JP2010266792A5 - - Google Patents

Description

観察光学系及び画像表示装置

本発明は、複数の表示素子からの光を合成して１つの合成拡大像を観察させる観察光学系に関し、特にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に好適な観察光学系に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に用いられる観察光学系としては、自然な観察を可能とし、かつ臨場感を増すために、広画角での画像提示が望まれている。また、観察者の頭部に装着される画像表示装置は、小型で薄型であることが望ましい。

小型かつ薄型であり、広画角の画像提示が可能な観察光学系には、表示素子を複数用い、それらに互いに異なる視野に対応する原画を表示させ、それらの原画から１つの合成像を形成してこれを観察させるものがある。複数の表示素子を用いることで、それぞれの表示素子に対応する光学系の大きさを小型かつ薄型にすることができるので、広画角でありながらも全体として小型で薄型の観察光学系を実現できる。このような観察光学系の例としては、特許文献１〜５にて開示されたものがある。

特許文献１，２に開示された観察光学系では、観察光学系内に視軸に対して対称にＶ字型のミラーを設け、１つの表示素子に表示された原画からの光をＶ字型ミラーの一方の反射面で反射して射出瞳に向かわせる。また、他の１つの表示素子に表示された原画からの光を、Ｖ字型ミラーの他方の反射面で反射して射出瞳に向かわせる。

特許文献３にて開示された観察光学系では、視軸に対して対称な形状のプリズムを設けている。１つの表示素子に表示された原画からの光は、該表示素子に対向配置された入射面からプリズム内に導かれ、該プリズムの透過面兼内部全反射面である第１面で反射された後、別の反射面で反射され、第１面を透過して射出瞳に向かう。また、他の１つの表示素子に表示された原画からの光も同様に、該他の表示素子に対向配置された入射面からプリズム内に導かれ、第１面で反射された後、別の反射面で反射され、第１面を透過して射出瞳に向かう。

特許文献４にて開示された観察光学系でも、視軸に対して対称な形状のプリズムを設けている。この観察光学系では、それぞれの表示素子に対向配置されたプリズムの入射面が、他方の表示素子からの光を反射して射出瞳に向かわせる２つの反射面としても用いられている。

特許文献５にて開示された観察光学系では、視軸上の前後にプリズムを設けている。射出瞳に近い側のプリズムは、１つの表示素子に表示された原画からの光を２回反射して射出瞳に導き、射出瞳から遠い側のプリズムは、他の１つの表示素子に表示された原画からの光を２回反射した後に、射出瞳に近い側のプリズムを介して射出瞳に導く。

特開平０７−２７４０９７号公報 特許第３５２４５６９号公報 特開平１１−３２６８２０号公報 特開平１０−２４６８６５号公報 特開平０９−１６６７５９号公報

しかしながら、特許文献１〜４にて開示された観察光学系では、合成像における原画の境界部分にて、各原画からの光を重ね合わせられない。このため、観察者の眼球が回転した場合に、境界部分において原画の継ぎ目が目立ってしまい、自然な観察が行えない。

また、特許文献５にて開示された観察光学系では、射出瞳から遠い側のプリズムからのすべての光が射出瞳に近い側のプリズムを透過するため、射出瞳に近い側のプリズムが大型化し、観察光学系全体の大型化を招く。

本発明は、複数の原画（表示素子）からの光を合成して１つの合成拡大像を観察させる観察光学系であって、広画角化とともに小型化及び薄型化を達成し、自然な観察が行えるようにした観察光学系を提供する。

本発明の一側面としての観察光学系は、第１の原画を表示する第１の表示素子と第２の原画を表示する第２の表示素子からの光を射出瞳に導いて、該第１及び第２の原画の合成拡大像を提示する。該観察光学系は、第１の表示素子からの光が入射する第１の光学素子と、第２の表示素子からの光が入射する第２の光学素子と、第３の光学素子とを有する。そして、該観察光学系は、第２の表示素子における第１の表示領域からの光を、第２の光学素子と、第１及び第３の光学素子のうち少なくとも第１の光学素子を介して射出瞳に導き、第２の表示素子における第１の表示領域とは異なる第２の表示領域からの光を、第１の光学素子を介さずに、第２の光学素子と第３の光学素子を介して射出瞳に導くことを特徴とする。

なお、上記第１及び第２の表示素子と上記観察光学系とを有する画像表示装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明では、第２の表示素子における第１の表示領域からの光を第１の光学素子を介して射出瞳に導き、同じ第２の表示素子における第２の表示領域からの光を第１の光学素子を介さずに射出瞳に導く。このため、本発明によれば、第１の光学素子の大きさを小さくすることができ、この結果、広画角で合成拡大像を提示する観察光学系（及び画像表示装置）の小型化及び薄型化を実現することができる。しかも、第２の表示素子からの光のうち第１の光学素子を介して射出瞳に導かれる光と第１の光学素子を介さずに第３の光学素子を介して射出瞳に導かれる光との間の光路差を小さくする（なくす）ことができ、良好な画質の合成拡大像を提示することができる。

本発明の実施例１である観察光学系の構成を示す図。 本発明の実施例２である観察光学系の構成を示す図。 本発明の数値例１の光学断面図。 数値例１における不要光除去に関する説明図。 本発明の数値例２の光学断面図。 実施例２の観察光学系が薄型化されていることを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像表示装置に搭載された観察光学系を示している。１は第１の表示素子であり、２は第２の表示素子である。３は第１の光学素子であり、４は第２の光学素子である。５は第３の光学素子である。

６は接眼レンズであり、７は観察者の眼球である。眼球は、観察光学系の射出瞳の位置又はその近傍に配置される。

第１及び第２の表示素子１，２としては、有機ＥＬ等の自発光型２次元画像表示素子や、透過型液晶パネル（ＬＣＤ）等のディスプレイデバイスが用いられる。

第１の表示素子１に表示された第１の原画からの光は、ハーフミラー面により構成される第１の光学素子３に入射してこれにより反射され、接眼レンズ６を介して図中の上側の画角を形成する光として眼球（射出瞳）７に導かれる。

第２の表示素子２に表示された第２の原画からの光は、第２の光学素子４に入射してこれにより反射される。該反射光のうち第２の表示素子２における第１の表示領域（図中の左側の領域）からの光は、第１の光学素子３を介して（透過して）、接眼レンズ６により眼球（射出瞳）７に導かれる。また、上記反射光のうち第２の表示素子２における第２の表示領域（第１の表示領域とは異なる領域：図中の右側の領域）からの光は、第１の光学素子３を介さずに第３の光学素子５を透過して、接眼レンズ６により眼球（射出瞳）７に導かれる。これら第２の表示素子２からの光は、図中の下側の画角を形成する光として眼球７に導かれる。

このような構成により、第１の原画に対応する拡大像と第２の原画に対応する拡大像とが合成された合成拡大像（第１及び第２の原画の合成拡大像）を射出瞳にて提示することができる。

そして、上記のような構成を採用することで、第２の表示素子２からの光のすべてが第１の光学素子３を介して眼球７に導かれる場合に比べて、観察光学系の全体を小型化及び薄型化することができる。

第３の光学素子５は、第１の光学素子３と同じ屈折率と同じ厚みを有する光学透明体である。これにより、第２の表示素子２からの光のうち第１の光学素子３を透過する光と第１の光学素子３を透過せずに第３の光学素子５を透過する光との間の光路差を小さくする（なくす）ことができる。

ここで、第１及び第２の表示素子１，２からの光を同程度の明るさで眼球７に導くために、第１の光学素子３は、透過と反射の強度が等しいハーフミラーであることが望ましい。

また、第２の表示素子２からの光のうち第１の光学素子３を透過する光と第１の光学素子３を透過せずに第３の光学素子５を透過する光との間で明るさの違いが生じる場合がある。この場合は、後者の光の光路（第２の表示領域から前記射出瞳に至る光路）に、光量を減少させるフィルタや膜等の減光部材（減光手段）を設けるとよい。減光部材は、光学素子５の面に設けることができる。また、減光部材は、５０％の透過率であることがさらに望ましい。

さらに、図１では、第１の光学素子３と第３の光学素子５は互いに近接して配置されているが、これらを一体の光学素子として形成してもよい。このとき、２つの表示素子１，２からの光が重なり合う領域の像は、その明るさが他の領域の像の明るさに比べて２倍になる。このため、第１及び第２の表示素子１，２に表示される原画の輝度を低くするとよい。

図２には、本発明の実施例２である画像表示装置に搭載された観察光学系を示している。１は第１の表示素子であり、２は第２の表示素子である。１３は第１の光学素子であり、１４は第２の光学素子である。１５は第３の光学素子である。

７は観察者の眼球である。眼球は、観察光学系の射出瞳の位置又はその近傍に配置される。

第１及び第２の表示素子１，２としては、実施例１と同様のディスプレイデバイスが用いられる。

本実施例では、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４のそれぞれに設けられた複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳むことによって、観察光学系を実施例１よりもさらに薄型化している。また、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４の間に、第３の光学素子１５を配置している。第１〜第３の光学素子１３，１４，１５はいずれも、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内部が満たされた透明体（プリズム素子）により構成される。

第１の表示素子１に表示された第１の原画からの光は、第１の光学素子１３の面１１で１回反射された後に、ハーフミラー面である光学面９でさらに反射し、面１１を透過して図中の上側の画角を形成する光として眼球（射出瞳）７に導かれる。

第２の表示素子２に表示された第２の原画からの光は、第２の光学素子１４の面１２と面１６で２回反射された後に、第３の光学素子１５を透過する。第３の光学素子１５を透過する光のうち、第２の表示素子２における第１の表示領域（図中の右側の領域）からの光は、第１の光学素子１３を介して（透過して）、眼球（射出瞳）７に導かれる。このとき、第１の表示領域からの光は、第１の光学素子１３の光学面９を透過する。

また、第３の光学素子１５を透過する光のうち、第２の表示素子２における第２の表示領域（図中の左側の領域）からの光は、第１の光学素子１３を介さずに第３の光学素子１５（面１０）を透過して眼球（射出瞳）７に導かれる。これら第２の表示素子２からの光は、図中の下側の画角を形成する光として眼球７に導かれる。

このような構成により、第１の原画に対応する拡大像と第２の原画２に対応する拡大像とが合成された合成拡大像（第１及び第２の原画の合成拡大像）を射出瞳にて提示することができる。

本実施例でも、実施例１と同様に、第２の表示素子２からの光に、第１の光学素子１３を透過する光と該第１の光学素子１３を透過しない光とがあることで、観察光学系の全体を薄型化することができる。

図６（ａ）には、第２の表示素子からの光のすべてが第１の光学素子を介して射出瞳に導かれるように構成した観察光学系の厚さＴ１を示している。また、図６（ｂ）には、本実施例の観察光学系の厚さＴ２を示している。Ｔ１＞Ｔ２となっており、本実施例により観察光学系の全体を薄型化することができていることが分かる。

また、本実施例では、第１の光学素子１３と第２の光学素子１４との間に第３の光学素子１５を配置して、第１の光学素子１３と第３の光学素子１５を接合している。これにより、射出瞳において、第２の表示素子２からの光のうち第１の光学素子１３を透過する光により形成される拡大像と該第１の光学素子１３を透過しない光により形成される拡大像との不連続性を軽減することができる。したがって、第２の原画に対応する拡大像の不自然さを軽減又はなくすことができる。

さらに、本実施例では、実施例１に比べて、観察光学系を構成する光学面の数が多いので、収差補正に対して有利となる。

本実施例でも、第１及び第２の表示素子１，２からの光を同程度の明るさで眼球７に導くために、光学面９は透過と反射の強度が等しいハーフミラー面であることが望ましい。また、第２の表示素子２からの光のうち第１の光学素子１３を透過する光と透過しない光との間で明るさの違いができる場合は、後者の光の光路内（例えば、第３の光学素子１５の面１０）に、光量を低下させるフィルタや膜等の減光部材を設けるとよい。減光部材は、５０％の透過率を有することがさらに望ましい。

また、実施例１と同様に、２つの表示素子１，２からの光が重なる領域の像は、その明るさが他の領域の像の明るさに比べて２倍になる。このため、第１及び第２の表示素子１，２に表示される原画のうち該重なる領域の輝度を低くするとよい。

また、第１の光学素子１３における面１１での反射と第２の光学素子１４の面１２での反射は、内部全反射とすることが望ましい。これにより、光量のロスがほとんどないように光を反射することが可能である。

第１〜第３の光学素子１３，１４，１５の全ての面を曲面で構成した場合には、全ての面が集光、発散又は収差補正に寄与するので、不要な面を減らして、観察光学系のコスト削減の効果が期待できる。

さらに、第１〜第３の光学素子１３，１４，１５を構成する全ての面を回転非対称形状を有する面（回転非対称面）とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質の合成拡大像を提示することが可能となる。

このとき、各回転非対称面を、後述するローカル母線断面を唯一の対称面とするローカル子線断面方向に面対称な形状とすると、対称性のない場合に比較して、加工と製作を容易にすることができる。

以上説明した実施例１，２の観察光学系によれば、第１及び第２の表示素子１，２に表示された第１及び第２の原画の合成拡大像を、良好な画質で提示することができる。

以下、上記実施例１，２の数値例を説明する。

まず、数値例における母線断面、子線断面、ローカル母線断面及びローカル子線断面の定義について説明する。偏心系に対応していない従来系の定義では、各面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面（サジタル断面）となる。実施例の光学系は偏心系であるので、偏心系に対応したローカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。中心画角主光線（観察光学系においては表示素子に表示される原画の中心から射出瞳の中心に至る光線）の各面でのヒットポイント上で、中心画角主光線の入射光と射出光を含む面をローカル母線断面とする。また、ヒットポイントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル子線断面とする。

（数値例１）
図３には、図２に示した実施例２の数値例１の光学断面を示している。実施例２で説明したように、この数値例でも上下方向にて第１及び第２の原画を合成している。なお、本数値例及び後述する他の数値例では、各表示素子を像面とした射出瞳からの逆光線追跡により説明する。

第１〜第３の光学素子２３，２４，２５はそれぞれ、３つの面を有した透明体（プリズム素子）として形成されている。第１の光学素子２３と第３の光学素子２５は、面Ｓ３で接合されている。面Ｓ２と面Ｓ４は同一面であり、面Ｓ４’と面Ｓ６’は同一面である。面ＳＩと面ＳＩ’はそれぞれ、第１及び第２の表示素子１，２の画像表示面であり、Ｓ１は射出瞳である。

実施例２で説明したように、画角ごとの光量を等しくするために、第１の光学素子２３の面Ｓ３は、第１の表示素子１からの光を反射し、第２の表示素子２からの光を透過するハーフミラーとしている。第３の光学素子２５の面Ｓ２には、５０％の透過率を有する減光部材が設けられている。

第１の表示素子１に表示された第１の原画からの光は、面Ｓ５から第１の光学素子２３に入射し、面Ｓ４と面Ｓ３で反射された後に、面Ｓ２を通って第１の光学素子２３から射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。

第２の表示素子２に表示された第２の原画からの光は、面Ｓ７’から第２の光学素子２４に入射し、面Ｓ６’と面Ｓ５’で反射された後に、面Ｓ４’を通って第２の光学素子２４から射出する。そして、面Ｓ３’から第３の光学素子２５に入射した光のうち第２の表示素子２の第１の表示領域からの光は、接合面である面Ｓ３から第１の光学素子２３に入射し、面Ｓ２を通って第１の光学素子２３から射出して射出瞳Ｓ１に導かれる。また、第２の表示素子２の第２の表示領域からの光は、第１の光学素子２３には入射せずに面Ｓ２を通って第３の光学素子２５から射出し、射出瞳Ｓ１に導かれる。

第１の光学素子２３の面Ｓ４と第２の光学素子２４の面Ｓ６’での反射は、内部全反射とすることが望ましい。このようにすることで、光量ロスを少なくしつつ光を反射することができる。

本数値例において、面Ｓ２〜Ｓ５、Ｓ３’〜Ｓ７’はそれぞれ回転非対称面であり、図の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。本数値例の光学データを表１に示す。

光学データのうち最も左の項目ＳＵＲＦは面番号を示している。また、Ｘ，Ｙ，Ｚは、第１面Ｓ１の中心を原点（０，０，０）として、図中に示したｙ軸とｚ軸と紙面の奥向き方向にとったｘ軸を有する座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）である。Ａは図中で反時計回り方向を正方向とするｘ軸回りの回転角度（単位：度）である。

Ｒｘはｘ方向の曲率半径であり、Ｒｙはｙ方向の曲率半径である。ＴＹＰの項は、面形状の種類を表す。ＦＦＳ１は以下の式（１）に従う回転非対称面であり、ＦＦＳ２は以下の式（２）に従う回転非対称面である。

（式１）
FFS1：
z=(1/R)*(x²+y²)/(1+(1-(1+c1)*(1/R)²*(x²+y²))^(1/2))+c2+c4*y+c5*(x²-y²)+
c6*(-1+2*x²+2*y²)+c10*(-2*y+3*x²*y+3*y³)+c11*(3*x²*y-y³)+c12*(x⁴-6*x²*y²
+y⁴)+c13*(-3*x²+4*x⁴+3*y²-4*y⁴)+c14*(1-6*x²+6*x⁴-6*y²+12*x²*y²+6*y⁴)+c20
*(3*y-12*x²*y+10*x⁴*y-12*y³+20*x²*y³+10*y⁵)+c21*(-12*x²*y+15*x⁴*y+4*y³+1
0*x²*y³-5*y⁵)+c22*(5*x⁴*y-10*x²*y³+y⁵)+c23*(x⁶-15*x⁴*y²+15*x²*y⁴-y⁶)+c24
*(-5*x⁴+6*x⁶+30*x²*y²-30*x⁴*y²-5*y⁴-30*x²*y⁴+6*y⁶)+c25*(6*x²-20*x⁴+15*x⁶
-6*y²+15*x⁴*y²+20*y⁴-15*x²*y⁴-15*y⁶)+c26*(-1+12*x²-30*x⁴+20*x⁶+12*y²-60*
x²*y²+60*x⁴*y²-30*y⁴+60*x²*y⁴+20*y⁶) +・・・・・・

（式２）
FFS2：
z=((1/Rx)*x²+(1/Ry)*y²)/(1+(1-(1+cx1)*(1/Rx)²*x²-(1+cy1)*(1/Ry)²*y²)^(1/2))+c2+c4*y+
c5*(x²-y²)+c6*(-1+2*x²+2*y²)+c10*(-2*y+3*x²*y+3*y³)+c11*(3*x²*y-y³)+c12*(x⁴-6*x²*y²+y⁴)+c13*(-3*x²+4*x⁴+3*y²-4*y⁴)+c14*(1-6*x²+6*x⁴-6*y²+12*x²*y²+6*y⁴)+c20
*(3*y-12*x²*y+10*x⁴*y-12*y³+20*x²*y³+10*y⁵)+c21*(-12*x²*y+15*x⁴*y+4*y³+1
0*x²*y³-5*y⁵)+c22*(5*x⁴*y-10*x²*y³+y⁵)+c23*(x⁶-15*x⁴*y²+15*x²*y⁴-y⁶)+c24
*(-5*x⁴+6*x⁶+30*x²*y²-30*x⁴*y²-5*y⁴-30*x²*y⁴+6*y⁶)+c25*(6*x²-20*x⁴+15*x⁶
-6*y²+15*x⁴*y²+20*y⁴-15*x²*y⁴-15*y⁶)+c26*(-1+12*x²-30*x⁴+20*x⁶+12*y²-60*
x²*y²+60*x⁴*y²-30*y⁴+60*x²*y⁴+20*y⁶) +・・・・・・

ＴＹＰの欄でＦＦＳ１とＦＦＳ２の横に記された数値は、その面形状が同表の下側に記載された非球面係数ｃｉに対応する回転非対称形状であることを示している。Ｎｄとνｄはそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示している。屈折率Ｎの符号の変化は、その面で光が反射されることを示している。また、媒質が空気層の場合は、屈折率Ｎｄのみを１.０００として表示している。「ｅ±Ｍ」は、「×１０^±Ｍ」を意味する。

（表１）
SURF X Y Z A Rx Ry TYP Nd νd
1 0.000 0.000 0.000 0.000
2 0.000 -27.919 20.000 0.275 1310 1310 FFS1-1 1.5709 33.8
3 0.000 -22.306 8.661 -47.775 -58.43 -80.51 FFS2-2 -1.5709 33.8
4 0.000 -27.919 20.000 0.275 1310 1310 FFS1-1 1.5709 33.8
5 0.000 20.623 26.896 57.723 -34.86 -646.0 FFS2-3 1.0000
I 0.000 26.464 29.419 45.698

3’ 0.000 -27.950 7.063 -55.671 -48.83 -48.82 FFS2-4 1.0000
4’ 0.000 -21.692 20.540 -22.253 -614.8 -614.8 FFS1-5 1.5709 33.8
5’ 0.000 6.930 32.230 20.159 -68.57 -78.06 FFS2-6 -1.5709 33.8
6’ 0.000 -21.692 20.540 -22.253 -614.8 -614.8 FFS1-5 1.5709 33.8
7’ 0.000 -19.358 28.686 -71.107 -24.12 -74.81 FFS2-7 1.0000
I’ 0.000 -22.894 29.673 -68.865

FFS1-1 c 1:-1.6072e+003 c 5:1.2911e-004 c 6:1.0450e-004 c10:6.8738e-008
c11:8.1945e-007 c12:-3.3135e-009 c13:-9.1303e-010 c14:-1.1523e-009
c20:-1.0754e-011 c21:-4.4678e-011 c22:8.9558e-011 c23:-4.5454e-012
c24:1.1801e-012 c25:-1.0965e-013 c26:-1.7406e-013
FFS2-2 cx 1:-5.0067e-001 cy 1:5.4643e-002 c 5:-2.2107e-004 c 6:-2.2667e-004
c10:-7.5746e-007 c11:-1.6442e-006 c12:1.2177e-008 c13:2.7833e-009
c14:-1.3709e-009 c20:-9.1838e-012 c21:5.8068e-011 c22:4.4163e-011
c23:1.5326e-012 c24:-1.0868e-012 c25:3.9577e-013 c26:7.9185e-015
FFS2-3 cx 1:-4.6807e+000 cy 1:6.1769e+002 c 5:-3.5424e-003 c 6:-5.7313e-004
c10:-3.2335e-006 c11:9.3110e-005 c12:-1.4743e-006 c13:1.6000e-006
c14:1.1402e-006 c20:-1.4455e-007 c21:-1.2287e-007 c22:-4.9476e-007
c23:-1.7099e-008 c24:5.5496e-009 c25:5.3428e-009 c26:3.5017e-009
FFS2-4 cx 1:-5.0067e-001 cy 1:5.4643e-002 c 5:-2.2107e-004 c 6:-2.2667e-004
c10:1.6305e-005 c11:-2.5414e-006 c12:1.2177e-008 c13:2.7833e-009
c14:-1.3709e-009 c20:-4.8734e-010 c21:-4.2932e-010 c22:1.3825e-009
c23:-2.0236e-011 c24:-1.0868e-012 c25:3.9577e-013 c26:7.9185e-015
FFS1-5 c 1:-1.5135e+001 c 5:2.0899e-005 c 6:-1.6000e-005 c10:1.3212e-007
c11:5.1321e-007 c12:-2.1383e-008 c13:-7.4011e-009 c14:7.2614e-010
c20:2.1701e-011 c21:-2.0697e-010 c22:-9.3903e-010 c23:2.5658e-011
c24:2.1476e-012 c25:-2.2187e-012 c26:-1.7320e-013
FFS2-6 cx 1:-4.3863e-001 cy 1:5.4179e-001 c 5:-9.4479e-005 c 6:-7.8025e-005
c10:7.0458e-007 c11:6.4470e-007 c12:-9.1055e-009 c13:-2.8171e-009
c14:-2.7106e-009 c20:-5.8316e-011 c21:9.3022e-011 c22:6.7366e-010
c23:6.3149e-011 c24:1.1174e-011 c25:1.0475e-011 c26:6.2739e-012
FFS2-7 cx 1:-8.1495e-001 cy 1:-4.9826e+001 c 5:-4.7651e-003 c 6:-5.1509e-004
c10:1.9672e-005 c11:-4.8811e-005 c12:6.7100e-008 c13:2.0749e-006
c14:1.3524e-006 c20:1.5466e-007 c21:1.1843e-007 c22:-3.1718e-008
c23:1.3222e-009 c24:1.6312e-008 c25:1.7659e-008 c26:9.3199e-009

本数値例の観察光学系は、射出瞳径Φが１２ｍｍ、第１及び第２の表示素子１，２の表示サイズが０.５８インチ（７.２ｍｍ×１２.８ｍｍ）程度、水平画角が５０度、垂直画角が３８度の画像を、ｚ軸の正方向無限遠方に表示する。本数値例では、垂直方向の画角を２つの表示素子で分割表示しているため、各表示素子は垂直画角の１９度ずつを表示する。水平画角については分割していないため、５０度のままである。

図４には、第２の表示素子２からの光が、面Ｓ３で反射される場合を示す。ここでは、第２の光学素子２４の入射面における第２の表示素子２からの光の入射角をθ１とし、第１の光学素子２３と第３の光学素子２５との接合面で反射した光の該入射面からの射出角をθ２とする。

図４（ａ）に示す光学系では、｜θ１−θ２｜の値が小さいため、第２の表示素子２からの光が面Ｓ３で反射して第２の表示素子２に戻ってくる。このため，観察者には、第２の表示素子２に表示された第２の原画に対応する拡大像だけではなく、不要なフレアやゴーストも観察されてしまう。

しかし、図４（ｂ）に示すように、面Ｓ７’の偏心角度を変化させて、
｜θ１−θ２｜＞２０°
なる条件を満足している。これにより、第２の表示素子２からの光のうち、面Ｓ３で反射して面Ｓ７’から射出する光が第２の表示素子２に戻らなくなり、不要なフレアやゴーストが観察されなくなる。

（数値例２）
図５は、図２に示した実施例２の数値例２の光学断面を示す。本数値例でも、数値例１と同様に、上下方向にて第１及び第２の原画を合成している。

第１〜第３の光学素子３３，３４，３５はそれぞれ、３つの面を有する透明体（プリズム素子）により構成されており、第１の光学素子３３と第３の光学素子３５は面Ｓ３で接合されている。面Ｓ２と面Ｓ４は同一面であり、面Ｓ４’と面Ｓ６’は同一面である。面ＳＩと面ＳＩ’はそれぞれ第１及び第２の表示素子１，２の画像表示面であり、Ｓ１は射出瞳である。

実施例２で説明したように、画角ごとの光量を等しくするために、第１の光学素子３３の面Ｓ３は、第１の表示素子１からの光を反射し、第２の表示素子２からの光を透過するハーフミラー面としている。また、第３の光学素子３５の面Ｓ２には、５０％の透過率を有する減光部材が設けられている。光路及び光学作用については数値例１と同様であるので、説明を省略する。

第１の光学素子３３の面Ｓ４と第２の光学素子３４の面Ｓ６’での反射は、内部全反射とすることが望ましい。これにより、光量ロスを少なくして光を反射することができる。

本数値例では、合成される原画（つまりは原画に対応する拡大像）に、画角にして２度の重なりを持たせている。このように合成される拡大像に互いに重なって提示される領域を持たせることで、プリズム素子の製造誤差や表示素子とプリズム素子と間の位置ずれによる拡大像の境界部分のずれを、該重なって提示される領域で調整することができる。このため、高い精度で観察光学系や画像表示装置を製作しなくても、合成される拡大像の境界部分の継ぎ目が目立たない自然な合成拡大像を提示することが可能となる。

なお、重ねる画角を大きくしすぎると、光学系が大型化し、収差補正の点でも不利になる。このため、重ねる画角はできるだけ小さい方がよい。このとき、合成拡大像において２つの原画に対応する拡大像が重なる領域は、明るさが他の領域に比べて２倍になる。このため、２つの表示素子に表示される原画のうち該重なる領域の輝度を低くするとよい。

本数値例において、面Ｓ２〜Ｓ５、Ｓ３’〜Ｓ７’は回転非対称面であり、図の紙面（ｙｚ断面）を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。本数値例の光学データを表２に示す。

（表２）
SURF X Y Z A Rx Ry TYP Nd νd
1 0.000 0.000 0.000 0.000
2 0.000 47.741 20.000 -0.510 4.855e-8 4.855e-8 FFS1-1 1.5709 33.8
3 0.000 -22.652 6.766 -49.356 -58.18 -78.02 FFS2-2 -1.5709 33.8
4 0.000 47.741 20.000 -0.510 4.855e-8 4.855e-8 FFS1-1 1.5709 33.8
5 0.000 21.405 27.938 59.420 -37.86 -76.63 FFS2-3 1.0000
I 0.000 25.464 28.912 41.078

3’ 0.000 -29.672 6.999 -51.616 -54.18 -47.20 FFS2-4 1.0000
4’ 0.000 -22.321 19.215 -21.766 -652.3 -652.3 FFS1-5 1.5709 33.8
5’ 0.000 7.891 30.255 20.308 -68.80 -77.90 FFS2-6 -1.5709 33.8
6’ 0.000 -22.321 19.215 -21.766 -652.3 -652.3 FFS1-5 1.5709 33.8
7’ 0.000 -18.400 29.431 -71.354 -42.54 -66.88 FFS2-7 1.0000
I’ 0.000 -23.636 28.817 -61.797

FFS1-1 c 1:-3.8632e+004 c 5:9.8936e-005 c 6:6.7270e-006 c10:-8.7328e-008
c11:-9.8172e-007 c12:-1.0934e-008 c13:-3.9013e-009 c14:1.1774e-009
c20:-4.0889e-012 c21:3.4930e-011 c22:2.5488e-010 c23:5.5199e-012
c24:6.1278e-013 c25:-3.5315e-013 c26:9.9712e-014
FFS2-2 cx 1:-7.5180e-001 cy 1 4:8.3077e-002 c 5:-1.5202e-004 c 6:-1.4030e-004
c10:-1.5728e-006 c11:-1.7149e-006 c12:2.0762e-008 c13:9.7694e-009
c14:-4.7706e-009 c20:-5.4497e-011 c21:1.1546e-010 c22:2.7749e-010
c23:-3.3384e-012 c24:-1.8585e-012 c25:8.9223e-013 c26:-2.6149e-013
FFS2-3 cx 1:-4.4941e+000 cy 1 4:7.6181e+001 c 5:-3.4537e-003 c 6:-6.4701e-004
c10:2.5594e-005 c11:2.9559e-005 c12:-1.1825e-006 c13:-1.1886e-007
c14:8.0994e-007 c20:3.6017e-008 c21:-2.8198e-008 c22:-5.1463e-007
c23:-2.0316e-008 c24:3.8124e-009 c25:3.7861e-009 c26:2.5645e-009
FFS2-4 cx 1:-7.5180e-001 cy 1:8.3077e-002 c 5:-1.5202e-004 c 6:-1.4030e-004
c10:3.6096e-005 c11:7.5573e-006 c12:2.0762e-008 c13:9.7694e-009
c14:-4.7706e-009 c20:2.2601e-010 c21:3.7002e-010 c22:1.1130e-009
c23:-5.1862e-011 c24:-1.8585e-012 c25:8.9223e-013 c26:-2.6149e-013
FFS1-5 c 1:5.5970e+001 c 5:1.5402e-004 c 6:1.6787e-006 c10:-7.1209e-008
c11:1.1183e-006 c12:-2.5534e-008 c13:-5.0523e-009 c14:-3.6832e-010
c20:-2.2807e-013 c21:-1.4790e-010 c22:-8.4666e-010 c23:3.7664e-011
c24:1.0226e-012 c25:-1.2603e-012 c26:-4.9234e-013
FFS2-6 cx 1:-1.0380e+000 cy 1:6.1739e-001 c 5:-8.2491e-005 c 6:-8.6735e-005
c10:7.3831e-007 c11:3.0047e-007 c12:-1.7596e-009 c13:1.1976e-008
c14:1.0588e-008 c20:-4.8560e-010 c21:-2.9775e-010 c22:1.1537e-009
c23:1.4570e-010 c24:-6.1971e-012 c25:6.2147e-012 c26:1.8085e-011
FFS2-7 cx 1:-2.9070e+000 cy 1:3.7648e+001 c 5:-4.0145e-003 c 6:-1.1541e-003
c10:1.7462e-005 c11:-4.4927e-005 c12:3.3404e-007 c13:-1.6126e-007
c14:1.7055e-007 c20:2.2283e-008 c21:2.4062e-008 c22:6.3459e-009
c23:4.4746e-009 c24:4.4012e-009 c25:5.4961e-009 c26:1.8224e-009

本数値例の観察光学系は、射出瞳径Φが１２ｍｍ、第１及び第２の表示素子１，２の表示サイズが０.６インチ（７.２ｍｍ×１４ｍｍ）程度、水平画角が５０度、垂直画角が３８度の画像を、ｚ軸の正方向無限遠方に表示する。本数値例では、垂直方向の画角を、２度の重なりを持たせて２つの表示素子で分割表示しているため、各表示素子は垂直画角の２１度ずつを表示する。水平画角については分割していないため、５０度のままである。

以上説明したように、上記各実施例によれば、第２の表示素子からの光に、第１の光学素子を通過する光と通過しない光を設けることで、第１の光学素子の大きさを小さくして観察光学系を小型化及び薄型化することができる。しかも、第３の光学素子を有することで、第２の光学素子からの光のうち第１の光学素子を通過する光と通過しない光の光路長をほぼ等しくすることができ、射出瞳にて提示される合成拡大像の不連続性を軽減することができる。さらに、第３の光学素子を設けることで、光学面の数が増えるため、観察光学系で発生する収差をより良好に補正することができる。

また、第１の光学素子が、透過作用と反射作用を持つ光学面を有するため、第１及び第２の表示素子からの光を合成する際に、一部の画像を重ねることができる。このため、観察者の眼球が回転した場合でも、両表示素子からの光を眼球の瞳に入射させることができ、合成境界部分の継ぎ目を目立たなくすることができ、自然な画像を観察することができる。

また、第２の表示素子から第１の光学素子を通過せずに射出瞳に導かれる光の光路に減光部材を配置することにより、第２の表示素子からの光のうち第１の光学素子を通過する光と通過しない光の明るさを同程度とすることができる。

また、第１、第２の光学素子が、少なくとも２つの反射面を有するプリズムであることを特徴とする観察光学系である。

また、第２の表示素子から第１の光学素子を通過し射出瞳に導かれる光の光路において、第１の光学素子と第３の光学素子を接合している。すなわち、第１の光学素子と第３の光学素子の間に空気層が形成されないようにしている。これにより、第１の光学素子と第３の光学素子とが向かい合う面での屈折作用の影響がほとんどなくなる。このため、第２の光学素子からの光のうち第１の光学素子を通過する光と通過しない光により形成される拡大像の不連続性がより軽減される。また、２つの光学素子を接合して１つにすることで、光学系の構成要素の数が減り、光学素子の取り扱いも容易になる。

また、
｜θ１−θ２｜＞２０°
を満足することで、フレアやゴーストが発生することを防ぐことができる。

そして、上記のような観察光学系を用いることで、頭部への装着に適した小型で薄型の画像表示装置を実現することができる。

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。

例えば、上記各実施例では、第２の表示素子の第１の表示領域からの光を、第２の光学素子、第１の光学素子及び第３の光学素子を介して射出瞳に導く場合について説明した。しかし、該第１の表示領域からの光を、第２の光学素子と第１の光学素子を介して射出瞳に導くようにしてもよい。すなわち、第３の光学素子を必ずしも通過させる必要はない。言い換えれば、第１の表示領域からの光を、第２の光学素子と、第１の光学素子及び第３の光学素子のうち少なくとも第１の光学素子を介して射出瞳に導くようにすればよい。

また、上記各実施例では、２つの表示素子からの光を射出瞳に導く場合について説明したが、３つ以上の表示素子からの光を射出瞳に導く場合でも、本発明を適用することができる。

１ 第１の表示素子
２ 第２の表示素子
３、１３，２３、３３ 第１の光学素子
４，１４，２４，３４ 第２の光学素子
５，１５，２５，３５ 第３の光学素子
６ 接眼レンズ
７ 眼球