JP5464839B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の画像表示装置に関し、特に表示画角のうち互いに異なる画角領域に複数の画像を形成することにより該複数の画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示する画像表示装置に関する。

ＨＭＤに用いる観察光学系としては、小型で軽量であることが望まれている。また、画像観察時の臨場感を増すために、広画角で画像を提示できることも望まれている。

ＨＭＤ用観察光学系のうち、いわゆる接眼光学系タイプの観察光学系は、比較的、小型化と広画角化の両立を図り易い。ただし、接眼光学系タイプでは、１つの画像形成素子によって広画角での画像提示を可能とするためには、大きな原画形成エリアを有する大型の画像形成素子が必要となる。

これに対して、小さい原画形成エリアを有する小型の画像形成素子を複数用いることで広画角での画像提示を可能とするいわゆるタイリング技術がある。タイリング技術では、複数の画像形成素子に形成された複数の原画からの光束によって形成した複数の拡大画像を互いに繋ぎ合わせて１つの拡大合成画像を提示可能とする。タイリング技術によって広画角での画像提示を行う観察光学系（ＨＭＤ）は、特許文献１，２に開示されている。

特許文献１には、画像形成素子と入射面、内部全反射兼射出面及び反射面を有する３面プリズムとを含む光学ユニットを片眼に対して２つ設け、これらを左右方向で重ならないように上下に配置した観察光学系が開示されている。この観察光学系では、２つの光学ユニットにより形成される２つの拡大画像が左右に並び、水平方向に広角化した１つの拡大合成画像が得られる。ここで、３面プリズム等の光学素子での２回以上の反射によって光束（光路）が折り畳まれる断面をローカル母線断面とするとき、特許文献１での左右又は水平方向は、このローカル母線断面に直交するローカル子線断面に沿った方向である。

また、特許文献１には、上述した上下に配置した２つの光学ユニットを、観察者の視軸方向において重なるように相対移動させる例も開示されている。光学ユニットが重なった部分では、外界像の観察（いわゆる光学シースルー観察）が可能になる。この場合、２つの光学ユニットのそれぞれにより形成される拡大画像を、左右方向の中心領域でオーバーラップさせて１つの拡大合成画像を形成する。

また、特許文献２には、２つの拡大画像を形成する２つの分割光学系が、ローカル母線断面上で対称形状を有するプリズムを用いた観察光学系が開示されている。一方の画像形成素子に形成された原画からの光束は、プリズムにその入射面から入射し、内部全反射兼透過射出面で全反射し、さらに凹面鏡で反射し、最後に内部全反射兼透過射出面を透過して射出瞳に向かう。また、他方の画像形成素子に形成された原画からの光束も、同様にして同じ射出瞳に向かう。一方の原画からの光束と他方の原画からの光束とを同じ射出瞳に向かわせる２つの凹面鏡の反射面は、互いに近接して配置されている。
特開平０９−１６６７５９号公報 特開平１１−３２６８２０号公報

しかしながら、特許文献１における後者の観察光学系では、水平方向（ローカル子線方向）に画角が分割されて広角化されているものの、光学系が偏心しているローカル母線断面上では画角が分割されていないため、観察光学系（つまりはＨＭＤ）の小型化には寄与していない。特許文献１にて開示された観察光学系は、２つの光学ユニットの重なり部分を通して光学シースルー観察を可能とすることが目的である。このため、ローカル母線断面上での２つの光学ユニットの画角は全く同じで、その一部をオーバーラップさせている。したがって、ローカル母線断面上では画像分割が行えないため、薄型化や上下方向での小型化は図られていない。

また、特許文献１における前者の観察光学系及び特許文献２にて開示された観察光学系では、１つの拡大合成画像内に複数の原画からの光束によって形成された複数の画像の繋ぎ合わせ部分（２つの凹面鏡の繋ぎ目に相当する）が存在する。そして、該繋ぎ合わせ部分で光の散乱やフレアが発生し、該繋ぎ合わせ部分が目立つ。

本発明は、タイリング技術を用いて広画角での画像提示が可能であるとともに、薄型又は小型で、かつ画像の繋ぎ合わせ部分での光の散乱やフレアの発生を抑えることができる画像表示装置を提供する。

本発明の一側面としての画像表示装置は、表示画角のうち互いに異なる画角領域に第１の画像及び第２の画像を形成することにより該第１及び第２の画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示する画像表示装置であって、第１の原画及び第２の原画をそれぞれ形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子と、前記第１の画像形成素子からの第１の光束を２回以上反射して射出瞳に導く第１の光学系と、前記第２の画像形成素子からの第２の光束を２回以上反射して前記第１の光学系に導く第２の光学系とを有し、前記第１の光学系は、前記第２の光学系よりも前記射出瞳に近い側に、前記第２の光学系に対向する位置に配置されており、前記第２の光学系は、前記第２の光束を透過することにより前記第１の光学系に導いており、前記第１の光学系は、前記第１の光束を反射することにより前記射出瞳に導く第１の有効領域と、前記第２の光学系からの前記第２の光束を透過することにより前記射出瞳に導く第２の有効領域とを含む第１の光学面を有しており、前記第１及び第２の光学系において、前記２回以上の反射によって前記第１及び第２の光束が折り畳まれる断面を第１の断面とするとき、前記第１の断面内において、前記第１の有効領域の位置と前記第２の有効領域の位置が、前記第１の画像形成素子の位置と前記第２の画像形成素子の位置がずれている方向と同じ方向においてずれており、前記第１の光学系は、前記第１の光束と前記第２の光学系からの前記第２の光束によって前記第１の断面における互いに異なる画角領域に前記第１及び第２の原画のそれぞれに対応する前記第１及び第２の画像が形成されるように前記第１及び第２の光束を前記射出瞳に導くことを特徴とする。

本発明によれば、広画角での画像提示が可能な薄型又は小型の画像表示装置であって、画像の繋ぎ合わせ部分での光の散乱やフレアの発生を抑え、該繋ぎ合わせ部分が目立たない画像表示装置を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、具体的な実施例の説明に先立って、各実施例に共通する事項及び特徴について説明する。

１．各実施例の画像表示装置はＨＭＤとして用いられ、該ＨＭＤの観察光学系の１つの射出瞳の位置には観察者の片眼が配置される。そして、各実施例のＨＭＤは、片眼（射出瞳）から見た表示画角のうち互いに異なる画角領域に２つの画像を形成することで、片眼に対してこれら２つの画像が繋ぎ合わされた（合成された）１つの拡大合成画像を提示する。

なお、各実施例では、片眼に対して設けられる観察光学系について説明するが、実際のＨＭＤでは、この観察光学系が左右の眼のそれぞれに対して設けられる。

２．各実施例のＨＭＤは、第１の原画及び第２の原画をそれぞれ形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子を含む。各画像形成素子は、液晶パネルや有機ＥＬ等の光変調素子により構成され、画像供給装置（パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等）からの入力画像信号に応じた１つの画像における半分の領域の原画を形成する。例えば、第１の画像形成素子は、入力画像信号に応じた１つの画像のうち上半分の領域を第１の原画として形成し、第２の画像形成素子は下半分の領域を第２の原画として形成する。

３．ＨＭＤは、第１の画像形成素子からの第１の光束を２回以上反射して射出瞳に導く第１の光学系と、第２の画像形成素子からの第２の光束を２回以上反射して第１の光学系に導く第２の光学系とを有する。第１及び第２の光学系内で、原画（画像形成素子）からの光束を２回以上反射して該光束（の光路）を折り畳むことにより、各光学系を薄くすることができる。

第１及び第２の光学系をそれぞれ、１より大きい屈折率を有する媒質で満たされたプリズム素子により構成してもよい。この場合、各光学系の光学的パワーを強くすることができ、広角化し易い。なお、第１及び第２の光学系をそれぞれ、反射面や透過面によって囲まれた中空の素子として形成してもよい。

さらに各実施例では、第１及び第２の光学系において、２回以上の反射によって第１及び第２の光束が折り畳まれる断面をローカル母線断面（第１の断面）とする。この場合、第１の光学系は、第１の光束と第２の光学系からの第２の光束によってローカル母線断面における互いに異なる画角領域に第１及び第２の原画のそれぞれに対応する第１及び第２の画像が形成されるように第１及び第２の光束を射出瞳に導く。

言い換えれば、第２の原画（第２の画像形成素子）からの第２の光束を、第２の光学系から射出した後に第１の光学系を介して射出瞳に導く。このように、第１の光学系内に第１の光束と第２の光束とにより共用される部分を設けることにより、互いに繋ぎ合わされる第１及び第２の画像の繋ぎ合わせ部分（繋ぎ目）での光の散乱やフレアの発生を抑える。この結果、第１及び第２の画像の繋ぎ目を目立たなくすることができる。

そして、第１及び第２の光学系によって別々の画角領域に形成した第１及び第２の画像をローカル母線断面にて繋ぎ合わせて合成画像として提示する。これにより、１つの画像表示素子と１つの光学系を用いて同等の広画角を実現する従来のＨＭＤに比べて、観察光学系、つまりはＨＭＤを小型化することができる。

４．各実施例において、第１の光学系において第１の光束を反射し、かつ第２の光学系からの第２の光束を入射させる有効領域を有する光学面を第１の光学面とする。また、第２の光学系において第２の光束を反射し、かつ第１の光学面に向けて射出させる有効領域を有する光学面を第２の光学面とする。このとき、第１及び第２の光学系を、第１の光学面の有効領域と第２の光学面の有効領域とがローカル母線断面において該第１及び第２の光学面に沿った方向に互いにずれるように配置するとよい。

このように第１の光学面の有効領域と第２の光学面の有効領域とをずらすことにより、第１及び第２の光学系により構成される観察光学系全体を薄型化又は小型化することができる。

例えば、第１及び第２の光学系を、ローカル母線断面において、第１の光学面の有効領域が第２の画像形成素子から遠ざかり、かつ第２の光学面の有効領域が第１の画像形成素子から遠ざかる方向にずれるように配置する（実施例１，２，４，５）。この場合、第１の光学系又は第２の光学系のいずれかの厚さ（視軸方向の寸法）が観察光学系全体の厚さに相当するようにすることもできるため、観察光学系を薄型化することができる。

また、第１及び第２の光学系を、ローカル母線断面において、第１の光学面の有効領域が第２の画像形成素子に近づき、かつ第２の光学面の有効領域が第１の画像形成素子に近づく方向にずれるように配置する（実施例３）。この場合、観察光学系の厚みは増加するものの、ずれ方向での観察光学系全体の寸法（各実施例では上下方向の高さ）を小さくすることができる。

なお、上記のように定義された第１及び第２の光学面は、有効領域がずれた状態で互いに近接（対向）配置される。これにより、第１及び第２の光学系をコンパクトにまとめて組み合わせることができ、観察光学系（ＨＭＤ）をより一層、薄型化又は小型化することができる。

５．各実施例において、第１及び第２の光学系がプリズム素子によって形成されている場合は、第１及び第２の光学面の間に空気層を介在させることが好ましい。第１及び第２の光学系により構成される観察光学系をできるだけ薄型化又は小型化するためには、第１及び第２の光学面を接合することが好ましく、これにより、観察光学系の組み立ても容易となる。しかし、第１及び第２の光学系がプリズム素子によって形成され、第２の光学面が内部全反射面及び射出透過面として用いられる場合に、該第２の光学面を第１の光学面と接合すると、必要な全反射作用が得られなくなる。全反射面をハーフミラー面に置き換えると、第２の光学系での光の利用効率が大幅（約１／４）に低下してしまう。このため、第１及び第２の光学面は、接合するよりも、それらの間に空気層を介在させることが望ましい。

６．各実施例の第１及び第２の光学系をそれぞれ、２つの反射面を含む３つの光学面を有するように形成することが好ましい。例えば、各光学系に、原画（画像形成素子）からの光束を入射させる第１の面としての入射面と、該入射光束を反射させる第２の面としての反射面又は内部全反射面と、該反射光束を再度反射する第３の面としての反射面とを設ける。第２の面は、第３の面で反射した光束を射出する射出面としても機能させる。これにより、第１及び第２の光学系のそれぞれを小型化し、観察光学系全体としても薄型化又は小型化することができる。

７．各実施例では、ローカル母線断面に直交する断面をローカル子線断面（第２の断面）とする。そして、第１及び第２の光学系により構成される観察光学系全体のローカル子線断面での焦点距離を、ローカル母線断面での焦点距離よりも短くするとよい。

第１及び第２の原画に対応する第１及び第２の画像はローカル母線断面上に配置される。このため、各画像のアスペクト比と拡大合成画像のアスペクト比が近い場合は、ローカル子線断面での観察光学系全体の光学的パワーを強く（焦点距離を短く）して、ローカル子線断面での倍率を上げるとよい。

反対に、第１及び第２の光学系により構成される観察光学系全体のローカル母線断面での焦点距離を、ローカル子線断面での焦点距離よりも短くしてもよい。第１及び第２の画像のアスペクト比が１６：９のような横長であり、拡大合成画像のアスペクト比が４：３であるような場合は、ローカル母線断面での観察光学系全体の光学的パワーを強く（焦点距離を短く）して、ローカル母線断面での倍率を上げるとよい。

なお、第１及び第２の原画からの第１及び第２の光束のそれぞれを、リレー光学系を用いて１回結像させた後、第１及び第２の光学系によって射出瞳に導いて再度結像させるようにしてもよい。

８．次に、各実施例において使用される母線断面、子線断面、ローカル母線断面及びローカル子線断面の定義について説明する。

偏心系に対応していない光学系（共軸系）では、各光学面の面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）となり、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。

一方、各実施例は偏心系であるため、該偏心系に対応したローカル母線断面及びローカル子線断面を新たに定義する。なお、各実施例では、観察光学系を構成する各面を、射出瞳側から順に第ｉ面（ｉ＝１，２，３…）と称する。図１には、第１面である射出瞳面（ｓ１，ｔ１）での面頂点座標系を示している。

まず、拡大合成画像の中心と観察光学系の射出瞳の中心とを通る光線を中心画角主光線（基準光線）と定義する。そして、この中心画角主光線の各面におけるヒットポイント上で中心画角主光線の入射光線部分と射出光線部分を含む面をローカル母線断面と定義する。さらに、各ヒットポイントを含み、ローカル母線断面に直交し、各面の面頂点座標系の従来の子線断面と平行な面を、ローカル子線断面と定義する。

簡単に言い換えれば、前述したように、第１及び第２の光学系において、２回以上の反射によって第１及び第２の光束が折り畳まれる断面がローカル母線断面に相当し、これに直交する断面がローカル子線断面に相当する。

図１には、本発明の実施例１であるＨＭＤの観察光学系の光路断面図を示している。１は第１の原画を形成する第１の画像形成素子であり、２は該第１の画像形成素子１からの第１の光束を観察光学系の射出瞳ｓ１に導く第１のプリズム（第１の光学系）である。

３は第２の原画を形成する第２の画像形成素子であり、４は該第２の画像形成素子３からの第２の光束を第１のプリズム２に導く第２のプリズム（第２の光学系）である。

第１の画像形成素子１（ｓ６）からの第１の光束は、第１のプリズム２の面ｓ５から第１のプリズム２内に入射する。第１のプリズム２内に入射した第１の光束は、面ｓ４で内部全反射して、凹面（第１の光学面）ｓ３に形成されたハーフミラーで反射し、面ｓ２に向かう。面ｓ２と面ｓ４は同じ面である。

面ｓ２を射出した第１の光束は、射出瞳ｓ１に向かい、該射出瞳ｓ１の位置に配置された観察者の眼球（片眼）に導かれる。こうして、第１の光束は、射出瞳ｓ１の位置で観察可能な第１の原画の拡大虚像（第１の原画に対応する第１の画像）を、表示画角のうち第１の画角領域に形成する。

一方、第２の画像形成素子３（ｔ８）からの第２の光束は、第２のプリズム４の面ｔ７から第２のプリズム４内に入射する。第２のプリズム４内に入射した第２の光束は、面ｔ６で内部全反射して面ｔ５に形成された金属反射膜（反射率８０％以上）で反射し、面ｔ４に向かう。面ｔ４と面ｔ６は同じ面（第２の光学面）である。

面ｔ４から第２のプリズム４を射出した第２の光束は、第１のプリズム２のハーフミラー面ｔ３（ｓ３と同一面）から第１のプリズム２内に入射し、該第１のプリズム２の面ｔ２（ｓ２と同一面）を透過して射出瞳ｔ１（眼球）に向かう。こうして、第２の光束は、射出瞳ｔ１（ｓ１と同一面）の位置で観察可能な第２の原画の拡大虚像（第２の原画に対応する第２の画像）を、表示画角のうち第２の画角領域に形成する。第２の画角領域は、第１の画角領域にローカル母線断面において隣接する領域である。

第１及び第２のプリズム２，４上の全ての面は、自由曲面（回転非対称面）により形成されている。

第１及び第２のプリズム２，４は、ローカル母線断面において、第１の光学面ｓ３（ｔ３）の有効領域が第２の画像形成素子３から遠ざかり、かつ第２の光学面ｔ４（ｔ６）の有効領域が第１の画像形成素子１から遠ざかる方向にずれるように配置されている。

以下の説明において、第１の画像形成素子１及び第１のプリズム２により構成される系を第１のプリズム系という。また、第２の画像形成素子３、第２のプリズム４及び第１のプリズム２により構成される系を第２のプリズム系という。

表１、表２及び表３には、本実施例の数値例を示している。なお、各表の読み方については後述する。

表１に示す第１のプリズム系では、０．５８インチのＷＶＧＡ（８００×４８０画素）の画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第１の画角領域）０〜１９．２８°において第１の画像を形成する。

また、表２及び表３に示す第２のプリズム系では、０．５８インチのＷＶＧＡ（８００×４８０画素）の画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第２の画角領域）−１９．２８〜０°において第２の画像を形成する。

さらに、観察光学系全体において、水平画角は５０°、垂直画角は３８．５６°、アイレリーフは１５ｍｍ、射出瞳径はφ１２ｍｍ（上下１０ｍｍ）である。観察光学系全体の厚さは１４．４ｍｍであり、高さは４８．５ｍｍである。

第１及び第２の原画からの光束のうち水平画角０°の全光束は、第１のプリズム系と第２のプリズム系によって射出瞳に導かれる。このため、第１及び第２の原画における水平画角０°の部分の明るさを他の部分の半分にして、合成画像全体の明るさを均一にするのが好ましい。

図２には、本発明の実施例２であるＨＭＤの観察光学系の光路断面図を示している。実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同一符号を付している。

第１の画像形成素子１（ｓ６）からの第１の光束は、第１のプリズム２の面ｓ５から第１のプリズム２内に入射する。第１のプリズム２内に入射した第１の光束は、面ｓ４で内部全反射して凹面（第１の光学面）ｓ３に形成されたハーフミラーで反射し、面ｓ２に向かう。面ｓ２と面ｓ４は同じ面である。

面ｓ２を射出した第１の光束は、射出瞳ｓ１に向かい、該射出瞳ｓ１の位置に配置された観察者の眼球（片眼）に導かれる。こうして、第１の光束は、射出瞳ｓ１の位置で観察可能な第１の原画の拡大虚像（第１の原画に対応する第１の画像）を、表示画角のうち第１の画角領域に形成する。

一方、第２の画像形成素子３（ｔ８）からの第２の光束は、第２のプリズム４の面ｔ７から第２のプリズム４内に入射する。第２のプリズム４内に入射した第２の光束は、面ｔ６で内部全反射して面ｔ５に形成された金属反射膜（反射率８０％以上）で反射し、面ｔ４に向かう。面ｔ４と面ｔ６は同じ面（第２の光学面）である。

面ｔ４から第２のプリズム４を射出した第２の光束は、第１のプリズム２のハーフミラー面ｔ３（ｓ３と同一面）から第１のプリズム２内に入射し、該第１のプリズム２の面ｔ２（ｓ２と同一面）を透過して射出瞳ｔ１（眼球）に向かう。こうして、第２の光束は、射出瞳ｔ１（ｓ１と同一面）の位置で観察可能な第２の原画の拡大虚像（第２の原画に対応する第２の画像）を、表示画角のうち第２の画角領域に形成する。第２の画角領域は、第１の画角領域にローカル母線断面において隣接する領域である。

本実施例でも、第１及び第２のプリズム２，４上の全ての面は、自由曲面（回転非対称面）により形成されている。

また、第１及び第２のプリズム２，４は、ローカル母線断面において、第１の光学面ｓ３（ｔ３）の有効領域が第２の画像形成素子３から遠ざかり、第２の光学面ｔ４（ｔ６）の有効領域が第１の画像形成素子１から遠ざかる方向にずれるように配置されている。

表４、表５及び表６には、本実施例の数値例を示している。表４に示す第１のプリズム系では、０．５８インチのＷＶＧＡ（８００×４８０画素）の画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第１の画角領域）０〜１９．２８°において第１の画像を形成する。

また、表５及び表６に示す第２のプリズム系では、０．５８インチのＷＶＧＡ（８００×４８０画素）の画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第２の画角領域）−１９．２８〜０°において第２の画像を形成する。

さらに、観察光学系全体において、水平画角は５０°、垂直画角は３８．５６°、アイレリーフは１５ｍｍ、射出瞳径はφ１２ｍｍ（上下１０ｍｍ）である。

前述した実施例１では、第１及び第２の原画からの光束のうち水平画角０°の全光束が第１のプリズム系と第２のプリズム系によって射出瞳に導かれていた。

しかし、水平画角０°の光束（以下、中心画角光束という）は、ローカル母線断面での射出瞳面において、基準光線の近傍で重なっても、射出瞳面の最周辺部では重ならなくてもよい。このため、本実施例では、第２のプリズム系の中心画角光束を全て射出瞳面に導かず、図２にａで示す光線まで（７６％：基準光線から射出瞳の上下周辺部までの５ｍｍを１００％とする）を射出瞳面に導く。

一方、第１のプリズム系の中心画角光束も同様に、図２にｂで示す光線まで（９３％）を射出瞳面に導く。

第１のプリズム系ではあまり中心画角光束がけられていないため、光学データは実施例１と同じである。つまり、表１と表４は同じである。一方、第２のプリズム系では中心画角光束が大きくけられているため、実施例１とは異なり、厚さが１２．３ｍｍ（高さは４９．５ｍｍ）とかなり薄型化されている。なお、第１及び第２の原画における水平画角０°の部分の明るさも、第１の原画では他の部分の約半分、第２の原画では約４０％というように、けられ量に応じて調節することが好ましい。

図３には、本発明の実施例３であるＨＭＤの観察光学系の光路断面図を示している。実施例１と同一の作用を有する構成要素には、実施例１と同一符号を付している。

本実施例では、実施例１，２とは異なり、ローカル母線断面において、第１の光学面の有効領域が第２の画像形成素子３に近づき、かつ第２の光学面の有効領域が第１の画像形成素子１に近づく方向にずれるように配置されている
第１の画像形成素子１（ｓ６）からの第１の光束は、第１のプリズム２の面ｓ５から第１のプリズム２内に入射する。第１のプリズム２内に入射した第１の光束は、面ｓ４で内部全反射して凹面（第１の光学面）ｓ３に形成されたハーフミラーで反射し、面ｓ２に向かう。面ｓ２と面ｓ４は同じ面である。

面ｓ２を射出した第１の光束は、射出瞳ｓ１に向かい、該射出瞳ｓ１の位置に配置された観察者の眼球（片眼）に導かれる。こうして、第１の光束は、射出瞳ｓ１の位置で観察可能な第１の原画の拡大虚像（第１の原画に対応する第１の画像）を、表示画角のうち第１の画角領域に形成する。

一方、第２の画像形成素子３（ｔ８）からの第２の光束は、第２のプリズム４の面ｔ７から第２のプリズム４内に入射する。第２のプリズム４内に入射した第２の光束は、面ｔ６で内部全反射して面ｔ５に形成された金属反射膜（反射率８０％以上）で反射し、面ｔ４に向かう。面ｔ４と面ｔ６は同じ面（第２の光学面）である。

面ｔ４から第２のプリズム４を射出した第２の光束は、第１のプリズム２のハーフミラー面ｔ３（ｓ３と同一面）から第１のプリズム２内に入射し、該第１のプリズム２の面ｔ２（ｓ２と同一面）を透過して射出瞳ｔ１（眼球）に向かう。こうして、第２の光束は、射出瞳ｔ１（ｓ１と同一面）の位置で観察可能な第２の原画の拡大虚像（第２の原画に対応する第２の画像）を、表示画角のうち第２の画角領域に形成する。第２の画角領域は、第１の画角領域にローカル母線断面において隣接する領域である。

本実施例でも、第１及び第２のプリズム２，４上の全ての面は、自由曲面（回転非対称面）により形成されている。

表７、表８及び表９には、本実施例の数値例を示している。表７に示す第１のプリズム系では、０．５８インチのＷＶＧＡ（８００×４８０画素）の画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第１の画角領域）−１９．２８〜０°において第１の画像を形成する。

また、表８及び表９に示す第２のプリズム系では、０．５８インチのＷＶＧＡ（８００×４８０画素）の画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第２の画角領域）０〜１９．２８°において第２の画像を形成する。第１及び第２の画角領域が、実施例１，２とは逆になっている。

さらに、観察光学系全体において、水平画角は５０°、垂直画角は３８．５６°、アイレリーフは１５ｍｍ、射出瞳径はφ１２ｍｍ（上下１０ｍｍ）である。観察光学系全体の厚さは実施例１，２よりも厚い２２．４ｍｍであるが、高さは実施例１，２よりも低い３４．８ｍｍである。

実施例１と同様に、第１及び第２の原画からの光束のうち水平画角０°の全光束は、第１のプリズム系と第２のプリズム系によって射出瞳に導かれる。このため、第１及び第２の原画における水平画角０°の部分の明るさを他の部分の半分にして、合成画像全体の明るさを均一にするのが好ましい。

図４には、本発明の実施例４であるＨＭＤの観察光学系の光路断面図を示している。本実施例は、実施例１，２の変形例であり、実施例１と同一の作用を有する構成要素には、実施例１と同一符号を付している。

実施例１，２では、第１のプリズム２と第２のプリズム４のみで観察光学系を構成していたが、本実施例では、もう１つプリズム（第３のプリズム）５を追加してさらに薄型化を図っている。第３のプリズム５は、第１のプリズム２のハーフミラー面ｓ３の一部に接合されている。

なお、第１のプリズム２に接合された第３のプリズム５を、第１のプリズム２とともに第１の光学系を構成するものとみなしてもよい。

第１の画像形成素子１（ｓ６）からの第１の光束は、第１のプリズム２の面ｓ５から第１のプリズム２内に入射する。第１のプリズム２内に入射した第１の光束は、面ｓ４で内部全反射して凹面（第１の光学面）ｓ３に形成されたハーフミラーで反射し、面ｓ２に向かう。面ｓ２と面ｓ４は同じ面である。

面ｓ２を射出した第１の光束は、射出瞳ｓ１に向かい、該射出瞳ｓ１の位置に配置された観察者の眼球（片眼）に導かれる。こうして、第１の光束は、射出瞳ｓ１の位置で観察可能な第１の原画の拡大虚像（第１の原画に対応する第１の画像）を、表示画角のうち第１の画角領域に形成する。

一方、第２の画像形成素子３（ｔ１０）からの第２の光束は、第２のプリズム４の面ｔ９から第２のプリズム４内に入射する。第２のプリズム４内に入射した第２の光束は、面ｔ８で内部全反射して面ｔ７に形成された金属反射膜（反射率８０％以上）で反射し、面ｔ６に向かう。面ｔ８と面ｔ６は同じ面（第２の光学面）である。

面ｔ６から第２のプリズム４を射出した第２の光束は、第３のプリズム５の面ｔ５及び面ｔ４を透過して、該面ｔ４に接合された第１のプリズム２のハーフミラー面ｔ３（ｓ３と同一面）から第１のプリズム２内に入射する。さらに、該第１のプリズム２の面ｔ２（ｓ２と同一面）を透過して射出瞳ｔ１（眼球）に向かう。こうして、第２の光束は、射出瞳ｔ１（ｓ１と同一面）の位置で観察可能な第２の原画の拡大虚像（第２の原画に対応する第２の画像）を、表示画角のうち第２の画角領域に形成する。第２の画角領域は、第１の画角領域にローカル母線断面において隣接する領域である。

なお、本実施例では、第２のプリズム４から射出した第２の光束の一部（以下、第３の光束という）は、第１のプリズム２を通過せず、第３のプリズム５を通過して射出瞳に向かう。図４では、面ｔ２のうち該第３の光束が通過する領域についても面ｔ２と同一面としたが、該領域を面ｔ２とは別の面としてもよい。

本実施例では、第１、第２及び第３のプリズム２，４，５上の全ての面は、自由曲面（回転非対称面）により形成されている。

表１０、表１１及び表１２には、本実施例の数値例を示している。表１０に示す第１のプリズム系では、０．８インチの画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第１の画角領域）０〜１９．２８°において第１の画像を形成する。

また、表１１及び表１２に示す第２のプリズム系では、０．６７インチの画像形成素子を用い、水平画角±２５°、上下画角（ローカル母線断面上の第２の画角領域）−１９．２８〜０°において第２の画像を形成する。

さらに、観察光学系全体において、水平画角は５０°、垂直画角は３８．５６°、アイレリーフは１５ｍｍ、射出瞳径はφ１２ｍｍ（上下１０ｍｍ）である。観察光学系全体の厚さは実施例１，２よりも薄い１２．１ｍｍであり、高さは４８．８ｍｍである。

実施例１と同様に、第１及び第２の原画からの光束のうち水平画角０°の全光束は、第１のプリズム系と第２のプリズム系によって射出瞳に導かれる。このため、第１及び第２の原画における水平画角０°の部分の明るさを他の部分の半分にして、合成画像全体の明るさを均一にするのが好ましい。

図５には、本発明の実施例５であるＨＭＤの観察光学系の光路断面図を示している。本実施例は、実施例１，２の変形例であり、実施例１と同一の作用を有する構成要素には、実施例１と同一符号を付している。

本実施例では、第１及び第２のプリズム２，４がそれぞれ、反射面を３つ有する。すなわち、第１及び第２の画像形成素子１，３からの第１及び第２の光束はそれぞれ、第１及び第２のプリズム２，４内で３回反射して射出瞳ｓ１，ｔ１に導かれる。第２のプリズム４から射出した第２の光束が第１のプリズム２を介して射出瞳ｔ１に導かれる点は、実施例１，２と同じである。

このような構成を採用することにより、第１及び第２の画像形成素子１，３をそれぞれ、第１及び第２のプリズム２，４の射出瞳側に配置することができるので、第１及び第２のプリズム系のさらなる薄型化を図ることができる。

以下、図１〜図５に示したローカル母線断面図と、実施例１〜４の数値例を示す表の読み方について説明する。

各数値例では、ローカル近軸を用いている。まずこれについて説明する。

図１〜図５は、上記各実施例のローカル母線断面図であり、第１面（射出瞳ｓ１，ｔ１）の面頂点座標系を示している。各実施例では、各面の頂点をｙ軸方向でシフト偏心させ、ｘ軸回りでチルト偏心のみさせているため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断面である。しかし、各面の従来の子線断面とローカル子線断面は異なる。なお、前述した従来の母線断面及び子線断面は従来近軸（general-paraxial axis）での定義であり、ローカル母線断面及びローカル子線断面は以下に述べるローカル近軸（local-paraxial axis）での定義である。さらに、ローカル近軸における偏心系に対応したローカル曲率半径、ローカル面間隔、ローカル焦点距離及びローカル屈折力の定義も以下に説明する。

各実施例では、拡大合成画像の中心と観察光学系の射出瞳の中心を通る光線を中心画角主光線（基準光線）としている。そして、従来の各面の頂点基準の曲率半径、面間隔、焦点距離及び屈折力ではなく、基準光線の各面でのヒットポイント（入射点）を基準としたローカル曲率半径、ローカル面間隔、ローカル焦点距離及びローカル屈折力を用いている。

ここで、ローカル曲率半径は、光学面のヒットポイント上でのローカルな曲率半径（ローカル母線断面上での曲率半径やローカル子線断面上での曲率半径）をいう。また、ローカル面間隔は、現在の面と次の面での２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距離で空気換算なしの値）をいう。

また、ローカル焦点距離は、ローカル曲率半径、面の前後の屈折率及びローカル面間隔より、従来の焦点距離計算方法（近軸追跡）で計算した値である。ローカル屈折力（光学パワー）は、ローカル焦点距離の逆数である。

なお、各数値例の表における（general-paraxial axis）の欄には、従来の曲率半径ry，rx、面間隔ｄ、偏心量shift，tilt、面を構成する媒質のｄ線に対する屈折率ｎｄ及びアッべ数υｄを示している。ここで、曲率半径ry，rxはそれぞれ、母線断面での曲率半径及び子線断面での曲率半径である。また、面間隔ｄは、第１面の面頂点座標系と平行な距離を示す。さらに偏心量については、母線断面上において第１面の面頂点座標系に対する各面の頂点の平行偏心量をshiftとし、傾き偏心量（度）をtiltとする。

一方、（local-paraxial axis）の欄には、ローカル曲率半径local-ry，local-ry、面を構成する媒質の屈折率（反射面は逆符号）ｎｄ、ローカル面間隔（反射面は逆符号）local-ｄ及びローカル焦点距離local-fx，local-fyを示している。

また、表中のFFSとFFSTは自由曲面（回転非対称面）を表す。さらに、各表の左端に「Ｍ」が付された面は反射面であり、屈折率ｎｄには逆符号を付している。

なお、各表は、射出瞳s１（ｔ1）から画像形成素子（図１〜図３では面ｓ６，ｔ８、図４ではｓ６、ｔ１０）に向かって光路を逆トレースした場合の数値データである。

FFSとFFSTの定義式を以下に示す。以下の式は、各面の面頂点座標系での定義式である。

FFS：
z=(1/R)*(x²+y²)/(1+(1-(1+c1)*(1/R)²*(x²+y²))^(1/2))+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) +…
FFST：
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)+…
上記定義式において、ｃｘ，ｃｙ，ｃ１，ｃ５，…は自由曲面係数である。「ｅ−Ｍ」は、「×１０^−Ｍ」を意味する。

自由曲面の場合、自由曲面係数の中に近軸に関与する係数があるため、従来近軸での母線断面曲率半径ｒｙ及び子線断面曲率半径ｒｘの値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ及び子線断面曲率半径ｒｘと一致しない。そこで、表には、ポイント（０，０）、つまりは面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ及び子線断面曲率半径ｒｘも示している。

また、ローカル近軸では、各面でのヒットポイントの座標（面頂点を（０，０）とする）及び射出瞳での画角ωｙ，ωｘも示している。

以上説明したように、上記各実施例では、ローカル母線断面上で表示画角を２つに分割し、該２つの分割画角領域に画像を形成する第１及び第２のプリズム系をそれぞれ３面構成の自由曲面プリズムで構成した。これにより、厚みが薄い（実施例１，２，４，５）又は高さが低い（実施例３）観察光学系を実現することができる。

しかも、第１のプリズム内に、第１のプリズム系と第２のプリズム系とで共用される部分を設けることにより、合成画像を構成する第１及び第２の画像の繋ぎ目での光散乱やフレアの発生を抑えることができ、繋ぎ目を目立たなくすることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。上記各実施例では、観察者の頭部に装着されるＨＭＤについて説明したが、本発明はＨＭＤ以外の画像表示装置にも適用することができる。

本発明の実施例１であるＨＭＤの観察光学系のローカル母線断面図。 本発明の実施例２であるＨＭＤの観察光学系のローカル母線断面図。 本発明の実施例３であるＨＭＤの観察光学系のローカル母線断面図。 本発明の実施例４であるＨＭＤの観察光学系のローカル母線断面図。 本発明の実施例５であるＨＭＤの観察光学系のローカル母線断面図。

符号の説明

１ 第１の画像形成素子
２ 第１のプリズム
３ 第２の画像形成素子
４ 第２のプリズム
５ 第３のプリズム
ｓ１，ｔ１ 射出瞳

Claims (8)

1. 表示画角のうち互いに異なる画角領域に第１の画像及び第２の画像を形成することにより該第１及び第２の画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示する画像表示装置であって、
   第１の原画及び第２の原画をそれぞれ形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子と、
   前記第１の画像形成素子からの第１の光束を２回以上反射して射出瞳に導く第１の光学系と、
   前記第２の画像形成素子からの第２の光束を２回以上反射して前記第１の光学系に導く第２の光学系とを有し、
   前記第１の光学系は、前記第２の光学系よりも前記射出瞳に近い側に、前記第２の光学系に対向する位置に配置されており、
   前記第２の光学系は、前記第２の光束を透過することにより前記第１の光学系に導いており、
   前記第１の光学系は、前記第１の光束を反射することにより前記射出瞳に導く第１の有効領域と、前記第２の光学系からの前記第２の光束を透過することにより前記射出瞳に導く第２の有効領域とを含む第１の光学面を有しており、
   前記第１及び第２の光学系において、前記２回以上の反射によって前記第１及び第２の光束が折り畳まれる断面を第１の断面とするとき、
   前記第１の断面内において、前記第１の有効領域の位置と前記第２の有効領域の位置が、前記第１の画像形成素子の位置と前記第２の画像形成素子の位置がずれている方向と同じ方向においてずれており、
   前記第１の光学系は、前記第１の光束と前記第２の光学系からの前記第２の光束によって前記第１の断面における互いに異なる画角領域に前記第１及び第２の原画のそれぞれに対応する前記第１及び第２の画像が形成されるように前記第１及び第２の光束を前記射出瞳に導くことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第２の光学系は、前記第２の光束を反射することにより前記第２の有効領域に導く第３の有効領域を含む第２の光学面を有しており、
   前記第１及び第２の光学系は、前記第１の光学面の前記第１の有効領域と前記第２の光学面の前記第３の有効領域とが前記第１の断面において該第１及び第２の光学面に沿った方向に互いにずれるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の有効領域は、前記第２の有効領域よりも前記第１の画像形成素子に近い位置に配置されており、
   前記第２の有効領域は、前記第１の有効領域よりも前記第２の画像形成素子に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記第１の有効領域は、前記第２の有効領域よりも前記第２の画像形成素子に近い位置に配置されており、
   前記第２の有効領域は、前記第１の有効領域よりも前記第１の画像形成素子に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記第１及び第２の光学系はそれぞれ、１より大きい屈折率を有する媒質で満たされたプリズム素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
6. 前記第１の光学面と前記第２の光学面との間に空気層が介在していることを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記第１及び第２の光学系はそれぞれ、２つの反射面を含む３つの光学面を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
8. 前記第１の断面に直交する断面を第２の断面とするとき、
   前記第１及び第２の光学系により構成される光学系全体の前記第２の断面での焦点距離が、前記第１の断面での焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の画像表示装置。