観察光学系および画像表示装置
【課題】眼球移動による画像の欠けを生じずに複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の観察光学系および画像表示装置を提供すること
【解決手段】それぞれが原画を表示する複数の表示素子２１、２２からの光束を、複数の光学ユニット１１、１２を有する光学素子１０を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系において、各光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面Ｂ１とＢ１’、Ｂ２とＢ２’が対称面を一つ有し、該対称面を含むｙ１ｚ１、ｙ２ｚ２断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差する。
【解決手段】それぞれが原画を表示する複数の表示素子２１、２２からの光束を、複数の光学ユニット１１、１２を有する光学素子１０を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系において、各光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面Ｂ１とＢ１’、Ｂ２とＢ２’が対称面を一つ有し、該対称面を含むｙ１ｚ１、ｙ２ｚ２断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の表示素子からの光を合成して１つの合成拡大像を提示す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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は図１３において、広画角の画像を射出瞳（眼球）に導く観察光学系として３つの表示素子と３つの光学素子からなるアセンブリを２つ接合して６つの表示素子の原画を合成拡大像として観察されるようにして画角を広げる構成を開示している。観察光学系の射出瞳中心を通り合成拡大像の中心に向う中心画角主光線を光学系の射出瞳より光学素子に向う方向に定義した軸を視軸と呼ぶことにする。一つの表示素子の原画を拡大像として観察されるようにする光学ユニットの光学系部分である各光学素子は１面のみ対称面を有する光学面で構成され、１つのアセンブリを構成する各光学素子の対称面が一致するように配置されている。観察光学系の偏心断面を、該対称面を含む断面として定義すると、特許文献１においては、各アセンブリの偏心断面は、射出瞳中心の視軸に対して垂直な軸で交差して、視軸に対して垂直な軸の周りに２つのアセンブリが放射状に配置されている。
【０００３】
特許文献２は図１１等において、２つの画像表示素子からの光を複数の反射面を持ち、光路を折り畳む光学素子を２つ用いて射出瞳に導き、２つの画像表示素子に表示された原画の合成拡大像を提示する観察光学系を開示している。２つの光学素子はともに１面のみ対称面を有する光学面で構成され、両者の対称面が一致するように配置されている。一方の光学ユニットは一方の表示素子からの光を一方の光学素子の入射面、透過反射兼用面、反射面、透過反射兼用面の光路を辿って射出瞳に導く。他方の光学ユニットは他方の表示素子からの光を他方の光学素子の入射面、透過反射兼用面、反射面、透過反射兼用面の光路を辿った後、一方の光学素子を一部介して射出瞳に導く。この際に、２つの光学ユニットにより、２つの表示素子に表示された同一画角となる点からの光束が射出瞳上で重なるようにして、眼球の移動に対して画像のケラレを生じることなく、２つの画像表示素子の解像度を有効に利用した表示を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１５９０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６６７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、射出瞳中心近傍に観察者の瞳孔がある場合は画像の欠けは発生しないが、眼球が射出瞳の周辺部へ移動した場合には画像の欠けが発生する。また、特許文献２では、射出瞳中心を通り合成拡大像の中心に向う中心画角主光線を光学系の射出瞳より光学素子に向う方向に定義した軸（視軸）に対して、軸上の厚みがそれぞれの光学素子の厚みに対して厚くなった光学系となる。
【０００６】
そこで、眼球移動による画像の欠けを生じずに複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の観察光学系および画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の観察光学系は、それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを有する光学素子を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系であって、各光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面が対称面を一つ有し、該対称面を含む断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、眼球移動による画像の欠けを生じずに複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の観察光学系および画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】観察光学系の断面図と上面図である。（実施例１）
【図２】図１に示す光学素子の分解図である。（実施例１）
【図３】図１に示す光学素子とは異なる光学素子の上面図である。（実施例１）
【図４】図１の変形例の断面図と上面図である。（実施例１）
【図５】観察光学系の断面図と上面図である。（実施例２）
【図６】観察光学系の断面図と上面図である。（実施例３）
【図７】図６に示す光学素子の分解図である。（実施例３）
【図８】観察光学系の断面図、正面図および上面図である。（実施例４）
【図９】原画と観察画像を説明するための図である。（実施例４）
【図１０】観察光学系の断面図、正面図および上面図である。（実施例５）
【図１１】原画と観察画像を説明するための図である。（実施例５）
【図１２】数値実施例１の観察光学系の側面図、正面図、上面図、斜視図である。（実施例１）
【図１３】数値実施例２の観察光学系の側面図、正面図、上面図、斜視図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例の観察光学系について添付図面を参照して説明する。観察光学系は、それぞれ画像を表示する複数の表示素子からの光を、光学素子を介して射出瞳に導いて画像の合成拡大像を提示し、ＨＭＤ等の画像表示装置に好適である。
【００１１】
ここで、観察者の眼球から観察光学系に向かう方向を正とするＺ軸、Ｚ軸に直交し、観察者の眼球から見て垂直方向の上向きを正とするＹ軸、Ｚ軸に直交し観察者の眼球から見て水平方向の左向きを正とするＸ軸を定義する。ＸＹＺ軸によって形成される座標系の原点を観察光学系の射出瞳中心位置に置き、射出瞳中心から合成拡大像の中心に向う視軸とＺ軸とを一致させている。また、観察光学系を構成する各光学ユニットの偏心断面を、各光学ユニットを構成する面の中で最も結像に寄与する、即ち、最も屈折力の強い反射面の対称面を含む断面として定義する。
【実施例１】
【００１２】
図１（ａ）は実施例１の観察光学系１の断面図であり、図１（ｂ）はその上面図である。また、図１（ｃ）は、ＸＹ断面である瞳面上で見た２つの原画の同一画角となる点からの光束の重なり３００を示している。
【００１３】
図中、１は観察光学系、１０は光学素子（プリズム）、２１は原画を表示する第１の表示素子、２２は原画を表示する第２の表示素子、Ｓは観察光学系の射出瞳の位置である。２１０はそれぞれ第１の表示素子２１に表示する原画、２２０は第２の表示素子２２に表示する原画、２００は観察光学系１を介して観察される画像である。
【００１４】
光学素子１０は、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２を有し、内面として、面Ｂ１’、Ｂ２’を有している。面Ａは透過面並びに反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２は反射面として作用する。面Ｃ１、Ｃ２は対応する表示素子からの光束が入射する透過面として作用する。面Ｂ１’、Ｂ２’は透過面並びに反射面として作用する。
【００１５】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニット１１を構成し、面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニット１２を構成する。このように光学素子１０は、複数の光学ユニットを有する。
【００１６】
光学素子１０の媒質の屈折率をｎとする。第１の表示素子２１からの光束は、面Ｃ１より光学素子１０に入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００１７】
第２の表示素子２２からの光束は、面Ｃ２より光学素子１０に入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ２、Ｂ２’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００１８】
射出瞳の近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２とに表示された原画は、互いが結合された一つの画像として観察される。
【００１９】
２つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’による反射により、瞳面上で重なり合う。これにより、有効瞳内での眼球の移動、回転が生じた際にも、観察者の眼に２つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像として観察される。
【００２０】
原画２１０、２２０は実質的に同一画像を有しておらず、原画２１０の右端と原画２２０の左端とは、観察される画像２００上で、破線で示される２つの原画の境界となる。観察される画像２００上の破線部の一点は本実施例の画像表示装置における同一画角となる点であり、原画２１０、２２０の同一画角となる点からの光束は瞳上で重なっている。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするようにすると、２つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察が可能となる。即ち、２つの原画を表示する第１の表示素子２１、第２の表所素子２２の解像度を足し合わせた解像度の観察が可能であり、解像度を有効に利用可能である。
【００２１】
第１の表示素子２１から出てハーフミラー面Ｂ２’で反射された光は画像観察に有効な射出瞳Ｓに到達しない非有効光となり、第２の表示素子２２から出てハーフミラー面Ｂ１’で反射された光は画像観察に有効な射出瞳Ｓに到達しない非有効光となる。
【００２２】
面Ｂ１、Ｂ１’は同一形状で定義される連続した形状の面であり、面Ｂ２、Ｂ２’も同一形状で定義される連続した形状の面である。面Ｂ１、Ｂ２はそれぞれ偏心反射面であり、ｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面において面が偏心した状態となっていると共にｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面を対称面としている。即ち、ｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面がそれぞれ偏心反射面Ｂ１、Ｂ２の偏心断面となっている。
【００２３】
別の見方をすれば、面Ｂ１とＢ１’（以下、単に「Ｂ１」と称する場合もある）と面Ｂ２とＢ２’ （以下、単に「Ｂ２」と称する場合もある）とがＹＺ断面で交差している。ＹＺ断面に対し、主として左側に位置する面Ｂ１を交差した位置であるＹＺ断面に対して右側に存在する部分が面Ｂ１’であり、ＹＺ断面に対し主として右側に位置する面Ｂ２を交差した位置であるＹＺ断面に対して左側に存在する部分が面Ｂ２’である。
【００２４】
即ち、面Ｂ１と面Ｂ２とが光学素子１０内で交差し、表示素子１の原画と表示素子２の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするように面Ｂ１’と面Ｂ２’の幅を設定することで、２つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察を可能としている。
【００２５】
また、面Ｂ１、面Ｂ２はそれぞれの光学ユニットを構成する中で最も結像に寄与する反射面、即ち、最も強い正の屈折力を有する面である。従って、面Ｂ１、Ｂ２をそれぞれ対称面を一面持つ構成とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制できる。
【００２６】
ｚ１軸，ｚ２軸はともに視軸に対して所定の角度を有して平行であり、ｙ１軸，ｙ２軸も平行である。２つの光学ユニットの偏心断面であるｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面はそれぞれ平行である。
【００２７】
従って、光学ユニットの互いの偏心断面どうしが交差せず平行であり、これにより観察光学系を薄型にすることができる。ｙ１軸、ｙ２軸は互いに平行である必要はないが、角度を持つと画像が歪んだり不連続に観察されたりする。これを防止するために、原画の非表示領域を表示素子の有効表示領域内に設けてこれを補正してもよいが、解像度の有効利用率が下がる。そのため、ｙ１軸，ｙ２軸は極力平行に近いことが好ましい。
【００２８】
面Ｃ１、Ｃ２も対応する偏心断面であるｙ１ｚ１断面、ｙ２ｚ２断面を対称面として持つ面対称形状となっている。面Ｂ１と面Ｃ１、面Ｂ２と面Ｃ２とが同一断面を対称面とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制することができる。
【００２９】
面Ａは、ＹＺ断面を対称面とする面対称な形状となっている。この際、面Ａは面Ｂ１、面Ｃ１等に対して屈折力の弱い面とすることが好ましい。そうすることで、第１の表示素子の原画と第２の表示素子の原画とが滑らかに繋がった合成拡大像の提示が可能となる。
【００３０】
また、面Ａを平面またはＹＺ断面方向に曲率を持ちＸＺ断面方向に曲率が０となる面等で構成すると、面ＡはＹＺ断面に面対称であるとともに、ｙ１ｚ１断面、ｙ２ｚ２断面に対しても面対称な形状となる。その場合、各光学ユニットの全ての光学面が同一面を対称面として持つため、不要な偏心収差の発生を抑制することができる。
【００３１】
図２は光学素子１０の平面分解図である。光学素子１０は、複数（本実施例では３つ）の要素である、第１の光学素子（第１の要素）１０１、第２の光学素子１０２、第３の光学素子（第２の要素）１０３に分割されている。
【００３２】
第１の光学素子１０１は、面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１１、Ｂ１２’、Ｄ１の５つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。第２の光学素子１０２は、面Ａ２、Ｂ２、Ｃ２２、Ｂ２１’、Ｄ２の５つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。
【００３３】
一方、第３の光学素子１０３は、面Ａ３、Ｂ３１’、Ｂ３２’、Ｃ３１、Ｃ３２，Ｄ１’、Ｄ２’の７つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。面Ｂ３１’、Ｂ３２’は第１の光学素子１０１の面Ｂ１と第２の光学素子１０２の面Ｂ２の内側に（即ち、光学素子１０の内部に）設けられて光学素子１０の外部に露出していない。
【００３４】
本実施例の光学素子１０はこのような要素を少なくとも一つ有し、複数の光学ユニットの少なくとも一つは２つの要素の面によって構成されるため、光学素子１０の内部に設けられた内面を有する。
【００３５】
このように、第１、第２の光学素子１０１、１０２と第３の光学素子１０３はそれぞれ、面Ｂ１２’と面Ｂ３２’、面Ｄ１と面Ｄ１’、面Ｂ２１’と面Ｂ３１’、面Ｄ２と面Ｄ２’とが接合されることによって接合されている。
【００３６】
面Ｂ２１’、Ｂ３１’と面Ｂ１２’、Ｂ３２’は少なくとも一方にハーフミラー等の一部の光を透過し一部の光を反射する作用を有する膜が構成され、面Ｂ１’、Ｂ２’はそれぞれ透過作用と反射作用を有する。面Ｄ１、Ｄ１’と面Ｄ２、Ｄ２’はそれぞれ透過面として接合されている。
【００３７】
面Ａ１、Ａ２、Ａ３は面Ａを構成し、面Ｃ１１、Ｃ３１は面Ｃ１を、面Ｃ２２、Ｃ３２は面Ｃ２を構成している。
【００３８】
図３は光学素子１０の代わりに図１に示す観察光学系１に適用可能な光学素子１０Ａの分解平面図である。光学素子１０Ａは、第１の光学素子（第１の要素）１０１Ａ、第２の光学素子１０２Ａ、第３の光学素子（第２の要素）１０３Ａを有する。
【００３９】
第１の光学素子１０１Ａは、面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１１、Ｂ１２’の４つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。第２の光学素子１０２Ａは、面Ａ２、Ｂ２、Ｃ２２、Ｂ２１’の４つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。第３の光学素子１０３Ａは、面Ａ３、Ｂ３１’、Ｂ３２’、Ｃ３１、Ｃ３２の５つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。
【００４０】
第１、第２の光学素子１０１Ａ、１０２Ａと第３の光学素子１０３Ａはそれぞれ、面Ｂ１２’と面Ｂ３２’、面Ｂ２１’と面Ｂ３１’とが接合されることによって接合されている。面Ｂ２１’と面Ｂ３１’、面Ｂ１２’と面Ｂ３２’は少なくとも一方の一部にハーフミラー等の一部の光を透過し一部の光を反射する膜が構成されている。
【００４１】
第１の表示素子１０１Ａからの光を瞳に導く面Ａ１、Ａ３、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１１、Ｃ３１は第１の光学ユニットを構成し、第２の表示素子２からの光を瞳に導く面Ａ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ１’、Ｃ２２、Ｃ３２は第２の光学ユニットを構成している。面Ａ１、Ａ２、Ａ３は面Ａを構成し、面Ｃ１１、Ｃ３１は面Ｃ１を、面Ｃ２２、Ｃ３２は面Ｃ２を構成している。
【００４２】
図４（ａ）は、実施例１の変形例の断面図であり、図４（ｂ）はその上面図である。また、図４（ｃ）は、ＸＹ断面である瞳面上で見た２つの原画の同一画角となる点からの光束の重なり３００Ａを示している。
【００４３】
図４では、瞳面上での重なりを削減した代わりに原画の一部が重複を有するようにしている。原画２１０Ａには一点鎖線よりも右側に、原画２２０Ａには一点鎖線よりも左側に同一画像が表示され、その他の領域には異なる画像が表示されている。
【００４４】
この場合の同一画角となる点からの瞳面上での光束の様子は、重なり３００Ａの左上がり斜線が原画２１０Ａ、右上がり斜線が原画２２０Ａ、網掛け部が互いの光束の重なり部となっている。これにより、ハーフミラー部の有効径を削減し、光量のばらつき低減、迷光削減などの効果を得られる。
【００４５】
以上、本実施例によれば、少なくとも一つの偏心断面を有する複数の偏心反射面が、偏心断面同士が平行となるように配置されている。表示素子２１に表示された原画と表示素子２２に表示された原画は、最終的に一つの画像として観察される画像の偏心断面方向と垂直方向に異なる画角の画像となっている。
【００４６】
偏心断面方向と垂直方向に異なる画像を含んだ複数の原画を、少なくとも一つの偏心断面を有する偏心反射面を有する光学ユニットを複数平行に配置した光学系により、一つの画像として観察させている。これにより、原画を表示する表示素子のサイズに対して観察される画角が広く、且つ、光学系ひいては装置の厚みを薄くすることができる。
【００４７】
本実施例によれば、観察光学系を構成する光学ユニット各々の厚みに対して光学系の視軸上の厚みを増すことなく、複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する観察光学系および画像表示装置を提供することができる。特に、本実施例によれば、観察光学系を構成する各光学ユニットの視軸方向の厚さと観察光学系の視軸方向の厚さとが同じになっているので、観察光学系を非常に薄型に構成できる。また、面Ｂ１とＢ１’と面Ｂ２とＢ２’が交差しているので、これらが交差していない構成よりも観察光学系を小型にすることができる。更に、本実施例によれば、複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する際に、眼球移動による画像の欠けを生じず、且つ表示素子の解像度を有効に利用できる観察光学系および画像表示装置を提供することができる。また、上記のような光学系を構成する光学ユニットを、３つ以上の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示するように、増設することも可能である。
【実施例２】
【００４８】
図５は、実施例２の観察光学系１Ｂの断面図（左側）と上面図（右側）である。実施例１と同様に、光学素子１０Ｂは、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２を有し、内面として面Ｂ１’、面Ｂ２’を有する。面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２は反射面として作用し、面Ｃ１、Ｃ２は透過面として作用し、面Ｂ１’，面Ｂ２’は透過面並びに反射面として作用する。
【００４９】
本実施例においては、偏心断面であるｙ１ｚ１断面、ｙ２ｚ２断面はそれぞれ射出瞳Ｓの中心を原点としてＹ軸まわりに回転した面上にある。図５では、射出瞳Ｓの中心とｙ１ｚ１断面とを結ぶＹＺ’断面での側断面図とを示している。
【００５０】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成し、面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。
【００５１】
第１の表示素子２１からの光と第２の表示素子２２からの光が射出瞳Ｓに導かれる動作は図１と同様である。本実施例の構成も図１と同様に、有効瞳内での眼球の移動、回転が生じた際に、観察者の眼に２つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【００５２】
面Ｂ１’は面Ｂ１と同一形状の面、面Ｂ２’は面Ｂ２と同一形状の面となっている。面Ｂ１、Ｂ２はそれぞれｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面に対して偏心した面となっている。ｙ１ｚ１断面は瞳中心と第１の表示素子２１の原画中心を結ぶ主光線が面Ｂ１で反射される際に折れ曲がる断面であり、面Ｂ１はｙ１ｚ１断面を対称面とする面対称な形状となっている。
【００５３】
面Ｂ１、面Ｂ２はそれぞれの光学ユニットを構成する中で最も結像に寄与する反射面、即ち最も強い正の屈折力を有する面である。従って、面Ｂ１、Ｂ２を、それぞれ対称面を一面持つ構成とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制できる。
【００５４】
面Ｂ１と面Ｂ２とはＹＺ断面で交差している。ＹＺ断面に対し主として左側に位置する面Ｂ１を交差した位置であるＹＺ断面に対して右側に存在する部分が面Ｂ１’であり、 ＹＺ断面に対し主として右側に位置する面Ｂ２を交差した位置であるＹＺ断面に対して左側に存在する部分が面Ｂ２’である。
【００５５】
即ち、面Ｂ１と面Ｂ２とが光学素子１０内で交差し、表示素子１の原画と表示素子２の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするように面Ｂ１’と面Ｂ２’の幅を設定することで、２つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察を可能としている。
【００５６】
面Ｃ１、Ｃ２もまたｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面を対称面として持つ面対称形状となっている。面Ａは、ＹＺ断面を対称面とする面対称な形状となっている。
【００５７】
２つの光学ユニットの偏心断面どうしは交差してＹ軸と合致するが、射出瞳Ｓの中心と観察画像の任意の一点とを結ぶ線と合致せず、これにより観察光学系を薄型にすることができる。
【００５８】
２つの光学ユニットの偏心断面どうしの交差により形成される線はＹ軸と完全に合致する必要はないが、交差により形成される線とＹ軸とが角度を持つと画像が歪んだり不連続に観察されたりする。これを防止するために、原画の非表示領域を表示素子の有効表示領域内に設けてこれを補正してもよいが、解像度の有効利用率が下がる。
【００５９】
そのため、２つの光学ユニットの偏心断面どうしの交差により形成される線とＹ軸とは極力平行に近いことが好ましい。少なくとも、角度を有した際に、射出瞳Ｓの中心と観察画像の任意の一点とを結ぶ線と合致しないようにすることが望ましい。
【００６０】
なお、観察光学系１Ｂは、図２や図３に示す光学素子と同様の分割構成を適用することができる。
【実施例３】
【００６１】
図６（ａ）は、実施例３の観察光学系１Ｃの断面図であり、図６（ｂ）はその上面図である。図７はその光学素子１０Ｃの分解平面図である。
【００６２】
光学素子１０Ｃは、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を有し、内面として面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’を有する。面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は反射面として作用し、面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は透過面として作用し、面Ｂ１’、面Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’は透過面および反射面として作用する。
【００６３】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ３、Ｂ３’、Ｃ３は第３の表示素子２３からの光を射出瞳Ｓに導く第３の光学ユニットを構成する。
【００６４】
第１の表示素子２１からの光は、面Ｃ１より光学素子１０Ｃに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００６５】
第２の表示素子２２からの光は、面Ｃ２より光学素子１０Ｃに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂで反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００６６】
第３の表示素子２３からの光は、面Ｃ３より光学素子１０Ｃに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ３、Ｂ３’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００６７】
瞳近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２と第３の表示素子２３とに表示された原画は互いが結合された一つの画像として観察される。
【００６８】
３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３での反射およびそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’による反射により、瞳面上で重なり合う。これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に３つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【００６９】
面Ｂ１’は面Ｂ１と同一形状の面、面Ｂ２’Ａ、面Ｂ２’Ｂは面Ｂ２と同一形状の面、面Ｂ３’は面Ｂ３と同一形状の面となっている。面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面、ｙ３ｚ３断面に対して偏心した面となっている。面Ｂ１はｙ１ｚ１断面を対称面とする面対称な形状、面Ｂ２はｙ２ｚ２断面を対称面とする面対称な形状、面Ｂ３はｙ３ｚ３断面を対称面とする面対称な形状となっている。面Ｂ１、面Ｂ２、面Ｂ３はそれぞれの光学ユニットを構成する中で最も結像に寄与する反射面、即ち最も強い正の屈折力を有する面である。従って、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３をそれぞれ対称面を一面持つ構成とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制できる。
【００７０】
また、面Ｂ１と面Ｂ２、面Ｂ２と面Ｂ３とがそれぞれ光学素子１０Ｃ内で交差している。面Ｂ１と面Ｂ２とが光学素子１０Ｃ内で交差することで、表示素子２１の原画と表示素子２２の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。同様に面Ｂ２と面Ｂ３とが光学素子１０Ｃ内で交差することで、表示素子２２の原画と表示素子２３の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするように面Ｂ１’と面Ｂ２Ａ’、面Ｂ２Ｂ’、Ｂ３’の幅を設定することで、３つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察を可能としている。
【００７１】
面Ｃ１も同様にｙ１ｚ１断面を対称面とする面対称な形状となっている。
【００７２】
ｙ１ｚ１断面は瞳中心と第１の表示素子２１の原画中心を結ぶ主光線が面Ｂ１で反射される際に折れ曲がる断面となるように、面Ａもｙ１ｚ１断面に対して対称な形状となっている。同様に、面Ａはｙ２ｚ２断面，ｙ３ｚ３断面に対しても対称な形状となっている。
【００７３】
この構成により、第１から第３までの光学ユニットが基本的に同形状のユニットとなり、３つまたはそれ以上の表示素子の原画を一つの像として観察するものに適用可能である。また、各光学ユニットを構成する全ての面が同一の偏心断面を対称面とすることで、収差にも対称性が残って不要な偏心収差の発生が減り、収差補正上も好ましい。
【００７４】
図７は、図２に示す構成を適用した例を示す分解平面図である。５つの要素１０１Ｃ〜１０５Ｃにより本実施形態の光学素子１０Ｃを構成している。本実施形態に、図３に示す分割構成を適用してもよい。
【実施例４】
【００７５】
図８は、実施例４の観察光学系１Ｄの断面図、正面図および上面図である。図９は、実施例４の原画と観察画像を説明するための図である。本実施例は、実施例３の観察光学系１Ｃを上下逆にして２つ配置したものに近い。
【００７６】
光学素子１０Ｄは外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を有し、内面として面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’を有する。面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は透過面および反射面として作用し、面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は透過面として作用し、面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’は透過面および反射面として作用する。
【００７７】
光学素子１４は外面として面Ａ４、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を有し、内面として面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ４、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’を有する。面Ａ４は透過面および反射面として作用し、面Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６は反射面として作用し、面Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６は透過面として作用し、面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’は透過面および反射面として作用する。
【００７８】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ３、Ｂ３’、Ｃ３は第３の表示素子２３からの光を射出瞳Ｓに導く第３の光学ユニットを構成する。
【００７９】
面Ａ４、Ｂ４、Ｂ４’、Ｃ４および面Ｂ１、Ｂ１’、Ａの一部は、第４の表示素子２４からの光を射出瞳Ｓに導く第４の光学ユニットを構成する。面Ａ４、Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｃ５および面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ａの一部は、第５の表示素子２５からの光を射出瞳Ｓに導く第５の光学ユニットを構成する。面Ａ４、Ｂ６、Ｂ６’、Ｃ６およびＢ３、Ｂ３’、Ａの一部は、第６の表示素子２６からの光を射出瞳Ｓに導く第６の光学ユニットを構成する。
【００８０】
第１の表示素子２１からの光は、面Ｃ１より光学素子１０Ｄに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００８１】
第２の表示素子２２からの光は、面Ｃ２より光学素子１０Ｄに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂで反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００８２】
第３の表示素子２３からの光は、面Ｃ３より光学素子１０Ｄに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ３、Ｂ３’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００８３】
第４の表示素子２４からの光は、面Ｃ４より光学素子１４に入射し、面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ４、Ｂ４’で反射されて面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１４を射出する。光学素子１４を射出した光は、面Ｂ１、Ｂ１’より光学素子１０に入射し、面Ａより光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【００８４】
第５の表示素子２５からの光は、面Ｃ５より光学素子１４に入射し、面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂで反射されて面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１４を射出する。光学素子１４を射出した光は、面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂより光学素子１０に入射し、面Ａより光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【００８５】
第６の表示素子２６からの光は、面Ｃ６より光学素子１４に入射し、面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ６、Ｂ６’で反射されて面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１４を射出する。光学素子１４を射出した光は、面Ｂ１、Ｂ１’より光学素子１０に入射し、面Ａより光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【００８６】
射出瞳近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２と第３の表示素子２３とに表示された原画は互いが結合された一つの画像として観察される。
【００８７】
上側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【００８８】
下側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【００８９】
上下２つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、例えば、面Ｂ４、Ｂ４’により反射した光束が面Ｂ１、Ｂ１’を透過し、他方の表示素子からの光が面Ｂ１、Ｂ１’で反射して重なり合い、瞳面上で重なり合う。
【００９０】
本実施例は、第１の光学ユニットと第４の光学ユニット、第２の光学ユニットと第５の光学ユニット、・・・が実施例３のように配置されたものと考えてもよい。第１の光学ユニットと第４の光学ユニット、第２の光学ユニットと第５の光学ユニット、・・・が互いの偏心断面を共有しつつ、それぞれの原画の同一画角に対応する点からの光束が瞳上で重なるようにしている。
【００９１】
これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に６つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【００９２】
本実施例によれば、隣り合う画像となる各原画の境界からの光束が瞳上で重なり合うために、各原画が同じ画像を含むことなく欠けのない一つの画像を観察することができる。そのため、原画表示の画素をフルに使った高解像度の画像観察が可能となる。
【実施例５】
【００９３】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、実施例５の観察光学系１Ｅの断面図、正面図および上面図である。図１１は、実施例５の原画と観察画像を説明するための図である。実施例５は、実施例３の観察光学系を上下逆にして２つ配置したものに近い。
【００９４】
光学素子１０Ｅは、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を有し、内面として面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’、Ｂ４’、Ｂ５’Ａ４、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’を有する。
【００９５】
面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１〜Ｂ６は反射面として作用し、面Ｃ１〜Ｃ６は透過面として作用し、面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’、Ｂ４’、Ｂ５’Ａ４、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’は透過面および反射面として作用する。
【００９６】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ３、Ｂ３’、Ｃ３は第３の表示素子２３からの光を射出瞳Ｓに導く第３の光学ユニットを構成する。
【００９７】
面Ａ、Ｂ４、Ｂ４’、Ｃ４は、第４の表示素子２４からの光を射出瞳Ｓに導く第４の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｃ５は、第５の表示素子２５からの光を射出瞳Ｓに導く第５の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ６、Ｂ６’、Ｃ６は、第６の表示素子２６からの光を射出瞳Ｓに導く第６の光学ユニットを構成する。
【００９８】
第１の表示素子２１からの光、第２の表示素子２２からの光、第３の表示素子２３からの光は、それぞれ実施例４と同様にして射出瞳Ｓに導かれる。
【００９９】
第４の表示素子２４からの光は、面Ｃ４より光学素子１０Ｅに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ４、Ｂ４’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【０１００】
第５の表示素子２５からの光は、面Ｃ５より光学素子１０Ｅに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂで反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【０１０１】
第６の表示素子２６からの光は、面Ｃ６より光学素子１０Ｅに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ６、Ｂ６’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１０Ｅを射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【０１０２】
射出瞳近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２と第３の表示素子２３とに表示された原画は互いが結合された一つの画像として観察される。
【０１０３】
上側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【０１０４】
下側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【０１０５】
上下２つの原画には、一部に同一の画像を表示している。同一点となるそれぞれの原画上の点から出た光束は瞳上では重ならないが、相補的に瞳を形成し、眼球回転や瞳位置ずれによる画像の欠け発生を防止している。
【０１０６】
これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に６つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【０１０７】
本実施例によれば、水平方向に隣り合う画像となる各原画の境界からの光束が瞳上で重なり合うために、各原画が同じ画像を含むことなく欠けのない一つの画像を観察することができる。そのため、垂直方向には同じ画像を表示する分だけ解像度が低下するが、水平方向には原画表示の画素をフルに使った高解像度の画像観察が可能となる。また、上下の光学ユニットが対称であるため、構成が簡素であるという利点も有する。
【０１０８】
以下、本実施形態の数値実施例を示す。
【０１０９】
射出瞳を原点として観察される画像の中心に向う軸をＺ軸，偏心反射面としてのみ作用する面の対称面である偏心断面と平行でＺ軸に垂直な軸をＹ軸、これら２軸と右手系を成すようにＸ軸をとったグローバル座標系における各面の頂点の座標を表１、２に示す。また、曲率半径，面のタイプ，屈折率，アッベ数のデータを表１、２に示す。
【０１１０】
表中、Ｘ，Ｙ，Ｚは、各面頂点のＸ，Ｙ，Ｚの座標値であり、ＡはＸ軸周りの回転を反時計回りを正の方向として度単位で表したものである。Ｒは曲率半径、Ｎｄ、ｖｄは対象の面に続く媒質についてのｄ線での屈折率、アッベ数を示す。
【０１１１】
ＴＹＰは面形状定義のタイプを示すもので、ＳＰＨは球面を、ＡＡＳはアナモルフィック面を、ＦＦＳは次式で表される非回転対称面を意味する。ＦＦＳの後に続く番号は、表下の対応する番号の欄に示された非球面係数を有する。非球面係数が不指示のものは、係数の値が０である。
z=(1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+k)*(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+10*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) +… …（１）
（数値実施例１）
図１２（ａ）〜（ｄ）は、数値実施例１の観察光学系の側面図、正面図、上面図、および斜視図である。表１はそのデータを示す。数値実施例１は、実施例１の構成と類似しており、実施例１との違いは、面Ｃ１、Ｃ２が分かれておらず、一つの面Ｃとして定義されている点である。
【０１１２】
表１は、第１光学ユニットに対応するデータを示している。面Ｓ１は射出瞳Ｓに相当し、面Ｓ２、Ｓ４は面Ａに、面Ｓ３は面Ｂ１、Ｂ１’に、面Ｓ５は面Ｃに相当する。面Ｓ６以降は表示素子のカバーガラス等の代用であり、面Ｓ８は表示素子の原画表示面である。
【０１１３】
第１の表示素子２１からの光は面Ｃを通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１１４】
表１において面Ｓ３のＸの値を−３にしたものが第２の光学ユニットのデータに相当する。偏心断面ｙ１ｚ１断面とｙ２ｚ２断面は、それぞれグローバル座標系に対してＸ軸方向に±３ｍｍシフトしている。
【０１１５】
第２の表示素子２からの光は面Ｃを通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ２、Ｂ２’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１１６】
図１２に示すように、半透過反射面である面Ｂ１’、Ｂ２’が面Ｂ２、Ｂ１の瞳側にあり、境界領域の光束を瞳上で重ねることができるように構成されている。これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に２つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
（表１）
SURF X Y Z A R typ Nd vd
1 0 0 0 0 ∞ SPH 1 0
2 0 -6.916 24.873 5.041 -195.5828 FFS1 1.5709 33.8
3 3 -0.976 33.509 -18.531 -60.6587 FFS2 -1.5709 33.8
4 0 -6.916 24.873 5.041 -195.5828 FFS1 1.5709 33.8
5 0 19.793 31.66 57.15 -30.7246 FFS3 1 0
6 0 21.366 32.843 51.396 ∞ SPH 1.6 50
7 0 21.534 32.977 51.396 ∞ SPH 1.45 50
8 0 21.964 33.32 51.396 ∞ SPH 1 0
FFS1
c1 2.95E+01 c5 2.00E-03 c6 -2.68E-04
c10 8.22E-06 c11 -3.19E-05 c12 2.02E-07
c13 -1.01E-07 c14 3.03E-07 c20 -1.67E-09
c21 -1.34E-08 c22 1.82E-08 c23 5.71E-10
c24 -2.45E-10 c25 4.08E-11 c26 -4.46E-11
FFS2
c1 2.55E-01 c5 -4.03E-04 c6 -4.98E-05
c10 1.11E-05 c11 -2.67E-05 c12 -5.76E-07
c13 6.22E-07 c14 -2.01E-07 c20 -1.22E-09
c21 -2.45E-09 c22 -1.25E-08 c23 -1.12E-10
c24 2.58E-11 c25 -1.98E-10 c26 4.57E-11
FFS3
c1 -1.81E+00 c5 2.62E-03 c6 -3.08E-03
c10 7.20E-05 c11 -8.67E-04 c12 -3.90E-05
c13 1.48E-05 c14 2.58E-06 c20 5.35E-08
c21 6.55E-07 c22 -1.22E-06 c23 -5.05E-08
c24 3.42E-08 c25 -1.03E-08 c26 -2.36E-09
（数値実施例２）
図１３（ａ）〜（ｄ）は、数値実施例２の観察光学系の側面図、正面図、上面図および斜視図である。表２はそのデータを示す。数値実施例２は、実施例３の構成と類似している。
【０１１７】
表２は、数値実施例２の第２光学ユニットに対応するデータを示している。面Ｓ１は射出瞳Ｓに、面Ｓ２、Ｓ４は面Ａに、面Ｓ３は面Ｂ２、Ｂ２’に、面Ｓ５は面Ｃ２に相当する。面Ｓ６以降は表示素子のカバーガラス等の代用であり、面Ｓ８は表示素子の原画表示面である。
【０１１８】
第２の表示素子２２からの光は面Ｃ２を通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ２、Ｂ２’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１１９】
表２のデータの原点位置をグローバル座標に対して３０°だけＹ軸周りに回転させると第２光学ユニットのデータに相当する。また、表２のデータの原点位置をグローバル座標に対して−３０°だけＹ軸周りに回転させると第１光学ユニットのデータに相当する。
【０１２０】
偏心断面ｙ１ｚ１断面とｙ２ｚ２断面とｙ３ｚ３断面が、それぞれグローバル座標系原点を中心にして回転した位置に配置された系となっている。同様に、面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とも、各面の対称面である偏心断面どうしが、それぞれグローバル座標系原点を中心にして回転した位置に配置された系となっている。
【０１２１】
第１の表示素子２１からの光は面Ｃ１を通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１２２】
第３の表示素子２３からの光は面Ｃ３を通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ３、Ｂ３’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１２３】
図１３に示すように、半透過反射面である面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’が面Ｂ２、Ｂ１、Ｂ３の瞳側にあり、境界領域の光束を瞳上で重ねることができるように構成されている。
【０１２４】
これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に３つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【０１２５】
本実施例では、面Ａがグローバル原点を中心としたアナモルフィック面形状となっており、Ｙ軸に対して回転対称な形状となっている。また、同時にその他の光学面の対称面である偏心断面に対して面対称な形状である。そのために、本実施例の構成は、基本的に同一の光学ユニットを、原画の境界領域からの光束が瞳上で重なるように、且つ原点を中心にＹ軸周りに放射状に配置することで、２つでも、４つ以上でも本発明の効果の得られる構成をとることが出来る。
【０１２６】
本実施例では、瞳Ｓをグローバル原点とし、これを中心にＹ軸に放射状に光学ユニットを配置したが、これに限るものではない。但し、Ａ面からグローバル原点の距離ＬＡは次式を満たすようにＹ軸に放射状に配置することが望ましい。
【０１２７】
１５ｍｍ＜ＬＡ＜５０ｍｍ …（２）
下限値を超えると、アイレリーフが短くなり、顔や睫毛などとの装置の干渉が生じて装着感が低下する。上限値を超えると、観察光学系、ひいては装置全体が大型化するため、好ましくない。
（表２）
SURF X Y Z A R typ Nd vd
1 0 0 0 0 ∞ SPH 1 0
2 0 0 30 0 -148.2864 AAS 1.5709 33.8
3 0 -2.024 39.759 -25.39 -47.7315 FFS1 -1.5709 33.8
4 0 0 30 0 -148.2864 AAS 1.5709 33.8
5 0 19.832 39.548 54.024 -30.5453 FFS2 1 0
6 0 22.26 41.31 59.039 ∞ SPH 1.6 50
7 0 22.444 41.42 59.039 ∞ SPH 1.45 50
8 0 22.916 41.703 59.039 ∞ SPH 1 0
FFS1
c1 2.41E-01 c5 -2.50E-03 c6 -1.70E-04
c10 9.32E-06 c11 1.25E-05 c12 5.01E-08
c13 -1.33E-07 c14 -3.58E-09
FFS2
c1 1.51E+00 c5 -7.92E-04 c6 -3.85E-03
c10 1.42E-04 c11 1.02E-04 c12 -9.19E-06
c13 1.44E-06 c14 3.13E-06
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の観察光学系はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１…観察光学系、１０…光学素子、１１、１２…光学ユニット、２１、２２…表示素子、２１０、２２０…原画、２００…観察される画像（合成拡大像）、ｙ１ｚ１、ｙ２ｚ２…偏心断面、Ｓ…射出瞳
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の表示素子からの光を合成して１つの合成拡大像を提示す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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は図１３において、広画角の画像を射出瞳（眼球）に導く観察光学系として３つの表示素子と３つの光学素子からなるアセンブリを２つ接合して６つの表示素子の原画を合成拡大像として観察されるようにして画角を広げる構成を開示している。観察光学系の射出瞳中心を通り合成拡大像の中心に向う中心画角主光線を光学系の射出瞳より光学素子に向う方向に定義した軸を視軸と呼ぶことにする。一つの表示素子の原画を拡大像として観察されるようにする光学ユニットの光学系部分である各光学素子は１面のみ対称面を有する光学面で構成され、１つのアセンブリを構成する各光学素子の対称面が一致するように配置されている。観察光学系の偏心断面を、該対称面を含む断面として定義すると、特許文献１においては、各アセンブリの偏心断面は、射出瞳中心の視軸に対して垂直な軸で交差して、視軸に対して垂直な軸の周りに２つのアセンブリが放射状に配置されている。
【０００３】
特許文献２は図１１等において、２つの画像表示素子からの光を複数の反射面を持ち、光路を折り畳む光学素子を２つ用いて射出瞳に導き、２つの画像表示素子に表示された原画の合成拡大像を提示する観察光学系を開示している。２つの光学素子はともに１面のみ対称面を有する光学面で構成され、両者の対称面が一致するように配置されている。一方の光学ユニットは一方の表示素子からの光を一方の光学素子の入射面、透過反射兼用面、反射面、透過反射兼用面の光路を辿って射出瞳に導く。他方の光学ユニットは他方の表示素子からの光を他方の光学素子の入射面、透過反射兼用面、反射面、透過反射兼用面の光路を辿った後、一方の光学素子を一部介して射出瞳に導く。この際に、２つの光学ユニットにより、２つの表示素子に表示された同一画角となる点からの光束が射出瞳上で重なるようにして、眼球の移動に対して画像のケラレを生じることなく、２つの画像表示素子の解像度を有効に利用した表示を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１５９０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６６７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、射出瞳中心近傍に観察者の瞳孔がある場合は画像の欠けは発生しないが、眼球が射出瞳の周辺部へ移動した場合には画像の欠けが発生する。また、特許文献２では、射出瞳中心を通り合成拡大像の中心に向う中心画角主光線を光学系の射出瞳より光学素子に向う方向に定義した軸（視軸）に対して、軸上の厚みがそれぞれの光学素子の厚みに対して厚くなった光学系となる。
【０００６】
そこで、眼球移動による画像の欠けを生じずに複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の観察光学系および画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の観察光学系は、それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを有する光学素子を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系であって、各光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面が対称面を一つ有し、該対称面を含む断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、眼球移動による画像の欠けを生じずに複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する小型の観察光学系および画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】観察光学系の断面図と上面図である。（実施例１）
【図２】図１に示す光学素子の分解図である。（実施例１）
【図３】図１に示す光学素子とは異なる光学素子の上面図である。（実施例１）
【図４】図１の変形例の断面図と上面図である。（実施例１）
【図５】観察光学系の断面図と上面図である。（実施例２）
【図６】観察光学系の断面図と上面図である。（実施例３）
【図７】図６に示す光学素子の分解図である。（実施例３）
【図８】観察光学系の断面図、正面図および上面図である。（実施例４）
【図９】原画と観察画像を説明するための図である。（実施例４）
【図１０】観察光学系の断面図、正面図および上面図である。（実施例５）
【図１１】原画と観察画像を説明するための図である。（実施例５）
【図１２】数値実施例１の観察光学系の側面図、正面図、上面図、斜視図である。（実施例１）
【図１３】数値実施例２の観察光学系の側面図、正面図、上面図、斜視図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例の観察光学系について添付図面を参照して説明する。観察光学系は、それぞれ画像を表示する複数の表示素子からの光を、光学素子を介して射出瞳に導いて画像の合成拡大像を提示し、ＨＭＤ等の画像表示装置に好適である。
【００１１】
ここで、観察者の眼球から観察光学系に向かう方向を正とするＺ軸、Ｚ軸に直交し、観察者の眼球から見て垂直方向の上向きを正とするＹ軸、Ｚ軸に直交し観察者の眼球から見て水平方向の左向きを正とするＸ軸を定義する。ＸＹＺ軸によって形成される座標系の原点を観察光学系の射出瞳中心位置に置き、射出瞳中心から合成拡大像の中心に向う視軸とＺ軸とを一致させている。また、観察光学系を構成する各光学ユニットの偏心断面を、各光学ユニットを構成する面の中で最も結像に寄与する、即ち、最も屈折力の強い反射面の対称面を含む断面として定義する。
【実施例１】
【００１２】
図１（ａ）は実施例１の観察光学系１の断面図であり、図１（ｂ）はその上面図である。また、図１（ｃ）は、ＸＹ断面である瞳面上で見た２つの原画の同一画角となる点からの光束の重なり３００を示している。
【００１３】
図中、１は観察光学系、１０は光学素子（プリズム）、２１は原画を表示する第１の表示素子、２２は原画を表示する第２の表示素子、Ｓは観察光学系の射出瞳の位置である。２１０はそれぞれ第１の表示素子２１に表示する原画、２２０は第２の表示素子２２に表示する原画、２００は観察光学系１を介して観察される画像である。
【００１４】
光学素子１０は、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２を有し、内面として、面Ｂ１’、Ｂ２’を有している。面Ａは透過面並びに反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２は反射面として作用する。面Ｃ１、Ｃ２は対応する表示素子からの光束が入射する透過面として作用する。面Ｂ１’、Ｂ２’は透過面並びに反射面として作用する。
【００１５】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニット１１を構成し、面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニット１２を構成する。このように光学素子１０は、複数の光学ユニットを有する。
【００１６】
光学素子１０の媒質の屈折率をｎとする。第１の表示素子２１からの光束は、面Ｃ１より光学素子１０に入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００１７】
第２の表示素子２２からの光束は、面Ｃ２より光学素子１０に入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ２、Ｂ２’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００１８】
射出瞳の近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２とに表示された原画は、互いが結合された一つの画像として観察される。
【００１９】
２つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’による反射により、瞳面上で重なり合う。これにより、有効瞳内での眼球の移動、回転が生じた際にも、観察者の眼に２つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像として観察される。
【００２０】
原画２１０、２２０は実質的に同一画像を有しておらず、原画２１０の右端と原画２２０の左端とは、観察される画像２００上で、破線で示される２つの原画の境界となる。観察される画像２００上の破線部の一点は本実施例の画像表示装置における同一画角となる点であり、原画２１０、２２０の同一画角となる点からの光束は瞳上で重なっている。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするようにすると、２つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察が可能となる。即ち、２つの原画を表示する第１の表示素子２１、第２の表所素子２２の解像度を足し合わせた解像度の観察が可能であり、解像度を有効に利用可能である。
【００２１】
第１の表示素子２１から出てハーフミラー面Ｂ２’で反射された光は画像観察に有効な射出瞳Ｓに到達しない非有効光となり、第２の表示素子２２から出てハーフミラー面Ｂ１’で反射された光は画像観察に有効な射出瞳Ｓに到達しない非有効光となる。
【００２２】
面Ｂ１、Ｂ１’は同一形状で定義される連続した形状の面であり、面Ｂ２、Ｂ２’も同一形状で定義される連続した形状の面である。面Ｂ１、Ｂ２はそれぞれ偏心反射面であり、ｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面において面が偏心した状態となっていると共にｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面を対称面としている。即ち、ｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面がそれぞれ偏心反射面Ｂ１、Ｂ２の偏心断面となっている。
【００２３】
別の見方をすれば、面Ｂ１とＢ１’（以下、単に「Ｂ１」と称する場合もある）と面Ｂ２とＢ２’ （以下、単に「Ｂ２」と称する場合もある）とがＹＺ断面で交差している。ＹＺ断面に対し、主として左側に位置する面Ｂ１を交差した位置であるＹＺ断面に対して右側に存在する部分が面Ｂ１’であり、ＹＺ断面に対し主として右側に位置する面Ｂ２を交差した位置であるＹＺ断面に対して左側に存在する部分が面Ｂ２’である。
【００２４】
即ち、面Ｂ１と面Ｂ２とが光学素子１０内で交差し、表示素子１の原画と表示素子２の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするように面Ｂ１’と面Ｂ２’の幅を設定することで、２つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察を可能としている。
【００２５】
また、面Ｂ１、面Ｂ２はそれぞれの光学ユニットを構成する中で最も結像に寄与する反射面、即ち、最も強い正の屈折力を有する面である。従って、面Ｂ１、Ｂ２をそれぞれ対称面を一面持つ構成とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制できる。
【００２６】
ｚ１軸，ｚ２軸はともに視軸に対して所定の角度を有して平行であり、ｙ１軸，ｙ２軸も平行である。２つの光学ユニットの偏心断面であるｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面はそれぞれ平行である。
【００２７】
従って、光学ユニットの互いの偏心断面どうしが交差せず平行であり、これにより観察光学系を薄型にすることができる。ｙ１軸、ｙ２軸は互いに平行である必要はないが、角度を持つと画像が歪んだり不連続に観察されたりする。これを防止するために、原画の非表示領域を表示素子の有効表示領域内に設けてこれを補正してもよいが、解像度の有効利用率が下がる。そのため、ｙ１軸，ｙ２軸は極力平行に近いことが好ましい。
【００２８】
面Ｃ１、Ｃ２も対応する偏心断面であるｙ１ｚ１断面、ｙ２ｚ２断面を対称面として持つ面対称形状となっている。面Ｂ１と面Ｃ１、面Ｂ２と面Ｃ２とが同一断面を対称面とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制することができる。
【００２９】
面Ａは、ＹＺ断面を対称面とする面対称な形状となっている。この際、面Ａは面Ｂ１、面Ｃ１等に対して屈折力の弱い面とすることが好ましい。そうすることで、第１の表示素子の原画と第２の表示素子の原画とが滑らかに繋がった合成拡大像の提示が可能となる。
【００３０】
また、面Ａを平面またはＹＺ断面方向に曲率を持ちＸＺ断面方向に曲率が０となる面等で構成すると、面ＡはＹＺ断面に面対称であるとともに、ｙ１ｚ１断面、ｙ２ｚ２断面に対しても面対称な形状となる。その場合、各光学ユニットの全ての光学面が同一面を対称面として持つため、不要な偏心収差の発生を抑制することができる。
【００３１】
図２は光学素子１０の平面分解図である。光学素子１０は、複数（本実施例では３つ）の要素である、第１の光学素子（第１の要素）１０１、第２の光学素子１０２、第３の光学素子（第２の要素）１０３に分割されている。
【００３２】
第１の光学素子１０１は、面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１１、Ｂ１２’、Ｄ１の５つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。第２の光学素子１０２は、面Ａ２、Ｂ２、Ｃ２２、Ｂ２１’、Ｄ２の５つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。
【００３３】
一方、第３の光学素子１０３は、面Ａ３、Ｂ３１’、Ｂ３２’、Ｃ３１、Ｃ３２，Ｄ１’、Ｄ２’の７つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。面Ｂ３１’、Ｂ３２’は第１の光学素子１０１の面Ｂ１と第２の光学素子１０２の面Ｂ２の内側に（即ち、光学素子１０の内部に）設けられて光学素子１０の外部に露出していない。
【００３４】
本実施例の光学素子１０はこのような要素を少なくとも一つ有し、複数の光学ユニットの少なくとも一つは２つの要素の面によって構成されるため、光学素子１０の内部に設けられた内面を有する。
【００３５】
このように、第１、第２の光学素子１０１、１０２と第３の光学素子１０３はそれぞれ、面Ｂ１２’と面Ｂ３２’、面Ｄ１と面Ｄ１’、面Ｂ２１’と面Ｂ３１’、面Ｄ２と面Ｄ２’とが接合されることによって接合されている。
【００３６】
面Ｂ２１’、Ｂ３１’と面Ｂ１２’、Ｂ３２’は少なくとも一方にハーフミラー等の一部の光を透過し一部の光を反射する作用を有する膜が構成され、面Ｂ１’、Ｂ２’はそれぞれ透過作用と反射作用を有する。面Ｄ１、Ｄ１’と面Ｄ２、Ｄ２’はそれぞれ透過面として接合されている。
【００３７】
面Ａ１、Ａ２、Ａ３は面Ａを構成し、面Ｃ１１、Ｃ３１は面Ｃ１を、面Ｃ２２、Ｃ３２は面Ｃ２を構成している。
【００３８】
図３は光学素子１０の代わりに図１に示す観察光学系１に適用可能な光学素子１０Ａの分解平面図である。光学素子１０Ａは、第１の光学素子（第１の要素）１０１Ａ、第２の光学素子１０２Ａ、第３の光学素子（第２の要素）１０３Ａを有する。
【００３９】
第１の光学素子１０１Ａは、面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１１、Ｂ１２’の４つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。第２の光学素子１０２Ａは、面Ａ２、Ｂ２、Ｃ２２、Ｂ２１’の４つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。第３の光学素子１０３Ａは、面Ａ３、Ｂ３１’、Ｂ３２’、Ｃ３１、Ｃ３２の５つの光学面を屈折率ｎ＞１の媒質上に有する。
【００４０】
第１、第２の光学素子１０１Ａ、１０２Ａと第３の光学素子１０３Ａはそれぞれ、面Ｂ１２’と面Ｂ３２’、面Ｂ２１’と面Ｂ３１’とが接合されることによって接合されている。面Ｂ２１’と面Ｂ３１’、面Ｂ１２’と面Ｂ３２’は少なくとも一方の一部にハーフミラー等の一部の光を透過し一部の光を反射する膜が構成されている。
【００４１】
第１の表示素子１０１Ａからの光を瞳に導く面Ａ１、Ａ３、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１１、Ｃ３１は第１の光学ユニットを構成し、第２の表示素子２からの光を瞳に導く面Ａ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ１’、Ｃ２２、Ｃ３２は第２の光学ユニットを構成している。面Ａ１、Ａ２、Ａ３は面Ａを構成し、面Ｃ１１、Ｃ３１は面Ｃ１を、面Ｃ２２、Ｃ３２は面Ｃ２を構成している。
【００４２】
図４（ａ）は、実施例１の変形例の断面図であり、図４（ｂ）はその上面図である。また、図４（ｃ）は、ＸＹ断面である瞳面上で見た２つの原画の同一画角となる点からの光束の重なり３００Ａを示している。
【００４３】
図４では、瞳面上での重なりを削減した代わりに原画の一部が重複を有するようにしている。原画２１０Ａには一点鎖線よりも右側に、原画２２０Ａには一点鎖線よりも左側に同一画像が表示され、その他の領域には異なる画像が表示されている。
【００４４】
この場合の同一画角となる点からの瞳面上での光束の様子は、重なり３００Ａの左上がり斜線が原画２１０Ａ、右上がり斜線が原画２２０Ａ、網掛け部が互いの光束の重なり部となっている。これにより、ハーフミラー部の有効径を削減し、光量のばらつき低減、迷光削減などの効果を得られる。
【００４５】
以上、本実施例によれば、少なくとも一つの偏心断面を有する複数の偏心反射面が、偏心断面同士が平行となるように配置されている。表示素子２１に表示された原画と表示素子２２に表示された原画は、最終的に一つの画像として観察される画像の偏心断面方向と垂直方向に異なる画角の画像となっている。
【００４６】
偏心断面方向と垂直方向に異なる画像を含んだ複数の原画を、少なくとも一つの偏心断面を有する偏心反射面を有する光学ユニットを複数平行に配置した光学系により、一つの画像として観察させている。これにより、原画を表示する表示素子のサイズに対して観察される画角が広く、且つ、光学系ひいては装置の厚みを薄くすることができる。
【００４７】
本実施例によれば、観察光学系を構成する光学ユニット各々の厚みに対して光学系の視軸上の厚みを増すことなく、複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する観察光学系および画像表示装置を提供することができる。特に、本実施例によれば、観察光学系を構成する各光学ユニットの視軸方向の厚さと観察光学系の視軸方向の厚さとが同じになっているので、観察光学系を非常に薄型に構成できる。また、面Ｂ１とＢ１’と面Ｂ２とＢ２’が交差しているので、これらが交差していない構成よりも観察光学系を小型にすることができる。更に、本実施例によれば、複数の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示する際に、眼球移動による画像の欠けを生じず、且つ表示素子の解像度を有効に利用できる観察光学系および画像表示装置を提供することができる。また、上記のような光学系を構成する光学ユニットを、３つ以上の表示素子からの光を合成して１つの広画角の画像を提示するように、増設することも可能である。
【実施例２】
【００４８】
図５は、実施例２の観察光学系１Ｂの断面図（左側）と上面図（右側）である。実施例１と同様に、光学素子１０Ｂは、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２を有し、内面として面Ｂ１’、面Ｂ２’を有する。面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２は反射面として作用し、面Ｃ１、Ｃ２は透過面として作用し、面Ｂ１’，面Ｂ２’は透過面並びに反射面として作用する。
【００４９】
本実施例においては、偏心断面であるｙ１ｚ１断面、ｙ２ｚ２断面はそれぞれ射出瞳Ｓの中心を原点としてＹ軸まわりに回転した面上にある。図５では、射出瞳Ｓの中心とｙ１ｚ１断面とを結ぶＹＺ’断面での側断面図とを示している。
【００５０】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成し、面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。
【００５１】
第１の表示素子２１からの光と第２の表示素子２２からの光が射出瞳Ｓに導かれる動作は図１と同様である。本実施例の構成も図１と同様に、有効瞳内での眼球の移動、回転が生じた際に、観察者の眼に２つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【００５２】
面Ｂ１’は面Ｂ１と同一形状の面、面Ｂ２’は面Ｂ２と同一形状の面となっている。面Ｂ１、Ｂ２はそれぞれｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面に対して偏心した面となっている。ｙ１ｚ１断面は瞳中心と第１の表示素子２１の原画中心を結ぶ主光線が面Ｂ１で反射される際に折れ曲がる断面であり、面Ｂ１はｙ１ｚ１断面を対称面とする面対称な形状となっている。
【００５３】
面Ｂ１、面Ｂ２はそれぞれの光学ユニットを構成する中で最も結像に寄与する反射面、即ち最も強い正の屈折力を有する面である。従って、面Ｂ１、Ｂ２を、それぞれ対称面を一面持つ構成とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制できる。
【００５４】
面Ｂ１と面Ｂ２とはＹＺ断面で交差している。ＹＺ断面に対し主として左側に位置する面Ｂ１を交差した位置であるＹＺ断面に対して右側に存在する部分が面Ｂ１’であり、 ＹＺ断面に対し主として右側に位置する面Ｂ２を交差した位置であるＹＺ断面に対して左側に存在する部分が面Ｂ２’である。
【００５５】
即ち、面Ｂ１と面Ｂ２とが光学素子１０内で交差し、表示素子１の原画と表示素子２の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするように面Ｂ１’と面Ｂ２’の幅を設定することで、２つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察を可能としている。
【００５６】
面Ｃ１、Ｃ２もまたｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面を対称面として持つ面対称形状となっている。面Ａは、ＹＺ断面を対称面とする面対称な形状となっている。
【００５７】
２つの光学ユニットの偏心断面どうしは交差してＹ軸と合致するが、射出瞳Ｓの中心と観察画像の任意の一点とを結ぶ線と合致せず、これにより観察光学系を薄型にすることができる。
【００５８】
２つの光学ユニットの偏心断面どうしの交差により形成される線はＹ軸と完全に合致する必要はないが、交差により形成される線とＹ軸とが角度を持つと画像が歪んだり不連続に観察されたりする。これを防止するために、原画の非表示領域を表示素子の有効表示領域内に設けてこれを補正してもよいが、解像度の有効利用率が下がる。
【００５９】
そのため、２つの光学ユニットの偏心断面どうしの交差により形成される線とＹ軸とは極力平行に近いことが好ましい。少なくとも、角度を有した際に、射出瞳Ｓの中心と観察画像の任意の一点とを結ぶ線と合致しないようにすることが望ましい。
【００６０】
なお、観察光学系１Ｂは、図２や図３に示す光学素子と同様の分割構成を適用することができる。
【実施例３】
【００６１】
図６（ａ）は、実施例３の観察光学系１Ｃの断面図であり、図６（ｂ）はその上面図である。図７はその光学素子１０Ｃの分解平面図である。
【００６２】
光学素子１０Ｃは、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を有し、内面として面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’を有する。面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は反射面として作用し、面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は透過面として作用し、面Ｂ１’、面Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’は透過面および反射面として作用する。
【００６３】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ３、Ｂ３’、Ｃ３は第３の表示素子２３からの光を射出瞳Ｓに導く第３の光学ユニットを構成する。
【００６４】
第１の表示素子２１からの光は、面Ｃ１より光学素子１０Ｃに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００６５】
第２の表示素子２２からの光は、面Ｃ２より光学素子１０Ｃに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂで反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００６６】
第３の表示素子２３からの光は、面Ｃ３より光学素子１０Ｃに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ３、Ｂ３’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００６７】
瞳近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２と第３の表示素子２３とに表示された原画は互いが結合された一つの画像として観察される。
【００６８】
３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３での反射およびそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’による反射により、瞳面上で重なり合う。これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に３つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【００６９】
面Ｂ１’は面Ｂ１と同一形状の面、面Ｂ２’Ａ、面Ｂ２’Ｂは面Ｂ２と同一形状の面、面Ｂ３’は面Ｂ３と同一形状の面となっている。面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれｙ１ｚ１断面，ｙ２ｚ２断面、ｙ３ｚ３断面に対して偏心した面となっている。面Ｂ１はｙ１ｚ１断面を対称面とする面対称な形状、面Ｂ２はｙ２ｚ２断面を対称面とする面対称な形状、面Ｂ３はｙ３ｚ３断面を対称面とする面対称な形状となっている。面Ｂ１、面Ｂ２、面Ｂ３はそれぞれの光学ユニットを構成する中で最も結像に寄与する反射面、即ち最も強い正の屈折力を有する面である。従って、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３をそれぞれ対称面を一面持つ構成とすることで、不要な偏心収差の発生を抑制できる。
【００７０】
また、面Ｂ１と面Ｂ２、面Ｂ２と面Ｂ３とがそれぞれ光学素子１０Ｃ内で交差している。面Ｂ１と面Ｂ２とが光学素子１０Ｃ内で交差することで、表示素子２１の原画と表示素子２２の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。同様に面Ｂ２と面Ｂ３とが光学素子１０Ｃ内で交差することで、表示素子２２の原画と表示素子２３の原画との同一画角となる点からのそれぞれの光束が観察光学系内で重なりを有するようになり、それぞれの光束が射出瞳面上でも重なるようになる。この瞳面上での光束の重なりが、眼球回転等による瞳移動範囲をカバーするように面Ｂ１’と面Ｂ２Ａ’、面Ｂ２Ｂ’、Ｂ３’の幅を設定することで、３つの原画が同一画像を実質的に有していなくても、画像の欠けなどが生じない観察を可能としている。
【００７１】
面Ｃ１も同様にｙ１ｚ１断面を対称面とする面対称な形状となっている。
【００７２】
ｙ１ｚ１断面は瞳中心と第１の表示素子２１の原画中心を結ぶ主光線が面Ｂ１で反射される際に折れ曲がる断面となるように、面Ａもｙ１ｚ１断面に対して対称な形状となっている。同様に、面Ａはｙ２ｚ２断面，ｙ３ｚ３断面に対しても対称な形状となっている。
【００７３】
この構成により、第１から第３までの光学ユニットが基本的に同形状のユニットとなり、３つまたはそれ以上の表示素子の原画を一つの像として観察するものに適用可能である。また、各光学ユニットを構成する全ての面が同一の偏心断面を対称面とすることで、収差にも対称性が残って不要な偏心収差の発生が減り、収差補正上も好ましい。
【００７４】
図７は、図２に示す構成を適用した例を示す分解平面図である。５つの要素１０１Ｃ〜１０５Ｃにより本実施形態の光学素子１０Ｃを構成している。本実施形態に、図３に示す分割構成を適用してもよい。
【実施例４】
【００７５】
図８は、実施例４の観察光学系１Ｄの断面図、正面図および上面図である。図９は、実施例４の原画と観察画像を説明するための図である。本実施例は、実施例３の観察光学系１Ｃを上下逆にして２つ配置したものに近い。
【００７６】
光学素子１０Ｄは外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を有し、内面として面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’を有する。面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は透過面および反射面として作用し、面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は透過面として作用し、面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’は透過面および反射面として作用する。
【００７７】
光学素子１４は外面として面Ａ４、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を有し、内面として面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ４、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’を有する。面Ａ４は透過面および反射面として作用し、面Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６は反射面として作用し、面Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６は透過面として作用し、面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’は透過面および反射面として作用する。
【００７８】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ３、Ｂ３’、Ｃ３は第３の表示素子２３からの光を射出瞳Ｓに導く第３の光学ユニットを構成する。
【００７９】
面Ａ４、Ｂ４、Ｂ４’、Ｃ４および面Ｂ１、Ｂ１’、Ａの一部は、第４の表示素子２４からの光を射出瞳Ｓに導く第４の光学ユニットを構成する。面Ａ４、Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｃ５および面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ａの一部は、第５の表示素子２５からの光を射出瞳Ｓに導く第５の光学ユニットを構成する。面Ａ４、Ｂ６、Ｂ６’、Ｃ６およびＢ３、Ｂ３’、Ａの一部は、第６の表示素子２６からの光を射出瞳Ｓに導く第６の光学ユニットを構成する。
【００８０】
第１の表示素子２１からの光は、面Ｃ１より光学素子１０Ｄに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００８１】
第２の表示素子２２からの光は、面Ｃ２より光学素子１０Ｄに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂで反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００８２】
第３の表示素子２３からの光は、面Ｃ３より光学素子１０Ｄに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ３、Ｂ３’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【００８３】
第４の表示素子２４からの光は、面Ｃ４より光学素子１４に入射し、面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ４、Ｂ４’で反射されて面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１４を射出する。光学素子１４を射出した光は、面Ｂ１、Ｂ１’より光学素子１０に入射し、面Ａより光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【００８４】
第５の表示素子２５からの光は、面Ｃ５より光学素子１４に入射し、面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂで反射されて面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１４を射出する。光学素子１４を射出した光は、面Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂより光学素子１０に入射し、面Ａより光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【００８５】
第６の表示素子２６からの光は、面Ｃ６より光学素子１４に入射し、面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射され、面Ｂ６、Ｂ６’で反射されて面Ａ４にａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１４を射出する。光学素子１４を射出した光は、面Ｂ１、Ｂ１’より光学素子１０に入射し、面Ａより光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【００８６】
射出瞳近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２と第３の表示素子２３とに表示された原画は互いが結合された一つの画像として観察される。
【００８７】
上側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【００８８】
下側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【００８９】
上下２つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、例えば、面Ｂ４、Ｂ４’により反射した光束が面Ｂ１、Ｂ１’を透過し、他方の表示素子からの光が面Ｂ１、Ｂ１’で反射して重なり合い、瞳面上で重なり合う。
【００９０】
本実施例は、第１の光学ユニットと第４の光学ユニット、第２の光学ユニットと第５の光学ユニット、・・・が実施例３のように配置されたものと考えてもよい。第１の光学ユニットと第４の光学ユニット、第２の光学ユニットと第５の光学ユニット、・・・が互いの偏心断面を共有しつつ、それぞれの原画の同一画角に対応する点からの光束が瞳上で重なるようにしている。
【００９１】
これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に６つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【００９２】
本実施例によれば、隣り合う画像となる各原画の境界からの光束が瞳上で重なり合うために、各原画が同じ画像を含むことなく欠けのない一つの画像を観察することができる。そのため、原画表示の画素をフルに使った高解像度の画像観察が可能となる。
【実施例５】
【００９３】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、実施例５の観察光学系１Ｅの断面図、正面図および上面図である。図１１は、実施例５の原画と観察画像を説明するための図である。実施例５は、実施例３の観察光学系を上下逆にして２つ配置したものに近い。
【００９４】
光学素子１０Ｅは、外面として面Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を有し、内面として面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’、Ｂ４’、Ｂ５’Ａ４、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’を有する。
【００９５】
面Ａは透過面および反射面として作用し、面Ｂ１〜Ｂ６は反射面として作用し、面Ｃ１〜Ｃ６は透過面として作用し、面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’、Ｂ４’、Ｂ５’Ａ４、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’は透過面および反射面として作用する。
【００９６】
面Ａ、Ｂ１、Ｂ１’、Ｃ１は第１の表示素子２１からの光を射出瞳Ｓに導く第１の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ２、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｃ２は第２の表示素子２２からの光を射出瞳Ｓに導く第２の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ３、Ｂ３’、Ｃ３は第３の表示素子２３からの光を射出瞳Ｓに導く第３の光学ユニットを構成する。
【００９７】
面Ａ、Ｂ４、Ｂ４’、Ｃ４は、第４の表示素子２４からの光を射出瞳Ｓに導く第４の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｃ５は、第５の表示素子２５からの光を射出瞳Ｓに導く第５の光学ユニットを構成する。面Ａ、Ｂ６、Ｂ６’、Ｃ６は、第６の表示素子２６からの光を射出瞳Ｓに導く第６の光学ユニットを構成する。
【００９８】
第１の表示素子２１からの光、第２の表示素子２２からの光、第３の表示素子２３からの光は、それぞれ実施例４と同様にして射出瞳Ｓに導かれる。
【００９９】
第４の表示素子２４からの光は、面Ｃ４より光学素子１０Ｅに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ４、Ｂ４’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【０１００】
第５の表示素子２５からの光は、面Ｃ５より光学素子１０Ｅに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ５、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂで反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１０を射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【０１０１】
第６の表示素子２６からの光は、面Ｃ６より光学素子１０Ｅに入射し、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。次いで、面Ｂ６、Ｂ６’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して光学素子１０Ｅを射出して射出瞳Ｓに導かれる。
【０１０２】
射出瞳近傍に眼球を置いた観察者によって、第１の表示素子２１と第２の表示素子２２と第３の表示素子２３とに表示された原画は互いが結合された一つの画像として観察される。
【０１０３】
上側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【０１０４】
下側３つの原画の境界領域となるそれぞれの点から出た光束は、面Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６での反射並びにそれらの面の手前（瞳側）に存在するハーフミラー面Ｂ４’、Ｂ５’Ａ、Ｂ５’Ｂ、Ｂ６’による反射により、瞳面上で重なり合う。
【０１０５】
上下２つの原画には、一部に同一の画像を表示している。同一点となるそれぞれの原画上の点から出た光束は瞳上では重ならないが、相補的に瞳を形成し、眼球回転や瞳位置ずれによる画像の欠け発生を防止している。
【０１０６】
これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に６つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【０１０７】
本実施例によれば、水平方向に隣り合う画像となる各原画の境界からの光束が瞳上で重なり合うために、各原画が同じ画像を含むことなく欠けのない一つの画像を観察することができる。そのため、垂直方向には同じ画像を表示する分だけ解像度が低下するが、水平方向には原画表示の画素をフルに使った高解像度の画像観察が可能となる。また、上下の光学ユニットが対称であるため、構成が簡素であるという利点も有する。
【０１０８】
以下、本実施形態の数値実施例を示す。
【０１０９】
射出瞳を原点として観察される画像の中心に向う軸をＺ軸，偏心反射面としてのみ作用する面の対称面である偏心断面と平行でＺ軸に垂直な軸をＹ軸、これら２軸と右手系を成すようにＸ軸をとったグローバル座標系における各面の頂点の座標を表１、２に示す。また、曲率半径，面のタイプ，屈折率，アッベ数のデータを表１、２に示す。
【０１１０】
表中、Ｘ，Ｙ，Ｚは、各面頂点のＸ，Ｙ，Ｚの座標値であり、ＡはＸ軸周りの回転を反時計回りを正の方向として度単位で表したものである。Ｒは曲率半径、Ｎｄ、ｖｄは対象の面に続く媒質についてのｄ線での屈折率、アッベ数を示す。
【０１１１】
ＴＹＰは面形状定義のタイプを示すもので、ＳＰＨは球面を、ＡＡＳはアナモルフィック面を、ＦＦＳは次式で表される非回転対称面を意味する。ＦＦＳの後に続く番号は、表下の対応する番号の欄に示された非球面係数を有する。非球面係数が不指示のものは、係数の値が０である。
z=(1/R)*(x2+y2)/(1+(1-(1+k)*(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+10*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) +… …（１）
（数値実施例１）
図１２（ａ）〜（ｄ）は、数値実施例１の観察光学系の側面図、正面図、上面図、および斜視図である。表１はそのデータを示す。数値実施例１は、実施例１の構成と類似しており、実施例１との違いは、面Ｃ１、Ｃ２が分かれておらず、一つの面Ｃとして定義されている点である。
【０１１２】
表１は、第１光学ユニットに対応するデータを示している。面Ｓ１は射出瞳Ｓに相当し、面Ｓ２、Ｓ４は面Ａに、面Ｓ３は面Ｂ１、Ｂ１’に、面Ｓ５は面Ｃに相当する。面Ｓ６以降は表示素子のカバーガラス等の代用であり、面Ｓ８は表示素子の原画表示面である。
【０１１３】
第１の表示素子２１からの光は面Ｃを通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１１４】
表１において面Ｓ３のＸの値を−３にしたものが第２の光学ユニットのデータに相当する。偏心断面ｙ１ｚ１断面とｙ２ｚ２断面は、それぞれグローバル座標系に対してＸ軸方向に±３ｍｍシフトしている。
【０１１５】
第２の表示素子２からの光は面Ｃを通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ２、Ｂ２’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１１６】
図１２に示すように、半透過反射面である面Ｂ１’、Ｂ２’が面Ｂ２、Ｂ１の瞳側にあり、境界領域の光束を瞳上で重ねることができるように構成されている。これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に２つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
（表１）
SURF X Y Z A R typ Nd vd
1 0 0 0 0 ∞ SPH 1 0
2 0 -6.916 24.873 5.041 -195.5828 FFS1 1.5709 33.8
3 3 -0.976 33.509 -18.531 -60.6587 FFS2 -1.5709 33.8
4 0 -6.916 24.873 5.041 -195.5828 FFS1 1.5709 33.8
5 0 19.793 31.66 57.15 -30.7246 FFS3 1 0
6 0 21.366 32.843 51.396 ∞ SPH 1.6 50
7 0 21.534 32.977 51.396 ∞ SPH 1.45 50
8 0 21.964 33.32 51.396 ∞ SPH 1 0
FFS1
c1 2.95E+01 c5 2.00E-03 c6 -2.68E-04
c10 8.22E-06 c11 -3.19E-05 c12 2.02E-07
c13 -1.01E-07 c14 3.03E-07 c20 -1.67E-09
c21 -1.34E-08 c22 1.82E-08 c23 5.71E-10
c24 -2.45E-10 c25 4.08E-11 c26 -4.46E-11
FFS2
c1 2.55E-01 c5 -4.03E-04 c6 -4.98E-05
c10 1.11E-05 c11 -2.67E-05 c12 -5.76E-07
c13 6.22E-07 c14 -2.01E-07 c20 -1.22E-09
c21 -2.45E-09 c22 -1.25E-08 c23 -1.12E-10
c24 2.58E-11 c25 -1.98E-10 c26 4.57E-11
FFS3
c1 -1.81E+00 c5 2.62E-03 c6 -3.08E-03
c10 7.20E-05 c11 -8.67E-04 c12 -3.90E-05
c13 1.48E-05 c14 2.58E-06 c20 5.35E-08
c21 6.55E-07 c22 -1.22E-06 c23 -5.05E-08
c24 3.42E-08 c25 -1.03E-08 c26 -2.36E-09
（数値実施例２）
図１３（ａ）〜（ｄ）は、数値実施例２の観察光学系の側面図、正面図、上面図および斜視図である。表２はそのデータを示す。数値実施例２は、実施例３の構成と類似している。
【０１１７】
表２は、数値実施例２の第２光学ユニットに対応するデータを示している。面Ｓ１は射出瞳Ｓに、面Ｓ２、Ｓ４は面Ａに、面Ｓ３は面Ｂ２、Ｂ２’に、面Ｓ５は面Ｃ２に相当する。面Ｓ６以降は表示素子のカバーガラス等の代用であり、面Ｓ８は表示素子の原画表示面である。
【０１１８】
第２の表示素子２２からの光は面Ｃ２を通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ２、Ｂ２’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１１９】
表２のデータの原点位置をグローバル座標に対して３０°だけＹ軸周りに回転させると第２光学ユニットのデータに相当する。また、表２のデータの原点位置をグローバル座標に対して−３０°だけＹ軸周りに回転させると第１光学ユニットのデータに相当する。
【０１２０】
偏心断面ｙ１ｚ１断面とｙ２ｚ２断面とｙ３ｚ３断面が、それぞれグローバル座標系原点を中心にして回転した位置に配置された系となっている。同様に、面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とも、各面の対称面である偏心断面どうしが、それぞれグローバル座標系原点を中心にして回転した位置に配置された系となっている。
【０１２１】
第１の表示素子２１からの光は面Ｃ１を通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ１、Ｂ１’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１２２】
第３の表示素子２３からの光は面Ｃ３を通って面Ａに導かれ、面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以上の角度で入射して内部全反射される。面Ａで全反射された光は面Ｂ３、Ｂ３’で反射されて面Ａにａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）以下の角度で入射して透過されて射出瞳Ｓに導かれる。
【０１２３】
図１３に示すように、半透過反射面である面Ｂ１’、Ｂ２’Ａ、Ｂ２’Ｂ、Ｂ３’が面Ｂ２、Ｂ１、Ｂ３の瞳側にあり、境界領域の光束を瞳上で重ねることができるように構成されている。
【０１２４】
これにより、有効瞳内での眼球の移動，回転が生じた際にも、観察者の眼に３つの原画の境界が認識されず、欠けのない一つの画像としての観察を可能としている。
【０１２５】
本実施例では、面Ａがグローバル原点を中心としたアナモルフィック面形状となっており、Ｙ軸に対して回転対称な形状となっている。また、同時にその他の光学面の対称面である偏心断面に対して面対称な形状である。そのために、本実施例の構成は、基本的に同一の光学ユニットを、原画の境界領域からの光束が瞳上で重なるように、且つ原点を中心にＹ軸周りに放射状に配置することで、２つでも、４つ以上でも本発明の効果の得られる構成をとることが出来る。
【０１２６】
本実施例では、瞳Ｓをグローバル原点とし、これを中心にＹ軸に放射状に光学ユニットを配置したが、これに限るものではない。但し、Ａ面からグローバル原点の距離ＬＡは次式を満たすようにＹ軸に放射状に配置することが望ましい。
【０１２７】
１５ｍｍ＜ＬＡ＜５０ｍｍ …（２）
下限値を超えると、アイレリーフが短くなり、顔や睫毛などとの装置の干渉が生じて装着感が低下する。上限値を超えると、観察光学系、ひいては装置全体が大型化するため、好ましくない。
（表２）
SURF X Y Z A R typ Nd vd
1 0 0 0 0 ∞ SPH 1 0
2 0 0 30 0 -148.2864 AAS 1.5709 33.8
3 0 -2.024 39.759 -25.39 -47.7315 FFS1 -1.5709 33.8
4 0 0 30 0 -148.2864 AAS 1.5709 33.8
5 0 19.832 39.548 54.024 -30.5453 FFS2 1 0
6 0 22.26 41.31 59.039 ∞ SPH 1.6 50
7 0 22.444 41.42 59.039 ∞ SPH 1.45 50
8 0 22.916 41.703 59.039 ∞ SPH 1 0
FFS1
c1 2.41E-01 c5 -2.50E-03 c6 -1.70E-04
c10 9.32E-06 c11 1.25E-05 c12 5.01E-08
c13 -1.33E-07 c14 -3.58E-09
FFS2
c1 1.51E+00 c5 -7.92E-04 c6 -3.85E-03
c10 1.42E-04 c11 1.02E-04 c12 -9.19E-06
c13 1.44E-06 c14 3.13E-06
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の観察光学系はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１…観察光学系、１０…光学素子、１１、１２…光学ユニット、２１、２２…表示素子、２１０、２２０…原画、２００…観察される画像（合成拡大像）、ｙ１ｚ１、ｙ２ｚ２…偏心断面、Ｓ…射出瞳
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを有する光学素子を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系であって、
前記観察光学系の１つの光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面が対称面を一つ有し、該対称面を含む断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差することを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを有する光学素子を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系であって、
前記観察光学系の１つの光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面が対称面を一つ有し、該対称面を含む断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が前記射出瞳の中心から前記合成拡大像の中心に向かう軸に垂直な軸で交差するように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差することを特徴とする観察光学系。
【請求項３】
前記光学素子は複数の要素に分割され、前記複数の要素の一つは前記光学素子の内部に配置されて透過面および反射面として作用する内面を有し、
前記複数の光学ユニットの少なくとも一つは前記内面を有することを特徴とする請求項１または２の１項に記載の観察光学系。
【請求項４】
前記複数の要素は、
前記内面の側において前記光学素子の外部に露出して前記光束を前記射出瞳に反射する反射面として作用する外面を有する第１の要素と、
前記内面を有する第２の要素と、
を有し、
前記外面と前記内面は同一形状で定義される連続した形状の面を構成することを特徴とする請求項３に記載の観察光学系。
【請求項５】
各光学ユニットは、対応する表示素子からの光束が入射し、対応する偏心断面を対称面とする形状を有する透過面を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項６】
複数の原画は同一の画像が表示された領域を有しておらず、前記射出瞳での前記合成拡大像の同一画角に対応する前記表示素子からの光束の重なりが有効瞳を覆うように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項７】
複数の原画が一部に同一の画像が表示された領域を有し、前記射出瞳での前記合成拡大像の同一画角に対応する前記表示素子からの光束の重なりが有効瞳の一部となることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の観察光学系を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを有する光学素子を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系であって、
前記観察光学系の１つの光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面が対称面を一つ有し、該対称面を含む断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が平行であるように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差することを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
それぞれが原画を表示する複数の表示素子からの光束を、複数の光学ユニットを有する光学素子を介して射出瞳に導いて合成拡大像を提示する観察光学系であって、
前記観察光学系の１つの光学ユニットは複数の反射面を有し、該複数の反射面のうち最も屈折力が大きい反射面が対称面を一つ有し、該対称面を含む断面を偏心断面としたとき、前記複数の光学ユニットの偏心断面が前記射出瞳の中心から前記合成拡大像の中心に向かう軸に垂直な軸で交差するように前記複数の光学ユニットは配置され、異なる光学ユニットの前記最も屈折力が大きい反射面が互いに交差することを特徴とする観察光学系。
【請求項３】
前記光学素子は複数の要素に分割され、前記複数の要素の一つは前記光学素子の内部に配置されて透過面および反射面として作用する内面を有し、
前記複数の光学ユニットの少なくとも一つは前記内面を有することを特徴とする請求項１または２の１項に記載の観察光学系。
【請求項４】
前記複数の要素は、
前記内面の側において前記光学素子の外部に露出して前記光束を前記射出瞳に反射する反射面として作用する外面を有する第１の要素と、
前記内面を有する第２の要素と、
を有し、
前記外面と前記内面は同一形状で定義される連続した形状の面を構成することを特徴とする請求項３に記載の観察光学系。
【請求項５】
各光学ユニットは、対応する表示素子からの光束が入射し、対応する偏心断面を対称面とする形状を有する透過面を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項６】
複数の原画は同一の画像が表示された領域を有しておらず、前記射出瞳での前記合成拡大像の同一画角に対応する前記表示素子からの光束の重なりが有効瞳を覆うように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項７】
複数の原画が一部に同一の画像が表示された領域を有し、前記射出瞳での前記合成拡大像の同一画角に対応する前記表示素子からの光束の重なりが有効瞳の一部となることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の観察光学系。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の観察光学系を有することを特徴とする画像表示装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−５０４８３（Ｐ２０１３−５０４８３Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６７８８（Ｐ２０１１−１８６７８８）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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