JP2021124537A - 画像観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光を利用した接眼光学系におけるゴーストを低減する。【解決手段】画像観察装置１０１は、表示素子１０８，１０９と、入力画像に応じて表示素子に原画像を表示させる表示制御手段１１５と、表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１とを有する。接眼光学系は、表示素子から射出瞳に向かって順に配置された、第１の位相板１１１と、半透過反射面１１２と、レンズ１０４と、第２の位相板１１３と、第１の直線偏光を反射し、該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する偏光分離素子１１４とを含む。表示制御手段１１５は、入力画像に対する原画像の明るさのゲインを、表示素子の中心部より周辺部において低くする。【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子に表示された画像を接眼光学系を介して観察可能な画像観察装置に関する。

上記のような画像観察装置としては、観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）がある。このようなＨＭＤにおいて広画角での画像提示を実現するために、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が用いられることがある。ただし、このような接眼光学系の軽量化のためにプラスチックレンズが使用されると、プラスチックレンズ内の複屈折によって光の偏光状態が乱れ、この結果、ゴーストが発生する。

特許文献１および特許文献２には、偏光を利用して広画角化された接眼光学系を有するＨＭＤが開示されている。特許文献１のＨＭＤでは、接眼光学系内の半透過型偏光板の透過軸の方向を観察者の両眼が並ぶ方向に一致させて輝度むらを低減している。また特許文献２のＨＭＤでは、曲面形状の偏光素子を利用して広画角を実現している。

特開２０１９−０５３１５２号公報 特表２０１８−５０８８００号公報

しかしながら、特許文献１には、接眼光学系のプラスチックレンズ内の複屈折によるゴーストの低減に関して、複屈折が小さいプラスチック材料を用いるとの記載しかない。また特許文献２には、接眼光学系のビネッティングにより周辺光量が低下することについては記載があるが、レンズの複屈折により発生するゴーストの低減に関する記載はない。

本発明は、偏光を利用した接眼光学系におけるゴーストを低減することができるようにした画像観察装置を提供する。

本発明の一側面としての画像観察装置は、表示素子と、入力画像に応じて表示素子に原画像を表示させる表示制御手段と、表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有する。接眼光学系は、表示素子から射出瞳に向かって順に配置された、第１の位相板と、半透過反射面と、レンズと、第２の位相板と、第１の直線偏光を反射し、該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する偏光分離素子とを含む。表示制御手段は、入力画像に対する原画像の明るさのゲインを、表示素子の中心部より周辺部において低くすることを特徴とする。

本発明によれば、偏光を利用した接眼光学系を有する画像観察装置においてゴーストを低減することができる。

本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す図。 実施例２における接眼光学系の構成を示す図。 実施例１のＨＭＤの外観図。 実施例１における接眼光学系の光路を示す図。 実施例１における接眼光学系のゴースト光を説明する図。 実施例１におけるレンズの複屈折を説明する図。 実施例１における表示素子の明るさ分布を示す図。 本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す図。 実施例２における接眼光学系の構成を示す図。 実施例２における接眼光学系のゴースト光を説明する図。 実施例２におけるレンズの複屈折を説明する図。 実施例２における接眼光学系のゴースト分布を示す図。 実施例２における表示素子の明るさ分布を示す図。 実施例１の歪補正処理を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である画像観察装置としてのＨＭＤ１０１の構成を示している。ＨＭＤ１０１は、観察者の頭部に装着される。１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。表示レンズ１０４，１０５は右眼用接眼光学系ＯＲ１を構成し、表示レンズ１０６，１０７は左眼用接眼光学系ＯＬ１を構成する。各接眼光学系は、複数（２つ）の表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１には観察者の右眼１０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ１の射出瞳ＥＬ１には観察者の左眼１０３が配置される。

１０８は右眼用表示素子、１０９は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。図３は、ＨＭＤ１０１とこれに接続されたパーソナルコンピュータ１５０の外観を示している。表示コントローラ（表示制御手段）１１５は、パーソナルコンピュータ１５０から供給される画像信号（以下、入力画像という）に対して所定のゲインを乗じて生成した原画像としての表示画像を表示素子１０８，１０９に表示させる。

接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１はそれぞれ、表示素子１０８，１０９からの光を射出瞳ＥＲ１，ＥＬ１に導くことで、表示画像の拡大虚像を観察者の右眼１０２と左眼１０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子１０８，１０９上の表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１を通して観察することができる。

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離は１２ｍｍ、水平表示画角は４５°、垂直表示画角は３４°、対角表示画角は５４°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述する偏光分離素子１１４の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ１は、１８ｍｍである。

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ１，ＯＬ１は偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ１を用いて説明する。図２に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ１は、右眼用表示素子１０８から射出瞳ＥＲ１に向かって順に配置された偏光板１１０、第１のλ／４板（第１の位相板）１１１、表示レンズ１０５、表示レンズ１０４、第２のλ／４板（第２の位相板）１１３および偏光分離素子（以下、ＰＢＳという）１１４を有する。表示レンズ１０４における表示素子側の面には、半透過反射面としてのハーフミラー１１２が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板１１３とＰＢＳ１１４は、表示レンズ１０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

偏光板１１０、第１のλ／４板１１１、第２のλ／４板１１３およびＰＢＳ１１４はいずれも平板状に形成されている。偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板１１１の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板１１３の遅相軸とは−４５°（すなわち第１の直線偏光の偏光方向に対して第１のλ／４板１１１の遅相軸とは反対側に同角度だけ）傾いている。また偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ１１４を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

右眼用表示素子１０８から出射した無偏光光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板１１１を透過して円偏光となって表示レンズ１０５を透過する。さらに円偏光は、ハーフミラー１１２を透過した後、表示レンズ１０４を透過し、第２のλ／４板１１３を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ１１４を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ１１４で反射して第２のλ／４板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ１０４を透過した後、ハーフミラー１１２で反射し、再度、表示レンズ１０４を透過し、第２のλ／４板１１３を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ１１４を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ１１４を透過して射出瞳ＥＲ１（右眼１０２）に導かれる。左眼用表示素子１０９から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ１により射出瞳ＥＬ１（左眼１０３）に導かれる。

このように各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を光軸方向において薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

ＨＭＤは、観察者が頭部に装着するために軽量であることが望ましい。このため、接眼光学系を構成する表示レンズや撮像光学系を構成する撮像レンズは硝子よりも比重が小さい樹脂により製作することが望ましい。このため、本実施例でも、表示レンズ１０４〜１０７は樹脂レンズとしている。また最も射出瞳側の表示レンズ１０４，１０６を表示素子側に向かって凸面を有する平凸レンズとして、該凸面にハーフミラー１１２を設けることで、接眼光学系を薄型化しつつ広画角化を実現している。さらに表示レンズ１０４，１０６の凸面を非球面形状とすることで、収差補正効果を高めている。また、表示レンズ１０５，１０７を樹脂製の両面非球面レンズとして、収差補正効果を高めている。

ただし、表示レンズ１０５，１０７は外径が小さく、重量への影響が小さいため、ガラスレンズとしてもよい。またＨＭＤ１０１の全体の重量が許容範囲であれば、表示レンズ１０４，１０６もガラスレンズとしてもよい。

本実施例のＨＭＤ１０１では、眼鏡を掛けている観察者でも装着できるように、アイレリーフは１５ｍｍ以上であることが望ましい。一方、アイレリーフが長すぎると、表示レンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、アイレリーフＥ１は、
１５ｍｍ≦Ｅ１≦２５ｍｍ （１）
なる条件を満足するとよい。

また本実施例のＨＭＤ１０１では、図４に示すように、右眼１０２の眼球（瞳）が右眼用表示素子１０８の表示面の左右の端部を向いている（見ている）状態での右眼用接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１′の位置、すなわちアイレリーフＥ１′を、図１に示すように眼球が表示面の中心部を向いている状態でのアイレリーフＥ１＝１８ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２８ｍｍに設定し、射出瞳径を６ｍｍに設定している。左眼用接眼光学系ＯＬ１の射出瞳についても同様である。このように設定することで、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

次に、本実施例の接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１における不要光としてのゴースト光の発生について、図５を用いて説明する。ここでも、右眼用接眼光学系ＯＲ１を用いて説明するが、左眼用接眼光学系ＯＬ１についても同様である。

本実施例のように偏光を利用した接眼光学系ＯＲ１では、表示レンズ１０４，１０５内での複屈折や偏光板１１０、λ／４板１１１，１１３およびＰＢＳ１１４の偏光特性により、表示素子１０８から出射した光が、図１や図４に示す正規の光路を辿らず、図５に示すようにＰＢＳ１１４で反射することなくそのまま観察者の右眼１０２に導かれることがある。この光がゴースト光となる。このゴースト光は、第１のλ／４板１１１を透過した円偏光の光が表示レンズ１０５，１０４内の複屈折によって楕円偏光になり、第２のλ／４板１１３を透過した後の直線偏光の偏光方向が本来の方向に対して傾き、ＰＢＳ１１４を透過して右眼１０２に導かれることで発生する。また、表示レンズ１０４，１０５内の複屈折がなくても、偏光板１１０、λ／４板１１１，１１３およびＰＢＳ１１４の偏光特性が良好でないとゴースト光が発生する。そして図５から分かるように、ゴースト光は観察される画像の中心付近に発生するため、観察者の違和感が大きい。

レンズ内の複屈折は、一般に、該レンズの中心部から周辺部にかけて大きくなる。図６（ａ）は、表示レンズ１０４内における中心（光軸）からの距離と複屈折の大きさとの関係を示す。図６（ｂ）は、表示レンズ１０５における中心からの距離と複屈折の大きさとの関係を示す。これらの図から分かるように、表示レンズ１０４，１０５のいずれにおいても中心からの距離が大きくなるにつれて複屈折の大きさが増加する。このため、図５において表示素子１０８の中心部から出射したゴースト光は、複屈折が小さい表示レンズ１０４，１０５の中心部を通過するため、強度は小さい。一方、表示素子１０８の周辺部から出射したゴースト光は、複屈折が大きい表示レンズ１０４，１０５の周辺部を通過するため、強度が大きい。

そこで本実施例では、表示コントローラ１１５が、右眼用表示素子１０８の周辺部における入力画像に対する表示画像の明るさのゲインを、中心部のゲインよりも低くする。言い換えれば、例えば入力画像が均一の明るさの画像である場合に、表示素子１０８の周辺部での画像の明るさが中心部での画像の明るさよりも暗くなるようにゲインを設定する。具体的には、図７に示すように、表示素子１０８の中心（光軸）から端部までの距離、すなわち最大像高を１００％像高とするとき、８０％像高以上の周辺部の明るさが８０％像高未満の中心部の明るさ１００％より暗くなるようにゲインを設定する。この際、８０％像高から１００％像高（端部）にかけて徐々に明るさが低下し、１００％像高にて明るさが中心部の２０％になるようにゲインを設定する。

このように表示素子１０８の周辺部のゲインを中心部より低くすることで、表示素子１０８の周辺部から出射するゴースト光を低減することができる。表示素子１０８全体のゲインを均一にすると、正規の光路を辿る光（正規光）に対するゴースト光の割合は１．０％となる。これに対して、本実施例のように周辺部のゲインを中心部より低くすることで、正規光に対するゴースト光の割合を０．８５％に低減することができる。左眼用表示素子１０９についても同様である。

なお、図７では、８０％以上の像高における明るさ（ゲイン）を線形に低下させる場合を示しているが、明るさを低下させる像高は７０％でなくてもよく、また周辺部の明るさを中心部より暗くするのであれば非線形に明るさを低下させてもよい。ただし、６０％以上の像高における明るさを低下させることが望ましい。６０％未満の像高における明るさを低下させると、暗い像高の領域が大きくなりすぎて、自然な画像観察ができなくなるためである。また、１００％像高における明るさは、中心部の明るさの２５％以下であることが望ましい。明るさが２５％より大きいと、周辺部からのゴースト光に対する十分な低減効果が得られないためである。さらにゴースト光の低減効果を高めるためには、１００％像高における明るさは中心部の明るさの５％以下であることが望ましい。

以上説明したように、本実施例によれば、観察者が注視することが多い表示素子１０８，１０９の中心部に比べて、観察者が注視することが少ない（気にしない）周辺部の明るさゲインを低くすることで、表示画像の中心付近に発生するゴースト光を低減して、より自然な画像観察を行うことができる。

なお、表示コントローラ１１５をＨＭＤ１０１の外部にコントロールユニットとして設け、パーソナルコンピュータ１５０から入力画像を受けたコントロールユニットから有線または無線通信により表示画像の信号をＨＭＤ１０１に送信できるようにしてもよい。

ここで、各接眼光学系に糸巻き型の歪曲収差がある場合には、表示コントローラ１１５は、入力画像に対して糸巻き型の歪曲収差をキャンセル（補正）するための画像処理としての歪補正処理を行ってもよい。この場合、表示コントローラ１１５は、まず図１４（ａ）に示す矩形の均一の明るさの入力画像に対して、図１４（ｂ）に示すように周辺部の明るさを暗くするようにゲインを設定する。その後、図１４（ｃ）に示すように、周辺部を暗くした原画像に対する歪補正処理を行い、歪補正処理後の原画像を表示画像として表示素子に表示する。接眼光学系に糸巻き型の歪曲収差がある場合には、図１４（ｃ）に示すように歪補正処理後の表示画像の周辺部は補正前よりも暗くなる。このため、表示素子の周辺部からのゴースト光をより低減することができる。

レンズ内の複屈折は、該レンズを樹脂材料を用いて金型成形により製造した際に発生し易く、該レンズの偏肉比が大きいほど金型成形後の冷却時にレンズの薄い部分と厚い部分との冷え方の差が大きくなることで複屈折が大きくなる。

本実施例のように広画角で薄型の接眼光学系ＯＲ１では、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー１１２）を有する表示レンズ１０４の偏肉比が大きくなる。表示レンズ１０４の光学有効領域における偏肉比は２．０である。偏肉比は、１．５以上、４．０以下であることが望ましい。偏肉比が１．５未満である場合には、表示レンズ１０４の光学パワーを小さくして該表示レンズ１０４の曲率半径が大きくなるか厚みが大きくなる。表示レンズ１０４の光学パワーを小さくすると広画角化を実現できなくなったり、光学パワーが大きいレンズを追加する必要が生じて接眼光学系ＯＲ１の薄型化が不可能となったりする。また表示レンズ１０４の厚みが大きくなると、接眼光学系ＯＲ１の薄型化を実現できない。一方、偏肉比が４．０より大きい場合には、表示レンズ１０４の複屈折が大きくなり過ぎて、ゴースト光の強度が増す。

接眼光学系ＯＲ１の厚さＬ１を、ＰＢＳ１１４における射出瞳側の面から表示素子１０８までの距離とすると、厚さＬ１は１３ｍｍであり、厚さＬ１とアイレリーフＥ１＝１８ｍｍとの比Ｌ１／Ｅ１は０．７２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とを両立するために、
０．６０≦Ｌ１／Ｅ１≦１．００ （２）
なる条件を満足することが望ましい。Ｌ１／Ｅ１が０．６０より小さいと、アイレリーフが長くなりすぎて表示レンズの外径が大きくなり、ＨＭＤ１０１も大型化するので、好ましくない。しかも、外径が大きいほど表示レンズ１０４の複屈折が大きくなるため、ゴースト光の強度が増す。一方、Ｌ１／Ｅ１が１．００より大きいと、接眼光学系が厚くなってＨＭＤ１０１が大型化するとともに、アイレリーフが短すぎて観察者に圧迫感を与えたり眼鏡を掛けている観察者が装着できなくなったりするため、好ましくない。

また本実施例において、接眼光学系ＯＲ１の最大対角半画角θ１は２７°である。このとき、Ｅ１×ｔａｎθ１＝９．２ｍｍである。この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の広画角化を両立するために、
８ｍｍ≦Ｅ１×ｔａｎθ１≦２０ｍｍ （３）
なる条件を満足することが望ましい。Ｅ１×ｔａｎθ１が８ｍｍより小さいと、アイレリーフが短すぎて観察者に圧迫感を与えたり眼鏡を掛けている観察者が装着できなくなったりするため、好ましくない。また接眼光学系の表示画角が狭すぎて、臨場感のある自然な画像の観察ができない。一方、Ｅ１×ｔａｎθ１が２０ｍｍより大きいと、アイレリーフが長くなりすぎて表示レンズ１０４の外径が大きくなり、ＨＭＤ１０１も大型化するので、好ましくない。しかも、外径が大きいほど表示レンズ１０４の複屈折が大きくなるため、ゴースト光の強度が増す。

また、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ１１４と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

さらに本実施例では、図２に示すように、第２のλ／４板１１３とＰＢＳ１１４が積層されるように形成された表示レンズ１０４の射出瞳側の面を平面としている。これはアイレリーフを長くすることと、接眼光学系を薄型化することを両立するためである。この面が射出瞳に向かって凹形状を有すると、その周辺部でのアイレリーフを確保するために表示レンズ１０４が厚くなる。また、この面が射出瞳に向かって凸形状を有すると、表示レンズ１０４のレンズコバ部の厚さを確保するためにレンズが厚くなる。

本実施例で説明した式（１）〜（３）で示した条件については、後述する実施例２において同様である。また、本実施例で説明した好ましいレンズの材料や形状、偏肉比等についても、実施例２において同様である。

なお、表示素子として、直線偏光を出射する液晶ディスプレイパネルを用いてもよい。この場合、偏光板１１０が不要となり、接眼光学系およびＨＮＤのさらなる薄型化が可能となる。これについても、実施例２において同様である。

図８は、本発明の実施例２であるＨＭＤ２０１の構成を示している。２０２は観察者の右眼、２０３は観察者の左眼である。表示レンズ２０４，２０５は右眼用接眼光学系ＯＲ２を構成し、表示レンズ２０６，２０７は左眼用接眼光学系ＯＬ２を構成する。各接眼光学系は、２つの表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ２の射出瞳ＥＲ２には観察者の右眼２０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ２の射出瞳ＥＬ２には観察者の左眼２０３が配置される。

２０８は右眼用表示素子、２０９は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。表示コントローラ（表示制御手段）２１５は、不図示のパーソナルコンピュータから供給される入力画像に対して所定のゲインを乗じて生成した原画像としての表示画像を表示素子２０８，２０９に表示させる。

接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２はそれぞれ、表示素子２０８，２０９からの光を射出瞳ＥＲ２，ＥＬ２に導くことで、表示素子２０８，２０９に表示された表示画像の拡大虚像を観察者の右眼２０２と左眼２０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子２０８，２０９に表示された表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２を通して観察することができる。

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離は１３ｍｍ、水平表示画角は６０°、垂直表示画角は６０°、対角表示画角は７８°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述する偏光分離素子２１４の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ２は、２０ｍｍである。

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ２，ＯＬ２も、実施例１と同様に、偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ２を用いて説明する。図９に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ２は、右眼用表示素子２０８から射出瞳ＥＲ２に向かって順に配置された偏光板２１０、第１のλ／４板２１１、表示レンズ２０５、表示レンズ２０４、第２のλ／４板２１３およびＰＢＳ２１４を有する。表示レンズ２０４における表示素子側の凸面には、半透過反射面としてのハーフミラー２１２が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板２１３とＰＢＳ２１４は、表示レンズ２０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

偏光板２１０、第１のλ／４板２１１、第２のλ／４板２１３およびＰＢＳ２１４はいずれも平板状に形成されている。偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板２１１の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板２１３の遅相軸とは−４５°傾いている。また偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ２１４を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

右眼用表示素子２０８から出射した無偏光光は、偏光板２１０を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板２１１を透過して円偏光となって表示レンズ２０５を透過する。さらに円偏光は、ハーフミラー２１２を透過した後、表示レンズ２０４を透過し、第２のλ／４板２１３を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ２１４を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ２１４で反射して第２のλ／４板２１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ２０４を透過した後、ハーフミラー２１２で反射し、再度、表示レンズ２０４を透過し、第２のλ／４板２１３を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ２１４を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ２１４を透過して射出瞳ＥＲ２（右眼２０２）に導かれる。左眼用表示素子２０９から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ２により射出瞳ＥＬ２（左眼２０３）に導かれる。

本実施例でも、実施例１と同様に、各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

また本実施例でも、各接眼光学系において、２つの表示レンズを接合して、その光軸方向の厚さを１３．５ｍｍと薄型化している。そして、前述したように接眼光学系のアイレリーフＥ２として２０ｍｍを確保している。２つの表示レンズを接合レンズとすることで、ＨＭＤ２０１の本体によって表示レンズを保持しやすくなる。

さらに本実施例でも、表示レンズ２０４〜２０７は樹脂レンズであり、かつ表示レンズ２０４〜２０７を非球面レンズとして収差補正効果を高めている。

また表示レンズ２０４，２０５を接合レンズとしているため、ハーフミラー２１２を表示レンズ２０５のうち射出瞳側の面に設けてもよい。この場合でも、ハーフミラー２１２が設けられた面は表示素子２０８に向かって凸面である。

また本実施例のＨＭＤ２０１では、右眼２０２の眼球（瞳）が表示素子２０８の表示面の左右の端部を向いている（見ている）状態での右眼用接眼光学系ＯＲ２の射出瞳の位置、すなわちアイレリーフを、図８に示すように眼球が表示面の中心部を向いている状態でのアイレリーフＥ２＝２０ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた３０ｍｍに設定し、射出瞳径を６ｍｍに設定している。左眼用接眼光学系ＯＬ２の射出瞳についても同様である。このように設定することで、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

図１０に示すように、本実施例の接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２においても、実施例１と同様の理由によってゴースト光が発生する。図１１（ａ）は、表示レンズ２０４内における中心（光軸）からの距離と複屈折の大きさとの関係を示す。図１１（ｂ）は、表示レンズ２０５における中心からの距離と複屈折の大きさとの関係を示す。これらの図から分かるように、表示レンズ２０４，２０５のいずれにおいても中心からの距離が大きくなるにつれて複屈折の大きさが増加する。図１２（ａ）は、本実施例におけるゴースト光の表示画角全体での強度分布（色が濃い部分ほどゴースト光の強度が大きい）を示し、図１２（ｂ）は表示画角の対角方向でのゴースト光の強度分布を示す。

これらの図１２（ａ）、（ｂ）から分かるように、図１０において右眼用表示素子２０８の中心部から出射したゴースト光は、複屈折が小さい表示レンズ２０４，２０５の中心部を通過するため、強度は小さい。一方、表示素子２０８の周辺部から出射したゴースト光は、複屈折が大きい表示レンズ２０４，２０５の周辺部を通過するため、強度が大きい。しかも、実施例１に比べて、本実施例の方が表示画角が大きく、各表示レンズの外径が大きくて複屈折が大きいため、ゴースト光の強度が大きい。

そこで本実施例では、表示コントローラ２１５が、右眼用表示素子２０８の周辺部における入力画像に対する表示画像の明るさのゲインを、中心部のゲインよりも低くする。言い換えれば、例えば入力画像が均一の明るさの画像である場合に、表示素子２０８の周辺部での画像の明るさが中心部での画像の明るさよりも暗くなるようにゲインを設定する。具体的には、図１３に示すように、７０％像高以上の周辺部の明るさが７０％像高未満の中心部の明るさ１００％より暗くなるようにゲインを設定する。この際、７０％像高から最大像高である１００％像高（端部）にかけて徐々に明るさが低下し、１００％像高にて明るさが０％になるようにゲインを設定する。

このように表示素子２０８の周辺部のゲインを中心部より低くすることで、表示素子２０８の周辺部から出射するゴースト光を低減することができる。表示素子２０８全体のゲインを均一にすると、正規の光路を辿る光（正規光）に対するゴースト光の割合は３．０％となる。これに対して、本実施例のように周辺部のゲインを中心部より低くすることで、正規光に対するゴースト光の割合を２．１％に低減することができる。左眼用表示素子２０９についても同様である。

本実施例のように表示画角が大きいと、外径が大きい表示レンズ２０５の周辺部と中心部での複屈折の差が大きい。このため、表示素子２０８の周辺部を暗くすることで、ゴースト光を低減する効果が大きい。また表示画角が大きいため、周辺部の明るさを暗くすることが観察者の気になりにくい。

なお、図１３では、７０％以上の像高における明るさ（ゲイン）を低下させる場合を示しているが、明るさを低下させる像高は７０％でなくてもよい。ただし、実施例１と同様に、６０％以上の像高における明るさを低下させることが望ましい。また、最大像高での明るさは２５％以下であることが望ましく、さらにゴースト光の低減効果を高めるためには５％以下であることが望ましい。

以上説明したように、本実施例でも、観察者が注視することが多い表示素子２０８，２０９の中心部に比べて、観察者が注視することが少ない（気にしない）周辺部の明るさゲインを低くすることで、表示画像の中心付近に発生するゴースト光を低減して、より自然な画像観察を行うことができる。

各接眼光学系に糸巻き型の歪曲収差がある場合に、表示コントローラ２１５が周辺部の明るさを低下させた原画像に対して歪補正処理を行うことは、実施例１と同じである。

本実施例でも、右眼用接眼光学系ＯＲ２は広画角で薄型であるため、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー２１２）を有する表示レンズ２０４の偏肉比が大きくなる。表示レンズ２０４，２０５を接合しているため、表示レンズ２０５における表示レンズ２０４との接合面の曲率半径が短く、表示レンズ２０５の偏肉比も大きくなる。本実施例では、表示レンズ２０４の光学有効領域における偏肉比は３．６であり、表示レンズ２０５の光学有効領域における偏肉比は２．８である。

また右眼用接眼光学系ＯＲ２の厚さＬ２をＰＢＳ２１４の射出瞳側の面から右眼用表示素子２０８までの距離とすると、厚さＬ２は１３．５ｍｍであり、厚さＬ２とアイレリーフＥ２の比、Ｌ２／Ｅ２は０．６８である。

本実施例において、右眼用接眼光学系ＯＲ２のアイレリーフＥ２は２０ｍｍであり、最大対角半画角θ２は３９°である。このとき、Ｅ２×ｔａｎθ２＝１６．２ｍｍであり、式（６）の条件を満足している。上記偏肉比、Ｌ２／Ｅ２およびＥ２×ｔａｎθ２については左眼用接眼光学系ＯＬ２についても同じである。

また、本実施例でも、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ２１４と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０１，２０１ ＨＭＤ
１０８，２０８ 右眼用表示素子
１０９，２０９ 左眼用表示素子
１１５，２１５ 表示コントローラ
ＯＲ１，２ 右眼用接眼光学系
ＯＬ１，２ 左眼用接眼光学系

Claims (15)

1. 表示素子と、
   入力画像に応じて前記表示素子に原画像を表示させる表示制御手段と、
   前記表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有し、
   前記接眼光学系は、前記表示素子から前記射出瞳に向かって順に配置された、
   第１の位相板と、
   半透過反射面と、
   レンズと、
   第２の位相板と、
   第１の直線偏光を反射し、該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過する偏光分離素子とを含み、
   前記表示制御手段は、前記入力画像に対する前記原画像の明るさのゲインを、前記表示素子の中心部より周辺部において低くすることを特徴とする画像観察装置。
2. 前記レンズが樹脂レンズであることを特徴とする請求項１に記載の画像観察装置。
3. 前記表示制御手段は、前記表示素子における最大像高の６０％以上の像高において、６０％未満の像高よりも前記ゲインを低くすることを特徴とする請求項１または２に記載の画像観察装置。
4. 前記表示制御手段は、前記表示素子における最大像高における前記ゲインを、該表示素子の中心部における前記ゲインの２５％以下にすることを特徴とする請求項１から３まのいずれか一項に記載の画像観察装置。
5. 前記接眼光学系が糸巻き型の歪曲収差を有し、
   前記表示コントローラは、前記中心部より前記周辺部において前記ゲインを低くした後に、前記原画像に対して前記歪曲収差を補正する画像処理を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の画像観察装置。
6. 前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
   前記レンズのうち前記半透過反射面が設けられた面が、前記表示素子に向かって凸面であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像観察装置。
7. 前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
   前記レンズのうち前記半透過反射面が設けられた面が非球面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像観察装置。
8. 前記接眼光学系に含まれる１または複数のレンズのうち最も射出瞳側のレンズが前記表示素子に向かって凸面を有する平凸レンズであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像観察装置。
9. 前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
   前記レンズの光学有効領域における偏肉比が、１．５以上、４．０以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像観察装置。
10. 前記接眼光学系のアイレリーフＥは、
    １５ｍｍ≦Ｅ≦２５ｍｍ
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像観察装置。
11. 前記接眼光学系の厚さＬと前記接眼光学系のアイレリーフＥとが、
    ０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像観察装置。
12. 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の対角半画角θとが、
    ８ｍｍ≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０ｍｍ
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像観察装置。
13. 前記第１の直線偏光の偏光方向に対して、前記第１の位相板の遅相軸と前記第２の位相板の遅相軸とが互いに反対側に傾いていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の画像観察装置。
14. 前記接眼光学系は、前記偏光分離素子と前記射出瞳との間に、前記第２の直線偏光を透過する偏光板を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像観察装置。
15. 前記表示素子から無偏光光が出射し、
    前記接眼光学系は、前記表示素子と前記第１の位相板との間に、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１から１４のいずれか一項に記載の画像観察装置。

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