CN115004084A - 头戴式显示器以及在该头戴式显示器中使用的虚像成像透镜 - Google Patents

头戴式显示器以及在该头戴式显示器中使用的虚像成像透镜 Download PDF

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CN115004084A CN202180010447.5A CN202180010447A CN115004084A CN 115004084 A CN115004084 A CN 115004084A CN 202180010447 A CN202180010447 A CN 202180010447A CN 115004084 A CN115004084 A CN 115004084A
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Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
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Abstract

提供一种能够扩大用户能够清晰地视觉识别图像的范围的头戴式显示器。头戴式显示器(1)具备：显示装置(3)，其将左眼用图像(3a)和右眼用图像(3b)显示于画面(3c)上；以及左眼用虚像成像光学系统(4a)及右眼用虚像成像光学系统(4b)，所述左眼用虚像成像光学系统(4a)针对画面(3c)上的左眼用图像(3a)配置，所述右眼用虚像成像光学系统(4b)针对画面(3c)上的右眼用图像(3b)配置，虚像成像光学系统(4a、4b)在用户的视线所通过的各区域被设定了正度数，并且在与光学中心相比靠光轴正交方向外侧的位置具备被设定了比光学中心的度数靠负侧的度数的度数调整区域(55)。

Description

头戴式显示器以及在该头戴式显示器中使用的虚像成像透镜
技术领域
本发明涉及一种对用户映现立体像的头戴式显示器以及在该头戴式显示器中使用的虚像成像透镜。
背景技术
近年来，虚拟现实(VR)技术和增强现实(AR)技术的研究开发发展，期待在从医疗、设计等专业领域到游戏、娱乐等一般消费领域的广泛的领域中的利用。在VR技术和AR技术中，使用一种头戴式显示器(HMD)来作为佩戴于头部的显示器装置(例如，参照专利文献1)。
头戴式显示器具备在画面上显示左眼用及右眼用图像的显示装置，通过在显示装置的画面上显示与左右眼睛分别对应的视差图像来对用户映现立体像。将像这样显示与左右眼睛对应的视差图像的立体显示方式称为双眼式立体显示。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2015/137165号
发明内容
发明要解决的问题
头戴式显示器在广角的范围内显示图像，以给用户带来高沉浸感。因此，期望的是：除了通过正面观看来视觉识别画面上显示的图像的情况以外，在通过侧面观看进行视觉识别的情况下，用户也能够清晰地视觉识别图像。
本发明以如上所述的情况为背景，其目的在于提供一种能够扩大用户能够清晰地视觉识别图像的范围的头戴式显示器以及在该头戴式显示器中使用的虚像成像透镜。
用于解决问题的方案
本发明是鉴于上述课题而完成的，其第一方面如以下那样规定。
第一方面所规定的头戴式显示器具备：显示装置，其将左眼用图像和右眼用图像显示于画面上；左眼用虚像成像光学系统及右眼用虚像成像光学系统，所述左眼用虚像成像光学系统针对所述画面上的左眼用图像配置，所述右眼用虚像成像光学系统针对所述画面上的右眼用图像配置，其中，所述虚像成像光学系统在用户的视线所通过的各区域被设定了正度数，并且在与光学中心相比靠光轴正交方向外侧的位置具备被设定了比所述光学中心的度数靠负侧的度数的度数调整区域。在此，光轴正交方向外侧是指与虚像成像光学系统的光轴正交并且远离光轴的方向。
在头戴式显示器中，使用为了获得显示于显示装置的左眼用图像和右眼用图像的虚像(放大正立像)而被设定了规定的正度数的虚像成像光学系统。普通的头戴式显示器中，在其虚像成像光学系统中使用了球面设计透镜或度数固定的非球面透镜，因此在与正面观看的情况相比从用户的眼睛到显示装置的画面的距离更远的侧面观看的情况下，显示装置的画面的位置与用户能够清晰地视觉识别图像的焦点的位置之间的偏差变大，导致用户视觉识别的图像的分辨率降低。
与此相对地，在第一方面所规定的头戴式显示器中，在与虚像成像光学系统的光学中心相比靠光轴正交方向外侧的位置设定有被设定了比光学中心的度数靠负侧的度数的度数调整区域，因此用户进行侧面观看时的焦点的位置(用户能够清晰地视觉识别图像的位置)向远方延长，能够比以往更清晰地视觉识别位于显示装置的画面的周边部的图像。即，除了通过正面观看来视觉识别显示装置的画面上显示的图像的情况以外，在通过侧面观看进行视觉识别的情况下也能够清晰地视觉识别，从而能够扩大用户能够清晰地视觉识别图像的范围。
在此，所述度数调整区域包括随着趋向光轴正交方向外侧而度数向负侧变化的区域(第二方面)。
关于第三方面所规定的头戴式显示器，在第一方面或第二方面所规定的头戴式显示器中，由具备第一透镜和第二透镜的组合透镜构成虚像成像光学系统，其中，所述第一透镜被设定了正度数，所述第二透镜是与所述第一透镜分体的透镜，具备所述度数调整区域，所述第二透镜在光轴方向上与所述第一透镜重叠地配置。
在此，第一透镜包括以往在虚像成像光学系统中使用的球面设计透镜、度数固定的非球面透镜。即，通过在以往的虚像成像光学系统中追加所述第二透镜来起到与第一方面同等的效果。
在该情况下，相较于所述光学中心处的度数与所述第二透镜的所述光学中心处的度数相等并且透镜中心厚度与所述第二透镜的透镜中心厚度相等的球面设计透镜，所述第二透镜的边缘厚度被设定得更厚(第四方面)。
关于第五方面所规定的头戴式显示器，在第一方面或第二方面所规定的头戴式显示器中，由单个透镜构成所述虚像成像光学系统。
由此，与用组合透镜构成了虚像成像光学系统的情况相比，能够实现轻量化。
在该情况下，相较于光学中心处的度数与所述单个透镜的光学中心处的度数相等并且透镜中心厚度与所述单个透镜的透镜中心厚度相等的球面设计透镜，所述单个透镜的边缘厚度被设定得更厚(第六方面)。
关于第七方面所规定的头戴式显示器，在第一方面～第六方面中的任一方面所规定的头戴式显示器中，所述显示装置具有显示所述左眼用图像的左眼用画面和显示所述右眼用图像的右眼用画面，所述头戴式显示器还具备：左眼用半透半反镜，其配置于所述左眼用虚像成像光学系统的与所述左眼用画面相反的一侧且配置于用户的左眼的前方；以及右眼用半透半反镜，其配置于所述右眼用虚像成像光学系统的与所述右眼用画面相反的一侧且配置于用户的右眼的前方。
第八方面所规定的虚像成像透镜是在头戴式显示器的虚像成像光学系统中使用的透镜，所述虚像成像透镜在用户的视线所通过的各区域被设定了正度数，并且在与光学中心相比靠光轴正交方向外侧的位置具备被设定了比所述光学中心的度数靠负侧的度数的度数调整区域。
根据像这样规定的第八方面的虚像成像透镜，在头戴式显示器中使用，从而起到与第一方面同等的效果。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式所涉及的VR用HMD的概要结构的图。
图2的(A)是示出该实施方式的VR用HMD的虚像成像透镜的一半的概要图，(B)是示意性地示出该透镜的沿着透镜的光轴正交方向的平均度数的变化的图。
图3的(A)是示出该实施方式的VR用HMD的焦点的位置与画面的关系的图。(B)是作为比较例而示出在虚像成像光学系统中使用了球面设计透镜的情况下的焦点的位置与画面的关系的图。
图4的(A)是示意性地示出与图2的(B)不同的平均度数的变化的图。(B)是示意性地示出与图2的(B)及图4的(A)不同的平均度数的变化的图。
图5是由组合透镜构成的虚像成像光学系统的概要图。
图6是示出为了确认本发明的效果而使用的图像观察装置的概要结构的图。
图7是在图6的图像观察装置中使用的虚像成像光学系统的概要结构图，(A)示出使用了由第一透镜和第二透镜组成的组合透镜的情况，(B)示出仅使用了第一透镜的情况。
图8是对由图6的图像观察装置观察到的图像进行拍摄而得到的照片，(A)示出使用了图7的(A)的虚像成像光学系统的情况，(B)示出使用了图7的(B)的虚像成像光学系统的情况。
图9是示出本发明的其它实施方式所涉及的AR用HMD的概要结构的图。
具体实施方式
下面，通过发明的实施方式来对本发明进行说明，但下面的实施方式并非对权利要求书所涉及的发明进行限定。另外，实施方式中说明的特征的全部组合未必均是发明的解决方案所必须的。
在图1中示出第一实施方式所涉及的VR用HMD(只要不产生混淆则仅称为HMD)1的概要结构。在图1及其它附图中，将用户的左眼Ea及右眼Eb沿附图的上下方向排列，将该方向设为左右方向，将附图的左右方向设为前后方向。此外，将穿过左眼Ea与右眼Eb之间的中心且沿前后方向延伸的基准线设为中心线L，将从左眼Ea与中心线L平行地向附图左侧延伸的基准线设为主视线La，将从右眼Eb与中心线L平行地向附图左侧延伸的基准线设为主视线Lb。另外，将用户的左眼Ea与右眼Eb的分离距离设为P，例如设为通过成人的左眼与右眼的平均分离距离(典型地说为65mm)来提供。HMD 1具备框架2、显示装置3、左眼用虚像成像光学系统4a以及右眼用虚像成像光学系统4b。
框架2是用于保持显示装置3及其它结构各部的壳体。框架2的形状只要是以下形状就可以是任意的形状：前表面封闭以将显示装置3保持在内侧，背面敞开以能够从背面侧看到显示装置3的显示面(画面)，侧面包围前表面的周围以覆盖观看显示装置3的双眼的周围。另外，也可以设置佩戴带(未图示)，该佩戴带从框架2的一个侧面围着用户的头后部地连接另一个侧面从而将HMD 1佩戴于用户的脸部前面。此外，设为将左眼用虚像成像光学系统4a以在用户佩戴着HMD 1的状态下左眼Ea的主视线La与左眼用虚像成像光学系统4a的光轴重叠或大致重叠的方式保持在框架2内，将右眼用虚像成像光学系统4b以在用户佩戴着HMD 1的状态下右眼Eb的主视线Lb与右眼用虚像成像光学系统4b的光轴重叠或大致重叠的方式保持在框架2内。
显示装置3是将左眼用图像3a和右眼用图像3b显示在画面3c上的装置。作为显示装置3，例如能够使用液晶显示器、有机EL显示器等平板显示器。显示装置3以将画面3c朝向背面侧的方式被保持在框架2的前表面后侧。显示装置3的画面3c包括位于左眼Ea及右眼Eb的主视线La、Lb上且分别显示左眼用图像3a和右眼用图像3b的两个区域。此外，也可以取代具有单个画面3c的显示装置3，而使用分别显示左眼用图像3a和右眼用图像3b的两个显示装置。
左眼用虚像成像光学系统4a和右眼用虚像成像光学系统4b(还仅称为虚像成像光学系统)是如下一种光学系统：针对显示装置3的画面3c上的左眼用图像3a和右眼用图像3b分别配置，将左眼用图像3a和右眼用图像3b分别虚像成像在虚像显示面Va、Vb上并将它们的放大正立像映现至左眼Ea及右眼Eb。在本实施方式中，左眼用虚像成像光学系统4a和右眼用虚像成像光学系统4b分别由单个虚像成像透镜50构成，但也可以将多个透镜组合来构成。左眼用虚像成像光学系统4a和右眼用虚像成像光学系统4b分别配置在画面3c上的分别显示左眼用图像3a和右眼用图像3b的两个区域的后方。
当用左眼Ea及右眼Eb分别借助左眼用虚像成像光学系统4a和右眼用虚像成像光学系统4b观看画面3c上的左眼用图像3a和右眼用图像3b时，它们的虚像分别被映现在虚像显示面Va、Vb上。在此，当提供视差图像作为左眼用图像3a和右眼用图像3b时，通过在用左眼Ea观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Va上的虚像的同时用右眼Eb观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Vb上的虚像，由此能够通过双眼在面对重叠区域的区域As内立体观看到虚像。也就是说，立体像被映现在区域As内。在虚像显示面Va、Vb上的除重叠区域以外的区域内无法双眼观看到虚像，因此只是用左眼Ea二维地观看虚像显示面Va上的虚像，用右眼Eb二维地观看虚像显示面Vb上的虚像。也就是说，在区域Am内没有映现出立体像。
图2的(A)示出虚像成像光学系统4a、4b的透镜(虚像成像透镜)50的一半。本例的虚像成像透镜50是前表面(显示装置侧)53和后表面(眼球侧)52均为凸形状的双凸透镜。后表面52被设为由下述式(1)定义的非球面的凸面，前表面53被设为由下述式(2)定义的球面的凸面。此外，将穿过虚像成像透镜50的光学中心O(在后表面52上为基点O1，在前表面53上为基点O2)的前后方向的轴设为z轴，z轴与透镜50的光轴一致。
z＝r2/(R1+(R1 2-Kv2)1/2)+δ…(1)
z＝r2/(R2+(R2 2-Kr2)1/2)…(2)
式(1)、式(2)的r为距z轴的距离。即，在考虑了在后表面52上以基点O1为中心并在前表面53上以基点O2为中心、并且将与z轴正交的左右方向、上下方向的轴分别设为x轴、y轴的正交坐标系的情况下，r＝(x2+y2)1/2。R1、R2为面的顶点处的曲率半径，K(圆锥系数)为1。另外，在对后表面52进行定义的式(1)中，δ是用Σ{Anrn}表示的非球面成分。其中，An是非球面系数，n是正整数。Σ{}是表示{}内的总和的符号。此外，通过将朝向透镜的后方的方向设为z轴的正方向，上述式(1)、式(2)能够应用于弯月形状的透镜，但在应用于如本例那样的双凸透镜的后表面的情况下，z轴的符号相反。
例如，非球面成分δ可以是用A4r4+A6r6+A8r8+A10r10表示的成分，另外也可以是用A3r3表示的成分。能够通过基于光线追踪的仿真来适当决定用于确定非球面成分δ的非球面系数An，以得到期望的光学特性(度数变化)。
图2的(B)是示出虚像成像透镜50的沿着光轴正交方向的度数变化(详细地说，是作为子午方向的折射力与弧矢方向的折射力的平均的平均度数的变化)的图。能够通过对虚像成像透镜50的背面垂直地入射焦度计的测定光束来测定虚像成像透镜50的度数变化。另外，为了得到反映出HMD 1的佩戴状态的光学特性，也可以使用能够以眼睛的旋转中心为基准来测定被检透镜(虚像成像透镜50)的光学特性的焦度计进行测定。在此，以用米(metre)表示距离的倒数的屈光度(Diopter[D])为单位来提供平均度数。
如图2的(B)所示，虚像成像透镜50的透镜的各区域(用户的视线所通过的各区域)被设定为正度数。另外，本例的虚像成像透镜50在与光学中心O相比靠光轴正交方向外侧的位置具有被设定了比光学中心的度数S0靠负侧(在本例中为度数的绝对值变小的一侧)的度数的度数调整区域55。在本例中，在该度数调整区域55中，随着趋向光轴正交方向外侧，度数向负侧变化。
在此，度数调整区域55中的度数变化量、详细地说相对于光学中心的度数S0的度数变化量的绝对值ΔS(参照图2的(B))优选在与光学中心相距15mm的位置处为0.10D～3.00D的范围内。
在具有度数调整区域55的虚像成像透镜50的情况下，相对于在图2的(A)中用双点划线表示的曲率半径R1的球面(以下也称为原来的球面，在图2的(A)中用附图标记S表示。)而言，透镜的厚度增加与非球面成分δ对应的厚度量，越接近透镜的边缘，该厚度的增加量越大。在此，用T1表示透镜的边缘处的厚度的增加量。即，在同光学中心的度数S0与虚像成像透镜50的光学中心的度数相等并且透镜中心厚度T0与虚像成像透镜50的透镜中心厚度相等的球面设计透镜相比较的情况下，虚像成像透镜50的透镜的边缘厚度更厚。这种方式的虚像成像透镜50即使进一步减薄透镜中心厚度也维持规定的边缘厚度，因此能够设为透镜中心厚度比球面设计透镜的透镜中心厚度薄的透镜。即，能够减轻透镜的重量(换言之，HMD的重量)。
在如以上那样构成的第一实施方式所涉及的VR用HMD中，能够扩大用户能够清晰地视觉识别图像的范围。图3的(B)示出在VR用HMD的虚像成像光学系统中使用了球面设计透镜(两个折射面均由球面构成的透镜)50B的情况下的、焦点的位置与画面3c的关系。如该图所示，在虚像成像光学系统中使用了球面设计透镜50B的情况下，焦点的位置如双点划线J所示那样被设定为大致圆形。因此，如果从焦点对焦到在用户的正面扩展的平面状的画面3c的中央部的状态(正面观看的状态)起使视线向侧面进一步移动并进行侧面观看，则画面3c的周边部处于与中央部相比更远离用户的眼睛的位置，因此画面3c的周边部与用户能够清晰地视觉识别图像的焦点的位置J之间的偏差变大，导致用户视觉识别的图像的分辨率降低。
与此相对地，在具备度数调整区域55的虚像成像透镜50中，如图3的(A)所示，越接近透镜50的边缘，焦点的位置Q向越远的一侧移动，因此即使是在侧面观看时被视觉识别出的显示在画面3c的周边部的图像，也能够清晰地视觉识别。
此外，如图2的(B)所示，上述虚像成像透镜50使度数从光学中心O趋向透镜的边缘逐渐地变化，但度数变化的方式不限定于此，能够适当变更。例如，也能够如图4的(A)所示，将距光学中心O的距离r0内的透镜中央部56的度数设为S0，将比透镜中央部56靠外侧的区域设定为使度数与S0相比向负侧变化的度数调整区域55。另外，也可以如图4的(B)所示，度数调整区域55除了包括随着趋向光轴正交方向外侧而度数向负侧变化的区域55a以外，还包括维持了规定的度数(无度数变化)的区域55b。
另外，HMD 1的虚像成像光学系统4a、4b也能够由多个透镜组合地构成，来取代由单个透镜50构成。
在图5所示的例子中，虚像成像光学系统4a、4b由包括第一透镜60和第二透镜62的组合透镜构成。第一透镜60是被设定了正度数S0的单焦点透镜。第二透镜62的光学中心O的度数为0D，在与光学中心O相比靠光轴正交方向外侧的位置具备度数调整区域55，在该度数调整区域55中，随着趋向透镜的边缘，度数向负侧(在本例中为度数的绝对值变大的一侧)变化。
对第二透镜62的后表面52附加了非球面成分δ，第二透镜62的透镜厚度增加与非球面成分δ对应的厚度量，越接近透镜的边缘则该厚度的增加量越大。即，在同光学中心的度数(0D)与第二透镜62的光学中心的度数相等并且透镜中心厚度T0与第二透镜62的透镜中心厚度相等的球面设计透镜相比较的情况下，第二透镜62的透镜的边缘厚度更厚。
这些第一透镜60和第二透镜62以其光轴重叠或大致重叠的方式在光轴方向上重叠地配置。即使在使用了像这样构成的组合透镜的情况下，也能够得到与使用了上述虚像成像透镜50的情况同样的效果。
<实施例>
在图6中，70是使显示装置71与虚像成像光学系统74a、74b相向配置的图像观察装置。在使用了由第一透镜60和第二透镜62组成的组合透镜作为虚像成像光学系统74a、74b的情况(参照图7的(A))、仅使用了第一透镜60作为虚像成像光学系统74a、74b的情况(参照图7的(B))中的各情况下，通过借助虚像成像光学系统74a、74b观察显示在显示装置71中的图像，确认了使用具备度数调整区域55的第二透镜62所带来的效果。
此外，在此，作为第一透镜60，使用了Google Cardboard(注册商标)用的透镜
Figure BDA0003756848610000091
虚像显示距离距第一透镜60大约1000mm。
第二透镜62的规格如下。
折射率：1.608、光学中心处的度数：0.00D、中心厚度：1.80mm、
度数变化：在相对于光学中心O而言光轴正交方向外侧的15mm的位置处使度数变化为-0.75D。
其它：相对于光学中心O而言光轴正交方向外侧的25mm的位置处的透镜厚度比球面设计透镜厚260μm。
另外，作为显示装置71，使用了智能手机(Google Pixel 3)。
图8是对利用图像观察装置70观察到的显示装置71的图像进行拍摄而得到的照片。图8的(A)是使用第一透镜60和第二透镜62来作为虚像成像光学系统的情况下(参照图7的(A))的图像。图8的(B)是仅使用第一透镜60来作为虚像成像光学系统的情况下(参照图7的(B))的图像。如果将图8的(A)与图8的(B)进行比较，则获知图8的(A)的周边部的图像的分辨率更高。另外，如果将图8的(A)与图8的(B)进行比较，则获知所拍摄到的范围更大。它们是在虚像成像光学系统74a、74b中使用了具备度数调整区域55的第二透镜62所带来的效果。
在图9中示出第二实施方式所涉及的AR用HMD(只要不产生混淆则仅称为HMD)11的概要结构。HMD 11具备框架12、左眼用显示装置13a、右眼用显示装置13b、左眼用半透半反镜17a、右眼用半透半反镜17b、左眼用虚像成像光学系统4a以及右眼用虚像成像光学系统4b。关于这些结构各部中的与第一实施方式所涉及的HMD 1的结构相同的结构，使用相同的标记来表示，并且省略其说明。
框架12是用于保持左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b以及其它结构各部的壳体。框架12将左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b分别保持在左侧面和右侧面的内侧，背面敞开以能够从背面侧观看内部，以在从背面侧观看内部时能够面对前方的方式具有透光性的前表面，并且在左眼Ea及右眼Eb的主视线La、Lb上分别保持左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b以能够观看左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b的画面。此外，设为将左眼用虚像成像光学系统4a和右眼用虚像成像光学系统4b以在用户佩戴着HMD 11的状态下借助左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b分别转向的左眼Ea的主视线La及右眼Eb的主视线Lb分别与左眼用虚像成像光学系统4a的光轴4a0及右眼用虚像成像光学系统4b的光轴4b0重叠或大致重叠的方式保持在框架12内。
左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b分别是将左眼用图像3a和右眼用图像3b显示在各自的画面(也称为左眼用画面和右眼用画面)上的装置。作为显示装置13a、13b，例如能够使用液晶显示器、有机EL显示器等平板显示器。左眼用显示装置13a以使画面朝向右侧的方式保持在框架12的左侧面的内侧。右眼用显示装置13b以使画面朝向左侧的方式保持在框架12的右侧面的内侧。
左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b分别是用于实现通过反射在左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b的画面上显示的左眼用图像3a和右眼用图像3b并且使来自前方的目标物的光透过来彼此重叠地映现到左眼Ea及右眼Eb的透视功能的光学构件。左眼用半透半反镜17a配置于左眼用虚像成像光学系统4a的与左眼用画面(左眼用显示装置13a)相反的一侧且配置于用户的左眼Ea的前方(即，主视线La上)。右眼用半透半反镜17b配置于右眼用虚像成像光学系统4b的与右眼用画面(右眼用显示装置13b)相反的一侧且配置于用户的右眼Eb的前方(即，主视线Lb上)。
左眼用虚像成像光学系统4a和右眼用虚像成像光学系统4b分别以朝向左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b的画面的方式配置在框架12内的左侧和右侧，将左眼用图像3a和右眼用图像3b分别虚像成像在前方的虚像显示面Va、Vb上，并将它们的放大正立像映现到左眼Ea及右眼Eb。
当用左眼Ea借助左眼用半透半反镜17a和左眼用虚像成像光学系统4a观看左眼用显示装置13a的画面上的左眼用图像3a、并且用右眼Eb借助右眼用半透半反镜17b和右眼用虚像成像光学系统4b观看右眼用显示装置13b的画面上的右眼用图像3b时，它们的虚像分别被映现在前方的虚像显示面Va、Vb上。在此，当提供视差图像作为左眼用图像3a和右眼用图像3b时，通过在用左眼Ea观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Va上的虚像的同时用右眼Eb观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Vb上的虚像，由此能够通过双眼在面对重叠区域的区域As内与该区域内实际存在的目标物重叠地立体观看到虚像。也就是说，与区域As内的目标物重叠地映现立体像。
此外，在本实施方式所涉及的HMD 11中，在框架12内，将左眼用显示装置13a以及左眼用虚像成像光学系统4a相对于主视线La上的左眼用半透半反镜17a配置在左边，但是也可以取而代之地配置在左眼用半透半反镜17a的上方或下方。另外，在本实施方式所涉及的HMD 11中，在框架12内，将右眼用显示装置13b以及右眼用虚像成像光学系统4b相对于主视线Lb上的右眼用半透半反镜17b配置在右边，但是也可以取而代之地配置在右眼用半透半反镜17b的上方或下方。
如以上所说明的那样，根据第二实施方式所涉及的HMD 11，具备：左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b，左眼用显示装置13a将左眼用图像3a显示在画面上，右眼用显示装置13b将右眼用图像3b显示在画面上；左眼用虚像成像光学系统4a及右眼用虚像成像光学系统4b，左眼用虚像成像光学系统4a针对左眼用图像3a配置，右眼用虚像成像光学系统4b针对右眼用图像3b配置；左眼用半透半反镜17a，其配置于左眼用虚像成像光学系统4a的与左眼用画面相反的一侧且配置于用户的左眼Ea的前方；以及右眼用半透半反镜17b，其配置于右眼用虚像成像光学系统4b的与右眼用画面相反的一侧且配置于用户的右眼Eb的前方。在虚像成像光学系统4a、4b中使用的虚像成像透镜50在与光学中心O相比靠光轴正交方向外侧的位置设定有被设定了比光学中心O的度数靠负侧的度数的度数调整区域55，因此进行了侧面观看时的焦点的位置向远方延长，能够清晰地视觉识别位于显示装置13a、13b的画面的周边部的图像。即，除了通过正面观看来视觉识别显示在显示装置13a、13b的画面上的图像的情况以外，在通过侧面观看来进行视觉识别的情况下也能够清晰地视觉识别，从而能够扩大用户能够清晰地视觉识别图像的范围。
此外，在第二实施方式所涉及的HMD 11中，为了具备透视功能而使用了左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b，但是也可以取而代之地，为了装置的小型化而将平面波导和全息照相光学元件组合使用。
此外，在第一实施方式所涉及的HMD 1和第二实施方式所涉及的HMD11中，显示装置3以及左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b显示的左眼用图像3a和右眼用图像3b可以为彩色，也可以为黑白色。在彩色的情况下，也可以还具备对色像差进行校正的光学系统。
<其它变形例和应用例>
虚像成像光学系统的度数调整区域既可以以遍及虚像成像光学系统的绕光轴的整周的方式设置，也能够仅设置于周向上的一部分。
上述实施方式的虚像成像透镜设为双凸形状，但也能够以平凸形状、弯月形状构成，另外，根据情况，还能够采用菲涅耳形状，以减小透镜的厚度。
另外，上述实施方式是对虚像成像透镜或第二透镜的后表面附加了用于使度数变化的非球面成分δ的例子，但非球面成分δ还能够附加于透镜的前表面或附加于前表面和后表面这两个面。
附图标记说明
1：头戴式显示器(VR用HMD)；3、13a、13b：显示装置；3a：左眼用图像；3b：右眼用图像；3c：画面；4a、4b：虚像成像光学系统；11：头戴式显示器(AR用HMD)；17a：左眼用半透半反镜；17b：右眼用半透半反镜；50：虚像成像透镜；52：后表面；53：前表面；55：度数调整区域；60：第一透镜；62：第二透镜；Ea：左眼；Eb：右眼；δ：非球面成分。

Claims (8)

1.一种头戴式显示器，具备：
显示装置，其将左眼用图像和右眼用图像显示于画面上；
左眼用虚像成像光学系统及右眼用虚像成像光学系统，所述左眼用虚像成像光学系统针对所述画面上的左眼用图像配置，所述右眼用虚像成像光学系统针对所述画面上的右眼用图像配置，
其中，所述虚像成像光学系统在用户的视线所通过的各区域被设定了正度数，并且在与光学中心相比靠光轴正交方向外侧的位置具备被设定了比所述光学中心的度数靠负侧的度数的度数调整区域。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述度数调整区域包括随着趋向光轴正交方向外侧而度数向负侧变化的区域。
3.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述虚像成像光学系统由具备第一透镜和第二透镜的组合透镜构成，
其中，所述第一透镜被设定了正度数，
所述第二透镜是与所述第一透镜分体的透镜，具备所述度数调整区域，所述第二透镜在光轴方向上与所述第一透镜重叠地配置。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其特征在于，
相较于所述光学中心处的度数与所述第二透镜的所述光学中心处的度数相等并且透镜中心厚度与所述第二透镜的透镜中心厚度相等的球面设计透镜，所述第二透镜的边缘厚度被设定得更厚。
5.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述虚像成像光学系统由单个透镜构成。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示器，其特征在于，
相较于光学中心处的度数与所述单个透镜的光学中心处的度数相等并且透镜中心厚度与所述单个透镜的透镜中心厚度相等的球面设计透镜，所述单个透镜的边缘厚度被设定得更厚。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述显示装置具有显示所述左眼用图像的左眼用画面和显示所述右眼用图像的右眼用画面，
所述头戴式显示器还具备：
左眼用半透半反镜，其配置于所述左眼用虚像成像光学系统的与所述左眼用画面相反的一侧且配置于用户的左眼的前方；以及
右眼用半透半反镜，其配置于所述右眼用虚像成像光学系统的与所述右眼用画面相反的一侧且配置于用户的右眼的前方。
8.一种虚像成像透镜，在头戴式显示器的虚像成像光学系统中使用，
所述虚像成像透镜在用户的视线所通过的各区域被设定了正度数，并且在与光学中心相比靠光轴正交方向外侧的位置具备被设定了比所述光学中心的度数靠负侧的度数的度数调整区域。
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