(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一画像のうち互いに異なる画角領域に対応する部分画像を表示する第１の表示素子及び第２の表示素子と、
それぞれ第１面、第２面及び第３面を有し、前記第１及び第２の表示素子からの光をそれぞれ前記第１面から入射させた後、前記第２面及び前記第３面で反射し、前記第２面から射出瞳に向けて射出させる第１の光学素子及び第２の光学素子とを有し、
前記第２の光学素子の前記第２面は、前記第１の光学素子の前記第３面に対向又は密着したオーバーラップ領域を有し、
前記第２の光学素子において、前記第２の表示素子からの光は、前記第２面のうち前記オーバーラップ領域以外の領域から前記射出瞳に向けて射出されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記オーバーラップ領域は、前記第１の光学素子の前記第３面に対向しており、
前記第２の光学素子において、前記第２の表示素子からの光のうち前記オーバーラップ領域に入射した光は、前記オーバーラップ領域で全反射して前記第３面に向かう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】
前記オーバーラップ領域は、反射膜を介して前記第１の光学素子の前記第３面に密着しており、
前記第２の光学素子において、前記第２の表示素子からの光のうち前記オーバーラップ領域に入射した光は、前記反射膜で反射して前記第３面に向かう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４】
前記第２の光学素子において、前記第２の表示素子からの光のうち前記オーバーラップ領域以外の領域に入射した光は、該領域で全反射して前記第３面に向かうことを特徴とする請求項２又は３に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の表示素子が並ぶ方向を含む断面を第１の断面とするとき、
前記第１及び第２の光学素子は、前記第１の断面での拡大倍率が、該第１の断面に直交する第２の断面での拡大倍率よりも小さい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】
前記第１及び第２の表示素子が並ぶ方向を含む断面を第１の断面とするとき、
前記各表示素子は、前記第１の断面の方向における少なくとも一端の領域に、前記部分画像を表示しない非表示領域を有す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７】
前記画像表示装置は使用者の頭部に装着され、
前記第１及び第２の光学素子は、使用者の眼と耳を結ぶ方向に並んでい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の表示素子を用いて広画角の画像を提示でき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】
ＨＭＤのように表示素子に表示された原画を拡大して観察者の眼に提示する画像表示装置では、臨場感を高めるためにできるだけ表示画角が大きく、かつ表示解像度も高いことが求められる。その一方、頭部に装着しても違和感や疲労感が少ないように小型で軽量であることも求められる。ただし、画角が大きくなると光学系のサイズが増大する。また、画素数が多く、かつ光学設計上無理のない拡大倍率を選択できる適当なサイズの表示素子は非常に少ない。
【０００３】
これに対し、画素数は少ないがサイズが小さな表示素子を複数用い、単一画像のうち互いに異なる画角領域に対応する部分画像をそれぞれ表示させることで、単一画像全体の画素数を増加させ、かつ大きな表示画角も実現可能な画像表示装置が従来提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、複数の表示素子からの画像光をそれぞれの表示素子に対応する複数のミラーによって反射して合成し、拡大光学系を介して複数の画角に対応する複数の画像部分を繋げたかたちで提示する画像表示装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、２つの表示素子と２つの折り返しミラーとをそれぞれ視軸に対して対称に配置し、２つの画像部分を繋げたかたちで提示する画像表示装置が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、画角が狭い複数の共軸光学系を、各共軸光学系の光軸が観察者の眼（瞳孔）を通るように単純に並べた画像表示装置が提示されている。
【０００７】
また、複数の光学面を有するプリズム状の光学素子を用いて、光路を光学素子内で折り畳むことにより、光学系の小型化を図った画像表示装置もある。例えば、特許文献４及び特許文献５には、５面又は３面の光学面を有する光学素子を用いた装置が開示されている。特許文献４の装置では、３面を有する２つのプリズムを視軸に関して対称になるように接合したような形状によって５面を形成した光学素子によって、２つの表示素子からの半画角分ずつの画像光を該光学素子の２つのプリズム領域で内部反射しながら眼に導く。また、特許文献５の装置では、２つの表示素子からの半画角分ずつの画像光を、光学素子上の３つの透過／反射兼用面を介して眼に導く。
【特許文献１】特許第３３６３６４７号公報
【特許文献２】特許第３５２４５６９号公報
【特許文献３】特開２００１−０４２２５０号公報
【特許文献４】特開平１１−３２６８２０号公報
【特許文献５】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】
【０００８】
特許文献１〜３にて開示された装置では、拡大光学系の外部で光路を折り畳んだり、複数の同じような光学系を並べて配置したりするので、光学系全体のサイズが大きくなる傾向がある。
【０００９】
また、特許文献４及び５にて開示された装置では、スペース効率が高く、光学系の小型化が図られているようにも考えられる。しかし、特許文献４にて開示された装置では、視軸方向において光学素子の厚みが薄くされている反面、視軸方向に直交する幅方向についての小型化が難しい。さらに、特許文献４及び５にて開示された装置では、表示素子から本来の画角方向に沿って射出瞳に向かう方向とは異なる方向に射出した光が、内部反射面で全反射条件を満たさずにここを透過し、そのまま眼に到達してしまう可能性がある。このような光は不要光として視認され、提示される画像の品位を低下させる。
【００１０】
本発明は、複数の表示素子を用いて、広画角、高解像度及び高品位の画像を提示できる小型の画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての画像表示装置は、単一画像のうち互いに異なる画角領域に対応する部分画像を表示する第１の表示素子及び第２の表示素子と、それぞれ第１面、第２面及び第３面を有し、第１及び第２の表示素子からの光をそれぞれ第１面から入射させた後、第２面及び第３面で反射し、第２面から射出瞳に向けて射出させる第１の光学素子及び第２の光学素子とを有する。第２の光学素子の第２面は、第１の光学素子の第３面に対向又は密着したオーバーラップ領域を有する。そして、第２の光学素子において、第２の表示素子からの光は、第２面のうちオーバーラップ領域以外の領域から射出瞳に向けて射出されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の表示素子とこれに対応する複数の光学素子を用い、該複数の光学素子の一部をオーバーラップさせることで、広画角、高解像度及び高品位の画像を提示できる小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】
【００１３】
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】
【００１４】
図１には、本発明の実施例１であるＨＭＤ（画像表示装置）の基本構成を示す。図１は、該ＨＭＤを頭部に装着した観察者（使用者）の眼と耳を結ぶ方向を含む第１の断面を示している。
【００１５】
このＨＭＤは、図２に示す、表示素子１と該表示素子１に対応する光学素子３とにより構成される表示ユニットを複数（本実施例では２つ）用いて構成される。
【００１６】
まず、図２を用いて、個々の表示ユニットの構成について説明する。表示素子１は、ＬＣＤや、有機ＥＬ等の自発光素子により構成される。表示素子１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（図示せず）からの画像情報（入力画像）を受けた駆動回路（図示せず）によって駆動される。
【００１７】
ここで、複数の表示ユニットに含まれる複数の表示素子はそれぞれ、入力画像に応じた原画（単一画像）のうち互いに異なる画角領域に対応する部分画像を表示する。図１に示すように、２つの表示ユニットに含まれる２つの表示素子１Ａ，１Ｂは、互いに異なる半画角領域に対応する１／２画像を表示する。
【００１８】
光学素子３は、第１面３ａ、第２面３ｂ及び第３面３ｃを有し、これら３つの面で囲まれた領域が屈折率１以上の媒質で満たされたプリズム素子である。光学素子３は、表示素子１上に表示された部分画像を拡大して観察者の眼（図示せず）に提示する。具体的には、光学素子３は、表示素子１からの光（以下、画像光ともいう）を第１面３ａから入射させた後、第２面３ｂ及び第３面３ｃで反射し、第２面３ｂから射出瞳５に向けて射出させる。射出瞳５の位置には、観察者の眼球が配置される。
【００１９】
より詳しく説明すると、表示素子１からの画像光は、第１面３ａを透過して光学素子３内に入射し、射出瞳５（眼球）に対向した位置にある第２面３ｂに到達してここで全反射する。第２面３ｂで全反射した画像光は、第２面３ｂに関して射出瞳側とは反対側に設けられた第３面３ｃでさらに反射される。この第３面３ｃの外面には反射膜（金属蒸着膜）が形成されており、画像光は該反射膜で反射される（言い換えれば、第３面３ｃで裏面反射される）。
【００２０】
第３面３ｃで反射された画像光は、第２面３ｂに向かい、ここを透過して射出瞳５（眼球）に向けて射出される。
【００２１】
図１に示すＨＭＤは、このような表示ユニットが２つ用いられている。第１の表示ユニットの光学素子（第１の光学素子）３Ａでは、表示素子（第１の表示素子）１Ａから第１面３ａ及び第２面３ｂを介して第３面３ｃで反射された画像光は、第２面３ｂの一部を透過して射出瞳５に向けて射出される。
【００２２】
一方、第２の表示ユニットの光学素子（第２の光学素子）３Ｂの第２面３ｂは、第１の表示ユニットにおける光学素子３Ａの第３面３ｃの一部に近接して対向したオーバーラップ領域３ｂ１と、オーバーラップ領域以外の領域３ｂ２とを有する。「対向する」とは、間に隙間が設けられることを意味する。領域３ｂ２は、言い換えれば、第３面３ｃに近接対向しない非オーバーラップ領域である。オーバーラップ領域３ｂ１と非オーバーラップ領域３ｂ２は、第１面３ａから入射した画像光を全反射して第３面３ｃに向かわせる。
【００２３】
そして、表示素子（第２の表示素子）１Ｂから第１面３ａ及び第２面３ｂを介して第３面３ｃで反射された画像光は、第２面３ｂのうち非オーバーラップ領域３ｂ２を透過して、光学素子３Ａと共通の射出瞳５に向けて射出される。
【００２４】
なお、本実施例では、２つの表示素子と２つの光学素子を用いたＨＭＤについて説明するが、表示素子及び光学素子の数は、後述する実施例のように３つ以上であってもよい。
【００２５】
本実施例のＨＭＤの構成は、以下のように表現することもできる。すなわち、ＨＭＤは、Ｎ個（Ｎ≧２）の表示素子と、該Ｎ個の表示素子に対応するＮ個の光学素子とを有する。Ｎ個の表示素子は、単一画像のうち互いに異なる画角領域に対応するＮ個の部分画像を表示する。Ｎ個の光学素子は、Ｎ個の表示素子からの画像光をそれぞれ射出瞳（眼球）に導く。
【００２６】
Ｎ個の光学素子はそれぞれ、表示素子側から順に、透過面（入射面）としての第１面と、全反射／透過兼用面である第２面と、反射面としての第３面とを有する。（Ｎ−１）個の光学素子の第２面の一部領域（オーバーラップ領域）が、この光学素子に対応する画角領域に隣接する画角領域に対応する光学素子（以下、隣接画角用光学素子という）の第３面に対向する。そして、該（Ｎ−１）個の光学素子は、その第２面のうち隣接画角用光学素子の第３面に対向していない領域（非オーバーラップ領域）から画像光を射出する。
【００２７】
このように、本実施例では、複数の表示素子とこれに対応する複数の光学素子を用い、各画角領域の画像光を遮らないように該複数の光学素子の一部をオーバーラップさせている。そして、これら複数の光学素子から射出した画像光によって形成される部分画像（拡大画像）を互いに繋ぎ合わせた単一画像として観察者に観察させることができる。これにより、広画角かつ高解像度で画像を提示できる小型のＨＭＤを実現することができる。
【００２８】
ここで、複数の表示ユニット（つまりは表示素子と光学素子）が並べられている第１の断面において、光学系全体の画角をΘとする。各表示ユニットに対応する画角領域の大きさθ（ｋ）は、図３Ａに示すように、互いに均等に分割されたθ（ｋ）＝Θ/Ｎとしてもよいし、図３Ｂに示すように、各表示ユニットの位置に依存するよう、θ（ｋ）＝α（ｋ）・Θ/Ｎとしてもよい。α（ｋ）はｋに依存する係数であり、Σθ（ｋ）＝Θである。
【００２９】
図４Ａでは、全体の画角Θを１つの表示素子１′と１つの光学素子３′とで表示する従来の場合（点線）と、本実施例のように全体の画角Θを２つの表示ユニット（Ｎ＝２）によってΘ/２ずつ表示する場合（実線）でのＨＭＤの大きさを示している。厳密には表示素子の大きさにも依存するが、本実施例における２つの表示ユニット（１Ａ，１Ｂ，３Ａ，３Ｂ）の全体の厚み（図中の左右方向の寸法）や幅（図中の上下方向の寸法）は、従来の場合に比べてかなり小さくなる。
【００３０】
また、図４Ｂには、特許文献４にて開示された構成を示している。この構成に比べて、図４Ａに示した本実施例の構成では、２つの表示ユニットにオーバーラップ領域を設けたことで、幅方向の大きさを抑えることができる。特許文献４の構成では、光学素子３″の幅方向両側に表示素子１″が突き出しているため、この構成を両眼用に２つ幅方向に並べると両眼の間にスペースが取れない可能性が高い。これに対し、本実施例の構成では、表示素子が幅方向片側（耳側）にまとまって配置されているため、両眼の間のスペースを有効利用して画角を広げることが可能となる。
【００３１】
また、本実施例で用いる各光学素子は３面を有し、その断面は楔形状を有する。このため、隣接する光学素子同士を一部オーバーラップさせたとしても、視軸方向の厚みの増加が少なく、広画角でありながら全体としてコンパクトな構成を実現できる。
【００３２】
さらに、図５には、特許文献５にて開示された構成のうち１つの表示素子２１からの画像光の光路を示している。表示素子２１からの画像光は、光学素子２３の第１面２３ａから入射し、光学素子２３の内部で該第１面２３ａと射出面を兼ねる第２面２３ｂとでの反射を繰り返す。そして、最終的に第２面２３ｂから射出瞳２５に向かって射出する。しかし、特許文献５にて開示された構成では、図５に示すように、表示素子２１から光学素子２３内の所定の光路（実線で示す）を介さずに射出瞳（眼球）２５に到達してしまう不要光２７の発生が懸念される。
【００３３】
具体的には、表示素子２１から所定の光路を辿る方向以外の方向に射出された光線が第２面２３ｂに入射する入射角が、全反射を満たす臨界角よりも大幅に小さくなるので、第２面２３ｂを透過して射出瞳２５に到達する。このことは、特許文献４にて開示された構成でも同様である。このため、表示素子２１からの画像光の射出角度を制限するフィルタ等の余計な部品が必要となる。
【００３４】
これに対し、本実施例の構成では、図６に示すように、光学素子３Ｂ内で所定の光路を辿って射出瞳５に到達する画像光以外の不要光（図に点線で示す）は、隣接する光学素子３Ａの第３面３ｃでの反射によって射出瞳５への到達が遮られる。すなわち、光学素子３Ａの第３面３ｃは、光学素子３Ｂを通る画像光に対して絞りの役割を有する。さらに、光学素子３Ａの第３面３ｃで反射した不要光は、光学素子３Ｂの第３面３ｃで反射されて射出瞳５とは異なる方向に第２面３ｂから射出する。このため、表示素子１Ｂからの画像光の射出角度を制限するフィルタ等の余分な部品を設けなくても不要光が視認されることはない。
【００３５】
なお、本実施例において、各表示ユニットに対応する画角領域を、θ（ｋ）＝Θ/Ｎ（等分）としたときは、各表示ユニットの光学素子として同じ形状のものを用いることが可能である。特に、光学素子が型を用いて成形される場合には、型が１種類で済むことになり、コストダウンに大きく寄与できる。
【００３６】
前述した（Ｎ−１）個の光学素子の第２面のオーバーラップ領域に、隣接画角用光学素子の第３面を密着させて接合してもよい。この場合も、該（Ｎ−１）個の光学素子は、その第２面のうち隣接画角用光学素子の第３面に対向していない非オーバーラップ領域から画像光を射出する。これにより、ＨＭＤのさらなる小型化が可能になる。
【００３７】
図７には、上記「密着」タイプの構成例を示す。光学素子３Ａでは、第３面３ｃで反射された画像光は、第２面３ｂの一部を透過して射出瞳５に向けて射出される。
【００３８】
一方、光学素子３Ｂの第２面３ｂは、光学素子３Ａの第３面３ｃの一部に、反射膜（金属蒸着膜）３ｄを介して密着したオーバーラップ領域３ｂ１と、オーバーラップ領域３ｂ１以外の領域である非オーバーラップ領域３ｂ２とを有する。非オーバーラップ領域３ｂ２は、光学素子３Ａの第３面３ｃに密着していない領域である。
【００３９】
本実施例では、反射膜３ｄは、光学素子３Ａの第３面３ｃと同様に、光学素子３Ａの第３面３ｃの外面に形成されている。非オーバーラップ領域３ｂ２では、光学素子３Ｂの第１面３ａから入射した画像光を内部全反射して第３面３ｃに向かわせる。また、オーバーラップ領域３ｂ１では、第１面３ａから入射した画像光を反射膜３ｄで反射させて第３面３ｃに向かわせる。反射膜３ｄでの反射は、実際には光学素子３Ａの第３面３ｃでの反射であるが、オーバーラップ領域３ｂ１での裏面反射とも言えるので、本実施例では、光学素子３Ｂの第２面３ｂでの反射とみなす。そして、第３面３ｃで反射された画像光は、第２面３ｂのうち非オーバーラップ領域３ｂ２を透過して射出瞳５に向けて射出される。
【００４０】
なお、この「密着」タイプにおいても、表示素子及び光学素子の数は、後述する実施例のように３つ以上であってもよい。
【００４１】
このような「密着」タイプでも、複数の表示素子とこれに対応する複数の光学素子を用い、各画角領域の画像光を遮らないように該複数の光学素子の一部をオーバーラップさせている。そして、これら複数の光学素子から射出した画像光によって形成される部分画像（拡大画像）を互いに繋ぎ合わせた単一画像として観察者に観察させることができる。これにより、広画角かつ高解像度で画像を提示できる小型のＨＭＤを実現することができる。
【００４２】
しかも、各表示ユニット間の隙間がなくなるため、図１に示した「対向」タイプに比べてさらに全体の厚みを薄くすることができる。また、「対向」タイプのように、光学素子間の間隔、つまりは相対位置関係を高い精度で設定したり、経時変化や衝撃に抗して相対位置関係を維持したりするための構成が不要となる。このため、各光学素子を保持する筐体を含めたＨＭＤの構成をシンプルにすることができる。
【００４３】
さらに、オーバーラップ領域としての密着接合領域を含む各面（光学素子３Ａの第３面３ｃと光学素子３Ｂの第２面３ｂ）を連続性を持った曲面として形成できる。したがって、各画角領域の境界部の光学特性に連続性を持たせることが可能となり、画質のさらなる向上が期待できる。
【００４４】
前述したように、本実施例のＨＭＤでは、複数の光学素子が、観察者の頭部に装着された場合に眼と耳を結ぶ方向（水平方向）に並んでいる。そして、第２面３ｂに隣接する光学素子がない光学素子（図１及び図７における光学素子３Ａ）が、他の光学素子よりも耳側に配置されている。
【００４５】
ＨＭＤでは、垂直方向に比べて水平方向においてより広画角が求められる。このため、頭部に装着された状態で複数の光学素子が水平方向に複数並ぶ構成とすることで、水平方向の広画角化に対応することができる。
【００４６】
また、図８には、３つの表示素子１Ａ〜１Ｃと、３つの光学素子３Ａ〜３Ｃを用いたＨＭＤの構成（平面図：第１断面の図）を示している。なお、この場合、互いに隣り合う光学素子３Ａと光学素子３Ｂとが第１の光学素子と第２の光学素子の関係を有するとともに、互いに隣り合う光学素子３Ｂと光学素子３Ｃとが第１の光学素子と第２の光学素子の関係を有する。このような関係は、４つ以上の光学素子を用いた場合でも同様である。
【００４７】
図８からも分かるように、光学素子３Ａ〜３Ｃが３面を有する楔形状の素子である場合、第２面３ｂに隣接する光学素子がない光学素子３Ａから離れた光学素子ほど、その光学素子（例えば、光学素子３Ｃ）の第２面３ｂが顔面に近づくに構成になりやすい。したがって、本実施例では、第２面３ｂに隣接する光学素子がない光学素子３Ａから最も離れた光学素子３Ｃを顔面の中心側（鼻側）に配置し、光学素子３Ａを耳側に配置することで、光学素子３Ａ〜３Ｃの全体を顔面に沿った形状とすることができる。また、このような配置は、表示素子１Ａ〜１Ｃや該表示素子１Ａ〜１Ｃを照明するための光源に接続されるハーネスを外側に向けられる点でも適している。
【００４８】
ここで、図１に示した「対向」タイプ及び図７に示した「密着」タイプにおいて、光学素子３Ｂの第２面３ｂが第１面３ａから入射する画像光に対して満たすべき全反射条件について説明する。
【００４９】
まず「対向」タイプについて説明する。光学素子３Ａの第３面３ｃに対向配置された光学素子３Ｂの第２面３ｂにおいて、反射膜を設けずに高い反射率を得るためには、図９Ａに示すように、第１面３ａから第２面３ｂに向かう全画角の光線が第２面３ｂの全体に対して全反射条件を満たす必要がある。全反射条件は、
ｓｉｎθｋ＞ｎ０／ｎ１    …（１）
で表される。ただし、θｋ（ｋ＝１，２，３）は全画角光線の第２面３ｂに対する入射角であり、ｎ０は空気の屈折率、ｎ１は光学素子３Ｂの材料の屈折率である。この全反射条件を満たしていない光線は第２面３ｂを透過して光学素子３Ｂ外に射出する。
【００５０】
次に「密着」タイプについて説明する。光学素子３Ｂの第２面３ｂのうちオーバーラップ領域（密着接合領域）３ｂ１での反射を反射膜３ｄによる反射とすることで、第１面３ａからの全画角の光線のうち該領域３ｂ１に入射する光線は第２面３ｂに対して全反射条件を満たす必要はない。したがって、第２面３ｂのうち非オーパラップ領域３ｂ２に入射する光線が第２面３ｂに対する全反射条件を満たしていればよい。図９Ｂにおいて、３つの画角光線を例とすると、入射角θ２，θ３の画角光線は、式（１）を満たす必要があるが、入射角θ１の画角光線は、
ｓｉｎθ１＜ｎ０／ｎ１
を満たしてもよい。
【００５１】
このように反射膜３ｄを利用することで、オーバーラップ領域（密着接合領域）３ｂ１における第１面３ａから第２面３ｂへの光線入射角の制約が緩和される。これにより、第２面３ｂの曲面形状を含めて、設計上の自由度が向上する。具体的には、光学素子３Ｂにおける第２面３ｂと第３面３ｃとがなす角度を小さくすることができ、光学素子３ＢひいてはＨＭＤのより薄型化を図ることができる。
【００５２】
ただし、前述したように、「密着」タイプにおいても、非オーバーラップ領域３ｂ２に入射する光線は全反射条件を満たさなければならない。したがって、入射角が臨界角θＣ＝ｎ０／ｎ１より大きくなる光線のヒットポイントは全て非オーバーラップ領域３ｂ２になければならない。
【００５３】
なお、「密着」タイプにおいて、第１面３ａからの全画角光線が、第２面３ｂに対して全反射条件を満たすような（仮に「対向」タイプのように第２面３ｂが空気に面していたとして全反射条件を満たす）入射角で入射してもよい。
【００５４】
また、第２面３ｂが他の光学素子とオーバーラップしていない光学素子３Ａの該第２面３ｂに対しては、その全域に入射する全画角光線が全反射条件を満たす必要がある。
【００５５】
但し、光学素子３Aの該第２面３ｂの一部に反射膜３ｄを形成すれば、光学素子３Aについても、第１面３ａからの全画角の光線のうち該反射膜３ｄに入射する光線は第２面３ｂに対して全反射条件を満たす必要はなく、設計上の自由度を向上させることができる。
【００５６】
さらに、本実施例では、光学素子３Ａのうち光学素子３Ｂに対してオーバーラップする部分の先端を以下のように形成している。
【００５７】
通常のプリズムでは、第２面と第３面とが交差する先端部分は鋭角的な尖った形状となるが、このような先端部分までを光学的に有効な領域として用いることはあまり好ましくない。先端部分では屈折率の分布が一様でない場合が多く、形状的な精度を確保することも困難だからである。また、光学素子３Ａの第２面３ｂと、光学素子３Ｂの第２面３ｂとが滑らかな連続関数曲面にならないため、部分画像の境界を形成する光線が乱れ、画質が劣化する可能性もある。
【００５８】
本実施例では、図１０に点線で囲んだ部分に示すように、光学素子３Ａのうち光学素子３Ｂに対してオーバーラップする部分の先端３ｅを、光学素子３Ａ，３Ｂに対応する、互いに隣接する部分画像の境界を形成する主光線面に沿った形状としている。ここで主光線面とは、観察者の眼球の瞳（射出瞳５）の中心もしくは眼球の回転中心を通り、互いに隣接する部分画像の境界を形成する光線群が通る面である。これにより、光学素子３Ａの先端が、光学素子３Ｂから射出する光線に影響を与えることがなくなり、互いに隣接する部分画像が円滑に繋がった画像を表示することができる。
【００５９】
また、本実施例では、表示素子１Ａ，１Ｂが並ぶ方向を含む断面（図１及び図７に示す断面）を第１の断面とするとき、光学素子３Ａ，３Ｂはそれぞれ、第１の断面での拡大倍率と該第１の断面に直交する第２の断面での拡大倍率とが以下の関係を有する。光学素子３Ａ，３Ｂにおいて、第１の断面は、母線断面（表示素子の中心と光学素子の射出瞳の中心を通る基準光線を含む平面に平行な断面）ともいう。また、第２の断面は、子線断面ともいう。
【００６０】
ある１つの特定方向にのみ複数の表示素子及び複数の光学素子を並べてその特定方向において部分画像を繋ぐ方式では、該特定方向でのみ画角が広くなり、特定方向に直交する方向では画角が広がらない。このため、縦横のバランスが好ましくないアスペクト比で画像が表示される結果となる。例えば、４：３（１．３３：１）のアスペクト比を有する表示素子を特定方向に２つ並べた場合には、表示画像のアスペクト比は１．５：１となり、３つ並べた場合には２．２５：１となる。また、表示素子を４つ並べた場合には、表示画像（観察画像）のアスペクト比は３：１となる。
【００６１】
このため、本実施例では、個々の光学素子３Ａ，３Ｂにおいて、表示素子１Ａ，１Ｂを複数並べる方向に平行な第１の断面での拡大倍率を、該第１の断面に直交する第２の断面での拡大倍率よりも小さくしている。これにより、母線断面方向の画角を小さくし、同方向における光学素子の寸法を小さくすることができる。また、画角全体での像性能を確保するために、子線断面方向の画角を広げることもできる。このような拡大倍率設定により、母線断面と子線断面とで同じ拡大倍率が設定される場合に比べて母線断面方向での画角は小さくなるが、子線断面方向での画角を広くすることができる。このため、複数の部分画像が繋げられた表示画像（観察画像）に良好なアスペクト比を与えることができる。
【００６２】
このとき、両断面で拡大倍率が異なるため、表示素子上に表示させる部分画像は、図１１に示すように、母線断面方向（図の水平方向）において、元の画像（幅Ｐ）に、
βＨ／βＶ  …（２）
の値を乗じて引き伸ばした画像（幅Ｑ）とすることが求められる。ここで、βＶは母線断面での拡大倍率であり、βＨは子線断面での拡大倍率である。
【００６３】
例えば、４：３のアスペクト比を有する対角１インチの表示素子を用いる場合に、４：３のアスペクト比を保つように光学素子を設計した場合、適切な像性能を画角全域で得られる拡大倍率が最大で１０倍であるとする。これに対し、表示素子の短辺方向（母線断面方向）の拡大倍率を８倍とし、長辺方向（子線断面方向）の拡大倍率を１２倍とすると、１つの部分画像に対応する観察画像のアスペクト比は２：１となる。そして、部分画像が２つ母線断面方向に並べられた場合の最終的な観察画像全体のアスペクト比は１：１となり、また３つ並べられた場合には１．５：１となる。さらに、４つ並べられた場合には、２：１となる。このように、良好なアスペクト比の観察画像を得ることができる。
【００６４】
また、上記のような拡大倍率の設定に代えて、図１２に示すように、各表示素子の母線断面方向における少なくとも一端（一端又は両端）に、部分画像１１を表示しない非表示領域１０を設けてもよい。これによれば、母線断面方向と子線断面方向とで光学素子の拡大倍率を同じとしつつ、良好なアスペクト比の観察画像を得ることができる。
【００６５】
例えば、４：３のアスペクト比を有する対角１インチの表示素子を用いる場合に、４：３のアスペクト比を保つように光学素子を設計した場合、適切な像性能を画角全域で得られる最大の画角が子線断面方向にて５２度、母線断面方向にて３９度であるとする。これに対し、表示素子における母線断面方向での実際の部分画像１１の表示領域を、該表示素子の有効表示領域の９０％までとすると、母線断面方向での画角は３５度で十分となり、この結果、子線断面方向での画角を５７度まで確保できる。
【００６６】
この場合、１つの部分画像（及びこれに対応する観察画像）のアスペクト比は１．６３：１となる。そして、これが母線断面方向に２つ並べられた場合の最終的な観察画像全体のアスペクト比は１．２３：１となり、３つ並べられた場合には１．８４：１となる。また、４つ並べられた場合には、２．４６：１となる。このように、良好なアスペクト比の観察画像を得ることができる。
【００６７】
ただし、この方式を採用する場合には、複数の表示ユニットを、各表示素子上で実際に表示された部分画像が互いに隣接して観察できるように配置する必要がある。
上記説明では、複数の表示素子及び光学素子が第１の断面の方向に配列された場合について説明したが、さらに第２の断面の方向にも複数配列してもよい。
【００６８】
具体的には、図１３の左側の図に示すように、第１の断面方向に配列された３つの表示素子１Ａ〜１Ｃ（ただし、表示素子１Ｂ，１Ｃは図示せず）と３つの光学素子３Ａ〜３Ｃからなるアセンブリを製作する。また、同じく第１の断面方向に配列された３つの表示素子１Ｄ〜１Ｆと３つの光学素子３Ｄ〜３Ｆからなるアセンブリを製作する。そして、これら２つのアセンブリを第２の断面方向にて接合する。これにより、第１及び第２の方向に二次元的に組み合わされた６つの部分画像を用いて両方向に画角を広げることができる。
【００６９】
なお、両アセンブリの接合面１２は、図１３の右側の図に示すように平面とするとよい。そして、接合面１２の延長線が射出瞳５の中心又は観察者の眼球の回転中心を通るように設定するとよい。これにより、上記６つの部分画像を、それらの境界が目立たないように滑らかに繋げて表示することができる。
【００７０】
また、各光学素子に歪曲収差が存在する場合には、各表示素子に表示される部分画像に対して該歪曲収差をキャンセルするような電気的補正を行うとよい。この結果、各表示素子には歪んだ部分画像が表示されるが、光学素子を通して観察したときには歪みの少ない良好な画像を観察することができる。また、このような補正により、隣接する部分画像間の境界をより円滑に繋げることができる。
【００７１】
この場合において、各光学素子が同形状を有する場合には、いずれの表示素子にも同じ特性で歪ませた部分画像を表示させればよい。また、各光学素子が互いに異なる形状を有する場合には、各表示素子には、それに対応する光学素子の歪曲特性に対応するよう歪ませた部分画像を表示させればよい。
【００７２】
また、各光学素子に画角に応じた光利用効率分布が存在する場合には、各表示素子に表示される部分画像に対して、隣接する部分画像間の境界の明るさや色の変化が少なくなるように電気的補正を施すとよい。
【００７３】
以下、より具体的な実施例（数値例）について説明する。
【００７４】
図１４には、第１の数値例を示す。この例では、図の紙面方向（第１の断面方向：母線断面方向）の画角３０度を２つの光学素子３Ａ，３Ｂに１５度ずつ割り当てている。表示素子１Ａ，１Ｂのサイズは、対角１／２インチである。各表示素子は、図の紙面に垂直な方向（第２の断面方向：子線断面方向）に長辺（６．４ｍｍ）が延び、図の紙面と平行な方向に短辺（４．８ｍｍ）が延びるように配置されている。光学素子３Ａ，３Ｂは、表示素子１Ａ，１Ｂが表示する部分画像がそれらの短辺方向において隣接するように配置されている。
【００７５】
射出瞳５はφ４ｍｍ、射出瞳５から光学素子３Ａの第２面３ｂまでの距離は２７．５ｍｍである。この例では、射出瞳５から１．４ｍ先にて、表示素子１Ａ，１Ｂに表示された部分画像の拡大虚像を観察することができる。
【００７６】
光学素子３Ａの第３面３ｃの一部は、光学素子３Ｂの第２面３ｂの一部に近接して対向している。各光学素子の第３面３ｃのうち光学有効領域には、反射膜としての金属蒸着膜が形成されている。
【００７７】
光学素子３Ａにおいて、表示素子１Ａから第１面３ａを透過して該光学素子３Ａ内に入射した画像光は、第２面３ｂで全反射されて第３面３ｃに向かい、第３面３ｃ（反射膜）で裏面反射され、第２面３ｂの一部を透過して射出瞳５に向かって射出する。
【００７８】
また、光学素子３Ｂにおいて、表示素子１Ｂから第１面３ａを透過して該光学素子３Ｂ内に入射した画像光は、第２面３ｂで全反射されて第３面３ｃに向かう。そして、第３面３ｃ（反射膜）で裏面反射され、第２面３ｂのうちオーバーラップ領域３ｂ１以外の非オーバーラップ領域３ｂ２を透過して射出瞳５に向かって射出する。
【００７９】
図１５には、第２の数値例を示す。この例でも、図の紙面方向の画角３０度を２つの光学素子３Ａ，３Ｂに１５度ずつ割り当てている。表示素子１Ａ，１Ｂのサイズは、対角１／２インチである。各表示素子は、図の紙面に垂直な方向に長辺（６．４ｍｍ）が延び、図の紙面と平行な方向に短辺（４．８mm）が延びるように配置されている。光学素子３Ａ，３Ｂは、表示素子１Ａ，１Ｂが表示する部分画像がそれらの短辺方向において隣接するように配置されている。
【００８０】
射出瞳５はφ４ｍｍ、射出瞳５から光学素子３Ａの第２面３ｂまでの距離は２７．５ｍｍである。この例でも、射出瞳５から１．４ｍ先にて、表示素子１Ａ，１Ｂに表示された部分画像の拡大虚像を観察することができる。
【００８１】
各光学素子の第３面３ｃのうち光学有効領域には、反射膜としての金属蒸着膜が形成されており、光学素子３Ａの第３面３ｃの一部と光学素子３Ｂの第２面３ｂの一部とは、光学素子３Ａの第３面３ｃに形成された反射膜を介して密着接合されている。密着接合された光学素子３Ａの第３面３ｃと光学素子３Ｂの第２面３ｂとは連続した曲面形状を有する。
【００８２】
光学素子３Ａにおいて、表示素子１Ａから第１面３ａを透過して該光学素子３Ａ内に入射した画像光は、第２面３ｂで全反射されて第３面３ｃに向かい、第３面３ｃ（反射膜）で裏面反射され、第２面３ｂの一部を透過して射出瞳５に向かって射出する。
【００８３】
また、光学素子３Ｂにおいて、表示素子１Ｂから第１面３ａを透過して該光学素子３Ｂ内に入射した画像光のうち、第２面３ｂにおけるオーバーラップ領域３ｂ１に入射した光はここで（反射膜で）裏面反射されて第３面３ｃに向かう。また、第２面３ｂにおける非オーバーラップ領域３ｂ２に入射した光はここで全反射されて第３面３ｃに向かう。第３面３ｃ（反射膜）で裏面反射された画像光は、第２面３ｂのうち非オーバーラップ領域３ｂ２を透過して射出瞳５に向かって射出する。
【００８４】
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】
【００８５】
【図１】本発明の実施例であるＨＭＤ（対向タイプ）の基本構成を示す断面図。
【図２】実施例のＨＭＤの一部を構成する表示ユニットの断面図。
【図３Ａ】実施例のＨＭＤにおける画角分割の例を示す図。
【図３Ｂ】実施例のＨＭＤにおける画角分割の他の例を示す図。
【図４Ａ】実施例のＨＭＤと従来のＨＭＤとの比較を示す図。
【図４Ｂ】従来のＨＭＤの構成を示す断面図。
【図５】従来のＨＭＤにおける不要光の例を示す断面図。
【図６】実施例のＨＭＤにおける不要光の例を示す断面図。
【図７】本発明の他の実施例であるＨＭＤ（密着タイプ）の基本構成を示す断面図。
【図８】本発明のさらに別の実施例であるＨＭＤ（密着タイプ）の基本構成を示す断面図。
【図９Ａ】実施例のＨＭＤ（対向タイプ）における全反射の説明図。
【図９Ｂ】実施例のＨＭＤ（密着タイプ）における裏面反射と全反射の説明図。
【図１０】実施例のＨＭＤにおける光学素子の部分拡大図。
【図１１】実施例のＨＭＤにおける部分画像と表示画像（観察画像）との関係を示す図。
【図１２】実施例のＨＭＤにおける部分画像と表示画像（観察画像）との別の関係を示す図。
【図１３】本発明のさらに別の実施例であるＨＭＤの構成を示す斜視図。
【図１４】本発明の第１の数値例を示す断面図。
【図１５】本発明の第２の数値例を示す断面図。
【符号の説明】
【００８６】
１，１Ａ，１Ｂ  表示素子
３，３Ａ，３Ｂ  光学素子
３ａ  第１面
３ｂ  第２面
３ｂ１  オーバーラップ領域
３ｂ２  非オーバーラップ領域
５  射出瞳
【図２】
0004906680.tif 000002
【図５】
0004906680.tif 000003
【図７】
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【図９Ａ】
0004906680.tif 000005
【図９Ｂ】
0004906680.tif 000006
【図１０】
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【図１】
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【図３Ａ】
0004906680.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６】
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【図８】
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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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