JP4095422B2 - 画像表示装置および画像表示システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一の画像表示素子に表示された原画像を観察者の眼に拡大して観察させるヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の画像表示素子を用い、この画像表示素子に表示された原画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（いわゆるヘッドマウントディスプレイ）がよく知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイは観察者の頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
例えば、下記の特許文献１〜４には、画像表示素子としてのＬＣＤと、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図ったヘッドマウントディスプレイが提案されている。
【０００５】
図１６には、特許文献１にて提案されているヘッドマウントディスプレイを示している。このヘッドマウントディスプレイにおいて、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、プリズム１１２に形成した曲率を有した反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これによってＬＣＤ１１１に表示された原画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００６】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心回転非対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００７】
図１６に示す光学系のタイプは、従来の共軸凹面鏡と眼球光軸に対して４５°傾いたハーフミラーとを用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有する。
【０００８】
一方、ヘッドマウントディスプレイにおいても、他の画像表示装置と同様に安価で提供されることが望まれている。これに対する解答の１つとして、単一の画像表示素子を用い、この画像表示素子に表示された単一の原画像を左右それぞれの眼に導く光学系とを組み合わせた単一原画双眼観察型のヘッドマウントディスプレイが、特許文献５等に開示されている。
【０００９】
図１７には、特許文献５にて開示されているヘッドマウントディスプレイの構成を示している。イメージインテンシファイア等の原画像を表示する物体源２０１の凸面状表示面２０２から射出された画像光は、光学素子２０４にその透過領域２０５から入射し、同光学素子２０４の反射膜形成部２０８で反射又は透過部２０７で内部反射して、反射膜が形成された凹面鏡部２０３で反射し、透過部２０７より射出する。光学素子２０４を射出した光はメニスカスレンズ１０を通って観察者の両眼Ｅ１，Ｅ２に導かれる。
【００１０】
さらに、この単一原画双眼観察型のヘッドマウントディスプレイに、上述した偏心自由曲面を持つプリズムを組み合わせたタイプのヘッドマウントディスプレイが近年、様々提案されている。例えば、下記特許文献６〜１０にその構成が提案されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−３３３５５１号公報
【特許文献２】
特開平８−５０２５６号公報
【特許文献３】
特開平８−１６０３４０号公報
【特許文献４】
特開平８−１７９２３８号公報
【特許文献５】
米国特許第４，３２２，１３５号
【特許文献６】
特開平９−６１７４８号公報
【特許文献７】
特開平９−２４７５７９号公報
【特許文献８】
特開２００１−１７７７８５号公報
【特許文献９】
特開２００１−１９４６１８号公報
【特許文献１０】
特開２００１−１９４６１９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、前述の従来のヘッドマウントディスプレイにおいて、例えば特許文献６や特許文献７にて提案のものでは、左右眼用の光学系がそれぞれ異なるため、コストがかかってしまう。
【００１３】
また、その他の例においては、左右眼用の光学系は共用できる構成であるものの、いずれも画像表示素子から画像光の瞳に至る光を瞳側から逆トレースした場合の光が、最初の反射面で左右方向内側に反射される構成であるため、広画角化が難しかった。
【００１４】
これを図１８を用いて説明する。画像表示素子３１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム３１２Ｌの入射面３１３Ｌに入射する。そして、プリズム３１２Ｌに形成された曲率を有した反射面３１４Ｌと反射面３１５Ｌとの間で光束が折り畳まれ、その後、面３１４Ｌより偏心プリズム３１２Ｌから射出して観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００１５】
同様に、画像表示素子３１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム３１２Ｒの入射面３１３Ｒに入射する。そして、プリズム３１１２Ｒに形成された曲率を有した反射面３１４Ｒと反射面３１５Ｒとの間で光束が折り畳まれ、その後、面３１４Ｒより偏心プリズム３１２Ｒから射出して観察者の左眼ＥＲに導かれる。
【００１６】
これにより、画像表示素子（ＬＣＤ）３１１に表示された単一の原画像の虚像が観察者の左右の眼で観察される。
【００１７】
このような虚像観察系において、光学設計時によく用いられる逆トレース光で以下の話を進める。観察者の眼側からの光線（瞳からの光線）は、面３１４Ｌ，３１４Ｒからプリズム３１２Ｌ，３１２Ｒに入射するが、この場合の最初の偏心反射面である反射面３１５Ｌ，３１５Ｒによりそれぞれ、両眼のほぼ中央に配置された画像表示素子３１１の法線方向に近づく方向に折り曲げられる。したがって、このような光学系においては、ＥＡ１Ｌ，ＥＡ１Ｒで示す反射領域がプリズム３１２Ｌ，３１２Ｒの面３１４Ｌ，３１４Ｒに必要である。これらの反射領域ＥＡ１Ｌ，ＥＡ１Ｒは、画角を広げるにしたがって広がっていく。
【００１８】
しかしながら、観察者の左右の眼ＥＬ，ＥＲの間の距離（眼幅）はある程度決まっているので、左右眼用の光学系の瞳間の距離ＩＰＤを極端に広げることは不可能である。したがって、このように、逆トレース光で最初の反射面が光を左右方向内側に曲げる構成になっていると、大幅な広画角化は望めない。
【００１９】
本発明は、単一の画像表示素子に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、原画像を表示する単一の画像表示素子と、画像表示素子からの光を瞳の近傍に配置される観察者の左右の眼に導き、画像表示素子の表示面の中心を通る垂直面に対して左右で対称となるように構成された左眼用光学系および右眼用光学系とを有し、画像表示素子から瞳に進む光を瞳側から逆トレースしたとき、左眼用光学系および右眼用光学系がそれぞれ、瞳からの逆トレース光を、上記垂直面内において画像表示素子の表示面の中心を通り表示面の法線である中心軸から離れる方向に反射する第１の反射面と、第１の反射面で反射した逆トレース光をさらに上記中心軸から離れる方向に反射する第２の反射面とを有している。
【００２１】
これにより、左右眼用光学系の射出瞳間距離を一般的な観察者の眼間距離程度に保持しつつ、広画角化を図ることが可能である。
【００２４】
そして、上記発明において、左眼用光学系および右眼用光学系を、水平面に対して上下で面対称となるように構成することにより、左右の光学系の部品を共通化して低コスト化を図ることが可能となる。
【００２５】
上記発明において、第１および第２の反射面を含む複数の反射面のうち少なくとも１つの反射面を偏心曲面とすることにより、光学要素の総数を削減することが可能であり、また少なくとも１つの反射面を回転非対称面とすることにより、諸収差を良好に補正でき、光学性能の向上を図ることが可能となる。
【００２６】
さらに、左眼用光学系および右眼用光学系内において、原画像の中間実像が形成されるようにすることで、原画像（つまりは画像表示素子）画のサイズが小さくても広画角の画像を表示することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態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の要部構成図である。図中、１は原画像を表示するための単一の画像表示素子であり、ＣＲＴ，ＬＣＤ，エレクトロルミネッセンス素子等によって構成されている。
【００２８】
画像表示素子１には、不図示の駆動回路が接続されており、パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置から画像情報の供給を受けた駆動回路は該画像情報に対応した原画像を表示させるよう画像表示素子１を駆動する。そして、この画像情報供給装置とヘッドマウントディスプレイとにより画像表示システムが構成される。
【００２９】
ＥＬは望ましい位置にある観察者の左眼（瞳孔位置）、ＥＲは望ましい位置にある観察者の右眼（瞳孔位置）である。
【００３０】
２は左眼用光学系である。この左眼用光学系２は、面ＳＬ１から面ＳＬ５までの５つの反射面を有し、画像表示素子１の表示面ＳＩからの光を左眼ＥＬに導くように配置されている。
【００３１】
３は右眼用光学系である。この右眼用光学系３は、面ＳＲ１から面ＳＲ５までの５つの反射面を有し、画像表示素子１の表示面ＳＩからの光を右眼ＥＲに導くように配置されている。
【００３２】
本実施形態の左眼用光学系２と右眼用光学系３とは、画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）を含み図の紙面に垂直な平面（垂直面）に対して左右方向にて鏡面対称となるように配置されている。
【００３３】
図２は、本実施形態における水平面（図の紙面）での最大画角主光線を示した図、図３は本実施形態における中心画角に対する有効瞳径を形成するマージナル光線を示した図である。
【００３４】
図２において、画像表示素子１の表示面ＳＩの有効表示領域の左右両端から射出した光線（図中に点線で示す）は、それぞれ観察者の望ましき瞳孔位置であるＥＬ，ＥＲに集まり、左眼用光学系２および右眼用光学系３の射出瞳を形成する。
【００３５】
また、図３において、画像表示素子１の表示面ＳＩの中心から射出した光線群（図中に実線及び点線で示す）は、左眼用光学系２および右眼用光学系３により略平行光に変換されて、略無限遠もしくは所定の距離にある画素からの光として観察者に認識される。
【００３６】
以下、図１から図３を用いて本実施形態における光学作用について説明する。なお、各図で実線で示した光線は、画像表示素子１の表示面ＳＩ（原画像）の中心から射出し、左眼用および右眼用光学系２，３のそれぞれの瞳の中心に到る中心画角主光線を示している。
【００３７】
画像表示素子１の表示面ＳＩの中心から射出して左眼用光学系２に向かった光は、面ＳＬ５で反射され、面ＳＬ４で反射され、面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２で反射された光は面ＳＬ３で面ＳＬ２に戻るように反射される。面ＳＬ２で再度反射された光は、面ＳＬ１で反射されて観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００３８】
同様に、画像表示素子１の表示面ＳＩ中心から射出して右眼用光学系３に向かった光は、面ＳＲ５で反射され、面ＳＲ４で反射され、面ＳＲ２に導かれる。面ＳＲ２で反射された光は面ＳＲ３で面ＳＲ２に戻るように反射される。面ＳＲ２で再度反射された光は、面ＳＲ１で反射されて観察者の右眼ＥＲに導かれる。
【００３９】
この際、左眼用光学系２においては、面ＳＬ４で反射された光が図中に一点鎖線で示す両光学系２，３の中心軸（画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線）に対して左方に遠ざかる方向に進んで面ＳＬ２に入射し、さらに中心軸から左方に遠ざかる方向に反射され、面ＳＬ３で面ＳＬ２に戻るように逆向き、すなわち中心軸に近づく方向に反射されて面ＳＬ２で再度反射され、中心軸に近づく方向に向かう。
【００４０】
このように、面ＳＬ２を２回反射する面として使用し、その２回の反射の間に逆向きに戻すような反射をさせる折返し反射面としての面ＳＬ３を設けることによって、ＳＬ２→ＳＬ３→ＳＬ２とたどる往復光路を形成する。これにより、光学系中で光路を重複させて光学系のサイズを小型化している。特に、面ＳＬ２での２回の反射における光の進行方向がそれぞれ左右方向で逆向きになるように折り返し反射面ＳＬ３で反射させることにより、光学系をコンパクトに構成している。
【００４１】
また、面ＳＬ３で中心軸に近づく方向に反射され、面ＳＬ２でさらに中心軸に近づく方向に反射された光は面ＳＬ１で観察者の左眼ＥＬの方向に反射される。すなわち、画像表示素子１から瞳（観察者の眼）に向かう光線を瞳側から逆トレースした場合に、面ＳＬ１（請求項１にいう「第１の反射面」）で逆トレース光を中心軸から遠ざかる方向（外側）に折り曲げ、さらに面ＳＬ２（請求項１にいう「第２の反射面」）で逆トレース光を中心軸からさらに遠ざかる方向（外側）に折り曲げている。このため、左眼ＥＬに向かう光線と両光学系２，３の中心軸との間に配置する光学要素を少なくすることができ、その分を広画角化に利用することが可能となるため、広画角化に適した光学配置を採ることができる。
【００４２】
また、左眼用光学系２は、複数の偏心反射面を用いて光路を折り畳む構成としており、前述した往復光路形成の効果と併せて、小型の光学系内に長い光路長をとることができる。
【００４３】
したがって、左眼用光学系２内で画像表示素子１の表示面ＳＩに表示された原画像の中間像を一度形成し、その中間像を拡大して虚像提示する１回結像の構成を採ることが可能である。
【００４４】
本実施形態では、例えば図３に示すように、面ＳＬ３から面ＳＬ２（再反射）に到る間の中間結像面に中間像（実像）を結像し、面ＳＬ５，ＳＬ４，ＳＬ２，ＳＬ３までをリレー光学系、面ＳＬ２および面ＳＬ１を接眼光学系として用いることで、画像表示素子１の表示面ＳＩのサイズに対して画角設定の自由度を高めることができ、広画角化を図ることができる。
【００４５】
この際、リレー光学系並びに接眼光学系の光学要素削減のため、リレー光学系と接眼光学系とで発生する収差を互いに打ち消しあうように、中間像は適宜湾曲し、非点隔差を持つ構成としてもよい。このようにすることで、全系の光学性能を保ちつつ、光学要素の増加を抑えることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、左眼用光学系２を構成する偏心反射面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５のうち少なくとも２つの偏心反射面を曲面として画像表示素子１の表示面ＳＩに表示された原画像を拡大提示している。これらの偏心反射面のうち、曲面反射面を増やすと、結像ないし収差補正に寄与しない光学要素を削減することができるため、コスト削減および光学性能向上を図ることができる。
【００４７】
さらに望ましくは、これらの偏心反射面を全て曲面とすることで、更なるコスト削減および光学性能向上を果たすことができる。
【００４８】
また、面ＳＬ３は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を概ね逆向きに戻すように反射する。ここで、面ＳＬ３は、図１に示すように、面ＳＬ２で反射された中心画角主光線が面ＳＬ３に入射し、面ＳＬ３で反射されて再度、面ＳＬ２に向かう際の面ＳＬ３への入射光線と射出光線とのなす角度θ（絶対値）が、
θ＜４５°
となるように構成されていることが好ましい。
【００４９】
この条件を超えると、面ＳＬ３を折返し反射面として機能させることが難しくなり、往復光路の形成が困難になって、光学系サイズの極端な増加を招く。
【００５０】
さらに望ましくは、
θ＜３０°
を満たすことが好ましい。この条件を超えると、面ＳＬ３に折返し反射の機能を持たせることはできても、面ＳＬ２の有効面サイズが大きくなり、光学系全体をコンパクトに構成することが困難になる。
【００５１】
また、偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった回転非対称な収差、いわゆる偏心収差が発生する。したがって、これらの偏心反射面のうち少なくとも１面を回転非対称形状として、偏心収差を補正することが好ましい。回転非対称の面を増やせばそれだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を回転非対称面とするとよい。
【００５２】
さらに望ましくは、全ての偏心反射曲面を回転非対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。また、面ＳＬ３を回転非対称形状とすると、さらに偏心収差補正の自由度を高めることができるため、良好な光学性能を達成することができる。
【００５３】
以上の左眼用光学系２の構成および光学作用に関する説明は、右眼用光学系３についても同様である。したがって、ヘッドマウントディスプレイ全体として、単一の画像表示素子１に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した構成を実現することができる。
【００５４】
また、上記回転非対称面は、画像表示素子１の表示面ＳＩの中心と左右眼用の光学系２，３のそれぞれの射出瞳中心を通る水平面（図の紙面）に対して、上下（図の紙面に垂直な方向）に対称な面対称形状であることが望ましい。このように構成すると、基準の面ができるため、製造・組立等が容易になり、コスト低減効果が得られる。また、このような面形状とすることで、左眼用光学系２と右眼用光学系３とは画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）に対して１８０°回転した位置に同一要素を配置した構成となり、左眼用光学系２と右眼用光学系３とを同一要素によって実現できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００５５】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図である。
【００５６】
図中、１１は原画像を表示するための単一の画像表示素子である。ＥＬは望ましい位置にある観察者の左眼（瞳孔位置）、ＥＲは望ましい位置にある観察者の右眼（瞳孔位置）である。
【００５７】
１２は左眼用光学系である。この左眼用光学系１２は、面ＳＬ１、半透過反射膜が形成された面ＳＬ２、および反射膜が形成された面ＳＬ３の３つの面を有するプリズム２１と、透過面ＳＬ４，ＳＬ５を有するレンズ２２とで構成されており、画像表示素子１１の表示面ＳＩからの光を左眼ＥＬに導くように配置されている。
【００５８】
１３は右眼用光学系である。この右眼用光学系１３は、面ＳＲ１、半透過反射膜が形成された面ＳＲ２および反射膜が形成された面ＳＲ３の３つの面を有するプリズム３１と、透過面ＳＲ４，ＳＲ５を有するレンズ３２とで構成されており、画像表示素子１１の表示面ＳＩからの光を右眼ＥＲに導くように配置されている。
【００５９】
本実施形態の左眼用光学系１２と右眼用光学系１３とは、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示している）を含み、図の紙面に垂直な平面に対して左右で鏡面対称となるように構成されている。
【００６０】
このように構成することで、左眼用光学系１２と右眼用光学系１３とを同一要素によって実現できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００６１】
図５は本実施形態における水平面（図の紙面）での最大画角主光線を示した図、図６は本実施形態における中心画角に対する有効瞳径を形成するマージナル光線を示した図である。
【００６２】
図５において、画像表示素子１１の表示面ＳＩの有効表示領域の左右両端から射出した光はそれぞれ、観察者の望ましき瞳孔位置である左眼ＥＬ，右眼ＥＲに集まり、左眼用光学系１２および右眼用光学系１３の射出瞳を形成している。
【００６３】
また、図６において、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心から射出した光線群（図中に実線及び点線で示す）は、左眼用光学系１２および右眼用光学系１３により略平行光に変換されて、略無限遠もしくは射出瞳位置から表示面ＳＩまでの距離に比して遠い所定距離にある画素からの光として観察者に認識される。
【００６４】
以下、図４から図６を用いて本実施形態における光学作用について説明する。なお、これらの図で実線で示した光線は、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心から射出し、左右眼用の光学系１２，１３のそれぞれの瞳中心に到る中心画角主光線を示している。
【００６５】
画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心から射出して左眼用光学系１２に向かった光は、レンズ２２の面ＳＬ５および面ＳＬ４で屈折・透過し、プリズム２１の面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２で屈折・透過してプリズム２１に入射した光は面ＳＬ１で反射され、面ＳＬ３で面ＳＬ１に戻るように反射される。
【００６６】
面ＳＬ１で再度反射された光は、面ＳＬ２で反射された後、再度、面ＳＬ１に向かう。面ＳＬ１に向かった光は、今度は面ＳＬ１を透過して観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００６７】
同様に、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心を射出して右眼用光学系１３に向かった光は、レンズ３２の面ＳＲ５および面ＳＲ４で屈折・透過し、プリズム３１の面ＳＲ２に導かれる。面ＳＲ２で屈折・透過してプリズム３１に入射した光は面ＳＲ１で反射され、面ＳＲ３で面ＳＲ１に戻るように反射される。
【００６８】
面ＳＲ１で再度反射された光束は、面ＳＲ２で反射された後、再度面ＳＲ１に向かう。面ＳＲ１に向かった光は、今度は面ＳＲ１を透過して観察者の右眼ＥＲに導かれる。
【００６９】
この際、面ＳＬ１およびＳＲ１での反射および再反射は、これらの面ＳＬ１，ＳＲ１に形成された半透過反射膜（ハーフミラー）による反射としてもよいし、プリズム２１，３１での内部全反射を利用するようにしてもよい。内部全反射を用いるようにすると、光の利用効率が高くなるため、明るい画像を表示することができ、好ましい。
【００７０】
また、面ＳＬ１，ＳＲ１での透過の際に有効光束が通る領域には反射膜を設けずに内部全反射を利用し、それ以外の部位には反射膜を設けて反射させるようにすると、全ての反射光束に対して内部全反射を用いる場合に比べて、さほど明るさを損なうことなく光学設計の自由度を上げることができ、光学性能の向上および光学系の小型化を図ることが可能となる。
【００７１】
このように面の一部に反射膜を形成し、反射膜による反射領域と内部全反射による領域とを共存させる際は、その境目付近を内部全反射領域側から反射膜反射領域側に向かう方向（ここでは一点鎖線で示した中心軸線から遠ざかる方向）にいくにしたがって徐々に膜厚を増すようなグラデーション反射膜とすると、その境界部が目立たなくなるため、好ましい。
【００７２】
本実施形態においては、このように面ＳＬ１，ＳＲ１を２回の偏心反射作用と透過作用とを有する面として兼用しており、必要な光学要素数を削減している。また、面ＳＬ２，ＳＲ２も透過と偏心反射との作用を兼用させており、さらに光学要素数の削減効果を得ている。
【００７３】
また、左眼用光学系１２において、面ＳＬ２からプリズム２１に入射した光は、図中に一点鎖線で示した左右眼用の光学系１２，１３の中心軸に対して遠ざかる方向（左方）に進んで面ＳＬ１に入射し、さらに中心軸から遠ざかる方向に反射されて面ＳＬ３に入射する。そして、面ＳＬ３で面ＳＬ１に戻るように逆向き、すなわち中心軸に近づく方向に反射され、面ＳＬ１で再度反射されて中心軸に近づく方向に向かう。
【００７４】
このように、面ＳＬ１を２回反射する面として使用し、その２回の反射の間に光を逆向きに戻すような反射をさせる折返し反射面としての面ＳＬ３を設けることによって、ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１とたどる往復光路を形成する。これにより、光学系中で光路を重複させて光学系のサイズを小型化している。特に、面ＳＬ１での２回の反射における光の進行方向がそれぞれ左右方向で逆向きになるように折り返し反射面ＳＬ３で反射させることにより、光学系をコンパクトに構成している。
【００７５】
さらに本実施形態においては、プリズム２１に光を入射させる面であり、且つプリズム２１内での最終の反射凹面鏡である面ＳＬ２も加え、ＳＬ２→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ２とたどる往復光路を形成して光路を重複させることで、さらに光の重複度を高めて、光路長に対して光学系サイズを非常に小型化している。
【００７６】
また、本実施形態では、面ＳＬ１で中心軸に近づく方向に反射された光を面ＳＬ２で観察者の左眼ＥＬの方向に向けている。すなわち、画像表示素子１１から瞳（観察者の眼）に向かう光線を瞳側から逆トレースした場合に、面ＳＬ２（請求項１にいう「第１の反射面」）で逆トレース光を中心軸から遠ざかる方向（外側）に折り曲げ、さらに面ＳＬ１（請求項１にいう「第２の反射面」）で逆トレース光を中心軸からさらに遠ざかる方向（外側）に折り曲げている。このため、画角に比して左眼ＥＬに向かう光線と上記中心軸との間で光学的に利用する領域が少なく、その分を広画角化に利用することが可能となるため、広画角化を図るのが容易な光学配置を採ることができる。
【００７７】
また、本実施形態では、複数の偏心反射面ＳＬ１，ＳＬ２を用いて光路を折り畳む構成として薄型化を達成しており、前述した往復光路形成の効果と併せて、小型且つ薄型の光学系内に長い光路長をとることができる。このため、左眼用光学系１２内において、画像表示素子１１の表示面ＳＩに表示された原画像の中間像を一度形成し、その中間像を拡大して虚像提示する１回結像の構成をとりつつ光学系をコンパクトに構成することが可能である。
【００７８】
本実施形態では、例えば図６に示すように、面ＳＬ３から面ＳＬ１（再反射）に到る間の中間結像位置に中間像（実像）を結像し、面ＳＬ５，ＳＬ４，ＳＬ２，ＳＬ１，ＳＬ３までをリレー光学系、面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ１を接眼光学系として用いることで、画像表示素子１１の表示面ＳＩのサイズに対して画角設定の自由度を高めることができ、広画角化を図ることができる。
【００７９】
この際、リレー光学系並びに接眼光学系の光学要素の削減のため、リレー光学系と接眼光学系とで発生する収差を互いに打ち消しあうように、中間像は適宜湾曲し、非点隔差を持つ構成としてもよい。こうすることで、全系の光学性能を保ちつつ、光学要素の増加を抑えることができる。
【００８０】
また、本実施形態の構成においては、左眼用光学系１２を構成する偏心反射面としての面ＳＬ１，ＳＬ２の２つの反射面のうち少なくとも一方の偏心反射面を曲面として画像表示素子１１の表示面ＳＩに表示された原画像を拡大提示するようにしている。これらの偏心反射面のうち、曲面反射面を増やすと、結像および収差補正に寄与しない光学要素を削減することができるため、コスト削減および光学性能向上を図ることができる。すなわち、これら２つの偏心反射面をともに曲面とすることで、コスト削減および光学性能の向上を果たすことができる。
【００８１】
また、面ＳＬ３は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を略垂直に反射するような角度で配置されているため、必ずしも中心画角主光線に対して偏心している必要はない。
【００８２】
ここで、面ＳＬ３は、図４に示すように、面ＳＬ１で反射された中心画角主光線が面ＳＬ３に入射し、面ＳＬ３で反射されて再度、面ＳＬ１に向かう際の面ＳＬ３への入射光線と射出光線とのなす角度θ（絶対値）が、
θ＜４５°
となるように構成されていることが好ましい。
【００８３】
この条件を超えると、面ＳＬ３を折り返し反射面として機能させることが難しくなり、往復光路の形成が困難になって、本実施形態の光学系構成の破綻を招く。
【００８４】
さらに望ましくは
θ＜３０°
を満たすことが好ましい。
【００８５】
この条件を超えると、面ＳＬ３に折り返し反射の機能を持たせることはできても、面ＳＬ１の有効面サイズが大きくなり、光学系全体をコンパクトに構成することが困難になる。
【００８６】
したがって、面ＳＬ３は中心画角主光線に対して全く偏心していない（上述のθ＝０°）か、または上述のθの条件の範囲内に入る偏心反射面であることが望ましい。前述した偏心反射面と同様に、折返し反射面である面ＳＬ３を曲面で構成すると、結像および収差補正に寄与しない光学要素を削減することができるため、コスト削減および光学性能の向上を図ることができる。
【００８７】
また、偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった回転非対称な収差、いわゆる偏心収差が発生する。したがって、これらの偏心反射面のうち少なくとも１面を回転非対称形状として、偏心収差を補正することが好ましい。
【００８８】
回転非対称の面を増やせばそれだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を回転非対称面とするとよい。さらに望ましくは、全ての偏心反射曲面を回転非対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。また、面ＳＬ３を回転非対称形状とすると、さらに偏心収差補正の自由度が高めることができるため、良好な光学性能を実現できる。
【００８９】
以上の左眼用光学系１２の構成および光学作用に関する説明は、右眼用光学系１３についても同様である。したがって、ヘッドマウントディスプレイ全体として、単一の画像表示素子１１に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した構成を実現することができる。
【００９０】
また、上記回転非対称面は、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心と左右眼用の光学系１２，１３のそれぞれの射出瞳中心を通る水平面（図の紙面）に対して、上下（図の紙面に垂直な方向）に対称な面対称形状であることが望ましい。このように構成すると、基準の面ができるため、製造・組立等が容易になり、コスト低減効果が得られる。特に、該水平面を唯一の対称面とすると、製造・組立等の基準の面を残したまま、光学設計の自由度が増し、良好な光学性能を得ることができる。また、このような面形状とすることで、左眼用光学系２と右眼用光学系３とは画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）に対して１８０°回転した位置に同一要素を配置した構成となり、左眼用光学系２と右眼用光学系３とを共通部品化できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００９１】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図である。図中、４１は原画像を表示するための単一の画像表示素子である。ＥＬは望ましい位置にある観察者の左眼（瞳孔位置）、ＥＲは望ましい位置にある観察者の右眼（瞳孔位置）である。
【００９２】
４２は左眼用光学系である。この左眼用光学系４２は、少なくとも一部に反射膜が形成された面ＳＬ１、半透過反射膜が形成された面ＳＬ２および反射膜が形成された面ＳＬ３の３つの面を有するプリズム５３と、プリズム５３との接合面ＳＬ２、反射膜が形成された面ＳＬ４および透過面としての面ＳＬ５を有するプリズム５４とで構成されており、画像表示素子４１の表示面ＳＩからの光を左眼ＥＬに導くように配置されている。
【００９３】
４３は右眼用光学系である。この右眼用光学系４３は、少なくとも一部に反射膜が形成された面ＳＲ１、半透過反射膜が形成された面ＳＲ２、反射膜が形成された面ＳＲ３の３つの面を有するプリズム６３と、プリズム６３との接合面ＳＲ２、反射膜が形成された面ＳＲ４および透過面としての面ＳＲ５を有するプリズム６４とで構成されており、画像表示素子４１の表示面ＳＩからの光を右眼ＥＲに導くように配置されている。
【００９４】
本実施形態の左眼用光学系４２と右眼用光学系４３は、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示している）を含み、図の紙面に垂直な平面に対して左右で鏡面対称となるように構成されている。
【００９５】
なお、詳しくは後述するが、本実施形態において望ましい形態は、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３とを構成する各光学面を、図の紙面（水平面）に対して上下で対称形状とするものである。したがって、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３とは、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）に対して１８０°回転した位置に同一要素を配置した構成となっている。このように構成することで、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３とを同一要素によって実現できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００９６】
図８は本実施形態における水平面（図の紙面）での最大画角主光線を示した図、図９は本実施形態における中心画角に対する有効瞳径を形成するマージナル光線を示した図である。
【００９７】
図８において、画像表示素子４１の表示面ＳＩの有効表示領域の左右両端から射出した光線は、それぞれ観察者の望ましき瞳孔位置である左眼ＥＬ，右眼ＥＲに集まり、左眼用光学系４２および右眼用光学系４３の射出瞳を形成している。
【００９８】
また、図９において、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出した光線は、左眼用光学系４２および右眼用光学系４３により略平行光に変換されて、無限遠もしくは射出瞳位置から表示面ＳＩまでの距離に比して遠い所定距離にある画素からの光として観察者に認識される。
【００９９】
以下、図７〜図９を用いて本実施形態における光学作用について説明する。なお、これらの図において実線で示した光線は、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出し、左右眼用の光学系４２，４３のそれぞれの瞳中心に到る中心画角主光線を示している。
【０１００】
画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出して左眼用光学系４２に向かった光は、面ＳＬ５で屈折・透過してプリズム５４に入射し、面ＳＬ４で反射され、面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２はプリズム５４とプリズム５３との接合面であり、少なくとも一方に半透過反射膜が形成され接合されたハーフミラー面である。
【０１０１】
面ＳＬ２に導かれた光の一部は、面ＳＬ２を透過してプリズム５３に入射する。プリズム５３に入射した光は面ＳＬ１で反射され、面ＳＬ３で反射されて再度、面ＳＬ１に向かい、面ＳＬ１で面ＳＬ３に戻るように反射される。面ＳＬ３で再度反射された光は、面ＳＬ１で最初に反射された領域側に向かい、面ＳＬ１でさらに反射される。
【０１０２】
面ＳＬ１で反射された光束の一部は、ハーフミラー面である面ＳＬ２で反射された後、面ＳＬ１に向かい、今度は面ＳＬ１を透過して観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【０１０３】
同様に、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出して右眼用光学系４３に向かった光は、面ＳＲ５で屈折・透過してプリズム６４に入射し、面ＳＲ４で反射され、面ＳＲ２に導かれる。面ＳＲ２はプリズム６４とプリズム６３との接合面であり、少なくとも一方に半透過反射膜が形成されて接合されたハーフミラー面である。
【０１０４】
面ＳＲ２に導かれた光の一部は、面ＳＲ２を透過してプリズム６３に入射する。プリズム６３に入射した光は面ＳＲ１で反射され、面ＳＲ３で反射されて再度、面ＳＲ１に向かい、面ＳＲ１で面ＳＲ３に戻るように反射される。面ＳＲ３で再度反射された光は、面ＳＲ１で最初に反射された領域側に向かい、面ＳＲ１でさらに反射される。面ＳＲ１で反射された光束の一部は、ハーフミラー面であるＳＲ２で反射された後、面ＳＲ１に向かい、今度は面ＳＲ１を透過して観察者の右眼ＥＲに導かれる。
【０１０５】
この際、面ＳＬ１および面ＳＲ１での最初の反射および３回目の反射は、これらの面ＳＬ１，ＳＲ１に半透過反射膜を形成したハーフミラーでの反射としてもよいし、プリズム５３，６３での内部全反射を利用するようにしてもよい。内部全反射を用いるようにすると、光の利用効率が高くなるため、明るい画像を表示することができる。
【０１０６】
また、面ＳＬ１，ＳＲ１での透過の際に有効光束が通る領域には反射膜を設けずに内部全反射を用い、それ以外の部位に反射膜を設けて反射させるようにすると、全ての反射光束に対し内部全反射を用いる場合に比べて、さほど明るさを損なうことなく光学設計の自由度を上げることができる。このため、光学性能の向上および光学系の小型化を図ることが可能となる。
【０１０７】
また、面ＳＬ１，ＳＲ１での２回目の反射は、偏心反射面として作用する面ＳＬ１での初回の反射光を偏心反射面である面ＳＬ３を介して受け、再度、面ＳＬ３を介して初回反射と光の進行方向が左右方向逆向きに面ＳＬ１で３回目の反射が行われるように戻すように反射する折り返し反射である。したがって、面ＳＬ１，ＳＲ１での２回目の反射光束の有効領域には、反射膜を形成することが必要である。
【０１０８】
このように一部に反射膜を形成して反射膜による反射領域と、内部全反射領域若しくは半透過反射領域とを共存させる際には、その境目付近を内部全反射若しくは半透過反射領域側から反射膜での反射領域側に向かう方向（ここでは一点鎖線で示した中心軸線から遠ざかる方向）にいくにしたがって徐々に膜厚を増すようなグラデーション反射膜とすると、その境界部が目立たなくなるため、好ましい。
【０１０９】
本実施形態においては、このように面ＳＬ１，ＳＲ１に２回の偏心反射と折り返し反射と透過の作用を兼用させており、必要な光学要素数を削減している。また、面ＳＬ２，ＳＲ２も透過と偏心反射との作用を兼用させており、さらに光学要素数削減効果を得ている。
【０１１０】
また、左眼用光学系４２において、面ＳＬ２からプリズム５３に入射した光が図の一点鎖線で示された中心軸に対して遠ざかる方向（左方）に進んで面ＳＬ１に入射し、面ＳＬ１でさらに中心軸から遠ざかる方向に反射され、面ＳＬ３で偏向されて面ＳＬ１に略垂直に入射する方向に向かう。面ＳＬ１では、その光を逆方向に反射し、面ＳＬ３に戻す。面ＳＬ３では中心軸に近づく方向に反射され、面ＳＬ１でさらに中心軸に近づく方向に反射される。
【０１１１】
このように、ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１とたどる往復光路を形成することで、光学系中で光路を重複させて光学系のサイズを小型化している。
【０１１２】
さらに本実施形態においては、プリズム５３に光を入射させる面であり、且つプリズム５３内での最終反射凹面鏡となる面ＳＬ２も加え、ＳＬ２→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ２とたどる往復光路を形成して光路を重複させることで、さらに光の重複度を高めて、光路長に対して光学系サイズを非常に小型化している。
【０１１３】
また、本実施形態では、面ＳＬ１で中心軸に近づく方向に反射された光を面ＳＬ２で観察者の左眼ＥＬの方向に向けている。すなわち、画像表示素子４１から瞳（観察者の眼）に向かう光線を瞳側から逆トレースした場合に、面ＳＬ２（請求項１にいう「第１の反射面」）で逆トレース光を中心軸から遠ざかる方向（外側）に折り曲げ、さらに面ＳＬ１（請求項１にいう「第２の反射面」）で逆トレース光を中心軸からさらに遠ざかる方向（外側）に折り曲げている。
【０１１４】
このため、画角に比して、左眼ＥＬに向かう光線と上記中心軸との間で光学的に利用する領域が少なく、その分を広画角化に利用することが可能となるため、広画角化を図るのが容易な光学配置となっている。
【０１１５】
また、本実施形態では、複数の偏心反射面としての面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３を用いて光路を折り畳む構成として薄型化を達成しており、前述した往復光路形成の効果と併せて、小型且つ薄型の光学系内に長い光路長をとることができる。このため、左眼用光学系４２内において、画像表示素子４１の表示面ＳＩに表示された原画像の中間像を一度形成し、その中間像を拡大して虚像提示する１回結像の構成をとりつつ光学系をコンパクトに構成することが可能である。
【０１１６】
本実施形態では、例えば図９に示すように、面ＳＬ３から面ＳＬ１（折り返し反射）に到る間の中間結像位置に中間像（実像）を結像し、面ＳＬ５，ＳＬ４，ＳＬ２，ＳＬ１，ＳＬ３，ＳＬ１までをリレー光学系、面ＳＬ３，ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ１を接眼光学系として用いることで、画像表示素子４１の表示面ＳＩのサイズに対して画角設定の自由度を高めることができ、広画角化を図ることができる。
【０１１７】
この際、リレー光学系並びに接眼光学系の光学要素の削減のため、リレー光学系と接眼光学系とで発生する収差を互いに打ち消しあうように、中間像は適宜湾曲し、非点隔差を持つ構成としてもよい。こうすることで、全系の光学性能を保ちつつ、光学要素の増加を抑えることができる。
【０１１８】
また、本実施形態の構成においては、左眼用光学系４２を構成する偏心反射面としての面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３の３つの反射面のうち少なくとも一つの偏心反射面を曲面として、画像表示素子４１の表示面ＳＩに表示された原画像を拡大提示するようにしている。
【０１１９】
これらの偏心反射面のうち、曲面反射面を増やすと、結像および収差補正に寄与しない光学要素を削減することが出来るため、コスト削減および光学性能の向上を図ることができる。すなわち、これら２つの偏心反射面をともに曲面とすることで、コスト削減および光学性能の向上を果たすことができる。
【０１２０】
また、面ＳＬ１は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を略垂直に反射するような角度で配置されているため、必ずしも中心画角主光線に対して偏心している必要はない。
【０１２１】
ここで、面ＳＬ１は、図７に示すように、面ＳＬ１で反射された中心画角主光線がＳＬ３を介して入射し、面ＳＬ３を介して再度、面ＳＬ１に向かうように反射する際（２回目反射の際）の面ＳＬ１への入射光線と射出光線とのなす角度θ（絶対値）が、
θ＜４５°
となるように構成されていることが好ましい。
【０１２２】
この条件を超えると、面ＳＬ１を折返し反射面として機能させることが難しくなり、往復光路の形成が困難になって、本実施形態での光学系構成の破綻を招く。
【０１２３】
さらに望ましくは
θ＜３０°
を満たすことが好ましい。
【０１２４】
この条件を超えると、面ＳＬ１に折返し反射の機能を負わせることはできても、面ＳＬ３ないし面ＳＬ１の有効面サイズが大きくなり、光学系全体をコンパクトに構成することが困難になる。
【０１２５】
したがって、２回目の反射に際しての面ＳＬ１は、中心画角主光線に対して全く偏心していない（上述のθ＝０°）か、または上述のθの条件の範囲内に入る偏心反射面であることが望ましい。
【０１２６】
また、偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった回転非対称な収差、いわゆる偏心収差が発生する。したがって、これらの偏心反射面のうち少なくとも１面を回転非対称形状として、偏心収差を補正することが好ましい。回転非対称の面を増やせば、それだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を回転非対称面とするとよい。
【０１２７】
さらに望ましくは、全ての偏心反射曲面を回転非対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。
【０１２８】
以上の左眼用光学系４２の構成および光学作用に関する説明は、右眼用光学系４３についても同様である。したがって、ヘッドマウントディスプレイ全体として、単一の画像表示素子４１に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した構成を実現することができる。
【０１２９】
また、上記回転非対称面は、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心と左右眼用の光学系４２，４３のそれぞれの射出瞳中心を通る水平面（図の紙面）に対して、上下（図の紙面に垂直な方向）にて対称な面対称形状であることが望ましい。このように構成すると、基準の面ができるため、製造・組立等が容易になり、コスト低減効果が得られる。特に、該水平面を唯一の対称面とすると、製造・組立等の基準の面を残したまま、光学設計の自由度が増し、良好な光学性能を得ることができる。
【０１３０】
なお、本実施形態のように、画像表示素子４１が光学系４２，４３に対して観察者側にやや迫り出す場合は、図１４に点線で示した位置で、中心画角主光線を含む水平面（図の紙面）から外れる方向に光路を折り曲げてもよい。
【０１３１】
図１５は、ミラーＳＬ６を追加配置することで、図１４の紙面に対して垂直に光路を折り曲げた場合の左眼用光学系の斜視図である。このようにミラーＳＬ６で光路を折り曲げることにより、ヘッドマウントディスプレイを構成する場合に必要な観察者の鼻を避けるためのスペースができ易くなるため、バックフォーカスを無理に短く抑える必要がなくなり、光学性能を出し易くなる。
【０１３２】
以上説明した各実施形態において、反射膜とは、透過光が実質的に０となるような膜のことであり、一部の光が透過するものは半透過反射膜として区別した。但し、半透過反射膜といっても、透過率と反射率とがほぼ等しいものだけに限定するものではない。
【０１３３】
［数値実施例１］
図１０および図１１は、本発明の数値実施例１を説明するための図である。数値実施例１は、上述した第３実施形態に従うものである。
【０１３４】
図１０において、ＳＩは画像表示素子４１の表示面であり、ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５はそれぞれ、左眼用光学系４２を構成する光学面、ＳＬＳは左眼用光学系４２の射出瞳である。
【０１３５】
また、ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５はそれぞれ、右眼用光学系４３を構成する光学面、ＳＲＳは右眼用光学系４３の射出瞳である。
【０１３６】
第３実施形態において好ましい構成として述べた通り、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３との各面を紙面断面であるｙｚ断面を唯一の対称面とする面対称形状としたために、左右光学系は同一構成であるので、以降は一方の光学系（左眼用光学系４２）のみについて説明する。これは以降の数値実施例においても同様である。
【０１３７】
この際、瞳ＳＬＳの中心を原点とし、視軸（瞳ＳＬＳと面ＳＬ１との間の中心画角主光線に一致する）方向にｚ軸にとり、図の紙面（中心画角主光線を含む平面）とｚ軸に垂直な方向にｙ軸をとり、右手系を形成するように図で紙面奥向きを正としてｘ軸をとった座標系を用いる。そして、この座標系における面配置は、表示面ＳＩから瞳ＳＬＳに至る光線を逆トレースした順に面番号を付して表す。
【０１３８】
したがって、図１１のように、瞳をＳ１とし、図１０の面ＳＬ１を逆トレース光線の入射面Ｓ２，偏心反射面Ｓ４，折返し反射面Ｓ６、偏心反射面Ｓ８とし、面ＳＬ２を偏心反射面Ｓ３，透過面Ｓ９とし、面ＳＬ３を偏心反射面Ｓ５，Ｓ７とし、面ＳＬ４を反射面Ｓ１０とし、面ＳＬ５を透過面Ｓ１１として、表示面はそのままＳＩとして表記する。
【０１３９】
また、面配置はｙｚ断面においてのみ偏心しており、したがってｘ軸周りの回転が生じている。これを図で半時計回り方向を正方向として、Ａ（単位：°）で表す。
【０１４０】
光学データ表では、面番号ＳＵＲＦと各面を記述する位置および回転角を上述の通り、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａで表し、曲率半径をＲ、面定義のタイプをｔｙｐ、面の後の媒質の屈折率およびアッベ数をＮｄ，νｄ（但し、表中ではｖｄ）で表している。
【０１４１】
なお、空気はＮｄ＝１，νｄ＝０とし、面が光を反射する際はＮｄの符号が変化するように表している。面定義タイプがＳＰＨのものは曲率半径Ｒの値のみで表される球面、ＳＰＳのものはその後に記載の番号に従い、表下欄に示した係数を持つ次式（１）で表される回転非対称面である。表で明示されない係数については、その項の係数が０であることを意味する。
【０１４２】
【数１】
【０１４３】
但し、ｃ＝１／Ｒ，ｒ＝√（ｘ2＋ｙ2）
以上の説明は、数値実施例２以降の数値実施例についても同様である。
【０１４４】
数値実施例１のデータを表１に示す。本データは、長さの単位をｍｍとするときに、対角約０．５”（10.2mm×7.6mm ）の表示面に対して、水平（ｙ方向）画角３０°，垂直画角２３°程度，瞳径φ１０ｍｍの光学系を実現可能である。
【０１４５】
光学設計的には、無限遠方から瞳Ｓ１を通った光束を、面Ｓ２より第１のプリズムに入射させ、面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８と順次反射させて面Ｓ９より第２のプリズムに入射させ、面Ｓ１０で反射させ、面Ｓ１１より射出させて表示面ＳＩに結像させる構成になっている。
【０１４６】
したがって、表示面ＳＩからの光束は上述と逆の経路をたどって瞳Ｓ１に導かれ、瞳Ｓ１の位置に瞳孔を置いた観察者によって無限遠方に水平画角３０°の拡大虚像が認識される。
【０１４７】
【表１】
【０１４８】
［数値実施例２］
図１２は、本発明の数値実施例２の光学系の要部構成を示した図である。この数値実施例２は、上記第２実施形態の変形例を表すものである。第１のプリズムＰ１は第２実施形態で説明したプリズム２１，３１と同様の形態であり、レンズ２２，３２の代わりに第２のプリズムＰ２を用いている。表２に数値実施例２の光学データを示す。
【０１４９】
なお、表中の記号等は基本的に表１と同じである。但し、ｔｙｐの項がＺＲＮ＊で表されているものは、表下欄に示した係数を持つ次式（２）で表される回転非対称面である。表で明示されない係数については、その項の係数が０であることを意味する。
【０１５０】
本データにおいても、長さの単位をｍｍとするときに、対角約０．５”（10.2mm×7.6mm ）の表示面に対して、水平（ｙ方向）画角３０°，垂直画角２３°程度，瞳径φ１０ｍｍの光学系を実現可能である。
【０１５１】
光学設計的には、無限遠方から瞳Ｓ１を通った光束を、面Ｓ２より第１のプリズムＰ１に入射させ、面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と順次反射させて面Ｓ７より射出させる。この光束を面Ｓ８より第２のプリズムに入射させ、面Ｓ９で反射させ、面Ｓ１０より射出させて、表示面ＳＩに結像させる構成になっている。したがって、表示面ＳＩからの光束は上述と逆の経路をたどって瞳Ｓ１に導かれ、瞳Ｓ１の位置に瞳孔を置いた観察者によって、無限遠方に水平画角３０°の拡大虚像が認識される。
【０１５２】
【表２】
【０１５３】
［数値実施例３］
図１３は、本発明の数値実施例３の光学系の要部構成を示した図である。この数値実施例３も、上記第２実施形態の変形例を表す数値実施例である。第１のプリズムＰ１は第２実施形態で説明したプリズム２１，３１と同様の形態であり、レンズ２２，３２の代わりに第２のプリズムＰ２を用いている。
【０１５４】
数値実施例２との違いは、第２のプリズムＰ２における反射回数が増加している点である。表３に数値実施例２の光学データを示す。
【０１５５】
なお、表中の記号等は基本的に表１と同じである。但し、ｔｙｐの項がＺＲＮ＊で表されているものは、表下欄に示した係数を持つ前述の式（２）で表される回転非対称面である。表で明示されない係数については、その項の係数が０であることを意味する。
【０１５６】
本データにおいても、長さの単位をｍｍとするときに、対角約０．５”（10.2mm×7.6mm ）の表示面に対して、水平（ｙ方向）画角３０°，垂直画角２３°程度，瞳径φ１０ｍｍの光学系を実現可能である。光学設計的には、無限遠方から瞳Ｓ１を通った光束を、面Ｓ２より第１のプリズムＰ１に入射させ、面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と順次反射させて面Ｓ７より射出させる。この光束を面Ｓ８より第２のプリズムに入射させ、面Ｓ９，面Ｓ１０で反射させ、面Ｓ１１より射出させて、表示面ＳＩに結像させる構成になっている。
【０１５７】
したがって、表示面ＳＩからの光束は上述と逆の経路をたどって瞳Ｓ１に導かれ、瞳Ｓ１の位置に瞳孔を置いた観察者によって、無限遠方に水平画角３０°の拡大虚像が認識される。
【０１５８】
【表３】
【０１５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置において、左右眼用光学系の射出瞳間距離を一般的な観察者の眼間距離程度に保持しつつ、広画角化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（中心画角主光線図）。
【図２】上記第１実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（最大画角主光線図）。
【図３】上記第１実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（マージナル光線図）。
【図４】本発明の第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（中心画角主光線図）。
【図５】上記第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（最大画角主光線図）。
【図６】上記第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（マージナル光線図）。
【図７】本発明の第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（中心画角主光線図）。
【図８】上記第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（最大画角主光線図）。
【図９】上記第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（マージナル光線図）。
【図１０】本発明の数値実施例１の要部構成図。
【図１１】上記数値実施例１の要部構成図。
【図１２】本発明の数値実施例２の要部構成図。
【図１３】本発明の数値実施例３の要部構成図。
【図１４】上記第３実施形態の変形例を示す平面図。
【図１５】上記第３実施形態の変形例を示す斜視図。
【図１６】従来のヘッドマウントディスプレイの要部構成図。
【図１７】従来のヘッドマウントディスプレイの要部構成図。
【図１８】従来のヘッドマウントディスプレイの要部構成図。
【符号の説明】
１，１１，４１ 画像表示素子
２，１２，４２ 左眼用光学系
３，１３，４３ 右眼用光学系
ＥＬ 観察者の左眼
ＥＲ 観察者の右眼
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一の画像表示素子に表示された原画像を観察者の眼に拡大して観察させるヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の画像表示素子を用い、この画像表示素子に表示された原画像を光学系を介して拡大表示させる頭部装着型の画像表示装置（いわゆるヘッドマウントディスプレイ）がよく知られている。
【０００３】
このヘッドマウントディスプレイは観察者の頭部に装着するため、特に装置全体の小型化、軽量化が要望されている。また、重量バランスや外観等を考慮すると、観察者の視軸方向に薄型であることが好ましい。さらに、表示される拡大像に迫力を持たせるために、できるだけ大きな拡大像が望まれている。
【０００４】
例えば、下記の特許文献１〜４には、画像表示素子としてのＬＣＤと、観察光学系としての薄型プリズムとを使用し、装置全体の薄型化を図ったヘッドマウントディスプレイが提案されている。
【０００５】
図１６には、特許文献１にて提案されているヘッドマウントディスプレイを示している。このヘッドマウントディスプレイにおいて、ＬＣＤ１１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム１１２の入射面１１３に入射する。そして、プリズム１１２に形成した曲率を有した反射面１１４と反射面１１５との間で光束が折り畳まれ、その後、面１１４より偏心プリズム１１２から射出して観察者の眼Ｅに導かれる。これによってＬＣＤ１１１に表示された原画像の虚像が形成され、この虚像を観察者が観察する。
【０００６】
偏心プリズム１１２の反射面１１５は、偏心回転非対称面（アジムス角度により光学的パワーの異なる面であり、いわゆる自由曲面）で構成された偏心自由曲面より構成されている。
【０００７】
図１６に示す光学系のタイプは、従来の共軸凹面鏡と眼球光軸に対して４５°傾いたハーフミラーとを用いたタイプに比べ、装置全体の薄型化および観察視野の広画角化が容易であるという特徴を有する。
【０００８】
一方、ヘッドマウントディスプレイにおいても、他の画像表示装置と同様に安価で提供されることが望まれている。これに対する解答の１つとして、単一の画像表示素子を用い、この画像表示素子に表示された単一の原画像を左右それぞれの眼に導く光学系とを組み合わせた単一原画双眼観察型のヘッドマウントディスプレイが、特許文献５等に開示されている。
【０００９】
図１７には、特許文献５にて開示されているヘッドマウントディスプレイの構成を示している。イメージインテンシファイア等の原画像を表示する物体源２０１の凸面状表示面２０２から射出された画像光は、光学素子２０４にその透過領域２０５から入射し、同光学素子２０４の反射膜形成部２０８で反射又は透過部２０７で内部反射して、反射膜が形成された凹面鏡部２０３で反射し、透過部２０７より射出する。光学素子２０４を射出した光はメニスカスレンズ１０を通って観察者の両眼Ｅ１，Ｅ２に導かれる。
【００１０】
さらに、この単一原画双眼観察型のヘッドマウントディスプレイに、上述した偏心自由曲面を持つプリズムを組み合わせたタイプのヘッドマウントディスプレイが近年、様々提案されている。例えば、下記特許文献６〜１０にその構成が提案されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−３３３５５１号公報
【特許文献２】
特開平８−５０２５６号公報
【特許文献３】
特開平８−１６０３４０号公報
【特許文献４】
特開平８−１７９２３８号公報
【特許文献５】
米国特許第４，３２２，１３５号
【特許文献６】
特開平９−６１７４８号公報
【特許文献７】
特開平９−２４７５７９号公報
【特許文献８】
特開２００１−１７７７８５号公報
【特許文献９】
特開２００１−１９４６１８号公報
【特許文献１０】
特開２００１−１９４６１９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、前述の従来のヘッドマウントディスプレイにおいて、例えば特許文献６や特許文献７にて提案のものでは、左右眼用の光学系がそれぞれ異なるため、コストがかかってしまう。
【００１３】
また、その他の例においては、左右眼用の光学系は共用できる構成であるものの、いずれも画像表示素子から画像光の瞳に至る光を瞳側から逆トレースした場合の光が、最初の反射面で左右方向内側に反射される構成であるため、広画角化が難しかった。
【００１４】
これを図１８を用いて説明する。画像表示素子３１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム３１２Ｌの入射面３１３Ｌに入射する。そして、プリズム３１２Ｌに形成された曲率を有した反射面３１４Ｌと反射面３１５Ｌとの間で光束が折り畳まれ、その後、面３１４Ｌより偏心プリズム３１２Ｌから射出して観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００１５】
同様に、画像表示素子３１１から発せられた光は、小型の偏心プリズム３１２Ｒの入射面３１３Ｒに入射する。そして、プリズム３１１２Ｒに形成された曲率を有した反射面３１４Ｒと反射面３１５Ｒとの間で光束が折り畳まれ、その後、面３１４Ｒより偏心プリズム３１２Ｒから射出して観察者の左眼ＥＲに導かれる。
【００１６】
これにより、画像表示素子（ＬＣＤ）３１１に表示された単一の原画像の虚像が観察者の左右の眼で観察される。
【００１７】
このような虚像観察系において、光学設計時によく用いられる逆トレース光で以下の話を進める。観察者の眼側からの光線（瞳からの光線）は、面３１４Ｌ，３１４Ｒからプリズム３１２Ｌ，３１２Ｒに入射するが、この場合の最初の偏心反射面である反射面３１５Ｌ，３１５Ｒによりそれぞれ、両眼のほぼ中央に配置された画像表示素子３１１の法線方向に近づく方向に折り曲げられる。したがって、このような光学系においては、ＥＡ１Ｌ，ＥＡ１Ｒで示す反射領域がプリズム３１２Ｌ，３１２Ｒの面３１４Ｌ，３１４Ｒに必要である。これらの反射領域ＥＡ１Ｌ，ＥＡ１Ｒは、画角を広げるにしたがって広がっていく。
【００１８】
しかしながら、観察者の左右の眼ＥＬ，ＥＲの間の距離（眼幅）はある程度決まっているので、左右眼用の光学系の瞳間の距離ＩＰＤを極端に広げることは不可能である。したがって、このように、逆トレース光で最初の反射面が光を左右方向内側に曲げる構成になっていると、大幅な広画角化は望めない。
【００１９】
本発明は、単一の画像表示素子に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、原画像を表示する単一の画像表示素子と、画像表示素子からの光を瞳の近傍に配置される観察者の左右の眼に導き、画像表示素子の表示面の中心を通る垂直面に対して左右で対称となるように構成された左眼用光学系および右眼用光学系とを有し、画像表示素子から瞳に進む光を瞳側から逆トレースしたとき、左眼用光学系および右眼用光学系がそれぞれ、瞳からの逆トレース光を、上記垂直面内において画像表示素子の表示面の中心を通り表示面の法線である中心軸から離れる方向に反射する第１の反射面と、第１の反射面で反射した逆トレース光をさらに上記中心軸から離れる方向に反射する第２の反射面とを有している。
【００２１】
これにより、左右眼用光学系の射出瞳間距離を一般的な観察者の眼間距離程度に保持しつつ、広画角化を図ることが可能である。
【００２４】
そして、上記発明において、左眼用光学系および右眼用光学系を、水平面に対して上下で面対称となるように構成することにより、左右の光学系の部品を共通化して低コスト化を図ることが可能となる。
【００２５】
上記発明において、第１および第２の反射面を含む複数の反射面のうち少なくとも１つの反射面を偏心曲面とすることにより、光学要素の総数を削減することが可能であり、また少なくとも１つの反射面を回転非対称面とすることにより、諸収差を良好に補正でき、光学性能の向上を図ることが可能となる。
【００２６】
さらに、左眼用光学系および右眼用光学系内において、原画像の中間実像が形成されるようにすることで、原画像（つまりは画像表示素子）画のサイズが小さくても広画角の画像を表示することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態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の要部構成図である。図中、１は原画像を表示するための単一の画像表示素子であり、ＣＲＴ，ＬＣＤ，エレクトロルミネッセンス素子等によって構成されている。
【００２８】
画像表示素子１には、不図示の駆動回路が接続されており、パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置から画像情報の供給を受けた駆動回路は該画像情報に対応した原画像を表示させるよう画像表示素子１を駆動する。そして、この画像情報供給装置とヘッドマウントディスプレイとにより画像表示システムが構成される。
【００２９】
ＥＬは望ましい位置にある観察者の左眼（瞳孔位置）、ＥＲは望ましい位置にある観察者の右眼（瞳孔位置）である。
【００３０】
２は左眼用光学系である。この左眼用光学系２は、面ＳＬ１から面ＳＬ５までの５つの反射面を有し、画像表示素子１の表示面ＳＩからの光を左眼ＥＬに導くように配置されている。
【００３１】
３は右眼用光学系である。この右眼用光学系３は、面ＳＲ１から面ＳＲ５までの５つの反射面を有し、画像表示素子１の表示面ＳＩからの光を右眼ＥＲに導くように配置されている。
【００３２】
本実施形態の左眼用光学系２と右眼用光学系３とは、画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）を含み図の紙面に垂直な平面（垂直面）に対して左右方向にて鏡面対称となるように配置されている。
【００３３】
図２は、本実施形態における水平面（図の紙面）での最大画角主光線を示した図、図３は本実施形態における中心画角に対する有効瞳径を形成するマージナル光線を示した図である。
【００３４】
図２において、画像表示素子１の表示面ＳＩの有効表示領域の左右両端から射出した光線（図中に点線で示す）は、それぞれ観察者の望ましき瞳孔位置であるＥＬ，ＥＲに集まり、左眼用光学系２および右眼用光学系３の射出瞳を形成する。
【００３５】
また、図３において、画像表示素子１の表示面ＳＩの中心から射出した光線群（図中に実線及び点線で示す）は、左眼用光学系２および右眼用光学系３により略平行光に変換されて、略無限遠もしくは所定の距離にある画素からの光として観察者に認識される。
【００３６】
以下、図１から図３を用いて本実施形態における光学作用について説明する。なお、各図で実線で示した光線は、画像表示素子１の表示面ＳＩ（原画像）の中心から射出し、左眼用および右眼用光学系２，３のそれぞれの瞳の中心に到る中心画角主光線を示している。
【００３７】
画像表示素子１の表示面ＳＩの中心から射出して左眼用光学系２に向かった光は、面ＳＬ５で反射され、面ＳＬ４で反射され、面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２で反射された光は面ＳＬ３で面ＳＬ２に戻るように反射される。面ＳＬ２で再度反射された光は、面ＳＬ１で反射されて観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００３８】
同様に、画像表示素子１の表示面ＳＩ中心から射出して右眼用光学系３に向かった光は、面ＳＲ５で反射され、面ＳＲ４で反射され、面ＳＲ２に導かれる。面ＳＲ２で反射された光は面ＳＲ３で面ＳＲ２に戻るように反射される。面ＳＲ２で再度反射された光は、面ＳＲ１で反射されて観察者の右眼ＥＲに導かれる。
【００３９】
この際、左眼用光学系２においては、面ＳＬ４で反射された光が図中に一点鎖線で示す両光学系２，３の中心軸（画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線）に対して左方に遠ざかる方向に進んで面ＳＬ２に入射し、さらに中心軸から左方に遠ざかる方向に反射され、面ＳＬ３で面ＳＬ２に戻るように逆向き、すなわち中心軸に近づく方向に反射されて面ＳＬ２で再度反射され、中心軸に近づく方向に向かう。
【００４０】
このように、面ＳＬ２を２回反射する面として使用し、その２回の反射の間に逆向きに戻すような反射をさせる折返し反射面としての面ＳＬ３を設けることによって、ＳＬ２→ＳＬ３→ＳＬ２とたどる往復光路を形成する。これにより、光学系中で光路を重複させて光学系のサイズを小型化している。特に、面ＳＬ２での２回の反射における光の進行方向がそれぞれ左右方向で逆向きになるように折り返し反射面ＳＬ３で反射させることにより、光学系をコンパクトに構成している。
【００４１】
また、面ＳＬ３で中心軸に近づく方向に反射され、面ＳＬ２でさらに中心軸に近づく方向に反射された光は面ＳＬ１で観察者の左眼ＥＬの方向に反射される。すなわち、画像表示素子１から瞳（観察者の眼）に向かう光線を瞳側から逆トレースした場合に、面ＳＬ１（請求項１にいう「第１の反射面」）で逆トレース光を中心軸から遠ざかる方向（外側）に折り曲げ、さらに面ＳＬ２（請求項１にいう「第２の反射面」）で逆トレース光を中心軸からさらに遠ざかる方向（外側）に折り曲げている。このため、左眼ＥＬに向かう光線と両光学系２，３の中心軸との間に配置する光学要素を少なくすることができ、その分を広画角化に利用することが可能となるため、広画角化に適した光学配置を採ることができる。
【００４２】
また、左眼用光学系２は、複数の偏心反射面を用いて光路を折り畳む構成としており、前述した往復光路形成の効果と併せて、小型の光学系内に長い光路長をとることができる。
【００４３】
したがって、左眼用光学系２内で画像表示素子１の表示面ＳＩに表示された原画像の中間像を一度形成し、その中間像を拡大して虚像提示する１回結像の構成を採ることが可能である。
【００４４】
本実施形態では、例えば図３に示すように、面ＳＬ３から面ＳＬ２（再反射）に到る間の中間結像面に中間像（実像）を結像し、面ＳＬ５，ＳＬ４，ＳＬ２，ＳＬ３までをリレー光学系、面ＳＬ２および面ＳＬ１を接眼光学系として用いることで、画像表示素子１の表示面ＳＩのサイズに対して画角設定の自由度を高めることができ、広画角化を図ることができる。
【００４５】
この際、リレー光学系並びに接眼光学系の光学要素削減のため、リレー光学系と接眼光学系とで発生する収差を互いに打ち消しあうように、中間像は適宜湾曲し、非点隔差を持つ構成としてもよい。このようにすることで、全系の光学性能を保ちつつ、光学要素の増加を抑えることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、左眼用光学系２を構成する偏心反射面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５のうち少なくとも２つの偏心反射面を曲面として画像表示素子１の表示面ＳＩに表示された原画像を拡大提示している。これらの偏心反射面のうち、曲面反射面を増やすと、結像ないし収差補正に寄与しない光学要素を削減することができるため、コスト削減および光学性能向上を図ることができる。
【００４７】
さらに望ましくは、これらの偏心反射面を全て曲面とすることで、更なるコスト削減および光学性能向上を果たすことができる。
【００４８】
また、面ＳＬ３は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を概ね逆向きに戻すように反射する。ここで、面ＳＬ３は、図１に示すように、面ＳＬ２で反射された中心画角主光線が面ＳＬ３に入射し、面ＳＬ３で反射されて再度、面ＳＬ２に向かう際の面ＳＬ３への入射光線と射出光線とのなす角度θ（絶対値）が、
θ＜４５°
となるように構成されていることが好ましい。
【００４９】
この条件を超えると、面ＳＬ３を折返し反射面として機能させることが難しくなり、往復光路の形成が困難になって、光学系サイズの極端な増加を招く。
【００５０】
さらに望ましくは、
θ＜３０°
を満たすことが好ましい。この条件を超えると、面ＳＬ３に折返し反射の機能を持たせることはできても、面ＳＬ２の有効面サイズが大きくなり、光学系全体をコンパクトに構成することが困難になる。
【００５１】
また、偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった回転非対称な収差、いわゆる偏心収差が発生する。したがって、これらの偏心反射面のうち少なくとも１面を回転非対称形状として、偏心収差を補正することが好ましい。回転非対称の面を増やせばそれだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を回転非対称面とするとよい。
【００５２】
さらに望ましくは、全ての偏心反射曲面を回転非対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。また、面ＳＬ３を回転非対称形状とすると、さらに偏心収差補正の自由度を高めることができるため、良好な光学性能を達成することができる。
【００５３】
以上の左眼用光学系２の構成および光学作用に関する説明は、右眼用光学系３についても同様である。したがって、ヘッドマウントディスプレイ全体として、単一の画像表示素子１に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した構成を実現することができる。
【００５４】
また、上記回転非対称面は、画像表示素子１の表示面ＳＩの中心と左右眼用の光学系２，３のそれぞれの射出瞳中心を通る水平面（図の紙面）に対して、上下（図の紙面に垂直な方向）に対称な面対称形状であることが望ましい。このように構成すると、基準の面ができるため、製造・組立等が容易になり、コスト低減効果が得られる。また、このような面形状とすることで、左眼用光学系２と右眼用光学系３とは画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）に対して１８０°回転した位置に同一要素を配置した構成となり、左眼用光学系２と右眼用光学系３とを同一要素によって実現できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００５５】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図である。
【００５６】
図中、１１は原画像を表示するための単一の画像表示素子である。ＥＬは望ましい位置にある観察者の左眼（瞳孔位置）、ＥＲは望ましい位置にある観察者の右眼（瞳孔位置）である。
【００５７】
１２は左眼用光学系である。この左眼用光学系１２は、面ＳＬ１、半透過反射膜が形成された面ＳＬ２、および反射膜が形成された面ＳＬ３の３つの面を有するプリズム２１と、透過面ＳＬ４，ＳＬ５を有するレンズ２２とで構成されており、画像表示素子１１の表示面ＳＩからの光を左眼ＥＬに導くように配置されている。
【００５８】
１３は右眼用光学系である。この右眼用光学系１３は、面ＳＲ１、半透過反射膜が形成された面ＳＲ２および反射膜が形成された面ＳＲ３の３つの面を有するプリズム３１と、透過面ＳＲ４，ＳＲ５を有するレンズ３２とで構成されており、画像表示素子１１の表示面ＳＩからの光を右眼ＥＲに導くように配置されている。
【００５９】
本実施形態の左眼用光学系１２と右眼用光学系１３とは、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示している）を含み、図の紙面に垂直な平面に対して左右で鏡面対称となるように構成されている。
【００６０】
このように構成することで、左眼用光学系１２と右眼用光学系１３とを同一要素によって実現できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００６１】
図５は本実施形態における水平面（図の紙面）での最大画角主光線を示した図、図６は本実施形態における中心画角に対する有効瞳径を形成するマージナル光線を示した図である。
【００６２】
図５において、画像表示素子１１の表示面ＳＩの有効表示領域の左右両端から射出した光はそれぞれ、観察者の望ましき瞳孔位置である左眼ＥＬ，右眼ＥＲに集まり、左眼用光学系１２および右眼用光学系１３の射出瞳を形成している。
【００６３】
また、図６において、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心から射出した光線群（図中に実線及び点線で示す）は、左眼用光学系１２および右眼用光学系１３により略平行光に変換されて、略無限遠もしくは射出瞳位置から表示面ＳＩまでの距離に比して遠い所定距離にある画素からの光として観察者に認識される。
【００６４】
以下、図４から図６を用いて本実施形態における光学作用について説明する。なお、これらの図で実線で示した光線は、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心から射出し、左右眼用の光学系１２，１３のそれぞれの瞳中心に到る中心画角主光線を示している。
【００６５】
画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心から射出して左眼用光学系１２に向かった光は、レンズ２２の面ＳＬ５および面ＳＬ４で屈折・透過し、プリズム２１の面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２で屈折・透過してプリズム２１に入射した光は面ＳＬ１で反射され、面ＳＬ３で面ＳＬ１に戻るように反射される。
【００６６】
面ＳＬ１で再度反射された光は、面ＳＬ２で反射された後、再度、面ＳＬ１に向かう。面ＳＬ１に向かった光は、今度は面ＳＬ１を透過して観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【００６７】
同様に、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心を射出して右眼用光学系１３に向かった光は、レンズ３２の面ＳＲ５および面ＳＲ４で屈折・透過し、プリズム３１の面ＳＲ２に導かれる。面ＳＲ２で屈折・透過してプリズム３１に入射した光は面ＳＲ１で反射され、面ＳＲ３で面ＳＲ１に戻るように反射される。
【００６８】
面ＳＲ１で再度反射された光束は、面ＳＲ２で反射された後、再度面ＳＲ１に向かう。面ＳＲ１に向かった光は、今度は面ＳＲ１を透過して観察者の右眼ＥＲに導かれる。
【００６９】
この際、面ＳＬ１およびＳＲ１での反射および再反射は、これらの面ＳＬ１，ＳＲ１に形成された半透過反射膜（ハーフミラー）による反射としてもよいし、プリズム２１，３１での内部全反射を利用するようにしてもよい。内部全反射を用いるようにすると、光の利用効率が高くなるため、明るい画像を表示することができ、好ましい。
【００７０】
また、面ＳＬ１，ＳＲ１での透過の際に有効光束が通る領域には反射膜を設けずに内部全反射を利用し、それ以外の部位には反射膜を設けて反射させるようにすると、全ての反射光束に対して内部全反射を用いる場合に比べて、さほど明るさを損なうことなく光学設計の自由度を上げることができ、光学性能の向上および光学系の小型化を図ることが可能となる。
【００７１】
このように面の一部に反射膜を形成し、反射膜による反射領域と内部全反射による領域とを共存させる際は、その境目付近を内部全反射領域側から反射膜反射領域側に向かう方向（ここでは一点鎖線で示した中心軸線から遠ざかる方向）にいくにしたがって徐々に膜厚を増すようなグラデーション反射膜とすると、その境界部が目立たなくなるため、好ましい。
【００７２】
本実施形態においては、このように面ＳＬ１，ＳＲ１を２回の偏心反射作用と透過作用とを有する面として兼用しており、必要な光学要素数を削減している。また、面ＳＬ２，ＳＲ２も透過と偏心反射との作用を兼用させており、さらに光学要素数の削減効果を得ている。
【００７３】
また、左眼用光学系１２において、面ＳＬ２からプリズム２１に入射した光は、図中に一点鎖線で示した左右眼用の光学系１２，１３の中心軸に対して遠ざかる方向（左方）に進んで面ＳＬ１に入射し、さらに中心軸から遠ざかる方向に反射されて面ＳＬ３に入射する。そして、面ＳＬ３で面ＳＬ１に戻るように逆向き、すなわち中心軸に近づく方向に反射され、面ＳＬ１で再度反射されて中心軸に近づく方向に向かう。
【００７４】
このように、面ＳＬ１を２回反射する面として使用し、その２回の反射の間に光を逆向きに戻すような反射をさせる折返し反射面としての面ＳＬ３を設けることによって、ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１とたどる往復光路を形成する。これにより、光学系中で光路を重複させて光学系のサイズを小型化している。特に、面ＳＬ１での２回の反射における光の進行方向がそれぞれ左右方向で逆向きになるように折り返し反射面ＳＬ３で反射させることにより、光学系をコンパクトに構成している。
【００７５】
さらに本実施形態においては、プリズム２１に光を入射させる面であり、且つプリズム２１内での最終の反射凹面鏡である面ＳＬ２も加え、ＳＬ２→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ２とたどる往復光路を形成して光路を重複させることで、さらに光の重複度を高めて、光路長に対して光学系サイズを非常に小型化している。
【００７６】
また、本実施形態では、面ＳＬ１で中心軸に近づく方向に反射された光を面ＳＬ２で観察者の左眼ＥＬの方向に向けている。すなわち、画像表示素子１１から瞳（観察者の眼）に向かう光線を瞳側から逆トレースした場合に、面ＳＬ２（請求項１にいう「第１の反射面」）で逆トレース光を中心軸から遠ざかる方向（外側）に折り曲げ、さらに面ＳＬ１（請求項１にいう「第２の反射面」）で逆トレース光を中心軸からさらに遠ざかる方向（外側）に折り曲げている。このため、画角に比して左眼ＥＬに向かう光線と上記中心軸との間で光学的に利用する領域が少なく、その分を広画角化に利用することが可能となるため、広画角化を図るのが容易な光学配置を採ることができる。
【００７７】
また、本実施形態では、複数の偏心反射面ＳＬ１，ＳＬ２を用いて光路を折り畳む構成として薄型化を達成しており、前述した往復光路形成の効果と併せて、小型且つ薄型の光学系内に長い光路長をとることができる。このため、左眼用光学系１２内において、画像表示素子１１の表示面ＳＩに表示された原画像の中間像を一度形成し、その中間像を拡大して虚像提示する１回結像の構成をとりつつ光学系をコンパクトに構成することが可能である。
【００７８】
本実施形態では、例えば図６に示すように、面ＳＬ３から面ＳＬ１（再反射）に到る間の中間結像位置に中間像（実像）を結像し、面ＳＬ５，ＳＬ４，ＳＬ２，ＳＬ１，ＳＬ３までをリレー光学系、面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ１を接眼光学系として用いることで、画像表示素子１１の表示面ＳＩのサイズに対して画角設定の自由度を高めることができ、広画角化を図ることができる。
【００７９】
この際、リレー光学系並びに接眼光学系の光学要素の削減のため、リレー光学系と接眼光学系とで発生する収差を互いに打ち消しあうように、中間像は適宜湾曲し、非点隔差を持つ構成としてもよい。こうすることで、全系の光学性能を保ちつつ、光学要素の増加を抑えることができる。
【００８０】
また、本実施形態の構成においては、左眼用光学系１２を構成する偏心反射面としての面ＳＬ１，ＳＬ２の２つの反射面のうち少なくとも一方の偏心反射面を曲面として画像表示素子１１の表示面ＳＩに表示された原画像を拡大提示するようにしている。これらの偏心反射面のうち、曲面反射面を増やすと、結像および収差補正に寄与しない光学要素を削減することができるため、コスト削減および光学性能向上を図ることができる。すなわち、これら２つの偏心反射面をともに曲面とすることで、コスト削減および光学性能の向上を果たすことができる。
【００８１】
また、面ＳＬ３は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を略垂直に反射するような角度で配置されているため、必ずしも中心画角主光線に対して偏心している必要はない。
【００８２】
ここで、面ＳＬ３は、図４に示すように、面ＳＬ１で反射された中心画角主光線が面ＳＬ３に入射し、面ＳＬ３で反射されて再度、面ＳＬ１に向かう際の面ＳＬ３への入射光線と射出光線とのなす角度θ（絶対値）が、
θ＜４５°
となるように構成されていることが好ましい。
【００８３】
この条件を超えると、面ＳＬ３を折り返し反射面として機能させることが難しくなり、往復光路の形成が困難になって、本実施形態の光学系構成の破綻を招く。
【００８４】
さらに望ましくは
θ＜３０°
を満たすことが好ましい。
【００８５】
この条件を超えると、面ＳＬ３に折り返し反射の機能を持たせることはできても、面ＳＬ１の有効面サイズが大きくなり、光学系全体をコンパクトに構成することが困難になる。
【００８６】
したがって、面ＳＬ３は中心画角主光線に対して全く偏心していない（上述のθ＝０°）か、または上述のθの条件の範囲内に入る偏心反射面であることが望ましい。前述した偏心反射面と同様に、折返し反射面である面ＳＬ３を曲面で構成すると、結像および収差補正に寄与しない光学要素を削減することができるため、コスト削減および光学性能の向上を図ることができる。
【００８７】
また、偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった回転非対称な収差、いわゆる偏心収差が発生する。したがって、これらの偏心反射面のうち少なくとも１面を回転非対称形状として、偏心収差を補正することが好ましい。
【００８８】
回転非対称の面を増やせばそれだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を回転非対称面とするとよい。さらに望ましくは、全ての偏心反射曲面を回転非対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。また、面ＳＬ３を回転非対称形状とすると、さらに偏心収差補正の自由度が高めることができるため、良好な光学性能を実現できる。
【００８９】
以上の左眼用光学系１２の構成および光学作用に関する説明は、右眼用光学系１３についても同様である。したがって、ヘッドマウントディスプレイ全体として、単一の画像表示素子１１に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した構成を実現することができる。
【００９０】
また、上記回転非対称面は、画像表示素子１１の表示面ＳＩの中心と左右眼用の光学系１２，１３のそれぞれの射出瞳中心を通る水平面（図の紙面）に対して、上下（図の紙面に垂直な方向）に対称な面対称形状であることが望ましい。このように構成すると、基準の面ができるため、製造・組立等が容易になり、コスト低減効果が得られる。特に、該水平面を唯一の対称面とすると、製造・組立等の基準の面を残したまま、光学設計の自由度が増し、良好な光学性能を得ることができる。また、このような面形状とすることで、左眼用光学系２と右眼用光学系３とは画像表示素子１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）に対して１８０°回転した位置に同一要素を配置した構成となり、左眼用光学系２と右眼用光学系３とを共通部品化できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００９１】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図である。図中、４１は原画像を表示するための単一の画像表示素子である。ＥＬは望ましい位置にある観察者の左眼（瞳孔位置）、ＥＲは望ましい位置にある観察者の右眼（瞳孔位置）である。
【００９２】
４２は左眼用光学系である。この左眼用光学系４２は、少なくとも一部に反射膜が形成された面ＳＬ１、半透過反射膜が形成された面ＳＬ２および反射膜が形成された面ＳＬ３の３つの面を有するプリズム５３と、プリズム５３との接合面ＳＬ２、反射膜が形成された面ＳＬ４および透過面としての面ＳＬ５を有するプリズム５４とで構成されており、画像表示素子４１の表示面ＳＩからの光を左眼ＥＬに導くように配置されている。
【００９３】
４３は右眼用光学系である。この右眼用光学系４３は、少なくとも一部に反射膜が形成された面ＳＲ１、半透過反射膜が形成された面ＳＲ２、反射膜が形成された面ＳＲ３の３つの面を有するプリズム６３と、プリズム６３との接合面ＳＲ２、反射膜が形成された面ＳＲ４および透過面としての面ＳＲ５を有するプリズム６４とで構成されており、画像表示素子４１の表示面ＳＩからの光を右眼ＥＲに導くように配置されている。
【００９４】
本実施形態の左眼用光学系４２と右眼用光学系４３は、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示している）を含み、図の紙面に垂直な平面に対して左右で鏡面対称となるように構成されている。
【００９５】
なお、詳しくは後述するが、本実施形態において望ましい形態は、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３とを構成する各光学面を、図の紙面（水平面）に対して上下で対称形状とするものである。したがって、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３とは、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心を通る法線（図中に一点鎖線で示す）に対して１８０°回転した位置に同一要素を配置した構成となっている。このように構成することで、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３とを同一要素によって実現できるため、製造コスト低減の効果が得られる。
【００９６】
図８は本実施形態における水平面（図の紙面）での最大画角主光線を示した図、図９は本実施形態における中心画角に対する有効瞳径を形成するマージナル光線を示した図である。
【００９７】
図８において、画像表示素子４１の表示面ＳＩの有効表示領域の左右両端から射出した光線は、それぞれ観察者の望ましき瞳孔位置である左眼ＥＬ，右眼ＥＲに集まり、左眼用光学系４２および右眼用光学系４３の射出瞳を形成している。
【００９８】
また、図９において、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出した光線は、左眼用光学系４２および右眼用光学系４３により略平行光に変換されて、無限遠もしくは射出瞳位置から表示面ＳＩまでの距離に比して遠い所定距離にある画素からの光として観察者に認識される。
【００９９】
以下、図７〜図９を用いて本実施形態における光学作用について説明する。なお、これらの図において実線で示した光線は、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出し、左右眼用の光学系４２，４３のそれぞれの瞳中心に到る中心画角主光線を示している。
【０１００】
画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出して左眼用光学系４２に向かった光は、面ＳＬ５で屈折・透過してプリズム５４に入射し、面ＳＬ４で反射され、面ＳＬ２に導かれる。面ＳＬ２はプリズム５４とプリズム５３との接合面であり、少なくとも一方に半透過反射膜が形成され接合されたハーフミラー面である。
【０１０１】
面ＳＬ２に導かれた光の一部は、面ＳＬ２を透過してプリズム５３に入射する。プリズム５３に入射した光は面ＳＬ１で反射され、面ＳＬ３で反射されて再度、面ＳＬ１に向かい、面ＳＬ１で面ＳＬ３に戻るように反射される。面ＳＬ３で再度反射された光は、面ＳＬ１で最初に反射された領域側に向かい、面ＳＬ１でさらに反射される。
【０１０２】
面ＳＬ１で反射された光束の一部は、ハーフミラー面である面ＳＬ２で反射された後、面ＳＬ１に向かい、今度は面ＳＬ１を透過して観察者の左眼ＥＬに導かれる。
【０１０３】
同様に、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心から射出して右眼用光学系４３に向かった光は、面ＳＲ５で屈折・透過してプリズム６４に入射し、面ＳＲ４で反射され、面ＳＲ２に導かれる。面ＳＲ２はプリズム６４とプリズム６３との接合面であり、少なくとも一方に半透過反射膜が形成されて接合されたハーフミラー面である。
【０１０４】
面ＳＲ２に導かれた光の一部は、面ＳＲ２を透過してプリズム６３に入射する。プリズム６３に入射した光は面ＳＲ１で反射され、面ＳＲ３で反射されて再度、面ＳＲ１に向かい、面ＳＲ１で面ＳＲ３に戻るように反射される。面ＳＲ３で再度反射された光は、面ＳＲ１で最初に反射された領域側に向かい、面ＳＲ１でさらに反射される。面ＳＲ１で反射された光束の一部は、ハーフミラー面であるＳＲ２で反射された後、面ＳＲ１に向かい、今度は面ＳＲ１を透過して観察者の右眼ＥＲに導かれる。
【０１０５】
この際、面ＳＬ１および面ＳＲ１での最初の反射および３回目の反射は、これらの面ＳＬ１，ＳＲ１に半透過反射膜を形成したハーフミラーでの反射としてもよいし、プリズム５３，６３での内部全反射を利用するようにしてもよい。内部全反射を用いるようにすると、光の利用効率が高くなるため、明るい画像を表示することができる。
【０１０６】
また、面ＳＬ１，ＳＲ１での透過の際に有効光束が通る領域には反射膜を設けずに内部全反射を用い、それ以外の部位に反射膜を設けて反射させるようにすると、全ての反射光束に対し内部全反射を用いる場合に比べて、さほど明るさを損なうことなく光学設計の自由度を上げることができる。このため、光学性能の向上および光学系の小型化を図ることが可能となる。
【０１０７】
また、面ＳＬ１，ＳＲ１での２回目の反射は、偏心反射面として作用する面ＳＬ１での初回の反射光を偏心反射面である面ＳＬ３を介して受け、再度、面ＳＬ３を介して初回反射と光の進行方向が左右方向逆向きに面ＳＬ１で３回目の反射が行われるように戻すように反射する折り返し反射である。したがって、面ＳＬ１，ＳＲ１での２回目の反射光束の有効領域には、反射膜を形成することが必要である。
【０１０８】
このように一部に反射膜を形成して反射膜による反射領域と、内部全反射領域若しくは半透過反射領域とを共存させる際には、その境目付近を内部全反射若しくは半透過反射領域側から反射膜での反射領域側に向かう方向（ここでは一点鎖線で示した中心軸線から遠ざかる方向）にいくにしたがって徐々に膜厚を増すようなグラデーション反射膜とすると、その境界部が目立たなくなるため、好ましい。
【０１０９】
本実施形態においては、このように面ＳＬ１，ＳＲ１に２回の偏心反射と折り返し反射と透過の作用を兼用させており、必要な光学要素数を削減している。また、面ＳＬ２，ＳＲ２も透過と偏心反射との作用を兼用させており、さらに光学要素数削減効果を得ている。
【０１１０】
また、左眼用光学系４２において、面ＳＬ２からプリズム５３に入射した光が図の一点鎖線で示された中心軸に対して遠ざかる方向（左方）に進んで面ＳＬ１に入射し、面ＳＬ１でさらに中心軸から遠ざかる方向に反射され、面ＳＬ３で偏向されて面ＳＬ１に略垂直に入射する方向に向かう。面ＳＬ１では、その光を逆方向に反射し、面ＳＬ３に戻す。面ＳＬ３では中心軸に近づく方向に反射され、面ＳＬ１でさらに中心軸に近づく方向に反射される。
【０１１１】
このように、ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１とたどる往復光路を形成することで、光学系中で光路を重複させて光学系のサイズを小型化している。
【０１１２】
さらに本実施形態においては、プリズム５３に光を入射させる面であり、且つプリズム５３内での最終反射凹面鏡となる面ＳＬ２も加え、ＳＬ２→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ３→ＳＬ１→ＳＬ２とたどる往復光路を形成して光路を重複させることで、さらに光の重複度を高めて、光路長に対して光学系サイズを非常に小型化している。
【０１１３】
また、本実施形態では、面ＳＬ１で中心軸に近づく方向に反射された光を面ＳＬ２で観察者の左眼ＥＬの方向に向けている。すなわち、画像表示素子４１から瞳（観察者の眼）に向かう光線を瞳側から逆トレースした場合に、面ＳＬ２（請求項１にいう「第１の反射面」）で逆トレース光を中心軸から遠ざかる方向（外側）に折り曲げ、さらに面ＳＬ１（請求項１にいう「第２の反射面」）で逆トレース光を中心軸からさらに遠ざかる方向（外側）に折り曲げている。
【０１１４】
このため、画角に比して、左眼ＥＬに向かう光線と上記中心軸との間で光学的に利用する領域が少なく、その分を広画角化に利用することが可能となるため、広画角化を図るのが容易な光学配置となっている。
【０１１５】
また、本実施形態では、複数の偏心反射面としての面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３を用いて光路を折り畳む構成として薄型化を達成しており、前述した往復光路形成の効果と併せて、小型且つ薄型の光学系内に長い光路長をとることができる。このため、左眼用光学系４２内において、画像表示素子４１の表示面ＳＩに表示された原画像の中間像を一度形成し、その中間像を拡大して虚像提示する１回結像の構成をとりつつ光学系をコンパクトに構成することが可能である。
【０１１６】
本実施形態では、例えば図９に示すように、面ＳＬ３から面ＳＬ１（折り返し反射）に到る間の中間結像位置に中間像（実像）を結像し、面ＳＬ５，ＳＬ４，ＳＬ２，ＳＬ１，ＳＬ３，ＳＬ１までをリレー光学系、面ＳＬ３，ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ１を接眼光学系として用いることで、画像表示素子４１の表示面ＳＩのサイズに対して画角設定の自由度を高めることができ、広画角化を図ることができる。
【０１１７】
この際、リレー光学系並びに接眼光学系の光学要素の削減のため、リレー光学系と接眼光学系とで発生する収差を互いに打ち消しあうように、中間像は適宜湾曲し、非点隔差を持つ構成としてもよい。こうすることで、全系の光学性能を保ちつつ、光学要素の増加を抑えることができる。
【０１１８】
また、本実施形態の構成においては、左眼用光学系４２を構成する偏心反射面としての面ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３の３つの反射面のうち少なくとも一つの偏心反射面を曲面として、画像表示素子４１の表示面ＳＩに表示された原画像を拡大提示するようにしている。
【０１１９】
これらの偏心反射面のうち、曲面反射面を増やすと、結像および収差補正に寄与しない光学要素を削減することが出来るため、コスト削減および光学性能の向上を図ることができる。すなわち、これら２つの偏心反射面をともに曲面とすることで、コスト削減および光学性能の向上を果たすことができる。
【０１２０】
また、面ＳＬ１は、前述した往復光路形成のために、中心画角主光線を略垂直に反射するような角度で配置されているため、必ずしも中心画角主光線に対して偏心している必要はない。
【０１２１】
ここで、面ＳＬ１は、図７に示すように、面ＳＬ１で反射された中心画角主光線がＳＬ３を介して入射し、面ＳＬ３を介して再度、面ＳＬ１に向かうように反射する際（２回目反射の際）の面ＳＬ１への入射光線と射出光線とのなす角度θ（絶対値）が、
θ＜４５°
となるように構成されていることが好ましい。
【０１２２】
この条件を超えると、面ＳＬ１を折返し反射面として機能させることが難しくなり、往復光路の形成が困難になって、本実施形態での光学系構成の破綻を招く。
【０１２３】
さらに望ましくは
θ＜３０°
を満たすことが好ましい。
【０１２４】
この条件を超えると、面ＳＬ１に折返し反射の機能を負わせることはできても、面ＳＬ３ないし面ＳＬ１の有効面サイズが大きくなり、光学系全体をコンパクトに構成することが困難になる。
【０１２５】
したがって、２回目の反射に際しての面ＳＬ１は、中心画角主光線に対して全く偏心していない（上述のθ＝０°）か、または上述のθの条件の範囲内に入る偏心反射面であることが望ましい。
【０１２６】
また、偏心反射面を曲面とすると、従来の共軸回転対称光学系では発生しなかった回転非対称な収差、いわゆる偏心収差が発生する。したがって、これらの偏心反射面のうち少なくとも１面を回転非対称形状として、偏心収差を補正することが好ましい。回転非対称の面を増やせば、それだけ偏心収差補正の自由度が増すため、できれば複数の面を回転非対称面とするとよい。
【０１２７】
さらに望ましくは、全ての偏心反射曲面を回転非対称形状とすると、非常に良好な光学性能が達成できる。
【０１２８】
以上の左眼用光学系４２の構成および光学作用に関する説明は、右眼用光学系４３についても同様である。したがって、ヘッドマウントディスプレイ全体として、単一の画像表示素子４１に表示された原画像を左右の眼に導く光学系でありながら、コストを抑えつつ、コンパクトかつ広画角化に適した構成を実現することができる。
【０１２９】
また、上記回転非対称面は、画像表示素子４１の表示面ＳＩの中心と左右眼用の光学系４２，４３のそれぞれの射出瞳中心を通る水平面（図の紙面）に対して、上下（図の紙面に垂直な方向）にて対称な面対称形状であることが望ましい。このように構成すると、基準の面ができるため、製造・組立等が容易になり、コスト低減効果が得られる。特に、該水平面を唯一の対称面とすると、製造・組立等の基準の面を残したまま、光学設計の自由度が増し、良好な光学性能を得ることができる。
【０１３０】
なお、本実施形態のように、画像表示素子４１が光学系４２，４３に対して観察者側にやや迫り出す場合は、図１４に点線で示した位置で、中心画角主光線を含む水平面（図の紙面）から外れる方向に光路を折り曲げてもよい。
【０１３１】
図１５は、ミラーＳＬ６を追加配置することで、図１４の紙面に対して垂直に光路を折り曲げた場合の左眼用光学系の斜視図である。このようにミラーＳＬ６で光路を折り曲げることにより、ヘッドマウントディスプレイを構成する場合に必要な観察者の鼻を避けるためのスペースができ易くなるため、バックフォーカスを無理に短く抑える必要がなくなり、光学性能を出し易くなる。
【０１３２】
以上説明した各実施形態において、反射膜とは、透過光が実質的に０となるような膜のことであり、一部の光が透過するものは半透過反射膜として区別した。但し、半透過反射膜といっても、透過率と反射率とがほぼ等しいものだけに限定するものではない。
【０１３３】
［数値実施例１］
図１０および図１１は、本発明の数値実施例１を説明するための図である。数値実施例１は、上述した第３実施形態に従うものである。
【０１３４】
図１０において、ＳＩは画像表示素子４１の表示面であり、ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５はそれぞれ、左眼用光学系４２を構成する光学面、ＳＬＳは左眼用光学系４２の射出瞳である。
【０１３５】
また、ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５はそれぞれ、右眼用光学系４３を構成する光学面、ＳＲＳは右眼用光学系４３の射出瞳である。
【０１３６】
第３実施形態において好ましい構成として述べた通り、左眼用光学系４２と右眼用光学系４３との各面を紙面断面であるｙｚ断面を唯一の対称面とする面対称形状としたために、左右光学系は同一構成であるので、以降は一方の光学系（左眼用光学系４２）のみについて説明する。これは以降の数値実施例においても同様である。
【０１３７】
この際、瞳ＳＬＳの中心を原点とし、視軸（瞳ＳＬＳと面ＳＬ１との間の中心画角主光線に一致する）方向にｚ軸にとり、図の紙面（中心画角主光線を含む平面）とｚ軸に垂直な方向にｙ軸をとり、右手系を形成するように図で紙面奥向きを正としてｘ軸をとった座標系を用いる。そして、この座標系における面配置は、表示面ＳＩから瞳ＳＬＳに至る光線を逆トレースした順に面番号を付して表す。
【０１３８】
したがって、図１１のように、瞳をＳ１とし、図１０の面ＳＬ１を逆トレース光線の入射面Ｓ２，偏心反射面Ｓ４，折返し反射面Ｓ６、偏心反射面Ｓ８とし、面ＳＬ２を偏心反射面Ｓ３，透過面Ｓ９とし、面ＳＬ３を偏心反射面Ｓ５，Ｓ７とし、面ＳＬ４を反射面Ｓ１０とし、面ＳＬ５を透過面Ｓ１１として、表示面はそのままＳＩとして表記する。
【０１３９】
また、面配置はｙｚ断面においてのみ偏心しており、したがってｘ軸周りの回転が生じている。これを図で半時計回り方向を正方向として、Ａ（単位：°）で表す。
【０１４０】
光学データ表では、面番号ＳＵＲＦと各面を記述する位置および回転角を上述の通り、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａで表し、曲率半径をＲ、面定義のタイプをｔｙｐ、面の後の媒質の屈折率およびアッベ数をＮｄ，νｄ（但し、表中ではｖｄ）で表している。
【０１４１】
なお、空気はＮｄ＝１，νｄ＝０とし、面が光を反射する際はＮｄの符号が変化するように表している。面定義タイプがＳＰＨのものは曲率半径Ｒの値のみで表される球面、ＳＰＳのものはその後に記載の番号に従い、表下欄に示した係数を持つ次式（１）で表される回転非対称面である。表で明示されない係数については、その項の係数が０であることを意味する。
【０１４２】
【数１】
但し、ｃ＝１／Ｒ，ｒ＝√（ｘ2＋ｙ2）
以上の説明は、数値実施例２以降の数値実施例についても同様である。
【０１４４】
数値実施例１のデータを表１に示す。本データは、長さの単位をｍｍとするときに、対角約０．５”（10.2mm×7.6mm ）の表示面に対して、水平（ｙ方向）画角３０°，垂直画角２３°程度，瞳径φ１０ｍｍの光学系を実現可能である。
【０１４５】
光学設計的には、無限遠方から瞳Ｓ１を通った光束を、面Ｓ２より第１のプリズムに入射させ、面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８と順次反射させて面Ｓ９より第２のプリズムに入射させ、面Ｓ１０で反射させ、面Ｓ１１より射出させて表示面ＳＩに結像させる構成になっている。
【０１４６】
したがって、表示面ＳＩからの光束は上述と逆の経路をたどって瞳Ｓ１に導かれ、瞳Ｓ１の位置に瞳孔を置いた観察者によって無限遠方に水平画角３０°の拡大虚像が認識される。
【０１４７】
【表１】
［数値実施例２］
図１２は、本発明の数値実施例２の光学系の要部構成を示した図である。この数値実施例２は、上記第２実施形態の変形例を表すものである。第１のプリズムＰ１は第２実施形態で説明したプリズム２１，３１と同様の形態であり、レンズ２２，３２の代わりに第２のプリズムＰ２を用いている。表２に数値実施例２の光学データを示す。
【０１４９】
なお、表中の記号等は基本的に表１と同じである。但し、ｔｙｐの項がＺＲＮ＊で表されているものは、表下欄に示した係数を持つ次式（２）で表される回転非対称面である。表で明示されない係数については、その項の係数が０であることを意味する。
【０１５０】
【０１５１】
光学設計的には、無限遠方から瞳Ｓ１を通った光束を、面Ｓ２より第１のプリズムＰ１に入射させ、面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と順次反射させて面Ｓ７より射出させる。この光束を面Ｓ８より第２のプリズムに入射させ、面Ｓ９で反射させ、面Ｓ１０より射出させて、表示面ＳＩに結像させる構成になっている。したがって、表示面ＳＩからの光束は上述と逆の経路をたどって瞳Ｓ１に導かれ、瞳Ｓ１の位置に瞳孔を置いた観察者によって、無限遠方に水平画角３０°の拡大虚像が認識される。
【０１５２】
【表２】
［数値実施例３］
図１３は、本発明の数値実施例３の光学系の要部構成を示した図である。この数値実施例３も、上記第２実施形態の変形例を表す数値実施例である。第１のプリズムＰ１は第２実施形態で説明したプリズム２１，３１と同様の形態であり、レンズ２２，３２の代わりに第２のプリズムＰ２を用いている。
【０１５４】
数値実施例２との違いは、第２のプリズムＰ２における反射回数が増加している点である。表３に数値実施例２の光学データを示す。
【０１５５】
なお、表中の記号等は基本的に表１と同じである。但し、ｔｙｐの項がＺＲＮ＊で表されているものは、表下欄に示した係数を持つ前述の式（２）で表される回転非対称面である。表で明示されない係数については、その項の係数が０であることを意味する。
【０１５６】
本データにおいても、長さの単位をｍｍとするときに、対角約０．５”（10.2mm×7.6mm ）の表示面に対して、水平（ｙ方向）画角３０°，垂直画角２３°程度，瞳径φ１０ｍｍの光学系を実現可能である。光学設計的には、無限遠方から瞳Ｓ１を通った光束を、面Ｓ２より第１のプリズムＰ１に入射させ、面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と順次反射させて面Ｓ７より射出させる。この光束を面Ｓ８より第２のプリズムに入射させ、面Ｓ９，面Ｓ１０で反射させ、面Ｓ１１より射出させて、表示面ＳＩに結像させる構成になっている。
【０１５７】
したがって、表示面ＳＩからの光束は上述と逆の経路をたどって瞳Ｓ１に導かれ、瞳Ｓ１の位置に瞳孔を置いた観察者によって、無限遠方に水平画角３０°の拡大虚像が認識される。
【０１５８】
【表３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置において、左右眼用光学系の射出瞳間距離を一般的な観察者の眼間距離程度に保持しつつ、広画角化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（中心画角主光線図）。
【図２】上記第１実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（最大画角主光線図）。
【図３】上記第１実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（マージナル光線図）。
【図４】本発明の第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（中心画角主光線図）。
【図５】上記第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（最大画角主光線図）。
【図６】上記第２実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（マージナル光線図）。
【図７】本発明の第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（中心画角主光線図）。
【図８】上記第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（最大画角主光線図）。
【図９】上記第３実施形態であるヘッドマウントディスプレイの要部構成図（マージナル光線図）。
【図１０】本発明の数値実施例１の要部構成図。
【図１１】上記数値実施例１の要部構成図。
【図１２】本発明の数値実施例２の要部構成図。
【図１３】本発明の数値実施例３の要部構成図。
【図１４】上記第３実施形態の変形例を示す平面図。
【図１５】上記第３実施形態の変形例を示す斜視図。
【図１６】従来のヘッドマウントディスプレイの要部構成図。
【図１７】従来のヘッドマウントディスプレイの要部構成図。
【図１８】従来のヘッドマウントディスプレイの要部構成図。
【符号の説明】
１，１１，４１ 画像表示素子
２，１２，４２ 左眼用光学系
３，１３，４３ 右眼用光学系
ＥＬ 観察者の左眼
ＥＲ 観察者の右眼
Claims (7)
- 原画像を表示する単一の画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を瞳の近傍に配置される観察者の左右の眼に導き、前記画像表示素子の表示面の中心を通る垂直面に対して左右で対称となるように構成された左眼用光学系および右眼用光学系とを有し、
前記画像表示素子から前記瞳に進む光を前記瞳側から逆トレースしたとき、前記左眼用光学系および前記右眼用光学系がそれぞれ、
前記瞳からの逆トレース光を、前記垂直面内において前記画像表示素子の表示面の中心を通り前記表示面の法線である中心軸から離れる方向に反射する第１の反射面と、
前記第１の反射面で反射した逆トレース光をさらに前記中心軸から離れる方向に反射する第２の反射面とを有することを特徴とする画像表示装置。 - 前記左眼用光学系および前記右眼用光学系がそれぞれ、水平面に対して上下で面対称となるように構成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。
- 前記左眼用光学系および前記右眼用光学系がそれぞれ、前記第１および第２の反射面を含む複数の反射面を有し、
前記複数の反射面のうち少なくとも１つの反射面が偏心曲面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記左眼用光学系および前記右眼用光学系がそれぞれ、前記第１および第２の反射面を含む複数の反射面を有し、
前記複数の反射面のうち少なくとも１つの反射面が回転非対称面であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記左眼用光学系および前記右眼用光学系内において、前記画像表示素子からの光が中間結像することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
- 前記左眼用光学系および前記右眼用光学系がそれぞれ、
前記第２の反射面で反射した逆トレース光を再度、前記第２の反射面で反射させるように反射して戻す折返し反射面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１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置と、前記画像表示素子に原画像を表示させるための画像情報を前記画像表示装置に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。
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