(57)【要約】【課題】大型化させることなく、偏光を利用した広画角な接眼光学系の周辺部の画質低下を低減する点で有利な画像表示装置を提供する。【解決手段】偏光素子を含み、画像表示素子からの光を観察者の眼球に向かって導く接眼光学系を有する画像表示装置であって、接眼光学系は、画像表示素子の出射角を決めるための第１のレンズを備え、第１のレンズの画像表示素子側の面は、非球面形状であり、第１のレンズの光軸を含む領域において凸形状であり、光軸を含む断面において光学有効領域内に変曲点を有する。【選択図】図１
2020095205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光素子を含み、画像表示素子からの光を観察者の眼球に向かって導く接眼光学系を有する画像表示装置であって、
前記接眼光学系は、
前記画像表示素子の出射角を決めるための第１のレンズを備え、
前記第１のレンズの前記画像表示素子側の面は、非球面形状であり、前記第１のレンズの光軸を含む領域において凸形状であり、前記光軸を含む断面において光学有効領域内に変曲点を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記接眼光学系は、少なくとも１枚のレンズを含み、
前記第１のレンズは、前記少なくとも１枚のレンズのうち、前記画像表示素子に最も近い位置に配置され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】
前記変曲点は、前記断面において前記第１のレンズの前記画像表示素子側の面を示す曲線を２回微分したときの値が０となる点である、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】
前記変曲点と前記光軸との距離Ｈが、前記光学有効領域の前記光軸からの最大距離Ｒに対して
０．２≦Ｈ／Ｒ≦０．７
を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記接眼光学系の前記光軸方向の厚さＬと前記接眼光学系のアイレリーフＥとが
０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．３
を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記接眼光学系のアイレリーフＥと前記接眼光学系の最大半画角θとが
８ｍｍ≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０ｍｍ
を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記接眼光学系のアイレリーフＥは
１５ｍｍ≦Ｅ≦２５ｍｍ
を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記第１のレンズの前記画像表示素子側の面が前記光軸から離れるにつれて単調変化し、前記光学有効領域の中に前記光軸上の点以外に極大値や極小値をもたないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記第１のレンズは樹脂レンズである、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記接眼光学系は、第１のλ／４板と、第２のλ／４板と、第１の直線偏光を反射して前記第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光を透過する反射偏光板と、半透過反射面を有する第２のレンズと、を含む、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記接眼光学系の全体の焦点距離Ｆと前記半透過反射面が反射する際の焦点距離ｆとが
１．６≦ｆ／Ｆ≦１．９
を満足することを特徴とする請求項１０項に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記第２のレンズの光軸上の単位長さ当たりの複屈折量が、前記第１のレンズの光軸上の単位長さ当たりの複屈折量よりも小さいことを特徴とする請求項１０または１１に記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記第２のレンズの光軸上の複屈折量が、前記第１のレンズの光軸上の複屈折量よりも小さいことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
前記第２のレンズの屈折率が、前記第１のレンズの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記第１のλ／４板の遅相軸と前記第１の直線偏光の向きとのなす角が４５°であり、前記第２のλ／４板の遅相軸と前記第１の直線偏光の向きとのなす角が−４５°であることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記接眼光学系は、前記反射偏光板と前記観察者の眼球との間に前記第２の直線偏光を透過する偏光板を有することを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記画像表示素子は無偏光の光を放射し、前記接眼光学系は前記画像表示素子と前記第１のλ／４板との間に、前記第１の直線偏光を透過する偏光板を有することを特徴とする請求項１０から１６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記第２のレンズは前記観察者の眼側の面が平面で、前記画像表示素子側の面が非球面形状の半透過反射面で構成された樹脂レンズであり、前記第２のレンズと前記第１のレンズとが接合されていることを特徴とする請求項１０から１７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１９】
前記画像表示素子は、前記偏光素子を備えることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項２０】
偏光素子を含み、画像表示素子からの光を観察者の眼球に向かって導き、画像表示装置に用いる接眼光学系であって、
前記画像表示素子の出射角を決めるための第１のレンズを備え、
前記第１のレンズの前記画像表示素子側の面は、非球面形状であり、前記第１のレンズの光軸を含む領域において凸形状であり、前記光軸を含む断面において光学有効領域内に変曲点を有することを特徴とする接眼光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
画像表示装置、及び、接眼光学系に関する。
【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（ＨＭＤ）等に用いる画像表示装置としては、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薄型・軽量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、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が提案されている。この偏光を利用して広画角な接眼光学系を実現する場合、接眼光学系の焦点距離が短くなるため、周辺画角での画像表示素子からの出射角が大きくなる。画像表示素子からの出射角が大きいと、画像表示素子の視野角特性が悪化して正しい色の画像が観察できない。また、接眼光学系の中の偏光板やλ／４板、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）などの偏光素子の入射角も大きくなり、偏光特性が悪化して光量低下・光量ムラ・色ムラなどが発生する。
【０００４】
偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系の例として、特許文献１、２等が開示されている。特許文献１、２共に偏光を利用して広画角の接眼光学系を実現する手段を開示しており、特許文献１では、接眼光学系中の半透過反射面の曲率中心の位置を規定して光学収差を小さくしている。特許文献２では、曲面上の偏光素子を利用して広画角を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−１７５００９号公報
【特許文献２】特表２０１８−５０８８００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、特許文献１、２に記載の接眼光学系は、画角は広いものの、画像表示素子が大きいため接眼光学系の焦点距離が長い。そのため、周辺画角の画像表示素子からの出射角は小さく、画像表示素子の視野角特性が悪化するという課題は発生しないが、接眼光学系の焦点距離が長く、大型の画像表示素子しか使えないため、画像表示装置の大型化やコスト増加につながる。
【０００７】
本発明は、例えば、大型化させることなく、偏光を利用した広画角な接眼光学系の周辺部の画質低下を低減する点で有利な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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、偏光素子を含み、画像表示素子からの光を観察者の眼球に向かって導く接眼光学系を有する画像表示装置であって、接眼光学系は、画像表示素子の出射角を決めるための第１のレンズを備え、第１のレンズの画像表示素子側の面は、非球面形状であり、第１のレンズの光軸を含む領域において凸形状であり、光軸を含む断面において光学有効領域内に変曲点を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えば、大型化させることなく、偏光を利用した広画角な接眼光学系の周辺部の画質低下を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る画像表示装置の概略図である。
【図２】第１実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。
【図３】ＨＭＤの外観図である。
【図４】第１実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。
【図５】光軸を含む平面でのレンズ１０６の断面図である。
【図６】第１実施形態に係る接眼光学系の逆光線追跡時の歪曲を示す図である。
【図７】ゴースト光を説明する図である。
【図８】第２実施形態に係る画像表示装置の概略図である。
【図９】第２実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。
【図１０】光軸を含む平面でのレンズ２０５の断面図である。
【図１１】第３実施形態に係る画像表示装置の概略図である。
【図１２】第３実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。
【図１３】光軸を含む平面でのレンズ３０４の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において、同一の部材については、同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１の画像表示装置の接眼光学系を参照して第１実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る画像表示装置の概略図である。図中、１０１は画像表示装置としてのＨＭＤ、１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。レンズ１０４、レンズ１０５、レンズ１０６で右眼用接眼光学系を構成し、レンズ１０７、レンズ１０８、レンズ１０９で左眼用接眼光学系を構成している。１１０は右眼用画像表示素子、１１１は左眼用画像表示素子であり、有機ＥＬディスプレイである。
【００１３】
右眼用接眼光学系は右眼用画像表示素子１１０に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼１０２に導き、左眼用接眼光学系は左眼用画像表示素子１１１に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼１０３に導く。本実施形態においては、一例として、右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離Ｆ１は１３ｍｍ、水平表示画角は６３°、垂直表示画角は３３°、対角表示画角７０°であり、ＨＭＤ１０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフ）Ｅ１は１５ｍｍである。
【００１４】
本実施形態の接眼光学系は偏光素子を含み、偏光を利用して光路を折り畳む光学系である。なお、本明細書において、偏光素子は、λ/４波長板、λ/２波長板等の波長板（位相差付与部材）や、反射型の偏光板、透過型の偏光板等の偏光板等を含む、光の偏光方向によって作用が替わる光学素子を指す。また、液晶表示素子のように偏光機能を内蔵したものも含む。
【００１５】
本実施形態の接眼光学系の光路について右眼用接眼光学系で説明する。図２は、第１実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。本実施形態に係る接眼光学系は、少なくとも１枚のレンズを含む。まず、図２に示すように右眼用画像表示素子１１０とレンズ１０６との間に、右眼用画像表示素子１１０側から順に偏光板１１２とλ／４板１１３を配置し、レンズ１０４のレンズ１０５側の面にハーフミラー１１４を蒸着する。ハーフミラー１１４を蒸着する面が半透過反射面として作用している。また、レンズ１０４と観察者の右眼１０２との間に右眼用画像表示素子１１０側から順にλ／４板１１５と反射偏光板のＰＢＳ１１６を形成する。
【００１６】
このとき、λ／４板１１３の遅相軸と、λ／４板１１５の遅相軸とは直交する関係になっている。したがって、偏光板１１２が透過する偏光方向とλ／４板１１３の遅相軸が４５°傾いているとき、偏光板１１２が透過する偏光方向とλ／４板１１５の遅相軸は−４５°傾いている。また、偏光板１１２が透過する偏光方向とＰＢＳ１１６が透過する偏光方向は直交している。なお、ここで遅相軸が４５°傾いている、或いは−４５°傾いている、については、実質的に４５°、或いは−４５°傾いていれば良く、例えば、絶対値が４０°以上５０°以下、より好ましくは４３°以上４７°以下であれば構わない。また、傾きのプラスとマイナスは、プラスを時計回りの方向、マイナスを反時計回りの方向とする。また、後段に出てくる同様の４５°の記載についても、同様の幅を持っていると解釈する。
【００１７】
このような構成の場合に、右眼用画像表示素子１１０から出射した光は偏光板１１２を透過して直線偏光となり、λ／４板１１３を透過して円偏光となる。ハーフミラー１１４を透過してλ／４板１１５を透過して直線偏光になり、この直線偏光の偏光方向がＰＢＳ１１６で透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳ１１６で反射しλ／４板１１５を透過して円偏光となる。ハーフミラー１１４で反射してλ／４板１１５を透過して直線偏光になるが、この直線偏光の偏光方向は先ほどと異なり、ＰＢＳ１１６で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ１１６を透過して観察者の右眼１０２に導かれる。左眼用接眼光学系についても同様の光路である。
【００１８】
本実施形態のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ接眼光学系の焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現できる。
【００１９】
図３は、ＨＭＤ１０１の外観図である。ＨＭＤ１０１は頭部装着型の画像表示装置であるため、軽量であることが望ましい。そのため、接眼光学系を構成するレンズは硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが望ましく、本実施形態のレンズ１０６とレンズ１０９は樹脂レンズとし、非球面レンズとすることで収差補正効果を高めている。
【００２０】
図４は、第１実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。本実施形態の接眼光学系の射出瞳は図４に示すようにアイレリーフ１５ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２５ｍｍの位置とし、射出瞳径は４ｍｍとしている。このようにすることで、上下左右を観察するために眼球が回転した際にも、その方向の光が眼球に入射するようにしている。ＨＭＤは頭部装着型の画像表示装置であり、眼鏡をかけている観察者もかぶれるようにアイレリーフＥ１は１５ｍｍ以上であることが望ましい。また、アイレリーフが長くなると、レンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化するため、アイレリーフＥ１は２５ｍｍ以下であることが望ましい。つまり、１５ｍｍ≦Ｅ≦２５ｍｍを満足することが望ましい。ここで、この実施形態に記載したアイレリーフＥ１と後述するアイレリーフＥ２、アイレリーフＥ３が、前述のアイレリーフＥに対応し、前述の条件式を満足する。
【００２１】
右眼用接眼光学系の厚さＬ１を右眼用接眼光学系のＰＢＳ１１６の観察者の右眼１０２側の面から右眼用画像表示素子１１０の偏光板１１２側の表面までの距離とすると、本実施形態における厚さＬ１は１７ｍｍである。上述の通り、アイレリーフＥ１は、１５ｍｍであるので、厚さＬ１とアイレリーフＥ１の比Ｌ１／Ｅ１は１．１である。この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の薄型化を両立するために０．６以上１．３以下、つまり、０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．３を満足することが望ましい。ここで、この実施形態に記載した厚さＬ１と後述する厚さＬ２、厚さＬ３が、前述の厚さＬに対応し、アイレリーフＥ１と後述するアイレリーフＥ２、アイレリーフＥ３が、前述のアイレリーフＥに対応し、前述の条件式を満足する。
【００２２】
Ｌ／Ｅの値が０．６より小さい場合には、アイレリーフが長くレンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化してしまう。また、１．３より大きい場合には、接眼光学系が厚くなりＨＭＤが大型化するか、アイレリーフが短くなり観察者に圧迫感を与えたり、眼鏡をかけている観察者がかぶれなくなったりしてしまう。Ｌ／Ｅの値は、さらに望ましくは、０．７以上１．０以下、つまり、０．７≦Ｌ／Ｅ≦１．０を満足すると良い。
【００２３】
本実施形態の接眼光学系の光学データを表１に示す。表１のＳＵＲＦは面番号、ｄは間隔、Ｒは曲率半径、ｔｙｐは面形状、Ｎｄは屈折率、ｖｄはアッベ数であり、ｔｙｐのＳＰＨは面形状が球面形状、ＡＳＰ１は面形状が非球面形状であることを意味している。面番号は射出瞳位置を面１としており、虚像位置から画像表示素子面へ結像する逆光線追跡としている。
【表１】
2020095205.tif 000003
【００２４】
面形状ＡＳＰ１は面のサグ量ｚが以下の式に従う回転対称非球面である。
【数１】
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上記式において、ｒは光軸からの距離である。また、ｃは、１／Ｒである。
【００２５】
面番号１２と１３の非球面係数は表２の通りである。
【表２】
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【００２６】
本実施形態の接眼光学系のようにアイレリーフが長く、焦点距離が短く、厚さが薄い場合、周辺画角の画像表示素子からの出射角が大きくなる。画像表示素子からの出射角が大きいと、視野角特性が悪化して正しい色の画像を観察できなくなる。また、接眼光学系の中の偏光板やλ／４板の偏光素子の入射角も大きくなり、偏光特性が悪化して光量低下・光量ムラ・色ムラなどが発生する。そのため、周辺画角の画像表示素子からの出射角は小さい方が望ましく、本実施形態の接眼光学系では最大周辺画角の主光線の画像表示素子からの出射角は４８°である。
【００２７】
本実施形態の接眼光学系のアイレリーフＥ１は１５ｍｍで最大半画角θ１は３５°である。このとき、Ｅ１×ｔａｎθ１＝１０．５ｍｍであり、この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の広画角を両立するために８ｍｍ以上２０ｍｍ以下、つまり、８ｍｍ≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０ｍｍを満足することが望ましい。ここで、この実施形態に記載したアイレリーフＥ１と後述するアイレリーフＥ２、アイレリーフＥ３が、前述のアイレリーフＥに対応し、ｔａｎθ１と後述するｔａｎθ２、ｔａｎθ３が、前述のｔａｎθに対応し、前述の条件式を満足する。
【００２８】
Ｅ×ｔａｎθの値が８ｍｍより小さい場合には、アイレリーフが短くなり観察者に圧迫感を与えたり、眼鏡をかけている観察者がかぶれなくなったりしまうか、接眼光学系の画角が狭く臨場感のある自然な観察ができない。また、この値が２０ｍｍより大きい場合には、アイレリーフが長くレンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化してしまうか、画角が広すぎて周辺画角の画像表示素子からの出射角が大きくなり、視野角特性が悪化する。
【００２９】
Ｅ１×ｔａｎθ１の値は、さらに望ましくは、１２ｍｍ以上１８ｍｍ以下、つまり、１２ｍｍ≦Ｅ×ｔａｎθ≦１８ｍｍを満足することが望ましい。
【００３０】
周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくするために、本実施形態において、レンズ１０６の画像表示素子側の非球面形状は図５示すような形状としている。図５は光軸を含む光軸方向の平面でのレンズ１０６の断面図である。レンズ１０６は、右眼用画像表示素子１１０の出射角を決めるためのレンズである。レンズ１０６は、右眼用接眼光学系に含まれる少なくとも１枚のレンズのうち、右眼用画像表示素子１１０に最も近い位置に配置されている。なお、画像表示素子の表面または、表面近傍にレンズアレイやレンチキュラーレンズ等が配置される場合、レンズアレイやレンチキュラーレンズ等は、画像表示素子に含まれ、接眼光学系には含まれないものとする。以降の実施形態でも同様である。
【００３１】
レンズ１０６の右眼用画像表示素子１１０側の面は、光軸を含む領域において右眼用画像表示素子１１０に向かって凸形状をしているが、光軸から離れるにつれて曲率が緩くなり、有効光線が通る領域である光学有効領域内に変曲点１１７を有している。なお、ここで言う変曲点とは、曲線が上に凸の状態と上に凹の状態とで変わる点をいう。言い換えれば、変曲点は、レンズ１０６光軸を含む光軸方向の断面においてレンズ１０６の右眼用画像表示素子１１０の面を示す曲線を２回微分したときの値が０となる点である。
【００３２】
本実施形態では、レンズ１０６の右眼用画像表示素子１１０側の面において、光軸を含む領域を凸形状にすることで接眼光学系の焦点距離を短くしている。光軸から離れるにつれて曲率を緩くすることで周辺部での画像表示素子からの出射角を小さくすることができる。なお、左眼用接眼光学系において、レンズ１０６に対応するレンズであるレンズ１０９についても同様である。
【００３３】
このような非球面形状とすることで焦点距離が短く広画角な接眼光学系としつつ、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくして、画像表示素子の視野角特性の悪化を抑え、色ズレを低減できる。また、偏光板やλ／４板の入射角を小さくして光量低下・光量ムラ・色ムラなどの画質低下を低減できる。
【００３４】
周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくするために、レンズ１０６の画像表示素子側の面を右眼用画像表示素子１１０に向かって凹形状とした場合、負の光学パワーとなるため、接眼光学系の焦点距離を短くすることが難しい。そのため、同じ大きさの画像表示素子を用いた場合には本実施形態のように広画角にできず、本実施形態と同じ画角にするために、より大きい画像表示素子を用いるとＨＭＤが大型化して重くなってしまう。本実施形態によれば、ＨＭＤを大型化させることなく広画角を実現することができる。
【００３５】
図６は、第１実施形態に係る接眼光学系の逆光線追跡時の歪曲を示す図である。図６では理想的な格子線の交点の実際の結像位置を黒丸で記している。図６から分かるように、光軸近傍の歪曲はほとんどなく、周辺部も歪曲は小さい。レンズ１０６の右眼用画像表示素子１１０側の面を右眼用画像表示素子１１０に向かって凹形状とした場合、接眼光学系の焦点距離が長くなる。本実施形態と同じ大きさの画像表示素子を用いて同じ画角を実現するためには、中心部と周辺部の歪を大きくしないといけないため観察時の違和感が大きい。この場合、画像表示素子に表示する画像に、歪曲をキャンセルするように画像処理を施す方法で、観察時の歪曲を小さくすることはできるが、接眼光学系の歪曲が大きいと、画像処理の補正残差が大きくなったり、画像処理の処理量が多くなったりしてしまう。そのため、本実施形態のような非球面形状にすることで、歪曲を小さくして観察時の違和感を低減できる。
【００３６】
レンズ１０６の画像表示素子側の非球面形状は、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくすることと接眼光学系の焦点距離を短くすることを両立するために変曲点１１７を有している。この変曲点１１７の光軸からの距離Ｈ１は約４ｍｍであり、レンズ１０６の画像表示素子側の面の光学有効領域の最大距離Ｒ１は１２ｍｍである。そのため、光軸から変曲点１１７までの距離は光学有効領域の３３％の位置にある。この距離は光学有効領域の半径の０．２〜０．７倍、つまり、０．２≦Ｈ／Ｒ≦０．７を満足することが望ましい。ここで、この実施形態に記載した距離Ｈ１と後述する距離Ｈ２、距離Ｈ３が、前述の距離Ｈに対応し、最大距離Ｒ１と後述する最大距離Ｒ２、最大距離Ｒ３が、前述のｔａｎθに対応し、前述の条件式を満足する。
【００３７】
Ｈ／Ｒの値が、０．２倍より小さい場合には変曲点が光軸に近く、光軸近傍の光学パワーが小さくなり接眼光学系の焦点距離を短くすることができない。また、０．７倍より大きい場合には変曲点が光学有効領域の周辺部となり、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくする効果が小さくなる。Ｈ／Ｒの値は、さらに望ましくは、０．３〜０．７倍、つまり、０．３≦Ｈ／Ｒ≦０．７を満足すると良い。
【００３８】
また、レンズ１０６の画像表示素子側の非球面形状は、光軸から離れるにつれて単調変化し、光学有効領域の中に光軸上の点以外に極大値や極小値をもたない形状である。そのようにすることで、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくすることと接眼光学系の焦点距離を短くすることを両立している。また、非球面形状の変化を小さくすることで、画像の中心から周辺にかけての光学性能の変化を小さくして、観察しやすい画像にしたり、非球面形状の加工精度を向上させたりすることができる。
【００３９】
本実施形態の接眼光学系の焦点距離Ｆ１は１３ｍｍであり、レンズ１０４の半透過反射面が反射する際の焦点距離ｆ１は２５ｍｍであるため、ｆ１／Ｆ１は１．９である。偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系の場合、光学性能と接眼光学系の薄型化を両立するために半透過反射面の焦点距離Ｆ１と全体の焦点距離ｆ１との比は１．６以上１．９以下、つまり、１．６≦ｆ／Ｆ≦１．９を満足することが望ましい。ここで、この実施形態に記載した焦点距離Ｆ１と後述する焦点距離Ｆ２、焦点距離Ｆ３が、前述の焦点距離Ｆに対応し、焦点距離ｆ１と後述する焦点距離ｆ２、焦点距離ｆ３が、前述の焦点距離ｆに対応し、前述の条件式を満足する。
【００４０】
ｆ／Ｆ値が１．６よりも小さい場合、全体の焦点距離に対して半透過反射面の焦点距離が短く、半透過反射面での収差を他の光学面でキャンセルしにくくなり、光学性能が悪化する。また、レンズと画像表示素子との間のバックフォーカスが短くなり、偏光板やλ／４を配置するのが難しい。また、この値が１．９よりも大きい場合、半透過反射面の焦点距離が長く、接眼光学系が厚くなってしまう。ｆ／Ｆ値の値は、さらに望ましくは、１．６以上１．８以下、つまり、１．６≦ｆ／Ｆ≦１．８を満足するすると良い。
【００４１】
上述した本実施形態に係る接眼光学系の各種数値をまとめると、以下の表３のように表すことができる。
【表３】
2020095205.tif 000006
【００４２】
本実施形態のレンズ１０６とレンズ１０９は軽量化のために樹脂レンズとしているが、樹脂レンズを金型成形で製作した場合には、成形時の残留応力の影響で複屈折が生じる。本実施形態のように偏光を利用した光学系の場合には、レンズ内の複屈折により上記で説明した正規の光路の光利用効率が下がり、波長ごとの光利用効率の差も生じることから、観察画像の光量低下、光量ムラ、色ムラが発生してしまう。また、正規の光路においてＰＢＳ１１６で反射すべき光の中で、複屈折の影響によりＰＢＳ１１６を透過する光の割合が増えてしまい、図７のように表示素子からの光が直接観察者の眼に導かれるゴースト光が発生してしまう。そのため、接眼光学系を構成する樹脂レンズの複屈折は出来るだけ小さくする必要がある。
【００４３】
本実施形態では、レンズ１０４、１０５、１０７、１０８をガラスレンズとすることで、複屈折を小さくしている。ガラスレンズの複屈折は非常に小さいため、高品位な画像観察が可能となる。右眼用接眼光学系のレンズ１０４とレンズ１０５、左眼用接眼光学系のレンズ１０７とレンズ１０８をそれぞれ接合して一体のレンズとしても良い。接合レンズとすることで、レンズを保持する際に保持しやすくなる。
【００４４】
また、不要なゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳと観察者の眼球との間に偏光板を配置しても良い。
【００４５】
本実施形態では、右眼用接眼光学系のレンズ１０４、および、左眼用接眼光学系のレンズ１０７の観察者の眼球側の面は平面としている。これにより、アイレリーフを長くすることと、光学系を薄型化することを両立させることがきる。この面が観察者の眼球に向かって凹形状の場合、周辺部でのアイレリーフを確保するためにレンズが厚くなってしまう。また凸形状の場合には、レンズコバ部の厚さを確保するためにレンズが厚くなってしまう。
【００４６】
なお、本実施形態においてＰＢＳ１１６はレンズ１０４の平面部に形成したが、レンズ１０４の観察者の眼球１０２側の面を曲面にして、その曲面の上に形成しても良い。こうすることで、レンズ１０４の設計自由度が向上し、より光学性能の良い接眼光学系となる。
【００４７】
本実施形態では画像表示素子は有機ＥＬとして無偏光の光が放射される画像表示素子としたが、偏光素子を含む画像表示素子として、例えば液晶ディスプレイを用いても良い。画像表示素子から直線偏光の光が放射されるようにすることで、画像表示素子側の偏光板１１２が必要なくなり薄型化とコスト低減しても良い。以降の実施形態でも同様である。
【００４８】
なお、本実施形態では、主に右眼用接眼光学系を例に説明をしたが、左眼用接眼光学系にも適用可能であることは言うまでもない。以降の実施形態でも同様である。
【００４９】
（第２実施形態）
図８の画像表示装置の接眼光学系を参照して第２実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図８は、第２実施形態に係る画像表示装置の概略図である。図中、２０１はＨＭＤ、２０２は観察者の右眼、２０３は観察者の左眼である。レンズ２０４、レンズ２０５で右眼用接眼光学系を構成し、レンズ２０６、レンズ２０７、で左眼用接眼光学系を構成している。２０８は右眼用画像表示素子、２０９は左眼用画像表示素子であり、有機ＥＬディスプレイである。
【００５０】
右眼用接眼光学系は右眼用画像表示素子２０８に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼２０２に導き、左眼用接眼光学系は左眼用画像表示素子２０９に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼２０３に導く。本実施形態においては、一例として、右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離Ｆ２は１３ｍｍ、水平表示画角は６０°、垂直表示画角は６０°、対角表示画角７８°であり、アイレリーフＥ２は１８ｍｍである。
【００５１】
本実施形態の接眼光学系は偏光素子を含み、偏光を利用して光路を折り畳む光学系である。本実施形態の接眼光学系の光路について右眼用接眼光学系で説明する。図９は、第２実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。本実施形態に係る接眼光学系は、少なくとも１枚のレンズを含む。まず、右眼用画像表示素子２０８とレンズ２０５との間に、右眼用画像表示素子２０８側から順に偏光板２１１とλ／４板２１２を配置し、レンズ２０４のレンズ２０５側の面にハーフミラー２１３を蒸着する。ハーフミラー２１３を蒸着する面が半透過反射面として作用している。また、レンズ２０４と観察者の右眼２０２との間に右眼用画像表示素子２０８側から順にλ／４板２１４と反射偏光板のＰＢＳ２１５を形成する。
【００５２】
このとき、λ／４板２１２の遅相軸と、λ／４板２１４の遅相軸とは直交する関係になっている。したがって、偏光板２１１が透過する偏光方向とλ／４板２１２の遅相軸とが４５°傾いているとき、偏光板２１１が透過する偏光方向とλ／４板２１４の遅相軸とは−４５°傾いている。また、偏光板２１１が透過する偏光方向とＰＢＳ２１５が透過する偏光方向は直交している。
【００５３】
このような構成の場合に、右眼用画像表示素子２０８から出射した光は偏光板２１１を透過して直線偏光となり、λ／４板２１２を透過して円偏光となる。ハーフミラー２１３を透過してλ／４板２１４を透過して直線偏光になり、この直線偏光の偏光方向がＰＢＳ２１５で透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳ２１５で反射しλ／４板２１５を透過して円偏光となる。ハーフミラー２１３で反射してλ／４板２１５を透過して直線偏光になるが、この直線偏光の偏光方向は先ほどと異なり、ＰＢＳ２１５で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ２１５を透過して観察者の右眼２０２に導かれる。左眼用接眼光学系についても同様の光路である。
【００５４】
本実施形態のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ接眼光学系の焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現できる。
【００５５】
ＨＭＤは頭部装着型の画像表示装置であるため、軽量であることが望ましい。そのため、接眼光学系を構成するレンズは硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが望ましく、本実施形態のレンズ２０４、２０５、２０６、２０７は樹脂レンズとし、非球面レンズとすることで収差補正効果を高めている。
【００５６】
本実施形態の接眼光学系の射出瞳は図９に示すようにアイレリーフ１８ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２８ｍｍの位置とし、射出瞳径は６ｍｍとしている。
【００５７】
右眼用接眼光学系の厚さＬ２をレンズ２０４と観察者の右眼２０２の間のＰＢＳ２１５の観察者の右眼２０２側の面から右眼用画像表示素子２０８の偏光板２１１側の表面までの距離とすると、厚さＬ２は１３．５ｍｍである。上述の通り、アイレリーフＥ２は、１８ｍｍであるので、厚さＬ２とアイレリーフＥ２の比、Ｌ２／Ｅ２は０．８である。
【００５８】
本実施形態の接眼光学系の光学データを表３に示す。ｔｙｐのＡＳＰ２は面形状が非球面形状であることを意味している。実施形態１と同様に面番号は射出瞳位置を面１としており、虚像位置から画像表示素子面へ結像する逆光線追跡としている。
【表４】
2020095205.tif 000007
【００５９】
面形状ＡＳＰ２は面のサグ量ｚが以下の式に従う回転対称非球面である。
【数２】
2020095205.tif 000008
上記式において、ｒは光軸からの距離である。また、ｃは、１／Ｒである。
【００６０】
面番号６、１０、１１の非球面係数は表４の通りである。
【表５】
2020095205.tif 000009
【００６１】
本実施形態の接眼光学系は、図８に示すように観察者が正面を観察している状態ではすべての画角を観察することができる。しかし、図９に示すように眼球が回転した場合には光学系のビネッティングにより対角表示画角７８°の光束が射出瞳に導かれる割合は１０％としている。このとき、表示画角６０°の光束が射出瞳に導かれる割合は１００％、７０°の光束が射出瞳に導かれる割合は６０％となる。
【００６２】
このように光学系のビネッティングを大きくすることで、周辺部の画角の光量は低下するが、それ以外の画角の光学性能を向上することができ、光学系を薄型化できる。本実施形態のように広画角の接眼光学系の場合には、周辺部を観察する際に眼球を回転させるのではなく顔の向きを変えて観察するため、周辺部の光量が低下することは気になりにくい。
【００６３】
本実施形態の接眼光学系のようにアイレリーフが長く、焦点距離が短く、厚さが薄い場合、周辺画角の画像表示素子からの出射角が大きくなる。画像表示素子からの出射角が大きいと、視野角特性が悪化して正しい色の画像を観察できなくなる。また、接眼光学系の中の偏光板やλ／４板の偏光素子の入射角も大きくなり、偏光特性が悪化して光量低下・光量ムラ・色ムラなどが発生する。そのため、周辺画角の画像表示素子からの出射角は小さい方が望ましく、本実施形態の接眼光学系では最大周辺画角の主光線の画像表示素子からの出射角は６０°である。
【００６４】
本実施形態の接眼光学系のアイレリーフＥ２は１８ｍｍで最大半画角θ２は３９°である。このとき、Ｅ２×ｔａｎθ２＝１４．６ｍｍである。
【００６５】
周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくするために、本実施形態において、レンズ２０５の画像表示素子側の非球面形状は図１０のような形状としている。図１０は、光軸を含む光軸方向の平面でのレンズ２０５の断面図である。レンズ２０５は、右眼用画像表示素子２０８の出射角を決めるためのレンズである。レンズ１０６は、右眼用接眼光学系に含まれる少なくとも１枚のレンズのうち、右眼用画像表示素子２０８に最も近い位置に配置されている。
【００６６】
レンズ２０５の右眼用画像表示素子２０８側の面は、光軸を含む領域において右眼用画像表示素子２０８に向かって凸形状をしているが、光軸から離れるにつれて曲率が緩くなり、光学有効領域内に変曲点２１０を有している。本実施形態では、光軸を含む領域を凸形状にすることで接眼光学系の焦点距離を短くしている。光軸から離れるにつれて曲率を緩くすることで周辺部での画像表示素子からの出射角を小さくすることができる。なお、左眼用接眼光学系において、レンズ２０５に対応するレンズであるレンズ２０７についても同様である。
【００６７】
このような非球面形状とすることで焦点距離が短く広画角な接眼光学系としつつ、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくして、画像表示素子の視野角特性の悪化を抑え、色ズレを低減できる。また、偏光板やλ／４板の入射角を小さくして光量低下・光量ムラ・色ムラなどの画質低下を低減できる。
【００６８】
レンズ２０５の画像表示素子側の非球面形状は、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくすることと接眼光学系の焦点距離を短くすることを両立するために変曲点２１０を有している。この変曲点２１０の光軸からの距離Ｈ２は約５．５ｍｍであり、レンズ２０５の画像表示素子側の面の光学有効領域の最大距離Ｒ２は１４ｍｍである。そのため、光軸から変曲点２１０までの距離は光学有効領域の３９％の位置にある。
【００６９】
また、レンズ２０５の画像表示素子側の非球面形状は、光軸から離れるにつれて単調変化し、光学有効領域の中に光軸上の点以外に極大値や極小値をもたない形状である。そのようにすることで、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくすることと接眼光学系の焦点距離を短くすることを両立している。また、非球面形状の変化を小さくすることで、画像の中心から周辺にかけての光学性能の変化を小さくして、観察しやすい画像にしたり、非球面形状の加工精度を向上させたりすることができる。
【００７０】
本実施形態の接眼光学系の焦点距離Ｆ２は１３ｍｍであり、レンズ２０４の半透過反射面が反射する際の焦点距離ｆ２は２２ｍｍであるため、ｆ２／Ｆ２は１．７である。
【００７１】
上述した本実施形態に係る接眼光学系の各種数値をまとめると、以下の表６のように表すことができる。
【表６】
2020095205.tif 000010
【００７２】
本実施形態のレンズは軽量化のためにすべて樹脂レンズとしているが、樹脂レンズを金型成形で製作した場合には、成形時の残留応力の影響で複屈折が生じる。本実施形態のように偏光を利用した光学系の場合には、レンズ内の複屈折により上記で説明した正規の光路の光利用効率が下がり、波長ごとの光利用効率の差も生じることから、観察画像の光量低下、光量ムラ、色ムラが発生してしまう。また、正規の光路においてＰＢＳで反射すべき光の中で、複屈折の影響によりＰＢＳを透過する光の割合が増えてしまい、表示素子からの光が直接観察者の眼に導かれるゴースト光が発生してしまう。そのため、接眼光学系を構成する樹脂レンズの複屈折は出来るだけ小さくする必要がある。
【００７３】
本実施形態の右眼用接眼光学系のレンズ２０４と左眼用接眼光学系のレンズ２０６の材料の光軸上の複屈折量は約１ｎｍ／ｍｍで、右眼用接眼光学系のレンズ２０５と左眼用接眼光学系のレンズ２０７の材料の光軸上の複屈折量は約６ｎｍ／ｍｍである。
【００７４】
レンズ２０４、レンズ２０６では光路が折り畳まれてレンズ内を３回通過するため、複屈折の影響が３倍になる。そのため、レンズ２０４、レンズ２０６の材料の光軸上の単位長さ当たりの複屈折量はレンズ２０５、レンズ２０７の材料の光軸上の単位長さ当たりの複屈折量よりも小さいことが望ましい。更に望ましくは、レンズ２０４、レンズ２０６の光軸上での複屈折量は、レンズ２０５、レンズ２０７の光軸上での複屈折量よりも小さいことが望ましい。レンズ２０４、レンズ２０６の方がレンズ２０５、２０７よりも厚いレンズのため、複屈折の影響が大きい。レンズが厚くても複屈折量が小さければ、接眼光学系全体の複屈折を小さくすることができる。
【００７５】
上記表３から分かる通り、レンズ２０４、レンズ２０６の屈折率は１．５４４で、レンズ２０５、レンズ２０７の屈折率は１．６３５である。レンズ２０４、レンズ２０６の半透過反射面での反射で発生する像面湾曲をレンズ２０５、レンズ２０７でキャンセルするために、レンズ２０５、レンズ２０７の屈折率をレンズ２０４、２０６の屈折率よりも大きくすることが望ましい。このようにすることで、像面湾曲が小さい画像を観察することができる。
【００７６】
本実施形態において、右眼用接眼光学系のレンズ２０４とレンズ２０５、左眼用接眼光学系のレンズ２０６とレンズ２０７は接合して一体となった接合レンズである。接合レンズとすることでレンズを保持する際に保持しやすくなる。
【００７７】
また、不要なゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳと観察者の眼球との間に偏光板を配置しても良い。
【００７８】
本実施形態では、レンズ２０４およびレンズ２０６の観察者の眼球側の面は平面としている。これにより、アイレリーフを長くすることと、光学系を薄型化することを両立させることがきる。
【００７９】
また、ＰＢＳ２１５はレンズ２０４の平面部に形成したが、レンズ２０４の観察者の右眼２０２側の面を曲面にして、その曲面の上に形成しても良い。こうすることで、レンズ２０４の設計自由度が向上し、より光学性能の良い接眼光学系となる。
【００８０】
（第３実施形態）
図１１の画像表示装置の接眼光学系を参照して第３実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図１１は、第３実施形態に係る画像表示装置の概略図である。図中、３０１はＨＭＤ、３０２は観察者の右眼、３０３は観察者の左眼である。レンズ３０４、レンズ３０５で右眼用接眼光学系を構成し、レンズ３０６、レンズ３０７で左眼用接眼光学系を構成している。３０８は右眼用画像表示素子、３０９は左眼用画像表示素子であり、有機ＥＬディスプレイである。
【００８１】
右眼用接眼光学系は右眼用画像表示素子３０８に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼３０２に導き、左眼用接眼光学系は左眼用画像表示素子３０９に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼３０３に導く。本実施形態においては、一例として、右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離Ｆ３は１６ｍｍ、水平表示画角は６５°、垂直表示画角は６５°、対角表示画角８４°であり、アイレリーフＥ３は２０ｍｍである。
【００８２】
本実施形態の接眼光学系は偏光素子を含み、偏光を利用して光路を折り畳む光学系である。本実施形態の接眼光学系の光路について右眼用接眼光学系で説明する。図１２は、第３実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。本実施形態に係る接眼光学系は、少なくとも１枚のレンズを含む。まず、右眼用画像表示素子３０８とレンズ３０５との間に、右眼用画像表示素子３０８側から順に偏光板３１１とλ／４板３１２を配置し、レンズ３０４のレンズ３０５側の面にハーフミラー３１３を蒸着する。ハーフミラー３１３を蒸着する面が半透過反射面として作用している。また、レンズ３０４と観察者の右眼３０２との間に右眼用画像表示素子３０８側から順にλ／４板３１４と反射偏光板のＰＢＳ３１５を形成する。
【００８３】
このとき、λ／４板３１２の遅相軸と、λ／４板３１４の遅相軸とは直交する関係になっている。したがって、偏光板３１１が透過する偏光方向とλ／４板３１２の遅相軸とが４５°傾いているとき、偏光板３１１が透過する偏光方向と遅相軸３１４とは−４５°傾いている。また、偏光板３１１が透過する偏光方向とＰＢＳ３１５が透過する偏光方向は直交している。
【００８４】
このような構成の場合に、右眼用画像表示素子３０８から出射した光は偏光板３１１を透過して直線偏光となり、λ／４板３１２を透過して円偏光となる。ハーフミラー３１３を透過してλ／４板３１４を透過して直線偏光になり、この直線偏光の偏光方向がＰＢＳ３１５で透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳ３１５で反射しλ／４板３１４を透過して円偏光となる。ハーフミラーで３１３反射してλ／４板３１４を透過して直線偏光になるが、この直線偏光の偏光方向は先ほどと異なり、ＰＢＳ３１５で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ３１５を透過して観察者の右眼３０２に導かれる。左眼用接眼光学系についても同様の光路である。
【００８５】
本実施形態のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ接眼光学系の焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現できる。
【００８６】
ＨＭＤは頭部装着型の画像表示装置であるため、軽量であることが望ましい。そのため、接眼光学系を構成するレンズは硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが望ましく、本実施形態のレンズ３０４、３０５、３０６、３０７は樹脂レンズとし、非球面レンズとすることで収差補正効果を高めている。
【００８７】
本実施形態の接眼光学系の射出瞳は図１２に示すようにアイレリーフ２０ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた３０ｍｍの位置とし、射出瞳径は６ｍｍとしている。
【００８８】
右眼用接眼光学系の厚さＬ３をレンズ３０４と観察者の右眼３０２との間のＰＢＳ３１５の観察者の右眼３０２側の面から右眼用画像表示素子３０８の偏光板３１１側の表面までの距離とすると、厚さＬ３は１７ｍｍである。上述の通り、アイレリーフＥ３は、２０ｍｍであるので、厚さＬ３とアイレリーフＥ３の比、Ｌ３／Ｅ３は０．９である。
【００８９】
本実施形態の接眼光学系の光学データを表５に示す。実施形態１と同様に面番号は射出瞳位置を面１としており、虚像位置から画像表示素子面へ結像する逆光線追跡としている。
【表７】
2020095205.tif 000011
【００９０】
面番号６、１０、１１、１２の非球面係数は表６の通りである。
【表８】
2020095205.tif 000012
【００９１】
本実施形態の接眼光学系は、図１１に示すように観察者が正面を観察している状態ではすべての画角を観察することができる。しかし、図１２に示すように眼球が回転した場合には光学系のビネッティングにより対角表示画角８４°の光束が射出瞳に導かれる割合は２０％としている。このとき、表示画角６５°の光束が射出瞳に導かれる割合は１００％、７５°の光束が射出瞳に導かれる割合は７０％となる。
【００９２】
このように光学系のビネッティングを大きくすることで、周辺部の画角の光量は低下するが、それ以外の画角の光学性能を向上することができ、光学系を薄型化できる。本実施形態のように広画角の接眼光学系の場合には、周辺部を観察する際に眼球を回転させるのではなく顔の向きを変えて観察するため、周辺部の光量が低下することは気になりにくい。
【００９３】
本実施形態の接眼光学系のようにアイレリーフが長く、焦点距離が短く、厚さが薄い場合、周辺画角の画像表示素子からの出射角が大きくなる。画像表示素子からの出射角が大きいと、視野角特性が悪化して正しい色の画像を観察できなくなる。また、接眼光学系の中の偏光板やλ／４板の偏光素子の入射角も大きくなり、偏光特性が悪化して光量低下・光量ムラ・色ムラなどが発生する。そのため、周辺画角の画像表示素子からの出射角は小さい方が望ましく、本実施形態の接眼光学系では最大周辺画角の主光線の画像表示素子からの出射角は６０°である。
【００９４】
本実施形態の接眼光学系のアイレリーフＥ３は２０ｍｍで最大半画角θ３は４２°である。このとき、Ｅ３×ｔａｎθ３＝１８ｍｍである。
【００９５】
周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくするために、本実施形態において、レンズ３０５の画像表示素子側の非球面形状は図１３のような形状としている。図１３は、光軸を含む光軸方向の平面でのレンズ３０５の断面図である。レンズ３０５は、右眼用画像表示素子１１０の出射角を決めるためのレンズである。レンズ１０６は、右眼用接眼光学系に含まれる少なくとも１枚のレンズのうち、右眼用画像表示素子３０８に最も近い位置に配置されている。
【００９６】
レンズ３０５の右眼用画像表示素子３０８側の面は、光軸を含む領域において右眼用画像表示素子３０８に向かって凸形状をしているが、光軸から離れるにつれて曲率が緩くなり、光学有効領域内に変曲点３１０を有している。光軸を含む領域を凸形状にすることで接眼光学系の焦点距離を短くしている。光軸から離れるにつれて曲率を緩くすることで周辺部での画像表示素子からの出射角を小さくすることができる。なお、左眼用接眼光学系において、レンズ３０５に対応するレンズであるレンズ３０７についても同様である。
【００９７】
このような非球面形状とすることで焦点距離が短く広画角な接眼光学系としつつ、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくして、画像表示素子の視野角特性の悪化を抑え、色ズレを低減できる。また、偏光板やλ／４板の入射角を小さくして光量低下・光量ムラ・色ムラなどの画質低下を低減できる。
【００９８】
レンズ３０５の画像表示素子側の非球面形状は、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくすることと接眼光学系の焦点距離を短くすることを両立するために変曲点３１０を有している。この変曲点３１０の光軸からの距離Ｈ３は約１１ｍｍであり、レンズ３０５の画像表示素子側の面の光学有効領域の最大距離Ｒ３は１７ｍｍである。そのため、光軸から変曲点３１０までの距離は光学有効領域の６５％の位置にある。
【００９９】
また、レンズ３０５の画像表示素子側の非球面形状は、光軸から離れるにつれて単調変化し、光学有効領域の中に光軸上の点以外に極大値や極小値をもたない形状である。そのようにすることで、周辺画角の画像表示素子からの出射角を小さくすることと接眼光学系の焦点距離を短くすることを両立している。また、非球面形状の変化を小さくすることで、画像の中心から周辺にかけての光学性能の変化を小さくして、観察しやすい画像にしたり、非球面形状の加工精度を向上させたりすることができる。
【０１００】
本実施形態の接眼光学系の焦点距離Ｆ３は１６ｍｍであり、レンズ３０４の半透過反射面が反射する際の焦点距離ｆ３は２８ｍｍであるため、ｆ３／Ｆ３は１．７である。
【０１０１】
上述した本実施形態に係る接眼光学系の各種数値をまとめると、以下の表６のように表すことができる。
【表９】
2020095205.tif 000013
【０１０２】
本実施形態のレンズは軽量化のためにすべて樹脂レンズとしているが、樹脂レンズを金型成形で製作した場合には、成形時の残留応力の影響で複屈折が生じる。本実施形態のように偏光を利用した光学系の場合には、レンズ内の複屈折により上記で説明した正規の光路の光利用効率が下がり、波長ごとの光利用効率の差も生じることから、観察画像の光量低下、光量ムラ、色ムラが発生していまう。また、正規の光路においてＰＢＳで反射すべき光の中で、複屈折の影響によりＰＢＳを透過する光の割合が増えてしまい、表示素子からの光が直接観察者の眼に導かれるゴースト光が発生してしまう。そのため、接眼光学系を構成する樹脂レンズの複屈折は出来るだけ小さくする必要がある。
【０１０３】
本実施形態の右眼用接眼光学系のレンズ３０４と左眼用接眼光学系のレンズ３０６は光路が折り畳まれてレンズ内を３回通過するため、複屈折の影響が３倍になる。そのため、レンズ３０４、レンズ３０６の材料の光軸上の単位長さ当たりの複屈折量はレンズ３０５、レンズ３０７の材料の光軸上の単位長さ当たりの複屈折量よりも小さいことが望ましい。更に望ましくは、レンズ３０４、レンズ３０６の光軸上での複屈折量は、レンズ３０５、レンズ３０７の光軸上での複屈折量よりも小さいことが望ましい。レンズ３０４、レンズ３０６の方がレンズ３０５、レンズ３０７よりも厚いレンズのため、複屈折の影響が大きい。レンズが厚くても複屈折量が小さければ、接眼光学系全体の複屈折を小さくすることができる。
【０１０４】
上記表５から分かる通り、レンズ３０４、レンズ３０６の屈折率は１．４８７で、レンズ３０５、３０７の屈折率は１．５１６である。レンズ３０４、レンズ３０６の半透過反射面での反射で発生する像面湾曲をレンズ３０５、レンズ３０７でキャンセルするために、レンズ３０５、レンズ３０７の屈折率をレンズ３０４、３０６の屈折率よりも大きくすることが望ましい。このようにすることで、像面湾曲が小さい画像を観察することができる。
【０１０５】
また、不要なゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳと観察者の眼球との間に偏光板を配置しても良い。
【０１０６】
本実施形態では、レンズ３０４、レンズ３０６の観察者の眼球側の面は平面としている。これにより、アイレリーフを長くすることと、光学系を薄型化することを両立させることがきる。
【０１０７】
また、ＰＢＳ３１５はレンズ３０４の平面部に形成したが、レンズ３０４の観察者の眼球３０２側の面を曲面にして、その曲面の上に形成しても良い。こうすることで、レンズ３０４の設計自由度が向上し、より光学性能の良い接眼光学系となる。
【０１０８】
また、本実施形態では画像表示素子側の偏光板３１１とλ／４板３１２をレンズ３０５と右眼用画像表示素子３０８との間に配置することで、偏光板３１１とλ／４板３１２を小さくしてコスト低減している。この偏光板３１１とλ／４板３１２はレンズ３０４とレンズ３０５との間に配置しても良く、その場合、レンズ３０５の複屈折の影響を受けない構成として観察画像の光量低下、光量ムラ、色ムラやゴースト光を低減することができる。
【０１０９】
（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０１、２０１、３０１・・・ＨＭＤ
１０２、２０２、３０２・・・観察者の右眼
１０３、２０３、３０３・・・観察者の左眼
１０４、１０５、１０６、２０４、２０５、３０４、３０５・・・右眼用接眼光学系を構成するレンズ
１０７、１０８、１０９、２０６、２０７、３０６、３０７・・・左眼用接眼光学系を構成するレンズ
１１０、２０８、３０８・・・右眼用画像表示素子
１１１、２０９、３０９・・・左眼用画像表示素子
１１７、２１０、３１０・・・変曲点
【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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【図１３】
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