(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが原画を表示する複数の表示素子と、
前記複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを介して射出瞳に導いて合成画像を提示する観察光学系と、
を有し、
各光学ユニットにおいて、該光学ユニットの内部で反射され、前記合成画像の同じ像点へ導かれる光束の主光線が通る面を前記光学ユニットの偏心断面とするとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、
前記複数の表示素子は隣り合う２つの表示素子を含み、前記２つの表示素子の表示面の一部は同一の画像を表示し、
前記複数の光学ユニットの出射面は同一の光学面であり、
前記複数の光学ユニットが有する全ての光学面は１つのプリズムにより構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
それぞれが原画を表示する複数の表示素子と、
前記複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを介して射出瞳に導いて合成画像を提示する観察光学系と、
を有し、
各光学ユニットにおいて、該光学ユニットの内部で反射され、前記合成画像の同じ像点へ導かれる光束の主光線が通る面を前記光学ユニットの偏心断面とするとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が交差する線が前記射出瞳の中心から前記合成画像の任意の一点を結ぶ線と合致しないように前記複数の光学ユニットは配置され、
前記複数の表示素子は隣り合う２つの表示素子を含み、前記２つの表示素子の表示面の一部は同一の画像を表示し、
前記複数の光学ユニットの出射面は同一の光学面であり、
前記複数の光学ユニットが有する全ての光学面は１つのプリズムにより構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
前記２つの表示素子を搭載して駆動する電子回路基板を更に有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。
【請求項４】
前記２つの表示素子に対応する２つの光学ユニットは、一つの光学素子の一部に形成されてい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。
【請求項５】
前記複数の表示素子のうち同一の画像を表示する部分の前記射出瞳における光量を調整する光量調整手段を更に有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記観察光学系は、第１の光学素子と第２の光学素子を有し、
前記第１の光学素子の複数の光学ユニットと前記第２の光学素子の複数の光学ユニットは入射面が反対側に配置され、
前記第１の光学素子の複数の光学ユニットと前記第２の光学素子の複数の光学ユニットは、偏心断面が同じ光学ユニットをそれぞれ有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。
【請求項７】
前記第１の光学素子のいずれか一つに対応する表示素子と前記第２の光学素子のいずれか一つに対応する表示素子は表示面の一部に同一の画像を表示することを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子から前記合成画像の同じ像点へ導かれる光束が前記射出瞳において重なりを有することを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記射出瞳における前記重なりの部分の光量を調整する光量調整手段を更に有することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の表示素子からの光を合成して１つの合成画像を提示する観察光学系を有し、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は、小型で広画角の画像を射出瞳（眼球）に導く観察光学系を必要とし、従来から複数の表示素子を用いて各表示素子に対応する光学ユニットの大きさを小型にする構成が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、３つの表示素子と３つの光学ユニットからなる光学素子を２つ重ねた画像表示装置を開示している。特許文献２は、複数の画像から同一の画像に導く光束が、射出瞳で重なりを持つ観察光学系を有する画像表示装置と、複数の表示素子の一部が同一の画像を表示するオーバーラップ領域を有する画像表示装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１５９０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６６７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、眼球回転時に境界部付近において画像の欠けが生じ、滑らかな連続した画像を観察することが難しい。この場合、特許文献２の方法を適用して眼球回転時に境界部付近において画像の欠けを防止することも考えられるが、特許文献１、２のいずれも、複数の表示素子の傾斜角度が異なって表示素子の周辺においてＨＭＤが大型化しやすい。
【０００６】
本発明は、複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の画像表示装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の観察光学系は、それぞれが原画を表示する複数の表示素子と、前記複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを介して射出瞳に導いて合成画像を提示する観察光学系と、を有し、各光学ユニットにおいて、該光学ユニットの内部で反射され、前記合成画像の同じ像点へ導かれる光束の主光線が通る面を前記光学ユニットの偏心断面とするとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、前記複数の表示素子は隣り合う２つの表示素子を含み、前記２つの表示素子の表示面の一部は同一の画像を表示し、前記複数の光学ユニットの出射面は同一の光学面であり、前記複数の光学ユニットが有する全ての光学面は１つのプリズムにより構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の観察光学系および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】
【０００９】
【図１】観察光学系の斜視図と側面図である。（実施例１）
【図２】図１に示す観察光学系の上面図である。（実施例１）
【図３】図１に示す観察光学系の変形例の斜視図である。（実施例１）
【図４】観察光学系の斜視図と側面図である。（実施例２）
【図５】図４に示す観察光学系の上面図である。（実施例２）
【図６】観察光学系の斜視図と側面図である。（実施例３）
【図７】観察光学系の斜視図と側面図である。（実施例４）
【図８】数値実施例１の側面図と上面図である。（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例の観察光学系について添付図面を参照して説明する。観察光学系は、それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを介して射出瞳に導いて合成画像を提示し、ＨＭＤ等の画像表示装置に好適である。
【００１１】
ここで、観察者の眼球から観察光学系に向かう視軸ＯＡと平行な方向を正とするＺ軸、Ｚ軸に直交し、観察者の眼球から見て垂直方向の上向きを正とするＹ軸、Ｚ軸に直交し、観察者の眼球から見て水平方向の左向きを正とするＸ軸を定義する。
【実施例１】
【００１２】
図１（ａ）は実施例１の観察光学系の斜視図であり、図１（ｂ）はその側面図である。図中、１は観察者の眼球であり、観察光学系の射出瞳Ｓ１の位置またはその近傍に配置されている。２は原画を表示する（第１の）表示素子、３は原画を表示する（第２の）表示素子、４は（第１の）光学ユニット、５は（第２の）光学ユニットである。光学ユニット４、５で光学素子を形成している。
【００１３】
１０１は表示素子２の表示面２ａに表示される（第１の）画像（原画）、１０２は表示素子３の表示面３ａに表示される（第２の）画像（原画）、１０３は観察者が観察光学系を介して観察される合成画像である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、表示素子２、３からの光束は光学ユニット４、５の入射面Ｓ５から入射して、曲面である面Ｓ２で反射して反射面Ｓ３で反射して面Ｓ２を透過して射出瞳Ｓ１に至る。このように面５は透過面として作用し、面Ｓ３は反射面として作用し、面Ｓ２は透過面および反射面として作用する。視軸ＯＡに関して光学ユニット４、５のそれぞれの入射面Ｓ５は同じ側にあり、表示素子２、３の表示面２ａ、３ａも同じ側にある。
【００１５】
ここで、光学ユニット４、５の偏心断面を、面Ｓ３での反射によって光路が折れ曲がる断面（合成画像の同じ像点へ導かれる光束の主光線が反射する際に形成する断面）とする。面Ｓ３は観察者の視軸ＯＡに対して傾くか偏心している。図１（ｂ）では、面Ｓ３は偏心反射曲面である。複数の光学ユニット４、５の偏心断面は平行ではないために交線を有するが、偏心断面が交差する線が射出瞳の中心から合成画像の任意の一点を結ぶ線と合致しないように複数の光学ユニット４、５は配置されている。
【００１６】
表示素子２、３は有機ＥＬ等の自発光２次元画像表示素子であるが、透過型の液晶パネル（ＬＣＤ）等の小型のディスプレイでもバックライトと組み合わせることで用いることができる。
【００１７】
２つの表示素子２、３は隣り合っており、その表示面２ａ、３ａの一部は同一の画像を表示するオーバーラップ領域を有する。２つのオーバーラップ領域は隣り合っており、同一の画像が重複して表示される。
【００１８】
即ち、図１（ａ）に示す２つの画像１０１、１０２から分かるように、表示素子２は画像Ａを表示する通常の表示領域（非オーバーラップ領域）と画像Ｂを表示するオーバーラップ領域を有する。また、表示素子３は画像Ｂを表示するオーバーラップ領域と画像Ｃを表示する通常の表示領域（非オーバーラップ領域）を有する。
【００１９】
２つの画像１０１、１０２は、ＹＺ面において互いに異なる画角に対応する部分（ＡとＣの部分）と同一の画角に対応する部分（Ｂの部分）を有している。そして、表示素子２のオーバーラップ領域は表示素子３に近い側に設けられ、表示素子３のオーバーラップ領域は表示素子２に近い側に設けられている。
【００２０】
表示素子２、３は矩形形状を有し、それぞれの表示面２ａ、３ａはＸＺ面に対して少し傾いてほぼ平行で同一平面を構成するように隣り合って配置されている。これにより、表示素子２、３が異なる傾斜角度で配置される従来の構成よりも観察光学系はＹ軸方向に小型（薄型）になる。
【００２１】
特に、表示素子が異なる傾斜角度で配置される場合には各表示素子を搭載してそれを駆動する不図示の電子回路基板も同様な傾斜角度で表示素子に平行に配置されるので従来の構成は表示素子の周囲の空間の厚さがＹ軸方向に厚くなるという問題がある。本実施例の観察光学系の構成はかかる問題を解決してＹ軸方向の薄型化を達成している。また、本実施例によれば、表示素子２、３を駆動する電子回路基板を共通化することができ、この場合は、観察光学系のＹ軸方向の小型化の効果はさらに大きくなる。
【００２２】
図１（ａ）においては、光学ユニット４、５はそれらの偏心断面の交線がＹ軸と平行になるように配置され、水平方向の画角を２分割している。表示画角は水平画角５０度、垂直画角３８度であり、２つの表示素子２、３で同一の画像を表示するオーバーラップ領域は２４度分としているため、１つの表示素子からは水平方向に３７度（２５度＋１２度）の画像を表示している。
【００２３】
本実施例は、光学ユニット４、５を複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳むことによってＺ軸方向の観察光学系の厚さを薄型にしている。各光学ユニットは三角柱に類似した側面形状を有する。光学ユニット４、５は、屈折率が１より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ている。
【００２４】
光学ユニット４、５の射出面は同一の光学面を構成する。同一の光学面とすることで、複数の表示素子から光学ユニットを通過した光束の連続性が保たれ、滑らかな連続した画像を観察することが可能となる。
【００２５】
図１（ｂ）に示すように、表示素子２からの光線は光学ユニット４内で２回反射し、表示素子３からの光線は光学ユニット５内で２回反射してそれぞれ眼球１に導かれる。面Ｓ２は反射と透過の作用を持つ面であり、反射は、光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。また、光学ユニット４、５の光路上の全ての面（面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５）を曲面で構成した場合には、全ての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、光学系の不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【００２６】
光学ユニット４、５を構成する少なくとも１つの面を、より好ましくは全ての面（面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５）を回転非対称形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能となる。このとき、各回転非対称面を、偏心断面を唯一の対称面とする面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため好ましい。
【００２７】
図２（ａ）は表示素子２から眼球１に導かれる光線を、図２（ｂ）は表示素子３から眼球１に導かれる光線を示している。
【００２８】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、表示素子２からは、左側の画角の光線だけでなく、オーバーラップ領域である右側の画角の光線７も眼球１に導かれる。また、表示素子３からは、右側の画角の光線だけでなく、オーバーラップ領域である左側の画角の光線８も眼球１に導かれる。
【００２９】
このように合成画像内に重なって表示されたオーバーラップ領域があることで、眼球が回転した際にも合成画像の境界部付近において画像の欠けが生じることなく、つなぎ目の目立たない画像観察が可能である。また、プリズムの製造誤差や表示素子とプリズムとの間の位置ずれによる合成画像の境界部分のずれを、重なった領域で調整することができる。
【００３０】
この時、合成画像中で２つの表示素子からの画像が重なっているオーバーラップ領域は、明るさが他の画像部分の２倍になってしまうため、同一の画像を表示する部分であるオーバーラップ領域の射出瞳における光量を調整する光量調整手段を設けることが好ましい。
【００３１】
例えば、表示素子上の画像のオーバーラップ領域には、ＮＤフィルター等の減光手段を配置するか、あらかじめ表示素子上で輝度を落とした画像として表示する。表示素子上で輝度を落とす場合には、オーバーラップ領域の全域で他の画像の半分の輝度としてもよいし、表示素子の端にいくにしたがって徐々に輝度を落としてもよい。後者の場合には、表示素子上での輝度の変化が緩やかなので、より自然な合成画像が得られる。
【００３２】
本実施例のように偏心反射曲面を用いた光学系では、偏心断面と垂直な方向に光学系のパワーを強くしたときの収差への影響が大きくないため、オーバーラップ領域を設けることで表示する画角が大きくなってもパワーを強くすることが可能である。そのときには、焦点距離が短くなるため、偏心断面と垂直な方向の大きさを小型化することができる。
【００３３】
本実施例では、光学ユニット４、５は別個の異なる２つの部材として別々に形成されてから接合されている。光学ユニット４と５を接合することによって光学ユニットの間の空気層がなくなり、屈折作用の影響がほとんどなくなり、滑らかで連続した画像を観察することが可能となる。また、２つの光学ユニットを接合して１つの光学素子にすることで取り扱いが容易になる。
【００３４】
本実施例の光学素子（プリズム）は、２つの光学ユニット４、５を有するが、光学ユニットの数は２つに限定されず、図３に示すように１つの場合や後述する実施例２のように３つ以上であってもよい。
【００３５】
図３は、２つの光学ユニットを１つの光学素子６の一部に形成した例の斜視図である。これにより、光学素子の取り扱いが簡便になり、保持も容易となる。上述したように、光学ユニット６の射出面はＸＹ面と平行な同一平面を構成し光学ユニット６を通過した光束の連続性が維持して滑らかな連続した画像観察を可能にしている。
【００３６】
本実施例では、Ｘ軸方向の水平画角を２分割する観察光学系であったが、Ｙ軸方向の垂直画角を２分割する光学系にも適用可能である。また、それぞれの光学ユニットが傾いて配置され、偏心断面の交線がＹ軸と平行にならなくてもよい。偏心断面が互いに交差せずに平行になるように複数の光学ユニットが配置されてもよい。
【００３７】
本実施例によれば、光学ユニットの偏心断面の交線がＹ軸と平行になるように２つの光学ユニットを配置し、水平方向の画角を２分割することで、表示素子２と３を近接配置している。これにより、表示素子２、３の周囲を小型にすることができ、ひいては複数の表示素子を一つの電子回路基板により駆動することもできる。
【実施例２】
【００３８】
図４（ａ）は実施例２の観察光学系の斜視図であり、図４（ｂ）はその側面図である。
【００３９】
本実施例は水平方向の画角を３分割したものである。表示画角は水平画角１００度、垂直画角３８度としている。また、隣り合う２つの表示素子で同一の画像を表示するオーバーラップ領域は１０度分としている。
【００４０】
図中、９は原画を表示する（第１の）表示素子、１０は原画を表示する（第２の）表示素子、１１は原画を表示する（第３の）表示素子、１２は光学素子である。１０４は表示素子９に表示される（第１の）画像、１０５は表示素子１０に表示される（第２の）画像、１０６は表示素子１１に表示される（第３の）画像、１０７は観察者が観察光学系を介して観察する合成画像である。
【００４１】
表示素子９、１０、１１の構成は表示素子２、３と同様である。隣接する２つの表示素子９、１０および１０、１１は、同一の画像を表示するオーバーラップ領域を有する。オーバーラップ領域が隣接する２つの表示素子において隣接して配置される点は実施例１と同様である。
【００４２】
表示素子９、１０、１１は、矩形形状を有し、同一平面を構成するように隣り合って配置されている。これにより、表示素子９、１０、１１が異なる傾斜角度で配置される従来の構成よりも観察光学系はＹ軸方向に小型（薄型）になる。
【００４３】
特に、表示素子が異なる傾斜角度で配置される場合には各表示素子を搭載してそれを駆動する不図示の電子回路基板も同様な傾斜角度で表示素子に平行に配置されるので従来の構成は表示素子の周囲の空間の厚さがＹ軸方向に厚くなるという問題がある。本実施例の観察光学系の構成はかかる問題を解決してＹ軸方向の薄型化を達成している。また、本実施例によれば、表示素子９、１０、１１を駆動する電子回路基板を共通化することができ、この場合は、観察光学系のＹ軸方向の小型化の効果はさらに大きくなる。
【００４４】
表示素子９は水平画角＋５０度から＋１５度までの３５度分、表示素子１０は水平画角＋２５度から−２５度までの５０度分、表示素子１１は、−１５度から−５０度までの３５度分を表示している。
【００４５】
光学素子１２の光学ユニットの材質や機能は実施例１と同様である。光学ユニットが光束を２回反射する点、内部全反射が好ましい点、外面が曲面で回転非対称形状を有することが好ましい点も実施例１と同様である。
【００４６】
図５（ａ）は、表示素子９から眼球１に導かれる光線を、図５（ｂ）は表示素子１０から眼球１に導かれる光線を、図５（ｃ）は表示素子１１から眼球１に導かれる光線を示している。図５（ａ）に示すように、表示素子９からは、左側の画角の光線だけでなく、オーバーラップ領域である右側の画角の光線１３も眼球１に導かれる。同様に、図５（ｂ）に示すように、表示素子１０からは、オーバーラップ領域である左右の側の画角の光線１４、１５が眼球１に導かれる。図５（ｃ）に示すように、表示素子１１からは、右側の画角の光線だけでなく、オーバーラップ領域である左側の画角の光線１６も眼球１に導かれる。
【００４７】
本実施例でも、実施例１と同様に、オーバーラップ領域により、眼球回転時の画像の欠けを防止すると共にプリズムの製造誤差や表示素子とプリズムとの間の位置ずれを吸収することができる。また、オーバーラップ領域の光量調整手段を設けることが好ましい点、オーバーラップ領域を設けることで表示する画角が大きくなってもパワーを強くして小型化を図ることが可能である点も実施例１と同様である。
【００４８】
本実施例でも、実施例１と同様に、複数の光学ユニットは一体に構成されてもよく、この時、３つの光学ユニットの出射面は同一面であることが望ましい。また、３つの光学ユニットとして構成される場合には隣り合う２つの光学ユニットは接合されていることが望ましい。
【００４９】
本実施例では、Ｘ軸方向の水平画角を３分割する観察光学系であったが、Ｙ軸方向の垂直画角を３分割する光学系にも適用可能である。
【００５０】
本実施例によれば、水平方向の画角を３分割することで、表示素子９、１０、１１を近接配置している。これにより、表示素子の周囲を小型にすることができ、ひいては複数の表示素子を一つの電子回路基板により駆動することもできる。
【実施例３】
【００５１】
図６（ａ）は実施例３の観察光学系の斜視図であり、図６（ｂ）はその側面図である。
【００５２】
本実施例は、水平方向の画角を３分割した光学素子（プリズム）２３、２４を垂直方向の画角も２分割するように２つ配置している。
【００５３】
表示画角は水平画角１００度、垂直画角３８度としている。また、水平方向に隣り合う２つの表示素子で同一の画像を表示するオーバーラップ領域は１０度分としている。垂直方向にはオーバーラップ領域は設けていないが、合成像の同じ像点へ導かれる光束が、射出瞳面において重なりを有するような構成となっている。
【００５４】
図中、１７〜１９は原画を表示する第１〜第３の表示素子であり、２０〜２４は原画を表示する第４〜第６の表示素子である。２３、２４はそれぞれ３つの光学ユニットからなる第１の光学素子、第２の光学素子である。１０８〜１１０は表示素子１７〜１９に表示される（第１の）画像〜（第３の）画像、１１１〜１１３は表示素子２０〜２２に表示される（第４の）画像〜（第６の）画像である。１１４は観察者が観察光学系を介して観察する合成画像である。第１の光学素子２３の複数の光学ユニットと第２の光学素子２４の複数の光学ユニットは入射面が視軸に関して反対側に配置されている。
【００５５】
表示素子１７〜２２の構成は表示素子２、３と同様である。水平方向に隣接する２つの表示素子１７と１８、１８と１９、２０と２１、２１と２２は、同一の画像を表示するオーバーラップ領域を有する。オーバーラップ領域が隣接する２つの表示素子において隣接して配置される点は実施例１と同様である。
【００５６】
表示素子１７〜１９は、矩形形状を有し、同一平面を構成するように隣り合って配置されている。これにより、表示素子１７〜１９が異なる傾斜角度で配置される従来の構成よりも観察光学系はＹ軸方向に小型（薄型）になる。
【００５７】
また、表示素子２０〜２２は、矩形形状を有し、同一平面を構成するように隣り合って配置されている。これにより、表示素子２０〜２２が異なる傾斜角度で配置される従来の構成よりも観察光学系はＹ軸方向に小型（薄型）になる。なお、上下の表示素子の表示面は平行ではない。
【００５８】
特に、表示素子が異なる傾斜角度で配置される場合には各表示素子を搭載してそれを駆動する不図示の電子回路基板も同様な傾斜角度で表示素子に平行に配置されるので従来の構成は表示素子の周囲の空間の厚さがＹ軸方向に厚くなるという問題がある。本実施例の観察光学系の構成はかかる問題を解決してＹ軸方向の薄型化を達成している。また、本実施例によれば、上側の表示素子１７〜１９を駆動する電子回路基板と下側の表示素子２０〜２２を駆動する電子回路基板をそれぞれ共通化することができ、この場合は、観察光学系のＹ軸方向の小型化の効果はさらに大きくなる。
【００５９】
表示素子１７は水平画角＋５０度から＋１５度までの３５度分、表示素子１８は水平画角＋２５度から−２５度までの５０度分、表示素子１９は、−１５度から−５０度までの３５度分を表示している。表示素子１７、１８、１９で表示する垂直画角はオーバーラップ領域がないため、上半分の１９度分である。
【００６０】
表示素子２０は水平画角＋５０度から＋１５度までの３５度分、表示素子２１は水平画角＋２５度から−２５度までの５０度分、表示素子２２は、−１５度から−５０度までの３５度分を表示している。表示素子２０、２１、２２で表示する垂直画角はオーバーラップ領域がないため、下半分の１９度分である。
【００６１】
本実施例は、光学素子２３、２４を構成する光学ユニットを複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳むことによってＺ軸方向の観察光学系の厚さを薄型にしている。光学素子２３、２４を構成する各光学ユニットは三角柱に類似した側面形状を有するが、光学素子２３を構成する各光学ユニットの側面形状と光学素子２４を構成する各光学ユニットの側面形状は異なる。光学素子２３、２４の材質は実施例１と同様である。
【００６２】
また、本実施例は、原画像を垂直方向に２分割することによってＺ軸方向の観察光学系の厚さを薄型にしている。このとき、光学素子２３の中央の光学ユニットと光学素子２４の中央の光学ユニットの偏心断面は同一である。
【００６３】
図６（ｂ）に示すように、表示素子１７、１８、１９からの光線は光学素子２３の対応する光学ユニット内で２回反射し眼球１に導かれる。また、表示素子２０、２１、２２からの光線は光学素子２４の対応する光学ユニット内で２回反射し、光学素子２３を通過して眼球１に導かれる。
【００６４】
光学素子２３の眼球への出射面及び光学素子２４の光学素子２３へ向かう出射面が内部全反射であることが望ましい点は実施例１と同様である。また、光学素子２３、２４の光路上の全ての面を曲面で構成することが望ましい点も実施例１と同様である。また、光学素子２３、２４を構成する少なくとも１つの面を、より好ましくは全ての面を回転非対称形状とすることが望ましい点も実施例１と同様である。
【００６５】
本実施例でも、水平方向に分割された各々の表示素子上の画像に、同一の画像を表示するオーバーラップ領域を設けている。このため、オーバーラップ領域により、水平方向の眼球回転時の画像の欠けを防止すると共にプリズムの製造誤差や表示素子とプリズムとの間の位置ずれを吸収することができる。
【００６６】
本実施例は、垂直方向の分割に関してはオーバーラップ領域を設けていないが、その代わりに合成画像の同じ像点へ導かれる光束が、射出瞳において重なりを設けている。この構成においても、オーバーラップ領域を設ける場合と同様にすべての画角からの光線が射出瞳に導かれるため、垂直方向の眼球回転時の画像の欠けを防止することができる。
【００６７】
オーバーラップ領域と重なりの部分のそれぞれの光量を調整する光量調整手段を設けることが好ましい点、オーバーラップ領域を設けることで表示する画角が大きくなってもパワーを強くして小型化を図ることが可能である点は実施例１と同様である。
【００６８】
本実施例でも、３つの光学ユニットを一体にして１つの光学素子２３、２４を形成してもよく、この時、３つの光学ユニットの出射面は同一面であることが望ましい。また、実施例１と同様に、３つの光学ユニットとして構成される場合には隣り合う２つの光学ユニットは接合されていることが望ましい。
【００６９】
このように、合成像の分割数を増やすことによって、より広画角の画像表示が可能になると共に、使用する表示素子の大きさを小さくすることもできる。そのため、使用できる表示素子の大きさに依存せずに所望の表示画角を持つ画像表示装置を実現することができる。
【００７０】
本実施例は、Ｘ軸方向の水平画角を３分割、Ｙ軸方向の垂直画角を２分割し、全体で６分割する観察光学系を提供しているが、Ｘ軸とＹ軸の方向を入れ替えて６分割してもよい。また、それぞれの光学ユニットが傾いて配置され、偏心断面の交線がＹ軸と平行にならなくてもよい。さらに、垂直方向の分割に関しても水平方向と同様にオーバーラップ領域を設けてもよい。
【００７１】
本実施例によれば、３つの光学ユニットを配置し、水平方向の画角を３分割した光学素子を垂直方向の画角も２分割するように２つ配置することによって表示素子を近接配置している。これにより、表示素子の周囲を小型にすることができ、ひいては複数の表示素子を一つの電子回路基板により駆動することもできる。
【実施例４】
【００７２】
図７（ａ）は実施例４の観察光学系の斜視図であり、図７（ｂ）はその側面図である。
【００７３】
本実施例の光学素子（プリズム）３１は、３つの光学ユニットを設け、水平方向の画角を３分割し、それと同じ３つの光学ユニットを上下反転して配置して垂直方向の画角も２分割している。
【００７４】
表示画角は水平画角１００度、垂直画角３８度としている。また、水平方向に隣り合う２つの表示素子で同一の画像を表示するオーバーラップ領域は１０度分とし、垂直方向の２つの表示素子で同一の画像を表示するオーバーラップ領域は２０度分としている。
【００７５】
図中、２５〜２７は原画を表示する第１〜第３の表示素子であり、２８〜３０は原画を表示する第４〜第６の表示素子である。３１は６つの光学ユニットからなる光学素子である。１１５〜１１７は表示素子２５〜２７に表示される（第１の）画像〜（第３の）画像、１１８〜１２０は表示素子２８〜３０に表示される（第４の）画像〜（第６の）画像である。１２１は観察者が観察光学系を介して観察する合成画像である。
【００７６】
表示素子２５〜３０の構成は表示素子２、３と同様である。水平方向に隣接する２つの表示素子２５と２６、２６と２７、２８と２９、２９と３０は、同一の画像を表示するオーバーラップ領域を有する。オーバーラップ領域が隣接する２つの表示素子において隣接して配置される点は実施例１と同様である。また、垂直方向に対向している２つの表示素子２５と２８、２６と２９、２７と３０も同一の画像を表示するオーバーラップ領域を有する。
【００７７】
表示素子２５〜２７は、矩形形状を有し、同一平面を構成するように隣り合って配置されている。これにより、表示素子２５〜２７が異なる傾斜角度で配置される従来の構成よりも観察光学系はＹ軸方向に小型（薄型）になる。
【００７８】
また、表示素子２８〜３０は、矩形形状を有し、同一平面を構成するように隣り合って配置されている。これにより、表示素子２８〜３０が異なる傾斜角度で配置される従来の構成よりも観察光学系はＹ軸方向に小型（薄型）になる。なお、上下の表示素子の表示面は平行ではない。
【００７９】
特に、表示素子が異なる傾斜角度で配置される場合には各表示素子を搭載してそれを駆動する不図示の電子回路基板も同様な傾斜角度で表示素子に平行に配置されるので従来の構成は表示素子の周囲の空間の厚さがＹ軸方向に厚くなるという問題がある。本実施例の観察光学系の構成はかかる問題を解決してＹ軸方向の薄型化を達成している。また、本実施例によれば、上側の表示素子２５〜２７を駆動する電子回路基板と下側の表示素子２８〜３０を駆動する電子回路基板をそれぞれ共通化することができ、この場合は、観察光学系のＹ軸方向の小型化の効果はさらに大きくなる。
【００８０】
表示素子２５は水平画角＋５０度から＋１５度までの３５度分、表示素子２６は水平画角＋２５度から−２５度までの５０度分、表示素子２７は、−１５度から−５０度までの３５度分を表示している。表示素子２５、２６、２７で表示する垂直画角はオーバーラップ領域が２０度であるため、＋１９度から−１０度までの２９度分である。
【００８１】
表示素子２８は水平画角＋５０度から＋１５度までの３５度分、表示素子２９は水平画角＋２５度から−２５度までの５０度分、表示素子３０は、−１５度から−５０度までの３５度分を表示している。表示素子２８、２９、３０で表示する垂直画角はオーバーラップ領域が２０度であるため、＋１０度から−１９度までの２９度分である。
【００８２】
本実施例は、各光学ユニットを複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳むことによってＺ軸方向の光学系の厚さを薄型にしている。光学素子３１の材質は実施例１と同様である。上下の光学ユニットは対称に配置されている。
【００８３】
また、本実施例は、原画像を垂直方向にも２分割することによってＺ軸方向の観察光学系の厚さを薄型にしている。このとき、光学素子３１の中央上の光学ユニットと中央下の光学ユニットの偏心断面は同一である。光学ユニットが光束を２回反射する点、内部全反射が好ましい点、外面が曲面で回転非対称形状を有することが好ましい点も実施例１と同様である。
【００８４】
本実施例は、水平方向と垂直方向に分割された各々の表示素子上の画像に、同一の画像を表示するオーバーラップ領域を設けている。このため、実施例３と同様に、水平方向と垂直方向の眼球回転時の画像の欠けを防止すると共にプリズムの製造誤差や表示素子とプリズムとの間の位置ずれを吸収することができる。
【００８５】
本実施例においても、オーバーラップ領域の光量調整手段を設けることが好ましい点、オーバーラップ領域を設けることで表示する画角が大きくなってもパワーを強くして小型化を図ることが可能である点も実施例１と同様である。
【００８６】
本実施例の偏心反射曲面を用いた光学系では、偏心断面と垂直な方向に光学系のパワーを強くしたときの収差への影響が大きくないため、オーバーラップ領域を設けることで表示する画角が大きくなってもパワーを強くすることが可能である。そのときには、焦点距離が短くなるため、偏心断面と垂直な方向の大きさを小型化することができる。
【００８７】
本実施例のように、６つの光学ユニットを一体にして１つの光学素子３１を形成することで、光学素子の取り扱いが簡便になり、保持も容易となる。このとき、６つの光学ユニットの出射面は同一面であることが望ましい。同一面とすることで、複数の表示素子から光学ユニットを通過した光束の連続性が保たれ、滑らかな連続した画像を観察することが可能となる。
【００８８】
なお、６つの光学ユニットを別々の光学素子に分けて光学素子を形成する場合には水平方向と垂直方向に隣り合う２つの光学ユニットを接合することが望ましい点は上述の実施例と同様である。
【００８９】
このように、合成像の分割数を増やすことによって、より広画角の画像表示が可能になると共に、使用する表示素子の大きさを小さくすることもできる。そのため、使用できる表示素子の大きさに依存せずに所望の表示画角を持つ画像表示装置を実現することができる。
【００９０】
本実施例は、Ｘ軸方向の水平画角を３分割、Ｙ軸方向の垂直画角を２分割し、全体で６分割する観察光学系を提供しているが、Ｘ軸とＹ軸の方向を入れ替えて６分割してもよい。
【００９１】
本実施例によれば、３つの光学ユニットを配置し、それと同じ３つの光学ユニットを上下反転して配置して垂直方向の画角も２分割することによって表示素子を近接配置している。これにより、表示素子の周囲を小型にすることができ、ひいては複数の表示素子を一つの電子回路基板により駆動することもできる。
（数値実施例１）
実施例１の数値実施例１の観察光学系の側面図を図８（ａ）に、上面図を図８（ｂ）に示す。数値実施例１では、表示素子を像面として眼球の瞳位置からの逆光線追跡となっている。図中、Ｓ１は射出瞳、ＳＩは表示素子２の表示面、ＳＩ’は表示素子３の表示面である。面Ｓ２と面Ｓ４は同一面であり、図３に示すように、光学素子の出射面は同一面である。
【００９２】
表示素子２の表示面ＳＩからの光線は面Ｓ５より光学ユニット４に入射し、面Ｓ４、面Ｓ３で反射して、面Ｓ２より光学ユニット４から出射し、射出瞳Ｓ１に導かれる。表示素子３の表示面ＳＩ’からの光線は面Ｓ５’より光学ユニット５に入射し、面Ｓ４、面Ｓ３’で反射して、面Ｓ２より光学ユニット５から出射し、射出瞳Ｓ１に導かれる。
【００９３】
面Ｓ４での反射は、光量のロスなく反射されるために、内部全反射であることが望ましく、面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ５’は回転非対称面であり、対称面を１つ持つ面対称形状をしている。面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して加工および製作を容易にすることができるため好ましい。
【００９４】
表１は、本数値実施例の光学データを示している。
（表１）
SURF   X      Y      Z      A      B      R            TYP    Nd      νd
1      0      0      0      0      0                           
2      0      0      20.00  -0.01  0      -20671.1217  FFS1   1.5709  33.8
3      0      -19.25 22.28  -37.03 6.52   -89.0504     FFS2   -1.5709 33.8
4      0      0      20.00  -0.01  0      -20671.1217  FFS1   1.5709  33.8
5      0      29.26  25.63  60.10  6.44   -90.1487     FFS3   1      
I      0      35.00  27.00  49.00  0                           
FFS1  c1   -1.36E+02     c5   -7.06E-05    c6  1.52E-05     c10  -6.59E-07
c11  -1.03E-05     c12  -5.72E-08    c13  -5.99E-08   c14  -2.39E-08
c20  -6.39E-11     c21  -5.92E-10    c22  -1.07E-09   c23  3.23E-11
c24  -4.26E-12     c25  -3.29E-12    c26  -1.05E-12       
FFS2  c1   -9.30E-03     c5   -2.97E-04    c6   -1.98E-05   c10  4.33E-07
c11  -3.19E-06     c12  4.09E-08     c13  -4.61E-09   c14  5.44E-10
c20  -6.62E-12     c21  -6.19E-11    c22  1.33E-10    c23  1.61E-11
c24  -1.49E-13     c25  2.12E-13     c26  -7.79E-14       
FFS3  c1   1.75E+00       c5   -1.18E-03   c6   1.26E-03    c10  -1.00E-05
c11  1.69E-05      c12  -7.28E-07    c13  -4.03E-07   c14  -4.65E-08
c20  4.28E-09      c21  3.14E-09     c22  2.20E-09    c23  -3.81E-09
c24  -6.74E-10     c25  -2.44E-10    c26  -1.44E-10
本実施例の射出瞳は楕円形であり、垂直方向の短軸が９．６ｍｍ、水平方向の長軸が１２ｍｍとなっている。表示素子２の画像表示サイズは０．８１インチ（１１．４ｍｍ×１７．２ｍｍ）程度で、水平画角５０度（オーバーラップ領域２４度）・垂直画角３８度の画像をｚ軸の正方向無限遠方に表示する。本実施例では、水平方向の画角を２つの表示素子で分割表示しているため、表示素子２の水平画角は＋２５度から−１２度までの３７度分表示している。垂直画角については、分割していないため３８度のままである。
【００９５】
表１のデータにおいて、面Ｓ３、Ｓ５のＢの値の符号を−にしたものが、本実施例の光学ユニット５のデータに相当する。
【００９６】
表１において、ＳＵＲＦは面番号、Ｘ、Ｙ、Ｚは、各面頂点のＸ，Ｙ，Ｚの座標値、ＡはＸ軸周りの回転を反時計回りを正の方向として度単位で表したもの、ＢはＹ軸周りの回転を反時計回りを正の方向として度単位で表したものである。Ｒは曲率半径、ＴＹＰは面形状の種類であり、ＦＦＳは次式に従う回転非対称面である。ＦＦＳの後に続く番号は、表下の対応する番号の欄に示された非球面係数を有する。非球面係数がないものは、係数の値が０である。Ｎｄ、ｖｄは対象の面に続く媒質についてのｄ線での屈折率、アッベ数を示しており、屈折率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。媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００として表示し、アッベ数νｄは表示していない。
【００９７】
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+1
0*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) +…  …（１）
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の観察光学系はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
６、１２、２３、２４、３１…光学素子、４、５…光学ユニット、２、３、９、１０、１１、１７〜２２、２５〜３０…表示素子、１０１、１０２、１０４〜１０６、１０８〜１１３、１１５〜１２０…原画、１０３、１０７、１１４、１２１…合成画像、Ｓ１…射出瞳
【図３】
0005875295.tif 000002
【図１】
0005875295.tif 000003
【図２】
0005875295.tif 000004
【図４】
0005875295.tif 000005
【図５】
0005875295.tif 000006
【図６】
0005875295.tif 000007
【図７】
0005875295.tif 000008
【図８】
0005875295.tif 000009