JP6478950B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、原画からの光を観察者の眼に導くことで観察者に観察画像を提示するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着され、その観察者の左右の眼に観察画像を提示するＨＭＤの多くは、右眼用原画と左眼用原画を左右のＬＣＤ等の表示素子に表示し、右眼用原画と左眼用原画からの光（虚像）をそれぞれ右眼用光学系と左眼用光学系を介して左右の眼に導く。

また、ＨＭＤには、左右の眼のそれぞれに対して複数ずつ設けた表示素子にそれぞれ異なる画角（視野）に対応する原画を表示させ、これら原画からの光を同じ眼に導くことで、異なる画角の像が合成された合成像を観察画像として提示するものがある。このような観察画像の提示方式をタイリング方式といい、特許文献１には、複数の表示素子とこれら表示素子に対応する複数のレンズとが観察者の片眼を中心に放射状に配置されたタイリング方式の単眼用ＨＭＤが開示されている。さらに、タイリング方式の単眼用ＨＭＤとして、複数の偏心反射面を用いて原画から射出瞳までの光路を折り畳むことで広画角化や小型化を図ったものが特許文献２に開示されている。

米国特許公開２０１１−０２４１９７６号公報 特開２０１３−０５０４８７号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示されたタイリング方式でなくても、左右の眼に対して表示素子と光学系を別々に設ける両眼用ＨＭＤでは、これらの光学系や表示素子が互いに干渉しないようにするため、左右の眼に対する内側（鼻側）の画角が制限を受ける。光学系の干渉が問題となる場合、左右の眼の間隔（眼間距離）をＷとし、各眼から対応する光学系の最終面（眼に最も近い光学面）までの距離をＤとし、各眼に対する内側の画角の最大値をθとすると、右眼用光学系と左眼用光学系とが互いに干渉しない条件は、
Ｄ・ｔａｎθ＜Ｗ／２
となる。つまり、内側の画角θはθ＝ａｔａｎ（Ｗ／２／Ｄ）を超えることができない。
また、特許文献１のように表示素子を放射状に配置する場合は、左眼用と右眼用の表示素子同士の干渉が問題となるため、さらにθの条件が狭まり、内側の画角θは、
θ＝ａｔａｎ（（Ｗ／２−α）／Ｄ）
を超えることができない。

眼間距離Ｗは固定であるため、内側の画角を大きくするために距離（アイリリーフ）Ｄを小さくすることも考えられる。しかし、距離Ｄを小さくすると、眼鏡を使用する観察者が眼鏡を付けたままＨＭＤを装着することが難しい。

本発明は、必要なアイリリーフを確保しながらも左右の眼に対する内側の画角を広くする、つまりは各眼に広画角の画像を提示することができるようにした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、左眼用画角のうち最も左側の画角用の第１の左眼用原画、右眼用画角のうち最も右側の画角用の第１の右眼用原画、左眼用画角のうち最も右側の画角用の第２の左眼用原画および右眼用画角のうち最も左側の画角用の第２の右眼用原画をそれぞれ異なる表示領域に表示する画像表示ユニットと、第１の左眼用原画からの第１の左眼画像光を左射出瞳に導く第１の光学系と、第１の右眼用原画からの第１の右眼画像光を右射出瞳に導く第２の光学系と、第２の左眼用原画からの第２の左眼画像光を、第１の光学系により第１の左眼画像光が左射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも右射出瞳側の領域を通過させて左射出瞳に導く第３の光学系と、第２の右眼用原画からの第２の右眼画像光を、第２の光学系により第１の右眼画像光が右射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも左射出瞳側の領域を通過させて右射出瞳に導く第４の光学系とを有する。画像表示ユニットは、左射出瞳と右射出瞳との間の中心よりも左射出瞳側にある表示領域に第１の左眼用原画および第２の右眼用原画を表示し、上記中心よりも右射出瞳側にある表示領域に第１の右眼用原画および第２の左眼用原画を表示する。第１の光学系は、第１の左眼画像光の光路を第１および第２の右眼用画像光の光路と交差させずに第１の左眼画像光を前記左射出瞳に導き、第２の光学系は、第１の右眼画像光の光路を第１および第２の左眼用画像光の光路と交差させずに第１の右眼画像光を前記右射出瞳に導き、第３の光学系および第４の光学系はそれぞれ、第２の左眼画像光と第２の右眼画像光の光路を互いに交差させて該第２の左眼画像光と該第２の右眼画像光を左射出瞳および右射出瞳に導くことを特徴とする。
また、本発明の他の一側面としての画像表示装置は、第１の左眼用原画、第１の右眼用原画、第２の左眼用原画および第２の右眼用原画をそれぞれ異なる表示領域に表示する画像表示ユニットと、第１の左眼用原画からの第１の左眼画像光を左射出瞳に導く第１の光学系と、第１の右眼用原画からの第１の右眼画像光を右射出瞳に導く第２の光学系と、第２の左眼用原画からの第２の左眼画像光を、第１の光学系により第１の左眼画像光が左射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも右射出瞳側の領域を通過させて左射出瞳に導く第３の光学系と、第２の右眼用原画からの第２の右眼画像光を、第２の光学系により第１の右眼画像光が右射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも左射出瞳側の領域を通過させて右射出瞳に導く第４の光学系とを有する。画像表示ユニットは、左射出瞳と右射出瞳との間の中心よりも左射出瞳側にある表示領域に第１の左眼用原画および第２の右眼用原画を表示し、上記中心よりも右射出瞳側にある表示領域に第１の右眼用原画および第２の左眼用原画を表示する。第１の光学系および第２の光学系はそれぞれ、第１の左眼画像光と第１の右眼画像光の光路を互いに交差させずに該第１の左眼画像光と該第１の右眼画像光を左射出瞳および右射出瞳に導き、第３の光学系および第４の光学系はそれぞれ、第２の左眼画像光と第２の右眼画像光の光路を互いに交差させて該第２の左眼画像光と該第２の右眼画像光を左射出瞳および右射出瞳に導く。第１、第２、第３および第４の光学系はそれぞれ、その光学系に対応する左または右射出瞳の中心を通る軸を含んで左射出瞳と右射出瞳とが並ぶ左右方向に直交する平面について対称な形状の光学面を有することを特徴とする。

本発明によれば、必要なアイリリーフを確保しつつ左右の眼に対する内側の画角を広げることができ、各眼に広画角の画像を提示することができる画像表示装置を実現することができる。

本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す模式図。 実施例１における原画と観察画像との関係を説明する図。 実施例１の具体的構成例を示す図。 実施例１の具体的構成例における光学系の同一性を説明する図。 実施例１の変形例の構成を示す模式図。 実施例１の変形例における原画と観察画像との関係を説明する図。 本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す模式図。 実施例２における原画と観察画像との関係を説明する図。 実施例２の変形例の構成を示す模式図。 実施例２の具体的構成例を示す図。 実施例２の具体的構成例を示す別の図。 実施例２の具体的構成例の変形例であるＨＭＤの構成を示す模式図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

各実施例では、観察者の左右の眼のそれぞれに対して観察画像を提示する画角を複数に分割する。すなわち、右眼に対して提示する観察画像の画角を大きく分けて右外側画角と右内側画角に分割し、左眼に対して提示する観察画像の画角を大きく分けて左外側画角と左内側画角とに分割する。内側とは左右の眼（左右の射出瞳）から見て鼻側であり、外側とはその反対側である。

図１には、本発明の実施例１である画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の構成を模式的に示している。図１は、観察者の左右の眼（後述する左射出瞳と右射出瞳）が並ぶ方向である左右方向を図の横方向とし、観察者の前後方向を図の縦方向として、ＨＭＤを上方から見たときの水平断面での構成を模式的に示している。

１は右外側画角用の原画（以下、第１の右眼用原画という）を表示する第１の右眼用表示素子であり、２は左外側画角用の原画（以下、第１の左眼用原画という）を表示する第１の左眼用表示素子である。本実施例では、第１の右眼用表示素子１は２つの表示素子１−１，１−２により構成され、第１の右眼用原画を該表示素子１−１，１−２に分けて表示する。また、第１の左眼用表示素子２も２つの表示素子２−１，２−２により構成されており、第１の左眼用原画を該表示素子２−１，２−２に分けて表示する。

３は右内側画角用の原画（以下、第２の右眼用原画という）を表示する第２の右眼表示素子であり、４は左内側画角用の原画（以下、第２の左眼用原画という）を表示する第２の左眼表示素子である。

本実施例では、左右方向において、第１の右眼用表示素子１と第１の左眼用表示素子２との間（内側）に第２の右眼用表示素子３と第２の左眼用表示素子４が配置されている。ただし、第１の左眼用表示素子２と第２の右眼用表示素子３とが、観察者の左眼９が配置される左射出瞳Ｓ２と観察者の右眼８が配置される右射出瞳Ｓ１との間の中心を通る平面（以下、中心面という）１４よりも左射出瞳側に配置されている。左射出瞳側を、以下の説明では単に左側ともいう。また、第１の右眼用表示素子１と第２の左眼用表示素子４とが、中心面１４よりも右射出瞳側（以下、単に右側ともいう）に配置されている。中心面１４は、言い換えれば、左射出瞳Ｓ２の中心と右射出瞳Ｓ１の中心とを結ぶ線分の中点を通り、該線分に直交する平面である。

上記表示素子１〜４はそれぞれ、液晶表示素子や有機ＥＬ表示素子等により構成される。また、表示素子１〜４によって画像表示ユニットが構成される。

６は左眼用光学系であり、第１の左眼用表示素子２−１，２−２に表示された第１の左眼用原画からの光束（以下、第１の左眼画像光という）をそれぞれ左射出瞳Ｓ２に導く第１の左眼用光学系（第１の光学系）６−１，６−２を含む。また、左眼用光学系６は、第２の左眼用表示素子４に表示された第２の左眼用原画からの光束（以下、第２の左眼画像光という）を左射出瞳Ｓ２に導く第２の左眼用光学系（第３の光学系）６−３を含む。

５は右眼用光学系であり、第１の右眼用表示素子１−１，１−２に表示された第１の右眼用原画からの光束（以下、第１の右眼画像光という）をそれぞれ右射出瞳Ｓ１に導く第１の右眼用光学系（第２の光学系）５−１，５−２を含む。また、右眼用光学系５は、第２の右眼用表示素子３に表示された第２の右眼用原画からの光束（以下、第２の右眼画像光という）を右射出瞳Ｓ１に導く第２の右眼用光学系（第４の光学系）５−３を含む。

第１の左眼用光学系６−１，６−２および第１の右眼用光学系５−１，５−２はそれぞれ、第１の左眼画像光と第１の右眼画像光とをそれらの光路を互いに交差させずに左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に導く。これにより、左射出瞳Ｓ２と右射出瞳Ｓ１にはそれぞれ、第１の左眼用原画と第１の右眼用原画に対応する光学像（虚像）が形成される。

一方、第２の左眼用光学系６−３および第２の右眼用光学系５−３はそれぞれ、第２の左眼画像光と第２の右眼画像光とをそれらの光路を互いに交差させて左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に導く。これにより、左射出瞳Ｓ２と右射出瞳Ｓ１にはそれぞれ、第２の左眼用原画と第２の右眼用原画に対応する光学像（虚像）が形成される。

なお、ここに言う「交差」、とは、実際の光路同士の交差であることが望ましいが、装置（ＨＭＤ）を上方から（左右の射出瞳の配列方向に垂直で、かつ左右の眼の標準的な視線の方向に垂直な方向から）見たときの交差であればよい。つまり、実際には光路同士は上下方向にずれていて交差していなかったとしても、装置上方から見て互いの光路同士が交差していれば、それは交差しているとみなす。

さらに第２の左眼用光学系６−３は、第２の左眼用原画からの第２の左眼画像光を、第１の左眼用光学系６−１，６−２により第１の左眼画像光が左射出瞳Ｓ２に導かれる際に通過する領域よりも内側（右側）の領域を通過させて左射出瞳Ｓ２に導く。また、第２の右眼用光学系５−３は、第２の右眼用原画からの第２の右眼画像光を、第１の右眼用光学系５−１，５−２により第１の右眼画像光が右射出瞳Ｓ１に導かれる際に通過する領域よりも内側（左側）の領域を通過させて右射出瞳Ｓ１に導く。これにより、左射出瞳Ｓ２には第１および第２の左眼用原画のそれぞれに対応する光学像が繋ぎ合わさった観察画像が形成され、右射出瞳Ｓ１には第１および第２の右眼用原画のそれぞれに対応する光学像が繋ぎ合わさった観察画像が形成される。

以下の説明において、第１および第２の左眼用表示素子２−１，２−２，４をまとめて左眼用表示素子ともいい、第１および第２の右眼用表示素子１−１，１−２，３をまとめて右眼用表示素子ともいう。また、第１および第２の左眼用光学系６−１，６−２，６−３をまとめて左眼用光学系ともいい、第１および第２の右眼用光学系５−１，５−２，５−３をまとめて右眼用光学系ともいう。

１６−１，１６−２，１６−３はそれぞれ左眼用光学系６−１，６−２，６−３の光軸であり、１５−１，１５−２，１５−３はそれぞれ右眼用光学系５−１，５−２，５−３の光軸である。図１はこれら光軸１５−１，１５−２，１５−３，１６−１，１６−２，１６−３を含む断面である。

本実施例では、３つの左眼用表示素子２−１，２−２，４および３つの左眼用光学系６−１，６−２，６−３は、左射出瞳Ｓ２を中心として左右方向に放射状に広がるように配置されている。言い換えれば、左眼用光学系６−１，６−２，６−３の光軸１６−１，１６−２，１６−３が左射出瞳Ｓ２を要とする扇の半径方向に延び、その延長線上に左眼用表示素子２−１，２−２，４（左眼用原画）の中心が配置されている。同様に、３つの右眼用表示素子１−１，１−２，３および３つの右眼用光学系５−１，５−２，５−３は、右射出瞳Ｓ１を中心として左右方向に放射状に広がるように配置されている。すなわち、右眼用光学系５−１，５−２，５−３の光軸１５−１，１５−２，１５−３が右射出瞳Ｓ１を要とする扇の半径方向に延び、それらの延長線上に右眼用表示素子１−１，１−２，３（右眼用原画）の中心が配置されている。このように、左眼用と右眼用の光学系および表示素子とが互いに同一の光学系と同一の表示素子によって構成され、中心面１４について対称な構成を有する。その上で、第２の左眼用表示素子４と第２の右眼用表示素子３とがそれぞれ、中心面１４よりも右射出瞳側および左射出瞳側に配置されている。これにより、両眼用のＨＭＤであって内側に広い画角で観察画像を表示可能なＨＭＤの構成を簡素化することができるとともに、設計や製造の複雑化を避けることができる。

図１において、Ｗは左射出瞳Ｓ２と右射出瞳Ｓ１の間隔（眼間距離）であり、Ｄは各射出瞳から対応する光学系の最終面（眼に最も近い光学面）までの距離（アイレリーフ）である。本実施例では、上述したように第２の左眼用表示素子４と第２の右眼用表示素子３とがそれぞれ中心面１４よりも右射出瞳側および左射出瞳側に配置している。これにより、左眼および右眼用光学系６，５の干渉を避けつつ内側への画角θの条件であるθ＝ａｔａｎ（（Ｗ／２−α）／Ｄ）においてα→０となるような、広い画角とすることができる。例えば、光学系５−１，５−２，５−３の焦点距離と各光学系の主点から射出瞳までの光軸方向での距離とが等しい場合、従来構成であればα＝ｆ×ｃｏｓ（π／２−２×θ／３）が必要であるのに対し、αを０に近い値にできる分、内側画角の広画角化が可能である。このように、本実施例は、左眼および右眼用光学系６，５の干渉を避けつつ、かつアイレリーフを十分確保しつつ、内側まで広い画角で観察画像を左右の眼に提示することができる。

図２には、本実施例における右眼用表示素子１−１，１−２，３にそれぞれ表示される右眼用原画１１，１２，１３の例を示す。左眼用表示素子２−１，２−２，４のそれぞれには、原画１３，１２，１１が表示される。これにより、観察者の左右の眼にはそれぞれ、これらの原画１１，１２，１３からの光により形成される光学像（虚像）が合成された、つまりは左右方向に繋ぎ合わされた合成画像としての観察画像１０が提示される。

なお、左眼用原画と右眼用原画とが互いに視差を有する視差画像である場合には、観察者が左右の眼のそれぞれに提示された互いに視差を有する観察画像を融像することで立体感（奥行き情報）を得ることができる。すなわち、本実施例のＨＭＤを立体画像表示装置として機能させることができる。

図３には、図１に示した構成をより具体化した実施例を示している。図３において、図１に示した構成要素に対応する構成要素には、図１と同符号を付している。この実施例では、右眼用光学系５および左眼用光学系６はそれぞれ、一体の光学素子（レンズユニット）として構成されている。また、３つの右眼用光学系５−１〜５−３と３つの左眼用光学系６−１〜６−３のそれぞれは、該レンズユニットにおいて回転対称の（言い換えれば光軸を含む平面について対称な形状の光学面を有する）単レンズとして構成されている。光軸を含む平面について対称な形状の光学面を有する構成としたことで、各レンズユニットを基本的に同一部品で構成することができる。

図４を用いて、図３に示した実施例における左眼用と右眼用のそれぞれに設けられた３つの光学系の光学的な同一性について説明する。図４は、図３と同様に水平断面を示している。なお、本実施例および後述する他の実施例において、同一、一致、平行等の複数の構成要素の関係は、必ずしも完全（厳密）である必要はなく、公差等の許容される誤差や有意ではない相違を有していてもよい。

５−Ａは右眼用光学系５−１〜５−３のそれぞれのベースとなる光学系（レンズ）を示す。Ｒ１、Ｒ２および１５−Ａはそれぞれ、光学系５−Ａの入射面、出射面および光軸である。１−Ａは光学系５−Ａに対応する右眼用原画が表示される右眼用表示素子を示す。光学系５−Ａの光軸１５−Ａ（の延長線）が右眼用表示素子１−Ａに表示される右眼用原画の中心に一致する。Ｓ−Ａは光学系５−Ａの射出瞳であり、ＳＣ−Ａは射出瞳Ｓ−Ａの中心（以下、射出瞳中心という）である。２本の破線は、右眼用表示素子１−Ａ上の右眼用原画の両端から発して光学系５−Ａで屈折して射出瞳中心ＳＣ−Ａに至る両端画角主光線のうち、光学系５−Ａと射出瞳中心ＳＣ−Ａとの間の光線部分を右眼用表示素子１−Ａ側に延長した線を示している。

右眼用光学系５−２は、光学系５−Ａの径方向の両端を破線の位置で図の紙面に垂直に切断した形状を有する。また、他の２つの右眼用光学系５−１，５−３はそれぞれ、光学系５−Ａの径方向の一端のみを破線の位置で図の紙面に垂直に切断した形状を有する。つまり、３つの右眼用光学系５−１，５−２，５−３は、径方向のサイズが互いに異なるだけで、入射面Ｒ１および出射面Ｒ２のそれぞれの曲率と面間隔は互いに同一で、媒質も同一である。つまり、３つの右眼用光学系５−１，５−２，５−３は、光学的には互いに同一に構成されている。

このように光学的に互いに同一である右眼用光学系５−１，５−２，５−３が、それらの射出瞳中心ＳＣ−Ａを互いに一致させ、それぞれに対応する右眼用原画からの両端画角主光線が射出瞳中心ＳＣ−Ａに到達するように放射状に配置されている。以上のことは左眼用光学系６−１〜６−３についても同じであり、さらに左眼用光学系６−１〜６−３と右眼用光学系５−１，５−２，５−３も互いに同一である。すなわち、本実施例では、右眼用光学系５−１，５−２，５−３および左眼用光学系６−１〜６−３の計６つの光学系が互いに光学的に同一に構成されている。このため、これら６つの光学系を１つのベースとなる光学系５−Ａを設計するだけで構成でき、この結果、光学設計を簡略化することができる。また、右眼用光学系５−１，５−３（および左眼用６−１，６−３）については、前述したように光学系５−Ａの径方向の一端のみを切断して、図３に示したレンズユニットの両端となる部分は切断しないようにしている。これにより、原画から発せられる観察画像の両端を形成する画像光がそれら光学系を通って射出瞳の両端にも到達することができ、射出瞳中心に対して観察者の眼がずれた場合でも観察画像の端の欠けを回避することができる。

図５には、実施例１の変形例としてのＨＭＤの右眼用光学系５（５−１〜５−３）および右眼用表示素子１（１−１，１−２），３を示している。左眼用光学系および左眼用表示素子も、同様に構成される。

図６には、本変形例における右眼用表示素子１−１，１−２，３にそれぞれ表示される右眼用原画１１′，１２′，１３′の例を示す。原画１２′のうち二点鎖線よりも左側の左端部分と同一の原画部分が原画１３′に含まれている。これら互いに同一の原画部分からの右眼画像光は、図５に二点鎖線で示した領域と破線で示した領域とで表すように、右射出瞳Ｓ１において互いに接し合う。これにより、図６中の原画１２′における上記左端部分と原画１３′における該左端部分と同一の原画部分からの画像光は、右射出瞳Ｓ１の近傍において原画１２′，１３′のいずれか一方からの光として又は両方から同一方向からの光として右眼ＲＥに入る。したがって、光学像が繋ぎ合わされる繋ぎ目（境界線または境界領域）で自然に連続した観察画像１０が形成される。

右眼用光学系５−２の射出瞳のうち原画１２′の左端部分から発した画像光が到達する領域は、図５に二点鎖線矢印で示した領域である。また、右眼用光学系５−３の射出瞳のうち原画１３′において破線よりも右側の右端部分から発した画像光が到達する領域は、図５に破線矢印で示した領域である。仮に上述した原画１２′と原画１３′の同一の原画部分からの右眼画像光の重なり合いがない場合に図５に示すように観察者の右眼８が二点鎖線矢印で示した領域を外れると、原画１２′の左端部分に対応する観察画像部分が欠けて見えなくなる。一方、原画１２′と原画１３′の同一原画部分からの画像光が重なり合うことで、図５に示すように右眼が二点鎖線矢印で示した領域からずれても、原画１２′の左端部分と同一の原画部分である原画１３′の右端部分に対応する観察画像部分が見える。このことは、原画１２′と原画１１′においても同様である。このため、観察者は、右眼が右射出瞳Ｓ１において左右にずれても、図６中に示すような欠けのない連続した観察画像１０を見ることができる。

また、本実施例では、右眼用および左眼用光学系は、中間像を形成しない光学系である。中間像を形成する光学系は一般的には光学系の全長が長くなるため、中間像を形成しない光学系とすることで、ＨＭＤの小型化に有効である。ただし、右眼用および左眼用光学系が中間像を形成する光学系であってもよい。

図７には、本発明の実施例２であるＨＭＤの水平断面での構成を示している。実施例１では第１の右眼用表示素子１と第１の左眼用表示素子２をそれぞれ２つの表示素子により構成したが、本実施例では第１の右眼用表示素子１および第１の左眼用表示素子２をそれぞれ１つの表示素子のみで構成する。またこれに伴い、実施例１では第１の右眼用光学系５−１，５−２と第１の左眼用光学系６−１，６−２をそれぞれ２つの光学系により構成したが、本実施例では右眼用光学系５および左眼用光学系６としてそれぞれ１つの光学系のみで構成する。さらに、実施例１では第２の右眼用光学系５−３と第２の左眼用光学系６−３とを別々の光学系として構成したが、本実施例ではこれら光学系（第３および第４の光学系）を単一の光学系７として構成する。すなわち、第３および第４の光学系を、第２の左眼画像光と第２の右眼画像光とが通る共用の光学系とする。以下の説明では、この共用光学系７を内側光学系７という。

１５，１６はそれぞれ図７の水平断面上において中心面１４に平行で、右および左射出瞳Ｓ１，Ｓ２の中心を通る視軸である。第１の右眼用表示素子１、第１の左眼用表示素子２、第２の右眼用表示素子３および第２の左眼用表示素子４は、視軸１５，１６および中心面１４に対して直交する直線上に並ぶように（左右方向に平行に）配置されている。上記４つの表示素子１〜４によって画像表示ユニットが構成される。

また、本実施例では、後に詳しく説明するように、右眼用光学系５、左眼用光学系６および内側光学系７のうち各射出瞳に最も近い面が、中心面１４に対して対称な共通の光学面として形成されている。

以上が、本実施例が実施例１と異なる点であるが、その他は実施例１と同様である。

左眼用光学系６は、第１の左眼用表示素子２に表示された第１の左眼用原画からの第１の左眼用画像光を左射出瞳Ｓ２に導く。また、右眼用光学系５は、第１の右眼用表示素子１に表示された第１の右眼用原画からの第１の右眼画像光を右射出瞳Ｓ１に導く。左眼用光学系６および右眼用光学系５は互いに独立した光学系として構成され、それぞれ第１の左眼画像光と第１の右眼画像光とをそれらの光路を互いに交差させずに左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に導く。

本実施例でも、第２の左眼用表示素子４は中心面１４よりも右側に位置し、第２の右眼用表示素子３は中心面１４よりも左側に位置する。内側光学系７は、第２の左眼用表示素子４に表示された第２の左眼用原画からの第２の左眼画像光と第２の右眼用表示素子３に表示された第２の右眼用原画からの第２の右眼画像光とをそれぞれ、それらの光路を互いに交差させて左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に導く。この際、内側光学系７は、第２の左眼画像光を、左眼用光学系６により第１の左眼画像光が左射出瞳Ｓ２に導かれる際に通過する領域よりも内側（右射）の領域を通過させて左射出瞳Ｓ２に導く。また、内側光学系７は、第２の右眼画像光を、右眼用光学系５により第１の右眼画像光が右射出瞳Ｓ１に導かれる際に通過する領域よりも内側（左側）の領域を通過させて右射出瞳Ｓ１に導く。

本実施例では、左眼および右眼用の最内側画角の光束が光学系７よりも手前において交差するようにしたことで、左眼および右眼用にそれぞれ設けられた光学系の干渉を避けつつ、内側への画角θとして、
θ＞ａｔａｎ（Ｗ／２／Ｄ）
となるような広い画角で観察画像を提示することも可能である。このように、本実施例でも、左眼および右眼用に設けられた光学系の干渉を避けつつ、かつアイレリーフを十分確保しつつ、内側まで広い画角で観察画像を左右の眼に提示することができる。

図８には、本実施例における第１の右眼用表示素子１および第２の右眼用表示素子３にそれぞれ表示される第１の右眼用原画１１″および第２の右眼用原画１３″の例を示す。観察者の右眼には、これらの原画１１″，１３″からの光により形成される光学像（虚像）が合成された合成画像としての観察画像１０が提示される。なお、第１の左眼用表示素子２および第２の左眼用表示素子４には、観察画像１０の上に丸囲みの２と４を付した矢印で示した２つの部分に対応する原画が表示される。これにより、観察者の左眼にも観察画像１０が提示される。

なお、本実施例では、表示素子１〜４をそれぞれ別々の表示素子として説明するが、それぞれ異なる表示領域に別々に上記４つの原画が表示されるのであれば、４つの表示素子を用いなくてもよい。例えば、表示素子１，４に相当する２つの表示領域を有する単一の表示素子と、表示素子２，３に相当する２つの表示領域を有する単一の表示素子とを用いてもよい。以下に説明する図９や図１０に示すように４つ以外の数の表示素子を用いてもよい。

図９には、実施例２の変形例としてのＨＭＤの構成を示している。図７に示した構成では、第１および第２の右眼用表示素子１，３と第１および第２の左眼用表示素子２，４の４つの表示素子を用いている。これに対して、本変形例では、単一の表示素子１００における互いに異なる表示領域に、左側から順に第１の左眼用原画、第２の右眼用原画、第２の左眼用原画および第１の右眼用原画を表示する。

図１０および図１１（Ａ）〜（Ｃ）には、図７に示した構成をより具体化した実施例を示す。図１０および図１１（Ａ）〜（Ｃ）において、図７に示した構成要素に対応する構成要素には、図７と同符号を付している。図１０は、図７と同様の水平断面に対して各表示素子と断面上の光線と各表示素子との間の光路とを射影させた図を示している。図１１（Ａ）は左眼用光学系６を水平方向から見たときの軸１６を含む断面を示す。図１１（Ｂ）は内側光学系７を水平方向から見たときの断面（中心面１４と同一断面）を示す。図１１（Ｃ）は右眼用光学系５を水平方向から見たときの軸１５を含む断面を示す。図１１（Ａ）〜（Ｃ）では各表示素子と対応する射出瞳との間の光路を各断面に射影して示している。図１１（Ｂ）の断面には実際は射出瞳Ｓ１，Ｓ２はないが、光路を説明するために射出瞳Ｓ１，Ｓ２を括弧書きで示している。

この実施例では、右眼用光学系５、内側光学系７および左眼用光学系６は、一体の光学素子（プリズムユニット）として構成されている。また、右眼用光学系５、内側光学系７および左眼用光学系６はそれぞれ、該プリズムユニットにおけるプリズムとして構成されている。プリズムの内部は屈折率が１より大きい光学媒質で満たされている。また、この実施例では、図７に２つの表示素子として示した第２の右眼用および左眼用表示素子３，４を、単一の表示素子（以下、内側表示素子という）３４として構成している。

図１１（Ａ）において、第１の左眼用表示素子２から発せられた第１の左眼用画像光は、左眼用光学系６を構成するプリズムの第１面（屈折面）６３を通って該プリズム内に入射し、第２面１０１に到達する。第１の左眼用画像光は、プリズムにおける空気との界面である第２面１０１に対して臨界角より大きな入射角で入射する。このため、第１の左眼用画像光は、第２面１０１で全反射して第３面６２に向かう。第３面６２は、金属コーティング等が施された反射面であり、ここに入射した第１の左眼画像光は反射して再度、第２面１０１に到達する。この際、第１の左眼画像光は第２面１０１に臨界角より小さい入射角で入射し、第２面１０１を透過して左射出瞳Ｓ２に到達する。

図１１（Ｂ）に示す内側光学系７を構成するプリズムも、図１１（Ａ）に示したプリズムと同様に構成されている。このため、図１１（Ｂ）において内側表示素子３４から発せられた第２の左眼用および右眼用画像光は、プリズムの第１面（屈折面）７３を通って該プリズム内に入射し、第２面１０１で全反射して第３面７２に向かう。そして、第２の左眼用および第２の右眼用画像光はそれぞれ、第３面７２で反射し、第２面１０１を透過して左および右射出瞳Ｓ２，Ｓ１に到達する。この際、プリズムの内部で、第２の左眼用画像光の光路と第２の右眼用画像光の光路とが互いに交差して左および右射出瞳Ｓ２，Ｓ１に向かう。

図１１（Ｃ）に示す右眼用光学系５を構成するプリズムも、図１１（Ａ）に示したプリズムと同様に構成されている。このため、図１１（Ｃ）において第１の右眼用表示素子１から発せられた第１の右眼用画像光は、プリズムの第１面（屈折面）５３を通って該プリズム内に入射し、第２面１０１で全反射して第３面５２に向かう。そして、第１の右眼用画像光は、第３面５２で反射し、第２面１０１を透過して右射出瞳Ｓ１に到達する。

図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示したプリズムにおいて各射出瞳に最も近い第２面１０１は、左眼用光学系６、内側光学系７および右眼用光学系５において共通する（連続する）光学面である。特に各射出瞳に最も近い光学面が上記３つの光学系６，７，５に共通な光学面として形成されることで、射出瞳において原画の光学像が繋ぎ合わせられる繋ぎ目（境界線または境界領域）でより自然に連続した観察画像を提示することができる。

図１０でのプリズムユニットを構成する光学面は、ＨＭＤの上下方向（図の紙面に垂直な方向）での中心画角となる光線の射出瞳中心と第２面１０１との間の光線を含む水平断面を示している。このため、光学面５２，６２，７２，１０１は図示されているが、光学面５３，６３，７３は不図示である。１７は上記水平断面と中心面１４とが交差する線（軸）であり、視軸１５，１６はそれぞれ軸１７を右眼用光学系５の射出瞳Ｓ１の中心と左眼用光学系６の射出瞳Ｓ２の中心とに移動させたものに相当する。光学面５２，５３は、視軸１５を含む図１０の紙面に垂直な（左右方向に直交する）平面について対称な面対称形状を有する。また、光学面６２，６３は、視軸１６を含む図１０の紙面に垂直な平面について対称な面対称形状を有する。さらに、光学面１０１，７２，７３はいずれも、中心面１４について対称な面対称形状を有する。

以上説明したように、本実施例では、第１の右眼用表示素子１、第１の左眼用表示素子２、第２の右眼用表示素子３および第２の左眼用表示素子４が左右方向に平行に配置している。このため、図９に示したように４つの表示素子１〜４に代えて１つの表示素子１００を用いたり、図１０に示したように右眼用および左眼用の表示素子３，４に代えて１つ表示素子３４を用いたりすることができる。表示素子の数を少なくすることで、表示素子のアライメント調整が容易となる。また、通常、表示素子には該表示素子の端と画像表示領域との間に画像を表示しない非表示領域があるため、複数の表示素子を用いる場合には原画間に非表示領域に相当する分の間隔が必要となる。これに対して、表示素子を１つにまとめると、互いに異なる複数の原画をその表示素子における複数の領域にそれら領域の端の画素同士が隣り合うように表示することができる等のメリットがある。一方、４つの表示素子１〜４を用いる場合には、対応する光学系の光学特性に応じて表示素子を適宜選択する自由度が得られる。

また、本実施例では、右眼用光学系５および左眼用光学系６を視軸１５，１６を含んで中心面１４に平行な平面について対称な面対称形状の光学面を有するように形成したことで、その光学面での非対称性収差の発生を抑制することができる。特に図１０および図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示した実施例において、右眼用光学系５と左眼用光学系６の複数の光学面のうち最も強いパワーを有する光学面（第３面）５２，６２を上記面対称形状の光学面としたことで、非対称性収差の発生を効果的に抑制している。同様に、第１面５３，６３についても、上述した面対称形状に形成することで、非対称性収差の発生を抑制している。

図１０および図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示した実施例のように全反射面と透過面とを兼ねる曲面光学面（第２面１０１）を設ける場合には、その曲面光学面が非対称性を有する。しかし、この曲面光学面はパワーが弱いので、非対称性収差の発生は少ない。

また、非対称性を有する光学面を配置する場合は、必ずしも視軸を含み中心面１４に平行な平面について対称な面対称形状の光学面を設ける必要はなく、その非対称な光学面で発生する非対称性収差をキャンセルするように全ての光学面に非対称性を与えてもよい。

なお、本実施例と同様なプリズム構成において中間像を形成させるように各光学系を構成してもよいが、光路長が長くなりすぎないように、中間像を形成する回数は２回以下が望ましい。

図１２（Ａ）には、図１０および図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示したＨＭＤの変形例を示す。なお、図１２（Ａ）では左眼用光学系６および内側光学系７のみを示すが、右眼用光学系５も左眼用光学系６と同様に構成される。この変形例のプリズムユニットでは、左眼用光学系６の第３面６２の右側端部と内側光学系７の第３面７２の左側端部とがプリズム内部（媒質内領域）で交差し、これら交差した部分が図中に太点線で示すようにハーフミラー部６２ｈ，７２ｈとして形成されている。左眼用および内側光学系６，７の第３面６２，７２のうち交差していない部分は図中に太実線で示すようにミラー部（反射膜が形成された反射面）として構成されている。図１２（Ｂ）には、左射出瞳Ｓ２にて提示される観察画像を示している。観察画像中の点Ｐ２３に対応する第２の表示素子２に表示された第１の左眼用原画上の点をＰ２Ｂとし、観察画像中の点Ｐ２３に対応する第３の表示素子３４に表示された第２の左眼用原画上の点をＰ３Ｂとする。

点Ｐ２Ｂからの光は、左眼用光学系６を構成するプリズムの第１面（屈折面）６３を通って該プリズム内に入射し、第２面１０１で全反射して第３面６２に向かう。第３面６２に向かった光のうち一部は該第３面６２のハーフミラー部６２ｈで反射されて第２面１０１に向かう。一方、第３面６２に向かった光のうち別の一部は内側光学系７の第３面７２のハーフミラー部７２ｈを透過して左眼用光学系６の第３面６２のミラー部６２ｍで反射された後、再び該ハーフミラー部７２ｈを透過して第２面１０１に向かう。点Ｐ２Ｂからの光のうちハーフミラー部６２ｈ，７２ｈに入射しない光は、左眼用光学系６の第３面６２のミラー部６２ｍで反射して第２面１０１に向かう。こうして第２面１０１に到達した点Ｐ２Ｂからの光は、該第２面１０１を透過して左射出瞳Ｓ２のほぼ全域に到達する。

また、点Ｐ３Ｂからの光は、内側光学系７を構成するプリズムの第１面（屈折面）７３を通って該プリズム内に入射し、第２面１０１で全反射して第３面７２に向かう。第３面７２に向かった光のうち一部は該第３面７２のハーフミラー部７２ｈで反射されて第２面１０１に向かう。一方、第３面７２に向かった光のうち別の一部は左眼用光学系６の第３面６２のハーフミラー部６２ｈを透過して内側光学系７の第３面７２のミラー部７２ｍで反射された後、再び該ハーフミラー部６２ｈを透過して第２面１０１に向かう。点Ｐ３Ｂからの光のうちハーフミラー部７２ｈ，６２ｈに入射しない光は、内側光学系７の第３面７２のミラー部７２ｍで反射して第２面１０１に向かう。こうして第２面１０１に到達した点Ｐ３Ｂからの光は、該第２面１０１を透過して左射出瞳Ｓ２のほぼ全域に到達する。

本変形例では、第１の左眼用原画上の全ての点からの光と第２の左眼用原画上の全ての点からの光が左射出瞳Ｓ２の全域を覆う。このため、観察者の左眼の位置がずれても、左射出瞳Ｓ２の範囲内にあれば、第１および第２の左眼用原画に重複表示領域を設けなくてもこれら左眼用原画のそれぞれに相当する観察画像部分が欠けることなく繋がった観察画像を提示することができる。このことは、右眼用光学系５および内側光学系７により右射出瞳Ｓ１に提示される観察画像についても同様である。

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。

１〜４ 表示素子
５ 右眼用光学系
６ 左眼用光学系
５−１，５−２ 第１の右眼用光学系
６−１，６−２ 第１の右眼用光学系
７ 内側光学系
Ｓ１ 右射出瞳
Ｓ２ 左射出瞳

Claims (11)

1. 左眼用画角のうち最も左側の画角用の第１の左眼用原画、右眼用画角のうち最も右側の画角用の第１の右眼用原画、前記左眼用画角のうち最も右側の画角用の第２の左眼用原画および前記右眼用画角のうち最も左側の画角用の第２の右眼用原画をそれぞれ異なる表示領域に表示する画像表示ユニットと、
   前記第１の左眼用原画からの第１の左眼画像光を左射出瞳に導く第１の光学系と、
   前記第１の右眼用原画からの第１の右眼画像光を右射出瞳に導く第２の光学系と、
   前記第２の左眼用原画からの第２の左眼画像光を、前記第１の光学系により前記第１の左眼画像光が前記左射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも前記右射出瞳側の領域を通過させて前記左射出瞳に導く第３の光学系と、
   前記第２の右眼用原画からの第２の右眼画像光を、前記第２の光学系により前記第１の右眼画像光が前記右射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも前記左射出瞳側の領域を通過させて前記右射出瞳に導く第４の光学系とを有し、
   前記画像表示ユニットは、前記左射出瞳と前記右射出瞳との間の中心よりも前記左射出瞳側にある前記表示領域に前記第１の左眼用原画および前記第２の右眼用原画を表示し、前記中心よりも前記右射出瞳側にある前記表示領域に前記第１の右眼用原画および前記第２の左眼用原画を表示し、
   前記第１の光学系は、前記第１の左眼画像光の光路を前記第１および第２の右眼用画像光の光路と交差させずに前記第１の左眼画像光を前記左射出瞳に導き、
   前記第２の光学系は、前記第１の右眼画像光の光路を前記第１および第２の左眼用画像光の光路と交差させずに前記第１の右眼画像光を前記右射出瞳に導き、
   前記第３の光学系および前記第４の光学系はそれぞれ、前記第２の左眼画像光の光路と前記第２の右眼画像光の光路を互いに交差させて該第２の左眼画像光と該第２の右眼画像光を前記左射出瞳および前記右射出瞳に導くことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第３および第４の光学系は、前記左射出瞳と前記右射出瞳とが並ぶ左右方向における前記第１の光学系と前記第２の光学系との間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. 前記画像表示ユニットのうち前記第２の左眼用原画と前記第２の右眼用原画がそれぞれ表示される前記表示領域が、前記左射出瞳と前記右射出瞳とが並ぶ左右方向において、前記第１の左眼用原画と前記第１の右眼用原画がそれぞれ表示される前記表示領域の間に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１および第３の光学系が前記左射出瞳を中心として、前記第２および第４の光学系が前記右射出瞳を中心として、それぞれ前記左射出瞳と前記右射出瞳とが並ぶ左右方向において放射状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
5. 前記画像表示ユニットにおける全ての前記表示領域が、前記左射出瞳と前記右射出瞳とが並ぶ左右方向に対して平行に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記第１、第２、第３および第４の光学系はそれぞれ、その光学系に対応する前記左または右射出瞳の中心を通る軸を含んで前記左射出瞳と前記右射出瞳とが並ぶ左右方向に直交する平面について対称な形状の光学面を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記第１、第２、第３および第４の光学系はそれぞれ複数の光学面を有し、
   前記複数の光学面のうち最も強いパワーを有する光学面が、前記対称な形状の光学面であることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
8. 前記第１、第２、第３および第４の光学系が、互いに光学的に同一に構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
9. 前記第１、第２、第３および第４の光学系がいずれも中間像を形成しない光学系であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 前記第３および第４の光学系が、前記第２の左眼画像光と前記第２の右眼画像光とにより共用される単一の光学系であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像表示装置。
11. 第１の左眼用原画、第１の右眼用原画、第２の左眼用原画および第２の右眼用原画をそれぞれ異なる表示領域に表示する画像表示ユニットと、
    前記第１の左眼用原画からの第１の左眼画像光を左射出瞳に導く第１の光学系と、
    前記第１の右眼用原画からの第１の右眼画像光を右射出瞳に導く第２の光学系と、
    前記第２の左眼用原画からの第２の左眼画像光を、前記第１の光学系により前記第１の左眼画像光が前記左射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも前記右射出瞳側の領域を通過させて前記左射出瞳に導く第３の光学系と、
    前記第２の右眼用原画からの第２の右眼画像光を、前記第２の光学系により前記第１の右眼画像光が前記右射出瞳に導かれる際に通過する領域よりも前記左射出瞳側の領域を通過させて前記右射出瞳に導く第４の光学系とを有し、
    前記画像表示ユニットは、前記左射出瞳と前記右射出瞳との間の中心よりも前記左射出瞳側にある前記表示領域に前記第１の左眼用原画および前記第２の右眼用原画を表示し、前記中心よりも前記右射出瞳側にある前記表示領域に前記第１の右眼用原画および前記第２の左眼用原画を表示し、
    前記第１の光学系および前記第２の光学系はそれぞれ、前記第１の左眼画像光の光路と前記第１の右眼画像光の光路を互いに交差させずに該第１の左眼画像光と該第１の右眼画像光を前記左射出瞳および前記右射出瞳に導き、
    前記第３の光学系および前記第４の光学系はそれぞれ、前記第２の左眼画像光の光路と前記第２の右眼画像光の光路を互いに交差させて該第２の左眼画像光と該第２の右眼画像光を前記左射出瞳および前記右射出瞳に導き、
    前記第１、第２、第３および第４の光学系はそれぞれ、その光学系に対応する前記左または右射出瞳の中心を通る軸を含んで前記左射出瞳と前記右射出瞳とが並ぶ左右方向に直交する平面について対称な形状の光学面を有することを特徴とする画像表示装置。