(57)【要約】【課題】両眼に対して、できるだけ少ない数の複数の画像形成素子を用いて、互いに異なる視野に形成した画像を繋ぎ合わせた広画角の合成画像を観察させる。  【解決手段】画像表示装置は、第１及び第２原画を形成する第１及び第２の画像形成素子１，２と、第１の画像形成素子からの光束のうち第１の光束を第１の射出瞳１２に導く第１の光学素子７、第２の画像形成素子からの光束のうち第２の光束を第２の射出瞳１３に導く第２の光学素子８、及び第２の画像形成素子からの光束のうち第３の光束を中間結像させて第１の光学素子に導き、第１の画像形成素子からの光束のうち第４の光束を中間結像させて第２の光学素子に導くリレー光学系２０を含む観察光学系とを有する。観察光学系は、各射出瞳からの観察画角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画像を提示する。【選択図】図１
2010107874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ第１の原画及び第２の原画を形成する第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光束のうち第１の光束を第１の射出瞳に導く第１の光学素子、前記第２の画像形成素子からの光束のうち第２の光束を第２の射出瞳に導く第２の光学素子、及び前記第２の画像形成素子からの光束のうち第３の光束を中間結像させて前記第１の光学素子に導き、前記第１の画像形成素子からの光束のうち第４の光束を中間結像させて前記第２の光学素子に導くリレー光学系を含む観察光学系とを有し、
前記観察光学系は、前記第１の光学素子により前記第１及び第３の光束を前記第１の射出瞳に導くことで該第１の射出瞳からの観察画角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画像を提示し、前記第２の光学素子により前記第２及び第４の光束を前記第２の射出瞳に導くことで該第２の射出瞳からの観察画角における互いに異なる画角領域に前記第２及び第１の原画にそれぞれ対応する画像を形成することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記第１の画像形成素子からの光束を前記第１の光束と前記第４の光束に分割する第１の光束分割手段と、前記第２の画像形成素子からの光束を前記第２の光束と前記第３の光束とに分割する第２の光束分割手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記リレー光学系は、前記第３及び第４の光束をそれぞれ奇数回ずつ中間結像させて前記第１及び第２の光学素子に導き、
該リレー光学系は、前記第３の光束と前記第４の光束によってそれぞれ形成される像を反転する像反転手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第１及び第３の光束が前記第１の射出瞳に導かれる状態と、前記第２及び第４の光束が前記第２の射出瞳に導かれる状態とを交互に切り換える切換手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記リレー光学系は、前記第３及び第４の光束をそれぞれ偶数回ずつ中間結像させて前記第１及び第２の光学素子に導くことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項６】
それぞれ第１の原画及び第２の原画を形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子と、
第３の原画及び第４の原画を形成する第３の画像形成素子と、
前記第１の画像形成素子からの光束のうち第１の光束を第１の射出瞳に導く第１の光学素子、前記第２の画像形成素子からの光束のうち第２の光束を第２の射出瞳に導く第２の光学素子、及び前記第３の画像形成素子からの光束のうち第３の光束を中間結像させて前記第１の光学素子に導き、該第３の画像形成素子からの光束のうち第４の光束を中間結像させて前記第２の光学素子に導くリレー光学系を含む観察光学系とを有し、
前記観察光学系は、前記第１の光学素子により前記第１及び第３の光束を前記第１の射出瞳に導くことで該第１の射出瞳からの観察画角における互いに異なる画角領域に前記第１及び第３の原画のそれぞれに対応する画像を提示し、前記第２の光学素子により前記第２及び第４の光束を前記第２の射出瞳に導くことで該第２の射出瞳からの観察画角における互いに異なる画角領域に前記第２及び第４の原画のそれぞれに対応する画像を提示することを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
それぞれ第１の原画及び第２の原画を形成する第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の光束を中間結像させて射出瞳に導く第１の光学系を含み、前記第２の画像形成素子からの第２の光束を前記第１の光学系に含まれる光学素子を介して前記射出瞳に導く観察光学系とを有し、
前記観察光学系は、前記第１の光束と前記第２の光束とを前記射出瞳に導くことで該射出瞳からの観察画角における第１の画角領域と第２の画角領域にそれぞれ前記第１の原画に対応する画像及び前記第２の原画に対応する画像を提示し、
前記第１の画角領域は、前記第２の画角領域よりも広いことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の画像形成素子からの光束により形成される複数の画像を繋ぎ合わせた１つの合成画像を射出瞳位置から観察させる画像表示装置に関し、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等に好適な画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤ等の画像表示装置では、広画角で高画質の画像を提示できることが求められている。広画角化のためには、大型のＬＣＤパネル等を原画を形成する画像形成素子として用いることが好ましいが、必要とする画角仕様に対応した画像形成素子を入手することが困難な場合が多い。このため、小型の画像形成素子を複数用い、それら画像形成素子からの光束によって互いに異なる複数の視野（画角領域）に画像を形成し、これらの画像を繋ぎ合わせた合成画像を観察させる画像表示装置が、特許文献１〜４にて提案されている。
【０００３】
特許文献１、２には、光学系内に観察者の視軸に関して対称に配置されたＶ字型ミラーを設けた画像表示装置が開示されている。この画像表示装置では、第１の画像形成素子に形成された原画からの光束をＶ字型ミラーの一方の反射面で反射して射出瞳に向かわせ、第２の画像形成素子に形成された原画からの光束をＶ字型ミラーの他方の反射面で反射して射出瞳に向かわせる。
【０００４】
また、特許文献３には、視軸に関して対称な形状を有するプリズムを用いた画像表示装置が開示されている。この画像表示装置では、第１の画像形成素子上の原画からの光束は、該第１の画像形成素子に対向した第１の面からプリズム内に導かれ、プリズムの透過面兼内部全反射面である第２の面と第３の面とにより反射され、さらに第２の面を透過して射出瞳に向かう。また、他の画像形成素子上の原画からの光束は、該第２の画像形成素子に対向配置された第４の面からプリズムに導かれ、透過面兼内部全反射面である第５の面と第６の面で反射され、さらに第５の面を透過して射出瞳に向かう。
【０００５】
さらに特許文献４にも、視軸に関して対称な形状のプリズムを用いた画像表示装置が開示されている。この画像表示装置では、プリズムのうち第１及び第２の画像形成素子に対向配置された第１及び第２の面から、それぞれの画像形成素子上の原画からの光束をプリズム内に入射する。そして、第１及び第２の面は、第２及び第１の面からプリズム内に入射した光束を反射して射出瞳に向かわせる反射面としても用いられる。
【特許文献１】特開平０７−２７４０９７号公報
【特許文献２】特許第３５２４５６９号公報
【特許文献３】特開平１１−３２６８２０号公報
【特許文献４】特開平１０−２４６８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜４にて開示された画像表示装置ではいずれも１つの射出瞳、すなわち観察者の片眼に対して２つの画像形成素子が用いられる。このため、両眼用が一般的であるＨＭＤ等の画像表示装置においては、４つの画像形成素子が必要となり、装置の複雑化や大型化だけでなく、コストアップを招く。
【０００７】
本発明は、両眼に対して、できるだけ少ない数の複数の画像形成素子を用いて、互いに異なる視野に形成した画像を繋ぎ合わせた広画角の合成画像を観察させることができるようにした画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての画像表示装置は、それぞれ第１の原画及び第２原画を形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子と、第１の画像形成素子からの光束のうち第１の光束を第１の射出瞳に導く第１の光学素子、第２の画像形成素子からの光束のうち第２の光束を第２の射出瞳に導く第２の光学素子、及び第２の画像形成素子からの光束のうち第３の光束を中間結像させて第１の光学素子に導き、第１の画像形成素子からの光束のうち第４の光束を中間結像させて第２の光学素子に導くリレー光学系を含む観察光学系とを有する。そして、観察光学系は、第１の光学素子により第１及び第３の光束を第１の射出瞳に導くことで該第１の射出瞳からの観察画角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画像を提示し、第２の光学素子により第２及び第４の光束を第２の射出瞳に導くことで該第２の射出瞳からの観察画角における互いに異なる画角領域に第２及び第１の原画にそれぞれ対応する画像を形成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の一側面としての画像表示装置は、それぞれ第１の原画及び第２の原画を形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子と、第３の原画及び第４の原画を形成する第３の画像形成素子と、第１の画像形成素子からの光束のうち第１の光束を第１の射出瞳に導く第１の光学素子、第２の画像形成素子からの光束のうち第２の光束を第２の射出瞳に導く第２の光学素子、及び第３の画像形成素子からの光束のうち第３の光束を中間結像させて第１の光学素子に導き、該第３の画像形成素子からの光束のうち第４の光束を中間結像させて前記第２の光学素子に導くリレー光学系を含む観察光学系とを有する。そして、観察光学系は、第１の光学素子により第１及び第３の光束を第１の射出瞳に導くことで該第１の射出瞳からの観察画角における互いに異なる画角領域に第１及び第３の原画のそれぞれに対応する画像を提示し、第２の光学素子により第２及び第４の光束を第２の射出瞳に導くことで該第２の射出瞳からの観察画角における互いに異なる画角領域に第２及び第４の原画のそれぞれに対応する画像を提示することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のさらに他の一側面としての画像表示装置は、それぞれ第１の原画及び第２の原画を形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子と、第１の画像形成素子からの第１の光束を中間結像させて射出瞳に導く第１の光学系を含み、第２の画像形成素子からの第２の光束を第１の光学系に含まれる光学素子を介して射出瞳に導く観察光学系とを有する。観察光学系は、第１の光束と第２の光束とを射出瞳に導くことで該射出瞳からの観察画角における第１の画角領域と第２の画角領域にそれぞれ第１の原画に対応する画像及び前記第２の原画に対応する画像を提示する。そして、第１の画角領域は、第２の画角領域よりも広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、両眼に対して少ない数の複数の画像形成素子を用いて、第１及び第２の射出瞳に配置された左右の眼のそれぞれに、互いに異なる視野（画角領域）に形成した画像を繋ぎ合わせた広画角の合成画像を提示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【実施例１】
【００１３】
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ＨＭＤの構成を示している。図１において、１は第１の画像形成素子、２は第２の画像形成素子である。各画像形成素子は、ＬＣＤパネルや有機ＥＬ素子等、原画を形成する素子である。
【００１４】
３は第１のビームスプリッタ（第１の光束分割手段）、４は第２のビームスプリッタ（第２の光束分割手段）である。
【００１５】
５は第１の反射鏡、６は第２の反射鏡である。７は第１の接眼レンズ、８は第２の接眼レンズである。９は第１のリレーレンズ、１０は第２のリレーレンズである。１１は光学像を上下左右に反転する作用（像反転作用）を有するプリズムである。第１及び第２の接眼レンズ７，８はそれぞれ、第１及び第２の光学素子に相当し、第１及び第２の反射鏡５，６と第１及び第２のリレーレンズ９，１０とプリズム１１とによりリレー光学系２０が構成される。さらに、これら第１〜第３の光学系により観察光学系が構成される。
【００１６】
１２は第１の射出瞳、１３は第２の射出瞳であり、これら第１及び第２の射出瞳１２，１３の位置に観察者の左眼及び右眼がそれぞれ配置されている。１００は第１の中間像（及び第１の中間結像面）、１０１は第２の中間像（及び第２の中間結像面）である。
【００１７】
像反転作用を有するプリズム１１としては、入射光軸と射出光軸のずれがないシュミット（ペシャン・ダハ）プリズムを用いるのが望ましい。図１５及び図１６には、シュミットプリズムの外観及び側面断面を示している。図１６に示すように、シュミットプリズムは、該プリズムへの入射光軸と射出光軸が同軸上に延びるように形成されている。
【００１８】
なお、その他の像反転作用を有するプリズム１１として、図１７に示すようにダハプリズムに２つの反射作用を加えたプリズム（１１′）や、図１８に示すポロプリズム（１１″）を用いることもできる。図１７に示すプリズムは、シュミットプリズムを構成する２つのプリズム部のうち１つを構成するプリズムでもあり、入射光軸と射出光軸が４５度程度傾く。また、図１８に示すポロプリズムは、入射光軸と射出光軸が上下又は左右にシフトする。予め入射光軸と射出光軸のずれを考慮することで、これらのプリズムを用いることも可能である。なお、本実施例に対応する後述する数値例３では、プリズム１１とし、図１７に示すダハプリズムに２つの反射作用を加えたプリズムを用いている。
【００１９】
第１及び第２の画像形成素子１，２には駆動回路２５が接続されている。駆動回路２５には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置２６からの画像が入力される。駆動回路２５は、該入力画像のうち左半分の画像領域に相当する原画（以下、第１の原画という）を第１の画像形成素子１に形成させ、右半分の画像領域に相当する原画（以下、第２の原画という）を第２の画像形成素子２に形成させる。画像供給装置２６からの入力画像に基づいて、駆動回路２５が各画像形成素子に原画を形成させることは、後述する他の実施例でも同じである。
【００２０】
第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束の一部（第１の光束）は第１のビームスプリッタ３を透過し、他の一部（第４の光束）は第１のビームスプリッタ３で反射する。第１のビームスプリッタ３を透過した光束は、第１の接眼レンズ７を透過して第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角（左全視野）のうち左半分の画角領域（左視野）に第１の原画に対応する拡大虚像（以下、第１の分割画像という）を形成する。
【００２１】
また、第１のビームスプリッタ３で反射した光束は、第１のリレーレンズ９を透過してプリズム１１で上下左右の像反転作用を受け、その後、第２のリレーレンズ１０を透過して第２の反射鏡６に入射する。このとき、該光束は、第２のリレーレンズ１０の近く（第２のリレーレンズ１０と第２の接眼レンズ７との間）に第１の中間像１００を形成する。すなわち、該光束は、１回（奇数回）中間像を形成した上で、後述するように第２の射出瞳１３に導かれる。
【００２２】
第２の反射鏡６に入射して反射された光束は、第２の接眼レンズ８を透過して第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角（右全視野）のうち左半分の画角領域（左視野）に第１の原画に対応する第１の分割画像を形成する。
【００２３】
第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束の一部（第２の光束）は第２のビームスプリッタ４を透過し、他の一部（第３の光束）は第２のビームスプリッタ４で反射する。第２のビームスプリッタ４を透過した光束は、第２の接眼レンズ８を透過して第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち右半分の画角領域（右視野）に第２の原画に対応する拡大虚像（以下、第２の分割画像という）を形成する。
【００２４】
また、第２のビームスプリッタ４で反射した光束は、第２のリレーレンズ１０を透過してプリズム１１で上下左右の像反転作用を受け、その後、第１のリレーレンズ９を透過して第１の反射鏡５に入射する。このとき、該光束は、第１のリレーレンズ９の近く（第１のリレーレンズ９と第１の接眼レンズ７との間）に第２の中間像１０１を形成する。すなわち、該光束は、１回（奇数回）中間像を形成した上で、後述するように第１の射出瞳１２に導かれる。
【００２５】
第１の反射鏡５に入射してこれにより反射された光束は、第１の接眼レンズ７を透過して第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち右半分の画角領域（右視野）に第２の原画に対応する第２の分割画像を形成する。
【００２６】
このように、左右の射出瞳１２，１３のそれぞれに対して、共通する２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示することができる。すなわち、両眼用のＨＭＤにおいて、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【００２７】
また、射出瞳に対して離れて位置する画像形成素子からの光束に中間像を形成させることで、該画像形成素子からの光路長を長くとったり、該画像形成素子からの光束によって提示する画像の倍率を任意に設定したりすることができ、設計自由度が高くなる。したがって、２つの画像形成素子１，２を用いて左右の眼に容易に画像を提示することができる。このことは、後述する他の実施例２〜６でも同じである。
【００２８】
本実施例では、第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束を両眼（射出瞳１２，１３）に均等に導くことが望ましい。このため、第１及び第２のビームスプリッタ３，４としては、透過光量と反射光量とが等しいハーフミラーであることが好ましい。
【００２９】
なお、図１には、リレーレンズ９，１０を用いた場合について説明したが、リレーレンズ９，１０に代えて、複数の反射面や光学パワーを有する面を含むプリズム形状の光学素子を用いてもよい。
【実施例２】
【００３０】
図２には、本発明の実施例２である画像表示装置としてのＨＭＤの構成を示している。図２において、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付す。
【００３１】
本実施例では、実施例１におけるプリズム１１に代えて、切換手段としての時分割シャッタを用いている。図２において、２１は第１の接眼レンズ７と第１の射出瞳１２との間に配置された第１の時分割シャッタであり、２２は第２の接眼レンズ８と第２の射出瞳１３との間に配置された第２の時分割シャッタである。第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束の光路は、プリズム１１による像反転作用を受けないことを除いて、実施例１と同じである。第１及び第２のリレーレンズ９，１０の間で第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束が中間像を形成する点も、実施例１と同じである。
【００３２】
第１及び第２の接眼レンズ７，８はそれぞれ、第１及び第２の光学素子に相当し、第１及び第２の反射鏡５，６と第１及び第２のリレーレンズ９，１０とによりリレー光学系２０′が構成される。さらに、これら第１〜第３の光学系により観察光学系が構成される。
【００３３】
本実施例では、第１及び第２の時分割シャッタ２１，２２の開状態と閉状態とを交互に切り換える。つまり、第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束（第１及び第３の光束）が第１の射出瞳１２に導かれる状態と、第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束（第２及び第４の光束）が第２の射出瞳１３に導かれる状態とを交互に切り換える。
【００３４】
駆動回路２５は、画像供給装置２６から入力された右眼用画像及び左眼用画像のうち左半分の画像領域に相当する右眼用及び左眼用の第１の原画を第１の画像形成素子１に交互に形成させる。また、駆動回路２５は、入力された右眼用画像及び左眼用画像のうち右半分の画像領域に相当する右眼用及び左眼用の第２の原画を第２の画像形成素子２に形成させる。
【００３５】
そして、第１及び第２の時分割シャッタ２１，２２の切り換えと同期させて第１及び第２の画像形成素子１，２に形成する第１及び第２の原画を左眼用と右眼用とで切り換える。両画像形成素子１，２に左眼用の第１及び第２の原画が形成されているときには、第１の時分割シャッタ２１を開放し、第２の時分割シャッタ２２を閉じる。一方、両画像形成素子１，２に右眼用の第１及び第２の原画が形成されているときには、第２の時分割シャッタ２２を開放し、第１の時分割シャッタ２１を閉じる。
【００３６】
これにより、右眼に対しては、右眼用の第１及び第２の原画にそれぞれ対応する第１及び第２の分割画像が繋ぎ合わされた右眼用合成画像が提示される。また、左眼に対しては、左眼用の第１及び第２の原画にそれぞれ対応する第１及び第２の分割画像が繋ぎ合わされた左眼用合成画像が提示される。
【００３７】
このように、左右の射出瞳１２，１３のそれぞれに対して、共通する２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を時分割にて提示することができる。すなわち、両眼用のＨＭＤにおいて、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【００３８】
本実施例では、像反転作用を有するプリズムが中間結像光路内に設けられていないため、１つの画像形成素子からの光束により第１及び第２の射出瞳１２，１３に提示される分割画像は同じ画像とならず、どちらかが上下左右が反転されたものとなる。このため、本実施例では、第１及び第２の接眼レンズ７，８と第１及び第２の射出瞳１２，１３との間に第１及び第２の時分割シャッタ２１，２２をそれぞれ配置している。
【００３９】
このとき、左眼用の右側画角領域に提示される分割画像は、第２の画像形成素子２からの光束が中間像１００を形成した後に形成されるため、第２の画像形成素子２には予め上下左右が反転した左眼用の第２の原画を形成する必要がある。また同様に、右眼用の左側画角領域に提示される分割画像は、第１の画像形成素子１からの光束が中間像１０１を形成した後に形成されるため、第１の画像形成素子１には予め上下左右が反転した右眼用の第１の原画を形成する必要がある。
【００４０】
したがって、第１の画像形成素子１には、左眼用の左側画角領域に対応する通常の向きの第１の原画と、右眼用の左側画角領域に対応する上下左右が反転した第１の原画とを交互に（時分割で）形成する。また、第２の画像形成素子２には、右眼用の右側画角領域に対応する通常の向きの第２の原画と、左眼用の右側画角領域に対応する上下左右が反転した第２の原画とを交互に（時分割で）形成する。このとき、第１及び第２の時分割シャッタ２１，２２を原画の切り換えに同期させて開閉する。
【００４１】
このような時分割同期方式のＨＭＤでは、１２０Ｈｚ以上の周波数で原画を書き換えて、通常の向きの原画と反転した原画とをそれぞれ６０回／秒以上の回数で各画像形成素子上に形成することが望ましい。６０Ｈｚ以下の周波数で原画を書き換えて、通常の向きの原画と反転した原画とをそれぞれ３０回／秒以下の回数で画像形成素子上に形成することも可能であるが、いわゆるフリッカが発生し、観察者に不快感を与えるおそれがある。
【００４２】
本実施例によれば、時分割シャッタ２１，２２を用いることで、左右の眼に対して、視差を有する合成画像を提示することもできる。このため、実施例１では実現できない立体視が可能な３Ｄ画像の提示が可能となる。この場合、第１及び第２の画像形成素子１，２に互いに視差を有する原画（視差画像）を形成する。具体的には、第１の画像形成素子１では左眼用の左側画角領域に対応する通常の向きの視差画像と右眼用の左側画角領域に対応する反転した視差画像とを時分割形成する。また、第２の画像形成素子２では、右眼用の右側画角領域に対応する通常の向きの視差画像と左眼用の右側画角領域に対応する反転した視差画像とを時分割形成する。
【００４３】
なお、このような立体視ＨＭＤにおいても、上記と同様の理由により、１２０Ｈｚ以上の周波数で視差画像を書き換えて、通常の向きの視差画像と反転した視差画像とをそれぞれ６０回／秒以上の回数で各画像形成素子上に形成することが望ましい。
【００４４】
また本実施例でも、第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束を両眼（射出瞳１２，１３）に均等に導くことが望ましい。このため、第１及び第２のビームスプリッタ３，４としては、透過光量と反射光量とが等しいハーフミラーであることが好ましい。
【００４５】
なお、図２には、リレーレンズ９，１０を用いた場合について説明したが、リレーレンズ９，１０に代えて、複数の反射面や光学パワーを有する面を含むプリズム形状の光学素子を用いてもよい。
【実施例３】
【００４６】
以下、本発明の実施例３〜５である画像表示装置としてのＨＭＤについて説明するが、それに先だって、実施例３〜５，８で使用される「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従来系の定義では、各面の頂点座標系で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）に相当し、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）に相当する。
【００４７】
本実施例の光学系は偏心系であるので、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。
【００４８】
画像形成素子上に形成された原画の中心から光学系の射出瞳の中心に至る光線を中心画角主光線とする。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、該ヒットポイントを含み、ローカル母線断面に直交し、かつ該面の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。
【００４９】
図３には、本発明の実施例３であるＨＭＤの構成を示す。図３において、実施例１と共通する又は共通する機能を有する構成要素には実施例１と同符号を付す。
【００５０】
本実施例（及び後述する実施例４，５）では、図３に示すように、複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳む機能と、ビームスプリッタ（光束分割手段）としての機能とを含む第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を用いている。
【００５１】
これらの接眼プリズム１４，１５は、屈折率が１よりも大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される。第１のプリズム１４の面３１及び第２のプリズム１５の面３２はそれぞれ、ビームスプリット機能を持つ面である。
【００５２】
３３，３４は実施例１のプリズム１１と同様に、上下左右の像反転作用を持つ第１の像反転プリズム及び第２の像反転プリズムである。
【００５３】
第１及び第２の接眼プリズム１４，１５はそれぞれ、第１及び第２の光学素子に相当する。また、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５の面３１，３２、第１及び第２の像反転プリズム３３，３４、第１及び第２の反射鏡５，６及び第１及び第２のリレーレンズ９，１０によりリレー光学系３０が構成される。さらに、これら第１〜第３の光学系により観察光学系が構成される。
【００５４】
図４には、本実施例において第１の画像形成素子１からの光束が、第１及び第２の射出瞳１２，１３に導かれ、左側画角領域に第１の分割画像を形成する様子を示す。
【００５５】
図４において、第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束は、第１の接眼プリズム１４の面３５から該第１の接眼プリズム１４に入射し、面３６で反射し、ビームスプリット機能を持つ面３１に向かう。面３１で反射した光束（第１の光束）は、面３６を透過して第１の接眼プリズム１４から射出し、第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち左側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【００５６】
一方、面３１を透過した光束（第４の光束）は、第１の像反転プリズム３３によって上下左右が反転され、第２の反射鏡６で反射され、該第２の反射鏡６の近く（第２の反射鏡６と第２のリレーレンズ１０との間）で第１の中間像１００を形成する。そして、該光束は、第２のリレーレンズ１０を透過して、第２の接眼プリズム１５の面３２から該第２の接眼プリズム１５に入射し、面３７を透過して第２の接眼プリズム１５から射出し（すなわち、第２の接眼プリズム１５を介して）第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち左側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【００５７】
また、第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束は、第２の接眼プリズム１５の面３８から該第２の接眼プリズム１５に入射し、面３７で反射し、ビームスプリット機能を持つ面３２に向かう。面３２で反射した光束（第２の光束）は、面３７を透過して第２の接眼プリズム１５から射出し、第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち右側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【００５８】
一方、図３に示すように、面３２を透過した光束（第３の光束）は、第２の像反転プリズム３４により上下左右が反転され、第１の反射鏡５で反射され、該第１の反射鏡５の近く（第１の反射鏡５と第１のリレーレンズ９との間）で第２の中間像１０１を形成する。そして、該光束は、第１のリレーレンズ９を透過して、第１の接眼プリズム１４の面３１から該第１の接眼プリズム１４に入射し、面３６を透過して第１の接眼プリズム１４から射出し、第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち右側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【００５９】
このように、左右の射出瞳１２，１３のそれぞれに対して、共通する２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示することができる。すなわち、両眼用のＨＭＤにおいて、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【００６０】
本実施例では、第１の画像形成素子１から左眼用の左側画角領域に対応する光束は１回、また右眼用の左側画角領域に対応する光束は２回、それぞれビームスプリット機能を持つ面３１，３２で反射又は透過する。このため、実施例１，２と同様にビームスプリット機能を持つ面３１，３２をハーフミラーとして形成してしまうと、同じ射出瞳において左右の画角領域に到達する光束の光量が異なってしまう。
【００６１】
このため、第１の接眼プリズム１４の面３１のうち第１の画像形成素子１からの光束を透過及び反射する領域はハーフミラーとして形成し、第２の画像形成素子２からの光束を透過する領域はハーフミラー処理を施さないようにするとよい。同様に、第２の接眼プリズム１５の面３２のうち第２の画像形成素子２からの光束を透過及び反射する領域はハーフミラーとして形成し、第１の画像形成素子１からの光束を透過する領域はハーフミラー処理を施さないようにするとよい。このように、ビームスプリット機能を有する面の一部の領域を透過兼反射作用を有する領域とし、他の領域を透過作用のみを有する領域とすることで、同じ射出瞳において左右の画角領域に到達する光束の光量の差が大きくならないようにすることができる。
【００６２】
なお、第１の接眼プリズム１４の面３６での反射と第２の接眼プリズム１５の面３７での反射はともに、内部全反射とすることが望ましい。これにより、光量ロスを生じることなく反射させることができ、明るい画像を提示することができる。
【００６３】
また、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を構成する全ての面を曲面とした場合には、全ての面が集光、発散又は収差補正に寄与することができるので、光学系における不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【００６４】
さらに好ましくは、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を構成する全ての面を回転非対称面とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質の画像を提示することができる。このとき、各回転非対称面を、ローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面方向に面対称な形状とするとよい。対称性のない場合に比較して、その面の加工及び接眼プリズムの製作を容易にすることができるからである。
【００６５】
なお、図３には、リレーレンズ９，１０を用いた場合について説明したが、リレーレンズ９，１０に代えて、複数の反射面や光学パワーを有する面を含むプリズム形状の光学素子を用いてもよい。このことは、後述する実施例４でも同じである。
【実施例４】
【００６６】
図５には、本発明の実施例４であるＨＭＤの構成を示す。図５において、実施例３と共通する又は共通する機能を有する構成要素には実施例３と同符号を付す。
【００６７】
本実施例でも、実施例３と同様に、複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳み、かつビームスプリット機能を含む第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を用いている。ただし、本実施例では、第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束を第１及び第２の射出瞳１２，１３に導く画角領域が実施例３とは左右逆になっている。すなわち、第１の画像形成素子１からの光束を第１及び第２の射出瞳１２，１３の右側画角領域に導き、第２の画像形成素子２からの光束を第１及び第２の射出瞳１２，１３の左側画角領域に導く。
【００６８】
第１及び第２の接眼プリズム１４，１５はそれぞれ、第１及び第２の光学素子に相当する。また、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５の面３１，３２、第１及び第２の像反転プリズム３３，３４、第１及び第２の反射鏡５，６及び第１及び第２のリレーレンズ９，１０によりリレー光学系４０が構成される。さらに、これら第１〜第３の光学系により観察光学系が構成される。
【００６９】
図５において、第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束は、第１の接眼プリズム１４の面３５から該第１の接眼プリズム１４に入射し、面３６で反射し、ビームスプリット機能を持つ面３１に向かう。面３１で反射した光束（第１の光束）は、面３６を透過して第１の接眼プリズム１４から射出し、第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち右側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【００７０】
一方、面３１を透過した光束（第４の光束）は、第１のリレーレンズ９を透過して第２の像反転プリズム３４によりその上下左右が反転され、第２の反射鏡６の近く（第２の像反転プリズム３４と第２の反射鏡６との間）で中間像１００を形成する。そして、該光束は、第２の反射鏡６で反射され、第２の接眼プリズム１５の面３２から該第２の接眼プリズム１５に入射し、面３７を透過して第２の接眼プリズム１５から射出し、第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち右側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【００７１】
また、第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束は、第２の接眼プリズム１５の面３８から該第２の接眼プリズム１５に入射し、面３７で反射し、ビームスプリット機能を持つ面３２に向かう。面３２で反射した光束（第２の光束）は、面３７を透過して第２の接眼プリズム１５から射出し、第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち左側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【００７２】
一方、面３２を透過した光束（第３の光束）は、第２のリレーレンズ１０を透過して第１の像反転プリズム３３によりその上下左右が反転され、第１の反射鏡５の近く（第１の像反転プリズム３３と第１の反射鏡５との間）で中間像１０１を形成する。そして、該光束は、第１の反射鏡５で反射され、第１の接眼プリズム１４の面３１から該第１の接眼プリズム１４に入射し、面３６を透過して第１の接眼プリズム１４から射出し、第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち左側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【００７３】
このように、左右の射出瞳１２，１３のそれぞれに対して、共通する２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示することができる。すなわち、両眼用のＨＭＤにおいて、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【００７４】
本実施例でも、実施例３と同様に、第１の接眼プリズム１４の面３１のうち第１の画像形成素子１からの光束を透過及び反射する領域はハーフミラーとして形成し、第２の画像形成素子２からの光束を透過する領域はハーフミラー処理を施さないようにするとよい。同様に、第２の接眼プリズム１５の面３２のうち第２の画像形成素子２からの光束を透過及び反射する領域はハーフミラーとして形成し、第１の画像形成素子１からの光束を透過する領域はハーフミラー処理を施さないようにするとよい。これにより、同じ射出瞳において左右の画角領域に到達する光束の光量の差が大きくならないようにすることができる。
【００７５】
また、本実施例でも、第１の接眼プリズム１４の面３６での反射と第２の接眼プリズム１５の面３７での反射はともに、内部全反射とすることが望ましい。これにより、光量ロスを生じることなく反射させることができ、明るい画像を提示することができる。
【００７６】
また、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を構成する全ての面を曲面とした場合には、全ての面が集光、発散又は収差補正に寄与することができるので、光学系における不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【００７７】
さらに好ましくは、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を構成する全ての面を回転非対称面とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質の画像を提示することができる。このとき、各回転非対称面を、ローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面方向に面対称な形状とするとよい。対称性のない場合に比較して、その面の加工及び接眼プリズムの製作を容易にすることができるからである。
【実施例５】
【００７８】
図６には、本発明の実施例５であるＨＭＤの構成を示す。図６において、実施例３，４と共通する又は共通する機能を有する構成要素には実施例３，４と同符号を付す。
【００７９】
本実施例も、実施例３，４と同様に、複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳み、かつビームスプリット機能を含む第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を用いている。ただし、本実施例では、第１及び第２の画像形成素子１，２からの光束に２回（偶数回）中間像を形成させた上で第１及び第２の射出瞳１２，１３に導く。このため、像の反転は生じない。したがって、中間像を１回（奇数回）形成する場合には必要な像反転プリズムや時分割シャッタは不要である。
【００８０】
また、１６は導光プリズムであり、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５からの光束をそれぞれ、第２及び第１の接眼プリズム１５，１４に複数回の反射を介して導く。
【００８１】
第１及び第２の接眼プリズム１４，１５はそれぞれ、第１及び第２の光学素子に相当する。また、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５の面３１，３２、導光プリズム１６、後述するレンズ１６，１７及び反射鏡１９，２０によりリレー光学系が構成される。さらに、これら第１〜第３の光学系により観察光学系が構成される。
【００８２】
第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束は、第１の接眼プリズム１４の面３５から該第１の接眼プリズム１４に入射し、面３６で反射して、ビームスプリット機能を持つ面３１に向かう。面３１で反射した光束（第１の光束）は、面３６を透過して第１の接眼プリズム１４を射出し、第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち右側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【００８３】
また、面３１を透過した光束（第３の光束）は、導光プリズム１６に面５２から入射し、該導光プリズム１６内で中間像１０２を形成しながら３回反射した後に面５２を透過して導光プリズム１６から射出する。そして、該光束は、第２の接眼プリズム１５に面３２から入射し、面３７で反射し、面３８を通過して第２の接眼プリズム１５から射出する。さらに、該光束は、レンズ１７を介して反射鏡１９で反射し、再びレンズ１７を介して面３８から第２の接眼プリズム１５に入射する。そして、面３７で反射して２つ目の中間像１０３を形成した後、面３２で反射し、面３７を透過して第２の接眼プリズム１５から射出し、第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち右側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【００８４】
第１の画像形成素子１からの光束が第２の射出瞳１３に導かれるまでの光路は、以下の通りである。第１の画像形成素子１→面３５（透過）→面３６（反射）→面３１（透過）→面５２（透過）→面５３（反射）→面５２（反射）→面５３（反射）→面５２（透過）→面３２（透過）→面３７（反射）→面３８（透過）→レンズ１７→反射鏡１９→レンズ１７→面３８（透過）→面３７（反射）→面３２（反射）→面３７（透過）→第２の射出瞳１３。
【００８５】
第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束は、第２の接眼プリズム１５の面３８から該第２の接眼プリズム１５に入射し、面３７で反射して、ビームスプリット機能を持つ面３２に向かう。面３２で反射した光束（第２の光束）は、面３７を透過して第２の接眼プリズム１５を射出し、第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち左側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【００８６】
また、面３２を透過した光束（第３の光束）は、導光プリズム１６に面５２から入射し、該導光プリズム１６内で中間像１０４を形成しながら３回反射した後に面５２を透過して導光プリズム１６から射出する。そして、該光束は、第１の接眼プリズム１４に面３１から入射し、面３６で反射し、面３５を通過して第１の接眼プリズム１４から射出する。さらに、該光束は、レンズ１８を介して反射鏡２０で反射し、再びレンズ１８を介して面３５から第１の接眼プリズム１４に入射する。そして、面３６で反射して２つ目の中間像１０５を形成した後、面３１で反射し、面３６を透過して第１の接眼プリズム１４から射出し、第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち左側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【００８７】
第２の画像形成素子２からの光束が第１の射出瞳１２に導かれるまでの光路は、以下の通りである。第２の画像形成素子２→面３８（透過）→面３７（反射）→面３２（透過）→面５２（透過）→面５３（反射）→面５２（反射）→面５３（反射）→面５２（透過）→面３１（透過）→面３６（反射）→面３５（透過）→レンズ１８→反射鏡２０→レンズ１８→面３５（透過）→面３６（反射）→面３１（反射）→面３６（透過）→第１の射出瞳１２。
【００８８】
このように、左右の射出瞳１２，１３のそれぞれに対して、共通する２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示することができる。すなわち、両眼用のＨＭＤにおいて、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【００８９】
本実施例では、第１の画像形成素子１から第１の射出瞳１２に導かれる光束は１回、第２の射出瞳１３に導かれる光束は３回、ビームスプリット機能を持つ面３１，３２で反射又は透過する。また、第２の画像形成素子２から第２の射出瞳１２に導かれる光束は１回、第１の射出瞳１２に導かれる光束は３回、ビームスプリット機能を持つ面３１，３２で反射又は透過する。このため、ビームスプリット機能を持つ面３１，３２をハーフミラーとすると、同じ射出瞳でも左右の画角領域で光量が異なる。また、ビームスプリット機能を持つ面のすべての領域で反射作用と透過作用を有するため、実施例３，４のように、ハーフミラー処理の有無によって上記光量の差を低減することはできない。
【００９０】
そこで、本実施例では、ビームスプリット機能を持つ面３１のうち、第１の画像形成素子１からの光束を反射及び透過する領域での反射率と透過率の割合を、ｒ１：１−ｒ１とする。また、面３１のうち第２の画像形成素子２からの光束を反射及び透過する領域での反射率と透過率の割合を、ｒ２：１−ｒ２とする。また、ビームスプリット機能を持つ面３２のうち、第２の画像形成素子２からの光束を反射及び透過する領域での反射率と透過率の割合を、ｒ１：１−ｒ１とする。さらに、面３２のうち第１の画像形成素子１からの光束を反射及び透過する領域での反射率と透過率の割合を、ｒ２：１−ｒ２とする。
【００９１】
このとき、同じ射出瞳で左右の画角領域の光量差を小さくするために、次の条件を満足すことが望ましい。
【００９２】
ｒ１＝（１−ｒ１）・ｒ２・（１−ｒ２）      …（１）
また、条件（１）を満たすためには、次の条件を満たす必要がある。
【００９３】
ｒ１≦０．２        …（２）
条件（１），（２）を満足することで、左右の画角領域での光量が等しい画像として観察される。このように、ビームスプリット機能を有する面の有効領域全域を、反射率と透過率の比が５０：５０であるハーフミラーとせず、反射率と透過率の比率をこれとは異ならせる。これにより、接眼プリズムのみを介した分割画像の明るさと、内部で中間像を形成する導光プリズム１６を介した分割画像の明るさとの差を小さくすることができる。したがって、明るさがほぼ均一な合成画像を左右の眼のそれぞれに提示することができる。
【００９４】
本実施例でも、第１の接眼プリズム１４の面３６での反射と第２の接眼プリズム１５の面３７での反射はともに、内部全反射とすることが望ましい。これにより、光量ロスを生じることなく反射させることができ、明るい画像を提示することができる。
【００９５】
また、導光プリズム１６の面５３を反射膜によるミラー反射とし、面５２では光束が反射する領域にのみ反射膜を形成してミラー反射とし、それ以外の領域ではミラー処理を施さないことが望ましい。これにより、導光プリズム１６での透過及び反射における光量のロスを少なくすることができる。
【００９６】
また、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を構成する全ての面を曲面とした場合には、全ての面が集光、発散又は収差補正に寄与することができるので、光学系における不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【００９７】
さらに好ましくは、第１及び第２の接眼プリズム１４，１５を構成する全ての面を回転非対称面とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質の画像を提示することができる。このとき、各回転非対称面を、ローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面方向に面対称な形状とするとよい。対称性のない場合に比較して、その面の加工及び接眼プリズムの製作を容易にすることができるからである。
【００９８】
以下、上記各実施例の数値例について説明する。
（数値例１）
図７には、図３に示した実施例３の数値例１の光学断面を示す。本数値例及び後述する他の数値例では、射出瞳からの光線を像面としての各画像形成素子に向かって追跡する逆光線追跡による説明を行う。
【００９９】
図７において、１４，１５はビームスプリット機能を含む第１及び第２の接眼プリズムであり、それぞれ３つの面を有した透明体（光学素子）により構成されている。Ｓ２とＳ４は同一面であり、Ｓ３とＳ１６′はビームスプリット機能を有する面である。９，１０は第１及び第２のリレーレンズである。
【０１００】
３３，３４は像反転作用を有するシュミットプリズムとしての第１及び第２の像反転プリズムであり、それぞれ２つのプリズム形状を有する透明体により構成されている。Ｓ７′とＳ１０′は同一面であり、Ｓ８′とＳ１１′も同一面である。また、Ｓ１２′とＳ１４′も同一面である。
【０１０１】
ＳＩ，ＳＩ′は第１及び第２の画像形成素子１，２における画像形成面（画像表示面）であり、Ｓ１は第１の射出瞳である。
【０１０２】
実施例３で説明したように、左右の画角領域の光量差を小さくするため、第１の接眼プリズム１４においてビームスプリット機能を有する面Ｓ３では、第１の画像形成素子１からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっている。しかし、第２の画像形成素子２からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。同様に、第２の接眼プリズム１５においてビームスプリット機能を有する面Ｓ１６′では、第２の画像形成素子２からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっているが、第１の画像形成素子１からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。
【０１０３】
また、第１の接眼プリズム１４における面Ｓ４と第２の接眼プリズム１５における面Ｓ１７′での反射は内部全反射である。
【０１０４】
図７から分かるように、本数値例においては、面Ｓ３において第１の画像形成素子１からの光線を透過する領域と反射する領域とに重なりがない。このため、反射する領域のみに反射膜を形成して反射率を１００％とし、それ以外の領域はハーフミラーとしないことで面Ｓ３にハーフミラー処理を施す領域をなくしている。これにより、ハーフミラーにおける光量ロスをなくし、明るい画像を提示することが可能である。
【０１０５】
このように、ビームスプリット機能を持つ面（以下、ビームスプリット面という）の一部の領域を反射作用のみ有する領域とし、他の領域を透過作用のみ有する領域とする。これにより、一方の画像形成素子からの光線を接眼プリズムのみを介して射出瞳に導く光路内でのビームスプリット面はその反射作用のみを利用することができる。また、他方の画像形成素子からの光線を中間結像を経て該射出瞳に導く光路のビームスプリット面ではその透過作用のみを利用することができる。したがって、左右の画角領域にて提示される分割画像の光量が等しい、言い換えればこれら分割画像を合成した（繋ぎ合わせた）合成画像が全体として均一な光量を有するとともに、光量ロスがほとんどない観察光学系を実現できる。
【０１０６】
本数値例において、面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ１３′，Ｓ１５′，Ｓ１６′，Ｓ１７′，Ｓ１８′は回転非対称面であり、図７の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面とする面対称形状を有する。本数値例の光学データを表１に示す。
【０１０７】
【表１】
2010107874.tif 000003
【０１０８】
表１の数値例は、射出瞳径がΦ４ｍｍ、各画像形成素子の画像表示サイズ（原画サイズ）が２８ｍｍ×２０ｍｍ程度で、水平画角が５０度、垂直画角が３８．５度の合成画像を、ｚ軸（視軸）の正方向における無限遠方に表示する観察光学系を示す。
【０１０９】
本数値例では、水平方向の画角を２つの画角領域に分割し、該２つの画角領域のそれぞれに対して画像形成素子を設けている。すなわち、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、水平画角２５度に対応する原画を形成する。垂直画角については、分割されていないため、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、３８．５度の画角に対応する原画を形成する。
【０１１０】
また、左右の射出瞳間の距離は６３ｍｍとし、観察光学系が左右対称となるように構成した。
【０１１１】
表１及び後述する他の表の光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは、射出瞳（第１面）Ｓ１からの面番号を示している。Ｘ，Ｙ，ＺとＡは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｙ軸，ｚ軸及び図の紙面に垂直な方向に延びるｘ軸を有する座標系での各面の頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）と、図中で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りでの回転角度Ａ（°）である。
【０１１２】
Ｒは面の曲率半径である。ＴＹＰの項は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面、ＦＦＳは以下の式に従う回転非対称面を示す。
【０１１３】
FFS：
z=(1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+k)*(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) +…
ＴＹＰの欄にＦＦＳｎ（ｎ＝１，２，３…）と記載されている面は、その面が表の下欄に記載された同じＦＦＳｎでの非球面係数ｋ及びｃｉ（ｉ＝１，５，６，１０，１１，１２，１３，１４）に対応する回転非対称形状を有することを示している。なお、「ｅ−Ｘ」は、「×１０−Ｘ」を意味する。
【０１１４】
Ｎｄ及びνｄ（但し、表ではｖｄと記す）はそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示しており、屈折率Ｎｄの符号の変化はその面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として記載し、アッベ数νｄは０．０と記載している。
【０１１５】
（数値例２）
図８には、図３に示した実施例３の数値例２の光学断面を示している。
【０１１６】
１４，１５は第１及び第２の接眼プリズムである。Ｓ２とＳ４は同一面であり、Ｓ３とＳ１８′はビームスプリット面である。
【０１１７】
９′，１０′は数値例１の第１及び第２のリレーレンズ９，１０に代えて用いられた第１及び第２のリレープリズムであり、それぞれ３つの面を有した透明体（光学素子）により構成されている。Ｓ４′とＳ６′は同一面である。
【０１１８】
３３，３４は像反転作用を有するシュミットプリズムとしての第１及び第２の像反転プリズムであり、それぞれ２つのプリズム形状を有する透明体により構成されている。Ｓ９′とＳ１２′は同一面であり、Ｓ１０′とＳ１３′も同一面である。また、Ｓ１４′とＳ１６′も同一面である。
【０１１９】
ＳＩ，ＳＩ′は第１及び第２の画像形成素子１，２における画像形成面（画像表示面）であり、Ｓ１は第１の射出瞳である。
【０１２０】
実施例３で説明したように、左右の画角領域の光量差を小さくするために、第１の接眼プリズム１４のビームスプリット面Ｓ３では、第１の画像形成素子１からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっている。しかし、第２の画像形成素子２からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。同様に、第２の接眼プリズム１５のビームスプリット面Ｓ１８′では、第２の画像形成素子２からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっているが、第１の画像形成素子１からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。
【０１２１】
また、第１の接眼プリズム１４における面Ｓ４と第１のリレープリズム１０′における面Ｓ６′と第２の接眼プリズム１５における面Ｓ１９′での反射は、いずれも内部全反射である。
【０１２２】
本数値例において、面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ１８′，Ｓ１９′，Ｓ２０′は回転非対称面であり、図８の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面とする面対称形状を有する。本数値例の光学データを表２に示す。
【０１２３】
【表２】
2010107874.tif 000004
【０１２４】
表２の数値例は、射出瞳径がΦ４ｍｍ、画像表示サイズ（原画サイズ）が２４ｍｍ×１２ｍｍ程度で、水平画角が５０度、垂直画角が３８．５度の合成画像を、ｚ軸（視軸）の正方向における無限遠方に表示する観察光学系を示す。
【０１２５】
本数値例では、水平方向の画角を２つの画角領域に分割し、該２つの画角領域のそれぞれに対して画像形成素子を設けている。すなわち、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、水平画角２５度に対応する原画を形成する。垂直画角については、分割されていないため、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、３８．５度の画角に対応する原画を形成する。
【０１２６】
また、左右の射出瞳間の距離を６３ｍｍとし、観察光学系が左右対称となるように構成した。
【０１２７】
（数値例３）
図９には、図３に示した実施例３の数値例３の光学断面を示す。
【０１２８】
１４，１５はビームスプリット機能を含む第１及び第２の接眼プリズムであり、それぞれ３つの面を有した透明体（光学素子）により構成されている。Ｓ２とＳ４は同一面であり、Ｓ３とＳ１４′はビームスプリット面である。
【０１２９】
９′，１０′は数値例１の第１及び第２のリレーレンズ９，１０に代えて用いられた第１及び第２のリレープリズムであり、それぞれ３つの面を有した透明体（光学素子）により構成されている。Ｓ４′とＳ６′は同一面である。
【０１３０】
３３，３４はダハプリズムに２つの反射作用を加えた第１及び第２の像反転プリズムであり、それぞれ１つのプリズム形状を有する透明体により構成されている。Ｓ９′とＳ１２′は同一面であり、Ｓ１０′とＳ１３′も同一面である。
【０１３１】
ＳＩ，ＳＩ′は第１及び第２の画像形成素子１，２における画像形成面（画像表示面）であり、Ｓ１は第１の射出瞳である。
【０１３２】
実施例３で説明したように、左右の画角領域の光量差を小さくするために、第１の接眼プリズム１４のビームスプリット面Ｓ３では、第１の画像形成素子１からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっている。しかし、第２の画像形成素子２からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。同様に、第２の接眼プリズム１５のビームスプリット面Ｓ１４′では、第２の画像形成素子２からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっているが、第１の画像形成素子１からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。
【０１３３】
また、第１の接眼プリズム１４における面Ｓ４と第１のリレープリズム１０′における面Ｓ６′と第２の接眼プリズム１５における面Ｓ１５′での反射は、いずれも内部全反射である。
【０１３４】
本数値例において、面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ１４′，Ｓ１５′，Ｓ１６′は回転非対称面であり、図８の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面とする面対称形状を有する。本数値例の光学データを表２に示す。
【０１３５】
本数値例において、面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，は回転非対称面であり、図９の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状をしている。本数値実施例の光学データを表３に示す。
【０１３６】
【表３】
2010107874.tif 000005
【０１３７】
表３の数値例は、射出瞳径がΦ４ｍｍ、各画像形成素子の画像表示サイズ（原画サイズ）が２６ｍｍ×１６ｍｍ程度で、水平画角が５０度、垂直画角が３８．５度の合成画像を、ｚ軸（視軸）の正方向における無限遠方に表示する観察光学系を示す。
【０１３８】
本数値例では、水平方向の画角を２つの画角領域に分割し、該２つの画角領域のそれぞれに対して画像形成素子を設けている。すなわち、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、水平画角２５度に対応する原画を形成する。垂直画角については、分割されていないため、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、３８．５度の画角に対応する原画を形成する。
【０１３９】
また、左右の射出瞳間の距離を６３ｍｍとし、観察光学系が左右対称となるように構成した。
【０１４０】
（数値例４）
図１０には、図５に示した実施例４の数値例の光学断面を示している。
【０１４１】
１４，１５は第１及び第２の接眼プリズムである。Ｓ２とＳ４は同一面、Ｓ３とＳ１６′はビームスプリット面である。９，１０は第１及び第２のリレーレンズである。
【０１４２】
３３，３４は像反転作用を有するシュミットプリズムとしての第１及び第２の像反転プリズムであり、それぞれ２つのプリズム形状を有する透明体により構成されている。Ｓ５′とＳ８′は同一面であり、Ｓ６′とＳ９′も同一面である。また、Ｓ１０′とＳ１２′も同一面である。
【０１４３】
ＳＩ，ＳＩ′は第１及び第２の画像形成素子１，２における画像形成面（画像表示面）であり、Ｓ１は第１の射出瞳である。
【０１４４】
実施例４で説明したように、左右の画角領域の光量差を小さくするために、第１の接眼プリズム１４のビームスプリット面Ｓ３では、第１の画像形成素子１からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっている。しかし、第２の画像形成素子２からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。同様に、第２の接眼プリズム１５のビームスプリット面Ｓ１６′では、第２の画像形成素子２からの光線を透過及び反射する領域がハーフミラーになっているが、第１の画像形成素子１からの光線を透過する領域はハーフミラーになっていない。
【０１４５】
また、第１の接眼プリズム１４における面Ｓ４と第２の接眼プリズム１５における面Ｓ１７′での反射は内部全反射である。
【０１４６】
本数値例において、面Ｓ３，Ｓ５，Ｓ１６′，Ｓ１８′は回転非対称面であり、図１０の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面とする面対称形状を有する。本数値例の光学データを表４に示す。
【０１４７】
【表４】
2010107874.tif 000006
【０１４８】
表４の数値例は、射出瞳径がΦ４ｍｍ、各画像形成素子の画像表示サイズ（原画サイズ）が２４ｍｍ×１２ｍｍ程度で、水平画角が５０度、垂直画角が３８．５度の合成画像を、ｚ軸（視軸）の正方向における無限遠方に表示する観察光学系を示す。
【０１４９】
本数値例では、水平方向の画角を２つの画角領域に分割し、該２つの画角領域のそれぞれに対して画像形成素子を設けている。すなわち、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、水平画角２５度に対応する原画を形成する。垂直画角については、分割されていないため、第１及び第２の画像形成素子１，２はそれぞれ、３８．５度の画角に対応する原画を形成する。
【０１５０】
また、左右の射出瞳間の距離を６３ｍｍとし、観察光学系が左右対称となるように構成した。
【実施例６】
【０１５１】
図１１には、本発明の実施例６である画像表示装置としてのＨＭＤの構成を示す。本実施例は、画像形成素子（第１、第２及び第３の画像形成素子１，２，６０）を３つ用いている。該３つの画像形成素子１，２，６０のうち、中央に配置された第３の画像形成素子６０の原画形成領域を左右に分割し、分割されたそれぞれの原画形成領域から光束に中間像を形成させた上で第１及び第２の射出瞳１２，１３に導く。
【０１５２】
第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束（第１の光束）は、第１の接眼レンズ７を介して第１の射出瞳（観察者の左眼）１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち左側画角領域に第１の分割画像を形成する。
【０１５３】
また、第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束（第２の光束）は、第２の接眼レンズ８を介して第２の射出瞳（観察者の右眼）１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち右側画角領域に第２の分割画像を形成する。
【０１５４】
第３の画像形成素子６０は、その左半分の原画形成領域に左眼用の原画（第３の原画）を、右半分の原画形成領域に右眼用の原画（第４の原画）を形成する。第３の画像形成素子６０に形成された第３の原画からの光束（第３の光束）は、反射鏡６２で反射してリレーレンズ６６，６５を介して、リレーレンズ６５の近く（リレーレンズ６５と反射鏡６１との間）で中間像１０６を形成する。さらに、該光束は、反射鏡６１で反射して、第１の接眼レンズ７を介して第１の射出瞳１２に導かれる。このとき、該光束は、第１の射出瞳１２からの観察画角のうち右側画角領域に第３の分割画像を形成する。
【０１５５】
同様に、第３の画像形成素子６０に形成された第４の原画からの光束（第４の光束）は、反射鏡６３で反射してリレーレンズ６７，６８を介して、リレーレンズ６８の近く（リレーレンズ６８と反射鏡６４との間）で中間像１０７を形成する。さらに、該光束は、反射鏡６４で反射して、第２の接眼レンズ８を介して第２の射出瞳１３に導かれる。このとき、該光束は、第２の射出瞳１３からの観察画角のうち左側画角領域に第４の分割画像を形成する。
【０１５６】
なお、第１及び第２の接眼レンズ７，８はそれぞれ、第１及び第２の光学素子に相当し、反射鏡６１〜６４及びリレーレンズ６５〜６８によりリレー光学系１１０が構成される。さらに、これら第１〜第３の光学系により観察光学系が構成される。
【０１５７】
このように、第１の射出瞳１２に対して、第１の画像形成素子１に形成された第１の原画に対応する第１の分割画像と第３の画像形成素子６０の左側の原画形成領域に形成された第３の原画に対応する第３の分割画像とを繋ぎ合わせた合成画像を提示できる。また、第２の射出瞳１２に対して、第２の画像形成素子２に形成された第２の原画に対応する第２の分割画像と第３の画像形成素子６０の右側の原画形成領域に形成された第３の原画に対応する第３の分割画像とを繋ぎ合わせた合成画像を提示できる。すなわち、両眼用のＨＭＤにおいて、３つの画像形成素子１，２，６０を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【０１５８】
第３の画像形成素子６０は、左眼用原画と右眼用原画を同時に形成することができる。また、第３の光学系１１０によってこれらの原画からの光束が中間像を形成して上下左右が反転されるが、予め第３の画像形成素子６０上に通常の向きに対して上下左右が反転した原画を形成しておけば、第２及び第４の分割画像は通常の向きで提示される。したがって、実施例１，３〜５で説明した像反転用の光学系や実施例２で説明した時分割シャッタを必要としない。
【０１５９】
また、本実施例では、左眼用と右眼用とで互いに異なる画像を提示することができる。したがって、視差を与えた画像を提示することで、左右の眼に対して、視差を有する合成画像を提示することもできる。これにより、立体視が可能な３Ｄ画像の提示が可能となる。
【０１６０】
この場合、第１の画像形成素子１に左眼用の左側画角領域に提示する視差画像に対応する第１の原画を形成させ、第３の画像形成素子６０の左側の原画形成領域には左眼用の右側画角領域に提示する視差画像に対応する第３の原画を形成させる。また、第２の画像形成素子２には右眼用の右側画角領域に提示する視差画像に対応する第２の原画を形成させ、第３の画像形成素子６０の右側の原画形成領域に右眼用の左側画角領域に提示する視差画像に対応する第４の原画を形成させる。
【０１６１】
本実施例では、実施例２とは異なり、画像形成素子１，２，６０上で左眼用原画と右眼用原画とを時分割で形成する必要がないため、フリッカを発生させることなく３Ｄ画像を提示することができる。
【０１６２】
さらに、本実施例では、観察光学系内にハーフミラー等のビームスプリット機能を持つ光学系が設けられていないため、明るい画像を提示することができる。
【０１６３】
なお、図１１には、第１及び第２の接眼レンズ７，８と、反射面としての反射鏡６１〜６４と、リレーレンズ６５〜６８を用いた場合を示したが、これらに代えて、複数の反射面や光学パワーを有する面を含む１又は複数のプリズム形状の光学素子を用いてもよい。
【０１６４】
（数値例５）
図１２には、実施例６の数値例の光学断面を示す。この数値例では、図１１に示した第１及び第２の接眼レンズ７，８、反射鏡６１〜６４及びリレーレンズ６５〜６８に代えて、複数の反射面（偏心反射曲面を含む）を用いて光路を折り畳むプリズム形状の光学素子を用いている。
【０１６５】
１４，１５は第１及び第２の接眼プリズムであり、それぞれ３つの面を有した透明体（光学素子）により構成されている。Ｓ２とＳ４は同一面である。
【０１６６】
６９，７０は第１及び第２のリレープリズムであり、それぞれ６つの面を有した透明体（光学素子）により構成されている．
２５，２６は第１及び第２の光学素子である。
【０１６７】
ＳＩ，ＳＩ’は第１及び第３の画像形成素子１，６０における画像形成面（画像表示面）であり、Ｓ１は第１の射出瞳である。
【０１６８】
本数値例において、面Ｓ８′は回転非対称面であり，図１２の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面とする面対称形状を有する。本数値例の光学データを表５に示す。
【０１６９】
【表５】
2010107874.tif 000007
【０１７０】
表５の数値例は、射出瞳径がΦ４ｍｍ、３つの画像形成素子の画像表示サイズ（原画サイズ）がそれぞれ１６ｍｍ×１２ｍｍ程度で、水平画角が５０度、垂直画角が３８．５度の合成画像を、ｚ軸（視軸）の正方向における無限遠方に表示する観察光学系を示す。
【０１７１】
本数値例では、水平方向の画角を２つの画角領域に分割し、該２つの画角領域のそれぞれに対して画像形成素子（第１及び第３の画像形成素子１，６０、第２及び第３の画像形成素子２，６０）を設けている。すなわち、第１の画像形成素子１と第３の画像形成素子６０における左半分の原画形成領域はそれぞれ、水平画角２５度に対応する原画を形成する。また、第２の画像形成素子２と第３の画像形成素子６０における右半分の原画形成領域はそれぞれ、水平画角２５度に対応する原画を形成する。垂直画角については分割されていないため、各画像形成素子は、３８．５度の画角に対応する原画を形成する。
また、左右の射出瞳間の距離を６３ｍｍとし、観察光学系が左右対称となるように構成した。具体的には、第１の接眼プリズム１４と第２の接眼プリズム１５、第１のリレープリズム６９と第２のリレープリズム７０、及び第１の光学素子６６と第２の光学素子６７はそれぞれ、左右対称な形状を有し、左右対称に配置されている。
【０１７２】
面Ｓ４，Ｓ６′における反射は、第１の接眼プリズム１４及びリレープリズム６９内での内部全反射である。面Ｓ３，Ｓ５′，Ｓ７′，Ｓ８′での反射は、反射膜によるミラー反射である。
【０１７３】
図１２から分かるように、面Ｓ３において光線が透過する領域と反射する領域には重なりがない。このため、面Ｓ３のうち第１の画像形成素子１からの光線を反射する領域にのみ反射膜を形成し、それ以外の領域には反射膜を形成しないことで、面Ｓ３における透過と反射での光量ロスが少なくなる。
【０１７４】
第１及び第２の光学素子２５，２６は、第３の画像表示素子６０からの光線の射出角を抑える作用を有する。第３の画像形成素子６０からの光線の射出角を抑えることにより、視野角特性による色むらを低減した画像を提示することができる。
【０１７５】
また、本実施例では、１つの射出瞳からの観察画角を水平方向において同じ角度の２つの画角領域に分割している。しかし、観察光学系の特徴や、使用する画像形成素子の解像度に応じて、分割する画角領域の割合を変えることで、観察者において観察し易い画像を提示することができる。
【０１７６】
さらに、第１〜第３の画像形成素子１，２，６０として同じ画像形成素子を用いることで、複数種類の画像形成素子を使用する場合に比べて低コスト化を図れるとともに、観察者に快適な観察環境を提供することができる。さらに、第１〜第３の画像形成素子１，２，６０に形成させる原画が歪んでいても、観察光学系においてそれとは逆の歪収差を発生させることにより、歪みの少ない画像を提示することができる。
【実施例７】
【０１７７】
図１３には、本発明の実施例７としての画像表示装置であるＨＭＤの構成を示す。本実施例では、片眼（１つの射出瞳）に対して、同じ画像表示サイズ（原画サイズ）の２つの画像形成素子（第１及び第２の画像形成素子）１，２を用いる。また、本実施例では、第１の画像形成素子１からの光束に中間像を形成させる系によって提示される画像の画角領域が、第２の画像形成素子２からの光束を接眼レンズ７のみを介して射出瞳に導く系によって提示される画像の画角領域よりも広い。
【０１７８】
なお、図１３には、垂直方向に観察画角を分割する場合について説明するが、水平方向に観察画角を分割する場合も、本実施例の構成を適用することもできる。
【０１７９】
図１３において、第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束（第１の光束）は、反射鏡７１で反射され、リレーレンズ７３，７４を介して、リレーレンズ７４の近く（リレーレンズ７４と反射鏡７２との間）で中間像１０８を形成する。そして、該光束は、反射鏡７２で反射され、接眼レンズ（光学素子）７に導かれた後、該接眼レンズ７を介して射出瞳（観察者の片眼）７５に導かれる。このとき、該光束は、射出瞳７５からの観察画角のうち上半分と下半分のうち一部の画角領域（第１の画角領域）に第１の分割画像を形成する。
【０１８０】
また、第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束（第２の光束）は、接眼レンズ７を介して射出瞳７５に導かれる。このとき、該光束は、射出瞳７５からの観察画角のうち下半分の残りの一部の画角領域（第２の画角領域）に第２の分割画像を形成する。
【０１８１】
なお、反射鏡７１，７２、リレーレンズ７３，７４及び接眼レンズ７によって第１の光学系及び観察光学系が構成される。
【０１８２】
このようにして、１つの射出瞳７５に対して、２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示することができる。すなわち、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【０１８３】
前述したように、第１の画角領域は第２の画角領域よりも広いが、第１及び第２の画像形成素子１，２の大きさは同程度とすることができる。これは、第１の画像形成素子１からの光束に中間像を形成させる系では倍率を任意に設定でき、第２の画像形成素子２からの光束を接眼レンズ７のみ介して光束を射出瞳に導く系よりも高い倍率を得ることができるためである。本実施例と同程度の広画角な観察光学系を実現するためには、中間像を形成させない系では３つの画像形成素子が必要である。しかし、本実施例のように１つの画像形成素子からの光束に中間像を形成させることで、画像形成素子の数を２つに減らすことができる。このため、本実施例によれば、できるだけ少ない数の複数の小型の画像形成素子を用いてきわめて広画角な観察光学系を実現することができる。
【０１８４】
また、下側の第２の画角領域を上側の第１の画角領域よりも狭くすることで、射出瞳７５よりも下側に配置される光学系をコンパクトにすることができる。このため、該光学系と観察者の鼻とが干渉することを回避できる。
【実施例８】
【０１８５】
図１４には、本発明の実施例８である画像表示装置としてのＨＭＤの構成を示す。本実施例では、実施例７における反射鏡、リレーレンズ及び接眼レンズに代えて、複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳むプリズム（光学素子）８１，８２を用いている。プリズム８１により第１の光学系が構成され、プリズム８１，８２により観察光学系が構成される。
【０１８６】
これらのプリズム８１，８２は、屈折率が１よりも大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成され、面８６において互いに接合されている。なお、図１４では垂直方向に観察画角を分割する場合について説明するが、水平方向に観察画角を分割する場合も、本実施例の構成を適用することもできる。
【０１８７】
図１４において、第１の画像形成素子１に形成された第１の原画からの光束（第１の光束）は、レンズ８０を介してプリズム８１に面８４から入射する。該光束は、プリズム８１の面８５で反射して中間像１０８を形成しながら面８４，８６で順次反射し、面８４を透過してプリズム８１から射出し、射出瞳（観察者の片眼）８３に導かれる。このとき、該光束は、射出瞳８３からの観察画角のうち上半分及び下半分の一部の画角領域（第１の画角領域）に第１の分割画像を形成する。
【０１８８】
第２の画像形成素子２に形成された第２の原画からの光束（第２の光束）は、プリズム８２に入射して面８６，８７で順次反射し、面８６を透過してプリズム８１に入射する。そして、該光束は、面８４を透過してプリズム８１から射出し、射出瞳８３に導かれる。このとき、該光束は、射出瞳８３からの観察画角のうち下半分の他の一部の画角領域（第２の画角領域）に第２の分割画像を形成する。
【０１８９】
このようにして、１つの射出瞳８３に対して、２つの画像形成素子１，２に形成された２つの原画に対応する２つの分割画像を繋ぎ合わせた合成画像を提示することができる。すなわち、２つの画像形成素子１，２を用いて広画角の合成画像を提示することができる。
【０１９０】
プリズム８２内での面８６，８７での反射をともに反射膜によるミラー反射とすることで、光量ロスを少なくすることができる。
【０１９１】
また、プリズム８１内における面８５，８６での反射を反射膜によるミラー反射とし、面８４での反射を内部全反射とすることで、光量ロスを少なくすることができる。
【０１９２】
なお、プリズム８１とプリズム８２とを面８６で接合せず、それらの間に空気層を設けてもよい。この場合、プリズム８１はプリズム８２と接合する場合と同じ構成でよいが、プリズム８２は内部全反射とミラー反射の２回反射を介して光束をプリズム８２から射出させるのが望ましい。これにより、ミラー反射を１回行わせずに済み、光量ロスもより少なくなくなる。
【０１９３】
また、本実施例では、第１の画像形成素子１からの光束に中間像を形成させる系の倍率を高くすることができる。このため、第２の画像形成素子２からの光束をプリズム８２での１回の反射を経てプリズム８１を透過させて射出瞳８３に導く系に比べて、観察画角全体において分担する画角領域が広くなっている。このように、第２の画像形成素子２からの光束が分担する画角領域を小さくすることで射出瞳８３よりも下側の光学系をコンパクトにすることができる。このため、該光学系と観察者の鼻とが干渉することを回避できる。
【０１９４】
プリズム８１，８２の全ての面を曲面で構成すれば、全ての面が集光、発散又は収差補正に寄与することになり、光学系における不要な面を減らして、コスト削減の効果が期待できる。
【０１９５】
さらに好ましくは、プリズム８１，８２を構成する全ての面を回転非対称面とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質の画像を提示することができる。このとき、各回転非対称面を、ローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面方向に面対称な形状とすることで、対称性のない場合に比較してプリズムの製作を容易にすることができる。
【０１９６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１９７】
【図１】本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す図。
【図２】本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す図。
【図３】本発明の実施例３であるＨＭＤの構成を示す図。
【図４】実施例３において１つの画像表示素子からの光束の光路を示す図。
【図５】本発明の実施例４であるＨＭＤの構成を示す図。
【図６】本発明の実施例５であるＨＭＤの構成を示す図。
【図７】実施例３の数値例１を示す光学断面図。
【図８】実施例３の数値例２を示す光学断面図。
【図９】実施例３の数値例３を示す光学断面図。
【図１０】実施例４の数値例を示す光学断面図。
【図１１】本発明の実施例６であるＨＭＤの構成を示す図。
【図１２】実施例６の数値例を示す光学断面図。
【図１３】本発明の実施例７であるＨＭＤの構成を示す図。
【図１４】本発明の実施例８であるＨＭＤの構成を示す図。
【図１５】シュミット（ペシャン・ダハ）プリズムを示す斜視図。
【図１６】シュミットプリズムの断面図。
【図１７】ダハプリズムに２つの反射作用を加えたプリズムを示す斜視図。
【図１８】ポロプリズムの斜視図。
【符号の説明】
【０１９８】
１，２，６０  画像形成素子
３，４  ビームスプリッタ
１１，３３，３４  像反転プリズム
２１，２２  時分割シャッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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