD。换句话说，每个实施例允许第一光束和第二光束的光束分量在出射光瞳面上重叠，这些光束分量被引向放大合成图像中的相同像点。这使得能够通过消除或减少在显示元件上显示的原始图像的重叠区域，将形成完整视角的光束引向观察者的眼睛(瞳孔)。因此，在每个实施例中，图像信息呈现效率得到提高，这使得容易地实现宽的视角。

在实施例2～7中，在出射光瞳面上，被引向放大合成图像中的相同像点的第一光束和第二光束的光束分量的重叠比为出射光瞳的95％或更小(更优选地为85％或更小、又更优选地为80％或更小)。这使得与出射光瞳面上的重叠比为100％的情况相比，能够进一步减小光学系统的厚度。虽然在实施例2中被描述，但是术语“出射光瞳面上的重叠比为出射光瞳的95％或更小”指的是b/a的值为95％(0.95)或更小，其中a代表出射光瞳沿分割视角的方向的宽度，b代表光束分量相互重叠的区域的宽度。

而且，本发明不限于这些实施例，并且，在不背离本发明的范围的条件下可以做出各种变化和修改。

Claims

1.一种图像显示装置，包括：

第一显示元件(101)，被配置为显示第一原始图像(111)；

第二显示元件(102)，被配置为显示第二原始图像(112)；和

光学系统(104，105，6)，被配置为通过来自第一显示元件(101)的第一光束(108)和来自第二显示元件(102)的第二光束(109)向观察者呈现所述第一原始图像和所述第二原始图像的放大合成图像(113)，

其中，所述光学系统包含至少一个反射面(104，105)，并且，

其中，当在其上所述第一光束和所述第二光束的光路通过所述反射面处的反射而转向的光学系统的截面被定义为偏心截面时，所述第一原始图像和所述第二原始图像在偏心截面中与相互不同的视角对应，

其特征在于，分别被包含于第一光束和第二光束中并被引向放大合成图像(113)中的相同像点的光束分量在所述光学系统(104，105，6)的出射光瞳面上相互重叠。

2.根据权利要求1的图像显示装置，

其中，所述反射面(104，105)是偏心反射曲面，并且，

其中，所述偏心反射曲面的局部子午截面与所述偏心截面一致。

3.根据权利要求1的图像显示装置，

其中，所述第一原始图像(111)和所述第二原始图像(112)不包含相同的原始图像部分。

4.根据权利要求1的图像显示装置，

其中，被引向相同像点的光束分量以所述光学系统(104，105，6)的出射光瞳的95％或更小的重叠比相互重叠。