JP6061552B2 - 頭部装着型の画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、原画形成部に形成される画像を光学系で利便性良く拡大観察できる頭部装着型の画像表示装置であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に関する。

従来より、原画形成部に形成される画像を、レンズや凹面鏡などの光学系を介して拡大虚像として視認させる画像表示装置が知られている。特許文献１では、原画の一部を第１表示手段に、残りの部分を第２表示手段に表示して、それぞれに対応する２つの平面ハーフミラーと、共通の凹面鏡とにより拡大虚像を導くようにしている。また、特許文献２では、原画形成部の画像の一画素に対応するそれぞれのレンズを備えたマイクロレンズアレイとバリア素子により画素を照明することで、原画の拡大像を観察可能にしている。

特開平０７−２７４０９７号公報 特開２００２−１８９１９０号公報

しかしながら、上述した従来技術では、光学系の小型化、薄型化が困難であり、あるいは観察領域が狭いために周辺画像に注目することができなかった。即ち、特許文献１では、原画を複数に分けたために、それぞれに対応する光学系部分の有効径はコンベンショナルな構成に対して小さくなる。しかしながら、第１表示手段に表示された画像は第２表示手段に表示された画像と少なくとも一部が共通ではなく、一方のみに表示された画像からの光束が射出瞳位置に到達しなければならない。従って、それぞれの画像に対応する光学系部分の有効径は、必要な射出瞳径Ｄより大きくする必要がある。

また特許文献２では、画像の一画素に対応する光学要素（マイクロレンズ）からなるマイクロレンズアレイと開口とにより拡大像を提示しているため、マイクロレンズを射出する光束幅が小さく、観察領域が狭いために周辺画像に注目することができない。

本発明の目的は、光学系の小型化、薄型化を図ると共に、観察領域が広く周辺画像に注目することができる頭部装着型の画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る頭部装着型の画像表示装置は、複数の画像形成領域に同一の画像を形成する原画形成部と、前記画像形成領域の夫々に対応する光学要素を有し、前記同一の画像を表示する複数の画像形成要素に対応した射出瞳を形成する光学系と、を有し、観察者に前記同一の画像と同じ画像を提示する頭部装着型の画像表示装置であって、前記画像表示装置における最大画角（半画角）をω、観察者の眼の瞳半径をＲｐ、眼球回転中心から眼の瞳までの距離をＲ、前記光学系の射出瞳径をＤとするとき、
Ｄ＞２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ω）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ω））
を満足し、かつ、前記複数の画像形成領域のうち隣接する２つの画像形成領域の、各々の画像形成領域内の同一画素から出射し、前記対応する光学要素を介した平行光束同士の隙間が２ｍｍ未満である、ことを特徴とする。

本発明によれば、光学系の小型化、薄型化を図ると共に、観察領域が広く周辺画像に注目することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置における画像観察の様子を説明する要部概略図、（ｂ）は２つの画像形成要素と、対応する２つの光学要素を用いた場合の広い観察領域を示す図、（ｃ）は比較例として１つの画像形成要素と、対応する１つの光学要素を用いた場合の狭い観察領域を示す図である。 （ａ）は第１の実施形態における要部水平方向断面図、（ｂ）は第１の実施形態における要部垂直方向断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例を示す図である。 本発明の第１の実施形態のその他の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態による画像観察の様子を説明する要部概略図である。 （ａ）は第２の実施形態における要部水平方向断面図、（ｂ）は第２の実施形態における要部垂直方向断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る画像表示装置における画像観察の様子を説明する要部概略図である。 （ａ）は第３の実施形態における要部水平方向断面図、（ｂ）は第３の実施形態における要部垂直方向断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る画像表示装置における画像観察の様子を説明する要部概略図である。 本発明の第５の実施形態に係る画像表示装置における画像観察の様子を説明する要部概略図である。 本発明の第５の実施形態における要部水平方向断面図である。 本発明の第６の実施形態における要部水平方向断面図である。 本発明の第７の実施形態の画像要素形成のシステムを説明する断面図である。 本発明の第８の実施形態の画像要素形成のシステムを説明する断面図である。 本発明の第９の実施形態の画像要素形成のシステムを説明する断面図である。 本発明の第９の実施形態のビーム発生手段の構成例を示す図である。 本発明の第１０の実施形態を説明する断面図である。 観察者の眼球が回転した場合における必要な射出瞳径を示す説明図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置における画像観察の様子を説明する要部概略図である。また図２（ａ）は第１の実施形態における要部水平方向断面図、図２（ｂ）は第１の実施形態における要部垂直方向断面図である。図中、１は光学系、２は画像表示素子（原画形成部）である。

（画像形成部）
本実施形態においては、画像生成手段により生成された原画の情報が、駆動回路によって、単一の表示手段２上の複数の画像形成領域に同一の画像（共通の画像）として形成される。即ち、複数の画像形成領域に同一の画像を形成する画像形成部が設けられる。ここで、本明細書では、複数の画像形成領域に形成された個々の同一画像２０１〜２１５を、「画像要素」と称する。画像要素は、画像形成に必要な複数の画素を用いて構成されている。また、「同一の画像」とは、図１等で示す同一の画像の場合の他、図７で示す実質的に同一の画像の場合を含む。

（光学系）
本実施形態の光学系１は、複数の画像要素２０１〜２１５に対して、それぞれ対応する光学要素であるレンズ１０１〜１１５を有したレンズアレイ素子１０より成る。本実施形態においては、光学系１は、全て同一形状のレンズ１０１〜１１５を光学要素としている。

（観察者の眼球の回転を考慮した光学系の射出瞳径）
画像表示装置として、頭部装着型の画像表示装置（ＨＭＤ）においては、観察者に対して原画形成部が固定であるために、観察者の眼球が回転して周辺を見る場合にも画像光が観察者の瞳に入るような射出瞳径を有する光学系が必要とされる。

即ち、図１８で、画像表示装置における最大画角（半画角）をω、観察者の眼の瞳半径をＲｐ、眼球回転中心から眼の瞳までの距離をＲ、眼球が回転したときの瞳下端位置Ｂ’の光軸からの高さをＨ２とするとき、光学系の射出瞳径Ｄは、以下の（１）式を満足する。

Ｄ＞２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ω）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ω）） ・・・（１）
これは、Ｄ／２＞Ｈ２を前提に、Ｈ２＝Ｒ＊ｓｉｎ（ω）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ω）から導かれる。Ｄが（１）式の右辺の値である２×Ｈ２を下回ると、観察者の瞳には最大画角光線が入って来ず、画像のケラレが生じる。

更に好ましくは、以下の（２）式も満足するようにする。
Ｄ＞２＊Ｒ＊ｓｉｎ（ω） ・・・（２）
これは、眼球が回転したときの瞳中心位置に最大画角主光線が入る条件であるＤ／２＝Ｒ＊ｓｉｎ（ω）を最低限確保するというものである。

更に好ましくは、以下の（３）式も満足するようにする。

Ｄ≧２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ω）＋Ｒｐ＊ｃｏｓ（ω）） ・・・（３）
これは、眼球が回転したときの瞳上端位置Ａ’の光軸からの高さをＨ１とするときに、Ｄ／２≧Ｈ１を前提に、Ｈ１＝Ｒ＊ｓｉｎ（ω）＋Ｒｐ＊ｃｏｓ（ω）から導かれる。

（３）式も満足する場合には、最大画角観察時にも、最大画角からの光束が全て観察者の瞳に入るようにして、周辺光量落ちを防ぐようにできる。なお、装着時や装着後のずれを考えると、光学系の射出瞳は更に大きい方が良い。

（観察領域の拡大）
ここで、本発明における観察領域の拡大に関する作用について説明する。図１（ｂ）は２つの画像形成要素と、対応する２つの光学要素を用いた場合の広い観察領域を示す図、図１（ｃ）は比較例として１つの画像形成要素と、対応する１つの光学要素を用いた場合の狭い観察領域を示す図である。各画像形成要素には同一画像が形成され、同一画像の上端位置をＡ、下端位置をＢ、中央部位置をＣとするとき、上端位置Ａ、下端位置Ｂ、中央部位置Ｃが全て観察できる領域を斜線部で示している。図１（ｃ）に対し、図１（ｂ）では観察領域が拡大していることが分かる。

観察領域が拡大すると、観察者の眼球が回転した場合にも周辺画像に注目することができる。また、レンズの焦点距離を小さくしても離れた位置から観察でき、小型化、薄型化が可能となる。

なお、このような画像表示装置においては、光学系と観察者の瞳との間の距離（アイレリーフ）は所定の量が必要である。アイレリーフは、一般に最低１０ｍｍ程度は必要とされ、眼鏡をかけた観察者に対応させるためには最低でも１５ｍｍ、望ましくは２０ｍｍ以上のアイレリーフが必要とされている。

このような所定量のアイレリーフを確保するためには、図１（ｃ）では、光学系の有効径が大きいことが必要となる。具体的には、アイレリーフＥＲだけ離れた位置のレンズの有効径はＤ＋２＊ＥＲ＊ｔａｎ（ω）以上が必要となる。これに対し、図１（ｂ）では、レンズの有効径を小さな値に維持できる。

（各レンズの作用）
本実施形態におけるレンズアレイを構成する各レンズ（光学要素）の作用について述べる。各画像要素に対して、各光学要素はその焦点距離だけ離れた位置に配置されている。なお、画像要素間のピッチと、光学要素間のピッチとは同一として配置されている。

光学要素であるレンズを理想的な薄肉レンズとして考えると、画像要素の一画素から出た光束は、レンズの焦点距離だけ離れた光学要素により、平行光束に変換される。

１）水平断面における作用
光学要素を理想的なレンズと考えると、図２（ａ）の断面（水平断面）において、１つの画像要素上の一点を出て対応する光学要素により形成される光束の幅ＷＨは、該断面における光学要素の幅（レンズ径）に等しい。 光学系に対して所定距離離れた箇所（アイポイント位置）に眼を置いた観察者は、一つの画像要素とそれに対応する一つの光学要素により、原画の一部を無限遠に拡大形成された虚像として認識することができる。

図２（ａ）の断面において、一方の最大画角に対応する画像要素２０６上の最端画素をＰＬ、他方の最大画角に対応する画像要素２１０の最端画素をＰＲとする。その際、画素ＰＬ上の一点を出て対応する光学要素１０６により平行光に変換された外側の最端光線をＲＬ、画素ＰＲ上の一点を出て対応する光学要素１１０により平行光に変換された最端光線をＲＲとする。光線ＲＬと光線ＲＲとが、光学系１より所定の距離（アイレリーフ）ＥＲだけ離れたアイポイント位置に形成する領域が、光学系１全体の射出瞳Ｓとなっている。この断面における光学系１全体の射出瞳径はＤＨとなっている。

図２（ａ）の断面においては、５つの同一画像である画像要素２０６〜２１０上の画素と、夫々に対応する光学要素１０６〜１１０によって射出する光束が隣り合うように構成されている。このように５つの画像要素が同一画像部を含む構成としたことで、アイポイント位置に形成される瞳径ＤＨを大きいものにしている。

ここで、図２（ａ）の断面において、最大画角（半画角）をωＨ、観察者の眼の瞳半径をＲｐ、眼球回転中心から眼の瞳までの距離をＲとする。そのとき、本実施形態における図２の断面（水平断面）における画像要素上の一点を出て対応する光学要素により変換された平行光束の幅ＷＨは２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）＋Ｒｐ＊ｃｏｓ（ωＨ））よりも小となるようにすることが好ましい。この条件を満足することによって、一つの光学要素の口径を制限することになり、レンズの焦点距離を短くして光学系の厚みを薄くする効果をもたらすことができる。

より好ましくは、該平行光束の幅ＷＨは２＊Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）よりも小となるようにすることが好ましい。更には、該平行光束の幅ＷＨは２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ωＨ））よりも小となるようにすることが好ましい。ＷＨに対する条件が狭くなるほど、光学系を薄くすることができる。

２）垂直断面における作用
次に、図２（ｂ）の断面における作用を説明する。光学要素であるレンズを理想的な薄肉レンズとして考えると、図２（ｂ）の断面（垂直断面）において、１つの画像要素上の一点を出て対応する光学要素により形成される光束の幅ＷＶは、該断面における光学要素の幅（レンズ径）に等しい。

図２（ｂ）の断面において、一方の最大画角に対応する画像要素２０３上の最端画素をＰＵ、他方の最大画角に対応する画像要素２１３の最端画素をＰＤとする。その際、画素ＰＵ上の一点を出て対応する光学要素１０３により平行光に変換された外側の最端光線をＲＵ、画素ＰＤ上の一点を出て対応する光学要素１１３により平行光に変換された最端光線をＲＤとする。光線ＲＵと光線ＲＤとが、光学系１より所定の距離（アイレリーフ）ＥＲだけ離れたアイポイント位置に形成する領域が、光学系１全体の射出瞳Ｓとなっている。この断面における光学系１全体の射出瞳径はＤＶとなっている。

図２（ｂ）の断面においては、３つの同一画像である画像要素２０３、２０８、２１３上の同一画素と、それぞれに対応する光学要素１０３、１０８、１１３によって射出する光束が隣り合うように構成されている。このように３つの画像要素で同一画像部を含む構成としたことで、アイポイント位置に形成される瞳径ＤＶを大きいものにしている。

ここで、本実施形態における図２（ｂ）の断面（垂直断面）において、最大画角（半画角）をωＶとする。そのとき、本実施形態における図２（ｂ）の断面（垂直断面）における該平行光束の幅ＷＶも、２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ωＶ）＋Ｒｐ＊ｃｏｓ（ωＶ））よりも小となるように構成されることが好ましい。この条件を満足することによって、一つの光学要素の口径を制限することになり、レンズの焦点距離を短くして光学系の厚みを薄くする効果をもたらしている。

より好ましくは、該平行光束の幅ＷＶは２＊Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）よりも小となるようにすることが好ましい。更には、該平行光束の幅ＷＶは２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ωＨ））よりも小となるようにすることが好ましい。ＷＶに対する条件が狭くなるほど、光学系を薄くすることができる。

（本実施形態の効果）
以上のようにして、１つの画像要素とそれに対応する１つの光学要素とでは原画の一部の拡大虚像としか認識できないが、それらを水平方向、垂直方向ともに複数配列して、原画の全体の拡大虚像観察を可能としている。また、画像要素の一点を発して対応する光学要素を通った光束の幅が狭くても、観察に必要な広い射出瞳径を光学系全体で達成することが可能となる。

また、レンズの径が小さいために、比較的広画角を実現しやすい。そして、Ｆナンバーによって収差の影響が決まるので、高い光学性能が必要な場合、広画角である程度厚い（焦点距離の長い）光学系か、さほど広画角でないが厚みが薄い（焦点距離の短い）光学系かを適宜選択することができる。

本実施形態のように各光学要素を単レンズで構成する場合は、Ｆナンバーを２程度以上にすることが好ましいが、各光学要素を複数レンズで構成する等によって収差補正すれば、光学要素のＦナンバーが小さくても高い光学性能が出せる。従って、本実施形態の効果としては、薄型で広画角且つ広い瞳径の画像表示装置が実現できる。

《第２の実施形態》
図５は、本発明の第２の実施形態による画像観察の様子を説明する要部概略図である。
また図６（ａ）は、第２の実施形態における要部水平方向断面図、図６（ｂ）は第２の実施形態における要部垂直方向断面図である。図中、１は本実施形態の光学系であり、光学要素である水平方向にパワーを有するシリンドリカルレンズ１２１〜１２５を水平方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ素子１２と、垂直方向にパワーを有したシリンドリカルレンズ１３とを有している。

２は画像表示素子であり、画像要素２２１〜２２５が短冊状に表示されている。画像生成手段により生成された原画の情報は、駆動回路を介して単一の表示手段２上の複数領域に同一の画像として形成される。本実施形態では、原画のアスペクトを変えた状態で画像要素が形成されている。

（水平断面における作用）
図６（ａ）の断面において、本実施形態の光学系１の作用について述べる。本実施形態においても、各画像要素に対して、各光学要素はその焦点距離だけ離れた位置に配置されている。また、本実施形態においても、画像要素間のピッチと光学要素間のピッチとは同一として配置されている。従って、本実施形態における画像要素２２１〜２２５の一点を出た光束は、対応する光学要素であるシリンドリカルレンズ１２１〜１２５により幅ＷＨの平行光束に変換されて射出される。シリンドリカルレンズアレイ１２を通過した光束は、本断面上でパワーを持たないシリンドリカルレンズ１３を単に通過する。

各シリンドリカルレンズ１２１〜１２５を理想的な薄肉レンズと仮定すると、各画像要素上で同一画素である点からの光は、所定方向からの５＊ＷＨの幅の平行光束として、光学系１を射出する。図６（ａ）の断面において、一方の最大画角に対応する画像要素２２１上の最端画素をＰＬ、他方の最大画角に対応する画像要素２２５の最端画素をＰＲとする。その際、画素ＰＬ上の一点を出て対応する光学要素１２１により平行光に変換された外側の最端光線をＲＬ、画素ＰＲ上の一点を出て対応する光学要素１２５により平行光に変換された最端光線をＲＲとする。

光線ＲＬと光線ＲＲとが、光学系１より所定の距離（アイレリーフ）ＥＲだけ離れた位置に形成する領域が、光学系１全体の射出瞳Ｓとなっている。この断面における光学系１全体の射出瞳径はＤＨとなっている。従って、射出瞳Ｓの範囲内（アイポイント位置）に眼を置いた観察者は、本断面上の画像要素の画素からの光を、無限遠からの異なる角度の光として認識することができる。

図６（ａ）の断面においては、５つの同一画像である画像要素２２１〜２２５上の画素と、夫々に対応する光学要素１２１〜１２５によって射出する光束が隣り合うように構成されている。このように５つの画像要素が同一画像部を含む構成としたことで、アイポイント位置に形成される瞳径ＤＨを大きいものにしている。

本実施形態においても、図６（ａ）の断面（水平断面）における画像要素上の一点を出て対応する光学要素により変換された平行光束の幅ＷＨは２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）＋Ｒｐ＊ｃｏｓ（ωＨ））よりも小となるようにすることが好ましい。この条件を満足することによって、一つの光学要素の口径を制限することになり、レンズの焦点距離を短くして光学系の厚みを薄くする効果をもたらすことができる。

より好ましくは、該平行光束の幅ＷＨは２＊Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）よりも小となるようにすることが好ましい。更には、該平行光束の幅ＷＨは２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ωＨ）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ωＨ））よりも小となるようにすることが好ましい。ＷＨに対する条件が狭くなるほど、光学系を薄くすることができる。

（垂直断面における作用）
次に、図７（ｂ）の断面において、本実施形態の光学系１の作用について述べる。画像要素２２３を発した光束は、垂直断面方向にパワーを持たないシリンドリカルレンズアレイ１２によっては作用を受けず、発散光束のまま通過してシリンドリカルレンズ１３に入射する。シリンドリカルレンズ１３は、垂直断面での焦点距離分だけ画像要素２２３からの光路長が離れて配置されており、画像要素２２３上の一点からの光束を平行光に変換する。本断面においては、シリンドリカルレンズアレイ１２並びにシリンドリカルレンズ１３は、画像要素２２３の幅に対してＤＶ以上の有効径を有している。

図７（ｂ）の断面において、一方の最大画角に対応する画像要素２２３上の最端画素をＰＵ、他方の最大画角に対応する画像要素２２３の最端画素をＰＤとする。その際、画素ＰＵ上の一点を出てシリンドリカルレンズ１３により平行光に変換された外側の最端光線をＲＵ、画素ＰＤ上の一点を出てシリンドリカルレンズ１３により平行光に変換された最端光線をＲＤとする。光線ＲＵと光線ＲＤとが、光学系１より所定の距離（アイレリーフ）ＥＲだけ離れた位置に幅ＤＶの射出瞳を形成している。

従って、画像要素２２３上の異なる画素を出た光束は、本断面で異なる方向からの平行光束として、光学系１より所定距離ＥＲ離れた射出瞳Ｓの範囲内（アイポイント位置）に眼を置いた観察者により認識される。

このとき、シリンドリカルレンズ１２１〜１２５の水平方向の焦点距離をｆＨ、シリンドリカルレンズ１３の垂直方向の焦点距離をｆＶとする。原画の水平方向サイズと垂直方向サイズとをそれぞれＩＨ，ＩＶとし、一つの画像要素の水平方向サイズと垂直方向サイズとをそれぞれＩＩＨ，ＩＩＶとする。それぞれの断面での最大画角（半画角）ωＨ，ωＶとの間に、以下の関係が成り立つようにする。

ｔａｎ（ωＨ）：ｔａｎ（ωＶ）＝ＩＨ：ＩＶ
ｆＨ＊ｔａｎ（ωＨ）：ｆＶ＊ｔａｎ（ωＶ）＝ＩＩＨ：ＩＩＶ
以上の関係を満足するように、原画から画像要素へのアスペクト変換や、焦点距離ｆＨ，ｆＶの選択を行う。

以上の水平断面方向並びに垂直断面方向の光学系１の作用により、観察者は、ＤＨ×ＤＶの矩形領域の射出瞳内で、原画の無限遠への拡大虚像を認識できる。

本実施形態によれば、少なくとも水平断面方向には、画像要素と画像要素より若干広い程度の幅の光学要素を複数用いることによって、大きい射出瞳を形成することができる。
また、本実施形態によれば、通常画角の広い水平方向に複数の画像要素と光学要素を用いたことにより、光学系１から画像表示素子２までの距離を短くできる。

《第３の実施形態》
図７は、本発明の第３の実施形態に係る画像表示装置における画像観察の様子を説明する要部概略図である。また図８（ａ）は、第３の実施形態における要部水平方向断面図、図８（ｂ）は第３の実施形態における要部垂直方向断面図である。図中、２５１〜２６５は画像表示手段である。本実施形態と第１の実施形態との違いは、第１の実施形態では単一の表示手段２上の複数領域に画像要素を形成したのに対し、本実施形態では画像要素２０１〜２１５をそれぞれ別の画像表示手段２５１〜２６５上に形成したことである。

また、画像要素２０１〜２１０上の画像を物理的に同一とせず、実質的に同一として画像の一部を原画に対して省略したことである。その他の構成は基本的には同じであるので、部番の説明を省略する。

本実施形態におけるレンズアレイを構成する各レンズ（光学要素）の作用について、以下に説明する。本実施形態においても、各画像要素に対して、各光学要素はその焦点距離だけ離れた位置に配置されている。また、画像要素間のピッチと、光学要素間のピッチとは同一として配置されている。

（水平断面における作用）
まず、図８（ａ）の断面（水平断面）においての作用を説明する。光学要素であるレンズを理想的な薄肉レンズとして考えると、画像要素の一画素から出た光束は、レンズの焦点距離だけ離れた光学要素により、平行光束に変換される。同様に光学要素を理想的なレンズと考えると、図８（ａ）の断面（水平断面）において、１つの画像要素上の一点を出て対応する光学要素により形成される光束の幅ＷＨは、該断面における光学要素の幅（レンズ径）に等しい。

光学系に対して所定距離離れた箇所（アイポイント位置）に眼を置いた観察者は、一つの画像要素とそれに対応する一つの光学要素により、原画の一部を無限遠に拡大形成された虚像として認識することができる。図８（ａ）の断面において、一方の最大画角に対応する画像要素２０６上の最端画素をＰＬ、他方の最大画角に対応する画像要素２１０の最端画素をＰＲとする。その際、画素ＰＬ上の一点を出て対応する光学要素１０６により平行光に変換された外側の最端光線をＲＬ、画素ＰＲ上の一点を出て対応する光学要素１１０により平行光に変換された最端光線をＲＲとする。

光線ＲＬと光線ＲＲとが、光学系１より所定の距離（アイレリーフ）ＥＲだけ離れたアイポイント位置に形成する領域が、光学系１全体の射出瞳Ｓとなっている。この断面における光学系１全体の射出瞳径はＤＨとなっている。

図８（ａ）の断面においては、５つの画像要素２０６〜２１０上のうちの同一画素がある箇所においては、それぞれに対応する光学要素１０６〜１１０によって射出する光束が隣り合うように構成されている。本実施形態においては、第１の実施形態と異なり、画像要素２０６，２０７，２０９，２１０には一部表示されていない領域が存在している。画像が表示されない領域に、仮に発光点があったとした際の光束を破線で図示している。しかしながら、これらの光束は射出瞳Ｓの瞳径範囲ＤＨに到達しない光束であるため、本実施形態のように画像非表示領域として差し支えない。

但し、少なくとも３つの画像形成領域に同一の画像が形成されるようにすることが必要である。このようにして、画像要素上の一点から出る光が対応する光学要素から射出する平行光束の幅ＷＨを射出瞳径ＤＨに対して小さくすることで、アイポイント位置に大きい瞳径ＤＨを形成しつつ光学系を薄くしている。

（垂直断面における作用）
次に、図８（ｂ）の断面における作用を説明する。光学要素であるレンズを理想的な薄肉レンズとして考えると、図８（ｂ）の断面（垂直断面）において、１つの画像要素上の一点を出て対応する光学要素により形成される光束の幅ＷＶは、該断面における光学要素の幅（レンズ径）に等しい。

図８（ｂ）の断面において、一方の最大画角に対応する画像要素２０３上の最端画素をＰＵ、他方の最大画角に対応する画像要素２１３の最端画素をＰＤとする。その際、画素ＰＵ上の一点を出て対応する光学要素１０３により平行光に変換された外側の最端光線をＲＵ、画素ＰＤ上の一点を出て対応する光学要素１１３により平行光に変換された最端光線をＲＤとする。光線ＲＵと光線ＲＤとが、光学系１より所定の距離（アイレリーフ）ＥＲだけ離れたアイポイント位置に形成する領域が、光学系１全体の射出瞳Ｓとなっている。この断面における光学系１全体の射出瞳径はＤＶとなっている。

図８（ｂ）の断面においては、３つの画像要素２０３，２０８，２１３上の同一画素と、それぞれに対応する光学要素１０３，１０８，１１３によって射出する光束が隣り合うように構成されている。但し、水平断面と同様に、一部画像が非表示の領域があり、そこからの光束を破線で示している。画像が非表示であるためこの光は実在しないが、実在した場合でも射出瞳Ｓに到達しない光であるため、観察には支障がない。一部に非表示領域を持つものの、このように３つの画像要素で同一画像部を含む構成としたことで、アイポイント位置に形成される瞳径ＤＶを大きいものにしている。

（本実施形態の効果）
本実施形態でも第１の実施形態と同様に、１つの画像要素とそれに対応する１つの光学要素とでは原画の一部の拡大虚像としか認識できないが、それらを水平方向、垂直方向に複数配列して、原画の全体の拡大虚像観察を可能としている。また、画像要素の一点を発して対応する光学要素を通った光束の幅が狭くても、観察に必要な広い射出瞳径を光学系全体で達成することが可能となる。また、レンズの径が小さいために、比較的広画角を実現しやすい。

《第４の実施形態》
図９は、本発明の第４の実施形態による画像観察の様子を説明する要部概略斜視図である。図中、２０は面光源、２１は開口２００１〜２０１５を有するマスクである。面光源２０は高速に点滅可能となっている。またマスク素子２１は、微小な開口部２００１〜２０１５以外は遮光するようになっており、水平・垂直の２次元方向に揺動可能な構成になっている。

画像生成手段で形成された原画の情報は、駆動回路に伝えられ、面光源２０の点滅と、マスク素子２１の揺動を制御する。この際に、微小開口２００１〜２０１５の位置に応じて適切な面光源２０の点滅を行うことにより、２０と２１とで画像要素２０１〜２１５が形成される。これら画像要素２０１〜２１５が光学系１の光学要素１０１〜１１５により、拡大虚像として認識されるのは、第１の実施形態と同じ仕組みである。

《第５の実施形態》
図１０は、本発明の第５の実施形態による画像観察の様子を説明する要部概略斜視図である。図１１は本発明の第５の実施形態の要部水平断面図である。図中、２００は表示手段２上に形成された原画、３は第２の光学系、５はスクリーンである。第２の光学系３は、光学要素としてレンズ３０１〜３１５を有したレンズアレイである。本実施形態と第１の実施形態との違いは、表示手段２上に形成した画像２００を基に、第２の光学系３によってスクリーン５上に画像要素２０１〜２１５を投射して形成したことである。その他の符号は、第１実施形態と同じであるので、説明を省略する。

図１１の断面より分かるように、画像２００の像がレンズ３０６により画像要素２０６として結像され、レンズ３０７により画像要素２０７として形成され、・・・という具合に、対応する光学要素により、画像要素が形成される。従って、表示手段２上の原画２００が第２の光学系３によりスクリーン５上に縮小像２０１〜２１５として形成される。これら画像要素２０１〜２１５が拡大虚像として認識されるのは、第１の実施形態と同じ仕組みである。

本実施形態の構成によれば、複数の画像要素を構成するために必要な画素数よりも少ない表示手段を用いて、光学系を介して複数の画像要素を形成している。即ち、表示手段は、上述した同一の画像を表示する画像形成領域の数と、画像形成領域の夫々の画素数との積よりも少ない画素数を備える。そのために、表示手段のコストを抑えることができる。

《第６の実施形態》
図１２は、本発明の第６の実施形態を説明するための要部水平断面図である。本実施形態と第５の実施形態との違いは、第５の実施形態ではスクリーン５の拡散作用により光学系１による瞳Ｓ形成に必要な光の進行方向への変換を行ったが、本実施形態ではスクリーンの代わりにフィールドレンズを用いた点である。図中、６はフィールドレンズであり、光学系３による画像要素の形成の際の光束の進行方向を変え、光学系１を介した光束が瞳Ｓに導かれるようにしている。

そうすることで、光学系１による射出瞳Ｓの位置に瞳孔を置いた観察者により、無限遠に形成された虚像が問題なく認識されるようにしている。より好ましくは、各画像要素に対応して光束を光学系１の射出瞳Ｓ形成に必要な方向に変換させるように、フィールドレンズ６にもレンズアレイ等の複数光学要素を有した光学系を用いると良い。

《第７の実施形態》
図１３は、本発明の第７の実施形態を説明するための、画像要素形成のシステムを説明する断面図である。図中、２１は光源であり、本断面上に複数の光源２１０６〜２１１０を有している。２は透過型液晶などの表示手段、２１００は表示手段２上に形成された原画である。８は光源からの光をコリメートする照明光学系、７は第２の光学系である導光体、５はスクリーンである。

本実施形態と第５の実施形態との違いは、スクリーン５上に画像要素を形成するまでの構成であり、それ以降は第５の実施形態と同様であるので、図示、説明を省略する。本実施形態では、表示手段２上に形成した画像２１００を基に、複数の発光点を有する光源２１と照明レンズ８と第２の光学系である導光体７によってスクリーン５上に画像要素２０１〜２１５を形成している。

以下、図１３の断面での画像要素形成について説明する。光源２１の要素である発光点２１０６〜２１１０からの光は、レンズ８によりコリメートされ、それぞれ異なる方向より表示手段２を照明する。表示手段２上の原画２００により変調されたコリメート光は導光体７に入射する。導光体７内では、光源の発光点により異なる入射角度に応じて、導光体内で内部全反射して所定の位置より導光体７を射出し、スクリーン５上に画像要素２０６〜２１０を形成する。

光源２１は図１３の断面以外にも発光点２１０１〜２１０５，２１１１〜２１１５を有しており、同様の作用により、スクリーン５上に画像要素２０１〜２０５並びに２１１〜２１５を形成する。これら画像要素２０１〜２１５が拡大虚像として認識されるのは、第１の実施形態と同じ仕組みである。

本実施形態の構成によれば、複数の画像要素を構成するために必要な画素数よりも少ない表示手段を用いて、光学系を介して複数の画像要素を形成している。そのために、表示手段のコストを抑えることができる。

《第８の実施形態》
図１４は、本発明の第８の実施形態を説明するための、画像要素形成のシステムを説明する断面図である。図中、２２はビーム発生手段であり、本断面上に複数のビーム発生口２２０６〜２２１０を有している。２３は２次元の走査手段であり、２２と２３とで所定位置に複数の画像を形成する機能を有している。７は第２の光学系である導光体、５はスクリーンである。

本実施形態と第５の実施形態との違いは、スクリーン５上に画像要素を形成するまでの構成であり、それ以降は第５の実施形態と同様であるので、図示、説明を省略する。本実施形態では、複数のビーム発生口２２０６〜２２１０を有するビーム形成手段２２と走査手段２３と第２の光学系である導光体７によってスクリーン５上に画像要素２０１〜２１５を形成している。

以下、図１４の断面での画像要素形成について説明する。ビーム発生手段２２の要素であるビーム発生口２２０６〜２２１０からの光は、各々が走査手段２３の駆動に同期して、所定距離に所定サイズの画像を形成するように変調されたビームを発生する。ビーム発生口２２０６〜２２１０を出て、走査ミラー２３で反射された光は、導光体７に入射する。導光体７内では、ビーム発生源から走査ミラー２３への異なるビーム入射角度に応じて、導光体内で内部全反射して所定の位置より導光体７を射出し、スクリーン５上に画像要素２０６〜２１０を形成する。

ビーム発生手段２２は図１７の断面以外にもビーム発生口２２０１〜２２０５，２２１１〜２２１５を有しており、同様の作用により、スクリーン５上に画像要素２０１〜２０５並びに２１１〜２１５を形成する。これら画像要素２０１〜２１５が拡大虚像として認識されるのは、第１の実施形態と同じ仕組みである。

本実施形態の構成によれば、各ビーム発生口より発するビームは、それぞれ個別のビーム発生源を持ち、個別に変調されることが好ましい。そうすることによって画像要素２０１〜２１５の歪みを抑え、高画質の画像要素形成が可能になる。本実施形態の構成によれば、複数の画像要素を構成するために複数のビーム発生源と１つの走査手段とを用いており、ビーム発生源は複数であるが一つの走査手段により複数の画像要素を形成している。そのために、走査手段のコストを抑えることができる。

《第９の実施形態》
図１５は、本発明の第９の実施形態を説明するための、画像要素形成のシステムを説明する断面図である。図１６は、本実施形態のビーム発生手段の構成例を示す図である。図中、２４はビーム発生手段であり、本断面上に複数のビーム発生口２４０６〜２４１０を有している。２３は２次元の走査手段であり、２４と２３とで所定位置に画像を形成する機能を有している。７は導光体、９は凹面鏡９０６〜９１０を有する光学要素を有した光学素子であり、７と９とで本実施形態の第２の光学系を構成している。５はスクリーン、２４１は発光素子、２４２はコリメータ、２４３はビーム分岐形成素子である。

本実施形態と第５の実施形態との違いは、スクリーン５上に画像要素を形成するまでの構成であり、それ以降は第５の実施形態と同様であるので、図示、説明を省略する。本実施形態では、複数のビーム発生口２４０６〜２４１０を有するビーム形成手段２４と走査手段２３と第２の光学系である導光体７、光学素子９によってスクリーン５上に画像要素２０１〜２１５を形成している。

ビーム発生手段２４の要素であるビーム発生口２４０６〜２４１０からの光は、走査手段２３の駆動に同期して、所定距離に所定サイズの画像を形成するように変調されたビームを発生する。ビーム発生口２４０６〜２４１０を出て、走査ミラー２３で反射された光は、導光体７に入射する。

導光体７内では、ビーム発生源から走査ミラー２３への異なるビーム入射角度に応じて、導光体内で内部全反射して所定の位置より導光体７を射出し、光学素子９に入射する。光学素子９に入射したビームは、各凹面鏡９０６〜９１０で反射され、光学素子９を射出し、導光体７を通過して、スクリーン５上に画像要素２０６〜２１０を形成する。

ビーム発生手段２４は図１５の断面以外にもビーム発生口２４０１〜２４０５，２４１１〜２４１５を有しており、同様の作用により、スクリーン５上に画像要素２０１〜２０５並びに２１１〜２１５を形成する。これら画像要素２０１〜２１５が拡大虚像として認識されるのは、第１の実施形態と同じ仕組みである。

ここで、ビーム発生手段２４の具体構成例を説明する。走査ミラー２３の駆動に同期して変調された光を発する発光素子２４１からの光は、コリメータ２４２で略平行ビームとされる。該ビームは、光学素子２４３により紙面垂直方向に３つに分岐される。分岐されたビームの内、本断面でのビームは、ビームスプリッタとレンズとを有する光学素子２４４により、ビーム発生口２４０６〜２４１０より射出する。この際、ビーム発生口２４０６〜２４１０のレンズは、各々が異なるパワーを有し、且つ分岐されたビームに対してそれぞれが異なるシフト状態となっており、異なる集光度と射出角のビームとして射出する。

本実施形態の構成によれば、複数の画像要素を構成するために変調されたビームを発生する発光素子を１つとしており、第８の実施形態に対して、発光素子の数を抑えることができる。

《第１０の実施形態》
図１７は、本発明の第１０の実施形態を説明するための断面図である。本実施形態と第１の実施形態とは基本的に同じであるが、断面内での画像要素の個数、光学系１を構成する光学要素１０１、１０２、・・・が光軸方向に２つのレンズから構成されている点が異なるだけである。そのため、符号の説明、作用の説明等は省略する。本実施形態のように、光学要素を複数エレメントにより構成しても良い。複数エレメントで構成すれば、光学性能を高めることができる。

また、このように光学要素のエレメントが厚くなると、隣り合う画像要素の同一画素から出た略平行光束の間に隙間ができる。この際に、隙間の幅ＷＳは、ＷＳ＜２ｍｍとすることが好ましい。

一般に人間の瞳孔径は２ｍｍ〜８ｍｍ程度であるとされ、輝度によらず、画像の欠けが生じない。また、観察画像の輝度が数十〜百ｃｄ／ｍ＾２程度であれば、一般に人間の瞳孔径は３ｍｍ〜４ｍｍ程度であるとされる。このため、ＷＳ＜２ｍｍが瞳孔の移動に伴う輝度変化が少ない条件となる。更には、ＷＳ＜１ｍｍとなるようにして、瞳孔の移動に伴う輝度変化が気にならないようにすると好ましい。

（変形例１）
一つの画像要素から対応する光学要素以外の光学要素に入った光は、ゴーストなどを引き起こす可能性がある。そのため、各光学要素間に遮光部を施すことが望ましい。更に望ましくは、画像要素と光学要素との間の空間に、遮光部を設けることが望ましい。

また、図３のように、本実施形態の光学系１をレンズアレイ素子１０と凹レンズ１１とで構成して、虚像形成位置を有限距離にしても良い。また、図４のように、本実施形態の光学系１と表示素子２との間の距離を焦点距離以下の値ｂとし、画像要素間のピッチＰ１と光学要素間のピッチＰ２とが以下の関係を満足するようにして、虚像を有限距離ａの位置に形成しても良い。
Ｐ１：Ｐ２＝（ａ−ｂ）：ａ
ここで、レンズ〜虚像距離がａ、レンズ〜画像間隔がbである。

（変形例２）
また、第１、第２、第７の実施形態等は光学要素を全て理想的なレンズとして話をしたが、実際にはレンズは収差を持っている。これらの実施形態によれば、画像要素を複数の表示素子上に形成したために、最終的に観察される画像のうち対応する画像要素の持ち受け領域に合わせて、表示面位置が異なるようにして像面湾曲に対応するなどしても良い。そうすることで、より良い画質での画像観察が可能となる。また、ここまでは光学要素を全て同じ形状として話をしたが、最終的に観察される画像のうち対応する画像要素の持ち受け領域に合わせて各レンズの形状を変えても良い。この場合も同様に、より良い画質での画像観察が可能となる。

（変形例３）
また、第７の実施形態は、一つの原画２１００を２１０１〜２１１５の１５個の発光点からの光で照明することとして説明したが、これに限らない。以下に別の形態の例を説明する。本形態においては、第７の実施形態に対して図１３の断面に垂直な方向に画素数が３倍以上有する画像表示素子２を用い，原画２１００を３つ並べた画像を表示している。

まず、発光点２１０１〜２１０５と画像要素２０１〜２０５とを含む断面について説明する。この断面においては、図１０の発光点２１０６〜２１１０と同じ位置に発光点２１０１〜２１０５が存在する。発光点２１０１〜２１０５からの光はレンズ８と同じレンズでコリメートされて原画２１００と同じ画像の表示された別領域を照明し、導光体７に導かれた後に、スクリーン上に画像要素２０１〜２０５を形成する。

次に発光点２１１１〜２１１５に対しての断面について説明する。この場合も同様に、発光点２１１１〜２１１５からの光はレンズ８と同じレンズでコリメートされて原画２１００と同じ画像の表示された更なる別領域を照明し、導光体７に導かれた後に、スクリーン上に画像要素２１１〜２１５を形成する。このように構成すると、表示手段に必要な画素数は上述の３倍になるが、斜めに照明されることによる像の歪みなどがなくなるため、形成される画像要素の画質が向上する。

この構成でも、観察される画素数と最終的に形成される画像要素の個数との積に比べて、表示手段に必要な画素数が少ないため、第１の実施形態に比べると、表示手段のコストを低減できる。また、本形態と同様のことを３つの画像表示素子２を用いて行っても良い。

１・・光学系、２・・画像表示素子（原画形成部）、１０１、１０２・・光学要素、２０１、２０２・・画像要素、ＤＨ、ＤＶ・・射出瞳径

Claims (5)

1. 複数の画像形成領域に同一の画像を形成する原画形成部と、
   前記画像形成領域の夫々に対応する光学要素を有し、前記同一の画像を表示する複数の画像形成要素に対応した射出瞳を形成する光学系と、
   を有し、観察者に前記同一の画像と同じ画像を提示する頭部装着型の画像表示装置であって、
   前記画像表示装置における最大画角（半画角）をω、観察者の眼の瞳半径をＲｐ、眼球回転中心から眼の瞳までの距離をＲ、前記光学系の射出瞳径をＤとするとき、
   Ｄ＞２＊（Ｒ＊ｓｉｎ（ω）−Ｒｐ＊ｃｏｓ（ω））
   を満足し、かつ、
   前記複数の画像形成領域のうち隣接する２つの画像形成領域の、各々の画像形成領域内の同一画素から出射し、前記対応する光学要素を介した平行光束同士の隙間が２ｍｍ未満である、ことを特徴とする頭部装着型の画像表示装置。
2. 単一の前記画像形成領域から発して対応する単一の前記光学要素を射出する光束の幅は、アイポイントでの観察に必要な前記射出瞳の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型の画像表示装置。
3. 前記同一の画像を表示する画像形成領域は、少なくとも３つであることを特徴とする請求項１または２に記載の頭部装着型の画像表示装置。
4. 前記原画形成部は、単一の表示手段に表示される原画をレンズアレイでスクリーンに投射して形成されるものであり、
   前記表示手段は、前記同一の画像を表示する画像形成領域の数と、前記画像形成領域の夫々の画素数との積よりも少ない画素数を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の頭部装着型の画像表示装置。
5. 前記光学要素は光軸方向に複数のエレメントから構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の頭部装着型の画像表示装置。