(57)【要約】  本発明は、ユーザの視度に応じて拡大虚像の位置を調節することができる光学装置を提供する。  本発明の光学装置（１００）は、画像を表示する表示器（１１０）、表示器（１１０）の光軸（Ｌ）上でそれぞれ下流側及び上流側に配列される第１透過反射面（３２１）及び第２透過反射面（３１１）を有し、少なくとも第２透過反射面（３１１）により画像を拡大する光学系（３００）を備える。光学装置は、移動装置（４１０）により、第１透過反射面（３２１）に対して第２透過反射面（３１１）を光軸（Ｌ）に沿って駆動する、又は、可変面形状又は可変レンズパワーを有する第２透過反射面（３１１）の面形状又はレンズパワーを変える。それにより、第１透過反射面（３２１）及び第２透過反射面（３１１）の間で２回光路を折り返すとともに、ユーザの視度に応じて拡大虚像の位置を調節することが可能となる。
2021106048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の拡大虚像を生成する光学装置であって、  画像を表示する表示器と、  前記表示器の光軸上でそれぞれ下流側及び上流側に配列される第１透過反射面及び第２透過反射面を有し、少なくとも前記第２透過反射面により前記画像を拡大する光学系と、  前記第１透過反射面、前記第２透過反射面、及び前記表示器のうちの少なくとも１つを前記光軸に沿って移動する移動装置と、を備える光学装置。
【請求項２】
前記移動装置は、前記第１透過反射面に対して前記第２透過反射面を前記光軸に沿って移動する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記移動装置は、前記表示器及び前記第２透過反射面を相対位置関係を維持して移動する、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第２透過反射面は、曲面である、請求項２又は３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記曲面は、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面である、請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記第２透過反射面は、レンズ素子に設けられたハーフミラー面であり、  前記レンズ素子の焦点距離に対する前記光学系の焦点距離の比が０．１６６から０．３１７の範囲である、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記比が視度＋２に対して０．１７３から０．３１７の範囲、視度−１に対して０．１７０から０．２９９の範囲、視度−５に対して０．１６６から０．２７９の範囲である、請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
画像の拡大虚像を生成する光学装置であって、  画像を表示する表示器と、  前記表示器の光軸上でそれぞれ下流側及び上流側に配列される第１透過反射面及び第２透過反射面を有し、可変面形状又は可変レンズパワーを有する前記第２透過反射面により前記画像を拡大する光学系と、を備える光学装置。
【請求項９】
前記可変面形状は、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面状に形成される、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記可変レンズパワーは、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面に相当するように生成される、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記表示器及び前記第２透過反射面の間に配置される回折光学素子をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記回折光学素子は、前記光学系の波長分散性を補償するＧＰＨ素子を含む、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記回折光学素子は、前記ＧＰＨ素子の下流側に不要光を除去する不要光除去素子を含む、請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記不要光除去素子は、λ／４板及び直線偏光板を含む、請求項１３に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記光学系の状態に応じて前記画像の歪補正値を変化させる制御装置をさらに備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、画像の拡大虚像を生成する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  表示パネルが表示する画像を、２つの反射面により２回光路を折り返すことにより薄型化されたトリプルパス光学モジュールにより拡大し、その拡大虚像を映し出す没入型の仮想現実（ＶＲ）技術を採用した光学装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。  特許文献１  国際公開第２０１８／１５０７７３号
【解決しようとする課題】
【０００３】  しかしながら、ユーザの視度に応じて拡大虚像の位置を調節することができる光学装置は知られていない。
【一般的開示】
【０００４】（項目１）  光学装置は、画像を表示する表示器を備えてよい。  光学装置は、表示器の光軸上でそれぞれ下流側及び上流側に配列される第１透過反射面及び第２透過反射面を有し、少なくとも第２透過反射面により画像を拡大する光学系を備えてよい。  光学装置は、第１透過反射面、第２透過反射面、及び表示器のうちの少なくとも１つを前記光軸に沿って移動する移動装置を備えてよい。（項目２）  移動装置は、第１透過反射面に対して第２透過反射面を光軸に沿って移動してよい。（項目３）  移動装置は、表示器及び第２透過反射面を相対位置関係を維持して移動してよい。（項目４）  第２透過反射面は、曲面であってよい。（項目５）  曲面は、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面であってよい。（項目６）  第２透過反射面は、レンズ素子に設けられたハーフミラー面であってよい。  レンズ素子の焦点距離に対する光学系の焦点距離の比が０．１６６から０．３１７の範囲であってよい。（項目７）  比が視度＋２に対して０．１７３から０．３１７の範囲、視度−１に対して０．１７０から０．２９９の範囲、視度−５に対して０．１６６から０．２７９の範囲であってよい。（項目８）  光学装置は、画像を表示する表示器を備えてよい。  光学装置は、表示器の光軸上でそれぞれ下流側及び上流側に配列される第１透過反射面及び第２透過反射面を有し、可変面形状又は可変レンズパワーを有する第２透過反射面により画像を拡大する光学系を備えてよい。（項目９）  可変面形状は、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面状に形成されてよい。（項目１０）  可変レンズパワーは、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面に相当するように生成されてよい。（項目１１）  光学装置は、表示器及び第２透過反射面の間に配置される回折光学素子をさらに備えてよい。（項目１２）  回折光学素子は、光学系の波長分散性を補償するＧＰＨ素子を含んでよい。（項目１３）  回折光学素子は、ＧＰＨ素子の下流側に不要光を除去する不要光除去素子を含んでよい。（項目１４）  不要光除去素子は、λ／４板及び直線偏光板を含んでよい。（項目１５）  光学装置は、光学系の状態に応じて画像の歪補正値を変化させる制御装置をさらに備えてよい。
【０００５】  なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る光学装置の構成を概略的に示す。
【図２Ａ】レンズのハーフミラー面（ＨＭ）の面形状の一例を示す。
【図２Ｂ】レンズのハーフミラー面（ＨＭ）の反射後の光束コーン角特性の一例を示す。
【図３Ａ】移動装置の全体構成を示す。
【図３Ｂ】移動装置の分解構成を示す。
【図４Ａ】移動装置によるレンズ移動の原理（最小離間状態）を示す。
【図４Ｂ】移動装置によるレンズ移動の原理（繰り出し状態）を示す。
【図４Ｃ】移動装置によるレンズ移動の原理（最大離間状態）を示す。
【図５Ａ】第１変形例に係る移動装置の全体構成を示す。
【図５Ｂ】第１変形例に係る移動装置の分解構成を示す。
【図６Ａ】第１変形例に係る移動装置によるレンズ移動の原理（最小離間状態）を示す。
【図６Ｂ】第１変形例に係る移動装置によるレンズ移動の原理（繰り出し状態）を示す。
【図６Ｃ】第１変形例に係る移動装置によるレンズ移動の原理（最大離間状態）を示す。
【図７Ａ】第２変形例に係る移動装置の全体構成を示す。
【図７Ｂ】第２変形例に係る移動装置の分解構成を示す。
【図８Ａ】第２変形例に係る移動装置によるレンズ移動の原理（最小離間状態）を示す。
【図８Ｂ】第２変形例に係る移動装置によるレンズ移動の原理（繰り出し状態）を示す。
【図８Ｃ】第２変形例に係る移動装置によるレンズ移動の原理（最大離間状態）を示す。
【図９Ａ】反射型偏光板及びハーフミラー面の間の距離（エアー距離）を変えた場合（エアー距離小）における像面湾曲の変化を示す。
【図９Ｂ】反射型偏光板及びハーフミラー面の間の距離（エアー距離）を変えた場合（エアー距離中）における像面湾曲を示す。
【図９Ｃ】反射型偏光板及びハーフミラー面の間の距離（エアー距離）を変えた場合（エアー距離大）における像面湾曲を示す。
【図１０Ａ】光学装置における光線区間の定義を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示した各光線区間における光線のコーン角を示す。
【図１１】各ジオプタにおけるエアー距離に対する像面湾曲の変化を示す。
【図１２Ａ】モデル１から３に係る光学装置が備える回折光学素子、レンズ、及びフィルタの詳細構成を示す。
【図１２Ｂ】フィルタＡからＣの詳細構成を示す。
【図１３Ａ】実施例１に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１３Ｂ】実施例１に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１３Ｃ】実施例１に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１３Ｄ】実施例１に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１３Ｅ】実施例１に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１３Ｆ】実施例１に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１３Ｇ】実施例１に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面差を示す。
【図１３Ｈ】実施例１に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１３Ｉ】実施例１に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１３Ｊ】実施例１に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１４Ａ】実施例２に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１４Ｂ】実施例２に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１４Ｃ】実施例２に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１４Ｄ】実施例２に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１４Ｅ】実施例２に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１４Ｆ】実施例２に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１４Ｇ】実施例２に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図１４Ｈ】実施例２に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１４Ｉ】実施例２に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１４Ｊ】実施例２に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１５Ａ】実施例３に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１５Ｂ】実施例３に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１５Ｃ】実施例３に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１５Ｄ】実施例３に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１５Ｅ】実施例３に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１５Ｆ】実施例３に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１５Ｇ】実施例３に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図１５Ｈ】実施例３に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１５Ｉ】実施例３に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１５Ｊ】実施例３に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１６Ａ】実施例４に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１６Ｂ】実施例４に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１６Ｃ】実施例４に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１６Ｄ】実施例４に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１６Ｅ】実施例４に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１６Ｆ】実施例４に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１６Ｇ】実施例４に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図１６Ｈ】実施例４に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１６Ｉ】実施例４に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１６Ｊ】実施例４に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１７Ａ】実施例５に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１７Ｂ】実施例５に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１７Ｃ】実施例５に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１７Ｄ】実施例５に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１７Ｅ】実施例５に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１７Ｆ】実施例５に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１７Ｇ】実施例５に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図１７Ｈ】実施例５に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１７Ｉ】実施例５に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１７Ｊ】実施例５に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１８Ａ】実施例６に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１８Ｂ】実施例６に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１８Ｃ】実施例６に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１８Ｄ】実施例６に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１８Ｅ】実施例６に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１８Ｆ】実施例６に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１８Ｇ】実施例６に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図１８Ｈ】実施例６に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１８Ｉ】実施例６に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１８Ｊ】実施例６に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１９Ａ】実施例７に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図１９Ｂ】実施例７に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図１９Ｃ】実施例７に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図１９Ｄ】実施例７に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図１９Ｅ】実施例７に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図１９Ｆ】実施例７に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図１９Ｇ】実施例７に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図１９Ｈ】実施例７に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１９Ｉ】実施例７に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図１９Ｊ】実施例７に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２０Ａ】実施例８に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図２０Ｂ】実施例８に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図２０Ｃ】実施例８に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図２０Ｄ】実施例８に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図２０Ｅ】実施例８に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図２０Ｆ】実施例８に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図２０Ｇ】実施例８に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図２０Ｈ】実施例８に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２０Ｉ】実施例８に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２０Ｊ】実施例８に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２１Ａ】実施例９に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図２１Ｂ】実施例９に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図２１Ｃ】実施例９に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図２１Ｄ】実施例９に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図２１Ｅ】実施例９に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図２１Ｆ】実施例９に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図２１Ｇ】実施例９に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図２１Ｈ】実施例９に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２１Ｉ】実施例９に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２１Ｊ】実施例９に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２２Ａ】実施例１０に係る光学装置の詳細設計を示す。
【図２２Ｂ】実施例１０に係る光学装置において視度＋２に対して検出された横収差を示す。
【図２２Ｃ】実施例１０に係る光学装置において視度−１に対して検出された横収差を示す。
【図２２Ｄ】実施例１０に係る光学装置において視度−５に対して検出された横収差を示す。
【図２２Ｅ】実施例１０に係る光学装置において視度＋２に対して検出された球面収差を示す。
【図２２Ｆ】実施例１０に係る光学装置において視度−１に対して検出された球面収差を示す。
【図２２Ｇ】実施例１０に係る光学装置において視度−５に対して検出された球面収差を示す。
【図２２Ｈ】実施例１０に係る光学装置において視度＋２に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２２Ｉ】実施例１０に係る光学装置において視度−１に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２２Ｊ】実施例１０に係る光学装置において視度−５に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。
【図２３】変形例に係る光学装置の構成を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】  以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】  図１に、本実施形態に係る光学装置１００の構成を概略的に示す。光学装置１００は、画像の拡大虚像を生成する装置であり、例えば没入型の仮想現実（ＶＲ）技術に使用される。光学装置１００は、表示器１１０、回折光学素子２００、光学系３００、制御装置３９０、及び筐体４００を備える。なお、表示器１１０から出射する画像光５０は、回折光学素子２００及び光学系３００を介してユーザの眼（片眼）３０に導かれる。ここで、画像光５０の光軸Ｌ上で表示器１１０側を上流側、ユーザ眼３０側を下流側と呼ぶ。また、画像光５０の偏光は、下流側から上流側を見た場合の電場の振動の軌跡より、水平方向の直線偏光、垂直方向の直線偏光、左回り（反時計回りとも呼ぶ）の円偏光、及び右回り（時計回りとも呼ぶ）の円偏光に区別される。
【０００９】  表示器１１０は、画像を表示する装置である。表示器１１０は、例えば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）から構成される表示装置、光源及び液晶パネルから構成される液晶表示装置等を採用することができる。画像は、静止画又は動画等をなす１以上の画像であってよいし、赤色、緑色、及び青色の３色からなるカラーの画像であってもよい。表示器１１０は、画像をなす画像光５０を表示面から射出する。カラー画像の場合、各色を時分割して出射してもよいし、互いに重畳又は画素単位で空間分割して同時に射出してもよい。
【００１０】  回折光学素子２００は、画像光５０を処理する複数の素子を含む。回折光学素子２００は、表示器１１０の下流側に配置され、上流側から下流側に対して順に重ねられた第１ＧＰＨ素子、第１λ／４板、ＣＳＦ素子、第２λ／４板、第２ＧＰＨ素子、第３λ／４板、第１偏光板、及び第４λ／４板（いずれも不図示）を含む。
【００１１】  第１及び第２ＧＰＨ（幾何学的位相ホログラム）素子は、重合性液晶を特定のパターンに配光させてなる素子であり、入射光の偏光方向を変えつつ回折現象によりレンズ作用（拡散又は集光作用）を及ぼして１次回折光を出力する。第１及び第２ＧＰＨ素子は、無偏光の光が入射した場合、左回り円偏光の光束を拡散して出力するとともに右回り円偏光の光束を集光して出力し、右回り円偏光の光が入射した場合、偏光方向を左回り円偏光に反転しつつ光束を拡散して出力し、左回り円偏光の光が入射した場合、右回り円偏光に反転しつつ光束を集光して出力する。第１及び第２ＧＰＨ素子を用いることで、画像光５０に対する屈折角の波長分散及びこれに伴う色収差を補償することができる。
【００１２】  第１〜第４λ／４板は、画像光５０の２つの偏光成分に四分の１波長の位相差を与えて変調する素子である。λ／４板は、直線偏光を円偏光に、円偏光を直線偏光に変調する。
【００１３】  ＣＳＦ（波長選択性偏光変換）素子は、偏光方向を特定波長域のみ９０度回転する素子である。例えば、ＣＳＦ素子は、垂直方向の直線偏光を水平方向の直線偏光に、水平方向の直線偏光を垂直方向の直線偏光に変調する。
【００１４】  第１偏光板は、互いに直交する直線偏光の一方を吸収して、他方を透過する素子（所謂、直線偏光板）である。一例として、第１偏光板は、垂直方向の直線偏光を透過し、水平方向の直線偏光を吸収する。
【００１５】  光学系３００は、２つの反射面により２回光路を折り返すことにより薄型化されたトリプルパス型の光学系であり、光軸Ｌ上でそれぞれ下流側及び上流側に配列されるフィルタ３２０及びレンズ３１０を有する。光学系３００は、レンズ３１０により画像光５０を拡散して画像を拡大する。
【００１６】  フィルタ３２０は、画像光５０を処理する複数の素子を含む。フィルタ３２０は、レンズ３１０の下流側に配置され、上流側から下流側に順に重ねられた第５λ／４板（不図示）、反射型偏光板３２１、及び第２偏光板（不図示）を含む。
【００１７】  第５λ／４板は、レンズ３１０を介した画像光５０を、その２つの偏光成分に四分の１波長の位相差を与えて変調する素子である。
【００１８】  反射型偏光板３２１は、第１透過反射面の一例であり、互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過する素子である。一例として、反射型偏光板３２１は、垂直方向の直線偏光を透過し、水平方向の直線偏光を反射する。
【００１９】  第２偏光板３２０は、互いに直交する直線偏光の一方を吸収して、他方を透過する素子である。一例として、第２偏光板３２０は、垂直方向の直線偏光を透過し、水平方向の直線偏光を吸収する。
【００２０】  レンズ３１０は、画像光５０を拡散して画像を拡大する素子である。レンズ３１０は、例えば−５〜＋２の範囲内の任意の値のジオプタ（ｄｉｏｐｔｅｒ、メートル単位の焦点距離の値の逆数）を有するよう設計されている。レンズ３１０は、その上流側の一面に第２透過反射面の一例であるハーフミラー面３１１を有する。ハーフミラー面３１１は、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する曲面、特に非球面である。
【００２１】  図２Ａに、レンズ３１０のハーフミラー面（ＨＭ）３１１の面形状の一例を示す。ここで、実線は、ハーフミラー面（ＨＭ）３１１の非球面形状を面径に対する面位置Ｚにより示す。破線は、ハーフミラー面（ＨＭ）３１１の曲面角度の変化量Δθを面径に対して示す。ハーフミラー面３１１の面形状は、中心から外側に離れるほど面位置Ｚがずれるが、曲面角度の変化量Δθは中心から外側に離れるほど減少傾向になっている。
【００２２】  図２Ｂに、レンズ３１０のハーフミラー面（ＨＭ）３１１での反射後の光束コーン角特性の一例を示す。ここで、実線は、ハーフミラー面（ＨＭ）３１１で反射した後の光束コーン角を反射位置に対して示す。ただし、反射前の光束の幅は５ｍｍ、コーン角度は無限遠条件（平行）と設定した。破線は、ハーフミラー面（ＨＭ）３１１で反射した後の光束コーン角の変化量の推移を反射位置に対して示す。光束コーン角は、ハーフミラー面３１１の中心から外側に離れるほど小さく、変化量は増加傾向になっている。
【００２３】  ハーフミラー面３１１の曲面角度の変化量Δθが中心から外側に離れるほど減少傾向になっていることで、ハーフミラー面３１１で反射した後の光束コーン角の変化量は中心から外側に離れるほど増加傾向になる。これにより、ハーフミラー面３１１を光軸方向に移動して画像光５０のハーフミラー面３１１上での反射位置を面径方向に変えることで、像面湾曲を補正することが可能となる。
【００２４】  なお、レンズ３１０に代えて、複数のレンズを含む光学素子を組み合わせて画像光５０にレンズ作用を及ぼすレンズ素子を採用してもよい。
【００２５】  制御装置３９０は、光学装置１００の構成各部を制御する装置である。制御装置３９０は、例えば筐体４００内に含まれる回転モータ、アクチュエータ等（不図示）により後述する移動装置４１０のガイドリング４３０を回転させてレンズ３１０を光軸Ｌ方向に駆動してよい。
【００２６】  また、制御装置３９０は、光学系３００の状態、例えば光学系３００のジオプタに応じて画像の歪補正値を変更する。例えば、トリプルパス型の光学系３００では、虚像が糸巻き歪曲する傾向にある。そこで、制御装置３９０は、表示器１１０に、光学系３００による糸巻き歪曲が相殺される量の樽型に歪曲した画像を表示させることで歪曲を補正する。ここで、光学系３００の歪曲を事前にカメラ等を用いて測定し、これを相殺する樽型歪曲した画像を生成するための歪曲量を歪補正値として制御装置３９０に記憶させる。光学系３００による歪曲の程度がジオプタ毎に異なる場合、ジオプタ毎に歪曲を測定し、歪補正値を制御装置３９０に記憶させる。制御装置３９０は、光学系３９０のジオプタに応じた歪補正値を表示器１１０に入力して、その歪補正値に応じた樽型歪曲の画像を表示器１１０に表示させることで、ユーザにより選択されたジオプタの歪曲を補正する。
【００２７】  筐体４００は、表示器１１０、回折光学素子２００、及び光学系３００を収容する。筐体４００は、フィルタ３２０（特に反射型偏光板３２１）に対してレンズ３１０（特にハーフミラー面３１１）を光軸Ｌに沿って移動する移動装置４１０を保持する。フィルタ３２０に対してレンズ３１０を移動してそれらの間での画像光５０の光路の折返し長さを変えることで、拡大虚像の位置を変えることができる。移動装置４１０の構成についてはさらに後述する。
【００２８】  光学装置１００が表示器１１０の画像光５０をユーザの眼３０に導く原理について説明する。
【００２９】  表示器１１０は、無偏光の画像光５０を生成し、出力する。画像光５０を無偏光とすることで、色収差を補正するための第１ＧＰＨに画像光５０を通す際に輝度むらを防止することができる。
【００３０】  表示器１１０から出力された画像光５０は、回折光学素子２００に入射する。回折光学素子２００内で、画像光５０は、まず第１ＧＰＨ素子に入る。それにより、無偏光の画像光５０の±１次回折光の一方が左回りの円偏光として拡散して出力されるとともに、他方が右回りの円偏光として集光して出力される。画像光５０は、次に、第１λ／４板に入る。それにより、左回りの円偏光の画像光５０は水平方向の直線偏光に変調され、右回りの円偏光の画像光５０は垂直方向の直線偏光に変調される。画像光５０は、次に、ＣＳＦに入る。それにより、特定波長域の水平方向の直線偏光の画像光５０は垂直方向の直線偏光に変調され、特定波長域外の垂直方向の直線偏光の画像光５０とともに出力される。特定波長域の垂直方向の直線偏光の画像光５０は水平方向の直線偏光に変調され、後に第１偏光板により除去される。それにより、波長域に応じて、第１ＧＰＨ素子から出力される拡散光及び集束光のいずれかが回折光学素子２００から出力される、つまり波長域に応じて光路が変更されることで、色収差が補正される。以降、ＣＳＦから出力される垂直方向の直線偏光の画像光５０についてのみ説明する。
【００３１】  画像光５０は、次に、第２λ／４板に入る。それにより、垂直方向の直線偏光の画像光５０は左回りの円偏光に変調される。画像光５０は、次に、第２ＧＰＨ素子に入る。それにより、左回り円偏光の画像光５０は、集光作用を受けつつ右回りの円偏光に変調される。画像光５０は、次に、第３λ／４板に入る。それにより、右回りの円偏光の画像光５０は垂直方向の直線偏光に変調される。画像光５０は、次に、第１偏光板に入る。垂直方向の直線偏光の画像光５０は第１偏光板を透過し、水平方向の直線偏光の不要光は第１偏光板により吸収される。画像光５０は、次に、第４λ／４板に入る。それにより、垂直方向の直線偏光の画像光５０は左回りの円偏光に変調される。画像光５０は、このように左回りの円偏光に変調され且つ色収差が補償されて回折光学素子２００から下流側に出力される。
【００３２】  なお、本実施形態に係る光学装置１００では、回折光学素子２００内の第１λ／４板及びＣＳＦ素子により垂直方向の直線偏光に変調された画像光５０を利用し、水平方向の直線偏光に変調された画像光５０を不要光として第１偏光板により除去することとしたが、これに代えて、回折光学素子２００内の第１λ／４板及びＣＳＦ素子により水平方向の直線偏光に変調された画像光５０を利用し、垂直方向の直線偏光に変調された画像光５０を不要光として第１偏光板により除去することとしてもよい。
【００３３】  回折光学素子２００から出力された画像光５０は、光学系３００に入る。光学系３００内で、画像光５０は、まずレンズ３１０に入射する。それにより、偏光状態によることなく、半分の強度の画像光５０がハーフミラー面３１１を透過し、レンズ作用を受けて拡大して下流側に出力されるとともに、残りの半分の強度の画像光５０がハーフミラー面３１１で反射される。
【００３４】  画像光５０は、次にフィルタ３２０に入射する。フィルタ３２０内で、画像光５０は、まず第５λ／４板に入る。それにより、左回りの円偏光の画像光５０は水平方向の直線偏光に変調される。画像光５０は、次に反射型偏光板に入る。それにより、水平方向の直線偏光の画像光５０は反射される。画像光５０は、再度、第５λ／４板に入る。それにより、水平方向の直線偏光の画像光５０は右回りの円偏光に変調される。画像光５０は、このようにフィルタ３２０により反射されて上流側に出力される。
【００３５】  画像光５０は、レンズ３１０に下流側から入射する。それにより、画像光５０はレンズ作用を受けて拡大し、半分の強度の画像光５０がハーフミラー面３１１で反射されることでレンズ作用を受けてさらに拡大し、下流側に出力されるとともに、残りの半分の強度の画像光５０はハーフミラー面３１１を透過する。
【００３６】  画像光５０は、再度フィルタ３２０に入射する。フィルタ３２０内で、画像光５０は、まず第５λ／４板に入る。それにより、右回りの円偏光の画像光５０は垂直方向の直線偏光に変調される。画像光５０は、次に反射型偏光板に入る。垂直方向の直線偏光の画像光５０は反射型偏光板を透過する。画像光５０は、次に第２偏光板に入る。垂直方向の直線偏光の画像光５０は第２偏光板を透過し、水平方向の直線偏光の不要光は第２偏光板により吸収される。拡散された画像光５０は、フィルタ３２０から下流側に出力される。
【００３７】  このように、画像光５０は、光学系３００内で一度レンズ３１０を通った後、フィルタ３２０により反射されてレンズ３１０を往復することで、レンズ３１０によるレンズ作用をさらに受けて拡大され、下流側に出力され、そしてユーザの眼３０に導かれる。
【００３８】  図３Ａ及び図３Ｂに、それぞれ、移動装置４１０の全体構成及び分解構成を示す。移動装置４１０は、第１ケース４２０、第２ケース４４０、及びガイドリング４３０を含む。
【００３９】  第１ケース４２０は、第２ケース４４０をその内部空間４２０ａに繰り出し可能に収容する筐体である。第１ケース４２０は、胴部４２１、第１及び第２フランジ部４２２，４２３を有する。胴部４２１は、内部空間４２０ａを含む円筒形状を有し、側面に、軸方向に延びるスリット４２１ａが設けられている。第１フランジ部４２２は、胴部４２１の一端から外向きに張り出して形成されるともともに、内側に延びて胴部４２１の内径より小さい円形状の開口４２２ａを形成する。第２フランジ部４２３は、胴部４２１の他端から外向きに張り出して形成される。
【００４０】  第２ケース４４０は、レンズ３１０等を収容する筐体である。本実施形態では、第２ケース４４０は、図面手前から奥に向かって順に表示器１１０、回折光学素子２００、及びレンズ３１０を収容する。第２ケース４４０は、胴部４２１の内径に等しい又は若干小さい外径を有する有底円筒形状に成形され、側面上にガイドピン４４１が設けられている。
【００４１】  ガイドリング４３０は、第１ケース４２０内で第２ケース４４０の移動をガイドする部材である。ガイドリング４３０は、胴部４２１の外径に等しい又は若干大きい内径を有する円筒形状を有し、側面に、螺旋状に延びるスリット４３０ａが設けられている。
【００４２】  移動装置４１０は、次のように組み立てられる。まず、第２ケース４４０のガイドピン４４１を胴部４２１のスリット４２１ａに入れつつ、第２ケース４４０を第１ケース４２０の内部空間４２０ａに挿入する。第２ケース４４０は、第１ケース４２０内で第１フランジ部４２２の内縁に当接して位置決めされる。そして、胴部４２１のスリット４２１ａから上方に突出するガイドピン４４１をガイドリング４３０のスリット４３０ａに入れつつ、第１及び第２フランジ部４２２，４２３の間の胴部４２１の外周にガイドリング４３０を嵌め入れる。
【００４３】  なお、フィルタ３２０は、筐体４００内で移動装置４１０の下流側に固定される。
【００４４】  図４Ａから図４Ｃに、移動装置４１０によるレンズ移動の原理を示す。まず、図４Ａに示す状態（最小離間状態）では、ガイドピン４４１はガイドリング４３０のスリット４３０ａの一側に位置する。このとき、第２ケース４４０は第１ケース４２０内に退避している。つまり、レンズ３１０はフィルタ３２０に最も近接する。次に、図４Ｂ（繰り出し状態）に示すように、ガイドリング４３０の図面手前の側面を上方に回転することにより、ガイドピン４４１が螺旋状のスリット４３０ａによりガイドされて胴部４２１のスリット４２１ａ内を図面右方に移動し、これに伴って第２ケース４４０が第１ケース４２０から図面右方に繰り出される。図４Ｃ（最大離間状態）に示すように、ガイドピン４４１がガイドリング４３０のスリット４３０ａの他側に達することで、第２ケース４４０は第１ケース４２０から最も繰り出される。つまり、レンズ３１０はフィルタ３２０から最も離間する。逆に、ガイドリング４３０の図面手前の側面を下方に回転することにより、ガイドピン４４１が螺旋状のスリット４３０ａによりガイドされて胴部４２１のスリット４２１ａ内を図面左方に移動し、これに伴って、図４Ａ（最小離間状態）に示すように、第２ケース４４０が第１ケース４２０内に退避する。
【００４５】  従って、移動装置４１０は、表示器１１０、回折光学素子２００、及びレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）の相対位置関係を維持して、フィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対して相対的に移動させる。
【００４６】  図５Ａ及び図５Ｂに、それぞれ、第１変形例に係る移動装置４１１の全体構成及び分解構成を示す。移動装置４１１は、第１ケース４２０、第２ケース４４０、ガイドリング４３１、及び第２フランジ部４２３を含む。
【００４７】  第１ケース４２０は、先述の胴部４２１及び第１フランジ部４２２を有する。
【００４８】  第２ケース４４０は、先述のそれと同様に構成されている。
【００４９】  ガイドリング４３１は、胴部４２１の外径に等しい又は若干大きい内径を有する円筒形状を有し、側面に、螺旋状に延び且つ一側が円筒の一端に向かって開くスリット４３１ａが設けられている。なお、円筒の一端に向かって開くスリット４３１ａの一側を開口端、スリット４３１ａのうちの螺旋状に延びる部分を螺旋部と呼ぶ。
【００５０】  第２フランジ部４２３は、先述の第１ケース４２０から独立した部材として、リング状に成形されている。第２フランジ部４２３の内径は胴部４２１の内径に等しく、その外径は胴部４２１の外径より大きい。
【００５１】  移動装置４１１は、次のように組み立てられる。まず、第２ケース４４０のガイドピン４４１を胴部４２１のスリット４２１ａに入れつつ、第２ケース４４０を第１ケース４２０の内部空間４２０ａに挿入する。第２ケース４４０は、第１ケース４２０内で第１フランジ部４２２の内縁に当接して位置決めされる。次いで、胴部４２１のスリット４２１ａから上方に突出するガイドピン４４１をガイドリング４３１のスリット４３１ａの開口端からその内部に入れ、第１ケース４２０に対してガイドリング４３１を回転することでガイドピン４４１をスリット４３１ａの螺旋部に入れる。最後に、第２フランジ部４２３を胴部４２１の端部に接着、溶着、ネジ留め等により固定する。これにより、ガイドリング４３１が、第１及び第２フランジ部４２２，４２３の間の胴部４２１の外周に嵌め入れられる。
【００５２】  図６Ａから図６Ｃに、移動装置４１１によるレンズ移動の原理を示す。まず、図６Ａに示す状態（最小離間状態）では、ガイドピン４４１はガイドリング４３１のスリット４３１ａの一側に位置する。このとき、第２ケース４４０は第１ケース４２０内に退避している。つまり、レンズ３１０はフィルタ３２０に最も近接する。次に、図６Ｂ（繰り出し状態）に示すように、ガイドリング４３１の図面手前の側面を上方に回転することにより、ガイドピン４４１がスリット４３１ａの螺旋部によりガイドされて胴部４２１のスリット４２１ａ内を図面右方に移動し、これに伴って第２ケース４４０が第１ケース４２０から図面右方に繰り出される。図６Ｃ（最大離間状態）に示すように、ガイドピン４４１がガイドリング４３１のスリット４３１ａの他側に達することで、第２ケース４４０は第１ケース４２０から最も繰り出される。つまり、レンズ３１０はフィルタ３２０から最も離間する。逆に、ガイドリング４３１の図面手前の側面を下方に回転することにより、ガイドピン４４１がスリット４３１ａの螺旋部によりガイドされて胴部４２１のスリット４２１ａ内を図面左方に移動し、これに伴って、図６Ａ（最小離間状態）に示すように、第２ケース４４０が第１ケース４２０内に退避する。
【００５３】  従って、移動装置４１１は、移動装置４１０と同様に、表示器１１０、回折光学素子２００、及びレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）の相対位置関係を維持して、フィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対して相対的に移動させる。
【００５４】  図７Ａ及び図７Ｂに、それぞれ、第２変形例に係る移動装置４１２の全体構成及び分解構成を示す。移動装置４１２は、第１ケース４２０、第２ケース４４０、ガイドリング４３２、及び第２フランジ部４２３を含む。
【００５５】  第１ケース４２０、第２ケース４４０、及び第２フランジ部４２３は、先述の第１変形例に係る移動装置４１１におけるそれらと同様に構成されている。ただし、第２ケース４４０のガイドピン４４１は、第１変形例におけるそれに対して幾らか低く形成されている。
【００５６】  ガイドリング４３２は、胴部４２１の外径に等しい又は若干大きい内径を有する円筒形状を有し、側面に、螺旋状に延びるスリット４３２ａ及びスリット４３２ａの一側から円筒の一端に向かって内面に設けられた溝状のトンネル部４３２ｂが設けられている。トンネル部４３２ｂにおける厚さは、他の部分より薄い。
【００５７】  なお、スリット４３２ａに代えて、ガイドリング４３２の内面に螺旋状の溝部を形成してもよい。溝部は、その一側にてトンネル部４３２ｂに連なる。これにより、第２ケース４４０が、ガイドリング４３２により第１ケース４２０内に密封され、塵等の異物の混入を防止することができる。
【００５８】  移動装置４１２は、次のように組み立てられる。まず、第２ケース４４０のガイドピン４４１を胴部４２１のスリット４２１ａに入れつつ、第２ケース４４０を第１ケース４２０の内部空間４２０ａに挿入する。第２ケース４４０は、第１ケース４２０内で第１フランジ部４２２の内縁に当接して位置決めされる。次いで、胴部４２１のスリット４２１ａから上方に突出するガイドピン４４１をガイドリング４３２のトンネル部４３２ｂを介してスリット４３２ａに入れ、第１ケース４２０に対してガイドリング４３２を回転することでガイドピン４４１をスリット４３２ａの奥方に移動する。最後に、第２フランジ部４２３を胴部４２１の端部に接着、溶着、ネジ留め等により固定する。これにより、ガイドリング４３２が、第１及び第２フランジ部４２２，４２３の間の胴部４２１の外周に嵌め入れられる。
【００５９】  図８Ａから図８Ｃに、移動装置４１２によるレンズ移動の原理を示す。まず、図８Ａに示す状態（最小離間状態）では、ガイドピン４４１はガイドリング４３２のスリット４３２ａの一側に位置する。このとき、第２ケース４４０は第１ケース４２０内に退避している。つまり、レンズ３１０はフィルタ３２０に最も近接する。次に、図８Ｂ（繰り出し状態）に示すように、ガイドリング４３２の図面手前の側面を上方に回転することにより、ガイドピン４４１がスリット４３２ａによりガイドされて胴部４２１のスリット４２１ａ内を図面右方に移動し、これに伴って第２ケース４４０が第１ケース４２０から図面右方に繰り出される。図８Ｃ（最大離間状態）に示すように、ガイドピン４４１がガイドリング４３２のスリット４３２ａの他側に達することで、第２ケース４４０は第１ケース４２０から最も繰り出される。つまり、レンズ３１０はフィルタ３２０から最も離間する。逆に、ガイドリング４３２の図面手前の側面を下方に回転することにより、ガイドピン４４１がスリット４３２ａによりガイドされて胴部４２１のスリット４２１ａ内を図面左方に移動し、これに伴って、図８Ａ（最小離間状態）に示すように、第２ケース４４０が第１ケース４２０内に退避する。
【００６０】  従って、移動装置４１２は、移動装置４１０と同様に、表示器１１０、回折光学素子２００、及びレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）の相対位置関係を維持して、フィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対して相対的に移動させる。
【００６１】  光学装置１００において、虚像位置に表示される虚像の像面湾曲を光学系３００の焦点深度内に収める必要がある。しかし、トリプルパス型の光学系３００の場合、焦点深度が浅いため、光学系３００のジオプタを変更するとこれに伴って像面湾曲が焦点深度内に収まらなくなるという問題がある。そこで、本実施形態に係る光学装置１００では、移動装置４１０によりフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対してレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）を光軸Ｌに沿って移動させ、反射型偏光板３２１及びハーフミラー面３１１の間の距離を変えることで像面湾曲を調節し、ジオプタごとに焦点深度内に収まることを可能とする。
【００６２】  図９Ａから図９Ｃに、光学系３００のジオプタを一意に設定し、フィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対してレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）を光軸Ｌに沿って移動させて反射型偏光板３２１及びハーフミラー面３１１の間の距離（空間距離又はエアー距離と呼ぶ）ａを変えた場合における光線の軌跡及び像面湾曲の変化を示す。ただし、光線逆追跡シミュレーションにより、虚像位置からアイボックスに向けて光線を引き、これをアイボックスで再帰反射させて表示器１１０に向かう光線の軌跡を辿り、表示上に結像される像面の湾曲を解析した。なお、本例では、光学系３００のジオプタを−３とした。各図には、アイボックスから上流側に水平に反射して表示器１１０の表示面の中心に到達する光線（中心光５１と呼ぶ）及びアイボックスから上流側に斜め上方に反射して表示器１１０の上端に達する光線（周辺光５２と呼ぶ）を示す。
【００６３】  図９Ａに、エアー距離ａ＝１．５ｍｍの場合における光線の軌跡及び表示器１１０の表示面上での像面湾曲を示す。なお、像面湾曲は、光線が最も集束する光軸Ｌ方向の位置において示す。ここで、実線はタンジェンシャル面上の像面湾曲を示し、破線はサジタル面上の像面湾曲を示す。ハッチングした領域は光学系３００の焦点視度の範囲を表し、この範囲内に像面湾曲が収まっている必要がある。アイボックスから上流側に水平に反射した中心光５１は、フィルタ３２０を透過し、レンズ３１０に入りハーフミラー面３１１の中央で反射し、集光されて下流側に透過し、フィルタ３２０内の反射型偏光板３２１にて反射し、レンズ３１０を透過してさらに集光され、回折光学素子２００を介して表示器１１０の中心に達する。アイボックスから上流側に斜め上方に反射した周辺光５２は、フィルタ３２０を透過し、レンズ３１０に入りハーフミラー面３１１の上側で反射し、集光されて下流側に斜め下方に透過し、フィルタ３２０内の反射型偏光板３２１にて反射し、レンズ３１０を透過してさらに集光され、回折光学素子２００を介して表示器１１０の上端に達する。像面は、表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像する傾向があり、焦点深度の範囲をいくらか超えている。
【００６４】  図９Ｂに、エアー距離ａ＝１．７ｍｍの場合における光線の軌跡及び表示器１１０の表示面上での像面湾曲を示す。アイボックスから上流側に水平に反射した中心光５１は、エアー距離ａ＝１．５ｍｍの場合と同様に集光して、同じ光路を辿って表示器１１０の中心に達する。アイボックスから上流側に斜め上方に反射した周辺光５２は、フィルタ３２０を透過し、レンズ３１０に入りハーフミラー面３１１のさらに上側で反射し、集光されて下流側に斜め下方に透過し、フィルタ３２０内の反射型偏光板３２１にて反射し、レンズ３１０を透過してさらに集光され、回折光学素子２００を介して表示器１１０の上側に達する。像面湾曲は小さく、焦点深度内に収まっている。
【００６５】  図９Ｃに、エアー距離ａ＝１．９ｍｍの場合における光線の軌跡及び表示器１１０の表示面上での像面湾曲を示す。アイボックスから上流側に水平に反射した中心光５１は、エアー距離ａ＝１．５ｍｍの場合と同様に集光して、同じ光路を辿って表示器１１０の中心に達する。アイボックスから上流側に斜め上方に反射した周辺光５２は、フィルタ３２０を透過し、レンズ３１０に入りハーフミラー面３１１のさらに上側で反射し、集光されて下流側に斜め下方に透過し、フィルタ３２０内の反射型偏光板３２１にて反射し、レンズ３１０を透過してさらに集光され、回折光学素子２００を介して表示器１１０の上側に達する。像面は、表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像する傾向があり、焦点深度の範囲をいくらか超えている。
【００６６】  図１０Ａは、光学装置１００における光線区間の定義を示す。ここで、光線区間の１は、アイボックスからフィルタ３２０の出射面までの区間、２は、フィルタ３２０の入射面からレンズ３１０の出射面までの区間、３は、レンズ３１０の出射面からレンズ３１０の入射面（ハーフミラー面３１１）までの区間、４は、レンズ３１０の入射面（ハーフミラー面３１１）からレンズ３１０の出射面までの区間、５は、レンズ３１０の出射面からフィルタ３２０の入射面までの区間、６は、フィルタ３２０の入射面からレンズ３１０の出射面までの区間、７は、レンズ３１０の出射面からレンズ３１０の入射面までの区間、８は、レンズ３１０の入射面から回折光学素子２００の出射面までの区間、９は、回折光学素子２００の入射面から表示器１１０の出射面までの区間を示す。なお、図１０Ａにおいて周辺光５２に対して光線区間を定義したが、中心光５１についても同様に定義される。
【００６７】  図１０Ｂは、図１０Ａにおいて定義した光学装置１００における光線区間１〜９のそれぞれにおける中心光５１及び周辺光５２のコーン角を示す。中心光５１のコーン角は、エアー距離ａ＝１．５，１．７，１．９ｍｍのそれぞれについて等しく、光線区間１及び２においてゼロ、区間３及び４において増大する、すなわちレンズ３１０内に入ることで広がり、区間５及び６で一定となり、区間７で減少し、区間８で再度増大して、区間９で最大角で表示器１１０に到達する。周辺光５２のコーン角の振る舞いは、中心光５１のコーン角と同じである。ただし、周辺光５２のコーン角は、周辺光５２がレンズ３１０に入る区間４以降、エアー距離に応じて差が生じる。すなわち、エアー距離が大きいほど、周辺光５２がハーフミラー面３１１の上側に入ることで、コーン角が小さくなり、周辺光５２は遠くに集光する。エアー距離が小さいほど、周辺光５２がハーフミラー面３１１の下側に入ることで、コーン角は大きくなり、周辺光５２は近くに集光する。
【００６８】  エアー距離を変えることで画面中心での光束集束位置に対して画面周辺の光束集束位置を前後に変えることができ、それにより像面湾曲を調整することができる。なお、図２Ｂに示すようにコーン角の変化量はハーフミラー面３１１の周辺ほど大きくなるから、エアー距離を変えることで像面湾曲を補正することができる。
【００６９】  図１１は、ジオプタ−５，−３，−１，＋２のそれぞれについて、エアー距離に対する像面湾曲の変化を示す。像面湾曲は、エアー距離が増大するにつれて減少し、あるエアー距離で最小を示し、エアー距離がさらに増大するにつれて増大する振る舞いを示す。各ジオプタについて、像面湾曲が最小となるエアー距離がある。従って、ユーザの視度に応じて大まかにジオプタを選択して光学系３００を設計し、その光学系３００をフィルタ３２０に対して移動させることでより精密に視度に合わせて像面湾曲を最小化することができることがわかる。
【００７０】  図１２Ａに、モデル１から３に係る光学装置１００が備える回折光学素子２００、レンズ３１０、及びフィルタ３２０の詳細構成を示す。モデル１において、回折光学素子２００は、ＧＰＬ（ＧＰＨレンズ）素子、フィルタＡ、ＧＰＬ素子、及びフィルタＢを上流側から下流側に順に重ねて構成される。レンズ３１０は、ハーフミラー及び両凸レンズを上流側から下流側に順に重ねて構成される。フィルタ３２０は、λ／４板、反射型偏光板、及び偏光板を上流側から下流側に順に重ねて構成される。モデル１に係る光学装置１００では、回折光学素子２００は上述の実施形態に係る回折光学素子２００と同様に構成され、２つのＧＰＨ素子（ＧＰＬ素子）及びＣＳＦ素子により色収差が抑えられる。モデル２において、回折光学素子２００は、フィルタＣから構成される。レンズ３１０は、ハーフミラー、両凸レンズ、及び凹メニスカスレンズを上流側から下流側に順に重ねて構成される。フィルタ３２０は、モデル１と同様に構成される。モデル２に係る光学装置１００では、回折光学素子２００はＧＰＨ素子（ＧＰＬ素子）及びＣＳＦ素子を含まず、レンズ３１０の構成のみにより色収差が抑えられる。モデル３において、回折光学素子２００は、ＧＰＬ素子及びフィルタＢを上流側から下流側に順に重ねて構成される。レンズ３１０は、モデル２と同様に構成される。フィルタ３２０は、モデル１と同様に構成される。モデル３に係る光学装置１００では、回折光学素子２００はＣＳＦ素子を含まず、ＧＰＨ素子（ＧＰＬ素子）のみにより色収差が抑えられる。
【００７１】  図１２Ｂに、フィルタＡからＣの詳細構成を示す。各フィルタは、右欄に列挙された素子を上流側から下流側に順に重ねて構成される。
【００７２】  図１３Ａに、実施例１に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例１では、図１２Ａのモデル１を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。光学装置１００では、モデル１のレンズ構成にレンズパラメータを適用してレンズ３１０を設計することでその焦点距離Ｂが一意に定まり、光学系３００の全体の焦点距離Ａをエアー距離等を調整して定めることで、ユーザの視度に応じて拡大虚像の位置を調節することができる。そこで、レンズ３１０の焦点距離Ｂに対する光学系３００の全体の焦点距離Ａの比Ａ／Ｂにより光学装置１００の詳細構成を総表することができると考えられる。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．１８３，０．１７６，０．１６８と与えられる。なお、視度Ｘは、光学系による拡大虚像がアイボックスから光軸上に１／Ｘ［ｍ］の位置にできる状態のことを示す。ただし、符号は、像が光学系より下流側にできたときを正とする。
【００７３】  図１３Ｂ、図１３Ｃ、及び図１３Ｄに、実施例１に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１８３，０．１７６，０．１６８）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００７４】  図１３Ｅ、図１３Ｆ、及び図１３Ｇに、実施例１に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１８３，０．１７６，０．１６８）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００７５】  図１３Ｈ、図１３Ｉ、及び図１３Ｊに、実施例１に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１８３，０．１７６，０．１６８）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【００７６】  図１３Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．１８３）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００７７】  図１３Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．１７６）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において幾分上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００７８】  図１３Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．１６８）において、像面は、タンジェンシャル面及びサジタル面上で表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像している。なお、像面湾曲の波長依存性は非常に小さい。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００７９】  実施例１に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１８３，０．１７６，０．１６８）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−３％程度であった。
【００８０】  図１４Ａに、実施例２に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例２では、図１２Ａのモデル１を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．２１０，０．２０２，０．１９３と与えられる。
【００８１】  図１４Ｂ、図１４Ｃ、及び図１４Ｄに、実施例２に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１０，０．２０２，０．１９３）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００８２】  図１４Ｅ、図１４Ｆ、及び図１４Ｇに、実施例２に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１０，０．２０２，０．１９３）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００８３】  図１４Ｈ、図１４Ｉ、及び図１４Ｊに、実施例２に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１０，０．２０２，０．１９３）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【００８４】  図１４Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．２１０）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００８５】  図１４Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２０２）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において幾分上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００８６】  図１４Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．１９３）において、像面は、タンジェンシャル面及びサジタル面上で表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像している。なお、像面湾曲の波長依存性はほぼ見られない。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００８７】  実施例２に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１０，０．２０２，０．１９３）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−３％程度であった。
【００８８】  図１５Ａに、実施例３に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例３では、図１２Ａのモデル１を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．２８３，０．２７０，０．２５４と与えられる。
【００８９】  図１５Ｂ、図１５Ｃ、及び図１５Ｄに、実施例３に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８３，０．２７０，０．２５４）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００９０】  図１５Ｅ、図１５Ｆ、及び図１５Ｇに、実施例３に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８３，０．２７０，０．２５４）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００９１】  図１５Ｈ、図１５Ｉ、及び図１５Ｊに、実施例３に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８３，０．２７０，０．２５４）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【００９２】  図１５Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．２８３）において、像面は、タンジェンシャル面及びサジタル面上で表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００９３】  図１５Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２７０）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において幾分下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００９４】  図１５Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．２５４）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上ではほとんど歪曲してない。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【００９５】  実施例３に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８３，０．２７０，０．２５４）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−３％程度であった。
【００９６】  図１６Ａに、実施例４に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例４では、図１２Ａのモデル１を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．３１７，０．２９９，０．２７９と与えられる。
【００９７】  図１６Ｂ、図１６Ｃ、及び図１６Ｄに、実施例４に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３１７，０．２９９，０．２７９）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００９８】  図１６Ｅ、図１６Ｆ、及び図１６Ｇに、実施例４に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３１７，０．２９９，０．２７９）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【００９９】  図１６Ｈ、図１６Ｉ、及び図１６Ｊに、実施例４に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３１７，０．２９９，０．２７９）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１００】  図１６Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．３１７）において、像面は、タンジェンシャル面及びサジタル面上で表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１０１】  図１６Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２９９）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において幾分下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１０２】  図１６Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．２７９）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心に対して周辺において下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１０３】  実施例４に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３１７，０．２９９，０．２７９）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−３％程度であった。
【０１０４】  図１７Ａに、実施例５に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例５では、図１２Ａのモデル２を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．１７９，０．１７５，０．１７１と与えられる。
【０１０５】  図１７Ｂ、図１７Ｃ、及び図１７Ｄに、実施例５に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７９，０．１７５，０．１７１）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１０６】  図１７Ｅ、図１７Ｆ、及び図１７Ｇに、実施例５に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７９，０．１７５，０．１７１）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１０７】  図１７Ｈ、図１７Ｉ、及び図１７Ｊに、実施例５に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７９，０．１７５，０．１７１）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１０８】  図１７Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．１７９）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに振動し、中心に対して周辺において幾分上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１０９】  図１７Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．１７５）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに振動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１１０】  図１７Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．１７１）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１１１】  実施例５に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７９，０．１７５，０．１７１）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−２％程度であった。
【０１１２】  図１８Ａに、実施例６に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例６では、図１２Ａのモデル２を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．２０４，０．２０１，０．１９６と与えられる。
【０１１３】  図１８Ｂ、図１８Ｃ、及び図１８Ｄに、実施例６に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２０４，０．２０１，０．１９６）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１１４】  図１８Ｅ、図１８Ｆ、及び図１８Ｇに、実施例６に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２０４，０．２０１，０．１９６）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１１５】  図１８Ｈ、図１８Ｉ、及び図１８Ｊに、実施例６に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２０４，０．２０１，０．１９６）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１１６】  図１８Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．２０４）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において幾分下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１１７】  図１８Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２０１）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１１８】  図１８Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．１９６）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１１９】  実施例６に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２０４，０．２０１，０．１９６）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−３％程度であった。
【０１２０】  図１９Ａに、実施例７に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例７では、図１２Ａのモデル２を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．２８９，０．２８０，０．２６９と与えられる。
【０１２１】  図１９Ｂ、図１９Ｃ、及び図１９Ｄに、実施例７に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８９，０．２８０，０．２６９）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１２２】  図１９Ｅ、図１９Ｆ、及び図１９Ｇに、実施例７に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８９，０．２８０，０．２６９）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１２３】  図１９Ｈ、図１９Ｉ、及び図１９Ｊに、実施例７に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８９，０．２８０，０．２６９）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１２４】  図１９Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．２８９）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において幾分下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１２５】  図１９Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２８０）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において幾分下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１２６】  図１９Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．２６９）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に対してほとんど変動せず、一定の位置で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１２７】  実施例７に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２８９，０．２８０，０．２６９）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−２％程度であった。
【０１２８】  図２０Ａに、実施例８に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例８では、図１２Ａのモデル３を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．１７３，０．１７０，０．１６６と与えられる。
【０１２９】  図２０Ｂ、図２０Ｃ、及び図２０Ｄに、実施例８に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７３，０．１７０，０．１６６）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１３０】  図２０Ｅ、図２０Ｆ、及び図２０Ｇに、実施例８に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７３，０．１７０，０．１６６）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１３１】  図２０Ｈ、図２０Ｉ、及び図２０Ｊに、実施例８に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７３，０．１７０，０．１６６）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１３２】  図２０Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．１７３）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において幾分上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１３３】  図２０Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．１７０）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１３４】  図２０Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．１６６）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく変動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１３５】  実施例８に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．１７３，０．１７０，０．１６６）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−２％程度であった。
【０１３６】  図２１Ａに、実施例９に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例９では、図１２Ａのモデル３を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．２１５，０．２１０，０．２０３と与えられる。
【０１３７】  図２１Ｂ、図２１Ｃ、及び図２１Ｄに、実施例９に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１５，０．２１０，０．２０３）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１３８】  図２１Ｅ、図２１Ｆ、及び図２１Ｇに、実施例９に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１５，０．２１０，０．２０３）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１３９】  図２１Ｈ、図２１Ｉ、及び図２１Ｊに、実施例９に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１５，０．２１０，０．２０３）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１４０】  図２１Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．２１５）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において幾分下流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１４１】  図２１Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２１０）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１４２】  図２１Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．２０３）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像している。なお、波長依存性はほとんど見られない。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１４３】  実施例９に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．２１５，０．２１０，０．２０３）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−２％程度であった。
【０１４４】  図２２Ａに、実施例１０に係る光学装置１００の詳細設計を示す。実施例１０では、図１２Ａのモデル３を採用し、これに対してレンズ諸元、非球面係数、ＧＰＬデータ、及び可変間隔データに与えられた各種パラメータに従って光学装置１００を設計した。本例では、視度＋２、−１、及び−５に対して比Ａ／Ｂがそれぞれ０．３０１，０．２８０，０．２５７と与えられる。
【０１４５】  図２２Ｂ、図２２Ｃ、及び図２２Ｄに、実施例１０に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３０１，０．２８０，０．２５７）に対して検出された横収差を示す。ここで、左上の一組の図は像の中心、右上の一組の図は像の上下端中心、左下の一組の図は左右端中心、右下の一組の図は対角での収差をそれぞれ示す。Ｐｙ，Ｐｘは（アイボックスの位置における）絞り面上の座標（フルスケール４ｍｍ）であり、ｅｙ，ｅｘはそれぞれタンジェンシャル面の収差量及びサジタル面の収差量（フルスケールは各図中に示す）である。実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１４６】  図２２Ｅ、図２２Ｆ、及び図２２Ｇに、実施例１０に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３０１，０．２８０，０．２５７）に対して検出された光軸上の球面収差を示す。ここで、縦軸はアイボックスの位置における正規化瞳座標（フルスケール４ｍｍ）であり、横軸は収差量である。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する収差を示す。
【０１４７】  図２２Ｈ、図２２Ｉ、及び図２２Ｊに、実施例１０に係る光学装置１００において、それぞれ視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３０１，０．２８０，０．２５７）に対して検出された像面湾曲（左図）及び像歪み（右図）を示す。像面湾曲は、図９Ａから図９Ｃに示した像面湾曲と同様に、縦軸の表示面１１０上の中心に対する位置（最外位置を１．０とした）に対して横軸上に示した。タンジェンシャル面上の像面湾曲及びサジタル面上の像面湾曲がそれぞれ示されている。像歪みは、縦軸の表示面１１０上の中心に対する対角上の位置に対して横軸上に示した。各図において、実線は波長０．５１５μｍ、点線は波長０．５２８μｍ、一点鎖線は波長０．５４４μｍに対する像面湾曲及び像歪みを示す。
【０１４８】  図２２Ｈ（視度＋２、比Ａ／Ｂ＝０．３０１）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において下流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において下流側で結像している。なお、波長依存性はほとんど見られない。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１４９】  図２２Ｉ（視度−１、比Ａ／Ｂ＝０．２８０）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて大きく振動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において幾分下流側で結像している。なお、波長依存性はほとんど見られない。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１５０】  図２２Ｊ（視度−５、比Ａ／Ｂ＝０．２５７）において、像面は、タンジェンシャル面上では表示器１１０の中心からの位置に応じて緩やかに変動し、中心に対して周辺において上流側で結像し、サジタル面上ではほとんど変動せず、ほぼ一定の位置に結像している。なお、波長依存性はほとんど見られない。像歪みは、表示器１１０の中心に対して周辺において負の歪みを示す、すなわち像は樽型に歪曲している。
【０１５１】  実施例１０に係る光学装置１００において、視度＋２、−１、及び−５（比Ａ／Ｂ＝０．３０１，０．２８０，０．２５７）に対して像面湾曲は±０．２ｍｍの範囲内であり、像歪は最大−２％程度であった。
【０１５２】  実施例１から１０における像面湾曲及び像歪みの結果より、レンズ３１０の焦点距離Ｂに対する光学系３００の全体の焦点距離Ａの比Ａ／Ｂを０．１６６から０．３１７の範囲内とすることで、或いは視度＋２に対して比Ａ／Ｂを０．１７３から０．３１７の範囲内、視度−１に対して比Ａ／Ｂを０．１７０から０．２９９の範囲内、視度−５に対して比Ａ／Ｂを０．１６６から０．２７９の範囲内とすることで、レンズ３１０の詳細設計に依らず、またＧＰＨ素子（ＧＰＬ素子）及びＣＳＦ素子による色収差補正の有無などの回折光学素子２００の詳細設計にも依らず、良好な結像特性を得ることができる。
【０１５３】  なお、図１２Ａのモデル１を採用して設計した光学装置１００に対する実施例１から４について、実施例２の結果を実施例１の結果と比較すると、横収差、球面収差、像面湾曲、及び像歪みともに相対的に良好であり、実施例３の結果を実施例４の結果と比較すると、横収差、球面収差、像面湾曲、及び像歪みともに相対的に良好である。従って、レンズ３１０の焦点距離Ｂに対する光学系３００の全体の焦点距離Ａの比Ａ／Ｂにおいて良好な結像特性が得られる範囲が存在すること、上記の範囲内において範囲外に対して相対的に良好な結像特性が得られることがわかる。
【０１５４】  なお、本実施形態に係る光学装置１００は、移動装置４１０により、表示器１１０、回折光学素子２００、及びレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）の相対位置関係を維持して、フィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対して相対的に移動させることとしたが、少なくともフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）及びレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）の間の離間距離を変えることができれば、さらに表示器１１０、回折光学素子２００、レンズ３１０、及びフィルタ３２０を移動させる構成を採用してもよい。例えば、フィルタ３２０に対してレンズ３１０を移動させるとともにレンズ３１０に対して表示器１１０を移動させてもよい。これに限らず、フィルタ３２０及びレンズ３１０の相対位置を維持して、これらに対して表示器１１０を移動させてもよい。
【０１５５】  本実施形態に係る光学装置１００は、画像を表示する表示器１１０、表示器１１０の光軸Ｌ上でそれぞれ下流側及び上流側に配列されるフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）及びレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）を有し、少なくともレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）により画像を拡大する光学系３００、フィルタ３２０、レンズ３１０、及び表示器１１０のうちの少なくとも１つを光軸Ｌに沿って移動する移動装置４１０を備える。それにより、光学系３００が有するフィルタ３２０及びレンズ３１０の間で２回光路を折り返すとともに、レンズ３１０（ハーフミラー面３１１）により画像を拡大することで、ユーザの視度に応じて拡大虚像の位置を調節することが可能となる。
【０１５６】  また、本実施形態に係る光学装置１００における光学系３００及び移動装置４１０は、ユーザの視力に応じて拡大虚像の位置を調節する視度光学系及び視度調整機構の一例であり、光学装置１００は、これらを備えることにより、小型軽薄で視度調整範囲において高い光学性能を有する。
【０１５７】  なお、本実施形態に係る光学装置１００は、フィルタ３２０（反射型偏光板３２１）に対してレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）を相対的に移動させることとしたが、可動式のレンズ３１０に代えて、可変面形状又は可変レンズパワーを有するレンズを採用してもよい。
【０１５８】  図２３は、変形例に係る光学装置１０１の構成を概略的に示す。光学装置１００は、表示器１１０、回折光学素子２００、光学系３００、制御装置３９０、及び筐体４００を備える。
【０１５９】  表示器１１０及び回折光学素子２００は、先述の実施形態に係るそれらと同様に構成される。
【０１６０】  光学系３００は、２つの反射面により２回光路を折返して薄型化されたトリプルパス型の光学系であり、光軸Ｌ上でそれぞれ下流側及び上流側に配列されるフィルタ３２０及びレンズ３３０を有する。光学系３００は、レンズ３３０の可変面形状又はレンズパワーを変えることにより、画像光５０を拡散して画像を拡大する。
【０１６１】  フィルタ３２０は、先述の実施形態に係るそれと同様に構成される。
【０１６２】  レンズ３３０として、例えば、印加電圧を調整することにより異なる屈折率を有する液体間の境界面形状を変化させることで可変面形状を実現する液体レンズを採用することができる。斯かる場合、レンズ３３０の上流側の端面に、第２透過反射面の一例であるハーフミラー面３３１を設ける。ここで、可変面形状は、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面状に形成される。例えば、図２Ａに示すような中心から外側に離れるほど面位置Ｚがずれるが、曲面角度の変化量Δθは中心から外側に離れるほど減少傾向になる面形状に形成してもよい。
【０１６３】  また、レンズ３３０として、印加電圧を調整することにより液晶の配向を制御して実効的に屈折率を変化させことで可変レンズパワーを実現する液晶レンズを採用することができる。斯かる場合、レンズ３３０の上流側の端面に、第２透過反射面の一例であるハーフミラー面３３１を設ける。ここで、可変レンズパワーは、中心からの距離に応じて曲面角度が増大又は減少する非球面に相当するように生成される。例えば、図２Ａに示すような中心から外側に離れるほど面位置Ｚがずれるが、曲面角度の変化量Δθは中心から外側に離れるほど減少傾向になる面形状に相当するように生成してもよい。
【０１６４】  制御装置３９０は、光学装置１０１の構成各部を制御する装置である。制御装置３９０は、レンズ３３０の印加電圧を調整して可変面形状又は可変レンズパワーを制御する。
【０１６５】  筐体４００は、表示器１１０、回折光学素子２００、及び光学系３００を収容する。
【０１６６】  光学装置１０１が表示器１１０の画像光５０をユーザの眼３０に導く原理について説明する。
【０１６７】  表示器１１０は、無偏光の画像光５０を生成する。
【０１６８】  表示器１１０から出力された画像光５０は、回折光学素子２００に入射する。画像光５０は、右回りの円偏光に変調され且つ色収差が補償されて回折光学素子２００から下流側に出力される。詳細は、先述の実施形態と同様である。
【０１６９】  回折光学素子２００から出力された画像光５０は、光学系３００に入る。光学系３００内で、画像光５０は、まずレンズ３３０に入射する。それにより、偏光状態によることなく、半分の強度の画像光５０がハーフミラー面３３１を透過し、レンズ作用を受けて拡大して下流側に出力されるとともに、残りの半分の強度の画像光５０がハーフミラー面３３１で反射される。
【０１７０】  画像光５０は、次にフィルタ３２０に入射する。画像光５０は、左回りの円偏光に変調され、反射されてフィルタ３２０から上流側に出力される。詳細は、先述の実施形態と同様である。
【０１７１】  画像光５０は、レンズ３３０に下流側から入射する。それにより、画像光５０はレンズ作用を受けて拡大し、半分の強度の画像光５０がハーフミラー面３３１で反射され、レンズ作用を受けてさらに拡大し、下流側に出力されるとともに、残りの半分の強度の画像光５０はハーフミラー面３３１を透過する。
【０１７２】  画像光５０は、再度フィルタ３２０に入射する。画像光５０は、水平方向の直線偏光に変調され、フィルタ３２０を透過して下流側に出力される。詳細は、先述の実施形態と同様である。
【０１７３】  画像光５０は、光学系３００内で一度レンズ３３０を通った後、フィルタ３２０により反射されてレンズ３３０を往復することで、レンズ３３０によるレンズ作用をさらに受けて拡大され、下流側に出力され、そしてユーザの眼３０に導かれる。
【０１７４】  なお、本実施形態に係る光学装置１００は、表示器１１０の画像光５０を拡大してユーザの片眼３０に導き、拡大虚像の位置を調整する。つまり、光学装置１００は、回折光学素子２００及び光学系３００を左眼及び右眼の一方の眼３０についてのみ備える。斯かる構成の光学装置１００、すなわち回折光学素子２００及び光学系３００を、両眼３０のそれぞれについて設けることで両眼用光学装置を構成してもよい。
【０１７５】  なお、本実施形態に係る光学装置１００は、没入型の仮想現実（ＶＲ）技術を採用して表示器１１０の画像光５０を拡大してユーザの眼３０に導くよう構成したが、拡張現実（ＡＲ）技術を採用して表示器１１０の画像光５０と外光とを重畳してユーザの眼３０に導くよう構成してもよい。
【０１７６】  以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
【０１７７】  請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１７８】  ３０…眼、５０…画像光、５１…中心光、５２…周辺光、１００，１０１…光学装置、１１０…表示器、２００…回折光学素子、３００…光学系、３１０…レンズ、３１１…ハーフミラー面、３２０…フィルタ、３２１…反射型偏光板、３３０…レンズ、３３１…ハーフミラー面、３９０…制御装置、４００…筐体、４１０，４１１，４１２…移動装置、４２０…第１ケース、４２０ａ…内部空間、４２１…胴部、４２１ａ…スリット、４２２…第１フランジ部、４２２ａ…開口、４２３…第２フランジ部、４３０，４３１，４３２…ガイドリング、４３０ａ，４３１ａ，４３２ａ…スリット、４３２ｂ…トンネル部、４４０…第２ケース、４４１…ガイドピン、Ｌ…光軸。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【図１３Ｊ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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【図１４Ｇ】
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【図１４Ｈ】
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【図１４Ｉ】
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【図１４Ｊ】
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【図１５Ａ】
2021106048.tif 000049
【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１５Ｉ】
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【図１５Ｊ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１６Ｇ】
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【図１６Ｈ】
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【図１６Ｉ】
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【図１６Ｊ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１７Ｆ】
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【図１７Ｇ】
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【図１７Ｈ】
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【図１７Ｉ】
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【図１７Ｊ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
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【図１８Ｇ】
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【図１８Ｈ】
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【図１８Ｉ】
2021106048.tif 000087
【図１８Ｊ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図１９Ｇ】
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【図１９Ｈ】
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【図１９Ｉ】
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【図１９Ｊ】
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【図２０Ａ】
2021106048.tif 000099
【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２０Ｆ】
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【図２０Ｇ】
2021106048.tif 000105
【図２０Ｈ】
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【図２０Ｉ】
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【図２０Ｊ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
2021106048.tif 000110
【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
2021106048.tif 000112
【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２１Ｇ】
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【図２１Ｈ】
2021106048.tif 000116
【図２１Ｉ】
2021106048.tif 000117
【図２１Ｊ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
2021106048.tif 000120
【図２２Ｃ】
2021106048.tif 000121
【図２２Ｄ】
2021106048.tif 000122
【図２２Ｅ】
2021106048.tif 000123
【図２２Ｆ】
2021106048.tif 000124
【図２２Ｇ】
2021106048.tif 000125
【図２２Ｈ】
2021106048.tif 000126
【図２２Ｉ】
2021106048.tif 000127
【図２２Ｊ】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年6月16日(2021.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の拡大虚像を生成する光学装置であって、
画像を形成する画像光を出力する表示器と、
前記画像を拡大する光学系であり、前記表示器の光軸上でそれぞれアイポイント側及び表示器側に配列される第１透過反射面及び第２透過反射面、並びに前記第２透過反射面が前記表示器側の一面に設けられるレンズ素子を有し、前記第１透過反射面は、前記画像光の少なくとも一部を透過又は反射し、前記第２透過反射面は、中心からの距離に応じて曲面角度の変化量が連続的に増大又は減少する非球面状の曲面であり、前記画像光の少なくとも一部を透過又は反射する、光学系と、
前記第１透過反射面に対して、少なくとも前記第２透過反射面を前記光軸に沿って相対移動する移動装置と、
を備える光学装置。
【請求項２】
前記移動装置は、さらに前記表示器を、前記第２透過反射面との相対位置関係を維持して移動する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１透過反射面は、前記第２透過反射面を透過した前記画像光の少なくとも一部を反射するとともに、前記第２透過反射面で反射した前記画像光の少なくとも一部を透過する、請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第１透過反射面は、互いに直交する直線偏光の一方を反射し、他方を透過する偏光素子である、請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記第１透過反射面は、平面である、請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記第２透過反射面は、前記表示器から送られる前記画像光の少なくとも一部を透過するとともに、前記第１透過反射面で反射して戻る前記画像光の一部を反射する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第２透過反射面は、ハーフミラー面である、請求項５に記載の光学装置。
【請求項８】
前記第２透過反射面の曲面角度の変化量は、前記中心から外縁にかけて１．１度から０．４度まで連続的に減少する、請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記レンズ素子の焦点距離に対する前記光学系の焦点距離の比が０．１６６から０．３１７の範囲である、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記比が視度＋２に対して０．１７３から０．３１７の範囲、視度−１に対して０．１７０から０．２９９の範囲、視度−５に対して０．１６６から０．２７９の範囲である、請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記表示器及び前記第２透過反射面の間に配置される回折光学素子をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記回折光学素子は、前記光学系の波長分散性を補償するＧＰＨ素子を含む、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記回折光学素子は、前記ＧＰＨ素子の前記アイポイント側に不要光を除去する不要光除去素子を含む、請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記不要光除去素子は、λ／４板及び直線偏光板を含む、請求項１３に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記光学系の状態に応じて前記画像の歪補正値を変化させる制御装置をさらに備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記表示器、前記光学系を収容する筐体をさらに備え、
前記第１透過反射面は前記筐体に保持され、前記第２透過反射面が筐体内で前記光軸に沿って移動する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学装置。
【国際調査報告】
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