(57)【要約】【課題】ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の技術に関して、収束光学系の球面収差を低減または解消して、高い表示性能等を実現できる技術を提供する。【解決手段】ＨＭＤ１０は、利用者の目３の位置から前方の位置に配置され、画像を表示する表示面４を含む表示素子１と、目３の位置と表示素子１との間の位置に配置され、収束光学系を構成する凸レンズ２と、それらを保持する筐体９とを備える。表示面４は、凸レンズ２側に凸型の曲面形状（凸型曲面）を有し、その曲面形状（凸型曲面）は、凸レンズ２の球面収差を補正する光学特性を持つ。【選択図】図１
2019144329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利用者の目の位置から前方の位置に配置され、画像を表示する表示面を含む表示素子と、
前記目の位置と前記表示素子との間の位置に配置され、収束光学系を構成する凸レンズと、
前記表示素子および前記凸レンズを保持する筐体と、
を備え、
前記表示面は、前記凸レンズ側に凸型の曲面形状を有し、
前記曲面形状は、前記凸レンズの球面収差を補正する光学特性を持つ、
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記曲面形状は、前記表示面を構成する２つの方向のうちの第１方向での曲面を含み、
前記光学特性は、前記凸レンズの前記球面収差のうちの前記第１方向での球面収差の成分を補正する、
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記曲面形状は、前記表示面を構成する２つの方向のうちの第１方向での曲面と第２方向での曲面とを含み、
前記光学特性は、前記凸レンズの前記球面収差のうちの前記第１方向での球面収差の成分と前記第２方向での球面収差の成分とを補正する、
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
請求項２記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記表示素子と前記凸レンズとの間の位置に、前記２つの方向のうちの第２方向での曲面を含む曲面形状を有する補正用レンズが配置され、
前記補正用レンズの前記曲面形状は、前記凸レンズの前記球面収差のうちの前記第２方向での球面収差の成分を補正する光学特性を持つ、
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記表示素子は、液晶表示素子または有機ＥＬ表示素子である、
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項６】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記筐体は、前記表示素子の前記曲面形状に合わせた凸型の曲面形状を持つ表示素子保持部を有する、
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項７】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記表示素子と前記凸レンズとの組み合わせでの光線群の収束点の径は、前記凸レンズ単体での球面収差を含む光線群の収束点の径よりも小さい、
ヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ（Head mounted display：頭部装着型表示装置，ＨＭＤと記載する場合がある）の技術に関し、ＨＭＤを構成する表示素子や光学系の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、Virtual Reality（ＶＲ），Artificial Reality，Augmented Reality（ＡＲ），Mixed Reality（ＭＲ）等の展開が進んでいる。これらの目的に対応して、ＨＭＤの開発や普及も進んでいる。これらの目的に適合するＨＭＤは、利用者の頭部および眼前に装着され、３次元的に体感できる静止画や動画等の画像を提供する。この種のＨＭＤは、利用者が頭部を含め自由に動けることや装着感が良好なことが望ましい。そのため、この種のＨＭＤは、軽量や小型であることが望ましい。また、ＨＭＤを広く普及させるためには、低価格であることや低コストで製造できることが望ましい。また、ＨＭＤは、表示性能や画像品質として、なるべく広視野角や高精細であることも求められている。
【０００３】
ＨＭＤは、例えば、ＶＲを可能とする非透過型ＨＭＤの場合、表示面を構成する表示素子（例えば液晶ディスプレイパネル）と、収束光学系を構成する凸レンズ等と、それらを保持する筐体とを含んで構成される。以下では、非透過型ＨＭＤを対象とする。従来のＨＭＤは、上記軽量、小型、および広視野角等を実現するためには、表示素子と利用者の目との間に、収束光学系として凸レンズを備えることが普通である。この凸レンズは、表示素子の表示面からの光を入射して目（対応する焦点位置）に対し収束させるように出射する。凸レンズからの光が目に入射して網膜に結像することにより、利用者に画像として視認される。
【０００４】
上記ＨＭＤに係わる先行技術例として、特開平７−７２４２０号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１では、画像表示装置として、接眼レンズで画像を拡大しても、視野の全領域にわたり鮮明な像を得ることができる旨や以下の旨が記載されている。液晶表示パネルに表示された画像を接眼レンズ（収束光学系の凸レンズに相当する）によって拡大し、その虚像を観察する画像表示装置において、接眼レンズが有する像面湾曲に応じて液晶表示パネルを湾曲させている。湾曲した画像を接眼レンズで拡大虚像として観察すると、接眼レンズによる像面湾曲が相殺される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−７２４２０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、従来のＨＭＤでは、重量や価格等の観点から、収束光学系の凸レンズとしては、合わせレンズ等を用いることは難しく、単一の球面レンズ等を用いることが普通である。合わせレンズは、複数の単レンズの組み合わせおよび貼り合わせで構成されるレンズ構造物である。合わせレンズを用いる場合、目から表示面を見る方向におけるレンズ部の厚さを含む収束光学系の距離が比較的大きくなり、比較的重くなる。そのため、ＨＭＤの軽量や小型の観点では不利である。単一の球面レンズを用いる場合、収束光学系の距離が比較的小さくなり、比較的軽くなる。そのため、ＨＭＤの軽量や小型の観点では有利である。また、従来、安価な球面レンズが製造および提供されているため、ＨＭＤの低価格の観点でも有利である。
【０００７】
しかし、収束光学系の凸レンズとして従来の安価な単一の球面レンズを用いる従来のＨＭＤの場合、様々な光学収差が発生していた。公知の光学収差としては、ザイデル収差、単色収差に分類されるものとして、球面収差（spherical aberration）、コマ収差、非点収差、像面湾曲（field curvature）、歪曲収差が挙げられる。上記ＨＭＤで課題となる光学収差の１つとして、特に球面収差がある。球面収差は、光学系において点光源から光線が光学系を通った後に、１つの焦点に収束せずに、前後の複数の点に収束するばらつきが生じる収差である。
【０００８】
上記従来のＨＭＤで、表示素子の表示面内の各画素の各位置からの光線は、収束光学系の単一の球面レンズでの球面収差によって、目の標準位置に対応する焦点位置に対し前後にばらついた各点に収束する。球面レンズ面内の各光線の入射位置に応じて、出射された各光線の収束点が異なり、前後にばらつく。特に、球面レンズ面の外周付近位置からの光線は過収束となる。表示面からの光線群は、１つの理想的な焦点位置には収束せず、その焦点位置では光束の径を持つ。目に対応付けられた結像面内の各結像位置で光束の径を持つ。よって、利用者の目には、表示面の画像全体にボケが生じた不鮮明な画像として視認される。なお、レンズの理想的な焦点位置（すなわち光束の径が最小になる位置）を、ジャストフォーカス位置と記載する場合がある。利用者の目の位置がジャストフォーカス位置にある場合でも、上記レンズの球面収差によって、画像にボケが生じる。
【０００９】
上記のように、従来のＨＭＤでは、収束光学系の球面収差による影響が大きく、軽量、小型、安価、および高い表示性能や画像品質等を実現するためには、改善余地がある。
【００１０】
本発明の目的は、上記ＨＭＤの技術に関して、収束光学系の球面収差を低減または解消して、高い表示性能や画像品質等を実現できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のうち代表的な実施の形態は、ヘッドマウントディスプレイであって、以下に示す構成を有することを特徴とする。一実施の形態のヘッドマウントディスプレイは、利用者の目の位置から前方の位置に配置され、画像を表示する表示面を含む表示素子と、前記目の位置と前記表示素子との間の位置に配置され、収束光学系を構成する凸レンズと、前記表示素子および前記凸レンズを保持する筐体と、を備え、前記表示面は、前記凸レンズ側に凸型の曲面形状を有し、前記曲面形状は、前記凸レンズの球面収差を補正する光学特性を持つ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、上記ＨＭＤの技術に関して、収束光学系の球面収差を低減または解消して、高い表示性能等を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の構成を示す、両目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。
【図２】実施の形態１のＨＭＤの構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での概略断面図である。
【図３】実施の形態１のＨＭＤの収束光学系の構成を示す、目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での光線図である。
【図４】実施の形態１のＨＭＤの表示素子のより詳しい構成を示す、横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２のＨＭＤの構成を示す、両目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。
【図６】実施の形態２のＨＭＤの構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での概略断面図である。
【図７】実施の形態２のＨＭＤの収束光学系の構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での光線図である。
【図８】比較例のＨＭＤの構成を示す、両目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。
【図９】比較例のＨＭＤの収束光学系の構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での光線図である。
【図１０】比較例のＨＭＤの収束光学系における、像面湾曲収差と球面収差とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、全図面において同一部には原則として同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、図面では、説明をより明確にするため、各部の寸法や形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって本発明の解釈を限定するものではない。また、図面では、わかりやすくするため、断面ハッチングを一部省略する場合がある。なお、説明上、方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を用いる。Ｚ方向は、目と表示面との間を結ぶ前後方向に対応し、表示素子やレンズ等の厚さ方向にも対応する。Ｚ方向で、目から表示面を見る方向をＺ１とし、表示面からの光が目に入射する方向をＺ２とする。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に対して垂直な面である表示面等を構成する、直交または交差する２つの方向である。Ｘ方向は、画面内水平方向、横方向に対応する。Ｘ方向で右目側をＸ１とし、左目側をＸ２とする。Ｙ方向は、画面内垂直方向、縦方向に対応する。Ｙ方向で上方をＹ１とし、下方をＹ２とする。ＨＭＤの利用時、典型的には、Ｘ方向およびＺ方向が水平方向に対応し、Ｙ方向が鉛直方向に対応するが、頭部やＨＭＤの向きが変動するので、これに限るものではない。また、説明上、平面視とは、Ｚ方向で表示面等のＸ−Ｙ面をみる場合を指す。
【００１５】
［課題等］
本発明の前提技術や課題等について、本発明の実施の形態に対する比較例を用いながら以下に補足説明する。
【００１６】
［比較例（１）］
図８は、比較例のＨＭＤの構成を示す、両目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。図８で、利用者の両方の目９３として左目および右目がＸ方向に配置されている。Ｘ方向の中心を位置ｘ１として、右目が位置ｘ２に、左目が位置ｘ３に配置されている。位置ｘ１の基準線、位置ｘ２で右目に入射する光軸、および位置ｘ３で左目に入射する光軸を、それぞれ一点鎖線で示す。
【００１７】
比較例のＨＭＤは、非透過型ＨＭＤであり、表示素子９１と、凸レンズ９２と、それらを保持するゴーグル型の筐体９０とを有する。表示素子９１および凸レンズ９２は、Ｚ方向で目９３の標準位置Ｅ１に対して前方（方向Ｚ１）の所定の位置に配置されている。Ｚ方向の位置として、表示素子９１の位置ｚ１と、凸レンズ９２の位置ｚ２と、目９３の標準位置Ｅ１に対応する位置ｚ３とを示す。目９３の標準位置Ｅ１から前方（方向Ｚ１）に比較的近い所定の距離の位置ｚ２に、凸レンズ９２が配置されている。凸レンズ９２から前方に所定の距離の位置ｚ１に、表示素子９１が配置されている。ＨＭＤは、中央の位置ｘ１に対し左右対称の構成を有する。
【００１８】
表示素子９１は、平面型の液晶ディスプレイパネルであり、目９３に向く側（方向Ｚ２）に表示面９４を持つ。表示面９４に対応するＸ−Ｙ面では、画素が行列状に構成されている。表示素子９１の表示面９４から方向Ｚ２へ画像光９５が出射される。このＨＭＤの収束光学系において、表示面９４からの画像光９５は、方向Ｚ２で凸レンズ９２を透過して収束されて、目９３（対応する焦点位置Ｆ１）に入射する。焦点位置Ｆ１は、凸レンズ９２を含む収束光学系の理想的な焦点位置である。図８では、表示面９４の位置ｘ１を境に左右の領域からそれぞれ画像光９５が出射されて、左右のそれぞれの凸レンズ９２および目９３に入射する様子を模式的に図示している。
【００１９】
比較例のＨＭＤは、収束光学系を構成する凸レンズ９２として、単一の球面レンズを用いている。凸レンズ９２として、両方の目９３に対応した２つの同様の凸レンズ９２を有する。このＨＭＤは、軽量、小型、および安価等を目的とした構成を有する。すなわち、凸レンズ９２として、従来一般的である安価な単一の球面レンズを用いており、合わせレンズ等は用いていない。この凸レンズ９２である球面レンズは、球面収差を発生させる光学特性を有する。
【００２０】
なお、図８では、利用者の目９３の位置ｘ３として標準位置Ｅ１に対応させて、収束光学系の焦点位置Ｆ１が合わせられている状態を模式的に図示している。標準位置Ｅ１および焦点位置Ｆ１に合わせて、表示素子９１、凸レンズ９２、筐体９０の寸法や形状が設計されている。
【００２１】
［比較例（２）］
図９は、図８の比較例のＨＭＤに関する収束光学系の構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での光線図である。図９では、収束光学系を構成する凸レンズ９２と、その前方（方向Ｚ１）にある表示素子９１（表示面９４を含む）と、後方（方向Ｚ２）にある目９３とを示す。図９では、凸レンズ９２による球面収差の概要として、特にＹ方向の断面での球面収差を示している。なお、Ｘ方向の断面での球面収差も同様に存在する。すなわち、凸レンズ９２のＸ−Ｙ面内で球面収差が存在する。
【００２２】
ＨＭＤの収束光学系の凸レンズ９２として、安価な球面レンズ等を用いる場合、図９のような球面収差を含む各種の収差が発生する。表示素子９１および凸レンズ９２のＸ−Ｙ面内の各位置の光線毎に球面収差が生じる。凸レンズ９２の球面収差によって、各光線の収束点がＺ方向の前後にばらつき、それらの光線群による光束径が生じる。これにより、表示面９４の画像全体でボケが生じ、利用者の目９３には不鮮明な像として視認される。
【００２３】
なお、ＨＭＤの収束光学系として、複数の単レンズの組み合わせで構成された合わせレンズを用いて、収差補正機能を実現する構成の場合では、Ｚ方向の合わせレンズによる収束光学系の距離が大きくなってしまう。この場合でも、ＨＭＤの小型、軽量、安価等の観点からは、あまり望ましくない。
【００２４】
また、ＨＭＤの収束光学系として、高精度の凸レンズ、例えば非球面レンズを用いる構成の場合には、収差を少なくできるが、高価になってしまう。収差が少ない高精度の凸レンズ、例えば非球面レンズは、一般に製造の難度が高く、高価である。そのような非球面レンズは、形状が複雑であるため、研磨やモールド等の加工方法で作製する際の難度が高いことが知られている。なお、非球面レンズは、平面でも球面でもない曲面を屈折面として持つレンズであり、一般に球面レンズよりは収差を改善できる特性を有する。
【００２５】
そこで、軽量や安価等を優先する場合には、ＨＭＤの収束光学系の凸レンズ９２として、合わせレンズや非球面レンズではなく、安価な単一の球面レンズを用いる構成とする。しかし、この構成の場合、凸レンズ９２である球面レンズでは、球面収差を含む各種の収差が生じるので、表示性能や画像品質の観点で課題がある。
【００２６】
収差のうち、特に、球面収差については、レンズ面内の中央位置に対し外周付近位置では、相対的により大きな収束である過収束となる。これにより、目９３の標準位置Ｅ１に対応付けられた焦点位置Ｆ１では、レンズ面内の各位置の光線の収束点がＺ方向の前後の各位置にばらつき、１つの収束点には収束しない。言い換えると、各位置の光線毎に、収束点、焦点距離に違いが生じる。そのため、その収束点のばらつきから、凸レンズ９２全体での収束点として、焦点位置Ｆ１での光束径が、ある程度の大きさの径として生じ、最小にはならない。利用者の目９３の位置が標準位置Ｅ１として焦点位置Ｆ１（ジャストフォーカス位置）に合わせられている状態でも、上記球面収差による径が生じる。利用者の目９３から表示面９４全体の画像を見た場合に、画像のボケとして視認される。
【００２７】
図９で、表示素子９１の表示面９４におけるＹ方向の各位置からＺ方向に平行に出射する光線を示す。Ｙ方向の中央の位置Ｙ１、上端の位置Ｙ２、下端の位置Ｙ３を示す。例えば、中央の位置Ｙ１から出射した光線ＬＹ１１、上端の位置Ｙ２から出射した光線ＬＹ２１、下端の位置Ｙ３から出射した光線ＬＹ３１等を示す。中央の位置Ｙ１から出射した光線ＬＹ１１は、凸レンズ９２を通じて適切な収束によって目９３（図８の焦点位置Ｆ１）に入射する。それに対し、表示面９４の外周付近位置、例えば上端の位置Ｙ２から出射した光線ＬＹ２１や下端の位置Ｙ３から出射した光線ＬＹ３１は、凸レンズ９２で外周付近位置ほど球面収差の影響が大きいため、光線ＬＹ２２，ＬＹ３２のように過収束となる。例えば光線ＬＹ２２は、光線ＬＹ２１に対応した、凸レンズ９２の出射面からの光線である。
【００２８】
凸レンズ９２の入射面に光線が入射する位置に応じて、凸レンズ９２の出射面から目９３の方へ出射する光線の収束点の位置が異なる。凸レンズ９２の面内の外周位置ほど、光線が過収束となり、理想的な収束点に対するずれが大きい。光線ＬＹ２２，ＬＹ３２の過収束による収束点を、Ｚ方向における位置ｐ１で示す。同様に、Ｙ方向の各位置の光線の収束点を、位置ｐ２，ｐ３，ｐ４等で示す。過収束として、外周位置の光線ほど、中央位置の光線の収束点よりも、Ｚ方向で前側（方向Ｚ１）の位置に収束する。このように、面内の各位置の光線の収束点が、Ｚ方向で前後の位置にばらつき、理想的な１つの収束点（焦点位置Ｆ１）には収束しない。
【００２９】
これにより、表示面９４から凸レンズ９２を通じて目９３に入射する光線群については、Ｘ方向やＹ方向での光束の径、図９ではＹ方向の径Ｒ１が生じる。目９３が標準位置Ｅ１に対応するジャストフォーカス位置にある場合でも、ある程度の大きさの径Ｒ１が生じる。そのため、利用者の目９３には、表示面９４の画像全体にボケがある画像として視認される。ＨＭＤの表示性能等の観点では、上記のような凸レンズ９２の球面収差による径Ｒ１を最小にすることが望ましい。
【００３０】
さらに、ＨＭＤの表示素子９１として、より高精細の液晶ディスプレイパネル等の表示素子を採用する場合でも、上記収束光学系の球面収差の影響があるので、その表示素子の高精細を充分に活用できず、ＨＭＤの表示性能や画像品質を高めることが難しい。高精細の表示素子９１の場合、表示面９４内の画素サイズが小さく画素密度が高い。その場合でも、表示面９４内の各画素の位置の画像光は、凸レンズ９１の球面収差によって、ボケの分大きくなってしまい、表示面９４の画像全体の精細さが低くなってしまう。利用者の目９３が視認する画素サイズとしては、相対的に大きくなってしまう。
【００３１】
［比較例（３）］
図１０は、比較例のＨＭＤの収束光学系における、像面湾曲収差と球面収差との違いを示す説明図である。実施の形態のＨＭＤでは、光学収差として球面収差を扱い、言い換えると、球面収差補正機能を実現する。それに対し、図１０の比較例のＨＭＤでは、像面湾曲収差を扱う。両者の構成は異なる。
【００３２】
図１０では、縦断面（Ｙ−Ｚ面）で、表示素子の表示面９０１と、凸レンズ９０２と、目に対応付けられる結像面９０３とを示す。なお、Ｙ方向の断面を示すが、Ｘ方向の断面でも同様に収差が存在する。凸レンズ９０２は、球面レンズであり、光学特性として球面収差と像面湾曲との両方を有する場合を示す。表示面９０１内のＹ方向の位置として、例えば中央の位置Ｙ１、上端の位置Ｙ２、下端の位置Ｙ３の３種類の位置に着目した場合の光線として光線Ｌ９０１，Ｌ９０２，Ｌ９０３を示す。例えば光線Ｌ９０１は、位置Ｙ１の単位領域から出射して凸レンズ９０２の入射面領域全体に入射する光線群を示す。
【００３３】
表示面９０１の各位置の単位領域からの光線は、凸レンズ９０２の像面湾曲収差によって、平らな結像面９０３に対する結像位置９０４（言い換えると像面）に関して、それぞれのずれを生じる。言い換えると、結像位置９０４は、平らな結像面９０３にはならず、方向Ｚ１に凹型（言い換えると方向Ｚ２に凸型）の曲面を持つ像面となる。Ｚ方向で、結像面９０３と結像位置９０４とのずれ（例えば、ずれＢ２，Ｂ３）として示す距離が、像面湾曲の大きさに相当する。結像面９０３内のＹ方向の位置の例を、中央の位置Ｙ１ｂ、上端の位置Ｙ２ｂ、下端の位置Ｙ３ｂ等で示す。結像面範囲９０５を位置Ｙ２ｂから位置Ｙ３ｂの範囲として示す。結像面９０３の面内（Ｙ方向やＸ方向）で中央の位置Ｙ１ｂに対し外周位置（例えば位置Ｙ２ｂ，Ｙ３ｂ）ほど、像面湾曲によるずれＢ２，Ｂ３の距離が大きい。このように、像面湾曲は、レンズ面内の外周位置ほど大きく、表示面９０１の画像全体のうち外周付近画像ほど影響が大きい。
【００３４】
一方、この凸レンズ９０２の構成で球面収差を考えた場合には以下である。図示するように、表示面９０１内の各位置の光線（光線Ｌ９０１，Ｌ９０２，Ｌ９０３）毎に、凸レンズ９０２による球面収差が影響し、結像面９０３および結像位置９０４における各位置で、図９と同様に収束点のばらつきが生じる。その収束点のばらつきから、各位置で光束径（例えば径Ａ１，Ａ２，Ａ３）が生じる。中央の位置Ｙ１ｂでの径Ａ１、上端の位置Ｙ２ｂでの径Ａ２、下端の位置Ｙ３ｂでの径Ａ３を示す。この球面収差による径は、結像面９０３および結像位置９０４内の各位置に依らずに、概略的に均質に存在する。これにより、表示面９０１内の各位置の画像毎にボケが生じる。表示面９０１の画像全体のうち、中央付近画像にもボケが生じる。
【００３５】
上記のように、球面収差と像面湾曲とでは、光学特性が異なり、画像品質への影響が異なる。特に、ＨＭＤでは、収束光学系を用いて目９３で直接に像を視認する構成であるため、一般的な特性として、結像面９０３の範囲（結像面範囲９０５）が比較的狭い。そのため、ＨＭＤの場合、凸レンズ９０２の光学収差に対して補正等で対処しようとする際に、像面湾曲への対処よりも、球面収差への対処の方が有効、重要であり、表示性能や画像品質の改善効果への影響が大きい。実施の形態のＨＭＤでは、このような凸レンズの球面収差への対処として、表示素子の工夫によって球面収差を補正する構成として、表示性能等を高めるものである。
【００３６】
（実施の形態１）
図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態１のＨＭＤについて説明する。実施の形態１のＨＭＤは、非透過型ＨＭＤであり、収束光学系を構成する凸レンズとして安価な単一の球面レンズを用いている。実施の形態１のＨＭＤは、その凸レンズが持つ球面収差の光学特性を補正、調整するために、凸型曲面を持つ表示素子を用いている。この表示素子の凸型曲面は、凸レンズの球面収差を補正する光学特性を持つ。これにより、実施の形態１のＨＭＤは、表示素子の凸型曲面の表示面から出射した画像光が、凸レンズを透過して収束されて目に入射する際に、球面収差が補正される。すなわち、表示面、凸レンズ、および結像面等に対応する面内の各位置の光線の収束点におけるＺ方向でのばらつきが低減され、焦点位置での光束径が最小にされる。これにより、利用者の目には、表示面の画像全体のボケが解消または低減された画像として視認される。
【００３７】
［ＨＭＤ（１−１）］
図１は、実施の形態１のＨＭＤ１０の構成を示す、両目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。また、図２は、実施の形態１のＨＭＤ１０の構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での概略断面図である。図１では、Ｙ方向から見たＸ−Ｚ面での概略断面を模式的に示している。Ｙ方向の位置として目３の位置（位置ｘ２，ｘ３）の光軸での断面を示す。この断面図で、表示素子１の凸型曲面の断面構成等が示されている。
【００３８】
実施の形態１のＨＭＤ１０は、表示素子１と、凸レンズ２と、それらを保持するゴーグル型の筐体９とを有する。Ｚ方向で、目３の標準位置Ｅ１に対応する位置ｚ３に対して前方（方向Ｚ１）の所定の距離の位置ｚ２に、凸レンズ２が配置されている。さらに、凸レンズ２の位置ｚ２から前方の所定の距離の位置ｚ１ａ，ｚ１ｂに、表示素子１が配置されている。
【００３９】
凸レンズ２として、両方の目３である位置ｘ３の左目および位置ｘ２の右目に合わせた２つの凸レンズ２を有する。表示素子１は、２つの凸レンズ２に合わせた２つの凸型曲面の表示素子１がＸ方向に並列配置されて構成されている。表示素子１のそれぞれの凸型曲面は、それぞれの凸レンズ２およびそれぞれの目３の方向Ｚ２を向いている。
【００４０】
筐体９は、樹脂等で構成されている。筐体９は、表示素子保持部９ｂ、レンズ保持部９ｃ、仕切り壁９ｄ等を含む。表示素子保持部９ｂは、Ｚ方向の目３側（方向Ｚ２）に、凸型曲面形状を有し、その凸型曲面に表示素子１が保持されている。表示素子保持部９ｂの凸型曲面の形状は、表示素子１の凸型曲面の形状に合わせるように設計されている。
【００４１】
レンズ保持部９ｃには、位置ｘ２，ｘ３に合わせて、２つの凸レンズ２が保持されている。
【００４２】
このＨＭＤ１０の構成では、筐体９の中央の位置ｘ１に、仕切り壁９ｄが設けられている。仕切り壁９ｄは、表示素子１の左右の領域からの画像光５を、左右の凸レンズ２および左右の目３に対応させて分割させて視認させる構成に対応して設けられている。なお、このような構成に限らず可能であり、仕切り壁９ｄを設けない構成も可能である。
【００４３】
表示素子１は、凸型曲面表示素子であり、実施の形態１では、可撓性の液晶ディスプレイパネルを用いて構成されている。表示素子１は、Ｚ方向の目３側（方向Ｚ２）に表示面４を有する。表示面４は、画像が形成される表示エリアに対応する凸型曲面である。表示素子１の凸型曲面は、目３および凸レンズ２側に対応する方向Ｚ２に凸型となる曲面である。表示素子１は、少なくとも表示面４において撓み、湾曲、折り曲げ等が可能な可撓性表示素子を用いて構成されている。表示素子１は、表示面４において所定の凸型曲面となるように、湾曲した状態で配置されている。また、表示素子１は、筐体９の側面部等に設けられている配線や集積回路と接続され、表示が制御されている。
【００４４】
図１の表示素子１の実装例としては以下である。表示素子１は、表示素子保持部９ｂの凸型曲面に可撓性表示素子が貼り付けられる方式で構成されている。ＨＭＤ１０の製造時に、筐体９の凸型曲面を持つ表示素子保持部９ｂが形成される。その表示素子保持部９ｂの凸型曲面に、可撓性表示素子である表示素子１が、平面の状態から湾曲した状態となるようにされて貼り付けられて固定される。これにより、表示素子１は、所定の光学特性を実現する凸型曲面を持つ状態で保持される。
【００４５】
実施の形態１のＨＭＤ１０は、表示素子１と目３との間に配置される球面レンズである凸レンズ２による球面収差を補正する機能を有する。表示素子１の表示面４の凸型曲面は、凸レンズ２との組み合わせの構成で、凸レンズ２の球面収差を補正する光学特性を実現するように、Ｘ−Ｙ面内の各位置の曲率等が定義されている。
【００４６】
表示素子１の表示面４から概略的にＺ方向（方向Ｚ２）に出射する画像光５は、凸レンズ２を透過して収束されて、目３の標準位置Ｅ１に対応付けられた焦点位置Ｆ１に入射する。なお、図１や図２では、目３の標準位置Ｅ１に対応させて焦点位置Ｆ１が合わせられている状態を模式的に図示している。後述の図３には、より詳しく収束光学系を示す。標準位置Ｅ１および焦点位置Ｆ１に合わせて、表示素子１、凸レンズ２、筐体９の寸法や形状が設計されている。
【００４７】
実施の形態１で、表示素子１の凸型曲面は、図１のようにＸ方向での曲線を持つ曲面（言い換えると柱面）として構成されている。この凸型曲面は、図１のように、Ｘ−Ｙ平面をＸ方向に沿って曲げた形状であり、Ｘ−Ｚ断面での曲線を含む形状である。図２のように、表示素子１の凸型曲面は、Ｙ方向の断面では直線を持ち、Ｙ方向での曲線は含まない。すなわち、実施の形態１の表示素子１の凸型曲面は、凸レンズ２面内の特にＸ方向の球面収差を補正する光学特性を実現する形状として構成されている。表示面４の凸型曲面は、凸レンズ２の球面収差の光学特性を補正するための所定の光学特性を実現する曲面として、公知の曲率等によって設計されている。実施の形態１では、画像に対応する面内のＸ方向の球面収差の影響を、Ｙ方向の球面収差の影響よりも優先して対処する構成としている。
【００４８】
表示素子１の凸型曲面のＺ方向の位置として、位置ｚ１ａ、位置ｚ１ｂを示す。位置ｚ１ａは、光軸に対応する位置ｘ２，ｘ３のように、凸型曲面がＺ方向で最も目３側に出る位置を示す。位置ｚ１ｂは、凸型曲面の外周位置に対応して、凸型曲面がＺ方向で最も目３から奥側（方向Ｚ１）にある位置を示す。光線Ｌ１，Ｌ２は、表示面４の凸型曲面の外周位置（位置ｚ１ｂ）から出射して目３に入射する光線を示す。
【００４９】
凸レンズ２は、収束光学系を構成する屈折素子であり、実施の形態１では、安価な単一の球面レンズで構成されている。凸レンズ２は、実施の形態１では、Ｚ方向で目３側（方向Ｚ２）および表示素子１側（方向Ｚ１）の両方に凸型の曲面形状を持つレンズ（両凸レンズ）を用いている。これに限らず、凸レンズ２は、Ｚ方向の前後の片側に凸型のレンズ（片凸レンズ）、すなわち目３側に凸型のレンズや表示素子１側に凸型のレンズを用いてもよい。
【００５０】
凸レンズ２は、比較的安価な球面レンズで構成されているので、球面収差を含む収差を発生させる光学特性を有する。表示素子１は、その凸レンズ２の球面収差を含む光学特性を補正、調整するための光学特性を実現する凸型曲面を持つ。
【００５１】
［ＨＭＤ（１−２）］
図２の縦断面（Ｙ−Ｚ面）では、図１のＨＭＤ１０について、Ｘ方向から見たＹ−Ｚ面での概略断面を模式的に示している。Ｘ方向の位置としては、目３に入射する光軸に対応する位置ｘ２，ｘ３での断面を示している。この位置ｘ２，ｘ３の断面で、表示素子１の凸型曲面は、位置ｚ１ａにあってＹ方向の直線形状となっている。Ｙ方向の位置の例として、表示面４における中央の位置ｙ１、上端の位置ｙ２、下端の位置ｙ３を示す。また、上端の位置ｙ２から出射して目３に入射する光線Ｌ３、下端の位置ｙ３から出射して目３に入射する光線Ｌ４を示す。
【００５２】
［収束光学系（１）］
図３は、実施の形態１のＨＭＤ１０の収束光学系の詳しい構成を示す、目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での光線図である。図３では、図１および図２のＨＭＤ１０の収束光学系について、表示素子１のＸ方向の曲面構成に対応させて、特にＸ−Ｚ面での光線図を示している。なお、実施の形態１のＹ−Ｚ面の光線図を考えた場合、比較例の光線図と同様である。図３では、目３の標準位置Ｅ１に対応付けられた焦点位置Ｆ１（１つの収束点の位置ｐ０）に、面内の複数の光線がばらつき無く収束する様子を模式的に示している。
【００５３】
図３の光線図では、Ｘ方向の複数の各位置の光線を模式的に図示している。Ｘ方向の位置の例として、１つの表示素子１の表示面４の凸型曲面における、中央の位置ｘＡ（前述の位置ｘ２，ｘ３に対応する）、右端の位置ｘＢ、左端の位置ｘＣを示す。対応して、凸レンズ２の面内のＸ方向の位置として、右端の位置ｘＤ、左端の位置ｘＥを示す。
【００５４】
表示素子１の表示面４からＺ方向（方向Ｚ２）に出射する画像光５の光線を、直線で示す。例えば、右端の位置ｘＢから出射する光線Ｌ１０１、左端の位置ｘＣから出射する光線Ｌ１０２を有する。光線Ｌ１０１は、凸レンズ２の入射面のうち、位置ｘＤに入射し、凸レンズ２の屈折特性によって収束されて、出射面から目３の方向Ｚ２へ光線Ｌ１０１ｂとして出射される。同様に、光線Ｌ１０２は、凸レンズ２の入射面のうち、位置ｘＥに入射し、凸レンズ２の屈折特性によって屈折して、出射面から目３の方向Ｚ２へ光線Ｌ１０２ｂとして出射される。
【００５５】
特に、凸レンズ２面内の外周位置（例えば位置ｘＤ，ｘＥ）では、前述（図９）のように、何の補正も無い凸レンズ２単体の構成では、球面収差によって過収束となる。それに対し、実施の形態１では、表示素子１と凸レンズ２との組み合わせの構成で、表示素子１の凸型曲面の光学特性によって球面収差が補正され、過収束が解消される。面内のＸ方向の各位置の光線が、焦点位置Ｆ１においてＺ方向でのばらつきが低減されるようにして収束し、ほぼ１つの収束点（位置ｐ０）に収束する。表示素子１の凸型曲面の光学特性によって、凸レンズ２の外周付近位置に入射する光についても、過収束とならずに、最適な位置ｐ０（焦点位置Ｆ１）に収束するように補正されている。
【００５６】
これにより、表示面４および凸レンズ３等の全体に対応した焦点位置Ｆ１において、光束の径Ｒ２（図９の径Ｒ１、図１０の結像面９０３の各位置の径に対応する）が最小にされる。表示面４の画像について、球面収差によるボケの量が低減、最適化されている。利用者の目３には、従来技術の比較例のＨＭＤの場合よりも、ボケが無い鮮明な像として視認される。
【００５７】
実施の形態１のＨＭＤでは、表示素子１の表示面４の凸型曲面形状の光学特性は、凸レンズ２単体での球面収差を含む光線群の収束の径（例えば図９の径Ｒ１）よりも、表示素子１と凸レンズ２との組み合わせでの光線群の収束の径（例えば図３の径Ｒ２）を小さくする光学特性として設計されている。理想的には、焦点位置Ｆ１（ジャストフォーカス位置）での光束の径Ｒ２が最小となるように設計されている。
【００５８】
［表示素子（１−１）］
図４は、図１の実施の形態１のＨＭＤ１０の表示素子１について、より詳しい構成例を示す、横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。図４では、表示素子１の凸型曲面として撓みや湾曲を持つ状態の例を簡易的に示しているが、実装ではより詳細に寸法や曲率等が設計されている。
【００５９】
表示素子１は、少なくとも表示面４（対応する表示エリアＤＡ）における可撓性を持つ液晶ディスプレイパネルで構成されている。表示素子１の表示面４（対応する表示エリアＤＡ）に対応する部分は、目３および凸レンズ２側（方向Ｚ２）に凸型で撓みや湾曲を持つ状態で配置されている。
【００６０】
表示素子１は、構成要素として、Ｚ方向で背面側（方向Ｚ１）から表示面４側（方向Ｚ２）へ順に、バックライト素子ＢＬ、第１基板ＳＢ１、液晶層ＬＱ、第２基板ＳＢ２を有し、それらが相互に接続されている。第１基板ＳＢ１、第２基板ＳＢ２等の構成要素は、それぞれ可撓性部材で構成されている。Ｚ方向で、第１基板ＳＢ１と第２基板ＳＢ２とが対向して、それらの間に液晶層ＬＱを介するように接続されている。第１基板ＳＢ１、第２基板ＳＢ２、および液晶層ＬＱ等によって、表示エリアＤＡが構成されている。
【００６１】
第１基板ＳＢ１は、背面側（方向Ｚ１）に配置される所定の光学素子層として第１偏光板を含み、図４ではそれらをまとめて図示している。第２基板ＳＢ２は、表示面４側（方向Ｚ２）に配置される所定の光学素子層として第２偏光板を含み、図４ではそれらをまとめて図示している。
【００６２】
第１基板ＳＢ１は、目３に対して背面側に配置されているアレイ基板である。第１基板ＳＢ１は、ベース基板上に、スイッチング素子や、導体パターンである電極（例えば走査線、信号線、共通電極、画素電極）等の各部材が配列され、それぞれ絶縁膜で覆われている。第２基板ＳＢ２は、第１基板ＳＢ１に対向するように配置されている対向基板である。第２基板ＳＢ２は、ベース基板上に、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色を形成するためのカラーフィルタや、黒色の遮光膜等が配列され、絶縁膜で覆われている。
【００６３】
表示素子１（特に第１基板ＳＢ１）の背面側（方向Ｚ１）に第１面Ｓｆ１を有する。表示素子１（特に第２基板ＳＢ２）の表示面４側（方向Ｚ２）に第２面Ｓｆ２を有する。第２面Ｓｆ２には、表示面４に対応する表示エリアＤＡが構成されている。表示エリアＤＡは、例えばＸ方向で位置ｘＢから位置ｘＣまでの範囲（Ｙ方向では図２の位置ｙ２から位置ｙ３までの範囲）を有する。表示エリアＤＡの外側には、非表示エリアＮＤＡを有する。表示エリアＤＡは、画像信号に基づいて画像が表示可能なエリアであり、複数の画素が行列状に配列されている。Ｚ方向で表示エリアＤＡを平面視した場合の形状としては矩形であるが、これに限らず楕円形等としてもよい。なお、表示面４（第２面Ｓｆ２）には、さらに、保護のためのカバー部材や、光学的調整のための光学フィルタ等が配置されていてもよい。
【００６４】
非表示エリアＮＤＡは、第１基板ＳＢ１と第２基板ＳＢ２との間に、接着材ＢＮＤ、図示しない配線、異方導電膜等が配置されている。接着材ＢＮＤは、第１基板ＳＢ１と第２基板ＳＢ２とで外周部を接着し、内部に液晶を封止している。配線は、表示エリアＤＡ内の電極と接続される引き出し配線等を含み、筐体９の配線や集積回路等に接続される。第１基板ＳＢ１の一部と第２基板ＳＢ２の一部とは異方導電膜で接続されている。
【００６５】
液晶層ＬＱは、前後の配向膜で挟まれる液晶素子を含む電気光学層である。第１基板ＳＢ１と第２基板ＳＢとの間に、接着材ＢＮＤ等によって液晶が封止されることで、液晶層ＬＱが構成されている。液晶層ＬＱでは、画素の電圧印加に応じて電界状態が制御されることで、液晶素子を透過する光の変調が行われる。表示エリアＤＡは、液晶層ＬＱと重畳する領域に設けられている。なお、液晶層ＬＱ内には、スペーサや壁等が形成されていてもよい。液晶層ＬＱを含め、表示素子１は、表示面４内の各位置で概略一定の厚さＴ１を有する。
【００６６】
また、図４の構成例では、第１基板ＳＢ１は、非表示エリアＮＤＡでＸ方向の一方の外周側に引き出され延長して配置されている部分を有する。この第１基板ＳＢ１の延長部は、筐体９の側面部等に接続される。この第１基板ＳＢ１の延長部には、表示エリアＤＡの電極に接続される配線や集積回路等が実装されていてもよい。この延長部に形成されている配線等は、筐体９の側面部等に実装されている配線や集積回路等に接続されてもよい。
【００６７】
バックライト素子ＢＬは、光を方向Ｚ２（凸型曲面に対し垂直な方向）へ供給する。バックライト素子ＢＬからの光は、第１基板ＳＢ１を通じて液晶層ＬＱに入射される。その光は、液晶層ＬＱの液晶セルでの変調によって光量等が調整される。その光は、液晶層ＬＱから、第２基板ＳＢ２を通じて、画像光５として、目３および凸レンズ２に対応する方向Ｚ２へ出射される。
【００６８】
［表示素子（１−２）］
図４の表示素子１の表示エリアＤＡの画素とその画素に接続される駆動回路等の構成概要については以下である。表示エリアＤＡに対応するＸ−Ｙ面では、液晶セルに対応付けられる画素が格子状に配置されている。画素は、走査線と信号線とが交差する部分に形成されている。画素には、スイッチング素子としてのトランジスタ、液晶層ＬＱの液晶セル、画素電極、カラーフィルタ等が配置されている。例えば、第１基板ＳＢ１には、走査線、信号線、共通電極、画素電極、トランジスタ等が配置されている。画素電極は、可視光透過性の導電材料で構成される。
【００６９】
画素は、走査線、信号線、共通電極等を通じて、各回路に接続されている。各回路として、走査駆動回路、表示駆動回路、共通駆動回路等を有する。各回路は、制御回路と接続されている。制御回路は、外部入力信号に基づいて画像信号を生成し、各回路に駆動制御信号を与える。制御回路や各回路は、例えばＩＣチップで実装されている。トランジスタは、例えばゲート端子に走査線が接続され、ソース端子に信号線が接続され、ドレイン端子に画素電極が接続されている。走査駆動回路は、走査線に走査信号を供給する。走査信号は、画素を選択するための信号である。表示駆動回路は、信号線に表示信号を供給する。表示信号は、画素の階調を制御するための信号である。画素電極は、液晶素子および保持容量を介して共通電極と接続されている。共通電極は、共通駆動回路から共通電圧が供給される。画素電極と共通電極との間の電位差に応じて、液晶セルを駆動するための電界が形成され、可視光の変調が制御される。
【００７０】
画素の開口部には、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタが設けられている。画素間の非開口部には、遮光膜が設けられている。走査線、信号線、トランジスタ等の部材は、遮光膜によって重畳されて覆い隠されている。
【００７１】
なお、第１基板ＳＢ１等を構成する可撓性材料としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリカルボナート、あるいはポリエステル等のポリマーを含む樹脂材料、および薄膜ガラスが挙げられる。
【００７２】
［効果等］
上記のように、実施の形態１のＨＭＤによれば、収束光学系の凸レンズ２の球面収差を低減または解消して、高い表示性能や画像品質等を実現できる。実施の形態１のＨＭＤによれば、凸レンズ２として安価な単一の球面レンズを用いて収束光学系を構成できるので、比較的軽量、小型、安価なＨＭＤを実現できる。なおかつ、曲面型の表示素子１を用いて凸レンズ２の球面収差を補正、調整するので、結像面内の各位置の光束径を最小にして画像のボケを低減でき、比較的高い表示性能や画像品質等を実現できる。
【００７３】
また、実施の形態１のＨＭＤによれば、表示素子１として、高精細の液晶ディスプレイパネル等を適用することができ、その場合に、凸レンズ２の球面収差の影響を低減して、ボケによる解像度の劣化を抑制できる。すなわち、高精細の表示素子１を充分に活用して高い表示性能等を実現することができる。
【００７４】
（実施の形態２）
図５〜図７を用いて、本発明の実施の形態２のＨＭＤについて説明する。実施の形態２の基本的な構成は実施の形態１と同様であり、以下では、実施の形態２における実施の形態１とは異なる構成部分について説明する。実施の形態２のＨＭＤでは、表示素子１とは別方向で球面収差を補正するための補正用レンズとして凹面レンズが追加されている。
【００７５】
［ＨＭＤ（２−１）］
図５は、実施の形態２のＨＭＤ１０の構成を示す、両目位置の光軸を含む横断面（Ｘ−Ｚ面）での概略断面図である。また、図６は、実施の形態２のＨＭＤ１０の構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での概略断面図である。実施の形態２のＨＭＤ１０は、実施の形態１の要素に加え、さらに、Ｚ方向で凸レンズ２と表示素子１との間の所定の位置に、凹面レンズ７が配置されている。凹面レンズ７として、２つの表示素子１および２つの凸レンズ２に対応させて、２つの凹面レンズ７が設けられている。
【００７６】
凹面レンズ７は、目３側（方向Ｚ２）に凹型の曲面を持つレンズである。凹面レンズ７は、図６のようにＹ方向での曲線を含む曲面（柱面）を持つレンズである。凹面レンズ７は、図５ではＸ方向の断面であるため直線形状となっている。凹面レンズ７のＺ方向の位置として、位置ｚ４ａ、位置ｚ４ｂを示す。位置ｚ４ａは、凹面レンズ７の凹型曲面の背面側（方向Ｚ１）の平面の位置、および凹型曲面のうち中央の位置に対応して最も奥側に凹む位置を示す。位置ｚ４ｂは、凹面レンズ７の凹型曲面のうち外周位置に対応して最も前側（方向Ｚ２）に出る位置を示す。凹面レンズ７の背面側の平面（位置ｚ４ａ）は、表示素子１の凸型曲面（位置ｚ１ａ）に近接して配置されている。表示素子１の表示面４から出射した画像光５の光線は、凹面レンズ７を透過して屈折されて、凸レンズ２に入射する。凹面レンズ７は、筐体９の側面部や仕切り板９ｄ等に保持されている。
【００７７】
凹面レンズ７は、凸レンズ２の球面収差のうち、Ｙ方向の球面収差の成分を補正するための光学特性を実現する凹型曲面を有する。すなわち、実施の形態２のＨＭＤ１０では、凹面レンズ７と表示素子１との組み合わせの構成によって、凸レンズ２面内のＸ方向およびＹ方向の両方の球面収差を補正する機能を有する。
【００７８】
［ＨＭＤ（２−２）］
図６の縦断面（Ｙ−Ｚ面）で、凹面レンズ７の凹型曲面は、Ｙ方向の位置として、中央の位置ｙ１では、最も方向Ｚ１に凹み、厚さが小さくなっており、外周位置、例えば位置ｙ２，ｙ３では、最も方向Ｚ２に出て厚さが大きくなっている。凹面レンズ７の凹型曲面は、凸レンズ２面内のＹ方向の球面収差を補正するための光学特性を実現するように、曲率等によって設計されている。
【００７９】
［収束光学系（２）］
図７は、実施の形態２のＨＭＤ１０の収束光学系の詳しい構成を示す、目位置の光軸を含む縦断面（Ｙ−Ｚ面）での光線図である。図７では、Ｚ方向で、表示素子１、凹面レンズ７、凸レンズ２、目３を示す。
【００８０】
表示素子１の表示面４からＺ方向（方向Ｚ２）に出射した各光線は、凹面レンズ７の平面である入射面に入射し、凹面レンズ７の屈折特性によって屈折されて、出射面である凹型曲面から出射される。例えば、Ｙ方向の外周位置（位置ｙ２，ｙ３）に対応する光線Ｌ２０１，Ｌ２０２を示す。光線Ｌ２０１は、凸レンズ２の入射面の上端の位置ｙ４に入射して屈折されて、出射面から目３の方向へ収束するように出射される。同様に、光線Ｌ２０２は、凸レンズ２の入射面の下端の位置ｙ５に入射して屈折されて、出射面から目３の方向へ収束するように出射される。例えば、光線Ｌ２０１は光線Ｌ２０１ｂになり、光線Ｌ２０２は光線Ｌ２０２ｂになる。光線Ｌ２０１ｂ，Ｌ２０２ｂ等の各光線は、目３の標準位置Ｅ１に対応付けられた焦点位置Ｆ１に対応する収束点（位置ｐ０）に収束する。凹面レンズ７による補正によって、凸レンズ２のＹ方向の球面収差が解消され、Ｚ方向の収束点のばらつきが低減される。これにより、表示面４の画像全体で、焦点位置Ｆ１でのＹ方向の光束の径Ｒ３の大きさが最小にされている。利用者の目３には画像のボケが低減されたものとして視認される。
【００８１】
［効果等（２）］
上記のように、実施の形態２のＨＭＤによれば、凹面レンズ７を追加する構成によって、実施の形態１でのＸ方向の球面収差を低減する効果に加え、さらに、Ｙ方向の球面収差を低減する効果が得られる。すなわち、より高い表示性能や画像品質が実現できる。
【００８２】
（他の実施の形態）
他の実施の形態のＨＭＤとして以下が挙げられる。実施の形態１では、表示素子１の凸型曲面として、Ｘ方向での曲線を含みＹ方向では直線である曲面（柱面）としたが、変形例として、表示素子１の凸型曲面として、Ｙ方向の曲線を含みＸ方向では直線である曲面（柱面）としてもよい。この場合、表示素子１の凸型曲面は、凸レンズ２のＹ方向の球面収差を補正する光学特性を有する。
【００８３】
また、実施の形態２では、凹面レンズ７の凹型曲面として、Ｙ方向の曲線を含みＸ方向では直線である曲面（柱面）としたが、変形例として、凹面レンズ７の凹型曲面として、Ｘ方向の曲線を含みＹ方向では直線である曲面（柱面）としてもよい。この場合、凹面レンズ７の凹型曲面は、凸レンズ２のＸ方向の球面収差を補正する光学特性を有する。
【００８４】
実施の形態１等に対する変形例のＨＭＤとして、表示素子１の凸型曲面としては、表示面４に対応するＸ方向およびＹ方向の両方の方向において曲線を含む曲面としてもよい。この変形例の場合、Ｘ方向およびＹ方向の両方の方向で凸レンズ２の球面収差を補正することができる。また、この曲面の曲線を持つ方向は、Ｘ方向およびＹ方向に限らず、他の方向の曲線を含むようにしてもよい。また、例えば、表示面４の曲面領域のうち、中央付近領域とその外側の外周付近領域とで、曲率等が異なる２種類の曲面を設けてもよい。また、表示面４のうち、一部の領域、例えば中央付近領域で、平面を設けてもよい。
【００８５】
実施の形態１等に対する変形例のＨＭＤとして、凸レンズ２は、球面レンズに限らず、非球面レンズや合わせレンズ等の他の種類のレンズを用いてもよい。この変形例の場合、表示素子１は、その非球面レンズ等の収差の光学特性を補正するための凸型曲面を持つ。この変形例の場合、実施の形態１よりも高価な構成となるが、収差をより低減できる。
【００８６】
以上、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。前述の各実施の形態の要素の組み合わせ、追加や削除、設計変更等による構成が可能である。上記では、表示素子１に関して、電気光学層として液晶層ＬＱを有する液晶表示装置の場合を説明したが、これに限らず、有機ＥＬ表示素子等、他の種類の電気光学層を有する表示素子の場合にも同様に適用可能である。電気光学層としては、電気的エネルギーの印加によって光学特性が変化する層であればよい。表示素子１に関して、前述の電極等の構成に限らず可能であり、曲面状態で配置される表示素子であればよい。表示素子１は、製造時に可撓性表示素子を用いて平面から曲面へ加工することでも形成できるが、これに限らず、最初から固定的に曲面状態で形成されるものでもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１…表示素子、２…凸レンズ、３…目、４…表示面、５…画像光、９…筐体、９ｂ…表示素子保持部、９ｃ…レンズ保持部、１０…ＨＭＤ、Ｅ１…標準位置、Ｆ１…焦点位置、Ｌ１，Ｌ２…光線。
【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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