JP3886810B2 - 両眼画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両眼画像表示装置に関し、特に、画像表示素子に表示された左右の眼用の画像を左右の眼に導いて立体像等の観察が可能な画像表示装置であって、持ち歩ける小型の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示装置としては、携帯電話や携帯端末として直視型の液晶表示装置が多く用いられていた。しかし、画素数の多い高精細な表示や動画像を表示するには、表示速度が速く高価なアクティブ・マトリックス液晶を使う必要があり、表示装置が高価になる問題があった。また、消費電力も大きく、長時間の表示を行うためには大きな容量を持った電池を必要とし、大きく重い電池を必要とした。さらに、表示内容を周りの人から覗かれる心配があった。
【０００３】
一方、小型の表示素子を用いて光学系により拡大表示するのもとして、特開昭４８−１０２５２７号のものや、本出願人よる特開平５−３０３０５４号のものがある。これらは、表示装置を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものである。特に、後者は、非回転対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るものである。しかし、表示素子に必要とされる大きさが比較的大きいものが必要であり、直視型の表示装置に比べて特に小型の表示素子が使える訳ではなく、当初の目的を達成することはできない。
【０００４】
次に、本出願人による特開平５−３０３０５５号、特開２０００−２２１４４０に示される投影光学系により、表示素子の映像を空中に１回投影し、その像を凹面鏡によりさらに拡大表示する方法が提案されている。装置としては、特開平７−２７０７８１号、特開平９−１３９９０１号のものがある。
【０００５】
さらに、本出願人は、特願２００１−６６６６９において、表示素子に表示された映像又はその中間像を偏心プリズム光学系からなるリレー光学系により投影し、そのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼球に向けて収束する小型で低消費電力の表示装置を提案している。この表示装置は、リレー光学系で投影像を接眼光学系近傍に投影し、リレー光学系の射出瞳を観察者眼球に投影するものである。
【０００６】
また、特開平９−５６７０号においては、１つの表示素子に面順次で表示された両眼視差のある画像をそれぞれ左右の眼に入射させるのに、バックライトとして面光源を用い、その面光源の左右の眼に対応する領域を表示画像に合わせて照明するものが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特開平９−５６７０号のものの場合、透過型の表示素子をバックライトで照明する方法がとられているが、バックライトを用いているため光の利用効率が悪く像が暗くなってしまう。また、照明光学系を用いることにより像は明るくなるが、照明光学系の光路長の分、装置が大型化してしまい、携帯用には不向きである。
【０００８】
ところで、リレー光学系と接眼光学系とからなる光学系で両眼で観察可能な画像表示装置を構成する場合に、１つの表示素子に左右の眼用の画像を面順次で表示する構成でも、また、左右一対の表示素子に左右の眼用の画像を同時に表示する構成でも何れにおいても、両眼立体視を行う場合、観察可能領域である右眼用と左眼用の射出瞳が重なると、観察される映像は二重像となってしまうことから（クロストーク）、このようなクロストークを避けるために、従来の立体視では、立体像の観察可能領域が顔の左右方向には眼幅の半分程度に制限され、非常に狭かった。また、観察者の眼が射出瞳から外れると最早立体視はできなくなってしまう。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、リレー光学系とそのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の両眼に向けて立体視等が可能な両眼画像表示装置において、観察者の観察位置が動いても右眼用の瞳と左眼用の瞳を重なることなく追従させることでより広範囲での立体視等ができる両眼画像表示装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の両眼画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳位置に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は、左右の眼用の画像を交互に表示する単一の素子からなり、
前記照明光源は、前記左右の眼用の画像に応じて照明領域を切り換え可能に、かつ、その照明領域を移動可能に構成され、
前記射出瞳位置は、前記照明光源の照明領域と共役な位置であって、前記射出瞳位置には左右一対の射出瞳が形成され、
前記射出瞳位置に形成される前記リレー光学系の射出瞳の形が、左右に長い楕円であり、
前記接眼光学系は拡散性の光学面を有し、
前記拡散性の光学面は、上下方向に拡散作用持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右一対の射出瞳の位置が略一致するように、前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第２の両眼画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳位置に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は、左右の眼用の画像を表示する一対の素子からなり、
前記照明光源は、前記一対の素子に対応した別々の照明領域を備え、かつ、その照明領域を移動可能に構成され、
前記射出瞳位置は、前記照明光源の照明領域と共役な位置であって、前記射出瞳位置には左右一対の射出瞳が形成され、
前記射出瞳位置に形成される前記リレー光学系の射出瞳の形が、左右に長い楕円であり、
前記接眼光学系は拡散性の光学面を有し、
前記拡散性の光学面は、上下方向に拡散作用持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右一対の射出瞳の位置が略一致するように、前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の両眼画像表示装置の原理と実施例を説明する。
【００１３】
まず、本発明の両眼画像表示装置の基本形態について説明する。
【００１４】
本発明の両眼画像表示装置の基本形態は、図１に示すように、本体３０上にリレー光学系３１を配置し、その物体の位置に単一あるいは一対の画像表示素子３（図の場合は、単一の画像表示素子を想定している。）を配置し、また、画像表示素子３の背後（画像表示素子３が透過型の場合。反射型の場合は、図３で説明する。）に、図示を省いた照明光学系５（図１０〜図１２等参照）と、面光源からなる照明光源４を配置し、また、リレー光学系３１の射出側に正のパワーを有する接眼光学系３２を配置したものである。照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒ（図２を参照）から出て照明光学系５を経た照明光で照明された画像表示素子３から出た表示光は、リレー光学系３１を経て２つの光軸２Ｌ、２Ｒに沿って進み、接眼光学系３２により観察者両眼近傍に左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを形成する。
【００１５】
ここで、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒと照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒとは光学的に共役な位置に設定される。
【００１６】
このように、照明光源４から出た照明光を画像表示素子３で変調させてリレー光学系３１と接眼光学系３２を経て左右の光軸２Ｌ、２Ｒに沿って導き、画像表示装置の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに投影するようにすることにより、照明光を無駄なく両眼に投影することができ、明るく効率の良い立体像を拡大表示することができる。
【００１７】
ところで、射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置すべき観察者の両眼の位置が外れると、そのままでは左右の射出瞳が観察者の片眼に入って二重像が見えたり全く観察困難になるので、本発明においては、観察者の左右眼球位置を検出する眼球位置検出装置４０を設けて、観察者の左右の眼球位置をその検出装置４０により検出して、その左右の眼球位置に左右の光軸２Ｌ、２Ｒが一致するように、照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒ（図２）を制御し、観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなく追従させることで、より広範囲での立体像観察を可能とする。ここで、眼球位置検出装置４０は、撮像装置４１と、それにより撮像された眼球像を処理して眼球位置を特定する映像処理装置４２と、映像処理装置４２で得られた眼球位置情報に基づいて照明光源４の発光（照明）領域４Ｌ、４Ｒの位置を制御する制御装置４３と、その制御装置４３により発光領域が制御される照明光源４とからなる。
【００１８】
この装置の作用を、図２を参照にしてもう少し詳しく説明する。
【００１９】
図２では、図１と異なり、眼球位置検出装置４０は図示を省いてあり、また、接眼光学系３２は反射型（図１の場合は、透過型）として図示されているが、本質的な構成は同じである。図２に示すように、面光源である照明光源４の左右の照明領域が４ＬA 、４ＲA から４ＬB 、４ＲB の状態に変化すると、左右の射出瞳へ向かう左右の光軸は２ＬA 、２ＲA から２ＬB 、２ＲB へと変化し、それに従って左右の射出瞳も１ＬA 、１ＲA から１ＬB 、１ＲB へと変化する。このように、照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒ（４ＬA 、４ＲA ；４ＬB 、４ＲB ）を移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒ（１ＬA 、１ＲA ；１ＬB 、１ＲB ）も移動させることができるので、上記のように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができる。その結果、上記のように、観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となる。
【００２０】
なお、図１の場合、リレー光学系３１から出た左右の光軸２Ｌ、２Ｒは、反射面３３で折り返し、透過型（屈折型）の接眼光学系３２で観察者両眼に導くように構成されているが、図２の場合は、上記したように、反射型の接眼光学系３２を用いているため、反射面３３は必要ない。また、図１の場合、表示装置の本体３０上に、観察者側から見て、操作ボタン３４をリレー光学系３１より手前に配置している。この配置により、操作ボタン３４のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。
【００２１】
ところで、リレー光学系３１を偏心プリズムで構成する場合に可能な形態としては、図３に示すように、単一の偏心プリズム１０から構成する場合と、図４に示すように、左右同一の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒから構成する場合がある。図３の場合の単一の偏心プリズム１０の場合は、図５にその１例を模式的に示すように、入射面１１と射出面１４と２つの内部反射面１２、１３とを持ち、画像表示素子３から出た光軸（軸上主光線）２Ｌ、２Ｒが光学系内で略交差する構成のものであり、射出面１４を隣接する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる不連続面で構成している。もちろん、他の光学面１１〜１３の１面あるいは複数面をこのような２つの面からなる不連続面で構成してもよい。
【００２２】
図１、図２では、画像表示素子３として透過型のものを想定していたが、反射型の画像表示素子３を用いて小型の画像表示装置とすることができる。リレー光学系３１として偏心プリズムを用いる場合、反射型の画像表示素子３とリレー光学系３１との間の間隔は小さいのが普通であるので、図５に例示するように、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の一部又は全部を介して、面光源の照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒからの照明光を反射型の画像表示素子３の表示面に照射し、その表示面で変調された表示光を再びリレー光学系３１の偏心プリズム１０に入射させて左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに至る光軸２Ｌ、２Ｒに沿って投影させるようにすることが望ましい。図５の場合は、内部反射面１２をハーフミラーで構成し、このをハーフミラー面１２を経て照明光源４からの照明光を偏心プリズム１０内に入射させ、入射面１１からプリズム外にその照明光を射出させて反射型の画像表示素子３の表示面を照明している。
【００２３】
なお、図３のように、リレー光学系３１として、少なくとも１つの光学作用面（反射面あるいは屈折面）を隣接する２つの面からなる不連続面を持つ単一の偏心プリズム１０で構成する場合には、画像表示素子３としては、単一の画像表示素子をその物体面に配置し、両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するようにする。
【００２４】
また、図４のように、リレー光学系３１として、左右同一の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを用いる場合は、それぞれの偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの物体面に別々の画像表示素子３を配置し、それぞれに両眼視差のある左右の眼用の画像を表示するようにする。
【００２５】
ところで、リレー光学系３１により両眼視差のある左右の眼用の画像の像が結像される位置近傍に配置される接眼光学系３２には、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを混在（重複）させない範囲で抑制された指向性を持つ拡散性の光学面を配置して、射出瞳１Ｌ、１Ｒへ向かう光束を太くすることにより、射出瞳１Ｌ、１Ｒの範囲を拡大して両眼で画像を観察できる範囲を広げるようにすることができる。
【００２６】
この場合に、拡散性がない場合の接眼光学系３２により射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置に結像されるリレー光学系３１の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの形は、図６に示すように、左右に長い楕円にして左右方向の射出瞳１Ｌ、１Ｒの径を大きいものとすることが望ましく、そして、接眼光学系３２に配置される拡散性の光学面を、図７（ａ）に示すように上下方向に拡散作用を持ち、図７（ｂ）に示すように左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面とすると、光量を無駄にせずに暗くならず、かつ、射出瞳１Ｌ、１Ｒの範囲を上下左右に拡大して両眼で画像を観察できる範囲が広がる。
【００２７】
なお、本発明におけるリレー光学系３１には、本発明者等がすでに提案している内面反射回数が１回以上の種々の偏心プリズム単体あるいは複数からなる偏心プリズム光学系を用いることができる。その中、代表的なものを例示すると、後記の実施例１〜３の偏心プリズムのように、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するようになっているものを用いることができる。
【００２８】
このような形状の偏心プリズムは、収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００２９】
なお、何れの偏心プリズム１０も、図３のように、単一の偏心プリズム１０から構成する場合には、少なくとも１つの光学作用面（反射面あるいは屈折面）を隣接する２つの面からなる不連続面として構成することにより、画像表示素子３からの光束を２つの光路に分割するようにする。
【００３０】
なお、本発明の両眼画像表示装置は、図１〜図４の接眼光学系３２及び反射面３３を表示装置の本体３０に対して開閉する機構を設けて、携帯時はポケット等に収納するように構成することが可能となる。また、このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高い。
【００３１】
また、このような携帯型の使用形態に限らず、図８に示すように、手持ちビュワータイプの形態にも構成できる。
【００３２】
次に、本発明の両眼画像表示装置に用いられる光学系の数値実施例１〜３について説明する。
【００３３】
実施例１〜３の構成パラメータは後記するが、座標系は、図９〜図２１に示すように、２つ形成される左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒ（図１）（観察者瞳）間の中心を通り、射出瞳１Ｌ、１Ｒの中心を結ぶ直線に垂直であって、光学系の対称面を構成する平面をＹ−Ｚ面として、射出瞳１Ｌ、１Ｒの中心から接眼光学系３２に向かう方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とし、画像表示素子３が位置する側に向かう方向をＹ軸負方向とし、Ｙ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成するＸ軸の方向をＸ軸正方向とする。そして、光学系の原点を接眼光学系３２の射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の面の面頂位置とする。
【００３４】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸））のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００３５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００３６】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００３７】
ただし、Ｚを光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、ｙを光軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００３８】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００３９】
以下に示す数値実施例１〜３は、上記の一方の射出瞳１Ｌから画像表示素子３、３Ｌに向う逆光線追跡で表されている。
【００４０】
実施例１は、片側瞳径横４０ｍｍ、上下１５ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。画像表示素子３としては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００４１】
図９に実施例１のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源（基準位置における左の照明領域）４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１０にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１１にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図、図１２に図１１の光源４Ｌ、４Ｒ、照明光学系５、画像表示素子３、リレー光学系３１の偏心プリズム１０近傍の拡大図、図１３、図１４は図９、図１０に対応する結像光路図であり、光源４Ｌと照明光学系５を省いた図を示す。
【００４２】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３を経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３を経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００４３】
この実施例において、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の第４面１４（数値データ中の５面）は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称な不連続面からなり、左側の射出瞳１Ｌの形成に関与する一方の面１４Ｌのみの面形状を示してある。この面１４ＬはＹ−Ｚ面よりＸ軸負側に設けられ、Ｙ−Ｚ面よりＸ軸正側にはそれと面対称な他方の面１４Ｒが設けられる（図１２）。第４面１４を対称面に対称な２つの光学面１４Ｌ、１４Ｒよりなる不連続面として形成することにより、本実施例の光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）を中心に相互に７５ｍｍは離れた横４０ｍｍ、上下１５ｍｍの瞳径の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを持った光学系が構成できる。
【００４４】
実施例１の光学系は、図９〜図１４に示すように、図３の形態に対応する両眼画像表示装置用の光学系で、射出瞳１Ｌ（１Ｒ）に面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、その反射面３３に面してリレー光学系３１が配置されている。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１０は、画像表示素子３に面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、第４面１４は光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な不連続面を構成する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる。
【００４５】
また、画像表示素子３は透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、照明光学系５として両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３近傍に配置され、その前側焦点面近傍に基準位置における左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【００４６】
この実施例においては、画像表示素子３に両眼視差のある左右の眼用の画像が交互に表示され、その切り換えに同期して左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが選択的に点灯され、時分割で射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像が表示され立体像として表示される。
【００４７】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、照明光学系５のフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる画像表示素子３を背面から照明し、表示光は偏心プリズム１０の第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４の２つの面１４Ｌ、１４Ｒで別々の光路に沿った光束として屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に画像表示素子３の左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で屈折された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【００４８】
そして、本発明に基づき、図１、図２を参照にして説明したように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域である光源４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができ、観察者の観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となり、部品点数が少なく、サイズが小さく、消費電力の小さい両眼画像表示装置となる。
【００４９】
なお、この実施例において、接眼光学系３２の平面（数値データ中の３面）近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【００５０】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、接眼光学系３２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【００５１】
実施例２は、片側瞳径横１５ｍｍ、上下１０ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒとしては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００５２】
図１５に実施例２のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源（基準位置における左の照明領域）４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１６にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１７にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図を示す。
【００５３】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３Ｌを経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３Ｒを経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００５４】
実施例２の光学系は、図１５〜図１７に示すように、図４の形態に対応する両眼画像表示装置用の光学系で、リレー光学系３１は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを用い、それぞれの入射面１１に面して左右別々の画像表示素子３Ｌ、３Ｒを配置し、そのための照明光学系５Ｌ、５Ｒも別々にした例である。
【００５５】
この実施例の光学系は、図１５〜図１７に示すように、射出瞳１Ｌ、１Ｒに面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、その反射面３３に面して一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒからなるリレー光学系３１が配置されている。この実施例の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ画像表示素子３Ｌ、３Ｒに面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒは光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な形状になっている。
【００５６】
また、画像表示素子３Ｌ、３Ｒは透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、それぞれ照明光学系５Ｌ、５Ｒとして両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３Ｌ、３Ｒに接して配置され、それらの前側焦点近傍に左右の光路用の基準位置における光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【００５７】
この実施例においては、左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒに両眼視差のある左右の眼用の画像を表示し、左右の照明光学系５Ｌ、５Ｒを介して左右の光源４Ｌ、４Ｒで照明し、左右の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒで共通の接眼光学系３２近傍に左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒの像を投影し、射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像を立体像として表示するものである。
【００５８】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、左右の照明光学系５Ｌ、５Ｒのフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒを背面から照明し、表示光は左右の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４で屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒの左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で屈折された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【００５９】
そして、本発明に基づき、図１、図２を参照にして説明したように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域である光源４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができ、観察者の観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となり、サイズが小さく、消費電力の小さい両眼画像表示装置となる。
【００６０】
なお、この実施例においても、接眼光学系３２の平面（数値データ中の３面）近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【００６１】
この実施例においては、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、接眼光学系３２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【００６２】
実施例３は、片側瞳径１０ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。画像表示素子３としては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００６３】
図１８に実施例３のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源（基準位置における左の照明領域）４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１９にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図２０にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図、図２１に図２０の光源４Ｌ、４Ｒ、照明光学系５、画像表示素子３、リレー光学系３１の偏心プリズム１０近傍の拡大図を示す。
【００６４】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３を経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３を経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００６５】
この実施例は、実施例１に対して、接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面が自由曲面の透過面２１、反対側の面がフレネル反射面２２からなるフレネル反射鏡２０を用い、光路折り返し用の反射面３３を省いた例であり、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の第４面１４（数値データ中の５面）は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称な不連続面からなり、左側の射出瞳１Ｌの形成に関与する一方の面１４Ｌのみの面形状を示してある。この面１４ＬはＹ−Ｚ面よりＸ軸負側に設けられ、Ｙ−Ｚ面よりＸ軸正側にはそれと面対称な他方の面１４Ｒが設けられる（図２１）。第４面１４を対称面に対称な２つの光学面１４Ｌ、１４Ｒよりなる不連続面として形成することにより、本実施例の光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）を中心に相互に７５ｍｍは離れた瞳径１０ｍｍの左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを持った光学系が構成できる。
【００６６】
実施例３の光学系は、図１８〜図２１に示すように、射出瞳１Ｌ（１Ｒ）に面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面が自由曲面の透過面２１、反対側の面がフレネル反射面２２からなるフレネル反射鏡２０からなり、その反射側にリレー光学系３１が配置されている。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１０は、画像表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、第４面１４は光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な不連続面を構成する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる。
【００６７】
また、画像表示素子３は透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、照明光学系５として両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３近傍に配置され、その前側焦点面近傍に基準位置において左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【００６８】
この実施例においては、画像表示素子３に両眼視差のある左右の眼用の画像が交互に表示され、その切り換えに同期して左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが選択的に点灯され、時分割で射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像が表示され立体像として表示される。
【００６９】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、照明光学系５のフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる画像表示素子３を背面から照明し、表示光は偏心プリズム１０の第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４の２つの面１４Ｌ、１４Ｒで別々の光路に沿った光束として屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は接眼光学系３２のフレネル反射鏡２０の透過面２１上に画像表示素子３の左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で反射された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、フレネル反射鏡２０の透過面２１上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【００７０】
そして、本発明に基づき、図１、図２を参照にして説明したように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域である光源４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができ、観察者の観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となり、部品点数が少なく、サイズが小さく、消費電力の小さい両眼画像表示装置となる。
【００７１】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、フレネル反射鏡２０の透過面２１に自由曲面を用いており、フレネル反射鏡２０のフレネル反射面２２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【００７２】
以下に各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＦＲ”はフレネル面、“ＬＣＤ”は画像表示面、“ＥＩＭ”は結像面をそれぞれ示す。
【００７３】
【００７４】
【００７５】
【００７６】
上記実施例１の片側の光学系の横収差を図２２に示す。この横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【００７７】
ところで、以上の３つの実施例は何れも、画像表示素子３、３Ｌ、３Ｒとしては透過型液晶表示素子を用いているが、その代わりに反射型液晶表示素子、ＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）等の反射型画像表示素子を用いて、より小型でコンパクトな構成で、かつ、低消費電力で、立体視可能な画像表示装置を構成することができる。その場合には、図５に例示したように、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０、１０Ｌ、１０Ｒの一部又は全部を介して、照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒからの照明光を反射型画像表示素子３の表示面に照射し、その表示面で変調された表示光を再びそのリレー光学系３１の偏心プリズム１０、１０Ｌ、１０Ｒに入射させて左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに至る光軸２Ｌ、２Ｒに沿って投影させるようにする。
【００７８】
ところで、眼球位置検出装置４０で検出された観察者の左右眼球位置情報に基づいて照明領域４Ｌ、４Ｒを任意に移動できる照明光源４としては、ＬＥＤの２次元アレイ、２次元有機ＥＬ、バックライトで照射される透過型液晶表示素子等を用いることができるが、面光源の前に一対の開口を配置してその開口を機械的に移動できるもの、あるいは、一対の機械的に移動可能な点光源からなるものであってもよい。
【００７９】
なお、照明領域４Ｌ、４Ｒの移動範囲は、リレー光学系３１と接眼光学系３２で光線がケラレない範囲で移動できる。
【００８０】
また、本発明の両眼画像表示装置のリレー光学系に用いる偏心プリズム光学系としては、以上の実施例１〜３で用いたタイプに限定されず、他のタイプの偏心プリズム単体あるいはそれらの偏心プリズムの組み合わせからなる光学系を用いることができる。
【００８１】
以上の本発明の両眼画像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【００８２】
〔１〕 画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子により変調された表示光を投影して前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は左右の眼用の画像を交互に表示する単一の画像表示素子からなり、
前記照明光源は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像に応じて別々の照明領域に切り換えられ、かつ、その照明領域を移動させることができる光源からなり、
前記射出瞳は、前記照明光源の照明領域に応じて定まる左右の一対の射出瞳からなり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右の一対の射出瞳が略一致するように、前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とする両眼画像表示装置。
【００８３】
〔２〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像を前記接眼光学系近傍に結像するように構成されていることを特徴とする上記１記載の両眼画像表示装置。
【００８４】
〔３〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された画像を物点としてその物点から発する光束を２つの光路に分割する光学系からなることを特徴とする上記１又は２記載の両眼画像表示装置。
【００８５】
〔４〕 前記リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを有し、その偏心プリズムが、前記物点から発せられた光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、かつ、少なくとも１つの回転非対称面を有し、少なくとも１つの光学作用面は隣接する少なくとも２つの面からなる不連続面で構成され、他の光学作用面は分割された少なくとも２つの光路内に共通に配置されてなることを特徴とする上記３記載の両眼画像表示装置。
【００８６】
〔５〕 前記画像表示素子が反射型画像表示素子からなり、前記偏心プリズムの一部又は全部を介して、前記照明光源の前記照明領域からの照明光が前記反射型画像表示素子に照射されることを特徴とする上記４記載の両眼画像表示装置。
【００８７】
〔６〕 前記画像表示素子が透過型画像表示素子からなることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００８８】
〔７〕 前記照明光源は、照明領域を任意の位置に設定可能な面光源からなることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００８９】
〔８〕 画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子により変調された表示光を投影して前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は左右の眼用の画像を表示する一対の画像表示素子からなり、
前記照明光源は、前記一対の画像表示素子に対応した別々の照明領域を備え、かつ、その照明領域を移動させることができる光源からなり、
前記射出瞳は、前記照明光源の照明領域に応じて定まる左右の一対の射出瞳からなり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右の一対の射出瞳が略一致するように、前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とする両眼画像表示装置。
【００９０】
〔９〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像を前記接眼光学系近傍に結像するように構成されていることを特徴とする上記８記載の両眼画像表示装置。
【００９１】
〔１０〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像各々を物点としてそれら物点から発する光束を別々の光路に導く光学系からなることを特徴とする上記８又は９記載の両眼画像表示装置。
【００９２】
〔１１〕 前記リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された一対の偏心プリズムを有し、各偏心プリズムは、対応する画像表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、その少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える回転非対称面からなることを特徴とする上記１０記載の両眼画像表示装置。
【００９３】
〔１２〕 前記画像表示素子が反射型画像表示素子からなり、前記偏心プリズムの一部又は全部を介して、前記照明光源の前記照明領域からの照明光が前記反射型画像表示素子に照射されることを特徴とする上記１１記載の両眼画像表示装置。
【００９４】
〔１３〕 前記画像表示素子が透過型画像表示素子からなることを特徴とする上記８から１１の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００９５】
〔１４〕 前記照明光源は、照明領域を任意の位置に設定可能な面光源からなることを特徴とする上記８から１３の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００９６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、観察者の観察位置が動いても右眼用の瞳と左眼用の瞳を重なることなく追従させることでより広範囲での立体視等ができ、小型で部品点数が少なく、携帯可能な両眼画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の両眼画像表示装置の基本形態を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の両眼画像表示装置の作用を詳しく説明するための図である。
【図３】リレー光学系を単一の偏心プリズムから構成する場合の両眼画像表示装置の構成を示す模式的斜視図である。
【図４】リレー光学系を一対の偏心プリズムから構成する場合の両眼画像表示装置の構成を示す模式的斜視図である。
【図５】リレー光学系を構成する単一の偏心プリズムの例示と画像表示素子を反射型で構成する場合の照明光源の配置と照明光の導入方法の例示を示す模式的斜視図である。
【図６】左右に長い楕円にして形成される射出瞳を示す図である。
【図７】接眼光学系に配置される拡散性の光学面の拡散性を説明するための図である。
【図８】手持ちビュワータイプの形態に構成された本発明の両眼画像表示装置を示す模式的斜視図である。
【図９】本発明の実施例１の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１０】実施例１の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１１】実施例１の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１２】図１１の光源、照明光学系、画像表示素子、リレー光学系の偏心プリズム近傍の拡大図である。
【図１３】図９に対応する結像光路図である。
【図１４】図１０に対応する結像光路図である。
【図１５】実施例２の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１６】実施例２の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１７】実施例２の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１８】実施例３の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１９】実施例３の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図２０】実施例３の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図２１】図２０の光源、照明光学系、画像表示素子、リレー光学系の偏心プリズム近傍の拡大図である。
【図２２】実施例１の片側の光学系の横収差を示す図である。
【符号の説明】
１Ｌ、１Ｒ…射出瞳
２Ｌ、２Ｒ…光軸
３、３Ｌ、３Ｒ…画像表示素子
４…照明光源
４Ｌ、４Ｒ…照明領域
５、５Ｌ、５Ｒ…照明光学系
１０、１０Ｌ、１０Ｒ…偏心プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１４Ｌ、１４Ｒ…不連続面を構成する光学面
２０…フレネル反射鏡
２１…接眼光学系の射出瞳側の透過面
２２…接眼光学系の反対側のフレネル反射面
３０…表示装置本体
３１…リレー光学系
３２…接眼光学系
３３…反射面（平面鏡）
３４…操作ボタン
４０…眼球位置検出装置
４１…撮像装置
４２…映像処理装置
４３…制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、両眼画像表示装置に関し、特に、画像表示素子に表示された左右の眼用の画像を左右の眼に導いて立体像等の観察が可能な画像表示装置であって、持ち歩ける小型の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示装置としては、携帯電話や携帯端末として直視型の液晶表示装置が多く用いられていた。しかし、画素数の多い高精細な表示や動画像を表示するには、表示速度が速く高価なアクティブ・マトリックス液晶を使う必要があり、表示装置が高価になる問題があった。また、消費電力も大きく、長時間の表示を行うためには大きな容量を持った電池を必要とし、大きく重い電池を必要とした。さらに、表示内容を周りの人から覗かれる心配があった。
【０００３】
一方、小型の表示素子を用いて光学系により拡大表示するのもとして、特開昭４８−１０２５２７号のものや、本出願人よる特開平５−３０３０５４号のものがある。これらは、表示装置を凹面鏡を用いて虚像として拡大表示するものである。特に、後者は、非回転対称な反射面を用いて収差の少ない投影像を得るものである。しかし、表示素子に必要とされる大きさが比較的大きいものが必要であり、直視型の表示装置に比べて特に小型の表示素子が使える訳ではなく、当初の目的を達成することはできない。
【０００４】
次に、本出願人による特開平５−３０３０５５号、特開２０００−２２１４４０に示される投影光学系により、表示素子の映像を空中に１回投影し、その像を凹面鏡によりさらに拡大表示する方法が提案されている。装置としては、特開平７−２７０７８１号、特開平９−１３９９０１号のものがある。
【０００５】
さらに、本出願人は、特願２００１−６６６６９において、表示素子に表示された映像又はその中間像を偏心プリズム光学系からなるリレー光学系により投影し、そのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の眼球に向けて収束する小型で低消費電力の表示装置を提案している。この表示装置は、リレー光学系で投影像を接眼光学系近傍に投影し、リレー光学系の射出瞳を観察者眼球に投影するものである。
【０００６】
また、特開平９−５６７０号においては、１つの表示素子に面順次で表示された両眼視差のある画像をそれぞれ左右の眼に入射させるのに、バックライトとして面光源を用い、その面光源の左右の眼に対応する領域を表示画像に合わせて照明するものが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特開平９−５６７０号のものの場合、透過型の表示素子をバックライトで照明する方法がとられているが、バックライトを用いているため光の利用効率が悪く像が暗くなってしまう。また、照明光学系を用いることにより像は明るくなるが、照明光学系の光路長の分、装置が大型化してしまい、携帯用には不向きである。
【０００８】
ところで、リレー光学系と接眼光学系とからなる光学系で両眼で観察可能な画像表示装置を構成する場合に、１つの表示素子に左右の眼用の画像を面順次で表示する構成でも、また、左右一対の表示素子に左右の眼用の画像を同時に表示する構成でも何れにおいても、両眼立体視を行う場合、観察可能領域である右眼用と左眼用の射出瞳が重なると、観察される映像は二重像となってしまうことから（クロストーク）、このようなクロストークを避けるために、従来の立体視では、立体像の観察可能領域が顔の左右方向には眼幅の半分程度に制限され、非常に狭かった。また、観察者の眼が射出瞳から外れると最早立体視はできなくなってしまう。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、リレー光学系とそのリレー光学系からの光束を接眼光学系により観察者の両眼に向けて立体視等が可能な両眼画像表示装置において、観察者の観察位置が動いても右眼用の瞳と左眼用の瞳を重なることなく追従させることでより広範囲での立体視等ができる両眼画像表示装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の両眼画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳位置に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は、左右の眼用の画像を交互に表示する単一の素子からなり、
前記照明光源は、前記左右の眼用の画像に応じて照明領域を切り換え可能に、かつ、その照明領域を移動可能に構成され、
前記射出瞳位置は、前記照明光源の照明領域と共役な位置であって、前記射出瞳位置には左右一対の射出瞳が形成され、
前記射出瞳位置に形成される前記リレー光学系の射出瞳の形が、左右に長い楕円であり、
前記接眼光学系は拡散性の光学面を有し、
前記拡散性の光学面は、上下方向に拡散作用持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右一対の射出瞳の位置が略一致するように、前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第２の両眼画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳位置に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は、左右の眼用の画像を表示する一対の素子からなり、
前記照明光源は、前記一対の素子に対応した別々の照明領域を備え、かつ、その照明領域を移動可能に構成され、
前記射出瞳位置は、前記照明光源の照明領域と共役な位置であって、前記射出瞳位置には左右一対の射出瞳が形成され、
前記射出瞳位置に形成される前記リレー光学系の射出瞳の形が、左右に長い楕円であり、
前記接眼光学系は拡散性の光学面を有し、
前記拡散性の光学面は、上下方向に拡散作用持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右一対の射出瞳の位置が略一致するように、前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の両眼画像表示装置の原理と実施例を説明する。
【００１３】
まず、本発明の両眼画像表示装置の基本形態について説明する。
【００１４】
本発明の両眼画像表示装置の基本形態は、図１に示すように、本体３０上にリレー光学系３１を配置し、その物体の位置に単一あるいは一対の画像表示素子３（図の場合は、単一の画像表示素子を想定している。）を配置し、また、画像表示素子３の背後（画像表示素子３が透過型の場合。反射型の場合は、図３で説明する。）に、図示を省いた照明光学系５（図１０〜図１２等参照）と、面光源からなる照明光源４を配置し、また、リレー光学系３１の射出側に正のパワーを有する接眼光学系３２を配置したものである。照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒ（図２を参照）から出て照明光学系５を経た照明光で照明された画像表示素子３から出た表示光は、リレー光学系３１を経て２つの光軸２Ｌ、２Ｒに沿って進み、接眼光学系３２により観察者両眼近傍に左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを形成する。
【００１５】
ここで、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒと照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒとは光学的に共役な位置に設定される。
【００１６】
このように、照明光源４から出た照明光を画像表示素子３で変調させてリレー光学系３１と接眼光学系３２を経て左右の光軸２Ｌ、２Ｒに沿って導き、画像表示装置の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに投影するようにすることにより、照明光を無駄なく両眼に投影することができ、明るく効率の良い立体像を拡大表示することができる。
【００１７】
ところで、射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置すべき観察者の両眼の位置が外れると、そのままでは左右の射出瞳が観察者の片眼に入って二重像が見えたり全く観察困難になるので、本発明においては、観察者の左右眼球位置を検出する眼球位置検出装置４０を設けて、観察者の左右の眼球位置をその検出装置４０により検出して、その左右の眼球位置に左右の光軸２Ｌ、２Ｒが一致するように、照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒ（図２）を制御し、観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなく追従させることで、より広範囲での立体像観察を可能とする。ここで、眼球位置検出装置４０は、撮像装置４１と、それにより撮像された眼球像を処理して眼球位置を特定する映像処理装置４２と、映像処理装置４２で得られた眼球位置情報に基づいて照明光源４の発光（照明）領域４Ｌ、４Ｒの位置を制御する制御装置４３と、その制御装置４３により発光領域が制御される照明光源４とからなる。
【００１８】
この装置の作用を、図２を参照にしてもう少し詳しく説明する。
【００１９】
図２では、図１と異なり、眼球位置検出装置４０は図示を省いてあり、また、接眼光学系３２は反射型（図１の場合は、透過型）として図示されているが、本質的な構成は同じである。図２に示すように、面光源である照明光源４の左右の照明領域が４ＬA 、４ＲA から４ＬB 、４ＲB の状態に変化すると、左右の射出瞳へ向かう左右の光軸は２ＬA 、２ＲA から２ＬB 、２ＲB へと変化し、それに従って左右の射出瞳も１ＬA 、１ＲA から１ＬB 、１ＲB へと変化する。このように、照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒ（４ＬA 、４ＲA ；４ＬB 、４ＲB ）を移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒ（１ＬA 、１ＲA ；１ＬB 、１ＲB ）も移動させることができるので、上記のように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができる。その結果、上記のように、観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となる。
【００２０】
なお、図１の場合、リレー光学系３１から出た左右の光軸２Ｌ、２Ｒは、反射面３３で折り返し、透過型（屈折型）の接眼光学系３２で観察者両眼に導くように構成されているが、図２の場合は、上記したように、反射型の接眼光学系３２を用いているため、反射面３３は必要ない。また、図１の場合、表示装置の本体３０上に、観察者側から見て、操作ボタン３４をリレー光学系３１より手前に配置している。この配置により、操作ボタン３４のボタン操作をする手で光路を遮ることがなく、ボタン操作する度に映像を遮断してしまう問題を避けることが可能となる。
【００２１】
ところで、リレー光学系３１を偏心プリズムで構成する場合に可能な形態としては、図３に示すように、単一の偏心プリズム１０から構成する場合と、図４に示すように、左右同一の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒから構成する場合がある。図３の場合の単一の偏心プリズム１０の場合は、図５にその１例を模式的に示すように、入射面１１と射出面１４と２つの内部反射面１２、１３とを持ち、画像表示素子３から出た光軸（軸上主光線）２Ｌ、２Ｒが光学系内で略交差する構成のものであり、射出面１４を隣接する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる不連続面で構成している。もちろん、他の光学面１１〜１３の１面あるいは複数面をこのような２つの面からなる不連続面で構成してもよい。
【００２２】
図１、図２では、画像表示素子３として透過型のものを想定していたが、反射型の画像表示素子３を用いて小型の画像表示装置とすることができる。リレー光学系３１として偏心プリズムを用いる場合、反射型の画像表示素子３とリレー光学系３１との間の間隔は小さいのが普通であるので、図５に例示するように、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の一部又は全部を介して、面光源の照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒからの照明光を反射型の画像表示素子３の表示面に照射し、その表示面で変調された表示光を再びリレー光学系３１の偏心プリズム１０に入射させて左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに至る光軸２Ｌ、２Ｒに沿って投影させるようにすることが望ましい。図５の場合は、内部反射面１２をハーフミラーで構成し、このをハーフミラー面１２を経て照明光源４からの照明光を偏心プリズム１０内に入射させ、入射面１１からプリズム外にその照明光を射出させて反射型の画像表示素子３の表示面を照明している。
【００２３】
なお、図３のように、リレー光学系３１として、少なくとも１つの光学作用面（反射面あるいは屈折面）を隣接する２つの面からなる不連続面を持つ単一の偏心プリズム１０で構成する場合には、画像表示素子３としては、単一の画像表示素子をその物体面に配置し、両眼視差のある左右の眼用の画像を交互に表示するようにする。
【００２４】
また、図４のように、リレー光学系３１として、左右同一の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを用いる場合は、それぞれの偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの物体面に別々の画像表示素子３を配置し、それぞれに両眼視差のある左右の眼用の画像を表示するようにする。
【００２５】
ところで、リレー光学系３１により両眼視差のある左右の眼用の画像の像が結像される位置近傍に配置される接眼光学系３２には、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを混在（重複）させない範囲で抑制された指向性を持つ拡散性の光学面を配置して、射出瞳１Ｌ、１Ｒへ向かう光束を太くすることにより、射出瞳１Ｌ、１Ｒの範囲を拡大して両眼で画像を観察できる範囲を広げるようにすることができる。
【００２６】
この場合に、拡散性がない場合の接眼光学系３２により射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置に結像されるリレー光学系３１の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの形は、図６に示すように、左右に長い楕円にして左右方向の射出瞳１Ｌ、１Ｒの径を大きいものとすることが望ましく、そして、接眼光学系３２に配置される拡散性の光学面を、図７（ａ）に示すように上下方向に拡散作用を持ち、図７（ｂ）に示すように左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面とすると、光量を無駄にせずに暗くならず、かつ、射出瞳１Ｌ、１Ｒの範囲を上下左右に拡大して両眼で画像を観察できる範囲が広がる。
【００２７】
なお、本発明におけるリレー光学系３１には、本発明者等がすでに提案している内面反射回数が１回以上の種々の偏心プリズム単体あるいは複数からなる偏心プリズム光学系を用いることができる。その中、代表的なものを例示すると、後記の実施例１〜３の偏心プリズムのように、２つの反射面を備え、入射面と第１反射面と第２反射面と射出面からなり、入射面と第１反射面とを結ぶ光路が第２反射面と射出面とを結ぶ光路とプリズム内で交差するようになっているものを用いることができる。
【００２８】
このような形状の偏心プリズムは、収差補正の自由度が高くなり、収差の発生が少ない。さらに、２つの反射面の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正し合い、収差発生が少ない。また、光路がプリズム内で交差光路を形成する構成のために、単に光路を折り返す構造のプリズムに比較して光路長を長く取ることが可能で、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００２９】
なお、何れの偏心プリズム１０も、図３のように、単一の偏心プリズム１０から構成する場合には、少なくとも１つの光学作用面（反射面あるいは屈折面）を隣接する２つの面からなる不連続面として構成することにより、画像表示素子３からの光束を２つの光路に分割するようにする。
【００３０】
なお、本発明の両眼画像表示装置は、図１〜図４の接眼光学系３２及び反射面３３を表示装置の本体３０に対して開閉する機構を設けて、携帯時はポケット等に収納するように構成することが可能となる。また、このとき、電源も切断する機能を付けておくと、節電効果が高い。
【００３１】
また、このような携帯型の使用形態に限らず、図８に示すように、手持ちビュワータイプの形態にも構成できる。
【００３２】
次に、本発明の両眼画像表示装置に用いられる光学系の数値実施例１〜３について説明する。
【００３３】
実施例１〜３の構成パラメータは後記するが、座標系は、図９〜図２１に示すように、２つ形成される左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒ（図１）（観察者瞳）間の中心を通り、射出瞳１Ｌ、１Ｒの中心を結ぶ直線に垂直であって、光学系の対称面を構成する平面をＹ−Ｚ面として、射出瞳１Ｌ、１Ｒの中心から接眼光学系３２に向かう方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とし、画像表示素子３が位置する側に向かう方向をＹ軸負方向とし、Ｙ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成するＸ軸の方向をＸ軸正方向とする。そして、光学系の原点を接眼光学系３２の射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の面の面頂位置とする。
【００３４】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸、非球面については、後記の（ｂ）式のＺ軸））のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００３５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００３６】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
【００３７】
【００３８】
なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００３９】
以下に示す数値実施例１〜３は、上記の一方の射出瞳１Ｌから画像表示素子３、３Ｌに向う逆光線追跡で表されている。
【００４０】
実施例１は、片側瞳径横４０ｍｍ、上下１５ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。画像表示素子３としては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００４１】
図９に実施例１のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源（基準位置における左の照明領域）４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１０にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１１にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図、図１２に図１１の光源４Ｌ、４Ｒ、照明光学系５、画像表示素子３、リレー光学系３１の偏心プリズム１０近傍の拡大図、図１３、図１４は図９、図１０に対応する結像光路図であり、光源４Ｌと照明光学系５を省いた図を示す。
【００４２】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３を経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３を経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００４３】
この実施例において、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の第４面１４（数値データ中の５面）は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称な不連続面からなり、左側の射出瞳１Ｌの形成に関与する一方の面１４Ｌのみの面形状を示してある。この面１４ＬはＹ−Ｚ面よりＸ軸負側に設けられ、Ｙ−Ｚ面よりＸ軸正側にはそれと面対称な他方の面１４Ｒが設けられる（図１２）。第４面１４を対称面に対称な２つの光学面１４Ｌ、１４Ｒよりなる不連続面として形成することにより、本実施例の光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）を中心に相互に７５ｍｍは離れた横４０ｍｍ、上下１５ｍｍの瞳径の左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを持った光学系が構成できる。
【００４４】
実施例１の光学系は、図９〜図１４に示すように、図３の形態に対応する両眼画像表示装置用の光学系で、射出瞳１Ｌ（１Ｒ）に面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、その反射面３３に面してリレー光学系３１が配置されている。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１０は、画像表示素子３に面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、第４面１４は光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な不連続面を構成する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる。
【００４５】
また、画像表示素子３は透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、照明光学系５として両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３近傍に配置され、その前側焦点面近傍に基準位置における左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【００４６】
この実施例においては、画像表示素子３に両眼視差のある左右の眼用の画像が交互に表示され、その切り換えに同期して左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが選択的に点灯され、時分割で射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像が表示され立体像として表示される。
【００４７】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、照明光学系５のフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる画像表示素子３を背面から照明し、表示光は偏心プリズム１０の第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４の２つの面１４Ｌ、１４Ｒで別々の光路に沿った光束として屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に画像表示素子３の左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で屈折された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【００４８】
そして、本発明に基づき、図１、図２を参照にして説明したように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域である光源４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができ、観察者の観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となり、部品点数が少なく、サイズが小さく、消費電力の小さい両眼画像表示装置となる。
【００４９】
なお、この実施例において、接眼光学系３２の平面（数値データ中の３面）近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【００５０】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、接眼光学系３２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【００５１】
実施例２は、片側瞳径横１５ｍｍ、上下１０ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒとしては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００５２】
図１５に実施例２のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源（基準位置における左の照明領域）４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１６にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図１７にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図を示す。
【００５３】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３Ｌを経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３Ｒを経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００５４】
実施例２の光学系は、図１５〜図１７に示すように、図４の形態に対応する両眼画像表示装置用の光学系で、リレー光学系３１は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒを用い、それぞれの入射面１１に面して左右別々の画像表示素子３Ｌ、３Ｒを配置し、そのための照明光学系５Ｌ、５Ｒも別々にした例である。
【００５５】
この実施例の光学系は、図１５〜図１７に示すように、射出瞳１Ｌ、１Ｒに面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ、１Ｒ側の面がフレネル透過面、反対側の面が平面のフレネルレンズからなり、その入射側に光路折り返し用の反射面（平面鏡）３３が配置され、その反射面３３に面して一対の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒからなるリレー光学系３１が配置されている。この実施例の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ画像表示素子３Ｌ、３Ｒに面する第１面１１と、反射面３３に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒは光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な形状になっている。
【００５６】
また、画像表示素子３Ｌ、３Ｒは透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、それぞれ照明光学系５Ｌ、５Ｒとして両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３Ｌ、３Ｒに接して配置され、それらの前側焦点近傍に左右の光路用の基準位置における光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【００５７】
この実施例においては、左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒに両眼視差のある左右の眼用の画像を表示し、左右の照明光学系５Ｌ、５Ｒを介して左右の光源４Ｌ、４Ｒで照明し、左右の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒで共通の接眼光学系３２近傍に左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒの像を投影し、射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像を立体像として表示するものである。
【００５８】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、左右の照明光学系５Ｌ、５Ｒのフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒを背面から照明し、表示光は左右の偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４で屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は反射面３３で折り返され、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に左右の画像表示素子３Ｌ、３Ｒの左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で屈折された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、接眼光学系３２のフレネルレンズ面上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【００５９】
そして、本発明に基づき、図１、図２を参照にして説明したように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域である光源４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができ、観察者の観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となり、サイズが小さく、消費電力の小さい両眼画像表示装置となる。
【００６０】
なお、この実施例においても、接眼光学系３２の平面（数値データ中の３面）近傍に上下方向に拡散性を持ったレンチキュラーシートを配置し、上下方向にのみ瞳を拡大することによりさらに広い観察範囲を確保することができる。
【００６１】
この実施例においては、偏心プリズム１０Ｌ、１０Ｒの第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、接眼光学系３２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【００６２】
実施例３は、片側瞳径１０ｍｍであり、観察画像は瞳位置から４００ｍｍ前方で、水平５５ｍｍ、垂直４１．２５ｍｍの接眼光学系３２上に結像され、左右の光軸は内向角を持って接眼光学系３２から射出し、その内向角は瞳位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの位置で交差する。画像表示素子３としては８．９４ｍｍ×６．７１ｍｍの表示素子を使用している。
【００６３】
図１８に実施例３のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源（基準位置における左の照明領域）４Ｌから一方の射出瞳１Ｌに向かう光路図、図１９にそのＸ−Ｚ平面に投影した光路図、図２０にＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源４Ｌ、４Ｒから両方の射出瞳１Ｌ、１Ｒに向かう光路図、図２１に図２０の光源４Ｌ、４Ｒ、照明光学系５、画像表示素子３、リレー光学系３１の偏心プリズム１０近傍の拡大図を示す。
【００６４】
後記の数値データは、左側の射出瞳１Ｌから画像表示素子３を経て一方の光源４Ｌに至るものであり、右側の射出瞳１Ｒから画像表示素子３を経て他方の光源４Ｒに至る光学系のデータは、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称の位置に配置したものとなる。
【００６５】
この実施例は、実施例１に対して、接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面が自由曲面の透過面２１、反対側の面がフレネル反射面２２からなるフレネル反射鏡２０を用い、光路折り返し用の反射面３３を省いた例であり、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０の第４面１４（数値データ中の５面）は、Ｙ−Ｚ面を対称面として面対称な不連続面からなり、左側の射出瞳１Ｌの形成に関与する一方の面１４Ｌのみの面形状を示してある。この面１４ＬはＹ−Ｚ面よりＸ軸負側に設けられ、Ｙ−Ｚ面よりＸ軸正側にはそれと面対称な他方の面１４Ｒが設けられる（図２１）。第４面１４を対称面に対称な２つの光学面１４Ｌ、１４Ｒよりなる不連続面として形成することにより、本実施例の光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）を中心に相互に７５ｍｍは離れた瞳径１０ｍｍの左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを持った光学系が構成できる。
【００６６】
実施例３の光学系は、図１８〜図２１に示すように、射出瞳１Ｌ（１Ｒ）に面した接眼光学系３２は射出瞳１Ｌ（１Ｒ）側の面が自由曲面の透過面２１、反対側の面がフレネル反射面２２からなるフレネル反射鏡２０からなり、その反射側にリレー光学系３１が配置されている。このリレー光学系３１は画像表示素子３に面した偏心プリズム１０からなり、この実施例の偏心プリズム１０は、画像表示素子３に面する第１面１１と、接眼光学系３２に面する第４面１４と、第１面１１と第４面１４の間に配置された２つの反射面の第２面１２、第３面１３とからなり、上記のように、第４面１４は光学系の対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な不連続面を構成する２つの面１４Ｌ、１４Ｒからなる。
【００６７】
また、画像表示素子３は透過型液晶表示素子からなり、そのリレー光学系３１側とは反対側に、照明光学系５として両面フレネル透過面からなるフレネルレンズが画像表示素子３近傍に配置され、その前側焦点面近傍に基準位置において左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが対称面（Ｙ−Ｚ面）に対して面対称な位置に配置されている。
【００６８】
この実施例においては、画像表示素子３に両眼視差のある左右の眼用の画像が交互に表示され、その切り換えに同期して左右の光路用の光源４Ｌ、４Ｒが選択的に点灯され、時分割で射出瞳１Ｌ、１Ｒに位置する左右両眼に視差のある左右の眼用の画像が表示され立体像として表示される。
【００６９】
すなわち、光源４Ｌ、４Ｒから照射された光束は、照明光学系５のフレネルレンズでそれぞれ略平行にされ、透過型液晶表示素子からなる画像表示素子３を背面から照明し、表示光は偏心プリズム１０の第１面１１で屈折してプリズム内に入射し、第２面１２と第３面１３で内部反射を繰り返し、第４面１４の２つの面１４Ｌ、１４Ｒで別々の光路に沿った光束として屈折してプリズム外に射出し、その２つの光束は接眼光学系３２のフレネル反射鏡２０の透過面２１上に画像表示素子３の左右の眼用の拡大像を二重像として結像し、接眼光学系３２で反射された光源４Ｌ、４Ｒからの光束はそれぞれ左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに収束する（光源４Ｌ、４Ｒと射出瞳１Ｌ、１Ｒは共役）。その際、射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置より接眼光学系３２側に３２０ｍｍの点Ｐで左右の光軸２Ｌ、２Ｒは交差しているため、フレネル反射鏡２０の透過面２１上に結像された両眼視差のある左右の眼用の拡大像はこの点Ｐ近傍で融像され、あたかも空中に立体像が表示されているように見える。
【００７０】
そして、本発明に基づき、図１、図２を参照にして説明したように、眼球位置検出装置４０で観察者の左右眼球位置を検出し、その情報に基づいて照明光源４の左右の照明領域である光源４Ｌ、４Ｒを移動させることにより、左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒの位置を観察者眼球位置に追従させることができ、観察者の観察位置が変化しても左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒを重なることなくより広範囲での立体像観察が可能となり、部品点数が少なく、サイズが小さく、消費電力の小さい両眼画像表示装置となる。
【００７１】
この実施例においては、偏心プリズム１０の第１面１１〜第４面１４全てに自由曲面を用いており、フレネル反射鏡２０の透過面２１に自由曲面を用いており、フレネル反射鏡２０のフレネル反射面２２及び照明光学系５のフレネルレンズのフレネル透過面には非球面を用いている。
【００７２】
以下に各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＦＲ”はフレネル面、“ＬＣＤ”は画像表示面、“ＥＩＭ”は結像面をそれぞれ示す。
【００７３】
上記実施例１の片側の光学系の横収差を図２２に示す。この横収差図において、括弧内に示された数字は（水平画角，垂直画角）を表し、その画角における横収差を示す。
【００７７】
ところで、以上の３つの実施例は何れも、画像表示素子３、３Ｌ、３Ｒとしては透過型液晶表示素子を用いているが、その代わりに反射型液晶表示素子、ＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）等の反射型画像表示素子を用いて、より小型でコンパクトな構成で、かつ、低消費電力で、立体視可能な画像表示装置を構成することができる。その場合には、図５に例示したように、リレー光学系３１を構成する偏心プリズム１０、１０Ｌ、１０Ｒの一部又は全部を介して、照明光源４の左右の照明領域４Ｌ、４Ｒからの照明光を反射型画像表示素子３の表示面に照射し、その表示面で変調された表示光を再びそのリレー光学系３１の偏心プリズム１０、１０Ｌ、１０Ｒに入射させて左右の射出瞳１Ｌ、１Ｒに至る光軸２Ｌ、２Ｒに沿って投影させるようにする。
【００７８】
ところで、眼球位置検出装置４０で検出された観察者の左右眼球位置情報に基づいて照明領域４Ｌ、４Ｒを任意に移動できる照明光源４としては、ＬＥＤの２次元アレイ、２次元有機ＥＬ、バックライトで照射される透過型液晶表示素子等を用いることができるが、面光源の前に一対の開口を配置してその開口を機械的に移動できるもの、あるいは、一対の機械的に移動可能な点光源からなるものであってもよい。
【００７９】
なお、照明領域４Ｌ、４Ｒの移動範囲は、リレー光学系３１と接眼光学系３２で光線がケラレない範囲で移動できる。
【００８０】
また、本発明の両眼画像表示装置のリレー光学系に用いる偏心プリズム光学系としては、以上の実施例１〜３で用いたタイプに限定されず、他のタイプの偏心プリズム単体あるいはそれらの偏心プリズムの組み合わせからなる光学系を用いることができる。
【００８１】
以上の本発明の両眼画像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【００８２】
〔１〕 画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子により変調された表示光を投影して前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は左右の眼用の画像を交互に表示する単一の画像表示素子からなり、
前記照明光源は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像に応じて別々の照明領域に切り換えられ、かつ、その照明領域を移動させることができる光源からなり、
前記射出瞳は、前記照明光源の照明領域に応じて定まる左右の一対の射出瞳からなり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右の一対の射出瞳が略一致するように、前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とする両眼画像表示装置。
【００８３】
〔２〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像を前記接眼光学系近傍に結像するように構成されていることを特徴とする上記１記載の両眼画像表示装置。
【００８４】
〔３〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された画像を物点としてその物点から発する光束を２つの光路に分割する光学系からなることを特徴とする上記１又は２記載の両眼画像表示装置。
【００８５】
〔４〕 前記リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された偏心プリズムを有し、その偏心プリズムが、前記物点から発せられた光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、かつ、少なくとも１つの回転非対称面を有し、少なくとも１つの光学作用面は隣接する少なくとも２つの面からなる不連続面で構成され、他の光学作用面は分割された少なくとも２つの光路内に共通に配置されてなることを特徴とする上記３記載の両眼画像表示装置。
【００８６】
〔５〕 前記画像表示素子が反射型画像表示素子からなり、前記偏心プリズムの一部又は全部を介して、前記照明光源の前記照明領域からの照明光が前記反射型画像表示素子に照射されることを特徴とする上記４記載の両眼画像表示装置。
【００８７】
〔６〕 前記画像表示素子が透過型画像表示素子からなることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００８８】
〔７〕 前記照明光源は、照明領域を任意の位置に設定可能な面光源からなることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００８９】
〔８〕 画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子により変調された表示光を投影して前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は左右の眼用の画像を表示する一対の画像表示素子からなり、
前記照明光源は、前記一対の画像表示素子に対応した別々の照明領域を備え、かつ、その照明領域を移動させることができる光源からなり、
前記射出瞳は、前記照明光源の照明領域に応じて定まる左右の一対の射出瞳からなり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右の一対の射出瞳が略一致するように、前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とする両眼画像表示装置。
【００９０】
〔９〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像を前記接眼光学系近傍に結像するように構成されていることを特徴とする上記８記載の両眼画像表示装置。
【００９１】
〔１０〕 前記リレー光学系は、前記画像表示素子に表示された左右の眼用の画像各々を物点としてそれら物点から発する光束を別々の光路に導く光学系からなることを特徴とする上記８又は９記載の両眼画像表示装置。
【００９２】
〔１１〕 前記リレー光学系は、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質で形成された一対の偏心プリズムを有し、各偏心プリズムは、対応する画像表示素子から射出された光束をプリズム内に入射する入射面と、その光束をプリズム内で反射する少なくとも１つの反射面と、光束をプリズム外に射出する射出面とを有し、その少なくとも１つの反射面が光束にパワーを与える回転非対称面からなることを特徴とする上記１０記載の両眼画像表示装置。
【００９３】
〔１２〕 前記画像表示素子が反射型画像表示素子からなり、前記偏心プリズムの一部又は全部を介して、前記照明光源の前記照明領域からの照明光が前記反射型画像表示素子に照射されることを特徴とする上記１１記載の両眼画像表示装置。
【００９４】
〔１３〕 前記画像表示素子が透過型画像表示素子からなることを特徴とする上記８から１１の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００９５】
〔１４〕 前記照明光源は、照明領域を任意の位置に設定可能な面光源からなることを特徴とする上記８から１３の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
【００９６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、観察者の観察位置が動いても右眼用の瞳と左眼用の瞳を重なることなく追従させることでより広範囲での立体視等ができ、小型で部品点数が少なく、携帯可能な両眼画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の両眼画像表示装置の基本形態を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の両眼画像表示装置の作用を詳しく説明するための図である。
【図３】リレー光学系を単一の偏心プリズムから構成する場合の両眼画像表示装置の構成を示す模式的斜視図である。
【図４】リレー光学系を一対の偏心プリズムから構成する場合の両眼画像表示装置の構成を示す模式的斜視図である。
【図５】リレー光学系を構成する単一の偏心プリズムの例示と画像表示素子を反射型で構成する場合の照明光源の配置と照明光の導入方法の例示を示す模式的斜視図である。
【図６】左右に長い楕円にして形成される射出瞳を示す図である。
【図７】接眼光学系に配置される拡散性の光学面の拡散性を説明するための図である。
【図８】手持ちビュワータイプの形態に構成された本発明の両眼画像表示装置を示す模式的斜視図である。
【図９】本発明の実施例１の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１０】実施例１の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１１】実施例１の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１２】図１１の光源、照明光学系、画像表示素子、リレー光学系の偏心プリズム近傍の拡大図である。
【図１３】図９に対応する結像光路図である。
【図１４】図１０に対応する結像光路図である。
【図１５】実施例２の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１６】実施例２の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図１７】実施例２の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１８】実施例３の光学系のＹ−Ｚ平面に投影した片方の光源から一方の射出瞳に向かう光路図である。
【図１９】実施例３の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した光路図である。
【図２０】実施例３の光学系のＸ−Ｚ平面に投影した両側の光源から両方の射出瞳に向かう光路図である。
【図２１】図２０の光源、照明光学系、画像表示素子、リレー光学系の偏心プリズム近傍の拡大図である。
【図２２】実施例１の片側の光学系の横収差を示す図である。
【符号の説明】
１Ｌ、１Ｒ…射出瞳
２Ｌ、２Ｒ…光軸
３、３Ｌ、３Ｒ…画像表示素子
４…照明光源
４Ｌ、４Ｒ…照明領域
５、５Ｌ、５Ｒ…照明光学系
１０、１０Ｌ、１０Ｒ…偏心プリズム
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１４Ｌ、１４Ｒ…不連続面を構成する光学面
２０…フレネル反射鏡
２１…接眼光学系の射出瞳側の透過面
２２…接眼光学系の反対側のフレネル反射面
３０…表示装置本体
３１…リレー光学系
３２…接眼光学系
３３…反射面（平面鏡）
３４…操作ボタン
４０…眼球位置検出装置
４１…撮像装置
４２…映像処理装置
４３…制御装置
Claims (8)
- 画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳位置に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は、左右の眼用の画像を交互に表示する単一の素子からなり、
前記照明光源は、前記左右の眼用の画像に応じて照明領域を切り換え可能に、かつ、その照明領域を移動可能に構成され、
前記射出瞳位置は、前記照明光源の照明領域と共役な位置であって、前記射出瞳位置には左右一対の射出瞳が形成され、
前記射出瞳位置に形成される前記リレー光学系の射出瞳の形が、左右に長い楕円であり、
前記接眼光学系は拡散性の光学面を有し、
前記拡散性の光学面は、上下方向に拡散作用持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右一対の射出瞳の位置が略一致するように、前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とする両眼画像表示装置。 - 画像を表示する画像表示素子と、照明光源と、前記照明光源からの照明光を前記画像表示素子に向けて照射する照明光学系と、前記画像表示素子に表示された画像を投影するリレー光学系と、前記リレー光学系からの光束を射出瞳位置に収束させる接眼光学系とを有する画像表示装置において、
前記画像表示素子は、左右の眼用の画像を表示する一対の素子からなり、
前記照明光源は、前記一対の素子に対応した別々の照明領域を備え、かつ、その照明領域を移動可能に構成され、
前記射出瞳位置は、前記照明光源の照明領域と共役な位置であって、前記射出瞳位置には左右一対の射出瞳が形成され、
前記射出瞳位置に形成される前記リレー光学系の射出瞳の形が、左右に長い楕円であり、
前記接眼光学系は拡散性の光学面を有し、
前記拡散性の光学面は、上下方向に拡散作用持ち、左右方向にはほとんど拡散作用を持たない面であり、
さらに、観察者の左右の眼球位置を検出する眼球位置検出装置を有し、
前記眼球位置検出装置により検出された前記観察者の左右の眼球位置に前記左右一対の射出瞳の位置が略一致するように、前記観察者の左右の眼球位置情報に基づき、前記照明光源の照明領域を移動させることを特徴とする両眼画像表示装置。 - 前記照明光源は、２次元アレイ状であることを特徴とする請求項１又は２記載の両眼画像表示装置。
- 前記照明光源は、ＬＥＤの２次元アレイ、２次元有機ＥＬ、バックライトで照射される透過型液晶表示素子の何れかであることを特徴とする請求項３記載の両眼画像表示装置。
- 前記照明光源は、面光源と、該面光源の前に配置された開口と、前記開口を移動させる移動機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の両眼画像表示装置。
- 前記照明光源は、点光源と、該点光源を移動させる移動機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の両眼画像表示装置。
- 前記接眼光学系はフレネルレンズと反射鏡、あるいはフレネル反射鏡からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
- 前記リレー光学系は偏心プリズムからなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の両眼画像表示装置。
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