(57)【要約】【課題】左眼用および右眼用の光学系の干渉を回避して、アイリリーフを確保しながら広画角化する。【解決手段】画像表示装置は、原画を表示する画像表示ユニット１〜４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１０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Ｓ１に導く第２の光学系９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Ｓ２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とともに、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３の光学系１１とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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とともに、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３の光学系とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記第３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。
【請求項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。
【請求項４】
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と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く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。
【請求項５】
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２の左眼用原画を表示し、
前記第３の光学系は、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とを互いに交差させて該第２の左眼画像光と該第２の右眼画像光をそれぞれ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請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
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２の左眼用原画を表示し、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２の右眼用原画を表示し、
前記第３の光学系は、前記第２の左眼画像光と前記第２の右眼画像光を反射部で反射させることにより、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とを互いに交差させずに該第２の左眼画像光と該第２の右眼画像光をそれぞれ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請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第３の光学系は、前記中心を通る平面に沿って前記反射部を有し、
前記反射部は、前記左射出瞳側の反射面と前記右射出瞳側の反射面とでそれぞれ前記第２の左眼画像光と前記第２の右眼画像光を反射して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請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記第１、第２および第３の光学系の全てに共通する光学面を有す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。
【請求項９】
前記光学面は、前記第１、第２および第３の光学系を構成する光学面のうち前記左および右射出瞳に最も近い光学面であることを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の光学系の光学特性は、前記第３の光学系の光学特性とは異な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。
【請求項１１】
前記第１、第２および第３の光学系はそれぞれ、屈折面と反射面とを有する光学素子により構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記第１、第２および第３の光学系はそれぞれ、一体の光学素子を少なくとも１つ用いて構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項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、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。
【背景技術】
【０００２】
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、広画角な観察画像の提示が可能なＨＭＤは、左右の眼のそれぞれに対して表示素子を複数ずつ設け、これら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してこれら原画からの光を同じ眼に導く。これにより、異なる画角の像が合成された合成画像としての観察画像を提示する。このような広画角画像を提示可能な画像表示装置は、特許文献１〜３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４５６１７号公報
【特許文献２】特開２０１４−４１２８０号公報
【特許文献３】特開平７−３３３５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、右眼用光学系と左眼用光学系とを別々に設けるＨＭＤでは、これら光学系が互いに干渉しないようにするために、左右の眼に対する内側（鼻側）の画角が制限を受ける。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うち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。
【０００５】
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。
【０００６】
本発明は、左眼用および右眼用の光学系の干渉を回避しつつ必要なアイリリーフを確保しながら、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明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とともに、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３の光学系とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第３の光学系を設けることで、左眼用および右眼用の光学系の干渉を回避しつつアイリリーフを確保することができ、かつ左右の射出瞳に位置する観察者の左右の眼に広画角の画像を提示することが可能な画像表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を模式的に示す上面図。
【図２】実施例１における画像分割方法を示す図。
【図３】実施例１のＨＭＤの具体例を示す図。
【図４】本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を模式的に示す上面図。
【図５】実施例２のＨＭＤの具体例を示す図。
【図６】本発明の実施例３のＨＭＤの構成を示す模式的に示す上面図。
【図７】実施例３の構成を示す側面図。
【図８】本発明の実施例４のＨＭＤの構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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少なくとも２つに分割する。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。なお、各実施例の構成を応用して、各眼に対して提示する観察画像の画角を３つ以上に分割してもよい。
【実施例１】
【００１２】
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。
【００１３】
図１において、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。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の右眼用表示素子であり、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の左眼用表示素子である。
【００１４】
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。このことは、後述する他の実施例でも同じである。ただし、本実施例では、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１３が配置される左射出瞳Ｓ２と観察者の右眼１２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。
【００１５】
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、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。
【００１６】
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４つの表示領域を有する単一の表示素子を用いてもよい。また、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。さらに、表示素子１，２をそれぞれ別々の表示素子で構成するとともに、表示素子３，４に相当する表示領域を有する単一の表示素子を用いてもよい。
【００１７】
１０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光束（以下、第１の左眼画像光という）６を左射出瞳Ｓ２に導く左眼用光学系（第１の光学系）である。９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光束（以下、第１の右眼画像光という）５を右射出瞳Ｓ１に導く右眼用光学系（第２の光学系）である。
【００１８】
左眼用光学系１０および右眼用光学系９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６と第１の右眼画像光５とをそれらの光路を互いに交差させずに左射出瞳Ｓ２と右射出瞳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。
【００１９】
なお、図１には、各表示素子からの光としてその表示素子（表示領域）の左右の端の画素から発する光のみを示すが、実際には各表示素子上のすべての画素から光が発せられている。
【００２０】
１１は第３の光学系としての内側光学系であり、左右方向において左眼用光学系１０と右眼用光学系９との間に配置されている。内側光学系１１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である第２の左眼画像光８を左射出瞳Ｓ２に導き、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である第２の右眼画像光７を右射出瞳Ｓ１に導く。このとき、内側光学系１１は、第２の左眼画像光８と第２の右眼画像光７とをそれらの光路を互いに交差させてそれぞれ、左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に導く。このように、内側光学系１１は、第２の左眼画像光８と第２の右眼画像光７により共用される光学系である。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。
【００２１】
さらに内側光学系１１は、第２の左眼画像光８を、左眼用光学系１０により第１の左眼画像光６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、内側光学系１１は、第２の右眼画像光７を、右眼用光学系９により第１の右眼画像光５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。
【００２２】
ただし、同一の射出瞳のうち第１の画像光（第１の左眼または右眼画像光）が形成する原画の光学像と第２の画像光（第２の左眼または右眼画像光）が形成する原画の光学像との繋ぎ目では、第１および第２の画像光が導かれる位置が重複してもよい。言い換えれば、内側光学系１１は、第２の画像光のうち大部分を射出瞳のうち第１の画像光が導かれる領域よりも内側の領域に導けば、第２の画像光の一部を射出瞳のうち第１の画像光が導かれる領域と同じ領域に導いてもよい。これについては後に詳しく説明する。
【００２３】
左射出瞳Ｓ２に導かれた第１の左眼画像光６と第２の左眼画像光８それぞれは、観察者の左眼に対して、外側の画角の画像と内側の画角の画像との合成画像である観察画像を提示する。同様に、左射出瞳Ｓ２に導かれた第１の右眼画像光５と第２の右眼画像光７はそれぞれ、観察者の右眼に対して、外側の画角の画像と内側の画角の画像との合成画像である観察画像を提示する。
【００２４】
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、左右の眼に内側の画角の観察画像（以下、内側画角画像という）を提示するための内側光学系１１を、それら左右の内側画角画像を形成する第２の左眼画像光８と第２の右眼画像光７とで共用している。これにより、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、すなわちａｔａｎ（Ｗ／２／Ｄ）を超えるような広い画角で観察画像を提示することができる。
【００２５】
このように、本実施例は、左眼用と右眼用のそれぞれ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、該光学系だけでは実現することができない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。
【００２６】
なお、第２の左眼用表示素子４からの第２の左眼画像光８の一部８−ｉは内側光学系１１に中心面１４よりも右側にて入射し、第２の右眼用表示素子３からの第２の右眼画像光７の一部７−ｉは内側光学系１１に中心面１４よりも左側で入射する。これは、各射出瞳（１２，１３）から内側光学系１１までの距離Ｄと画角θと各表示素子（３，４）の位置との関係から見て、光学的に自然な配置となっている。
【００２７】
また、本実施例の構成では、第１、第２の左眼用表示素子２，４、左眼用光学系１０および左射出瞳Ｓ２と第１、第２の右眼用表示素子１，３、右眼用光学系９および右射出瞳Ｓ１との位置関係は中心面１４について対称となっている。また、左眼用光学系１０と右眼用光学系９の配置やそれらの表示画角や表示倍率等の光学特性も、中心面１４について対称となっている。これにより、第１の左眼用表示素子２と第１の右眼用表示素子１および第２の左眼用表示素子４と第２の右眼用表示素子３をそれぞれ、サイズ等が同じ表示素子を用いることができる。また、左眼用光学系１０と右眼用光学系９とが回転対称または図の紙面を対称面として持つ面対称の形状で構成される場合は、左眼用光学系１０と右眼用光学系９とを同じ光学素子により構成することができる。左眼用光学系１０と右眼用光学系９とが回転対称または図の紙面を対称面として持つ面対称の形状でない場合でも、設計形状を同一とすることができ、同一部品から異なる部位を切り落とすことで作製することが可能となる。
【００２８】
一方、内側光学系１１は、左および右射出瞳Ｓ２，Ｓ１との位置関係が左眼および右眼用光学系１０，９とは異なるため、内側光学系１１の光学特性も、左眼および右眼用光学系１０，９とは異なる。なお、「対称」は、完全（厳密）な対称である必要はなく、公差等の誤差程度での完全な対称からのずれは許容される。
【００２９】
次に、図２を用いて、各射出瞳において、互いに異なる原画からの画像光により形成される光学像の繋ぎ目（境界）で確実に連続した１つの合成画像としての観察画像を提示する方法について説明する。図２には、右射出瞳Ｓ１に導かれた第１の右眼画像光５により形成される外側光学像（点線で囲んだ縦線部分）１５と右射出瞳Ｓ１に導かれた第２の右眼画像光７により形成される内側光学像（二点鎖線で囲んだ横線部分）１６とを示す。１４は外側光学像１５と内側光学像１６とが合成された、言い換えれば左右方向にて繋ぎ合わされた合成画像としての観察画像である。
【００３０】
外側光学像１５と内側光学像１６は、それらが左右方向にて１画素の幅で重複する部分（以下、画角境界線という）を有する。画角境界線上に位置する点（画像画素）Ｐは、図１中の第１の右眼用表示素子１上に示した表示画素Ｐ１からの光（第１の右眼画像光５の一部）と第２の右眼用表示素子３上に示した表示画素Ｐ３からの光（第２の右眼画像光７の一部）とにより形成される。すなわち、表示画素Ｐ１，Ｐ３はそれぞれ、図２中の点Ｐを形成する光を発している。
【００３１】
図１に示すように、表示画素Ｐ１からの光は右眼用光学系９を通り、所定距離に形成された虚像上の点Ｐから右射出瞳Ｓ１に向かう光５−Ｐとして右射出瞳Ｓ１に到達する。同様に、画素Ｐ３からの光は、内側光学系１１を通り、所定距離に形成された虚像上の点Ｐから右射出瞳Ｓ１に向かう光７−Ｐとして右射出瞳Ｓ１に入射する。これにより、観察者の右眼は、図２中の画角境界上の点Ｐを２つの表示素子１，３両方からの光により同一点として視認する。画角境界上にある点Ｐ以外の全ての点（画像画素）についても同様に、２つの表示素子１，３両方からの光で同一点として視認する。これにより、外側および内側光学像１５，１６を互いに異なる表示素子１，３からの光で提示しても、継ぎ目がない連続した観察画像１４を提示することができる。左眼用の観察画像についても同様である。
【００３２】
また、ここでは左右方向幅が１画素である画角境界線上の画像画素について２つの表示素子からの重複した光で提示する場合について説明したが、２画素以上の左右方向幅を持った画角境界領域の画像画素を２つの表示素子からの重複した光で提示してもよい。
【００３３】
図３には、図１に示したＨＭＤのより具体的な実施例であって、表示素子１〜４から発せられた光の光線追跡シミュレーションを行った結果を示している。この実施例では、右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１を２つのレンズＬ１，Ｌ２により構成している。すなわち、２つのレンズＬ１，Ｌ２のそれぞれに、右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１のそれぞれの一部を構成する３つの部分を設ける。そして、該２つのレンズＬ１，Ｌ２を間隔をあけて組み合わせることで右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１の全体を構成する。
【００３４】
表示素子１〜４から発せられた光はそれぞれ、右眼用光学系９または左眼用光学系１０と内側光学系１１とを通って右射出瞳Ｓ１または左射出瞳Ｓ２に入射する。図３から分かるように、図１に模式的に示したＨＭＤの構成が実際に実現可能なものであり、しかも左眼用と右眼用にそれぞれ設けられた光学系の干渉が生じることなく、かつアイレリーフが小さくなることなく、広画角の観察画像を提示することができる。
【００３５】
なお、図３に示す実施例では、上述した２つのレンズＬ１，Ｌ２のそれぞれの出射面１９，２０が右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１の３つの光学系に対して共通する（連続した）光学面となっている。特に各射出瞳に最も近い光学面１９が３つの光学系９，１０，１１に共通な光学面として形成されることで、図２で示した画角境界線または画角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。
【実施例２】
【００３６】
図４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。図４でも、図１と同様に、左射出瞳Ｓ２と右射出瞳Ｓ１とを結ぶ直線に平行な左右方向を図の横方向とし、前後方向を図の縦方向として、ＨＭＤを上方から見た構成を模式的に示している。また、本実施例において、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。
【００３７】
本実施例では、第１の右眼用表示素子１の左隣に第２の右眼用表示素子３が配置され、第１の左眼用表示素子２の右隣に第２の左眼用表示素子４が配置され、さらに内側光学系１１Ａが中心面１４に沿って延びる反射部１８を有する点で実施例１と異なる。言い換えれば、反射部１８によって内側光学系１１Ａが左右に分けられている。
【００３８】
また、本実施例では、第１の左眼用表示素子２と第２の左眼用表示素子４とが中心面１４よりも左側に配置され、第１の右眼用表示素子１と第２の右眼用表示素子３とが中心面１４よりも右側に配置されている。左眼用光学系１０および右眼用光学系９はそれぞれ、実施例１と同様に、第１の左眼用表示素子２からの第１の左眼画像光６と第１の右眼用表示素子１からの第１の右眼画像光５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。
【００３９】
本実施例でも、表示素子１〜４はそれぞれ別々の表示素子であってもよいし、４つの表示素子でなくてもよい。例えば、表示素子１〜４に相当する４つの表示領域を有する単一の表示素子を用いてもよい。また、表示素子１，３に相当する２つの表示領域を有する単一の表示素子と、表示素子２，４に相当する２つの表示領域を有する単一の表示素子とを用いてもよい。
【００４０】
一方、内側光学系１１Ａは、第２の左眼用表示素子４からの第２の左眼画像光８を反射部１８の左側反射面で反射させ、第２の右眼用表示素子３からの第２の右眼画像光７を反射部１８の右側反射面で反射させてそれぞれ、左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に導く。反射部１８に互いに反対側に面するように設けられた左側および右側反射面でそれぞれ反射される第２の左眼画像光８と第２の右眼画像光７の光路は互いに交差しない。
【００４１】
本実施例でも、内側光学系１１Ａは、第２の左眼画像光８を、左眼用光学系１０により第１の左眼画像光６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、内側光学系１１Ａは、第２の右眼画像光７を、右眼用光学系９により第１の右眼画像光５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。
【００４２】
本実施例でも、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ができる。
【００４３】
なお、本実施例においては、第２の左眼用表示素子４からの第２の左眼画像光８の一部８−ｉは、内側光学系１１Ａに中心面１４よりも左側にて入射して反射部１８で反射する。また、第２の右眼用表示素子３からの第２の右眼画像光７の一部７−ｉは、内側光学系１１Ａに中心面１４よりも右側で入射して反射部１８で反射する。これは、各射出瞳（Ｓ１，Ｓ２）から内側光学系１１Ａまでの距離Ｄと画角θと各表示素子（３，４）の位置との関係から見て、光学的に自然な配置となっている。
【００４４】
また、本実施例のＨＭＤは、中心面１４に沿って配置された反射部１８を境として左眼用の構成要素（２，４，１０，１１Ａ）と右眼用の構成要素（１，３，９，１１Ａ）とが鏡像のように配置されている。このため、左眼用の構成要素を含む左眼用ユニットと右眼用の構成要素を含む右眼用ユニットとを別々に製造して組み合わせることも可能である。
また、左眼用ユニットと右眼用ユニットのうち一方のみを用いて片眼用のＨＭＤとして利用することも可能である。
【００４５】
図５には、図３に示したＨＭＤのより具体的な実施例であって、表示素子１〜４から発せられた光の光線追跡シミュレーションを行った結果を示している。この実施例では、右眼用光学系９と内側光学系１１Ａのうち反射部（反射部材）１８よりも右側の部分を２つのレンズＬ１１，Ｌ１２により構成している。また、左眼用光学系１０と内側光学系１１Ａのうち反射部材１８よりも左側の部分を２つのレンズＬ２１，Ｌ２２により構成している。そして、これらレンズＬ１１，Ｌ１２とレンズＬ２１，Ｌ２２とを反射部材１８を中心として接合することでＨＭＤの光学系が構成されている。
【００４６】
表示素子１〜４から発せられた光はそれぞれ、右眼用光学系９または左眼用光学系１０と反射部材１８を含む内側光学系１１Ａとを通って右射出瞳Ｓ１または左射出瞳Ｓ２に入射する。図５から分かるように、図４に模式的に示したＨＭＤの構成が実際に実現可能なものであり、しかも左眼用と右眼用にそれぞれ設けられた光学系の干渉が生じることなく、かつアイレリーフが小さくなることなく、広画角の観察画像を提示することができる。
【実施例３】
【００４７】
図６には、本発明の実施例３であるＨＭＤの水平断面での構成を示す。本実施例３のＨＭＤは、実施例１の変形例である。図６でも、図１と同様に、左射出瞳Ｓ２と右射出瞳Ｓ１とを結ぶ直線に平行な左右方向を図の横方向とし、前後方向を図の縦方向として、ＨＭＤを上方から見た構成を模式的に示している。また、本実施例において、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。
【００４８】
本実施例でも、実施例１と同様に、左眼用光学系１０、右眼用光学系９および内側光学系１１を構成する光学面のうち各射出瞳に最も近い出射面１９は、これら３つの光学系に共通する（連続する）光学面として構成されている。
【００４９】
図７には、図６に示したＨＭＤを図６の水平方向（右側）から見た構成を示している。図７においては奥行き方向において重なって見えない構成要素についても符号を付している。なお、図６および図７には、光線追跡シミュレーションの結果得られた光線を示している。
【００５０】
右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１は、樹脂またはガラス等の光学材料により形成された１つの一体の光学素子（プリズム）ＯＥにより構成されている。
【００５１】
図６に示すように、右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１は、中心面１４について対称な形状および光学特性を有する。また、第１および第２の右眼用表示素子１，２と第１および第２の左眼用表示素子３，４も、中心面１４について対称に配置されている。
【００５２】
図７に示すように、各表示素子（１〜４）から発せられた光（５〜８）は、光学素子ＯＥの第１面（屈折面）Ｃを通って該光学素子ＯＥ（９〜１１）内に入射し、第２面Ａに到達する。第１面Ｃからの光は、光学素子ＯＥにおける空気との界面である第２面Ａ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面Ｃからの光は第２面Ａで全反射して第３面Ｂに向かう。第３面Ｂは、金属コーティング等が施された反射面であり、ここに入射した光は反射して再度、第２面Ａに到達する。この際、第３面Ｂからの光は第２面Ａに臨界角より小さい入射角で入射し、第２面Ａを透過して射出瞳（Ｓ１，Ｓ２）に到達する。
【００５３】
図６において、第１の左眼用表示素子２および第１の右眼用表示素子１から発せられた第１の左眼画像光６および第１の右眼画像光５はそれぞれ、左眼用光学系１０および右眼用光学系９を介して左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に到達する。また、中心面１４に対して右側に配置された第２の左眼用表示素子４から発せられた第２の左眼画像光８は、内側光学系１１に中心面１４よりも右側の部分に入射した後、中心面１４を越えて内側光学系１１の左側の部分から出射して左射出瞳Ｓ２に到達する。内側光学系１１から出射した第２の左眼画像光８は、実施例１と同様に、左眼用光学系１０により第１の左眼画像光６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）の領域を通過して左射出瞳Ｓ２に導かれる。
【００５４】
一方、中心面１４に対して左側に配置された第２の右眼用表示素子３から発せられた第２の右眼画像光７は、内側光学系１１に中心面１４よりも左側の部分に入射した後、中心面１４を越えて内側光学系１１の右側の部分から出射して右射出瞳Ｓ１に到達する。内側光学系１１から出射した第２の右眼画像光７は、右眼用光学系９により第１の右眼画像光５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）の領域を通過して右射出瞳Ｓ１に導かれる。
【００５５】
なお、本実施例でも、光学素子ＯＥにおいて各射出瞳に最も近い光学面１９、すなわち第２面Ａは、右眼用光学系９、左眼用光学系１０および内側光学系１１の３つの光学系に共通する（連続する）面である。
【００５６】
本実施例でも、左眼用と右眼用にそれぞれ設けられた光学系の干渉が生じることなく、かつアイレリーフが小さくなることなく、広画角の観察画像を提示することができる。
【実施例４】
【００５７】
実施例１〜３では、内側光学系１１，１１Ａを第２の左眼画像光８および第２の右眼画像光７に対して共通の部材により構成する場合について説明した。しかし、第２の左眼用表示素子４および第２の右眼用表示素子３をそれぞれ発した第２の左眼画像光８の一部および第２の右眼画像光７の一部が中心面１４を越えるまでは共通ではない部材によって内側光学系の一部が構成されてもよい。
【００５８】
図８には、本発明の実施例４であるＨＭＤのうち内側光学系１１Ｂの水平断面での構成を示している。第２の左眼用表示素子４と第２の右眼用表示素子３をそれぞれ発した第２の左眼画像光８および第２の右眼画像光７はそれぞれ、これらの光に対して共通しない（別々の）光学素子である偏心レンズ部材１１−Ｒ，１１−Ｌを透過する。この後、第２の左眼画像光８および第２の右眼画像光７に共通する光学部材であるレンズＬ３１，Ｌ３２に入射する。そして、第２の左眼画像光８および第２の右眼画像光７はそれぞれ、これらレンズＬ３１，Ｌ３２を透過して左射出瞳Ｓ２および右射出瞳Ｓ１に到達する。
【００５９】
本実施例でも、左眼用と右眼用にそれぞれ設けられた光学系の干渉が生じることなく、かつアイレリーフが小さくなることなく、広画角の観察画像を提示することができる。
【００６０】
上記各実施例では、片方の眼に対して観察画像を提示する画角を外側と内側の２つの領域に分割した場合について説明したが、外側の領域または内側の領域をさらに複数に分割してもよい。
【００６１】
また、上記各実施例では、左右方向において第１の右眼用表示素子と第１の左眼用表示素子との間に第２の右眼用表示素子と第２の左眼用表示素子が配置され、第３の光学系（内側光学系）が右眼および左眼用光学系の間に配置されている場合について説明した。しかし、これは例に過ぎず、他の構成を採用してもよい。例えば、第１の右眼および左眼用表示素子を右眼および左眼用光学系の上側に配置し、右眼および左眼用光学系の下側に第３の光学系を配置し、第１の右眼および左眼用表示素子に上下方向にて重なる位置に第２の右眼および左眼用表示素子を配置してもよい。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１〜３ 表示素子
５〜８  画像光
９  右眼用光学系
１０  左眼用光学系
１１，１１Ａ，１１Ｂ  内側光学系
Ｓ１  右射出瞳
Ｓ２  左射出瞳
【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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