特許 6955388 画像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6955388

(24)【登録日】2021年10月5日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20211018BHJP

   G02B 5/04 20060101ALI20211018BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/02 Z

   G02B5/04 F

【請求項の数】8

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-152718(P2017-152718)

(22)【出願日】2017年8月7日

(65)【公開番号】特開2019-32413(P2019-32413A)

(43)【公開日】2019年2月28日

【審査請求日】2020年7月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】特許業務法人大塚国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】東原 正和

(72)【発明者】

【氏名】齋賀 丈慶

【審査官】 近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−０３８２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４２７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０２９７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６１７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２４６８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３０７２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０５８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２９３３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２０２０３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／０２

Ｇ０２Ｂ ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

観察者の左眼用の画像表示素子、該左眼用の画像表示素子の画像を観察者の左眼に導くための左眼用光学系、該観察者の右眼用の画像表示素子、該右眼用の画像表示素子の画像を観察者の右眼に導くための右眼用光学系、を有する画像表示装置であって、
一方の眼に導かれる観察像は、他方の眼に導かれる観察像の一部と同じ画角を表示した両眼領域と、該両眼領域とは異なる単眼領域と、を有し、
前記左眼用光学系の少なくとも１つの面において前記左眼に導かれる光線の領域である光線有効領域を前記左眼から見たときに前記左眼の視軸に対して左側よりも右側が小さく、
前記右眼用光学系の少なくとも１つの面において前記右眼に導かれる光線の領域である光線有効領域を前記右眼から見たときに前記右眼の視軸に対して右側よりも左側が小さく、
前記観察者が前記両眼領域と前記単眼領域との境界部または正面を観察した際に、該観察者の左眼の瞳に入射する前記境界部からの光束の一部が前記左眼用光学系に入射もしくは前記左眼用光学系から出射しないように、前記左眼用光学系の少なくとも１つの面の前記光線有効領域が、前記左眼用の画像表示素子から前記左眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭く、
前記観察者が前記境界部または正面を観察した際に、該観察者の右眼の瞳に入射する前記境界部からの光束の一部が前記右眼用光学系に入射もしくは前記右眼用光学系から出射しないように、前記右眼用光学系の少なくとも１つの面の前記光線有効領域が、前記右眼用の画像表示素子から前記右眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭い
ことを特徴とする画像表示装置。

【請求項2】

前記左眼用の画像表示素子の中心が前記左眼から見たときに前記左眼の視軸を含む垂直断面に対して左側にシフトしており、
前記右眼用の画像表示素子の中心が前記右眼から見たときに前記右眼の視軸を含む垂直断面に対して右側にシフトしている
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

【請求項3】

前記左眼用光学系の中で、前記左眼用の画像表示素子から前記左眼に導かれる光束の光線有効領域よりも光線有効領域が狭い面と前記左眼との距離であるＬ１、前記左眼用の画像表示素子の画像が前記左眼用光学系で拡大された観察像と前記左眼との距離であるＤ１、がＬ１＜Ｄ１×０．１を満たしており、
前記右眼用光学系の中で、前記右眼用の画像表示素子から前記右眼に導かれる光束の光線有効領域よりも光線有効領域が狭い面と前記右眼との距離であるＬ２、前記右眼用の画像表示素子の画像が前記右眼用光学系で拡大された観察像と前記右眼との距離であるＤ２、がＬ２＜Ｄ２×０．１を満たしている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。

【請求項4】

前記左眼用光学系と前記右眼用光学系とは、透過作用および反射作用を持つ光学面と少なくとも１つの反射面を有するプリズムであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像表示装置。

【請求項5】

無限遠を観察した際の右眼の視軸と一致するように前記右眼用光学系の射出瞳の中心に導かれる光線の前記右眼用の画像表示素子からの出射角度が前記右眼用の画像表示素子の法線とは異なり、
無限遠を観察した際の左眼の視軸と一致するように前記左眼用光学系の射出瞳の中心に導かれる光線の前記左眼用の画像表示素子からの出射角度が前記左眼用の画像表示素子の法線とは異なる
ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。

【請求項6】

前記左眼用光学系の少なくとも１つの反射面の反射率が前記左眼から見たときに左側よりも右側の方が小さく、前記右眼用光学系の少なくとも１つの反射面の反射率が前記右眼から見たときに右側よりも左側の方が小さいことを特徴とする請求項３又は４に記載の画像表示装置。

【請求項7】

前記観察者が前記両眼領域と前記単眼領域との境界部または正面を観察した際に該観察者の左眼の瞳に入射する前記境界部からの光束の割合が瞳径の半分以下となるように、前記左眼用光学系の少なくとも１つの光学面の前記光線有効領域が、前記左眼用の画像表示素子から前記左眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭く、
前記観察者が前記境界部または正面を観察した際に該観察者の右眼の瞳に入射する前記境界部からの光束の割合が瞳径の半分以下となるように、前記右眼用光学系の少なくとも１つの光学面の前記光線有効領域が、前記右眼用の画像表示素子から前記右眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭い
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の画像表示装置。

【請求項8】

一方の眼に導かれる観察像の単眼領域の面積をＡ、両眼領域の面積をＢとすると、０．０５≦Ａ／Ｂ≦０．４５を満たすことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、画像表示装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

バーチャルリアリティ（ＶＲ）用、あるいは、一人で大画面の観察像を楽しむことなどを目的として、ヘッドマウントディスプレイの開発が進められている。ヘッドマウントディスプレイ等に用いる画像表示装置には、自然な観察をおこない、臨場感を増すために、広画角の画像提示が望まれている。また、頭部装着型の画像表示装置としては小型であることが望ましい。

【0003】

広画角の画像提示を達成する技術として、左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示し、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の眼に対して同じ画角の観察像を表示する場合よりも広画角の画像が観察できるようにした画像表示装置が提案されている。

【0004】

このような画像表示装置の例として、特許文献１、２等が開示されている。特許文献１では、外側の画角が内側の画角よりも広い光学系を左右で反転させることで、左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示して広画角を実現する技術が開示されている。特許文献２では、左眼用と右眼用の画像表示素子の表示中心をそれぞれ左方向と右方向にシフトさせ、各画像表示素子に表示される観察像も観察者から見て左方向と右方向にシフトさせることで、左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示して広画角を実現する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−２４２７９４号公報

【特許文献2】特開平６−３８２４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示して、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにする場合、単眼で観察する画角範囲（単眼領域）と両眼で観察する画角範囲（両眼領域）の境界部が目立ってしまい、自然な観察ができない。この現象は、片眼には画像が表示されるが、もう片方の眼には画像が表示されずパネルの枠などの黒部が見えてしまい、左右の眼の視野闘争により生じてしまう。

【0007】

特許文献１に記載の画像表示装置では、単眼領域と両眼領域の境界部の見え方に対して対策を講じていない。そのため、境界部が目立って自然な観察ができない。特許文献２に記載の画像表示装置では、画像表示素子の近くに視野絞りを配置して単眼領域と両眼領域の境界部を不鮮明にしているが、観察している画像表示素子に近い場所に視野絞りがあるため、視野絞りのエッジが観察されてしまい自然な観察ができない。

【0008】

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、左右の眼に対して異なる画角の観察像を提示した場合であっても、単眼領域と両眼領域の境界部が目立たずに自然な画像として観察させるための技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一様態は、観察者の左眼用の画像表示素子、該左眼用の画像表示素子の画像を観察者の左眼に導くための左眼用光学系、該観察者の右眼用の画像表示素子、該右眼用の画像表示素子の画像を観察者の右眼に導くための右眼用光学系、を有する画像表示装置であって、
一方の眼に導かれる観察像は、他方の眼に導かれる観察像の一部と同じ画角を表示した両眼領域と、該両眼領域とは異なる単眼領域と、を有し、
前記左眼用光学系の少なくとも１つの面において前記左眼に導かれる光線の領域である光線有効領域を前記左眼から見たときに前記左眼の視軸に対して左側よりも右側が小さく、
前記右眼用光学系の少なくとも１つの面において前記右眼に導かれる光線の領域である光線有効領域を前記右眼から見たときに前記右眼の視軸に対して右側よりも左側が小さく、
前記観察者が前記両眼領域と前記単眼領域との境界部または正面を観察した際に、該観察者の左眼の瞳に入射する前記境界部からの光束の一部が前記左眼用光学系に入射もしくは前記左眼用光学系から出射しないように、前記左眼用光学系の少なくとも１つの面の前記光線有効領域が、前記左眼用の画像表示素子から前記左眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭く、
前記観察者が前記境界部または正面を観察した際に、該観察者の右眼の瞳に入射する前記境界部からの光束の一部が前記右眼用光学系に入射もしくは前記右眼用光学系から出射しないように、前記右眼用光学系の少なくとも１つの面の前記光線有効領域が、前記右眼用の画像表示素子から前記右眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭い
ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の構成によれば、左右の眼に対して異なる画角の観察像を提示した場合であっても、単眼領域と両眼領域の境界部が目立たずに自然な画像として観察させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】画像表示装置の構成例を示す図。

【図2】光学系を説明する図。

【図3】観察者が観察したと知覚する画像について説明する図。

【図4】画像表示装置の構成例を示す図。

【図5】画像表示装置の構成例を示す図。

【図6】光学系３０３の構成例を示す図。

【図7】光学系の反射面について説明する図。

【図8】第３の実施形態の変形例を説明する図。

【図9】画像表示装置の構成例を示す図。

【図10】光学系４０３の構成例を示す図。

【図11】画像表示装置の構成例を示す図。

【図12】光学系５０３の構成例を示す図。

【図13】第５の実施形態を説明する図。

【図14】第５の実施形態を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態は、本発明を具体的に実施した場合の一例を示すもので、特許請求の範囲に記載した構成の具体的な実施例の１つである。

【0013】

［第１の実施形態］
先ず、本実施形態に係る画像表示装置について、該画像表示装置における表示画面（画像表示素子）及び光学系（接眼光学系）、そして該画像表示装置における該表示画面を観察する観察者の眼との関係について、図１を用いて説明する。

【0014】

表示画面１０５は、観察者の右眼１０１に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面１０５に表示された画像からの光束は、光学系（右眼用光学系）１０３を介して右眼１０１に導かれる。これにより、表示画面１０５に表示されている画像は光学系１０３で拡大されて右眼１０１で観察されることになる。また、表示画面１０５及び光学系１０３のセットは、右眼１０１の入射瞳中心を中心に、右眼視軸１０７（正面を観察するときの右眼１０１の視軸）から図中時計回りに７．５度傾いている。また、表示画面１０５及び光学系１０３のセットにより右眼１０１に導かれる画像の画角は、右眼１０１の入射瞳中心を中心に右眼視軸１０７から時計回りに５０度、反時計回りに３５度である。以下では、表示画面１０５及び光学系１０３のセットを右眼用表示ユニットと呼称する。

【0015】

表示画面１０６は、観察者の左眼１０２に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面１０６に表示された画像からの光束は、光学系１０４（左眼用光学系）を介して左眼１０２に導かれる。これにより、表示画面１０６に表示されている画像は光学系１０４で拡大されて左眼１０２で観察されることになる。また、表示画面１０６及び光学系１０４のセットは、左眼１０２の入射瞳中心を中心に、左眼視軸１０８（正面を観察するときの左眼１０２の視軸であり、右眼視軸１０７と平行）から図中反時計回りに７．５度傾いている。また、表示画面１０６及び光学系１０４のセットにより左眼１０２に導かれる画像の画角は、左眼１０２の入射瞳中心を中心に左眼視軸１０８から時計回りに３５度、反時計回りに５０度である。以下では、表示画面１０６及び光学系１０４のセットを左眼用表示ユニットと呼称する。

【0016】

このような左眼用表示ユニット及び右眼用表示ユニットにより供給された画像を観察者が観察する場合、観察者の正面方向（右眼視軸１０７及び左眼視軸１０８と平行）から反時計回りに５０度〜３５度の範囲（単眼領域）は左眼１０２のみで観察することになる。また、観察者の正面方向から反時計回りに３５度〜時計回りに３５度の範囲（両眼領域）は右眼１０１及び左眼１０２の両眼で観察することになる。また、観察者の正面方向から時計回りに３５度〜５０度の範囲（単眼領域）は右眼１０１のみで観察することになる。その結果、観察者の視界（水平画角）は１００度となる。

【0017】

このように左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の表示画面の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の観察像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能となる。つまり、一方の眼に導かれる観察像は、他方の眼に導かれる観察像の一部と同じ画角を表示した両眼領域と、該両眼領域とは異なる単眼領域と、を有する。

【0018】

本実施形態では、右眼１０１で観察する観察画像の中で両眼領域が画角７０°、右眼領域が画角１５°であるので、以下の式（１）より、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合Ｒは約３５％となる。

【0019】

Ｒ＝（ｔａｎ（５０°）−ｔａｎ（３５°））／（２×ｔａｎ（３５°））
＝０．３５ … （式１）
この割合Ｒは４５％以下であることが望ましく、割合Ｒが４５％より大きいと両眼領域と単眼領域との境界部が観察画像の中央付近にくるため、境界部が目立ちやすくなる。また、割合Ｒが４５％より大きいと、両眼領域の割合が少ないため、立体視できる領域が狭く、自然な立体観察ができない。また、この割合Ｒは５％以上が望ましく、割合Ｒが５％より小さい場合には単眼領域が狭くなり、広画角化の効果が小さい。以上の割合Ｒに係る説明は左眼の観察画像についても同様である。

【0020】

そこで本実施形態では図１に示す如く、光学系１０３において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。仮に、光学系１０３の代わりにこの切り欠きがない光学系１０３’を用いると、図２に示す如く、「観察者が正面を観察した際に観察者の右眼１０１に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束１９８」が光学系１０３’に入射してしまう。そこで本実施形態では、図１に示す如く、観察者の鼻Ｎ側を切り欠いている光学系１０３を用いることで、光束１９８が光学系１０３に入射しないようにしている。つまり、光学系における光線有効範囲（光線有効領域）（光学系において観察者の瞳に導かれる光線が通過する範囲）に着目した場合、光学系１０３’の光線有効範囲において右眼視軸１０７より左側の範囲を狭めたものが光学系１０３である。

【0021】

同様に本実施形態では図１に示す如く、光学系１０４において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。仮に、光学系１０４の代わりにこの切り欠きがない光学系１０４’を用いると、図２に示す如く、「観察者が正面を観察した際に観察者の左眼１０２に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束１９９」が光学系１０４’に入射してしまう。そこで本実施形態では、図１に示す如く、観察者の鼻Ｎ側を切り欠いている光学系１０４を用いることで、光束１９９が光学系１０４に入射しないようにしている。つまり、光学系における光線有効範囲に着目した場合、光学系１０４’の光線有効範囲において左眼視軸１０８より右側の範囲を狭めたものが光学系１０４である。

【0022】

ここで、図２の構成において表示画面１０５に表示される画像及び表示画面１０６に表示される画像をそれぞれ右眼１０１及び左眼１０２で観察した観察者が観察したと知覚する１枚の画像について、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

【0023】

画像１５０１は表示画面１０６に表示された画像、画像１５０２は表示画面１０５に表示された画像である。画像１５０１が光学系１０４’を介して観察者の左眼１０２に提示され、画像１５０２が光学系１０３’を介して観察者の右眼１０１に提示されると、観察者は１枚の画像１５９０を観察したものと知覚する。画像１５０１の左端は画像１５９０の左端に対応しており、画像１５０１の右端は境界１５０５ｂに対応している。また、画像１５０２の左端は境界１５０５ａに対応しており、画像１５０２の右端は画像１５９０の右端に対応している。そして、画像１５９０の左端と境界１５０５ａとの間の領域である左眼領域は、左眼１０２のみで観察可能な画像部分であり、画像１５９０の右端と境界１５０５ｂとの間の領域である右眼領域は、右眼１０１のみで観察可能な部分画像である。また、境界１５０５ａと境界１５０５ｂとの間の領域である両眼領域は、右眼１０１及び左眼１０２の両眼で観察可能な部分画像である。

【0024】

このような１枚の画像１５９０を観察したと観察者が知覚した場合、図３（ｂ）に示す如く、画像１５９０の左端から境界１５０５ａに向けて徐々に暗くなっており、且つ画像１５９０の右端から境界１５０５ｂに向けて徐々に暗くなっている。これは、左眼領域及び右眼領域において、片眼には画像が表示されるが、もう片方の眼には画像が表示されず、その結果、パネルの枠などの黒部が見えてしまうことに起因している。その結果、片方の目において急激な輝度差を観察することで左右の眼の視野闘争により生じてしまう。

【0025】

そこで本実施形態では、右眼及び左眼のそれぞれについて、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束（上記の光束１９８、１９９）が光学系に入射しないようにする。これにより、境界部に対応する光束が光学系に入射せず、境界部付近の光束は光学系でケラレるため、境界部が図３（ｂ）のように観察されることを防ぐことができる。その際、本実施形態のように観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する光束のすべてが光学系に入射しないようにしてもよいし、一部が入射しないようにしてもよい。望ましくは、正面観察時に単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が入射する割合が観察者の瞳径の半分以下であると、境界部がより目立ちにくくなる。

【0026】

本実施形態では、表示画面と光学系との間に遮光部材を配置するのではなく、光学系の光線有効範囲を狭くすることで、単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が光学系に入射しないようにしている。表示画面と光学系との間に遮光部材を配置する場合、観察者がピントを合わせている表示画面上の位置に遮光部材が近いため、遮光部材のエッジが観察されてしまい、黒スジ対策の効果が少なくなってしまう。しかし、本実施形態のように光学系で境界部からの光束が入射しないようにすることで、光学系のエッジが大きくボケて観察され、より自然な画像観察が可能になる。また、遮光部材が不要になり、部品点数削減および軽量化が可能となる。

【0027】

また本実施形態では観察画像の位置は観察者の眼から１．４ｍになるように光学系で拡大しており、光学系の中で光線有効範囲が狭くなっている面と眼との間隔は２０ｍｍであり、観察画像の位置の０．１倍より近い。そのため、光学系の中で光線有効範囲が狭い面と観察画像との距離は充分に離れており、光学系のエッジのボケが大きく境界部は目立ちにくくなる。より望ましくは、上記間隔は観察像の位置の０．０３倍よりも近いことが望ましい。

【0028】

つまり、左眼用光学系の中で、左眼用の画像表示素子から左眼に導かれる光束の光線有効領域よりも光線有効領域が狭い面と左眼との距離をＬ１、左眼用の画像表示素子の画像が左眼用光学系で拡大された観察像と左眼との距離をＤ１、とする。このとき、Ｌ１＜Ｄ１×０．１を満たしている。また、右眼用光学系の中で、右眼用の画像表示素子から右眼に導かれる光束の光線有効領域よりも光線有効領域が狭い面と右眼との距離をＬ２、右眼用の画像表示素子の画像が右眼用光学系で拡大された観察像と右眼との距離をＤ２、とする。このとき、Ｌ２＜Ｄ２×０．１を満たしている。

【0029】

また、図１から分かるように、光学系１０３及び光学系１０４において鼻Ｎ側の切り欠き部は、レンズを切断した形状となっており、光学系１０３と光学系１０４とは異なっている。これは、境界部付近の光束を光学系でケって黒スジが観察されないようにするだけでなく、光学系の小型・軽量化につなげるとともに、左右の光学系が内側で干渉することを回避するためである。さらに、内側の光学系を小さくできるので、観察者の鼻Ｎにぶつかりにくい画像表示装置とすることができ、快適な観察が可能となる。

【0030】

本実施形態の光学系は球面形状の単レンズで構成されているが、これに限るものではなく、非球面形状を用いたり、複数のレンズを用いることでより高い光学性能のレンズとしても良い。また、本実施形態に係る表示画面は自発光の有機ＥＬを用いているが、これに限るものではなく、透過型液晶、反射型液晶、ＤＭＤなどを表示画面として用いても良い。その場合、別途光源と照明光学系が必要となる。

【0031】

［第２の実施形態］
先ず、本実施形態に係る画像表示装置について、該画像表示装置における表示画面及び光学系、そして該画像表示装置における該表示画面を観察する観察者の眼との関係について、図４を用いて説明する。

【0032】

表示画面２０５は、観察者の右眼２０１に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面２０５に表示された画像からの光束は、光学系２０３を介して右眼２０１に導かれる。これにより表示画面２０５に表示されている画像は光学系２０３で拡大されて右眼２０１で観察されることになる。また、表示画面２０５の中心は右眼視軸２０７（正面を観察するときの右眼２０１の視軸）を含む垂直断面に対して右側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面２０５及び光学系２０３のセットにより右眼２０１に導かれる画像の画角は、右眼２０１の入射瞳中心を中心に右眼視軸２０７から時計回りに４０度、反時計回りに３０度である。以下では、表示画面２０５及び光学系２０３のセットを右眼用表示ユニットと呼称する。

【0033】

表示画面２０６は、観察者の左眼２０２に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面２０６に表示された画像からの光束は、光学系２０４を介して左眼２０２に導かれる。これにより表示画面２０６に表示されている画像は光学系２０４で拡大されて左眼２０２で観察されることになる。また、表示画面２０６の中心は左眼視軸２０８（正面を観察するときの左眼２０２の視軸であり、右眼視軸２０７と平行）を含む垂直断面に対して左側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面２０６及び光学系２０４のセットにより左眼２０２に導かれる画像の画角は、左眼２０２の入射瞳中心を中心に左眼視軸２０８から時計回りに３０度、反時計回りに４０度である。以下では、表示画面２０６及び光学系２０４のセットを左眼用表示ユニットと呼称する。

【0034】

このような左眼用表示ユニット及び右眼用表示ユニットにより供給された画像を観察者が観察する場合、観察者の正面方向（右眼視軸２０７及び左眼視軸２０８と平行）から反時計回りに４０度〜３０度の範囲（単眼領域）は左眼２０２のみで観察することになる。また、観察者の正面方向から反時計回りに３０度〜時計回りに３０度の範囲（両眼領域）は右眼２０１及び左眼２０２の両眼で観察することになる。また、観察者の正面方向から時計回りに３０度〜４０度の範囲（単眼領域）は右眼２０１のみで観察することになる。その結果、観察者の視界（水平画角）は８０度となる。

【0035】

このように左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の表示画面の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の観察像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能となる。

【0036】

本実施形態では、右眼２０１で観察する観察画像の中で両眼領域が画角６０°、右眼領域が画角１０°であるので、以下の式（２）より、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合Ｒは約２３％となる。

【0037】

Ｒ＝（ｔａｎ（４０°）−ｔａｎ（３０°））／（２×ｔａｎ（３０°））
＝０．２３ … （式２）
上記の通り、この割合Ｒは４５％以下且つ５％以上が望ましい。そこで本実施形態でも第１の実施形態と同様、図４に示す如く、光学系２０３において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いており、光束１９８が光学系２０３に入射しないようにしている。また、図４に示す如く、光学系２０４において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いており、光束１９９が光学系２０４に入射しないようにしている。

【0038】

このように本実施形態では、右眼及び左眼のそれぞれについて、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が光学系に入射しないようにする。これにより、境界部に対応する光束が光学系に入射せず、境界部付近の光束は光学系でケラレるため、境界部が図３（ｂ）のように観察されることを防ぐことができる。その際、本実施形態のように観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する光束のすべてが光学系に入射しないようにしてもよいし、一部が入射しないようにしてもよい。望ましくは、正面観察時に単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が入射する割合が観察者の瞳径の半分以下であると、境界部がより目立ちにくくなる。

【0039】

また、本実施形態では、観察画像の位置は観察者の眼から１ｍになるように光学系で拡大しており、光学系の中で光線有効範囲が狭くなっている面と眼との間隔は２５ｍｍであり、観察画像の位置の０．１倍より近い。そのため、光学系の中で光線有効範囲が狭い面と観察画像との距離は充分に離れており、光学系のエッジのボケが大きく境界部は目立ちにくくなる。

【0040】

また本実施形態に係る光学系２０３と光学系２０４の観察者側の面は同じ曲率半径の球面形状であり、光学系２０３と光学系２０４の表示画面側の面も同じ曲率半径の球面形状である。そのため、光学系２０３のすべての光学面が、それぞれの光学面と同じ位置関係にある光学系２０４の光学面と光学的パワーが同じである。

【0041】

また、光学系２０３の光軸は右眼視軸２０７と一致しており、すべての光学面の形状は、右眼視軸２０７を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。同様に、光学系２０４の光軸も左眼視軸２０８と一致しており、すべての光学面の形状は、左眼視軸２０８を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。

【0042】

そのため、右眼２０１と左眼２０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状は左右の光学系で同じであり、光学系で発生する収差の出方も左右で同じである。そのため、解像力や歪の形の左右での差がほとんどなく、両眼で融像しやすい画像となる。

【0043】

本実施形態の画像表示装置で左右に視差のある画像を観察する場合には、同じ画角を観察した際に光線が通過する光学系の面の形状は左右の光学系でまったく同じではない。しかし、図２の画像表示装置に比べると左右での面の形状の差は小さいため、解像力や歪の形の左右での差が小さく両眼で融像しやすい画像となる。

【0044】

［第３の実施形態］
先ず、本実施形態に係る画像表示装置について、該画像表示装置における表示画面及び光学系、そして該画像表示装置における該表示画面を観察する観察者の眼との関係について、図５を用いて説明する。

【0045】

表示画面３０５は、観察者の右眼３０１に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面３０５に表示された画像からの光束は、光学系３０３を介して右眼３０１に導かれる。これにより表示画面３０５に表示されている画像は光学系３０３で拡大されて右眼３０１で観察されることになる。また、表示画面３０５の中心は右眼視軸３０７（観察者が正面の無限遠を見た際の右眼３０１の視軸）を含む垂直断面に対して右側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面３０５及び光学系３０３のセットにより右眼３０１に導かれる画像の画角は、右眼３０１の入射瞳中心を中心に右眼視軸３０７から時計回りに４０度、反時計回りに２５度である。以下では、表示画面３０５及び光学系３０３のセットを右眼用表示ユニットと呼称する。

【0046】

表示画面３０６は、観察者の左眼３０２に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面３０６に表示された画像からの光束は、光学系３０４を介して左眼３０２に導かれる。これにより表示画面３０６に表示されている画像は光学系３０４で拡大されて左眼３０２で観察されることになる。また、表示画面３０６の中心は左眼視軸３０８（観察者が正面の無限遠を見た際の左眼３０２の視軸であり、右眼視軸３０７と平行）を含む垂直断面に対して左側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面３０６及び光学系３０４のセットにより左眼３０２に導かれる画像の画角は、左眼３０２の入射瞳中心を中心に左眼視軸３０８から時計回りに２５度、反時計回りに４０度である。以下では、表示画面３０６及び光学系３０４のセットを左眼用表示ユニットと呼称する。

【0047】

このような左眼用表示ユニット及び右眼用表示ユニットにより供給された画像を観察者が観察する場合、観察者の正面方向（右眼視軸３０７及び左眼視軸３０８と平行）から反時計回りに４０度〜２５度の範囲（単眼領域）は左眼３０２のみで観察することになる。また、観察者の正面方向から反時計回りに２５度〜時計回りに２５度の範囲（両眼領域）は右眼３０１及び左眼３０２の両眼で観察することになる。また、観察者の正面方向から時計回りに２５度〜４０度の範囲（単眼領域）は右眼３０１のみで観察することになる。その結果、観察者の視界（水平画角）は８０度となる。

【0048】

このように左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の表示画面の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の観察像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能となる。

【0049】

本実施形態では、右眼３０１で観察する観察画像の中で両眼領域が画角５０°、右眼領域が画角１５°であるので、以下の式（４）より、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合Ｒは約４０％となる。

【0050】

Ｒ＝（ｔａｎ（４０°）−ｔａｎ（２５°））／（２×ｔａｎ（２５°））
＝０．４０ … （式３）
上記の通り、この割合Ｒは４５％以下且つ５％以上が望ましい。そこで本実施形態でも第１の実施形態と同様、図５に示す如く、光学系３０３において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。これにより、「観察者が正面を観察した際に観察者の右眼３０１に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束３９８」が光学系３０３に入射しないようにしている。また、図５に示す如く、光学系３０４において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。これにより、「観察者が正面を観察した際に観察者の左眼３０２に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束３９９」が光学系３０４に入射しないようにしている。このような光学系の構成により、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が観察者の眼に入射しないようにしている。

【0051】

ここで、本実施形態に係る光学系３０３は、図６に示す如く、表示画面３０５からの光束を該光学系３０３内の偏心反射曲面で反射させて該光束の光路を該光学系３０３内で折りたたむことで該光束を観察者の右眼３０１に導くように構成されている。図６では、表示画面３０５からの光束は光学系３０３内で２回反射してから右眼３０１に導かれている。なお、光学系３０３内の眼球への出射面は反射と透過の作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。光学系３０４についても同様に、表示画面３０６からの光束を該光学系３０４内の偏心反射曲面で反射させて該光束の光路を該光学系３０４内で折りたたむことで該光束を観察者の左眼３０２に導くように構成されている。なお、光学系３０４内の眼球への出射面は反射作用と透過作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。

【0052】

このような光学系の構成により、光学系の厚さを薄型化している。なお、光学系３０３及び光学系３０４は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される。

【0053】

本実施形態に係る光学系３０３と光学系３０４の観察者側の面は同じ関数で表現された自由曲面形状であり、表示画面側の面と反射面も同様に光学系３０３と光学系３０４とで同じ関数で表現された自由曲面形状である。そのため、光学系３０３のすべての光学面が、それぞれの光学面と同じ位置関係にある光学系３０４の光学面と光学的パワーが同じである。

【0054】

また、光学系３０３のすべての光学面の形状は、右眼視軸３０７を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。同様に、光学系３０４のすべての光学面の形状は、左眼視軸３０８を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。

【0055】

そのため、右眼３０１と左眼３０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状は左右の光学系で同じであるため、光学系で発生する収差の出方も左右で同じである。その結果、解像力や歪の形の左右での差がほとんどなく、両眼で融像しやすい画像となる。また、光学系３０３と光学系３０４を構成する面を自由曲面形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能となる。

【0056】

図６に示す如く、本実施形態では、右眼視軸３０７と一致するように光学系３０３の射出瞳の中心に導かれる光束の表示画面３０５からの光束の出射角度は１０°であり、表示画面３０５の法線の方向とは異なる。これは光学系３０４についても同様である。このようにすることで、設計の自由度が向上し、より光学性能の高い光学系を実現することが可能となる。

【0057】

このように本実施形態では、右眼及び左眼のそれぞれについて、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が観察者の眼に入射しないようにしている。これにより、境界部に対応する光束が光学系から出射せず、境界部付近の光束は光学系でケラレるため、境界部が図３（ｂ）のように観察されることを防ぐことができる。その際、本実施形態のように観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する光束のすべてが光学系から出射しないようにしてもよいし、一部が出射しないようにしてもよい。望ましくは、正面観察時に単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が入射する割合が観察者の瞳径の半分以下であると、境界部がより目立ちにくくなる。

【0058】

また、本実施形態では、観察画像の位置は観察者の眼から１．４ｍになるように光学系で拡大しており、光学系の中で光線有効範囲が狭くなっている面と眼との間隔は１８ｍｍであり、観察画像の位置の０．１倍より近い。そのため、光学系の中で光線有効範囲が狭い面と観察画像との距離は充分に離れており、光学系のエッジのボケが大きく境界部は目立ちにくくなる。

【0059】

また、図５から分かるように、本実施形態の光学系３０３の切り欠き部と光学系３０４の切り欠き部は何れも、プリズムを切断した形状となっており、光学系３０３と光学系３０４は異なっている。これは、光線の有効範囲以外の光学系をなくすことで、光学系の小型・軽量化につなげるとともに、左右の光学系が内側で干渉することを回避するためである。さらに、内側の光学系を小さくできるので、観察者の鼻にぶつかりにくい画像表示装置とすることができ、快適な観察が可能となる。

【0060】

ここで、光学系の表示画面側の面の光線有効範囲は表示画面の大きさと同等であり、この面の光線有効範囲を光学系３０３の光線有効範囲と光学系３０４の光線有効範囲を含む範囲としても光学系の大きさには影響しない。そのため、光学系３０３と光学系３０４の表示画面側の面の光線有効範囲は等しくしても良い。そのようにすることで、左右の光学系で形状も光線有効範囲も等しい面ができ、加工及び製作を容易にすることができる。

【0061】

また、光学系３０３と光学系３０４の反射面は、図７（ａ）のように反射膜の反射率が等しくなるように蒸着されている。この反射膜を、図７（ｂ）の光学系３１１と光学系３１２のように単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が反射する部分の反射率を下げるようにグラデーションをかけた反射膜とすることで、図８のように光学系の面形状自体は光線有効範囲よりも狭くしなくてもよい。このようにすることで、単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が反射面で反射されにくくなるため、境界部が目立ちにくくなる。

【0062】

このとき、光学系の中で光線有効範囲が狭くなっている面は反射膜が形成されている面になり、その面と眼との間隔は４０ｍｍである。そのときも観察画像の位置の０．１倍より近い。そのため、光学系の中で光線有効範囲が狭い面と観察画像との距離は充分に離れており、光学系のエッジのボケが大きく境界部は目立ちにくくなる。

【0063】

［第４の実施形態］
先ず、本実施形態に係る画像表示装置について、該画像表示装置における表示画面及び光学系、そして該画像表示装置における該表示画面を観察する観察者の眼との関係について、図９を用いて説明する。

【0064】

表示画面４０５は、観察者の右眼４０１に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面４０５に表示された画像からの光束は、光学系４０３を介して右眼４０１に導かれる。これにより表示画面４０５に表示されている画像は光学系４０３で拡大されて右眼４０１で観察されることになる。また、表示画面４０５の中心は右眼視軸４０７（観察者が正面の無限遠を見た際の右眼４０１の視軸）を含む垂直断面に対して右側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面４０５及び光学系４０３のセットにより右眼４０１に導かれる画像の画角は、右眼４０１の入射瞳中心を中心に右眼視軸４０７から時計回りに４５度、反時計回りに３０度である。以下では、表示画面４０５及び光学系４０３のセットを右眼用表示ユニットと呼称する。

【0065】

表示画面４０６は、観察者の左眼４０２に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面４０６に表示された画像からの光束は、光学系４０４を介して左眼４０２に導かれる。これにより表示画面４０６に表示されている画像は光学系４０４で拡大されて左眼４０２で観察されることになる。また、表示画面４０６の中心は左眼視軸４０８（観察者が正面の無限遠を見た際の左眼４０２の視軸であり、右眼視軸４０７と平行）を含む垂直断面に対して左側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面４０６及び光学系４０４のセットにより左眼４０２に導かれる画像の画角は、左眼４０２の入射瞳中心を中心に左眼視軸４０８から時計回りに３０度、反時計回りに４５度である。以下では、表示画面４０６及び光学系４０４のセットを左眼用表示ユニットと呼称する。

【0066】

このような左眼用表示ユニット及び右眼用表示ユニットにより供給された画像を観察者が観察する場合、観察者の正面方向（右眼視軸４０７及び左眼視軸４０８と平行）から反時計回りに４５度〜３０度の範囲（単眼領域）は左眼４０２のみで観察することになる。また、観察者の正面方向から反時計回りに３０度〜時計回りに３０度の範囲（両眼領域）は右眼４０１及び左眼４０２の両眼で観察することになる。また、観察者の正面方向から時計回りに３０度〜４５度の範囲（単眼領域）は右眼４０１のみで観察することになる。その結果、観察者の視界（水平画角）は９０度となる。

【0067】

このように左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の表示画面の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の観察像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能となる。

【0068】

本実施形態では、右眼４０１で観察する観察画像の中で両眼領域が画角６０°、右眼領域が画角１５°であるので、以下の式（４）より、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合Ｒは約３７％となる。

【0069】

Ｒ＝（ｔａｎ（４５°）−ｔａｎ（３０°））／（２×ｔａｎ（３０°））
＝０．３７ … （式４）
この割合Ｒは４５％以下且つ１０％以上が望ましく、その理由は、割合Ｒが４５％以下且つ５％以上が望ましい理由と同じである。そこで本実施形態でも第１の実施形態と同様、図９に示す如く、光学系４０３において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。これにより、「観察者が正面を観察した際に観察者の右眼４０１に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束４９８」が光学系４０３に入射しないようにしている。また、図９に示す如く、光学系４０４において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。これにより、「観察者が正面を観察した際に観察者の左眼４０２に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束４９９」が光学系４０４に入射しないようにしている。このような光学系の構成により、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が観察者の眼に入射しないようにしている。

【0070】

ここで、本実施形態に係る光学系４０３は、図１０に示す如く、表示画面４０５からの光束を該光学系４０３内の偏心反射曲面で反射させて該光束の光路を該光学系４０３内で折りたたむことで該光束を観察者の右眼４０１に導くように構成されている。図１０（ａ）では、表示画面４０５からの光束は光学系４０３内の偏心反射曲面で４回反射してから右眼４０１に導かれている。なお、光学系４０３内の眼球への出射面は反射と透過の作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。光学系４０４についても同様に、表示画面４０６からの光束を該光学系４０４内の偏心反射曲面で反射させて該光束の光路を該光学系４０４内で折りたたむことで該光束を観察者の左眼４０２に導くように構成されている。なお、光学系４０４内の眼球への出射面は反射作用と透過作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。

【0071】

このような光学系の構成により、光学系の厚さを薄型化している。なお、光学系４０３及び光学系４０４は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される。

【0072】

図１０（ａ）から分かる通り、光学系４０３（光学系４０４）は、光学系の内部で中間結像面を有している。中間結像面を有する光学系とすることで、焦点距離を短くすることができ、表示画角を大きくすることができる。

【0073】

本実施形態に係る光学系４０３と光学系４０４の観察者側の面は同じ関数で表現された自由曲面形状であり、表示画面側の面と反射面も同様に光学系４０３と光学系４０４とで同じ関数で表現された自由曲面形状である。そのため、光学系４０３のすべての光学面が、それぞれの光学面と同じ位置関係にある光学系４０４の光学面と光学的パワーが同じである。

【0074】

また、光学系４０３のすべての光学面の形状は、右眼視軸４０７を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。同様に、光学系４０４のすべての光学面の形状は、左眼視軸４０８を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。そのため、右眼４０１と左眼４０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状は左右の光学系で同じであるため、光学系で発生する収差の出方も左右で同じである。その結果、解像力や歪の形の左右での差がほとんどなく、両眼で融像しやすい画像となる。また、光学系４０３と光学系４０４を構成する面を自由曲面形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能となる。

【0075】

図１０（ａ）のように、本実施形態では、右眼視軸４０７と一致するように光学系４０３の射出瞳の中心に導かれる光束の表示画面４０５からの出射角度は１５°であり、表示画面４０５の法線の方向とは異なる。これは、光学系４０４についても同様である。このようにすることで、設計の自由度が向上し、より光学性能の高い光学系を実現することが可能となる。

【0076】

本実施形態では、図９に示す如く、光学系４０３の４回目の反射面と出射面の光線有効範囲を、表示画面４０５から右眼４０１に導かれる光束の光線有効範囲よりも狭くしている。そしてこれにより、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が観察者の眼に入射しないようにしている。同様に、光学系４０４の４回目の反射面と出射面の光線有効範囲を、表示画面４０６から左眼４０２に導かれる光束の光線有効範囲よりも狭くし、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が観察者の眼に入射しないようにしている。

【0077】

このように本実施形態では、右眼及び左眼のそれぞれについて、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が光学系から出射しないようにする。これにより、境界部付近の光束は光学系でケラレるため、境界部が図３（ｂ）のように観察されることを防ぐことができる。その際、本実施形態のように観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する光束のすべてが光学系から射出しないようにしてもよいし、一部が射出しないようにしてもよい。望ましくは、正面観察時に単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が入射する割合が観察者の瞳径の半分以下であると、境界部がより目立ちにくくなる。

【0078】

また、本実施形態では、観察画像の位置は観察者の眼から１．４ｍになるように光学系で拡大しており、光学系の中で光線有効範囲が狭くなっている面と眼との間隔は１５ｍｍであり、観察画像の位置の０．１倍より近い。そのため、光学系の中で光線有効範囲が狭い面と観察画像との距離は充分に離れており、光学系のエッジのボケが大きく境界部は目立ちにくくなる。

【0079】

また、図９から分かるように、本実施形態の光学系４０３の切り欠き部と光学系４０４の切り欠き部は何れも、プリズムを切断した形状となっており、光学系４０３と光学系４０４は異なっている。これは、光線の有効範囲以外の光学系をなくすことで、光学系の小型・軽量化につなげるとともに、左右の光学系が内側で干渉することを回避するためである。さらに、内側の光学系を小さくできるので、観察者の鼻にぶつかりにくい画像表示装置とすることができ、快適な観察が可能となる。

【0080】

ここで、光学系の表示画面側の面の光線有効範囲は表示画面の大きさと同等であり、この面の光線有効範囲を光学系４０３の光線有効範囲と光学系４０４の光線有効範囲を含む範囲としても光学系の大きさには影響しない。そのため、光学系４０３と光学系４０４の表示画面側の面の光線有効範囲は等しくしても良い。そのようにすることで、左右の光学系で形状も光線有効範囲も等しい面ができ、加工及び製作を容易にすることができる。

【0081】

また、図１０（ｂ）から分かるように、表示画面４０５からの光束が光学系４０３に入射して１回目に反射する面と、２回目に反射する面は光学系４０３の瞳結像面に近い。そのため、この２つの面の光線有効範囲を狭くすると、単眼領域と両眼領域の境界部からの光束以外の光束もケラレてしまうことから、この２つの面の光線有効範囲は狭くしないことが望ましい。

【0082】

［第５の実施形態］
先ず、本実施形態に係る画像表示装置について、該画像表示装置における表示画面及び光学系、そして該画像表示装置における該表示画面を観察する観察者の眼との関係について、図１１を用いて説明する。

【0083】

表示画面５０５は、観察者の右眼５０１に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面５０５に表示された画像からの光束は、光学系５０３を介して右眼５０１に導かれる。これにより表示画面５０５に表示されている画像は光学系５０３で拡大されて右眼５０１で観察されることになる。また、表示画面５０５の中心は右眼視軸５０７（観察者が正面の無限遠を見た際の右眼５０１の視軸）を含む垂直断面に対して左側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面５０５及び光学系５０３のセットにより右眼５０１に導かれる画像の画角は、右眼５０１の入射瞳中心を中心に右眼視軸５０７から時計回りに３２度、反時計回りに３６度である。以下では、表示画面５０５及び光学系５０３のセットを右眼用表示ユニットと呼称する。

【0084】

表示画面５０６は、観察者の左眼５０２に提示するために生成された画像を表示するための画面で、表示画面５０６に表示された画像からの光束は、光学系５０４を介して左眼５０２に導かれる。これにより表示画面５０６に表示されている画像は光学系５０４で拡大されて左眼５０２で観察されることになる。また、表示画面５０６の中心は左眼視軸５０８（観察者が正面の無限遠を見た際の左眼５０２の視軸であり、右眼視軸５０７と平行）を含む垂直断面に対して右側に規定量シフトした位置にある。また、表示画面５０６及び光学系５０４のセットにより左眼５０２に導かれる画像の画角は、左眼５０２の入射瞳中心を中心に左眼視軸５０８から時計回りに３６度、反時計回りに３２度である。以下では、表示画面５０６及び光学系５０４のセットを左眼用表示ユニットと呼称する。

【0085】

このような左眼用表示ユニット及び右眼用表示ユニットにより供給された画像を観察者が観察する場合、観察者の正面方向（右眼視軸５０７及び左眼視軸５０８と平行）から反時計回りに３６度〜３２度の範囲（単眼領域）は左眼５０２のみで観察することになる。また、観察者の正面方向から反時計回りに３２度〜時計回りに３２度の範囲（両眼領域）は右眼５０１及び左眼５０２の両眼で観察することになる。また、観察者の正面方向から時計回りに３６度〜３２度の範囲（単眼領域）は右眼５０１のみで観察することになる。その結果、観察者の視界（水平画角）は７２度となる。

【0086】

このように左右の眼に対して異なる画角の観察像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の表示画面の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の観察像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能となる。

【0087】

本実施形態では、第１〜４の実施形態とは異なり、観察者の耳側ではなく鼻側に単眼領域を設けて画角を広げている。第１〜４の実施形態では、右眼用の光学系の右側の表示画角が左眼用の光学系の右側の表示画角よりも大きく、左眼用の光学系の左側の表示画角が右眼用の光学系の左側の表示画角よりも大きい。そのため、右眼の観察画像と左眼の観察画像とが１００％重なることがない。

【0088】

しかし、本実施形態では右眼用の光学系の右側の表示画角が左眼用の光学系の右側の表示画角よりも小さく、左眼用の光学系の左側の表示画角が右眼用の光学系の左側の表示画角よりも小さい。そのため、ある距離において左眼で観察した画像と右眼で観察した画像とが１００％重なり、右眼と左眼の間隔を６３ｍｍとすると、本実施形態の表示画角の場合、約０．６ｍの距離において左眼で観察した画像と右眼で観察した画像とが１００％重なる。そのため、観察距離が０．６ｍ付近の近い距離のときには第１〜４の実施形態に比べて両眼領域と単眼領域との境界部が目立ちにくい。

【0089】

本実施形態では、右眼５０１で観察する観察画像の中で両眼領域が画角６４°、右眼領域が画角４°であるので、以下の式（５）より、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合Ｒは約８％となる。

【0090】

Ｒ＝（ｔａｎ（３６°）−ｔａｎ（３２°））／（２×ｔａｎ（３２°））
＝０．０８ … （式５）
上記の通り、この割合Ｒは４５％以下且つ５％以上が望ましい。そこで本実施形態でも第１の実施形態と同様、光学系５０３において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。これにより、「観察者が正面を観察した際に観察者の右眼５０１に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束」が光学系５０３に入射しないようにしている。また、図５に示す如く、光学系５０４において観察者の鼻Ｎ側は切り欠いている。これにより、「観察者が正面を観察した際に観察者の左眼５０２に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束」が光学系５０４に入射しないようにしている。このような光学系の構成により、観察者が正面を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が観察者の眼に入射しないようにしている。

【0091】

ここで、本実施形態に係る光学系５０３は、図１２に示す如く、表示画面５０５からの光束を該光学系５０３内の偏心反射曲面で反射させて該光束の光路を該光学系５０３内で折りたたむことで該光束を観察者の右眼５０１に導くように構成されている。図１２では、表示画面５０５からの光束は光学系５０３内の偏心反射曲面で２回反射してから右眼５０１に導かれている。なお、光学系５０３内の眼球への出射面は反射と透過の作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。光学系５０４についても同様に、表示画面５０６からの光束を該光学系５０４内の偏心反射曲面で反射させて該光束の光路を該光学系５０４内で折りたたむことで該光束を観察者の左眼５０２に導くように構成されている。なお、光学系５０４内の眼球への出射面は反射作用と透過作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。

【0092】

このような光学系の構成により、光学系の厚さを薄型化している。なお、光学系５０３及び光学系５０４は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される。

【0093】

本実施形態に係る光学系５０３と光学系５０４の観察者側の面は同じ関数で表現された自由曲面形状であり、表示画面側の面と反射面も同様に光学系５０３と光学系５０４とで同じ関数で表現された自由曲面形状である。そのため、光学系５０３のすべての光学面が、それぞれの光学面と同じ位置関係にある光学系５０４の光学面と光学的パワーが同じである。

【0094】

また、光学系５０３のすべての光学面の形状は、右眼視軸５０７を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。同様に、光学系５０４のすべての光学面の形状は、左眼視軸５０８を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。そのため、右眼５０１と左眼５０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状は左右の光学系で同じであるため、光学系で発生する収差の出方も左右で同じである。その結果、解像力や歪の形の左右での差がほとんどなく、両眼で融像しやすい画像となる。また、光学系５０３と光学系５０４を構成する面を自由曲面形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能となる。

【0095】

図１２のように、本実施形態では、右眼視軸５０７と一致するように光学系５０３の射出瞳の中心に導かれる光束の表示画面５０５からの出射角度は８°であり、表示画面５０５の法線の方向とは異なる。これは、光学系５０４についても同様である。このようにすることで、設計の自由度が向上し、より光学性能の高い光学系を実現することが可能となる。

【0096】

本実施形態では、図１１に示す如く、光学系５０３において右眼視軸５０７よりも左側を、表示画面５０５から右眼５０１に導かれる光束の光線有効範囲において右眼視軸５０７よりも左側の範囲よりも狭くしている。そのため、図１３（ａ）に示す如く、観察者が光学系５０３の左側３６°の方向を観察した際には、光束は観察者の眼に入射しない。また、図１３（ｂ）に示す如く、観察者が両眼領域と単眼領域との境界部である左側３２°の方向を観察した際には、光束の約４０％が観察者の眼に入射する。これは、左眼５０２についても同様である。

【0097】

このように本実施形態では、観察者が両眼領域と単眼領域との境界部を観察した際に観察者の瞳に入射する単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が光学系でケラレるため、境界部が図３（ｂ）のように観察されることを防ぐことができる。その際、本実施形態のように観察者が境界部を観察した際に観察者の瞳に入射する光束の４０％が光学系から出射しないようにしてもよいし、全部が出射しないようにしてもよい。望ましくは、境界部の観察時に単眼領域と両眼領域の境界部に対応する光束が入射する割合が観察者の瞳径の半分以下であると、境界部がより目立ちにくくなる。

【0098】

また、本実施形態では、観察画像の位置は観察者の眼から１．４ｍになるように光学系で拡大しており、光学系の中で光線有効範囲が狭くなっている面と眼との間隔は１８ｍｍであり、観察画像の位置の０．１倍より近い。そのため、光学系の中で光線有効範囲が狭い面と観察画像との距離は充分に離れており、光学系のエッジのボケが大きく境界部は目立ちにくくなる。

【0099】

また、図１４から分かるように、本実施形態の光学系５０３の切り欠き部と光学系５０４の切り欠き部は何れも、プリズムを切断した形状となっており、光学系５０３と光学系５０４は異なっている。これは、光線の有効範囲以外の光学系をなくすことで、光学系の小型・軽量化につなげるとともに、左右の光学系が内側で干渉することを回避するためである。さらに、内側の光学系を小さくできるので、観察者の鼻にぶつかりにくい画像表示装置とすることができ、快適な観察が可能となる。

【0100】

ここで、光学系の表示画面側の面の光線有効範囲は表示画面の大きさと同等であり、この面の光線有効範囲を光学系５０３の光線有効範囲と光学系５０４の光線有効範囲を含む範囲としても光学系の大きさには影響しない。そのため、光学系５０３と光学系５０４の表示画面側の面の光線有効範囲は等しくしても良い。そのようにすることで、左右の光学系で形状も光線有効範囲も等しい面ができ、加工及び製作を容易にすることができる。

【0101】

本実施形態の画像表示装置で左右に視差のある画像を観察する場合には、同じ画角を観察した際に光線が通過する光学系の面の形状は左右の光学系でまったく同じではない。しかし、左右での面の形状の差は小さいため、解像力や歪の形の左右での差が小さく両眼で融像しやすい画像となる。

【0102】

ここで、一方の眼に導かれる観察像の単眼領域の面積をＡ、両眼領域の面積をＢとすると、０．０５≦Ａ／Ｂ≦０．４５を満たす。なお、以上説明した各実施形態の一部若しくは全部を適宜組み合わせても構わないし、以上説明した各実施形態の一部若しくは全部を選択的に使用しても構わない。

【0103】

（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

【符号の説明】

【0104】

１０３：光学系 １０４：光学系 １０５：表示画面 １０６：表示画面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】