(57)【要約】【課題】光の利用効率が高い観察光学系及び画像表示装置を提供すること【解決手段】それぞれ画像を表示する表示素子１、２からの光を眼球６に導いて画像の合成拡大像を提供する観察光学系は、半透過反射膜７と反射膜８とを含む１つの光学面を備える光学素子３を有し、表示素子１の表示領域１ｂからの光束３０２は光学面の半透過反射膜７により反射されて眼球６に導かれ、表示素子１の表示領域１ａからの光束３０１は光学面の反射膜８により反射されて眼球６に導かれ、表示素子２からの一部の光束３０４は光学面の半透過反射膜７を通過して眼球６に導かれ、表示素子１、２から合成拡大像の同じ像点へ導かれる光束が前記射出瞳において重なりを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ画像を表示する複数の表示素子からの光を射出瞳に導いて前記画像の合成拡大像を提供する観察光学系において、
透過作用と反射作用を有する第１の領域と反射作用を有するが透過作用は有さない第２の領域とを含む１つの光学面を備える第１の光学素子を有し、
第１の表示素子の第１の表示領域からの光束は前記光学面の第１の領域により反射されて前記射出瞳に導かれ、前記第１の表示素子の第２の表示領域からの光束は前記光学面の第２の領域により反射されて前記射出瞳に導かれ、
第２の表示素子からの光束の一部は、前記光学面の前記第１の領域を通過して前記射出瞳に導かれ、
前記第１および第２の表示素子から前記合成拡大像の同じ像点へ導かれる光束が、前記射出瞳において重なりを有することを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
前記第２の表示素子からの光束の少なくとも一部を前記光学面に向けて反射させる光学面を含む第２の光学素子を更に有することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
【請求項３】
前記第１の領域は、前記第２の領域に近い部分が遠い部分に比べて高い反射率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の観察光学系。
【請求項４】
前記第１および第２の表示素子から前記合成拡大像の同じ像点へ導かれる光束の前記射出瞳における重なりが、それぞれの光束の一部であることを特徴とする請求項１乃至３の１項に記載の観察光学系。
【請求項５】
前記第１および第２の表示素子の一部が同一の画像を表示することを特徴とする請求項１乃至４の１項に記載の観察光学系。
【請求項６】
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子は、それぞれ少なくとも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請求項２に記載の観察光学系。
【請求項７】
前記第１の光学素子は、前記第１の表示素子からの光束の少なくとも一部を全反射する内部全反射面を有することを特徴とする請求項６に記載の観察光学系。
【請求項８】
前記第１の光学素子に対向する前記第２の光学素子の光学面の有効域が、前記第２の光学素子に対向する前記第１の光学素子の光学面の有効域よりも前記第１の表示素子から遠いことを特徴とする請求項７に記載の観察光学系。
【請求項９】
前記第１の光学素子に対向する前記第２の光学素子の光学面の有効域が、前記第２の光学素子に対向する前記第１の光学素子の光学面の有効域よりも前記第１の表示素子に近いことを特徴とする請求項７に記載の観察光学系。
【請求項１０】
前記第２の光学素子を通過した前記第２の表示素子からの光束を前記第１の光学素子もしくは前記射出瞳に導く第３の光学素子を更に有することを特徴とする請求項２に記載の観察光学系。
【請求項１１】
前記第２の表示素子から前記第１の光学素子を通過して観察者の眼へ導かれる光の光路において、前記第１の光学素子と前記第３の光学素子が接合されていることを特徴とする請求項１０に記載の観察光学系。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の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１３】
それぞれ画像を表示する複数の表示素子からの光を射出瞳に導いて前記画像の合成拡大像を提供する観察光学系において、
反射作用を有するが透過作用は有さない領域を有する光学面を含む第１の光学素子と、第２の光学素子と、透過作用と反射作用を有する領域を有する光学面を含む第３の光学素子と、を有し、
第１の表示素子の第１の表示領域からの光束は前記第３の光学素子の領域により反射されて前記射出瞳に導かれ、前記第１の表示素子の第２の表示領域からの光束は前記第１の光学素子の領域により反射されて前記射出瞳に導かれ、
第２の表示素子からの光束の少なくとも一部は前記第２の光学素子を介して前記第１の光学素子の前記光学面に向けて反射され、
前記第３の光学素子は、前記第２の光学素子を通過した前記第２の表示素子からの光束を前記第１の光学素子もしくは前記射出瞳に導き、
第２の表示素子からの光束の一部は前記第３の光学素子の領域を通過して前記射出瞳に導かれ、
前記第１および第２の表示素子から前記合成拡大像の同じ像点へ導かれる光束が、前記射出瞳において重なりを有することを特徴とする観察光学系。
【請求項１４】
請求項１に記載の観察光学系の第１の光学素子の製造方法であって、
前記第１の光学素子の前記光学面の前記第１の領域以外の領域を遮蔽して半透過反射膜を成膜するステップと、
前記第１の光学素子の前記光学面の前記第２の領域以外の領域を遮蔽して反射膜を成膜するステップと、
を有することを特徴とする製造方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の観察光学系の第１の光学素子の製造方法であって、
前記第１の領域と前記第２の領域には、厚さが異なり材質が同じ膜が形成されており、
前記第１の光学素子の前記光学面の前記第１の領域と前記第２の領域以外の領域を遮蔽して前記材質で前記第１の領域に対応する厚さだけ成膜するステップと、
前記第１の光学素子の前記光学面の前記第２の領域以外の領域を遮蔽して前記材質で前記第２の領域が対応する厚さを有するように成膜するステップと、
を有することを特徴とする製造方法。
【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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、各々が分割された画像を表示する複数の表示素子からの光を複数の光学素子（プリズム）を介して合成して射出瞳（眼球）に導くＨＭＤ用に好適な観察光学系を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６６７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１によれば、光学素子は透過と反射が等しいハーフミラー面を使用して画像を合成しているが、ハーフミラー面を使用すると光量が半分になり、光量ロスが生じる。また、２つの光が重畳されるところでは光量は２倍になるが、重畳されないところでは光量はそのままであるから眼球で観察する際の明るさにムラを生じてしまう。
【０００５】
本発明は、光の利用効率が高い観察光学系及び画像表示装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の観察光学系は、それぞれ画像を表示する複数の表示素子からの光を射出瞳に導いて前記画像の合成拡大像を提供する観察光学系において、透過作用と反射作用を有する第１の領域と反射作用を有するが透過作用は有さない第２の領域とを含む１つの光学面を備える光学素子を有し、第１の表示素子の第１の表示領域からの光束は前記光学面の第１の領域により反射されて前記射出瞳に導かれ、前記第１の表示素子の第２の表示領域からの光束は前記光学面の第２の領域により反射されて前記射出瞳に導かれ、第２の表示素子からの光束の一部は、前記光学面の前記第１の領域を通過して前記射出瞳に導かれ、前記第１および第２の表示素子から前記合成拡大像の同じ像点へ導かれる光束が、前記射出瞳において重なりを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光の利用効率が高い観察光学系及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】
【０００８】
【図１】観察光学系の断面図である。（実施例１）
【図２】観察光学系の断面図である。（実施例２）
【図３】観察光学系の断面図と、射出瞳上での光束の重なりを示す図である。（実施例３）
【図４】図３に示す２つの光束の射出瞳上での重なりを調整する方法を説明する断面図と絞りの形状を示す平面図である。（実施例３）
【図５】観察光学系の断面図である。（実施例４）
【図６】観察光学系の断面図である。（実施例５）
【図７】図６に示す観察光学系の斜視図である。（実施例５）
【図８】図６に示す観察光学系の上面図である。（実施例５）
【図９】図７の変形例の斜視図である。（実施例５）
【図１０】観察光学系の断面図である。（実施例６）
【図１１】観察光学系の断面図である。（実施例７）
【図１２】観察光学系の断面図である。（実施例８）
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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射出瞳に導いて画像の合成拡大像を提供し、ＨＭＤ等の画像表示装置に好適である。
【００１０】
各図において、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。
【００１１】
また、観察光学系の偏心断面を、反射作用を有するが透過作用を有しない第１の領域と透過作用と反射作用を有する第２の領域とを含む１つの光学面において、拡大像の同じ像点へ導かれる光束の主光線が反射する際に形成する断面として定義する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＸＺ平面）における水平（Ｘ軸）方向の画角を２分割し、複数の表示素子（本実施例では２つの表示素子）１、２からの光を合成して１つの合成拡大像を観察させる。
【００１３】
表示素子（第１の表示素子）１と表示素子（第２の表示素子）２は、有機ＥＬ等の自発光２次元画像表示素子であるが、透過型の液晶パネル（ＬＣＤ）等の小型のディスプレイであってもバックライトと組み合わせることで利用可能である。
【００１４】
図中、３は光学素子であり、透過作用と反射作用を有する（本実施例では透過と反射の強度が等しい）第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）７と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）８とが混在した光学面を含む。なお、反射膜８の反射率は１００％である必要がないことはいうまでもなく、これは以下の実施例でも同様である。また、光学素子３は、透過作用を有する第３の領域である透過部９を更に有する。
【００１５】
５は接眼レンズ、６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。
【００１６】
５２３は正面から見た表示素子１上の画像、５２４は正面から見た表示素子２上の画像、５２５は観察者が観察する合成画像である。本実施例の偏心断面は、光学素子３で反射する際に光路の折り曲がる断面であり、図１の断面がこれに相当する。
【００１７】
本実施例では、表示素子１、２から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜７で合成している。
【００１８】
表示素子１の表示領域（第２の表示領域）１ａに表示された合成画像５２５の左端の画像からの光束３０１は、光学素子３の反射膜８で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００１９】
表示素子１の表示領域（第１の表示領域）１ｂに表示された合成画像５２５の境界部の同一画像からの光束３０２は、光学素子３の半透過反射膜７で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００２０】
表示素子２の表示領域２ａに表示された合成画像５２５の右端の画像からの光束３０３は、光学素子３の透過部９を通過し、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００２１】
表示素子２の表示領域２ｂに表示された合成画像５２５の境界部の同一画像からの光束（表示素子２からの光束の一部）３０４は、光学素子３の半透過反射膜７を透過し、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００２２】
合成画像５２５の同一画像からの光束は、半透過反射膜７で反射された光束３０２と半透過反射膜７を透過した光束３０４が重なり合うため、射出瞳上では光量のロスがほとんどない。
【００２３】
このように本実施例は、光学素子３の一部を半透過反射膜７、別の一部を反射膜８として、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量ロスのない明るい光学系を実現している。
【００２４】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３０１と光束３０３の明るさは光束３０２と光束３０４を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【００２５】
また、光学素子３に透過部９を設けることによって、表示素子２からの光線の中で、半透過反射膜７を通過する光束３０４と通過しない光束３０３の光路差をなくすことができる。光学素子３は透過部９で分割された２つの光学素子を接合して製作してもよい。こうすることで、光学素子３の製作が容易となる。
【００２６】
また、表示素子１、２から合成拡大像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っているので、眼球回転時においてもすべての画角からの光線が人間の瞳に導かれる光学系が実現できる。
【００２７】
本実施例では、Ｘ軸方向の水平画角を２分割する観察光学系であったが、Ｙ軸方向の垂直画角を２分割する観察光学系にも適用可能であり、これは後述する実施例２、３などでも同様である。
【００２８】
尚、半透過反射膜７は、透過率と反射率とが等しい必要はなく、以下の実施例でも同様である。
【実施例２】
【００２９】
図２は、実施例２の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＸＺ平面）における水平（Ｘ軸）方向の画角を２分割し、複数の表示素子（本実施例では２つの表示素子）１、２からの光を合成して１つの合成拡大像を観察させる。
【００３０】
図中、３は第１の光学素子であり、透過作用と反射作用を有する第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）７と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）８とが混在した光学面を含む。また、光学素子３は、透過作用を有する第３の領域である透過部９を更に有する。
【００３１】
４は第２の光学素子であり、反射作用を有し透過作用を有しない反射面（ミラー面）から構成される。また、光学素子４の反射面の反射率は１００％である必要がないことはいうまでもなく、これは以下の実施例でも同様である。
【００３２】
本実施例の偏心断面は、光学素子３、４で反射する際に光路の折り曲がる断面であり、図２の断面がこれに相当する。
【００３３】
本実施例は、表示素子２からの光束３０３、３０４を光学素子３に向けて反射させる光学素子４により、実施例１に比べて薄い光学系を実現できる。
【００３４】
本実施例では、表示素子１、２から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜７で合成している。
【００３５】
表示素子１の表示領域（第２の表示領域）１ａに表示された合成画像５０３の左端の画像からの光束３０１は、光学素子３の反射膜８で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００３６】
表示素子１の表示領域（第１の表示領域）１ｂに表示された合成画像５０３の境界部の同一画像からの光束３０２は、光学素子３の半透過反射膜７で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００３７】
表示素子２の表示領域２ａに表示された合成画像５０３の右端の画像からの光束３０３は、光学素子４で反射され、光学素子３の透過部９を通過し、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００３８】
表示素子２の表示領域２ｂに表示された合成画像５０３の境界部の同一画像からの光束３０４は、光学素子４で反射され、光学素子３の半透過反射膜７を透過し、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００３９】
合成画像５０３の同一画像からの光束は、半透過反射膜７で反射された光束３０２と半透過反射膜７を透過した光束３０４が重なり合うため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【００４０】
このように本実施例では、光学素子３の一部を半透過反射膜７、別の一部を反射膜８として、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量ロスのない明るい光学系を実現している。
【００４１】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３０１と光束３０３の明るさは光束３０２と光束３０４を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【００４２】
光学素子３に透過部９を設けることによって、表示素子２からの光線の中で、半透過反射膜７を通過する光束３０４と通過しない光束３０３の光路差をなくすことができる。光学素子３は透過部９で分割された２つの光学素子を接合して製作してもよい。こうすることで、光学素子３の製作が容易となる。
【００４３】
また、表示素子１、２から合成拡大像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っているので、眼球回転時においてもすべての画角からの光線が人間の瞳に導かれる光学系が実現できる。
【実施例３】
【００４４】
図３（ａ）は、実施例３の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＸＺ平面）における水平（Ｘ軸）方向の画角を２分割し、複数の表示素子（本実施例では２つの表示素子）１、２からの光を合成して１つの合成拡大像を観察させる。
【００４５】
図中、２１は第１の光学素子であり、透過作用と反射作用を有する第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）２４と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）２５とが混在した光学面を含む。また、光学素子２１は、透過作用を有してハーフミラーのような大きな反射作用を有しない第３の領域である透過部２６を更に有する。
【００４６】
２２は第２の光学素子であり、反射作用を有し透過作用を有しない反射面（ミラー面）から構成される。２３は接眼レンズである。
【００４７】
５０４は正面から見た表示素子１上の画像、５０５は正面から見た表示素子２上の画像、５０６は観察者が観察する合成画像である。
【００４８】
透過率および反射率が一様な通常の半透過反射膜では、反射膜と半透過反射膜および半透過反射膜と透過面での反射もしくは透過の作用の変化が大きいため、膜の境界が目立つ可能性がある。そこで、本実施例では、透過率と反射率が徐々に変化するグラデーション状の半透過反射膜２４で、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を合成する。
【００４９】
半透過反射膜２４の特性は反射膜２５に近い方が反射率が高く、遠くなるにつれて反射率が低い。このような半透過反射膜は、施される反射膜の膜厚を徐々に減らすようにして形成することができる。
【００５０】
表示素子１の表示領域（第２の表示領域）１ａに表示された合成画像５０６の左端の画像からの光束３０５は、光学素子２１の反射膜２５で反射され、接眼レンズ２３により眼球６に導かれる。
【００５１】
表示素子１の表示領域（第１の表示領域）１ｂに表示された合成画像５０６の境界部の同一画像からの光束３０６のうち光束３０８と射出瞳上で重なっていない光束は、光学素子２１の反射膜２５で反射され、接眼レンズ２３により眼球６に導かれる。
【００５２】
表示素子１の表示領域（第１の表示領域）１ｂに表示された光束３０６のうち光束３０８と射出瞳上で重なっている光束は、光学素子２１の半透過反射膜２４で反射され、接眼レンズ２３により眼球６に導かれる。
【００５３】
表示素子２の表示領域２ａに表示された合成画像５０６の右端の画像からの光束３０７は、光学素子２２で反射され、光学素子２１を通過し、接眼レンズ２３により眼球６に導かれる。
【００５４】
表示素子２の表示領域２ｂに表示された合成画像５０６の境界の画像からの光束３０８のうち光束３０６と射出瞳上で重なっていない光束は、光学素子２２で反射され、光学素子２１を通過し、接眼レンズ２３により眼球６に導かれる。
【００５５】
表示素子２の表示領域２ｂに表示された光束３０８のうち光束３０６と射出瞳上で重なっている光束は、光学素子２２で反射され、光学素子２１の半透過反射膜２４を透過し、接眼レンズ２３により眼球６に導かれる。
【００５６】
合成画像５０６の同一画像からの光束の重なり合っている部分は、半透過反射膜２４で反射された光束３０６と半透過反射膜２４を透過した光束３０８が重なり合うため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【００５７】
このように本実施例では、光学素子２１の一部を半透過反射膜２４、別の一部を反射膜２５として、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量ロスのない明るい光学系を実現している。
【００５８】
また、半透過反射膜２４にグラデーション状の特性を持たせることで、反射膜と半透過反射膜との反射作用の変化と、半透過反射膜と透過面との透過作用の変化を小さくすることができ、膜の境界を目立ちにくくし合成画像のムラを低減することができる。
【００５９】
全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３０５と光束３０７の明るさは光束３０６と光束３０８を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【００６０】
光学素子２１に透過部２６を設けることによって、表示素子２からの光線の中で、半透過反射膜２４を通過する光束３０８と通過しない光束３０７の光路差をなくすことができる。光学素子２１は透過部２６で分割された２つの光学素子を接合して製作してもよい。こうすることで、光学素子２１の製作が容易となる。
【００６１】
表示素子１、２から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束３０６と３０８の射出瞳面上での重なりは図３（ｂ）に示すようになる。射出瞳面上では、図３（ｂ）に示すように光束３０６が射出瞳の左側を形成し、光束３０８が射出瞳の右側を形成している。さらに、射出瞳の中心部では光束３０６と光束３０８が重なり合っている。
【００６２】
実施例１、２では、合成拡大像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っている。これに対して、本実施例では、光束の一部だけを重ねて半透過反射膜２４の有効部及び光学素子２２の反射面の有効部を小さくしているため、それぞれの有効部外が少なくなるように配置すれば、光学系を薄型化することができる。
【００６３】
光束３０６と光束３０８の射出瞳上での重なりを調整する方法としては、図４（ａ）に示すように表示素子１と光学素子２１の間に遮光手段である絞り４１を、表示素子２と光学素子２２の間に絞り４２を配置する方法が考えられる。
【００６４】
図４（ｂ）は、絞り４１を表示素子１から見たときの平面図であり、図４（ｂ）は、絞り４２を表示素子２から見たときの平面図である。
【００６５】
絞り４１では光束３０６の出射領域を制限するために、光束が射出瞳上ですべて重なっている場合（図中破線）に対して右側の有効域が小さくなっており、絞り４２では光束３０８の出射領域を制限するために、左側の有効域が小さくなっている。
【００６６】
絞り４１の位置を光束３０６の光軸方向に、絞り４２の位置を光束３０８の光軸方向にそれぞれ可変とすることで、光束３０６と光束３０８の射出瞳上での重なり率も可変とすることができる。
【００６７】
また、光束３０６と光束３０８の射出瞳上での重なりを調整する方法として、光学素子２１の透過反射面の有効域と光学素子２の反射面の有効域を制限する方法も考えられる。この場合、光学素子２１と光学素子２２、接眼レンズ２３との光軸方向の間隔をそれぞれ変えることで、光束３０６と光束３０８の射出瞳上での重なり率も可変にできる。
【００６８】
上記２つの方法を組み合わせて光束３０６と光束３０８の射出瞳上での重なりを調整してもよい。
【００６９】
また、光束３０６と光束３０８の射出瞳上での重なり率が可変のとき、光学系の製造誤差や表示素子と光学系との間の位置ずれによる射出瞳上での光束の重なり率のずれを補償することができる。そのため、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所定の光束の重なり率を得ることができる。
【実施例４】
【００７０】
図５は、実施例４の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＸＺ平面）における水平（Ｘ軸）方向の画角を３分割し、複数の表示素子（本実施例では３つの表示素子）７１、７２、７３からの光を合成して１つの合成拡大像を観察させる。
【００７１】
表示素子７１、７２、７３は有機ＥＬ等の自発光２次元画像表示素子であるが、透過型の液晶パネル（ＬＣＤ）等の小型のディスプレイであっても、バックライトと組み合わせることで本発明に用いることができる。表示素子７１、７２は第１の表示素子として機能し、表示素子７３は第２の表示素子として機能する。
【００７２】
図中、７４は光学素子であり、半透過反射膜（ハーフミラー面）７７、７８と、反射膜（ミラー面）７６、７９とが混在した光学面を含む。半透過反射膜（ハーフミラー面）７７、７８は、それぞれ、透過作用と反射作用を有する第１の領域である。反射膜（ミラー面）７６、７９は、それぞれ、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である。また、光学素子７４は、透過作用を有する第３の領域である透過部７５を更に有する。
【００７３】
５０７は正面から見た表示素子７１上の画像、５０８は正面から見た表示素子７３上の画像、５０９は正面から見た表示素子７２上の画像、５１０は観察者が観察する合成画像である。
【００７４】
本実施例では、表示素子７１と表示素子７３から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜７７で合成し、表示素子７２と表示素子７３から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜７８で合成している。
【００７５】
表示素子７１の表示領域（第２の表示領域）７１ａに表示された合成画像５１０の左端の画像からの光束３０９は、光学素子７４の反射膜７６で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００７６】
表示素子７１の表示領域（第１の表示領域）７１ｂに表示された合成画像５１０の左側の境界部の同一画像からの光束３１０は、光学素子７４の半透過反射膜７７で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００７７】
表示素子７３の表示領域７３ａに表示された合成画像５１０の左側の境界部の同一画像からの光束（第２の表示素子からの光束の一部）３１１は、光学素子７４の半透過反射膜７７を透過し、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００７８】
表示素子７３の表示領域７３ｂに表示された右側の境界部の同一画像からの光束（第２の表示素子からの光束の一部）３１２は、光学素子７４の半透過反射膜７８を透過し、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００７９】
表示素子７２の表示領域（第２の表示領域）７２ａに表示された合成画像５１０の右端の画像からの光束３１３は、光学素子７４の反射膜７９で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００８０】
表示素子７２の表示領域（第１の表示領域）７２ｂに表示された合成画像５１０の右側の境界部の同一画像からの光束３１４は、光学素子７４の半透過反射膜７８で反射され、接眼レンズ５により眼球６に導かれる。
【００８１】
合成画像５１０の二つの境界部の同一画像からの光束は、半透過反射膜で反射された光束と半透過反射膜を透過した光束が重なり合うため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【００８２】
このように本実施例では、光学素子７４の一部を半透過反射膜７７、７８、別の一部を反射膜７６、７９とすることで、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量ロスのない明るい光学系を実現できる。
【００８３】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３０９と光束３１３の明るさは光束３１０と光束３１１を重ね合わせた明るさ、光束３１２と光束３１４を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【００８４】
また、表示素子７１、７３及び表示素子７２、７３から合成拡大像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っているので、眼球回転時においてもすべての画角からの光線が人間の瞳に導かれる光学系が実現できる。
【００８５】
光学素子７４に透過部７５を設けることによって、表示素子７３からのすべての光線の光路差をなくすことができる。また、光学素子７４は平面部において２つもしくは３つに分割して構成することもできる。こうすることで、光学素子７４の製作が容易となる。
【００８６】
本実施例では、Ｘ軸方向の水平画角を３分割する観察光学系であったが、Ｙ軸方向の垂直画角を３分割する観察光学系にも適用可能である。
【実施例５】
【００８７】
図６は、実施例５の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＹＺ平面）における垂直（Ｙ軸）方向とは異なる水平（Ｘ軸）方向の画角を２分割している。これまでの実施例は、観察光学系の偏心断面方向と同じ方向の画角を分割していたが、本実施例の観察光学系は偏心断面方向と異なる方向の画角を分割している。
【００８８】
図中、１１１は表示素子１と同様の（第１の）表示素子、１１２は表示素子２と同様の（第２の）表示素子、１１３は（第１の）光学素子、１１４は（第２の）光学素子である。５２０は正面から見た表示素子１１１上の画像、５２１は正面から見た表示素子１１２上の画像、５２２は観察者が観察する合成画像である。
【００８９】
本実施例は、光学素子１１３、１１４を複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳んだことによって光学系をより薄型化している。光学素子１１３、１１４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。光学素子１１３は、透過作用と反射作用を有する第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）１１５と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）１１６とが混在した光学面を含む。
【００９０】
図７は図６に示す観察光学系の斜視図、図８（ａ）、（ｂ）は、その上面図である。表示素子１１１、１１２は、図８に示すように、水平方向にずれて配置されている。光学素子１１３内の半透過反射膜１１５と反射膜１１６は図７に示すように形成され、同図において、３２７と３２８は表示素子１１１からの光束の一部であり、３２９と３３０は表示素子１１２からの光束の一部である。
【００９１】
表示素子１１１の表示領域（第２の表示領域）に表示された合成画像５２２の左端の画像からの光束３２７は、光学素子１１３内で１回反射した後に反射膜１１６で反射され、眼球６に導かれる。
【００９２】
表示素子１１１の表示領域（第１の表示領域）に表示された合成画像５２２の境界部の同一画像からの光束３２８は、光学素子１１３内で１回反射した後に半透過反射膜１１５で反射され、眼球６に導かれる。
【００９３】
表示素子１１２に表示された合成画像５２２の右端の画像からの光束３２９は、光学素子１１４内で２回反射した後に光学素子１１３を通過し、眼球６に導かれる。
【００９４】
表示素子１１２に表示された合成画像５２２の境界部の同一画像からの光束３３０は、光学素子１１４内で２回反射した後に光学素子１１３の半透過反射膜１１５を透過し、眼球６に導かれる。
【００９５】
合成画像５２２の同一画像からの光束は、半透過反射膜１１５で反射された光束と半透過反射膜１１５を透過した光束が重なり合うため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【００９６】
このように本実施例では、光学素子１１３内の反射面の一部を半透過反射膜１１５、別の一部を反射膜１１６とすることで、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量のロスのない明るい光学系を実現している。
【００９７】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３２７と光束３２９の明るさは光束３２８と光束３３０を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【００９８】
なお、光学素子１１３内の面１１７と光学素子１１４内の面１１８は、光量ロスをなくすために内部全反射面であることが望ましい。また、光学素子１１３、１１４の全ての面を曲面で構成した場合には、全ての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、光学系の不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【００９９】
さらに好ましくは、光学素子１１３、１１４を構成する少なくとも１つの面を、より好ましくは全ての面を回転非対称形状とすることで、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。このとき、各回転非対称面を、偏心断面を唯一の対称面とする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および製作を容易にすることができるため好ましい。
【０１００】
また、表示素子１１１、１１２から合成像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っている。射出瞳上で光束が重なる構成とすることで、眼球回転時においてもすべての画角からの光線が人間の瞳に導かれる光学系が実現できる。
【０１０１】
本実施例では、光学素子１１４のＸ軸正の方向（眼球から見て左側）の領域は光線の有効域ではない。そのため、図９に示すように、光学素子１１４を光線の有効域のみの部分とすることも可能である。このようにすることで、光学系を必要最低限の構成とすることができ、軽量化できる。
【実施例６】
【０１０２】
図１０は、実施例６の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＹＺ平面）における垂直（Ｙ軸）方向の画角を２分割している。
【０１０３】
図中、８１は表示素子１と同様の（第一の）表示素子、８２は表示素子２と同様の（第２の）表示素子である。
【０１０４】
８３は第１の光学素子であり、透過作用と反射作用を有する第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）８５と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）８６とが混在した光学面を含む。８４は第２の光学素子である。
【０１０５】
５１１は正面から見た表示素子８１上の画像、５１２は正面から見た表示素子８２上の画像、５１３は観察者が観察する合成画像である。本実施例における偏心断面とは、光学素子８１、８２で反射する際に光路の折り曲がる断面であり、図１２の断面がこれに相当する。
【０１０６】
本実施例は光学素子８３、８４を複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳んだことによって、光学系をより薄型化したものである。さらに、光学系の厚さに寄与する偏心断面方向と同じ方向の画角を分割することで、異なる方向の画角を分割した実施例５に比べてさらに薄型化可能である。光学素子８３、８４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。
【０１０７】
本実施例では、合成画像の上半分の画像を上側の表示素子で、下半分の画像を下側の表示素子で表示しており、光学素子８３に対向する光学素子８４の光学面の有効域は、光学素子８４に対向する光学素子８３の光学面の有効域よりも表示素子８１から遠くにある。そのため、光学素子８３と光学素子８４を薄型化する方向にスライドして配置することができるため、光学系全体を薄くできる。
【０１０８】
本実施例では、表示素子８１と表示素子８２から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜８５で合成している。
【０１０９】
表示素子８１の表示領域（第２の表示領域）８１ａに表示された合成画像５１３の上端の画像からの光束３１５は、光学素子８３内で１回反射した後に反射膜８６で反射され、眼球６に導かれる。
【０１１０】
表示素子８１の表示領域（第１の表示領域）８１ｂに表示された合成画像５１３の境界部の同一画像からの光束３１６は、光学素子８３内で１回反射した後に半透過反射膜８５で反射され、眼球６に導かれる。
【０１１１】
また、表示素子８２の表示領域８２ａに表示された合成画像５１３の下端の画像からの光束３１７は、光学素子８４内で２回反射した後に光学素子８３を通過し、眼球６に導かれる。
【０１１２】
表示素子８２の表示領域８２ｂに表示された合成画像５１３の境界部の同一画像からの光束３１８は、光学素子８４内で２回反射した後に光学素子８３の半透過反射膜８５を透過し、眼球６に導かれる。
【０１１３】
合成画像５１３の同一画像からの光束は、半透過反射膜８５で反射された光束と半透過反射膜８５を透過した光束が重なり合うため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【０１１４】
このように本実施例では、光学素子８３内の反射面の一部を半透過反射膜８５、別の一部を反射膜８６とすることで、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量のロスのない明るい光学系を実現している。
【０１１５】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３１５と光束３１７の明るさは光束３１６と光束３１８を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【０１１６】
なお、光学素子８３内の面８７での反射と光学素子８４内の面８８での反射は、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。また、光学素子８３、８４の全ての面を曲面で構成した場合には、全ての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、光学系の不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【０１１７】
さらに好ましくは、光学素子８３、８４を構成する少なくとも１つの面を、より好ましくは全ての面を回転非対称形状とすることで、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。このとき、各回転非対称面を、偏心断面を唯一の対称面とする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および製作を容易にすることができるため好ましい。
【０１１８】
また、表示素子８１と表示素子８２から合成像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っている。射出瞳上で光束が重なる構成とすることで、眼球回転時においてもすべての画角からの光線が人間の瞳に導かれる光学系が実現できる。
【０１１９】
本実施例では、Ｙ軸方向の垂直画角を２分割する観察光学系であったが、Ｘ軸方向の水平画角を２分割する観察光学系にも適用可能である。
【実施例７】
【０１２０】
図１１は、実施例７の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＹＺ平面）における垂直（Ｙ軸）方向の画角を２分割している。
【０１２１】
図中、９１は表示素子１と同様の（第１の）表示素子、９２は表示素子２と同様の（第２の）表示素子である。９３は第１の光学素子であり、透過作用と反射作用を有する第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）９５と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）９６とが混在した光学面を含む。９４は第２の光学素子である。
【０１２２】
５１４は正面から見た表示素子９１上の画像、５１５は正面から見た表示素子９２上の画像、５１６は観察者が観察する合成画像である。
【０１２３】
本実施例は光学素子９３、９４を複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳んだことによって、光学系をより薄型化したものである。光学素子９３、９４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。
【０１２４】
本実施例では、合成画像の上半分の画像を下側の表示素子で、下半分の画像を上側の表示素子で表示しており、光学素子９３に対向する光学素子９４の光学面の有効域は、光学素子９４に対向する光学素子９３の光学面の有効域よりも表示素子９１から近くにある。そのため、光学素子９３と光学素子９４の高さ（図でのＹＺ断面のＹ方向の長さ）を低くする方向にスライドして配置することができるため、光学系全体の高さを低くできる。
【０１２５】
本実施例では、表示素子９１、９２から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜９５で合成している。
【０１２６】
表示素子９１の表示領域（第２の表示領域）９１ａに表示された合成画像５１６の下端の画像からの光束３１９は、光学素子９３内で１回反射した後に反射膜９６で反射され、眼球６に導かれる。
【０１２７】
表示素子９１の表示領域（第１の表示領域）９１ｂに表示された合成画像５１６の境界部の同一画像からの光束３２０は、光学素子９３内で１回反射した後に半透過反射膜９５で反射され、眼球６に導かれる。
【０１２８】
表示素子９２の表示領域９２ａに表示された合成画像５１６の上端の画像からの光束３２１は、光学素子９４内で２回反射した後に光学素子９３を通過し、眼球６に導かれる。
【０１２９】
表示素子９２の表示領域９２ｂに表示された合成画像５１６の境界部の同一画像からの光束３２２は、光学素子９４内で２回反射した後に光学素子９３の半透過反射膜９５を透過し、眼球６に導かれる。
【０１３０】
合成画像５１６の同一画像からの光束は、半透過反射膜９５で反射された光束と半透過反射膜９５を透過した光束が重なり合うため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【０１３１】
このように本実施例では、光学素子９３内の反射面の一部を半透過反射膜９５、別の一部を反射膜９６とすることで、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量ロスのない明るい光学系を実現している。
【０１３２】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３１９と光束３２１の明るさは光束３２０と光束３２２を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【０１３３】
なお、光学素子９３内の面９７での反射と光学素子９４内の面９８での反射は、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。また、光学素子９３、９４の全ての面を曲面で構成した場合には、全ての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、光学系の不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【０１３４】
さらに好ましくは、光学素子９３、９４を構成する少なくとも１つの面を、より好ましくは全ての面を回転非対称形状とすることで、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。このとき、各回転非対称面を、偏心断面を唯一の対称面とする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および製作を容易にすることができるため好ましい。
【０１３５】
また、表示素子９１と表示素子９２から合成像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳面上ですべて重なり合っている。射出瞳上で光束が重なる構成とすることで、眼球回転時においてもすべての画角からの光線が人間の瞳に導かれる光学系が実現できる。
【０１３６】
本実施例では、Ｙ軸方向の垂直画角を２分割する観察光学系であったが、Ｘ軸方向の水平画角を２分割する観察光学系にも適用可能である。
【実施例８】
【０１３７】
図１２は、実施例８の観察光学系の断面図である。観察光学系は、偏心断面（ＸＺ平面）における水平（Ｘ軸）方向の画角を２分割している。
【０１３８】
図中、１０１は表示素子１と同様の（第１の）表示素子、１０２は表示素子２と同様の（第２の）表示素子である。１０３は第１の光学素子であり、透過作用と反射作用を有する第１の領域である半透過反射膜（ハーフミラー面）１０６と、反射作用を有して透過作用を有しない第２の領域である反射膜（ミラー面）１０７とが混在した光学面を含む。１０４は第２の光学素子である。
【０１３９】
５１７は正面から見た表示素子１０１上の画像、５１８は正面から見た表示素子１０２上の画像、５１９は観察者が観察する合成画像である。本実施例は、表示素子１０１と１０２のそれぞれの表示画像に同じ画像を表示するオーバーラップ領域をもたせている。
【０１４０】
本実施例は光学素子１０３、１０４を複数の偏心反射曲面を用いて光路を折り畳んだことによって、光学系をより薄型化したものである。さらに、光学素子１０３と１０４の間に光学素子（第３の光学素子）１０５を配置している。光学素子１０３、１０４、１０５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。
【０１４１】
表示素子１０２からの光束の中で、光学素子１０３を通る光線と通らない光線があり、すべての光線が通る場合に比べて光学素子１０３を薄型化できるため、実施例６と比較して光学系全体を薄型化できる。
【０１４２】
光学素子１０３と光学素子１０４の間に光学素子１０５を配置し、光学素子１０３と１０５を接合することが好ましい。表示素子１０２からの光線の中で光学素子１０３を通る光線と通らない光線の間での射出瞳内での画像の不連続性を軽減し、表示素子１０２上の画像を自然に観察することができる。さらに、光学系を構成する面数を増やすことで、光学系の収差補正に対して有利となる。
【０１４３】
本実施例では、表示素子１０１、１０２から合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束を半透過反射膜１０６で合成している。
【０１４４】
表示素子１０１の表示領域（第２の表示領域）１０１ａに表示された合成画像５１９の左端の画像からの光束３２３は、光学素子１０３内で１回反射した後に反射膜１０７で反射され、眼球６に導かれる。
【０１４５】
表示素子１０１の表示領域（第２の表示領域）１０１ｂに表示された画像５１７の画像５１８との重なり領域からの光束３２４のうち光束３２６と射出瞳上で重なっていない光束は、光学素子１０３内で１回反射した後に反射膜１０７で反射され、眼球６に導かれる。
【０１４６】
一方、表示素子１０１の表示領域（第１の表示領域）１０１ｃに表示された画像からの光束３２４のうち光束３２６と射出瞳上で重なっている光束は、光学素子１０３内で１回反射した後に半透過反射膜１０６で反射され、眼球６に導かれる。
【０１４７】
表示素子１０２の表示領域１０２ａに表示された合成画像５１９の右端の画像からの光束３２５は、光学素子１０４内で２回反射した後に光学素子１０５を通過し、眼球６に導かれる。
【０１４８】
表示素子１０２の表示領域１０２ｂに表示された画像５１８の画像５１７との重なり領域からの光束３２６のうち光束３２４と射出瞳上で重なっていない光束は、光学素子１０４内で２回反射した後に光学素子１０５を通過し、眼球６に導かれる。
【０１４９】
一方、表示素子１０２の表示領域１０２ｃに表示された画像からの光束３２６のうち光束３２４と射出瞳上で重なっている光束は、光学素子１０４内で２回反射した後に光学素子１０５を通過し、光学素子１０３の半透過反射膜１０６を透過し、眼球６に導かれる。
【０１５０】
境界部及び重なり領域に存在する合成画像５１９の同一画像となる表示素子１０１、１０２上の点からの光束の重なり合っている部分は、半透過反射膜１０６で反射された光束と半透過反射膜１０６を透過した光束が射出瞳上で重なり合う。そのため、射出瞳上では光量ロスがほとんどない。
【０１５１】
このように本実施例では、光学素子１０３内の反射面の一部を半透過反射膜１０６、別の一部を反射膜１０７とすることで、全面を半透過反射膜にした場合に比べると光量ロスのない明るい光学系を実現している。
【０１５２】
また、全面を半透過反射膜にした場合には、合成画像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は射出瞳上で重なりがあるため、他の画像に比べて明るい画像となり、合成画像の明るさにムラが生じる。しかし、本実施例では、光束３２３と光束３２５の明るさは光束３２４と光束３２６を重ね合わせた明るさとほとんど変わらないため、合成画像の明るさのムラも軽減できる。
【０１５３】
半透過反射膜１０６と反射膜１０７は両方とも光学素子１０３に形成してもよいし、反射膜１０７を光学素子１０３に、半透過反射膜１０６は光学素子１０５に形成してもよい。
【０１５４】
前者の場合、半透過反射膜１０６を製膜する際にはその他の部分を遮蔽し、反射膜１０７を製膜する際にはその他の部分を遮蔽することで形成できる。即ち、この場合は、光学素子１０３の製造方法は、光学素子１０３の光学面の第１の領域以外の領域を遮蔽して半透過反射膜１０６を成膜するステップと、光学素子１０３の光学面の第２の領域以外の領域を遮蔽して反射膜を成膜するステップと、を有する。
【０１５５】
また、半透過反射膜１０６と反射膜１０７の材質が同じで膜の厚さが異なる場合には、半透過反射膜１０６を製膜する際に反射膜１０７の部分も製膜し、その後に半透過反射膜１０６を遮蔽して、反射膜１０７の残りの厚さ分だけ製膜してもよい。これにより、反射膜１０７部を遮蔽する部材が不要となるため、製作コストが低減できる。この場合は、光学素子１０３の製造方法は、第１、第２の領域以外の領域を遮蔽して前記材質で第１の領域に対応する厚さだけ成膜するステップと、第２の領域以外の領域を遮蔽して前記材質で第２の領域が対応する厚さを有するように成膜するステップを有する。
【０１５６】
後者の場合には、半透過反射膜の左端の有効域は反射膜１０７の右端の有効域によって決まるため、半透過反射膜の左端の形成精度が必要でなくなり、製作が容易となる。
【０１５７】
なお、光学素子１０３内の面１０８での反射と光学素子１０４内の面１０９での反射は、光量ロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。また、光学素子１０３、１０４、１０５の全ての面を曲面で構成した場合には、全ての面が集光ないし発散または収差補正に寄与することになり、光学系の不要な面を減らし、コスト削減の効果が期待できる。
【０１５８】
さらに好ましくは、光学素子１０３、１０４、１０５を構成する少なくとも１つの面を、より好ましくは全ての面を回転非対称形状とすることで、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。このとき、各回転非対称面を、偏心断面を唯一の対称面とする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および製作を容易にすることができるため好ましい。
【０１５９】
また、表示素子１０１、１０２から合成像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束は、実施例３と同様に射出瞳面上で一部が重なっている。このように光束の一部だけを重ねることで、半透過反射膜１０６の有効部及び光学素子１１０の反射面の有効部が小さくなるため、有効部外が少なくなるように配置すれば、光学系を薄型化することができる。
【０１６０】
本実施例では分割された各表示素子上の画像に、同一の画像を表示する重なり領域を設けている。合成画像内に重なって表示された領域があることで、プリズムの製造誤差や表示素子とプリズムとの間の位置ずれによる合成画像の境界部分のずれを、重なった領域で調整することができる。
【０１６１】
そのため、画像を重ねることで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、合成画像の境界部分においてつなぎ目が目立たない、連続した１つの合成画像として観察できる。また、画像の重なり領域がない場合に比べて、眼球が回転したときに連続した合成画像として観察するために必要な同一画像からの光束の重なりが小さくすることができ、光学系をより薄型化することができる。
【０１６２】
実施例３では、合成像の同じ像点へ導かれる同一画像からの光束の一部を重ねるために表示素子と光学素子の間に絞りを配置した。しかし、本実施例のように画像の重なり領域がある場合には、絞りを配置する方法では、画像の重なり領域からの光線が光学素子に入射しなくなる。
【０１６３】
そのため、表示素子１０１からの光束は半透過反射膜１０６の有効域、表示素子１０２からの光束は反射面１１０の有効域を制限することで、光束の一部のみを重ねることができる。反射面１１０の有効域を制限して光学素子１０４を小型化すると、光学系全体及び装置の小型化が可能となる。
【０１６４】
本実施例では、Ｘ軸方向である水平画角を２分割する観察光学系であったが、Ｙ軸方向である垂直画角を２分割する観察光学系にも適用可能である。
【０１６５】
以上、各実施例によれば、複数の表示素子に表示された画像が１つの拡大像として観察される観察光学系は、透過作用と反射作用を有する第１の領域と反射作用を有するが透過作用を有しない第２の領域とを含む１つの光学面を備える光学素子を有する。第１の表示素子からの光束は光学面により観察者の眼に導かれ、第２の表示素子からの光束の一部は、光学面の第１の領域を通過して観察者の眼に導かれる。第１、第２の表示素子から拡大像の同じ像点へ導かれる光束が光学系の射出瞳において重なりを有するようにしたことで、広画角で小型・薄型な明るい光学系が実現できる。
【０１６６】
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】
【０１６７】
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】
【０１６８】
１、７１、７２、８１、９１、１０１、１１１…（第１の）表示素子、１ａ、７１ａ、８１ａ、９１ａ、１０１ａ…（第２の）表示領域、１ｂ、７１ｂ、８１ｂ、９１ｂ、１０１ｃ…（第１の）表示領域、２、７３、８２、９２、１０２、１１２…（第２の）表示素子、３、２１、７４、８３、１０３、１１３…（第１の）光学素子、６…観察者の眼球（射出瞳）、７、２４、７７、７８、８５、１０６、１１５…半透過反射膜（第１の領域）、８、２５、７６、７９、８６、１０６、１１６…反射膜（第２の領域）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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