(57)【要約】  【課題】  小型（薄型）でありながらも、広画角化が図れる画像表示装置を提供する。  【解決手段】  画像表示装置は、それぞれ原画を形成する一対の画像形成素子１，１’と、該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域ＳＣＬ，ＳＣＲに導く光学系とを有する。該光学系は、一対の観察領域の間を通る面Ｃを対称面とする面対称に構成されている。該光学系は、対称面に対して一方の側に配置された画像形成素子からの光束を、該一方の側に配置された反射面で反射した後、対称面に対して他方の側に配置された反射面での反射を介して一方の側の観察領域に導く。【選択図】  図１
2007101790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ原画を形成する一対の画像形成素子と、
該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域に導く光学系とを有し、
前記光学系は、前記一対の観察領域の間を通る面を対称面とする面対称に構成されており、
前記光学系は、
前記対称面に対して一方の側に配置された画像形成素子からの光束を、該一方の側に配置された反射面で反射した後、前記対称面に対して他方の側に配置された反射面での反射を介して前記一方の側の観察領域に導くことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記光学系は、
前記一方の側に配置され、該一方の側に配置された画像形成素子からの光束を反射する第１の反射面と、
前記他方の側に配置され、前記第１の反射面からの光束を反射する第２の反射面と、
前記一方の側に配置され、前記第２の反射面を介した光束を反射して前記一方の側の観察領域に導く第３の反射面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】
前記他方の側に配置され、前記第２の反射面で反射した光束を前記第３の反射面に向けて反射する第４の反射面を有することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第２の反射面は、前記第１の反射面からの光束を再度該第１の反射面に向けて反射し、
該第１の反射面で再度反射した光束は、前記第３の反射面に向かうことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記一対の画像形成素子は、前記対称面に対して対称な位置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１つに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記対称面から各画像形成素子までの距離が、該対称面から各観察領域までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記光学系は、前記対称面に直交する断面に対して面対称な形状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。
【請求項８】
前記光学系は、該光学系内に中間実像を形成する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。
【請求項９】
前記光学系は、複数の反射面を有し、
該複数の反射面のうち少なくとも２つは偏心反射面であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記光学系は、複数の反射面を有し、
該複数の反射面は、凹面反射面と凸面反射面とを少なくとも１つずつ含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１つに記載の画像表示装置と、
該画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子（液晶パネル）などの画像形成素子に形成された画像を光学系を介して観察者に提示する画像表示装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に好適な画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤに対しては広画角化により臨場感を高める要望がある一方で、装置を小型にする要望もある。装置の重量バランスを考慮すると、特に薄型であることが望まれる。
【０００３】
広画角化の要望に応えるには液晶パネルを大型化することが望ましいが、パネルの大型化はコストの増大につながる。小型のパネルで広画角化を達成するには、０回結像光学系よりも、パネルに表示された画像の中間実像を形成し、該中間像の虚像を拡大像として提示する１回結像光学系の方が適している。但し、１回結像光学系では、光学系を構成する要素の数が多くなり、また光路長が長くなるため、一般に、大型で重い装置になってしまう。
【０００４】
広画角と小型の両立を目的としたＨＭＤとして、例えば特許文献１にて開示されたものがある。このＨＭＤでは、折り返し反射面とその前後に光が通る偏心反射面を用いて往復光路を形成し、１回結像させるのに必要な長い光路を小型の光学系内に収めている。
【０００５】
また、ＨＭＤは、観察者が頭部に装着した状態での見た目もある程度格好の良いものである必要がある。特に、前方からＨＭＤ装着者を見た場合に、同じ投影面積であれば、装置が細く横長である方が印象が良い。例えば、図７（ａ）に示す観察者に対し、図７（ｂ）に示すように縦長で横幅が小さい装置よりも、図７（ｃ）に示すように縦に短く横に長い装置の方が、格好が良い。このような横長に装置を構成するためには、複数の偏心反射面の偏心方向を顔の上下方向に展開していくのではなく、顔の左右方向に展開する横折り光学系を用いる方が有利である。
【０００６】
特許文献２には、特許文献１に開示された折り返し反射面による往復光路を用いた横折り光学系が開示されている。該特許文献２の実施例（図６）には、往復光路を形成する光学素子３と画像形成素子１との間に反射面２を配置し、画像形成素子１と反射面２との間および反射面２と光学素子３との間で左右の眼への光路が交差する光学系が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１４９５９３号公報(段落００４７〜００６０、図１等)
【特許文献２】特開２００４−３４１３２４号公報(段落００６１〜００６３、図６)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２にて開示された光学系では、装置を横長に構成することはできるが、観察者の前方への厚みが十分に薄型化されていない。
【０００８】
本発明は、従来よりもさらに小型（薄型）でありながらも、広画角化が図れるようにした画像表示装置を提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての画像表示装置は、それぞれ原画を形成する一対の画像形成素子と、該一対の画像形成素子からの光束を一対の観察領域に導く光学系とを有する。該光学系は、一対の観察領域の間を通る面を対称面とする面対称に構成されている。そして、該光学系は、対称面に対して一方の側に配置された画像形成素子からの光束を、該一方の側に配置された反射面で反射した後、対称面に対して他方の側に配置された反射面での反射を介して一方の側の観察領域に導くことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、対称面に対して右側に配置された画像形成素子からの光束は、右側に配置された反射面で反射した後、左側に配置された反射面での反射を介して右側の観察領域に導かれる。また、同様に、対称面に対して左側に配置された画像形成素子からの光束は、左側に配置された反射面で反射した後、右側側に配置された反射面での反射を介して左側の観察領域に導かれる。このような光学系を採用することで、広画角化に必要な長い光路長を確保しつつ、薄型の画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【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、ＨＭＤを上方から見た図である。
【００１３】
図１において、１は左眼ＥＬ用の画像形成素子である液晶表示素子（以下、ＬＣＤと記す）である。２は左眼ＥＬ用の偏心反射曲面群であり、ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の４つのミラーにより構成されている。３はＬＣＤ１からの光束を集光するためのレンズである。これら偏心反射曲面群２およびレンズ３は、本実施例の左眼光学系を形成している。
【００１４】
１’は右眼ＥＲ用の画像形成素子であるＬＣＤである。２’は右眼ＥＲ用の偏心反射曲面群であり、ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４の４つのミラーにより構成されている。３’はＬＣＤ１’からの光束を集光するためのレンズである。これら偏心反射曲面群２’およびレンズ３’は、本実施例の右眼光学系を形成している。
【００１５】
ＳＣＬ，ＳＣＲはそれぞれ、左眼光学系および右眼光学系により形成される射出瞳の中心位置である。
【００１６】
Ｃは左眼光学系の射出瞳中心ＳＣＬと右眼光学系の射出瞳中心ＳＣＲとを結ぶ線分の中心を通り、該線分に垂直な平面である。本実施例の光学系およびＬＣＤ１，１’の画像表示面は該平面Ｃを対称面とした面対称な構成を有する。
【００１７】
また、本実施例では、左眼光学系のミラー（反射面）ＳＬ２と右眼光学系のミラー（反射面）ＳＲ４とが同一面として形成されており、左眼光学系のミラー（反射面）ＳＬ４と右眼光学系のミラー（反射面）ＳＲ２とが同一面として形成されている。
【００１８】
なお、本実施例のＨＭＤは、ＬＣＤ１，１’を駆動する駆動回路１００を含む。駆動回路１００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情報供給装置１１０が接続されており、駆動回路１００は入力された画像情報に応じた原画をＬＣＤ１，１’に表示させる。このことは、以下の実施例でも同じである。
【００１９】
本実施例での光路について、まず左眼光学系から説明する。平面Ｃに対して左眼側に配置されたＬＣＤ１からの光束は、レンズ３により集光され、４つのミラーＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４によって囲まれた空間に入射する。該空間に導かれた光束は、平面Ｃよりも左眼側に配置されたミラー（第１の反射面）ＳＬ４によって反射され、平面Ｃよりも右眼側にあるミラー（第２の反射面）ＳＬ３に向かう。ミラーＳＬ３で反射された光束は、平面Ｃよりも右眼側にあるミラー（第４の反射面）ＳＬ２によって反射された後、平面Ｃよりも左眼側にあるミラー（第３の反射面）ＳＬ１に向かう。ミラーＳＬ１で反射された光束は、射出瞳を形成し、該射出瞳の位置又はその近傍である観察領域に置かれた観察者の左眼ＥＬに導かれる。これにより、観察者の左眼ＥＬには、左眼用のＬＣＤ１に表示された原画の拡大像が提示される。
【００２０】
一方、右眼光学系においては、平面Ｃに対して右眼側にあるＬＣＤ１’からの光束は、レンズ３’により集光されて４つのミラーＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４によって囲まれた空間に入射する。
【００２１】
該空間に導かれた光束は、平面Ｃよりも右眼側に配置されたミラー（第１の反射面）ＳＲ４によって反射され、平面Ｃよりも左眼側にあるミラー（第２の反射面）ＳＲ３に向かう。ミラーＳＲ３で反射された光束は、平面Ｃよりも左眼側にあるミラーＳＲ２によって反射された後、平面Ｃよりも右眼側にあるミラー（第３の反射面）ＳＲ１に向かう。ミラーＳＲ１で反射された光束は、射出瞳を形成し、該射出瞳の位置又はその近傍である観察領域に置かれた観察者の右眼ＥＲに導かれる。これにより、観察者の左眼ＥＲには、右眼用のＬＣＤ１’に表示された原画の拡大像が提示される。
【００２２】
このように、左眼光学系と右眼光学系は平面Ｃに対して対称形状を有しており、左眼用の光路と右眼用の光路も平面Ｃに対して対称となっている。このため、以下では、左眼光学系のみについて詳細に説明する。
【００２３】
図２には、ＬＣＤ１の表示面の中心から射出して射出瞳中心ＳＣＬに至る光線である中心画角主光線を示している。ここでは、図２において、図の紙面と平面Ｃとが交わって形成される直線をｚ軸とする。ｚ軸において、左右の眼ＥＬ，ＥＲに中心画角主光線が入射する方向とは略逆側の方向を正の向きとする。また、光学系の左右の射出瞳の中心を結んだ直線をｙ軸とする。ｙ軸において、右眼側の射出瞳から左眼側の射出瞳へ向かう方向を正の向きとする。さらに、ｙ軸およびｚ軸に対して直交する直線をｘ軸とする。ｘ軸において、右手系を構成するように紙面奥向き方向を正の方向とする。ｙ軸と平面Ｃとの交点を原点（０，０，０）とする。
【００２４】
まず、ｚ軸方向について光路を説明する。なお、以下の説明において、ミラーを「面（もしくは反射面、光学面）」という。ＬＣＤ１から射出した光束は、面ＳＬ４を介してｚ＋側に進行し、面ＳＬ３に導かれ、面ＳＬ３で反射されてｚ−側に進行する。さらに、面ＳＬ２で反射されてｚ＋側に進行し、面ＳＬ１によって反射されてｚ−側に進行して左眼ＥＬに導かれる。このように光路をジグザグに折り畳むことによって、光学系をｚ軸方向において薄く構成することができる。
【００２５】
次に、ｙ軸方向について光路を説明する。平面Ｃに対して左眼側、すなわちｙ＋側のＬＣＤ１から射出した光束は、面ＳＬ４を介して右眼側、すなわちｙ−側の面ＳＬ３に導かれ、ｙ−側の面ＳＬ２を介してｙ＋側に戻される。そして、ｙ＋側の面ＳＬ１によってｙ＋側の左眼ＥＬに導かれる。
【００２６】
本実施例では、ＬＣＤ１を左眼光学系の射出瞳中心（０，ｙｓｃ，０）よりもｙ＋側の位置に配置している。すなわち、平面ＣからＬＣＤ１までの距離が、該平面Ｃから射出瞳中心までの距離よりも長い。また、右眼光学系の射出瞳中心（０，−ｙｓｃ，０）よりもｙ−側の位置に、ｙ−側に進行する光束をｙ＋側に進行するように戻す役目を果たす面ＳＬ３を配置している。これらによって、従来の光学系に対して非常に長い光路長を確保することができる。また、これにより、ＬＣＤ１に表示された原画を左眼ＥＬに拡大虚像として提示するのに必要な光学面のパワーを弱めることができるため、光学性能を高め易い。特に、本発明のような左右の眼を結ぶ方向に光路を展開する構成では、眼間距離２＊ｙｓｃよりも長い光路長は困難であり、上述したように観察者の顔の前方の光学系内に眼間距離２＊ｙｓｃよりも長い光路長を確保して、光学性能を高め易くしている。
【００２７】
さらに、ｙ−側に進行する光束をｙ＋側に戻す面ＳＬ３を、ｙ−側の位置であって、光路をｚ軸方向にジグザグに折り畳む位置に配置したことによって、長い光路長を有する光学系でありながらも、視軸方向（ｚ軸方向）に薄く小型の光学系とすることができる。したがって、光学系が小型であっても、光路長を非常に長くすることができる。
【００２８】
このような光学系の構成を採る場合は、ＬＣＤ１に表示した原画の中間実像を光学系内の光路中に形成することが容易である。中間実像を形成する場合は、光学系を構成する各面のパワーと光路の引き回しとの関係を適宜定めることができ、光学面の配置自由度が高まる。したがって、原画のサイズに対して観察者が観察する画像の画角を広げやすくなり、臨場感の高い迫力ある映像を観察者に提示できる。
【００２９】
次に、図３を用いて、本実施例における中間像について説明する。ここでは、ＬＣＤ１の表示面（原画）の中心から射出して有効な射出瞳の両端に至る図３の断面上の２つの光線の交点を、中間結像位置とする。本実施例においては、偏心反射曲面である面ＳＬ１と面ＳＬ２との間に中間像が形成されることが好ましい。これは、面ＳＬ２の有効サイズを小さく抑えやすいためである。但し、このことは、本発明において、中間結像位置を面ＳＬ１と面ＳＬ２との間に限定する意味ではなく、面ＳＬ２と面ＳＬ３との間に中間像が形成されてもよい。言い換えれば、実質的に面ＳＬ１と面ＳＬ３との間に中間結像位置があればよい。
【００３０】
なお、光学系のサイズをできるだけ小さく抑えるためには、中間瞳結像位置も重要である。ここでは、図１の断面上で表示面の端を発して射出瞳中心に至る光線が光路の途中で交差する点を中間瞳結像位置とする。図１では、折り返し反射面である面ＳＬ３から面ＳＬ２に到る光路中にある。特に、面ＳＬ２よりも面ＳＬ３に近い位置であると、折り返し反射面ＳＬ３の有効径を小型化できるため、よりよい。本発明は、中間瞳結像の位置を限定するものではないが、光学系を小型に構成する上で、折り返し反射面ＳＬ３の前後で中間瞳結像が成されるようにすることが好ましい。
【００３１】
本実施例の光学系においては、中心画角主光線と各反射面との偏心方向が一方向のみであり、中心画角主光線を含む面（図１〜３の紙面）に対して各反射面が面対称な形状となっていることが好ましい。これにより、左眼光学系の各面を構成する部品と右眼光学系の各面を構成する部品として同じ部品を用いることができる。
【００３２】
また、光学系を構成する各面の形状は、図２のｙｚ断面に対してのみ対称な非回転対称形状であることが望ましい。面ＳＬ１〜ＳＬ４の偏心反射曲面群により発生する非回転対称な収差を補正することが可能になり、高画質の画像を提示することが可能になるからである。
【００３３】
本実施例の構成において、面ＳＬ１は面ＳＬ３に対して偏心の度合いが高く、また、パワーもより強いため、面ＳＬ１で発生する非回転対称収差が大きい。このため、特に面ＳＬ１を非回転対称形状にして、非回転対称収差の発生を抑制することが望ましい。非回転対称面を増やせば、光学性能は高めやすくなるが、必ずしも全ての面を非回転対称面にする必要はない。
【００３４】
面ＳＬ２および面ＳＬ４を有する部品と、面ＳＬ１および面ＳＲ１を有する部品とは、を別部品でも一体の部品でもよい。また、面ＳＲ３，ＳＬ１，ＳＲ１，ＳＬ３を１つの部品に形成してもよい。このように、複数の反射面を１つの部品に形成することによって、部品点数や組立工程数を減少させることができる。
【００３５】
また、この際、左右の光学系の対称性から考えて、面ＳＬ２と面ＳＬ４とは自ずと同一部品に形成されることになる。面ＳＬ２と面ＳＬ４は、それぞれの光学有効面で考えた場合には回転対称性を持たなくとも、ｚ軸に対して回転対称な非球面形状としてもよい。また、面ＳＬ２と面ＳＬ４を球面としてもよい。このような回転対称性を有する部品を使えば、非対称収差の補正効果は薄れるが、コストの低減効果が得られる。
【００３６】
本実施例では、レンズ３を単レンズとしたが、複数のレンズや、レンズとミラーとの組み合わせ等で構成してもよい。複数の凸レンズで構成した場合は、各面のパワーを弱められ、各面で発生する収差を抑えることができ、しかも複数のレンズに凹レンズを使って色消しを行うなど、光学性能を向上させることができる。
【００３７】
偏心反射曲面群には凹面ミラーが含まれるが、さらに少なくとも１つの凸面ミラーを含む構成とすることが好ましい。本実施例では、偏心反射曲面群に凹面ミラーＳＬ１，ＳＬ３と凸面ミラーＳＬ２，ＳＬ４とを含ませて、偏心反射曲面群で発生するペッツバール和を抑え、さらにこれをレンズ３で打ち消す構成としている。これにより、像面湾曲の少ない画像の提示が可能である。
【００３８】
以上、図２および図３を用いて説明した事項は、右眼光学系についても同様である。
【実施例２】
【００３９】
図４には、本発明の実施例２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４は、ＨＭＤを上方から見た図である。なお、図４において、実施例１と同様の構成部分については、実施例１と同じ符号を付して説明に代える。
【００４０】
本実施例は、面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の４つの偏心反射曲面が、プリズム２１，２２上に形成され、面ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４の４つの偏心反射曲面がプリズム２１，２２’上に形成されている点で実施例１と異なる。また、面ＳＬ１，ＳＬ３および面ＳＲ１，ＳＲ３をそれぞれ、反射と透過の兼用面としている点でも実施例１と異なる。
【００４１】
さらに、本実施例では、左眼光学系と右眼光学系とでプリズム２１を共有し、該プリズム２１上に面ＳＬ１，ＳＲ１，ＳＬ２，ＳＲ２，ＳＬ３，ＳＲ３が形成されている。また、面ＳＬ３は、プリズム２１とプリズム２２との接合面であり、面ＳＲ３は、プリズム２１とプリズム２２’との接合面となっている。
【００４２】
本実施例においても、実施例１と同様に、左眼光学系と右眼光学系とが平面Ｃに対して共通（対称）であるので、以下、光路および光学作用について左眼光学系にて説明する。
【００４３】
平面Ｃに対して左眼側にあるＬＣＤ１を射出した光束は、レンズ３により集光されてプリズム２２に導かれる。透過面ＳＬ５からプリズム２２内に入射した光は、面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の４つの偏心反射曲面群によって囲まれた領域に入射する。該領域に導かれた光束は、平面Ｃよりも左眼側にある面ＳＬ４によって反射されてハーフミラーである接合面ＳＬ３からプリズム２１内に入射する。
【００４４】
プリズム２１に入射した光束は、プリズム２１の媒質の屈折率をnとするとき、平面Ｃよりも左眼側にある面（第１の反射面）ＳＬ１に、臨界角であるａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射する。これにより、光束は、面ＳＬ１において内部全反射され、平面Ｃよりも右眼側にある面（第２の反射面）ＳＬ２に向かう。面ＳＬ２で反射されて平面Ｃよりも左眼側に戻された光束は、面ＳＬ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の入射角で入射することで再度内部全反射され、面（第３の反射面）ＳＬ３に向かう。ハーフミラー面ＳＬ３で反射された光束は、面ＳＬ１にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）より小さい入射角で入射してプリズム２１から射出した後、観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００４５】
図５に示すように、ＬＣＤ１上の異なる箇所から射出した複数の主光線は、ＳＣＬを中心として左眼光学系の射出瞳を形成する。これにより、該射出瞳の位置又はその近傍である観察領域に置かれた観察者の左眼ＥＬに、左眼用のＬＣＤ１に表示された原画の拡大像が提示される。
【００４６】
図４においては、実施例１（図２）と同様にｘ，ｙ，ｚ軸を定義する。まず、ｚ軸方向について光路を説明する。ＬＣＤ１から射出してｚ＋方向に進行する光束は、面ＳＬ５を透過し、面ＳＬ４で反射されてｚ−方向に進行する。ｚ−側に進行した光束は、面ＳＬ３を透過してｚ−側に進行し、面ＳＬ１で反射されてｚ＋方向に進行し、面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２では、ｚ−方向に再度進路を変えられ、再度面ＳＬ１に導かれる。光束は面ＳＬ１で反射されることにより再びｚ＋方向に進行し、面ＳＬ３で反射されてｚ−側に進行し、眼ＥＬに導かれる。このように光路をジグザグに折り畳むことによって、光学系をｚ軸方向に薄くすることができる。
【００４７】
次に、ｙ軸方向について光路を説明する。平面Ｃに対して左眼側、すなわちｙ＋側のＬＣＤ１から射出してｙ−方向に進行した光束は、面ＳＬ４での反射、面ＳＬ３での透過および面ＳＬ１での反射においてｙ−方向に進行方向を保ったまま、平面Ｃよりも右眼側、すなわちｙ−側の面ＳＬ２に導かれる。そして、面ＳＬ２で反射されることによって、ｙ＋方向に進行方向を変えられ、平面Ｃよりも左眼側であるｙ＋側に戻される。ｙ＋方向に進行した光束は、ｙ＋側の面ＳＬ１によって進行方向をｙ−に保ったまま反射され、面ＳＬ３によって反射されて進行方向のｙ成分が略０の状態にされてｙ＋側の眼ＥＬに導かれる。
【００４８】
本実施例においても、ＬＣＤ１を左眼光学系の射出瞳中心（０，ｓｙｃ，０）よりもｙ＋側の位置に配置している。すなわち、平面ＣからＬＣＤ１までの距離が、該平面Ｃから射出瞳中心までの距離よりも長い。これにより、長い光路長を光学系中に収められる。さらに、これによってＬＣＤ１に表示された原画を観察者の左眼ＥＬに拡大虚像として提示するのに必要な光学面のパワーを弱めることができるため、光学性能を高め易い。
【００４９】
また、ｙ−側に進行する光束をｙ＋側に戻す役目を果たす反射面ＳＬ２を、ｙ−側の位置であって、光路をｚ軸方向にジグザグに折り畳む（光束がｚ＋方向とｚ−方向とに交互に進行する）位置に配置している。これにより、視軸方向（ｚ軸方向）に薄い小型の光学系とすることができる。
【００５０】
このような光学系の構成を採る場合は、ＬＣＤ１に表示した原画の中間実像を光学系内の光路中に形成することが容易である。中間実像を形成する場合は、光学系を構成する各面のパワーと光路の引き回しとの関係を適宜定めることができ、光学面の配置自由度が高まる。このため、原画のサイズに対して観察者の観察する画像の画角を広げやすくなり、光学系のサイズに比べて臨場感の高い迫力ある拡大映像を観察者に提示できる。
【００５１】
なお、本実施例では、面ＳＬ１で反射した光線を、再度、面ＳＬ１に向けて反射する面ＳＬ２を有し、面ＳＬ１に再度入射した中心画角主光線はそのヒットポイント上での面の法線に対し、前回とは反対側に反射して進む。これにより、面ＳＬ１と面ＳＬ２との間で光線を往復させて光路をほぼ重複させ、小型の光学系でありながらも光路長を長く確保できるようにしている。このため、小型のＬＣＤ１を用いつつ広画角表示を行うことができる。折り返し反射面としての面ＳＬ２での反射において、中心画角主光線のうち入射光線と反射光線の成す角度θは４０度より小さいことが望ましい。より好ましくは、２０度より小さいことが好ましい。
【００５２】
図６を用いて、本実施例における中間像について説明する。本実施例においては、偏心反射曲面ＳＬ１とＳＬ２との間に中間像が形成される。ここでも、実施例１と同様に、ＬＣＤ１の表示面（原画）の中心から射出して有効な射出瞳の両端に至る図の断面上の２つの光線の交点を中間結像位置とする。本実施例においては、ＳＬ２から偏心反射曲面ＳＬ１に向かう光路中に中間像が形成される。これは、面ＳＬ２の有効サイズを小さく抑えやすいためである。但し、このことは、本発明において、中間結像位置を面ＳＬ１と面ＳＬ２との間に限定する意味ではない。さらに、中間瞳結像位置は面ＳＬ４から面ＳＬ１に向かう光路中にあることが好ましいが、本発明がこれに限定されるものではない。折り返し反射面ＳＬ２のサイズを小型化するためには、面ＳＬ２よりも前の光路に中間瞳結像がなされ、面ＳＬ２よりも後の光路に中間結像がなされるように構成し、瞳光束と物体光束とのバランスをとることが好ましい。
【００５３】
本実施例の光学系では、中心画角主光線と各反射面との偏心方向が一方向のみにであり、中心画角主光線を含む面（図４〜６の紙面）に対して各光学面が面対称な形状となっていることが好ましい。これにより、プリズム２２，２２’として同じ部品を用いることができる。
【００５４】
また、光学系を構成する光学面の形状は、図４のｙｚ断面に対してのみ対称な非回転対称形状であることが望ましい。これにより、面ＳＬ１〜ＳＬ４からなる偏心反射曲面群により発生する非回転対称な収差を補正することが可能になり、高画質の画像を提示することが可能になる。
【００５５】
プリズム２１は、面ＳＬ１〜ＳＬ３を有する一体成形部品として製作してもよいし、複数のブロックを接合して１部品としたものを用いてもよい。また、左右の光学系の対称性から考えて、面ＳＬ２，ＳＲ２および面ＳＬ１，ＳＲ１は、それぞれの光学有効面で考えた場合に回転対称性を持たなくとも、ｚ軸に対して回転対称な非球面形状としてもよい。また、これらの面を、ｚ軸を法線とする球面としてもよい。このような回転対称性を有する部品を用いることにより、非対称収差の補正効果は薄れるが、コスト低減効果が得られる。他の面に関しても同様である。
【００５６】
但し、本実施例の構成において、面ＳＬ３は偏心の度合いが高く、また強いパワーを有するため、面ＳＬ３にて発生する非回転対称収差が大きい。このため、特に面ＳＬ１は非回転対称形状にして、非回転対称収差の発生を抑制することが望ましい。非回転対称面を増やせば、光学性能を高めやすくなる。
【００５７】
また、本実施例では、プリズム２１とプリズム２２，２２’とを接合して一体化した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらを別体としてもよい。別体化すると、光学面が１つ増えるため、収差補正上有利となる。一方、本実施例のようにプリズム２１とプリズム２２，２２’とを一体化すれば、最終組立工程においてプリズム同士の位置合わせが不要となる等、組立工程数を削減することができる。
【００５８】
また、本実施例では、面ＳＬ１での２回の反射を、光束を臨界角以上の入射角度で入射させることによる内部全反射とした場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、ハーフミラーを用いて、反射面と透過面とを兼用してもよい。内部全反射を用いれば、光量損失が極めて少なくなり、明るい光学系を構成し易い。
【００５９】
また、本実施例では、レンズ３を単レンズとしたが、凹面ミラーや、複数のレンズや、レンズとミラーとの組み合わせ等で構成してもよい。複数の凸レンズで構成した場合は、各面のパワーを弱めることができ、各面で発生する収差を抑えることができる。また、複数のレンズに凹レンズを用いて色消しを行うなど、光学性能を向上させることもできる。
【００６０】
また、本実施例中の屈折面ＳＬ５と反射面ＳＬ４のパワーを強めることで、レンズ３を省いてもよい。
【００６１】
偏心反射曲面群には凹面ミラーが含まれるが、さらに少なくとも１つの凸面ミラーを含む構成とすることが好ましい。本実施例では、偏心反射曲面群に凹面ミラーＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４と凸面ミラーＳＬ１とを含ませて、偏心反射曲面群で発生するペッツバール和を抑え、さらにこれをレンズ３で打ち消す構成としている。これにより、像面湾曲の少ない画像の提示が可能である。
【００６２】
以上、図４から図６を用いて説明した事項は、右眼光学系についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１であるＨＭＤの光学系の構成を示す平面断面図。
【図２】実施例１の中心画角主光線の光路を説明する平面断面図。
【図３】実施例１の中間結像位置を説明する平面断面図。
【図４】本発明の実施例２であるＨＭＤの光学系の構成を示す平面断面図。
【図５】実施例２の中心画角主光線の光路を説明する平面断面図。
【図６】実施例２の中間結像位置を説明する平面断面図。
【図７】前方からＨＭＤ装着者を見た場合の印象を説明するための図。
【符号の説明】
【００６４】
１，１’  ＬＣＤ
２，２’  偏心反射曲面群
３，３’  レンズ
ＥＬ  左眼
ＥＲ  右眼
ＳＣＬ，ＳＣＲ  射出瞳（の中心）
【図１】
2007101790.tif 000003
【図２】
2007101790.tif 000004
【図３】
2007101790.tif 000005
【図４】
2007101790.tif 000006
【図５】
2007101790.tif 000007
【図６】
2007101790.tif 000008
【図７】
2007101790.tif 000009